Малогабаритные многоканальные оптические спектрометры на основе схемы черни-тернера

Диссертация посвящена исследованию, разработке и применению нового малогабаритного многоканального спектрометра. По совокупности таких параметров как область перестройки рабочего спектрального диапазона, спектральное разрешение, уровень фонового излучения, динамический диапазон и линейность фотоотклика, он превосходит существующие отечественные и мировые аналоги. Это дает возможность с помощью разработанного спектрометра снизить (до 1 ррЬ) пределы обнаружения элементов таблицы Менделеева в пламенной фотометрии, расширить количество одновременно анализируемых элементов в атомно-эмиссионном спектральном анализе, а также решать широкий круг других спектральных задач.

Актуальность диссертации.

Оптические спектрометры широко используются для контроля технологических процессов и готовой продукции в металлургии, машиностроении, геологии и экологии. Например, по спектрам излучения определяют количественное содержание элементов таблицы Менделеева в веществе, а по спектрам отражения контролируют процесс напыления многослойных диэлектрических покрытий.

Благодаря прогрессу в микроэлектронике и компьютерной технике в настоящее время появилась возможность создания многоканальных оптических спектрометров с системами регистрации спектров на основе многоэлементных твердотельных детекторов излучения и программным обеспечением для решения конкретных аналитических задач. Наиболее востребованы недорогие малогабаритные многоканальные спектрометры, которые позволяют работать в месте расположения объекта анализа, легко встраиваются в сложные технологические установки и не требовательны к условиям окружающей среды. Оптическая схема Черни-Тернера с плоской дифракционной решеткой оптимальна для построения малогабаритных спектрометров с большим количеством одновременно регистрируемых независимых спектральных каналов благодаря возможности получения с её помощью плоской поверхности фокусировки спектров для их регистрации многоэлементным твердотельным детектором.

Современные требования к чистоте материалов, качеству сплавов, экологии требует от малогабаритных многоканальных спектрометров низких пределов обнаружения излучения, широкого динамического диапазона и высокой фотометрической точности. Анализ характеристик существующих малогабаритных многоканальных спектрометров, построенных по схеме Черни-Тернера, показал, что в настоящее время отсутствуют приборы, полностью отвечающие перечисленным выше требованиям. Например, они имеют высокий уровень фонового излучения (0,1% и выше), что ограничивает пределы обнаружения. При этом многоканальные анализаторы атомно-эмиссионных спектров (анализаторы МАЭС), созданные на основе линеек фотодиодов и являющиеся уже достаточно распространённой системой регистрации спектров, имеют пределы обнаружения излучения на порядок меньший. Применение таких анализаторов дает возможность снижения уровня фонового излучения спектрометров путем оптимизации их оптической схемы и конструкции.

Таким образом, учитывая высокую востребованность многоканальных малогабаритных спектрометров, построенных по оптической схеме Черни-Тернера, и возросшие требования к их характеристикам, можно говорить об актуальности и принципиальной возможности создания нового малогабаритного многоканального спектрометра с качественно более высокими характеристиками.

Связь с государственными программами.

Работы по теме диссертации выполнялись по темам НИР Института автоматики и электрометрии СО РАН «Фотонно-кристаллические элементы и структуры на основе толстых однородных и слоистых оптических сред».

2007;2009) (гос. per. № 01.2.007 4 683), «Современные лазерные интерференционные методы глубинной микромодификации гибридных материалов и прецизионных оптических измерений» (2010;2012), по проекту «Разработка, совершенствование и исследование аналитических возможностей источников возбуждения и анализаторов для атомно-эмиссионной спектрометрии» (программа Президиума РАН № 20.3 «Создание и совершенствование методов химического анализа и исследования структуры веществ и материалов», 2009;2011) — по проекту № 81 «Сплайн-технологии решения обратных задач сейсмики и математической обработки спектральных данных» (программа междисциплинарных интеграционных проектов СО РАН, 2009;2011).

Цель диссертации. Целью диссертации является исследование, разработка и применение нового малогабаритного многоканального спектрометра на основе оптической схемы Черни — Тернера и многоэлементного линейного фотоприемника.

Основное внимание уделялось исследованию методов улучшения параметров малогабаритных спектрометров, построенных по оптической схеме Черни-Тернера. Во-первых, снижению уровня фонового излучения, который в данных приборах повышен из-за переотражений на элементах оптической системы прибора. Во-вторых, повышению разрешающей способности, которая ухудшается при использовании многоэлементных фотоприемников длиной большей, чем область с плоской фокальной поверхностью. Кроме того, было уделено внимание разработке средств контроля квантовой эффективности фоторегистрирующей системы прибора, поскольку, для создания спектрометра с высокой светосилой и протяженным рабочим спектральным диапазоном требуется фотоприемник с высокой квантовой эффективностью в широком диапазоне длин волн. Необходимо было решить следующие задачи:

1 .Разработать методы снижения уровня фонового излучения внутри спектрометра, основанные на модификации оптической схемы и новых решениях в его конструкции.

2. Определить рабочий порядок спектра и положение элементов (выходного зеркала и дифракционной решетки) оптической схемы, обеспечивающие наилучшие разрешающую способность и светосилу.

3. Создать установку для контроля квантовой эффективности многоэлементных фотоприемников, позволяющую проводить измерения и обрабатывать полученные данные в автоматизированном режиме для выбора фотоприемников, пригодных для разрабатываемого спектрометра.

4. Разработать малогабаритный многоканальный спектрометр, с низким уровнем фонового излучения, перестраиваемым спектральным диапазоном и использующим в качестве системы регистрации многоканальный линейный фотоприемник. >>• ,.

5. Исследовать спектральное разрешение, светосилу и уровень^фонового излучения экспериментального образца спектрометра в1 ^ сравнении с существующими аналогами.

6. Изучить возможности применения созданного спектрометра в атомно эмиссионном анализе, пламенной фотометрии и других приложениях.

1 «і / і у.

Степень обоснованности результатов диссертации., *.

Результаты диссертации подтверждены положительным? опытом применения созданных спектрометров в промышленности и исследовательских лабораториях и получением с их помощью результатов спектрального анализа на уровне современных отечественных и мировых И аналогов.

Методы исследований.

При выполнении диссертации использовались теоретические и экспериментальные методы оптической спектроскопии, прикладной оптики, микроэлектроники, измерительной и вычислительной техники.

1 «і(! ! 1І і.

Научная новизна. Новыми результатами диссертации являются:

1. Способы снижения уровня фонового излучения в спектрометрах, построенных по схеме Черни-Тернера, за счет увеличения угла наклона выходного зеркала, а также путем использования безкорпусного фотоприемника и его наклона вокруг своей продольной оси. Это позволило снизить уровень фонового излучения до значений, определяемых качеством изготовления дифракционных решеток. Способы защищены патентами РФ.

2. Способ расширения области регистрации с высокой разрешающей способностью, основанный на коррекции положения дифракционной решетки относительно фокусирующего зеркала.

3. Малогабаритный многоканальный спектрометр, по совокупности параметров (рабочий спектральный диапазон, спектральное разрешение, светосила и уровень фонового излучения) превосходящий существующие мировые аналоги.

4. Выполнено одновременное определение щелочных и щелочноземельных элементов таблицы Менделеева методом пламенной фотометрии при их содержании до 1 ppb.

Новизна результатов подтверждена приоритетными научными публикациями и патентами РФ.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Физико-технические решения, разработанные при создании многоканальных оптических спектрометров, включая методы компьютерного моделирования и средства контроля, составляют новый арсенал технических и измерительных средств для инженерных применений в области экспериментальной оптической спектроскопии. На их основе созданы:

• малогабаритный многоканальный спектрометр, построенный по оптической схеме Черни-Тернера (рабочий спектральный диапазон — 190 — 1100 нм, количество каналов — 2612, уровень фонового излучения — 0,03%);

• автоматизированная установка для измерения квантовой эффективности многоэлементных твердотельных фотоприемников (время измерения квантовой эффективности одного фотоприемника в спектральном диапазоне 170−800 нм- 12 мин).

Около 20 разработанных малогабаритных спектрометров нашли применение в Институтах РАН и промышленных предприятиях России. Их характеристики не уступают лучшим зарубежным приборам аналогичного назначения, а по ряду параметров превосходят их. Спектрометры используются в учебном процессе на физических и химических кафедрах ведущих университетов России (НГУ, НГТУ, ТТУ, ТПУ).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Уровень фонового излучения в спектрометре, построенном по оптической схеме Черни-Тернера, может быть снижен преобразованием оптической схемы, которое исключает разложение в паразитный спектр «нулевого» порядка при любом повороте дифракционной решетки.

2. Минимальный уровень фонового излучения в спектрометре, построенном по оптической схеме Черни-Тернера, определяется уровнем рассеянного излучения используемой дифракционной решетки.

3. В спектрометре, построенном по оптической схеме Черни-Тернера, область регистрации, в которой фокальная поверхность сфокусирована на фотоприемнике, может быть расширена путем коррекции положения дифракционной решетки относительно выходного зеркала.

4. Малогабаритные многоканальные спектрометры за счет снижения уровня фонового излучения внутри корпуса позволяют снизить пределы обнаружения и одновременно определять щелочные и щелочноземельные элементы методом пламенной фотометрии.

5. Малогабаритные многоканальные спектрометры позволяют увеличить количество определяемых элементов таблицы Менделеева в комплексах атомно-эмиссионного анализа путем расширения спектрального диапазона этих комплексов.

Личный вклад автора.

Автором получена зависимость положения дифракционной решетки относительно фокусирующего зеркала, позволяющая расширить диапазон с высоким спектральным разрешением. Предложены способы снижения уровня фонового излучения внутри спектрометра путём оптимизации оптической системы: увеличен угол между падающим и отраженным от фокусирующего зеркала главными лучами в оптической схеме Черни-Тернера, что позволило исключить влияние «нулевого» порядка спектра на уровень фонового излученияиспользована линейка фотодиодов в бескорпусном исполнении, что устраняет переотражения излучения на покровном стекле, а кристалл линейки наклонён вокруг продольной оси для направления отраженного от него излучения над фокусирующим зеркалом, что дополнительно снизило уровень фонового излучения.

Работы по созданию, испытанию и внедрению образцов созданного спектрометра, а также работы по созданию установки для измерения квантовой эффективности выполнены при непосредственном участии автора.

Апробация работы.

Результаты диссертации рассматривались на ряде Международных и отечественных конференций и семинаров: Новосибирская межвузовская научная студенческая конференция «Интеллектуальный потенциал Сибири» (Новосибирск, 2006) — Научно-практическая конференция молодых ученых и студентов «Информационно-вычислительные системы анализа и синтеза изображений» (Новосибирск, 2006) — III Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь-2007» (Новосибирск, 2007) — Конференция «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» (Томск, 2008, ТПУ) — VII, IX, X Международные симпозиумы «Применение анализаторов МАЭС в промышленности» (Новосибирск, 2006;2011 гг.) — Молодежная конкурс-конференция «Фотоника и оптические технологии» (Новосибирск, 2009, 2010), IX Международная конференция «Прикладная оптика-2010» (Санкт-Петербург, 2010), XV.

Международная конференция по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 2010).

Публикации. Всего опубликовано 19 работ, из которых 3 научные статьи в журналах, входящих в перечень, рекомендованный ВАК, 4 патента РФ, 12 работ в сборниках трудов международных конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Объем работы составляет 114 страниц основного текста, включая 60 рисунков и 5 таблиц.

Список использованных источников

содержит 49 наименований.

Заключение

.

В заключении сформулированы следующие основные результаты диссертации.

1. Решена задача снижения уровень фонового излучения внутри спектрометра, построенного по схеме Черни-Тернера, в 3 раза по сравнению с современными аналогами, за счёт оптимизации оптической схемы и конструктивных решений. Это позволило снизить пределы обнаружения излучения.

2. В результате исследования зависимости формы фокальной поверхности от положения дифракционной решетки относительно выходного зеркала расширена область регистрации, в которой фокальная поверхность совпадает с плоскостью фотоприемника. Это, в свою очередь, позволило в 1,5 раза расширить диапазон с высоким спектральным разрешением.

3. Создана автоматизированная установка для оперативного измерения квантовой эффективности (КЭ) многоэлементных фотоприемников в диапазоне 180−800 нм, позволяющая, исходя из снижения пределов обнаружения, обеспечить выбор многоэлементного фотоприемника с необходимым значением и разбросом КЭ в условиях производства спектрометров.

4. Создан новый малогабаритный многоканальный спектрометр, построенный по оптической схеме Черни-Тернера. Спектрометр по совокупности параметров (рабочий спектральный диапазон, спектральное разрешение, светосила и уровень фонового излучения) превосходит существующие мировые аналоги (спектрометры фирм НопЬа, ОсеапорйсБ, Ауа^еБ, Морс).

5. Разработанный спектрометр в атомно-эмиссионном анализе позволил увеличить количество одновременно определяемых элементов таблицы Менделеева (добавлены щелочные и щелочноземельные металлы), в пламенной фотометрии решить задачу одновременного определения щелочных и щелочноземельных металлов с концентрацией до 1 ррЬ, при создании многослойного диэлектрического покрытия позволил снизить погрешность измерения толщины слоев путем контроля коэффициента отражения в диапазоне протяженностью более 500 нм в реальном времени.

Таким образом, в настоящей диссертации за счет снижения уровня фонового излучения, расширения области регистрации с высокой разрешающей способностью, создания автоматизированной установки для измерения квантовой эффективности многоэлементных фотоприемников, а также путем проведения экспериментальной проверки конструктивных решений разработанного малогабаритного спектрометра, решена важная научно-техническая задача создания универсального малогабаритного спектрометра, способного расширить количество одновременно определяемых элементов (добавлены щелочные и щелочноземельные элементы таблицы Менделеева) в атомно-эмиссионном анализе, снизить пределы обнаружения в пламенной фотометрии и случайную погрешность определения толщины слоев при напылении многослойных покрытий.

Таким образом, в настоящей диссертации за счет снижения уровня фонового излучения, расширения области регистрации с высокой г разрешающей способностью, создания автоматизированной установки для измерения квантовой эффективности многоэлементных фотоприемников, а также путем проведения экспериментальной проверки конструктивных решений разработанного малогабаритного спектрометра, решена важная научно-техническая задача создания универсального малогабаритного спектрометра, способного расширить количество одновременно определяемых элементов (добавлены щелочные и щелочноземельные элементы таблицы Менделеева) в атомно-эмиссионном анализе, снизить пределы обнаружения в пламенной фотометрии и случайную погрешность определения толщины слоев при напылении многослойных покрытий.

В дальнейшем в развитие тематики диссертации планируется создание интерференционных фильтров нерабочих порядков спектра, разработка механизма, позволяющего автоматически поворачивать дифракционную решетку для изменения спектрального диапазон. Также планируется расширить номенклатуру дифракционных решеток, используемых в созданном спектрометре, все это позволит повысить его универсальность.

Кроме того, планируется провести комплекс исследований по созданию мобильного среднегабаритного многоканального спектрометра, одним из основных применений которого может стать разбраковка металлических сплавов.

Автор считает необходимым выразить искреннюю благодарность своим коллегам — A.B. Бехтереву, В. И. Попову, А. Н. Путьмакову, М. С. Саушкину, Д. О. Селюнину, O.A. Неклюдову, Д. В. Петроченко, A.C. Пак, Р. Г. Галлямову, З. В. Семенову, В. Г. Гаранину и A.B. Борисовуза помощь в работе.