Спектрометр миллиметрового,субмиллиметровогои инфракрасного диапозонов

 

I"

ОП ИСАНИЕ

ИЗЬ6РЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскик

Социалистические республик

Я 01 J 3/28

Гооудорстввииый комитет

Опубликовано 23.06.81. Бюллетень РЙ23 во лелем изооретеиий и открытий (53) УДК 535. . 853 (088.8) Дата опубликования описания10 07.81 (72) Авторы изобретения

Ю.Я.Ливин, О,Ю.Полянский и A.ß.Øóëüìàí (71) Заявитель

Ордена Трудового Красного Знамени институт радиотехники и электроники AH СССР (54) СПЕКТРОМЕТР МИЛЛИМЕТРОВОГО, СУБМИЛЛИМ ЕТРОВОГО

И ИНФРАКРАСНОГО ДИАПАЗОНОВ

Изобретение относится к технике измерения спектрального распределения интенсивности электромагнитного излучения миллиметрового, субмиллиметрового и инфракрасного диапазона и предназначено для работы в радиоастрономии, биологии, 5 спектроскопии газов, жидкостей и твердых тел.

Известны три основных типа спектрометров, работающих в диапазоне мил лиметровых и инфракрасных волн.: спектрометры с дифракдионными решетками эшелеттами, спектрометры, использующие смешение анализируемого излучения с из.лучением внешнего гетеродина на нед инейном элементе, Фурье-спектрометры ®

B дифракпионных спектрометрах наилучшее разрешение в области 3-100 см достигает величины, 1-0,5 см " при длительности регистрадии всего спектра порядка 200-400 мин. При этом cymec вуют потери исследуемого излучения вследствие прохождения его через сложную систему фильтров, зеркал, дтефракиконных решеток, входной и выходной щелей, прибора. Спектрометры, использующие смещение на нелинейном элементе, работают только в миллиметровом и длинноволновой части субмиллиметрового диа. назона, а используемые при этом в качестве гетеродина источники излучения татеют линейчатый спектр, что не позволяет производить непрерывные по спектру измерения во всем диапазоне.

Наиболее близким к предлагаемому является спектрометр миллиметрсвого, субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов, содержащий модулятор падающего излучения, блок интегрального преобразования. спектрального распределения интенсивности исследуемого электромагнитного излучения с прпемником на основе слабосвязанных сверхпроводников, блок сканирования изменяемого параметра, блок синхронного детектирования выходного сигнала блока интегрального преобразования, блок обратного интегрального преобразования измеренной зависимости

730/65 4 от изменяемого параметра в искомый спектр, состояц ий из "пециализированного процессора с буферной памятью, устройства отображения и устройства внешней памяти $2).

Недостатки его- в ограниченном разрешении (не лучше, О,l см ) в дальней инфракрасной и субмиппиметровых областях спектра, а в расположении рабочего диапазона в области длин волн не 10 дпиннее мм, в длительном времени регистрации всего спектра, в сложности

° конструкции иэ-за необходимости испол зования интерф ером етра — дорогос тояще1го, прецизионного и спож что в изготовле- ls

1 нии элемента спектрометра.

Пель изобретения — увеличение разрешения, расширения рабочего диапазона в сторону больших длин волн, уменьшение времени .записи спектров и упроще- 20 ние конструкции.

Зто достигается тем, что выход блока синхронного детектирования соединен с одним иэ трех входов дополнительно введенного блока умножения, выход которого соединен с входом блока обратного интегрального преобразования, содержащего специализированный процессор для преобра зования Гипьберта, блок сканирования пред30 ставпяет собой источник напряжения с тремя выходами, один иэ которых регулируемый и соединен с приемником, второй выход, сигнал с которого пропорционапен току через „ приемник, соединен со вторым входом бпока умножения, третий выход, сигнал которого пропорционален напряжению на приемнике, соединен с третьим входом блока умножения и одновременно со вторым входом блока обратно» го интегрального преобразования, а также

40 тем, что блок сканирования дополнительно содержит устройство стабилизации и фипьт рацйи тока в цепи питания.

На фиг. 1 представлена блок-схема спектрометра, использующего слабосвязанные сверхпроводники, на фиг. 2 — тоже, со сверхпроводящим точечным контактом из ниобия (СТК).

Спекчрометр содержит модулятор 1 па50 дающего изпучения, блок 2 интеграпьного преобразования, выполненный в виде приемника на основе слабосвязанных сверхпроводников, блок 3 синхронного детектирования„блок 4 умножения с тремя

55 входами, блок 5 обратного интегрального преобразования с двумя входами, представляющий собой специализированный процессор для преобразования Гипьберта

I с буферной памятью и каналами вводавывода дпя связи с блоками 4 умнож ния, блоком 6 сканирования, устройст вом отображения в виде графопостроителя и/или графического дисплея и устройством внешней памяти в виде перфоратора ипи накопителя на магнитных лентах, . ипи дисках. Блок 6 сканирова- " ния представляет собой стабилизированный источник напряжения с защитой от наводок в цепи питания приемника. Он имеет три выхода, один иэ которых регулируемый, а напряжения на двух других про юрциональны напряжению смещения на приемнике и току через приемник.

В конкуетном спучае реализации спектрометр (см. фиг. 2) содержит модулятор

1, сверхпроводящий точечный контакт 7 из ниобия, блок 6 сканирования два синхронных детектора 3, блок 8 деления и умножения. два усилителя 9 постоянного тока, блок 10 интегрального преобразования Гипьберта, устройство 11 отобра жения и звуковой генератор 12. Блоки

8 и 10 выполнены .на основе шаровой ЭВМ, однако возможно испопьзование и аналоговых блоков деления и умножения.

Спектрометр работает спедующ пм образом, Излучение со спектральным составом

J (Х ), где 1 — интенсивность падающего излучения, f — частота модулируется и поступает в приемник на основе слабосвязанных сверхпроводников. Переменное выходное напряжение блока 2, пропОрциональное изменению тока д через приемник под действием 3 (У ), поступает на вход блоке 3, где оно усиливается узкополосным усилителем, настроенным на частоту модуляции.

Пропорциональное и g напряжение с вы хода бпока 3 поступает на один иэ входов блока 4, которы% умножает этот сигнал на напряжение смещения О приемника и ток через приемник, поданные на два других входа блока 4 с выходов блока 6. Выходное напряжение блока 4, пропорционапьное функции

Я (9 ) =U U(Y) 3(V) поступает через преобразователь аналог-код в буферную память блока 5. Одновременно в буферной памяти фиксируется напряжение смещения 7, соответствующее моменту измерения р 1 и поступающее на другой вход блока 5 с выхода блока 6.

В процессе измерения блок 6 изменяет напряжение смещения на приемнике в за55

5 7300 данных пределах и с заданной скоростью, и в буферной памяти блока 5 фиксируются соответствующие значения V и сигнала (V ). По окончании сканирования специализированный процессор выпол5 няет обратное преобразование Гильберта над измеренной функцией q (Ч). Иско мое спектральное распределение 2 () выводится на устройство отображения и фиксируется в устройстве внешней па- 0 мяти.

В спектрометре (см. фиг. 2) исследуемое излучение модулируется по амплитуде с частотой 400 Гц. По светово» ду смодулированное излучение попадает на контакт 7, находящийся в гелиевом криостате при Т = 4,2 Х, .Ток модулятора 1 через контакт 7 задается блоком б. Лля измерения дифференциального сопротивления контакта от звукового 20 генератора 12 на контакт 7 подается ток частоты 20 кГи. амплитуда которого мала по сравнению с величиной 0,03d+ чтобы не увеличивать собственную шири-, ну линии джозефсоновской генерации контакта 7 и, следовательно, не ухудшать разрешение спектрометра. Нестабильности тока от блока б сканирования и токовые наводки от радис и телестанции снижены. Переменный сигнал частоты 400Гц,З0 представляющий собой отклик контакта 7 на внешнее излучение, подается на один из детекторов 3, выход которого М соеди нен с блоком 8. Переменное напряжение частоты 20 кГц, пропорциональное диф.— ференциальному сопротивлению контакта поступает на вход другого детектора 3, выход которого также соединен с блоком 8. В блок 8 через усилители

9 поступают сигналы, пропорционален

40 ные напряжению Y на контакте 7 и току через него 3 . В блоке 8 производится деление Д Ч íà Q я умножение результата деления- на ток U и напряжение 0 контакта. 7. Выход блока 8 соединен с блоком 10. При увеличении тока J от блока сканирования напряжение U увеличивается, происходит изменение величин аМ и R и в блок 10 поступает сигнал

50 (ю=-nu(v). () Ч/ (), который и преобразуется в исследуемое распределение интенсивности падающего излучения по частотам. Результат измерений выдается на устройство 11.

65 б

Технико-экономический эффект от применения спектрометра заключается в повышении на два порядка разрешения, в расширении рабочего диапазона частот вплоть до СВЧ диапазона, в значительном (приблизительно на порядок) уменьшения времени измерения. Это достигается исполь зованием резонансных свойств приемника на основе слабосвязанных сверхпроводников> обладающего в данном диапаэо - не наиболее высокой чувствительнсстью

10 14ВтДцЮТа им образом предлагаемый спектрометр позволяет измерять спектральное распределение интенсивности черезвычайно слабого электромаг-а -11 нитного излучения с высоким (до 10 -см разрешением в области частот, не перекрываемой ни одним иэ существующих, спектрометров. Спектрометр имеет меньшие габариты, проще в эксплуатации и ! дешевле в изготовлени, так как устраняется наиболее дорогостоящая и трудноизготавливаемая оптико-механическая часть — интерфером етр. Соотв етс твенно уменьшаются потребляемая мощность и вес спектрометра.

Формула изобретения

1. Спектрометр миллиметрового, субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов, содержащий модулятор падающего излучения, блок интегрального преобразо— вания спектрального распределения интенсивности исследуемого электромагнитного излучения с приемником излучения на основе слабосвязанных сверхпроводников, блок сканирования изменяемого парамет» ра, блок синхронного детектирования вы ходного сигнала блока интегрального преобразования, блок обратного интеграль ного преобразования измеренной зависимости сигнала от изменяемого пара— метра в исследуемый спектр, состоящий из процессора, с буферной памятью, усч ройства отображения и устройства внешней памяти, о тлич ающ яйся тсм, что, с целью увеличения разрешения, рас ширения рабочего диапазона в сторону больших длин волн, уменьшения времени записи спектров и упрощения конструкции, выход блока синхронного детектиро вания соединен с одним из трех входов дополнительно введенного блока умножения, выход которого соединен с входом блока обратного интегрального преобразования, содержащего процессор для преобразования Гильберта, блок сканирова5 ° Источники ийформаиии, принятые во внимание при экспертизе

1. Техника спектроскопии в дальней

10 инфракрасной субмвтлиметровой н миллиметровой областях спектра, пер. с англ. Под ред. Т. М. Лифщипа, Мир, М., 1970.

2.Jour .Ярр,,Р1 а,, 39, № 8, р. 390515

3912, 1968 (прототип), 7 73Q068 8 ния выполнен в виде источника напряже- допопнительно содержит устройство стания с тремя выходами, один из которых билимшии и фильтрании тока в дени пирегулируемый и соединен с приемником, тания. другой выход, сигнал с которого проиордиоиален току через приемник, сое-. динен со вторым входом блока умножении, третий выход, сигнал которого пропорщсонален напряжению на приемнике, соединен с третьим входом блока умножения„и со вторым входом блока обратного интегрального преобразованияе

2. Спектрометр по п. 1, о т л и ч аю шийся тем, что блок сканирования

ВНИИПИ Заказ 4493/17 Тираж 907 Подписное

Фнлнап ППП йатент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 т