Спектрометр для последовательной регистрации спектральных линий

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ ополнктельное к авт,) Заявлено 18,0577 (21) 2488917/4 с при нени аявки Гасударственный коцита СССР во данае изобретений1) Приоритет Опубликов Дата опуб аио 30,05.80, Б ликования олиса ллетень Ю 2072) Авторы изобретения И. Субочев нина институт геохимии и аналитической химииим. В. И. Вернадского рден(7) Заявитель 4) СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО РЕГИСТРАЦИИ СПЕКТРАЛЬНЬИ ЛИНИЙ,тического спекти может быть.исментного анализа я к области опприборостроенияНО ДЛЯ МНОГОЭЛЕва по оптичеси по спектрамции и флуорестнос итральног пользовавешест частност й абсорб ктрометры для последомации спектральных линий торых осуществляется нирование спектра отноой щели спектрального спектрометры не оченЬ оведения многоэлементшества вследствие недос 1 ИТЕЛЬНОСТИ И ТОЧНОСТИ э обусловлен большими и на регистрацию неинстков спектра.е показатели при послеистрации спектральных ают спектрометры с прорапией отдельных учас ков т ким спектрам, вэмиссии, атомноцен ции.Известны спетельной регистр1,. 2 в коравномерное скасительно выходиаппарата. Такиепригодны для прногс 1 аНализа ветаточной чувствЭтот недостатокпотерями временформативных учаБолее высокидовательной реглиний обеспечивграммной регистспектра. Из известных спектрометров с программной регистрацией наиболее близким к предлагаемому по своей технической сушности является спектрометр для последовательной регистрации спектральных линий, содержаший последовательно установленные источник света с эталонным спектром, спектральный аппарат с диспергируюшим элементом и блок регистрации, блок управления диспергируюшим элементом и программный блок, связанный с блоком управления диспергирую щим элементом и блоком регистрации 131.Недостатками известного спектрометра являются сравнительно невысокие чувствительность и точность анализа. Это связано с тем, что температурные и механические деформации дегалей спектрального аппарата приводят к неизбежным смешениям оптического спектра относительно выходной щели и, тем самым, к нестабильности показаний прибора,Целью изобретения является повышение чувствительности и точности регистрапиПоставленная пель достигается тем, что в спектрометр введены передающаятэлевизионная трубка с отклоняющей системой, установленная на выходе спек:трального аппарата, синхронный детектор, пороговое устройство, генератор развертки и управляемый источник постоянного напряжения, причем выход передаюшей телевизионной трубки соединен с сигнальным входом синхронногодетектора, уп равляюший вход которого подключен к одному из выходов генератора развертки, а выход - ко входу порогового устройства, соединенного выходом с управляюшим входом программного блока, входы отклоняю шей системы соединены со вторым выходом генератора развертки и с выходом управляемого источника постоянного напряжения, источник света с эталонным спектром и управляющие входы управпяе мого источника постоянного напряжения ,и генератора развертки подключены к выходам программного блока, причем источник света с эталонным спектром выполнен в виде источника света с непрерыв ным спектром, на выходе которого установлен эталон фабри-Перо; передающая телевизионная трубка выполнена в виде шелевого диссектора, а пороговое устройство - в вице двухуровневого компарато ра, например,триггера Шмитта.На фиг. 1 Изображена блок-схема спектрометра; на фиг. 2 - эпюры сигналов в спектрометре при программном выводе спектральных линий на,выходную . 35 щель.Эпюры имеют следующие обозначения:О, - часть спектра источника света сэталонным спектром (спектральныелинии с длинами волн . и Х, ); 40Ю-часть спектра источйика света сисследуемым спектром (анализирующие спектральные линии с длинами волн Ъ, и , );д - электронное изображениечасти45спектра источника света с эталонным спектром в передающейтелевизионной трубке, сдвинутоепо шкале длин волн на величинуд 4 50- электронное изображение частиспектра источника света с эталонным спектром в передающей телевизионной трубке, сдвинутое поШкале длин волн на величину А 2;- напряжение на входе пороговогоустройства ( Оро и Оотпряжения, соответственно, сраба тывания и отпускания порогового устройства, Ооо. =0)Е - напряжение на выходе пороговогоустройства;я - сигнал запуска программного устройства.Спектрометр состоит из источника 1 света с исследуемым спектром и источника 2 света с эталонным спектром, излучение которых поступает на вход спектрального аппарата 3 с диспергируюшим элементом 4 (например - призмой). Диспергируюший элемент связан с блоком 5 управления диспергируюшим элементом (например - электродвигателем и уз-лом поворота призмы), На выходе спектрального аппарата 3 установлена передающая телевизионная трубка - шелевой диссектор 6 с отклоняющей системой 7 (при использовании электростатических .диссекторов, например, ЛИ, отклоняющей системой являются отклоняющие пластины диссектора). К выходу диссектора 6 подключен сигнальный вход синхронного детектора 8, выход которого соединен с пороговым устройством 9.Управляющий вход синхронного детектора 8 соединен с одним из выходов генератора 10 развертки. Генератор 10 развертки выполнен, например, в виде генератора синусоидального напряжения с каскадом деления частоты и поэтому может иметь на своих выходах переменные сигналы, частоты которых одинаковы или различаются в два раза, Входы от-. кпоняюшей системы 7 (отклоняюшие пластины диссектора 6) соединенй с одним нз выходов генератора 10 развертки и с выходом управляемого источника 11 постоянного напряжения. Елок регистрации - логометр 12 подключен своими входами к выходам диссектора. 6 и синхронного детектора 8. Источник 1 света с исследуемым спектром, источник 2 света с эталонным спектром, управляющие входы блока 5 управления диспергируюшим элементом, генератора 10 развертки, управляемого источника 11 постоянного напряжения и логометра 12 подключены к ,выходам программного блока 13, а управляющий вход программного блока 13 соединен с выходом порогового устройства 9. Работа спектрометра состоит из двух повторяющихся этапов; этапа вывода анализируемой спектральной линии и этапа измерения ее интенсивности,5 73На этапе вывода анализируемой спек-тральной линии используется источник 2 света с эталонным спектром, Источник 2 может быть выполнен в виде. газорас- рядной лампы с линейчатым спектром (лампа с полым катодом, шариковая лампа и т.д.) или в виде последовательно расположенных источника света с непрерывным спектром (лампа накаливания) и интерферометра Фабри-Перо, В последнем случае эталонный спектр состоит из системы полос, равномерно расположенных по шкале частот.Излучение источника 2, включенногопрограммным блоком 13, подается на вход спектрального аппарата 3, разла;гается в спектр диспергируюшим элементом 4 и поступает на фотокатод пере дающей телевизионной трубки - шелевого диссектора 6, который преобразует оптическое изображение в электронное. Одновременно включается блок 5 управлениядиспергируюшим элементом, Осуществляется перемещение изображения спектра источника 2 света с эталонным спектром по фотокатоду диссектора 6 (на фиг. 2 а.изображена часть указанного спектра с двумя линиями, имеюними длины волн Лэ и Л ). На отклоняющую систеМму 7 диссектора 6 подается переменное напряжение, например, синусоидальное, от генератора развертки 10 и постоянное напряжение от управляемого источника 11 постоянного напряжения. Постоянное напряжение на отклоняющей системе 7 вызывает смещение электронного изображения эталонного спектра от источника 2 (на фиг. 2величина смещения изображения линии Л., обозначена ь 1 ) относительно щелевого отверстия в аноде диссектора 6. Переменное напряжение на отклоняющей системе 7 вызывает перно. дическое перемещение электронного изображения относительно щели в аноде дис сектора 6, что эквивалентно йериодическому сканированию спектра в окрестности спектральной линни (в данном случае- линии Л э ).1Если скорость периодического сканирования спектральной линии существенно превышает скорость перемещения оптического изображения спектра относительно фотокатода, а амплитуда периодическог сканирования меньше ширины электронног изображения спектральной пинии (в данном случае - линии Л ), то в выходном токе диссектора 6 возникает переменная составляющая с частотой,7791 равной частоте сканирования. Амплитудаэтой составляющей при указанных условиях пропордиональна первой производнойэталонного спектра по длинам волн. По 5 этому сигнал на выходе синхронного детектора 8, на управляющий вход которогоца этапе вывода линии подается от генератора развертки 10 напряжение той жечастоты, что и на отклоняющую системуО 7, будет соответствовать изображенномуна фиг, 2 Э. Этот сигнал поступает навход порогового устройства 9, выполненного в виде двухуровневого компараторагриггера Шмитта. При этом уровни сраба 1 тывания и отпускания (Осо и Оооо. нафиг, 2 Э) триггера существенно отличаютсядруг от друга по величине и 0;, .=О.Напряжение на .выходе порогового устройства 9 (фнг. 2 е) имеет вид прямоуголь 20 кого импульса, задний фон которого соответствует моменту перекода через нульнапряжения ца выходе синхронного детектора 8 (фиг. 2 8), т,е, моменту, когдаэлектронное изображение линии Лэсмещенное ца величину а 1 напряжениемисточника 11 и перемещающееся относительно щели в аноде диссектора вследствие работы блоха 5 управления дпспергирующим элементом 4, совпадает сощелью в аноде диссектора. При поступлении ца управляоший вход программногоблока 13 импульса от порогового устройства 9 (фиг. 2 ж), программное устройство 13 выключает блок 5 управления дис 35 пергируюшим элементомвыключает источник 2 света с эталонным спектром,вкпючает источник 1 света с исследуемым спектром, выключает управляемыйисточник 11 постоянного напряжения,4 О Если величина смешения Ь 1 электронного изображения линии Л э, обусловленная напряжением управляемого источника 11, выбирается равной расстоянию между электронными изображениямилинни эталонного спектра Ли линииисследуемого спектра Л х(фиг. 2 а,66), то после выключения источника 2и включения источника 1 (при выключенном управляемом .источнике 11) электронное изображение анализируемой линии:Л УЬ исследуемом спектре совпадаетсо щелью в аноде диссектора 6.На этом этап вывода анализируемой олинии заканчивается и начинается этап оЫизмерения ее интенсивности, описывае ймыйниже. Вывод других аналитических линий осуществляется аналогично (ца фиг. 2показана в качестве примера вторая аце7 7377лизируемая линия, вывод которой происходит по линии ЛЭ 2.эталонного спектра, смещенного в процессе вывода навеличину2 )Один из вариантов измерения интенсивности линии состоит в следующем.По команде программного блока 13переменное напряжение на отклоняющуюсистему 7 подается с каскада делениячастоты в генераторе развертки 10. 1 ОПоэтому частота переменного напряженияна отклоняющей системе (частота перио-дического сканирования) в два раза ниже,;чем частота напряженияна управляющемвходе синхронного детектора 8. Амплитуда 1 зпериодического сканирования при измерении интенсивности линии превышаетширину электронного изображения анали. зйруемой линии Л х 1 (указанное соотношение задается программным блоком) 2 Ои электронное изображение линии Л х 4йроходит через .;щель в аноде диссектора два раза за период сканирования (напрямом и обратном ходах развертки).Поэтому в выходном токе диссектора 6 25.,возникает переменная составляющая надвойной частоте относительно частотысканирования, т.е. на частоте совпадающей с частотой синхронного детектора8. Кроме переменной составляющей, выходной ток диссектора 6 содержйт ипостоянную составляющую, обусловленную,в частности, световым фоном в окрестности анализируемой линии (фиг, 2 б).Блок регйстрации логометр 12 включаемый программным блоком 13, измеряет отношение переменной составляющейвыходного тока диссектора, продетектированной синхронным детектором 8, и постоянной составляющей выходного гока фджсектора. Такое решение позволяетустранить нестабильность коэффициентапередачи днссектора, а также нестабильность излучения источника 1 света сисследуемым спектром (последнее справед ливо, если имеется пропорциойальнаясвязь между интенсивностямй линии исветового фона Л)1, После измеренииинтенсивности анализируемой линии программный блок 13 включает блок о уп- оравлейия диспергируюшим элементом иосуществляет вывод следующей анализируемой линии Лх по линии Лэталонного спектра аналогично вышеог исанному, измерение интенсивности ли- Инии Лх,р и т,д,Использование в спектрометре выводаанализируемых линий по эталонному спек 91 8тру в сочетании с программируемым сме.щением электронного изображения эталонных линий в передающей телевизионной трубке и периодическим сканированием в окрестности линии при выводе и регистрации позволяет полностью исключить влияние температурных и механических деформаций в спектральном аппарате и повысить точность и чувствительность анализа. Формула изобретения г 1. Спектрометр для последовательнойрегистрации спектральных линий, содержащий последовательно установленныеисточник света с эталонным спектром,спектральный аппарат с диспергирующимэлементом и блок регистрации, блок управления диспергируюшим элементом ипрограммный блок, связанный с блокомуправления диспергируюшим элементом иблоком регистрации, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повьшениячувствительности и точности регистрации, в него введены передающая телевизионная трубка с отклоняющей системой,установленная на выходе спектральногоаппарата, синхронный детектор, пороговоеустройство, генератор развертки и управляемый источник постоянного напряжения,причем выход передающей телевизионнойтрубки соединен с сигнальным входомсинхронного детектора, управляющий входкоторого подключен к одному из выходовгенератора развертки, а выход - ко входупорогового устройства соединенного выходом с управляющим входом программного блока, входы отклоняющей системысоединенй со вторым выходом генератораразвертки и с выходом .управляемогоисточника постоянного напряжения, источник света с эталонным спектром иуправляющие входы управляемого источника постоянного напряжения и генератораразвертки подключены к вьйодам программного блока.2. Спектрометр по.п. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем что источник светас эталонным спектром выполнен в видеисточника света с непрерывным спектром,на выходе которого установлен эталонфабри-Перо,3. Спектрометр по п. 1, о т л и ч аю щ и й с я тем, что передающая телевизионная трубка выполнена в виде шелевого диссектора.