Устройство для регистрации инфракрасного спектра эмиссии образца



Устройство для регистрации инфракрасного спектра эмиссии образца
Устройство для регистрации инфракрасного спектра эмиссии образца
Устройство для регистрации инфракрасного спектра эмиссии образца

 


Владельцы патента RU 2345332:

Терпугов Евгений Львович (RU)

Устройство для регистрации инфракрасного спектра эмиссии образца содержит источник излучения, сферическое зеркало, оптически связанное с плоскостью образца и первым плоским зеркалом, расположенным на одной оптической оси с воспринимающей системой, приемник, регистрирующий излучение, и компьютер, обрабатывающий сигналы. Также в устройство введены последовательно расположенные на одной оптической оси с источником излучения система конденсоров и дополнительное плоское зеркало, установленное в фокальной плоскости системы конденсоров и оптически связанное с плоскостью образца. Воспринимающая система установлена за первым плоским зеркалом по ходу оптических лучей от него и содержит последовательно расположенные диафрагму с программным управлением шага ее раскрытия и собирающее зеркало, оптически связанные друг с другом. При этом диаметры сферического зеркала и диафрагмы и расстояние между ними согласованы между собой и определены тем, что излучение со сферического зеркала не выходит за пределы диаметра диафрагмы. В качестве источника излучения использована, например, ксеноновая лампа мощностью 100 Вт. Технический результат - повышение информативности регистрируемых эмиссионных спектров и упрощение устройства. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области нелинейной оптики, а именно к спектральной измерительной технике, и может быть использовано для исследования структуры различных веществ, в том числе биологических объектов, по полученным эмиссионным спектрам в ИК (инфракрасном) среднем диапазоне.

Возможность регистрировать ИК-эмиссию от образцов возникла в 90-х годах с появлением ИК-Фурье техники. Устройства регистрировали ИК-эмиссию от образца (пленки), нанесенного на металлическую подложку, и содержали нагревательный элемент или источник излучения - лазер, который нагревал подложку до температуры 100° и выше. При этом регистрируемые спектры не были чистыми, а представляли собой суммарные спектры излучения металлической подложки и собственных спектров ИК-эмиссии образца.

Известно устройство для регистрации спектра эмиссии образца [1], в котором внешний источник излучения установлен под углом к предметной плоскости (с образцом), помещенной в вакуумной камере с обеспечением подогрева, а сферическое зеркало, собирающее эмиссию от образца, расположено на пересечении под прямым углом оптических осей, проходящих через предметную плоскость и интерферометр.

Использование аргонового лазера с длиной волны 514,5 нм вызывало подъем температуры в образце до 170°С, что приводило к деструкции образца, поэтому получить качественные спектры могли только в вакууме.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому решению, выбранным в качестве прототипа, является устройство для регистрации инфракрасного спектра эмиссии образца [2], содержащее внешний источник монохроматического излучения, предметную плоскость, тороидное зеркало, оптически связанное с предметной плоскостью и плоским зеркалом, которое расположено на одной оси с воспринимающей оптической системой.

Недостатками устройства являются сложность оптической схемы и технических процедур по обслуживанию оптики, а также недостаточное получение информации о спектре.

Технической задачей решения является повышение информативности регистрируемых эмиссионных спектров и упрощение устройства.

Также технической задачей является расширение класса исследуемых объектов.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве для регистрации ИК-спектра эмиссии образца, содержащем внешний источник излучения, сферическое зеркало, оптически связанное с предметной плоскостью и плоским зеркалом, расположенным на одной оптической оси с воспринимающей системой, в него введены последовательно расположенные на одной оптической оси после источника излучения система конденсоров, оптически связанная с источником излучения, и дополнительное плоское зеркало, установленное в фокальной плоскости системы конденсоров и оптически связанное с предметной плоскостью, при этом воспринимающая система включает диафрагму и следующее за ней собирающее зеркало, установленные на одной оптической оси за первым плоским зеркалом и оптически связанные друг с другом. Диаметры сферического зеркала и диафрагмы, а также расстояние между ними согласованы между собой и определены тем, что излучение из плоского зеркала не выходит за пределы диаметра диафрагмы

В качестве источника излучения использована газоразрядная лампа, например ксеноновая (Хе) лампа.

Сущность изобретения поясняется фиг.1, на которой изображена оптическая схема устройства.

На фиг.2 изображены снятые с помощью устройства эмиссионные инфракрасные спектры: а) образца кремния с возбуждением через разные светофильтры; б) образца детского мыла.

Видно, что каждое исследуемое вещество характеризуется набором своих спектральных линий инфракрасной эмиссии.

На фиг.3 изображена схема устройства, выбранного за прототип.

Устройство (фиг.1) содержит источник излучения 1 (источник света когерентного или некогерентного, любая газоразрядная лампа - ртутная, ксеноновая, глобар); систему конденсоров 2, дополнительное плоское зеркало 3, расположенное под 45° к горизонтали, предметную плоскость 4 - металлическая подложка с исследуемым образцом (пленкой), сферическое зеркало 5, первое плоское зеркало 6, воспринимающую систему - ирисовую диафрагму 7 с программным управлением шага раскрытия диафрагмы и собирающее зеркало 8, приемник 9, регистрирующий излучение, и PC компьютер 10, обрабатывающий сигналы.

Устройство работает следующим образом: излучение от источника 1 фокусируется системой конденсоров 2 на плоское зеркало 3, которое отражает сфокусированное излучение на предметную плоскость с образцом 4. Образец может быть любой толщины и прозрачности, жидким или твердым. Под действием излучения оптического диапазона в образце происходит возбуждение и испускание ИК-квантов. Это эмиссия ИК-излучения, которая собирается сферическим зеркалом 5, формируется в слабо расходящийся пучок и направляется на плоское зеркало 6. Оно направляет полученную ИК-эмиссию на диафрагму 7. Меняя диаметр отверстия диафрагмы, получают соответствующие спектральные кольца, которые собираются зеркалом 8, регистрируются приемником 9 и обрабатываются компьютером 10. С помощью устройства получают и регистрируют спектры исследуемого образца в ИК-области.

Сущность технического решения заключается в следующем. Слабоинтенсивное, частично когерентное излучение от источника видимого света фокусируется в плоскости образца, в котором происходит раскачка молекулярных колебаний, сфазированных в объеме светового пятна возбуждающего излучения. Вследствие этого возбуждения диполи молекул образца испускают под различным углом ИК-кванты эмиссии. С помощью оптических зеркал излучение направляется на диафрагму, шаг раскрытия которой управляется программой. Зарегистрированные приемником и обработанные компьютером спектры дают сразу полную картину об образце, а использование в качестве источника излучения газоразрядной лампы с полихроматическим излучением (широким участком спектра видимого света) возбуждает все моды при воздействии на образец. Это дает возможность расширить класс исследуемых объектов.

Было создано и испытано устройство для регистрации спектра эмиссии. Источник видимого света - ксеноновая лампа мощностью 100 Вт, лучи от нее фокусировались системой короткофокусных линз диаметром 20 мм. Первое сферическое зеркало устанавливалось на расстоянии 5 см от диафрагмы. Это предотвращало попадание на приемник паразитных излучений.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:

- устройство имеет повышенные технические возможности, поскольку использование широкополосной накачки от лампы позволяет получать полную информацию о спектре исследуемого вещества (при использовании лазера не все колебания активны) по ориентации дипольных моментов, определять структуру вещества без использования изотопов;

- расширение спектральных границ, т.е. регистрация большего количества спектральных линий в диапазоне от 400 до 2000 см-1 и возможность регистрировать обертона и составные частоты. Возможность наблюдать не только ИК-переходы, а также переходы в комбинационном рассеянии;

- получать более достоверные и точные спектры, поскольку вышедший свет от образца используется полностью;

- расширяется класс исследуемых объектов: можно при комнатной температуре и атмосферном давлении без специальной подготовки исследовать биологические структуры и объекты без их деструкции, а также пленки, газы, кристаллы, жидкости;

- по сравнению с громоздким, сложным в изготовлении прототипом с многочисленными технологическими операциями по подготовке устройства к работе (с чувствительной оптикой к акустическим шумам, звукам, колебаниям, температуре и влажности, что требует многократной юстировки и специально обученного персонала), предлагаемое устройство имеет упрощенную оптическую схему, компактно (размеры устройства 300×20×100 мм), его легко переносить, оно дешевле в изготовлении, просто и удобно в работе;

- взаимодействие оптических элементов дает возможность получить пространственное разделение частот, что позволяет обходиться без ИК-Фурье спектрометра, дисперсионных оптических элементов интерферометра.

Источники информации

1. «Applications of Laser-Induced Thermal Emission Spectroscopy to Various Samples», A.Tsuge, V.Uwamino, and T.Ishisuka, Applied Spectroscopy, Volume 43, №7, 89.

2. «Preliminary Studies of Laser-Induced Thermal Emission Spectroscopy of Condensed Phases», L.T.Lin, D.D.Archibald and D.E.Honigs, Applied Spectroscopy, Volume 42, №3, 1988 - прототип.

1. Устройство для регистрации инфракрасного спектра эмиссии образца, содержащее источник излучения, сферическое зеркало, оптически связанное с плоскостью образца и первым плоским зеркалом, расположенным на одной оптической оси с воспринимающей системой, приемник, регистрирующий излучение и компьютер, обрабатывающий сигналы, отличающееся тем, что в него введены последовательно расположенные на одной оптической оси с источником излучения система конденсоров и дополнительное плоское зеркало, установленное в фокальной плоскости системы конденсоров и оптически связанное с плоскостью образца, а воспринимающая система установлена за первым плоским зеркалом по ходу оптических лучей от него и содержит последовательно расположенные диафрагму с программным управлением шага ее раскрытия и собирающее зеркало, оптически связанные друг с другом, при этом диаметры сферического зеркала и диафрагмы и расстояние между ними согласованы между собой и определены тем, что излучение со сферического зеркала не выходит за пределы диаметра диафрагмы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника излучения использована, например, ксеноновая лампа мощностью 100 Вт.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к геологическим, экологическим, технологическим и др. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к оптической спектроскопии. .

Изобретение относится к магнитным измерениям, исследованию состава веществ путем определения их магнитных, магнито-оптических и спектральных характеристик и может найти применение для качественного и количественного контроля состава пород, технологических продуктов, биологических объектов и т.п.

Изобретение относится к аналитической химии и может быть использовано для установления содержаний примесных компонентов в пробах и при аттестации стандартных образцов и аналогичных им по назначению веществ, в частности при определении малых содержаний компонентов (примесей) в твердых монолитных веществах и материалах.

Способ содержит следующие этапы: стальную полосу с покрытием приводят в движение по дугообразной траектории на наружной поверхности (813) барабана (8), вращающегося вокруг оси (51), с цилиндрической стенкой, контактно направляющей полосу, абляционный лазерный луч направляют в полости внутри цилиндрической стенки таким образом, чтобы его оптическое падение происходило по оси нормали (41) к наружной поверхности барабана в точке-мишени (11) контакта полосы и барабана, прохождение луча через стенку происходит через отверстие (811) стенки, прозрачное для луча. Плазменное спектральное излучение от лазерной абляции в точке контакта отбирают за счет оптического отражения в направлении оси нормали (41) к наружной поверхности барабана и через отверстие, после чего направляют в блок спектрального измерения. Ось нормали (41) к наружной поверхности, соответствующей оптическому падению и отражению, приводят во вращение синхронно с барабаном. Технический результат - обеспечение измерения при спектральном анализе слоя металлического покрытия, наносимого на поверхность стальной полосы, находящейся в движении и имеющей разные форматы и разные скорости движения, потенциально превышающие 1 м/с. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано при оценке влияния структуры стали на аналитический сигнал при проведении эмиссионного спектрального анализа элементного состава. способ включает измерение интенсивностей входящих в состав стали химических элементов эмиссионно-спектральным методом на исходных и термообработанных образцах, что позволяет обеспечить высокую точность и информативность контроля элементного состава и структуры стали. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области аналитической химии элементного анализа и может быть использовано для лазерно-искрового эмиссионного определения лантана, церия, празеодима, неодима в металлических сплавах и порошках. Способ основан на воздействии на поверхность исследуемого образца сфокусированного лазерного излучения с энергией импульса 0,12-0,9 Дж и длительностью импульса 0,02-240 мкс. Проводят анализ свечения лазерной искры, что позволяет выделить спектральные линии паров определяемых элементов и идентифицировать спектральные линии. Для определения каждого из элементов используются экспериментально установленные наиболее чувствительные линии лазерной эмиссии элементов в следующих спектральных диапазонах для: лантана 390-415 нм, церия 400-425 нм, празеодима 410-425 нм, неодима 400-415 нм.

Изобретение относится к области материаловедения и может быть использовано при оценке влияния структуры магниевого сплава на аналитический сигнал. Способ контроля структурных изменений в магниевом сплаве включает измерение интенсивностей входящих в состав магниевого сплава химических элементов эмиссионно-спектральным методом на исходных и термообработанных в специальных контейнерах образцах, что позволяет обеспечить высокую точность и информативность контроля элементного состава и структуры магниевого сплава. 3 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области спектрометрии и касается искрового оптико-эмиссионного спектрометра. Спектрометр содержит искровой источник, входную щель, тороидальное зеркало для направления света через входную щель, несколько дифракционных решеток и матричный приемник. Тороидальное зеркало предназначено для направления света через входную щель таким образом, чтобы свет из разных областей в искровом источнике был пространственно разделен на отображении света на дифракционных решетках. При этом первая дифракционная решетка предпочтительно освещается светом из первой области искрового источника и одновременно вторая дифракционная решетка предпочтительно освещается светом из второй области искрового источника. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к области спектрального анализа и касается способа и устройства атомно-эмиссионного анализа нанообъектов. Способ включает в себя испарение нанообъектов лазерным пучком и анализ нанообъектов по их свечению. Нанообъекты помещают на поверхность прозрачной подложки. На поверхность с нанообъектами изнутри подложки направляют под регулируемым углом, большим угла полного внутреннего отражения, импульс лазерного излучения с энергией, достаточной для хотя бы частичного испарения нанообъектов. Излучение пара подвергают спектральному анализу. Устройство содержит подложку с нанообъектами на поверхности и излучатель. Излучатель обеспечивает интенсивность излучения, достаточную для испарения нанообъектов, причем по обе стороны подложки или с одной ее стороны в потоке свечения нанообъектов установлен спектроанализатор, содержащий коллиматор, который входной апертурой обращен к нанообъектам. Подложка выполнена из материалов, прозрачных для излучения излучателя и которые могут быть прозрачными для собственного излучения нанообъектов. Технический результат заключается в упрощении способа измерений. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области аналитической химии элементного анализа и может быть использовано для лазерно-искрового эмиссионного определения бериллия в металлических сплавах и порошках. Способ основан на воздействии на поверхность исследуемого образца сфокусированного лазерного излучения с длительностью импульса 240-250 мкс и энергией импульса 1,3-1,4 Дж. Проводимый анализ свечения лазерной искры позволяет выделить спектральные линии паров бериллия и идентифицировать его спектральные линии. Для определения бериллия используются экспериментально установленные наиболее чувствительные линии лазерной эмиссии элемента в спектральном диапазоне 310-321 нм.
Наверх