Устройство для регистрации эмиссии образца в среднем диапазоне инфракрасного спектра

Изобретение относится к спектральной измерительной технике. Устройство для регистрации эмиссии образца в среднем диапазоне инфракрасного спектра содержит внешний источник излучения, конденсорную систему, первое плоское зеркало, сферическое зеркало. В качестве регистрирующей системы использована ИК-матрица с возможностью продольного и поперечного перемещения относительно лучей, исходящих от второго плоского зеркала. Матрица размещена за фокальной плоскостью этих лучей, причем расстояние от фокальной плоскости до воспринимающей системы таково, что диаметр пучка ИК-эмиссии совпадает или близок к размеру входного окна регистрирующей матрицы. 5 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к области физики - нелинейной оптике, а именно - к спектральной измерительной технике, и может быть использовано для исследования структуры веществ в жидком и твердом состояниях по спектрам инфракрасной (ИК) эмиссии в среднем диапазоне длин волн.

Регистрировать спектры ИК-эмиссии от испытуемых образцов начали сравнительно недавно, в середине прошлого столетия, когда появилась высокочувствительная ИК-Фурье техника. Чтобы получить ИК-эмиссию от образцов приходилось нагревать металлические поверхности до температур 100°C и выше. При этом регистрируемые спектры представляли собой суммарные спектры излучения металлической подложки и спектров ИК-эмиссии образца. Нетермостойкие и биологические образцы из-за их деструкции при высокой температуре не использовались.

Известна полезная модель для регистрации инфракрасного спектра эмиссии образца [1], содержащая 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 регистрирующего ИК-Фурье спектрометра.

Недостатками этого устройства являются сложность оптической и регистрирующей схемы, а также технических процедур по обслуживанию оптики и подготовке образца.

Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому эффекту, выбранным в качестве прототипа, является полезная модель для регистрации инфракрасного спектра эмиссии образца [2], содержащая расположенные на одной оптической оси с источником излучения конденсорную систему и плоское зеркало, оптически связанное с плоскостью образца, которая сопряжена со сферическим зеркалом, оптически связанным со вторым плоским зеркалом, от которого лучи идут через ряд вспомогательных оптических элементов на компактную систему регистрации, включающую в себя ирисовую диафрагму и чувствительный ИК-приемник.

Недостатком прототипа является медленная скорость регистрация спектров за счет инерционности шагового двигателя, используемого для механического раскрытия ирисовой диафрагмы. Технической задачей решения является упрощение схемы полезной модели, уменьшение ее размеров и повышение быстродействия работы.

Поставленная задача достигается тем, что для регистрации ИК спектра эмиссии образца используется более простая по сравнению с известной полезной моделью [2] оптическая схема и принципиально иная система регистрации, представляющая собой применение фиксирующей угловое спектральное распределение ИК-излучения чувствительной инфракрасной матрицы с числом пикселей 32×31 с возможностью продольного и поперечного перемещения относительно плоскости проецирования измеряемого ИК-эмиссионного сигнала.

Сущность изобретения поясняется следующими фигурами:

на фиг. 1 изображена принципиальная оптическая схема устройства;

на фиг. 2 изображен общий вид ИК-эмиссионного спектрометра;

на фиг. 3 представлен записанный на макете предлагаемого устройства (верхняя кривая) и на традиционном ИК-Фурье спектрометре (нижняя кривая) спектр полистирола в диапазоне (600-1600 см-1);

на фиг. 4 представлен записанный на макете предлагаемого (верхняя кривая) и на традиционном ИК-Фурье спектрометре (нижняя кривая) спектр полистирола в спектральном диапазоне (1500-2800 см-1);

на фиг. 5 изображена блок-схема матричного сканирования ИК-эмиссионного сигнала:

ИК объектив - 9, матрица ИК-приемников - 10; блок термостабилизации матрицы - 11;

электронные схемы управления - 12, 13.

Предлагаемая модель (фиг. 1) содержит: источник излучения 1 (источник когерентного или некогерентного света, любая газоразрядная лампа - ртутная, ксеноновая); систему конденсоров 2; сменяемый светофильтр - 3; первое плоское зеркало 4, расположенное под углом 45° к предметной плоскости; 5 - предметную плоскость с подложкой с нанесенным на нее исследуемым образцом любой толщины, прозрачности, жидким или твердым; сферическое зеркало 6 и второе плоское зеркало 7; воспринимающую систему - матрицу 8 (число пикселей 32×31), обрабатывающий ИК-сигнал компьютер.

Предлагаемое новое решение позволило увеличить в 100 раз быстродействие прибора. Это значительно расширяет возможности данного класса приборов. Сокращение по сравнению с заявленным в патенте РФ №2345332 числа оптико-механических элементов дополнительно увеличивают светосилу оптической схемы полезной модели и обеспечивает непревзойденное отношение сигнал/шум при проведении подобных исследований. Прототип ИК-эмиссионной полезной модели работает под управлением разработанного программного обеспечения с развитой системой администрирования и обеспечения безопасности электронных данных. Пакет обеспечивает сбор данных, их обработку, в том числе количественный анализ и спектральный поиск. Общий вид модели ИК-эмиссионного спектрометра представлен на фиг. 2.

Важным параметром любого спектрального прибора является его разрешающая способность. Для изменения разрешающей способности и определения точных числовых значений спектрального разрешения полезной модели использовали подвижные оптико-механические конструкции. Изменение взаиморасположения ИК-матрицы по отношению к образцу вдоль ИК-луча позволяло заводить на ИК-матрицу полный ИК-пучок или направлять только часть исходящего от образца излучения. Это дает возможность варьировать спектральное разрешение.

Например, если на ИК-матрицу попадает большой спектральный интервал, то при заданном (1064) числе пикселей на матрице это приводит к разрешающей способности в 40 см-1. Если же матрицу переместить (отодвинуть дальше от промежуточного фокуса) так, что на матрице спектральный промежуток уменьшается, то разрешающая способность увеличивается до 4 см-1. Смещение ИК-матрицы перпендикулярно направлению эмиссии сигнала позволяет рассматривать другие участки спектра, с тем же спектральным разрешением (4 см-1). На фиг. 3 и 4 в верхней части показаны примеры спектров одного и того же образца (пленка полистирола) в разных спектральных диапазонах и с разным спектральным разрешением. В записанных на предлагаемом устройстве спектрах (фиг. 3 и 4) по оси абсцисс - угловой размер представлен в пикселях, по оси ординат - интенсивность ИК-сигнала представлена в условных единицах. Для сравнения внизу на фиг. 3 и 4 приведены спектры полистирола, полученные на традиционном ИК-Фурье спектрометре в диапазоне 1600-600 см-1 (фиг. 3) и 2800-1500 см-1 (фиг. 4).

Для изменения спектрального интервала потребовалось введение подвижных оптико-механических элементов. Таким образом, экспериментально было показано, что варьируя расположения элементов полезного макета, при одном и том же ограниченном наборе пикселей матрицы можно получать различное спектральное разрешение.

Видно, что между спектральными характеристиками, полученными на традиционном приборе ИК-Фурье спектрометре и разработанном полезном макете, наблюдается определенное сходство в количестве и положении пиков, а также распределении интенсивности между пиками, что дает основание делать вывод, что разработанный макет ИК-эмиссионного спектрометра пригоден для исследования образцов в инфракрасной области.

Тестовые измерения с помощью полезной модели также были выполнены на жидких образцах бензола C6H6 и четыреххлористого углерода CCL4 и исследованы их спектральные характеристики. Оба вещества - бензол C6H6 и четыреххлористый углерод CCL4 являются широко известными спектроскопическими объектами и использовались нами в качестве стандартов. Сравнительное отнесение полос показало хорошее совпадение.

Приведенные выше изображения на фиг. 3 и 4 показывают качество полученных спектров и возможности полезной модели в зависимости от задач.

Устройство работает следующим образом: спектрально широкополосное оптическое излучение от источника 1 фокусируется системой конденсоров 2 через сменяемые фильтры 3 на плоское зеркало 4, которое отражает сфокусированное излучение на предметную плоскость с образцом 5. Под действием излучения оптического диапазона в образце происходит возбуждение и испускание ИК-квантов. ИК-эмиссия собирается сферическим зеркалом 6, формируется в слабо расходящийся пучок и направляется на плоское зеркало 7, которое далее попадает на ИК-матрицу 8, которая регистрирует угловое распределение спектрального состава ИК-излучения и визуализирует сигнал, что далее обрабатывается компьютером с помощью программного обеспечения, который управляет матрицей и записывает спектры исследуемого образца в требуемом формате.

Сущность технического решения заключается в следующем. Частично когерентное излучение слабой интенсивности от источника видимого света фокусируется в плоскости образца и возбуждает молекулярные колебания, индуцирующие ИК-эмиссию, которая как возбуждающее излучение имеет конусную симметрию. ИК-матрица расположена ортогонально направлению эмиссионного ИК-излучения, имеющему форму концентрических колец разного диаметра. Низкочастотным колебаниям соответствуют кольца малого диаметра, а высокочастотным колебаниям - кольца большего диаметра.

Так как при использовании газоразрядной лампы с полихроматическим спектром в качестве источника возбуждающего излучения возбуждаются все моды в образце, то реализуется возможность регистрировать не только ИК-эмиссионные активные колебания, но и колебания активные в комбинационном рассеянии света. Матрица (8) имеет возможность перемещаться как вдоль оси ИК-эмиссионного луча, и при этом меняется величина разрешения регистрируемых спектров, а также и поперек луча, и тогда регистрируется необходимая часть спектра. Это дает возможность в зависимости от задач дополнительно быстро снимать спектр по частям, но с повышенным разрешением или целиком весь спектр с меньшим спектральным разрешением.

Качество ИК-эмиссионного спектрометра зависит от нескольких факторов, и одним из наиболее важных является совмещение оптических компонент с матрицей. Именно они определяют качество изображения источника излучения и определяют спектральное разрешение ИК - эмиссионного спектрометра. Была создана и испытана модель для регистрации спектров эмиссии. Источник видимого света - ксеноновая лампа мощностью 100 Вт, лучи от которой фокусировались системой короткофокусных линз диаметром 20 мм. Матрица с числом пикселей 32×31 устанавливалась на пути сходящихся лучей от второго плоского зеркала на расстоянии, при котором размер пучка ИК-эмиссии совпадал по размерам с входным окном матрицы 9 (фиг. 5), тем самым использовалось полностью все идущее на матрицу излучение от образца. На фиг. 5 представлена блок-схема ИК-матрицы, которая содержит: ИК-объектив - 9; матрицу ИК-приемников - 10; блок термостабилизации матрицы - 11; электронные схемы управления - 12, 13.

Для повышения спектрального разрешения возможно использование матрицы с большим числом пикселей, но следствием этого будет значительное удорожание полезной модели.

Предлагаемая полезная модель, по сравнению с прототипом, обладает следующими преимуществами:

- она более компактна по сравнению с прототипом, поскольку содержит меньшее число оптических и электронных элементов. В частности, не используются ирисовая диафрагма, шаговый двигатель и пироэлектрический приемник. Используемый в регистрирующей системе прототипа пироэлектрический приемник не функционирует в непрерывном режиме, а только в импульсном, чтобы не было выхода его сигнала за пределы динамического диапазона. Для этого применялся модулятор - вращающийся с частотой 100 Гц прерыватель сигнала, что усложняло модель, замедляло время обработки компьютером полезного сигнала, а также увеличивало ее габариты. Размеры предлагаемой модели составляют 300×200×100 см;

- модель имеет более простую оптическую схему, дешевле в изготовлении, более портативна, приведенные выше габариты делают ее удобной и переносной;

- благодаря использованию матрицы появилась возможность быстро и в автоматическом режиме получать обзорные спектры в области 400-3000 см-1 с разрешением около 40 см-1 или детально регистрировать любую часть спектра, но с лучшим разрешением около 4 см-1. Это делает более быстрой регистрацию спектров, что упрощает и облегчает работу модели и создает удобство в пользовании и с меньшими погрешностями измерений.

Таким образом, поставленная задача успешно достигнута.

Источники информации

1. «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.

2. Прототип. Патент РФ №2345332 от 27 января 2009 г. Устройство для регистрации инфракрасного спектра эмиссии образца, Авторы Терпугов Е.Л., Дегтярева О.В., Хорохорин А.И., Савранский В.В., Митрохин И.А., Ахметов В.А. Заявка №2007112801.

Устройство для регистрации эмиссии образца в среднем диапазоне инфракрасного спектра, содержащее внешний источник излучения и следующие за ним конденсорную систему и первое плоское зеркало, оптически связанное с этой системой и плоскостью образца, сферическое зеркало, которое сопряжено с плоскостью образца и со вторым плоским зеркалом, отличающееся тем, что в качестве регистрирующей системы использована ИК-матрица с возможностью продольного и поперечного перемещения относительно лучей, исходящих от второго плоского зеркала, и размещена за фокальной плоскостью этих лучей, причем расстояние от фокальной плоскости до воспринимающей системы таково, что диаметр пучка ИК-эмиссии совпадает или близок к размеру входного окна регистрирующей матрицы.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ветеринарной токсикологии и может быть использовано при определении содержания левомицетина в кормах животного происхождения. Заявленный способ определения левомицетина в кормах животного происхождения с использованием высокоэффективной жидкостной хроматографии включает отбор пробы корма массой от 200 до 500 мг, гомогенизацию, экстракцию 95% этанолом, фильтрацию экстракта, обезвоживание сернокислым натрием, упаривание, растворение сухого остатка в этилацетате, введение растворенного сухого остатка в жидкостный хроматограф с детектором спектрофотометрическим UVV 104М и колонкой Диасфер-110С-16 (150×4) мм, с размером частиц сорбента 5 мкм, с использованием элюента: смеси ацетонитрил-вода-диэтиламин в соотношении 30:70:0,1, обработку результатов анализа.

Настоящее изобретение относится к способу определения влагосодержания на древесной плите. Способ определения влагосодержания по меньшей мере одного слоя смолы, обеспеченного по меньшей мере на одной древесной плите в качестве несущей плиты, где по меньшей мере между одним слоем смолы и несущей плитой предусматривают NIR-отражающий слой.

Изобретение относится к области физики, в частности к аналитическому приборостроению и может быть использовано в газоанализаторах, применяемых на установках извлечения серы.

Изобретение относится к средствам измерения концентрации газа. Газовый датчик для измерения концентрации определенного газа содержит источник света, измерительный объем, детектор, предназначенный для приема света, прошедшего через измерительный объем, и адаптируемый фильтр, расположенный между источником света и детектором.

Изобретение относится к области экологического мониторинга и может быть использовано для обнаружения нефтяных разливов. Способ обнаружения разливов нефти или нефтепродуктов на поверхности водоема заключается в установке тепловизора на беспилотный летательный аппарат, располагаемый в зависшем состоянии над зоной разлива, тепловизор осуществляет съемку в виде ряда цифровых изображений, которые через приемно-передающее устройство беспилотного летательного аппарата передаются в режиме реального времени на пункт круглосуточного дистанционного наблюдения, где оцениваются параметры разлива нефти или нефтепродуктов.

Изобретение относится к лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии. Система (102) для определения свойств образца (114) содержит ЛИЭС-детектор (104, 106) и детектор инфракрасного поглощения (108, 110) для исследования образца (114) с целью создания спектральных данных ЛИЭС и спектральных данных инфракрасного поглощения, соответственно; и процессор данных (112), предусмотренный для применения по меньшей мере одной хемометрической модели прогнозирования, каждая из которых построена для установления связи, предпочтительно количественной связи, между признаками объединенных спектральных данных ЛИЭС и поглощения с отдельным специфическим свойством образца, с комбинированным набором данных, выведенным из по меньшей мере частей данных ЛИЭС и данных поглощения, для создания из него определения, предпочтительно количественного определения, специфического свойства, связанного с указанной моделью.

Изобретение относится к способу и системе для обнаружения присутствия газа-пропеллента в газообразном образце с использованием лазерного излучения, в частности, в диапазоне от 3,30 до 3,5 мкм и может быть использовано для проверки герметичности содержащих пропеллент контейнеров.

Разработан способ определения степени замещения метилцеллюлозы, основанный на применении приставки НПВО к ИК-спектрометру, не требующий операций пробоподготовки и позволяющий работать непосредственно с веществами в твердом агрегатном состоянии.

Изобретение относится к применению цис-1,4-полиизопрена в качестве имитатора оптических свойств пинаколилметилфторфосфоната для проверки работоспособности инфракрасных дистанционных газосигнализаторов и при обучении специалистов работе на них.

Изобретение относится к области геологии и может быть использовано при поиске скоплений углеводородов. Предложен способ обнаружения углеводородов с использованием подводного аппарата, снабженного одним или несколькими измерительными компонентами.

Изобретение относится к области спектрального анализа и касается способа идентификации фарфора по виду материала. Способ включает в себя освещение исследуемых образцов, регистрацию спектров фотолюминесценции и создание по спектральным характеристикам обучающей выборки с последующим формированием базы данных в виде 3-х групп образцов по виду материала: костяной фарфор, мягкий и твердый.

Изобретение относится к лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии. Система (102) для определения свойств образца (114) содержит ЛИЭС-детектор (104, 106) и детектор инфракрасного поглощения (108, 110) для исследования образца (114) с целью создания спектральных данных ЛИЭС и спектральных данных инфракрасного поглощения, соответственно; и процессор данных (112), предусмотренный для применения по меньшей мере одной хемометрической модели прогнозирования, каждая из которых построена для установления связи, предпочтительно количественной связи, между признаками объединенных спектральных данных ЛИЭС и поглощения с отдельным специфическим свойством образца, с комбинированным набором данных, выведенным из по меньшей мере частей данных ЛИЭС и данных поглощения, для создания из него определения, предпочтительно количественного определения, специфического свойства, связанного с указанной моделью.
Изобретение относится к области аналитической химии элементного анализа и может быть использовано для лазерно-искрового эмиссионного определения бериллия в металлических сплавах и порошках.

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.

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.

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.
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.
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 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.

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.

Изобретение относится к области спектроскопии и касается способа обнаружения элемента в образце. Способ осуществляется с помощью системы спектроскопии возбуждения лазерным пробоем (LIBS), включающей в себя первый лазер, второй лазер, спектрометр и детектор. Способ включает в себя доставку первого импульса от первого лазера на поверхность образца, затем доставку второго импульса от второго лазера на поверхность образца и обнаружение молекулярных эмиссий молекулы, содержащей упомянутый элемент. Обнаружение начинается после времени задержки, следующей за доставкой второго импульса. Время задержки выбирается так, чтобы улучшать обнаружение молекулярных эмиссий по сравнению с атомными эмиссиями атома, содержащего упомянутый элемент. 24 з.п. ф-лы, 15 ил., 1 табл., 9 пр.

Изобретение относится к спектральной измерительной технике. Устройство для регистрации эмиссии образца в среднем диапазоне инфракрасного спектра содержит внешний источник излучения, конденсорную систему, первое плоское зеркало, сферическое зеркало. В качестве регистрирующей системы использована ИК-матрица с возможностью продольного и поперечного перемещения относительно лучей, исходящих от второго плоского зеркала. Матрица размещена за фокальной плоскостью этих лучей, причем расстояние от фокальной плоскости до воспринимающей системы таково, что диаметр пучка ИК-эмиссии совпадает или близок к размеру входного окна регистрирующей матрицы. 5 ил.

Наверх