WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Из таблицы 1 следует, что при высоте расположения входной щели 5 мм в данной схеме разрешение прибора падает в 2  3 раза. Положение изменится, если воспользоваться многокристальными сборками, содержащими в одном корпусе несколько приёмных площадок. В этом случае расстояние между приёмниками излучения значительно уменьшится и может составлять 1  1,5 мм. В результате появляется возможность разработки многощелевых спектрометров, у которых входные щели и приёмники излучения располагаются вертикально друг над другом в несколько рядов. Для того, чтобы каждый приемник работал в заданном порядке спектра, необходимо в каждый из каналов поместить оптический фильтр, отрезающий излучение высших порядков. Разместим щели и приёмники
излучения над и под меридиональной плоскостью (рисунок 3,а),
а в случае автоколлимационной схемы приёмники и источники располагаются с разных сторон от меридиональной плоскости (рисунок 3,б).

Для оценки эффективности этих схем рассмотрим пример автоколлимационной симметричной схемы при N = 300 мм-1, в которой спектральная область 200 – 800 нм располагается на одной линейке. Для вертикальной двухщелевой схемы примем частоту решётки 450 мм-1 при этом, поделим спектральную область 200 – 800 нм на два диапазона: 400  800 нм в 1-ом порядке спектра и 200  400 нм во 2-ом порядке.

а) б)

Рисунок 3. Схематическое изображение многощелевых схем спектрометров: а) – автоколлимационная схема (); б) – схема с расположением приёмной площадки на нормали к решётке ().

Как известно величина ОЛД равна

, (5)

Где, , k, N, d0  углы дифракции и наклона плоскости приёмника, порядок спектра, частота штрихов решётки и расстояние до плоскости изображения соответственно. Из последнего соотношения очевидно, что при делении спектральной области на две линейки, величина ОЛД уменьшается в два раза для длинноволновой области (1-ый порядок) и в четыре раза для коротковолновой области (2-ой порядок). Для сравнения приводятся результаты расчета схемы с двумя линейками, расположенными в меридиональной плоскости при N = 600 мм-1. На рисунке 4 показана зависимость величины предела разрешающей способности при различном делении спектрального диапазона по приёмникам.

В п.3.2 Исследованы схемы с круговой поверхностью регистрации спектра с фокусировкой на окружности Роуланда, либо с фокусировкой на окружности, ближайшей к фокали при произвольном расположении оптических элементов схемы. В качестве примеров для расчёта использовались схемы крупногабаритных спектрометров высокого разрешения с набором многоэлементных линеек приемников излучения.

а) б)

Рисунок 4. Зависимость предела разрешающей способности в автоколлимационной схеме (а) и схеме с расположением приемной площадки на нормали к решётки (б) при различном делении спектрального диапазона по приемникам: кривая 1 – одна линейка, кривая 2 – две линейки в горизонтальной схеме, кривая 3 – две линейки в вертикальной схеме.

Поскольку в схемах на круге Роуланда меридиональная кома отсутствует (V300 = 0), то единственной аберрацией 2-го порядка является сагиттальная кома (V120  0), влияние аберраций 3-го порядка не так значительно. На практике оптимальные схемы нарезных решёток на круге Роуланда определяются ограничениями в изготовлении, накладываемых законом изменения кривизны штрихов. Штрихи нарезной решётки могут быть только концентрическими, т. е. величина p = 1. В работе показано, что компенсация сагиттальной комы возможна лишь в схеме автоколлимации либо в схеме, когда входная щель или центр спектрограммы находятся недалеко от нормали к решётке. Исходя из этого, в методике для нахождения оптимальных схем на круге Роуланда отсутствует поиск оптимального угла падения для заданной частоты решётки, а рассматриваются лишь три перечисленные выше схемы. Расчёты проводились для различных частот решётки. Результаты расчётов АФС показали, что полуширина АФС в автоколлимационной схеме и схеме нормального падения в 1,5  2 раза меньше, чем в схеме, когда приёмник располагается на нормали к решётке. В таблице 3 приведены результаты для решётки 1200 мм-1 (ОЛД равна 0,8 нм/мм, ширина входной щели 10 мкм).

Таблица 3

Параметры схемы и полуширина АФС в различных схемах на круге Роуланда

0

r, мм

,мм

d0,мм

ba, мм

=200

нм

=250нм

=325нм

=400нм

=450нм

11,3

11,2

985

965

965

0,011

0,014

0,016

0,018

0,020

23,1

0

1004

923

1004

0,024

0,023

0,023

0,023

0,023

0

22,9

1004

1004

923

0,011

0,011

0,012

0,013

0,015

Приведены также расчёты в схемах, отличных от круга Роуланда, даны рекомендации по их использованию.

В п.3.3 приводятся рекомендации по оптимизации параметров оптического тракта спектрометра с учётом различных факторов, влияющих на основные параметры прибора.

Важным элементом при оптимизации оптических параметров спектрального прибора является учёт реальной функции зрачка оптической системы, которая характеризуется формой зрачка и распределением коэффициента пропускания по его площади.

Зрачок оптической схемы спектрального прибора на основе вогнутой решётки находится на самой решётке, которая обычно имеет форму прямоугольника. Методы расчётов, изложенные в настоящей работе, позволяют провести оптимизацию отношения сторон этого прямоугольника в зависимости от баланса аберраций в оптической системе.

В п.2.2 приведена оценочная функция для случая, когда центр заштрихованной части решетки YZ смещён относительно её геометрического центра на определённую величину y0 . Для примера взята схема сверхсветосильного спектрального прибора с вогнутой голограммной решёткой радиусом 92,55 мм, размером 132132 мм2, при угле падения излучения на решётку 14,55°. В таблице 3 приведены характеристики схемы спектрометра с учетом и без учета смещения заштрихованной части решётки относительно её геометрического центра.

Таблица 4

Характеристики схемы спектрометра с учетом и без учета смещения заштрихованной части решётки относительно её геометрического центра

, нм

ОЛД, нм/мм

ba, мм

, нм

yo=0

yo=14,88

yo= 0

yo = 14,88

yo = 0

yo = 14,88

320

18,25

18,25

1,3

1,0

23,7

18,3

366

18,25

18,25

1,5

0,9

27,4

16,4

435

18,24

18,24

1,6

1,0

29,2

18,2

504

18,23

18,23

1,3

1,1

23,7

20,0

550

18,22

18,22

1,1

1,1

20,0

20,0

Полученные выражения для интегральных критериев качества спектрального изображения с учётом функции зрачка используются в компьютерной программе оптимизации параметров. На рисунке 5 приведены величины полуширины АФС, когда оптимизация и расчёт характеристик ведётся без учёта (кривые 1) и с учётом (кривые 2) дифракционной эффективности решётки со ступенчатой формой штрихов и освещения решётки стандартным волокном диаметром 100 мкм.

Рисунок 5. Величины полуширины АФС: кривые 1-без учета, кривые 2 с учетом коэффициента пропускания решетки

Кроме этого, даны рекомендации по учёту основных характеристик приёмника излучения: длина светочувствительной площадки, размер пиксела и чувствительность.

В четвёртой главе описаны спектральные приборы, изготовленные по схемам, разработанным с использованием методик, предложенных в настоящей работе. Представлены краткие описания оптико-электронных систем этих приборов для различных видов спектрального анализа: атомно-эмиссионного, атомно-абсорбционного и флуоресцентного.

В п.4.1 сообщается о разработке оптической системы сенсора мини-спектрометра с волоконно-оптическим входом «FSD8». В отличие от спектрометров ведущих западных фирм, в оптических схемах которых используется либо плоская решётка с коллимирующим и фокусирующим зеркалами, либо вогнутая решётка с искривлёнными неравноотстоящими штрихами, в настоящем приборе без потери качества спектрального изображения удалось ограничиться единственным простым в изготовлении оптическим элементом - вогнутой классической решёткой. Оптическая схема прибора представляет собой автоколлимационную вертикальную схему, при этом плоскость приёмника повёрнута относительно главного луча, проходящего через центр решётки на угол. Достоинством данной схемы является отсутствие меридиональной комы и составляющих аберраций 2-го порядка по высоте щели, что позволяет получить достаточно высокие характеристики в этом классе приборов при невысокой стоимости оптической системы прибора.

Технические характеристики:

спектральный диапазон, нм……………………2401000;

разрешение при ширине щели 50мкм, нм.……………..2;

числовая апертура …………………………………....0,22;

размер решетки,.……………………………….1616.

Спектрометр выпускается НТЦ «Волоконно-оптические устройства», г. Москва.

В п.4.2 сообщается о разработке и изготовлении монолитного спектрометра «OPTUS». Спектрометр предназначен для атомно-абсорбционного анализа жидкостей, однако может быть использован для атомно-эмиссионного и флуоресцентного анализов веществ в жидкой, газообразной и твёрдой фазе. В рассматриваемом спектральном приборе используется высокоэффективная неклассическая дифракционная решётка с неравноотстоящими искривлёнными штрихами. Оптическая схема реализована по горизонтальной схеме, в которой все элементы расположены в плоскости дисперсии. Спектрометр представляет собой монолитную конструкцию из кварцевого стекла, на одной стороне которой нанесена вогнутая дифракционная решётка, а на противоположной расположены приёмник излучения и жгут оптических волокон, играющий роль входной щели прибора. Ввиду того, что излучение не выходит за пределы оптического моноблока, прибор может использоваться при неблагоприятных условиях окружающей среды. Другим преимуществом монолитной схемы является существенное упрощение конструкции из-за отсутствия механических деталей, что с одной стороны упрощает его изготовление, а с другой делает его практически нерасстраиваемым при механических и тепловых воздействиях.

Технические характеристики:

cпектральный диапазон, нм………………… ….3151000;

разрешение при ширине щели 100мкм, нм……………...2;

числовая апертура.……………………………………..0,22;

размер решетки, мм2…………………………………4040.

Несколько образцов прибора изготовлены по заказу НИИ Прецизионного приборостроения, г. Москва.

Pages:     | 1 | 2 || 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»