Фотографический способ регистрации спектров

МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ СПЕКТРА

В АЭСА применяют три метода регистрации спектра:

1. визуальный — приемником излучения является глаз человека — используется в спектральных приборах: стилоскопах и стилометрах.

При визуальной регистрации спектр рассматривают глазом через окуляр.

Спектр представляет собой набор цветных линий на темном фоне.

Наш глаз воспринимает излучение только видимого диапазона спектра

2. фотографический — приемником излучения является фотопластинка; используется в спектральных приборах: спектрографах.

Спектр фотографируют на фотографических пластинках. После химической обработки пластинки (проявления и закрепления), на бесцветном прозрачном фоне появляются черные линии.

Фотопластинка чувствует более широкий диапазон длин волн (от 200 до 1000 нм)

3. фотоэлектрический — приемником излучения является фотоэлемент или другие устройства. Используется в фотометрах, спектрофотометрах, квантометрах и т.д.

В фотоэлектрических приемниках энергия света преобразуется в электрический сигнал (силу тока или напряжение), который измеряется миллиамперметром или самописцем.

В приборах более высокого класса электрический сигнал (напряжение) подается на компьютер.

Фотоэлектрическими приемниками можно зарегистрировать любую область спектра ЭМИ. Для каждого диапазона применяют свой приемник.

Традиционные фотоэлектрические приемники не могут регистрировать излучение разных длин волн отдельно друг от друга.

Например: Если на фотоэлемент падают одновременно лучи разных длин волн, то он “вырабатывает” суммарный электрический сигнал.

Для регистрации излучения одной длины волны перед фотоэлектрическим приемником устанавливают выходную щель —S _вых

Спектральный прибор с двумя щелями: входной и выходной называется монохроматором.(моно — один, хромос — свет)

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Фотографический способ — регистрация — спектр

Фотографический способ регистрации спектров является наиболее универсальным. Спектрограмма дает возможность зафиксировать большее число спектральных линий, точно определить длину волны и интенсивность и является документом. [1]

При фотографическом способе регистрации спектров люминесценции источником возбуждения свечения служит ртутно-кварце-вая ламна ДРШ-250 с максимумом излучения в области 365 нм. [3]

Широко распространенный в АЭА фотографический способ регистрации спектра в АФА практически не используется. [4]

Для качественного анализа обычно пользуются фотографическим способом регистрации спектра . Преимущество фотопластинки при этом состоит в том, что одновременно регистрируется большая область спектра, которая потом может быть детально расшифрована. Фотографическая пластинка со снятым на ней спектром может сохраняться неограниченно долгое время, что дает возможность при необходимости произвести повторную проверку результатов анализа, либо новую обработку спектров с целью извлечения дополнительной информации, которая не представляла интереса или не могла быть получена при первой обработке спектрограммы. При других методах наблюдения спектров столь подробной и объективной документации результатов не сохраняется, так что в этом отношении фотопластинка имеет огромные преимущества. [5]

Прежде чем перейти к изложению методов, использованных в работе с целью учета и устранения искажающего влияния фотографического способа регистрации спектров на форму и ширину изучаемых эмиссионных линий, следует остановиться на одном явлении, которое на первый взгляд способно было вызывать заметное и возрастающее со временем дополнительное расширение линий, тем более, что до сих пор с такой точки зрения оно количественно не изучалось. [6]

При проведении качественного анализа используют чаще всего дуговые источники возбуждения с применением фотографического способа регистрации спектра . При использовании искры анализ не сопровождается разрушением образца в результате плавления, как, например, в дуге. Поверхность объекта, используемая разрядом, ограничена, так как флуктуация источника отсутствует. [7]

Исследования в этой области развиваются в двух направлениях. Одно из них связано с фотоэлектрическими способами регистрации спектров и реализовано в различного типа квантометрах, выпускаемых многими фирмами. Другое основано на автоматизации фотографических способов регистрации спектра , однако применяется в спектральных лабораториях весьма слабо. [8]

Источник

Система регистрации сигнала в спектгрографе

Современный уровень науки и техники далеко шагнул с того момента, когда в качестве приемников света в спектральных приборах служили фотопластинки. В настоящее время используются детекторы, которые способны преобразовывать свет в сигнал, понятный компьютеру.

Каждый из них имеет свои особенности, от которых зависит построение и возможности системы регистрации сигнала в спектгрографе.

Принципиальная схема спектральных приборов

Конструкция спектрографов состоит из следующих основных элементов:

• источник света;
• конденсаторная линза или зеркало;
• диафрагма или входной зрачок.

• коллиматор;
• диспергирующая система;
• световое отверстие или выходной объектив.

Приемно-регистрирующая часть (зависит от метода регистрации):

• окуляр (визуальный метод );
• фотопластинка (фотографический метод);
• фотоприемник (фотоэлектрический метод).

Последний наиболее полно отвечает предъявляемым требованиям к современным спектральным приборам, и является наиболее перспективным методом регистрации.

Система регистрации

Регистрация спектров — определение зависимости энергии от длины волны. Для этого используется система регистрации, которая включает:

• Фотоэлектрический приемник излучения.
  Он необходим для преобразования света в электрический сигнал, понятный для ЭВМ.
• Аппаратные и программные средства, которые обрабатывают сигнал и визуализируют его в виде графика. Графическое изображение зависимости излучения от длины волны называется спектром.

Системы регистрации подразделяются на следующие типы:

• Интегральные.
  Используемые в них детекторы преобразуют весь поток излучения в электрический сигнал. При этом не происходит распределения энергии по длинам волн. Приемниками излучения служат фотодиоды, ФЭУ и аналогичные им детекторы.
• С построением изображения.
  В качестве приемников используются линейные или матричные многоэлементные структуры, которые способны измерять количество энергии и распределять ее по длинам волн.

Фотодиоды

Фотодиоды представляют собой структуру, которая состоит из полупроводников p- и n-типа с p-n-переходом. Они способны преобразовывать световую энергию в электрическую и наоборот. Первый случай позволяет использовать их в качестве приемника светового излучения.

Среди большого числа фотодиодов с различным спектральным диапазоном и чувствительностью получили распространение устройства на основе кремния, германия и индий-галлий-арсенидовые структуры. Они способны работать в широком спектральном диапазоне: от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области. По показателям чувствительности фотодиоды уступают ФЭУ.

Система регистрации, построенная с использованием фотодиодов, отличается простотой и позволяет снизить стоимость прибора. Она применяется в недорогих спектрофотометрах и других аналогичных приборах

Фотоэлектронные умножители

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — фотоприемник, в которых поток электронов, эмитируемых фотокатодом, усиливается за счет вторичной эмиссии. Электроды, на которых происходит вторичная эмиссия называются динодами, а их совокупность — динодной системой. Основное отличие ФЭУ от вакуумного фотоэлемента заключается в том, что в конструкцию, кроме анода и фотокатода, входят: фокусирующая система, диафрагма и дополнительные электроды — эмиттеры вторичных электронов.

Работа фотоэлектронного умножителя требует высокого напряжения, величина которого может достигать 2500 В, что ограничивает область применения этих детекторов. Спектральный диапазон зависит от материала фотокатода, и находится в пределах от ультрафиолетовой до видимой области спектра. Некоторые ФЭУ позволяют детектировать инфракрасную область. Однако, они обладают невысокой чувствительностью и имеют довольно высокую стоимость.

Фотоэлектронные умножители обладают высоким быстродействием и низкой выходной емкостью. Это позволяет создавать на их основе детекторы, способные регистрировать быстропротекающие процессы.

Фотодиодные матрицы (линейки)

Фотодиодные приемники, состоящие из множества элементов, способны преобразовывать двухмерную оптическую информацию в последовательность электрических сигналов. Они могут представлять собой:

• линейку, в которой фотодиоды расположены в ряд с определенным шагом. Для получения развертки сигналы считываются с каждого фотодиода.
• матрицу, которая состоит из набора линеек. Развертка получается путем опроса каждой линейки, и каждого фотодиода.

Фотодиодная матрица разрабатывается для определенной оптической схемы и конкретного диспергирующего элемента (как правило, эшелле). Это связано с тем, что от них зависит положение аналитической линии в фокальной плоскости.

В полихроматорах набор аналитичеких линий определяется на стадии разработки, и остается неизменным. Для его изменения необходима замена детектора. При работе прибора в режиме монохроматора регистрируется одна аналитическая линия произвольной длины или сканируется спектр.

При использовании такого способа регистрации спектра максимально расширяются аналитические возможности. Однако при этом требования к качеству изготовления детектора и всех компонентов оптической схемы значительно возрастают.

Фотодиодные матрицы еще называют твердотельными детекторами (SSD). Они находят применение в:

• атомно-эмиссионных спектрометрах с индуктивно-связанной плазмой;
• спектрофотометрах;
• атомно-абсорбционных спектрометрах.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС)

Приборы с зарядовой связью сформированы из ячеек — конденсаторов металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) или структурами металл-оксид-полупроводник (МОП), которые расположены на одной подложке.

Элементы ПЗС образуют линейки или матрицы, и находятся на достаточно малом расстоянии друг от друга, которое обеспечивает взаимодействие соседних структур.

Принцип действия ПЗС-детектора в спектрометрах:

• Свет попадает с пикселов на фотодиоды.
  Это приводит к разряду конденсаторов со скоростью, которая находится в пропорциональной зависимости от потока фотонов.
• По окончании интегрирования происходит закрытие массива переключателей, а заряд передается на сдвиговый переключатель.
• После завершения передачи заряда на регистратор снова происходит открытие переключателей и перезарядка фотодиодов.
• На этом один цикл интегрирования завершается и начинается следующий.
• Одновременно с этими процессами аналого-цифровой преобразователь считывает информацию, оцифровывает его и в таком виде передает на компьютер.

Практический опыт применения ПЗС-детекторов в системе регистрации спектральных приборов

Спектрометры производства ООО «Промоптоэлектроника» — высокотехнологичные приборы, в которых используются инновационные разработки, мощная компьютерная техника и эффективные алгоритмы обработки информации. В них фотоприемником служат линейные ПЗС-детекторы ведущих японских производителей.

Прибор с зарядовой связью одновременно выступает как:

• Элемент спектрографа. На него проецируется спектр, разложенный дифракционной решеткой.
• Часть системы регистрации. ПЗС преобразовывает свет в электрический сигнал.

ПЗС-детекторы подключаются к основной плате (платам), входящим в систему регистрации. Функции платы заключаются в следующем:

• изменение режима работы ПЗС;
• создание управляющих сигналов и их тактирование;
• прием аналоговых сигналов с ПЗС, их оцифровка и сохранение во внутренней памяти;
• математическая обработка информации и передча ее для обработки программным обеспечением компьютера.

Преимущества системы регистрации на основе ПЗС TOSHIBA

Использование ПЗС в системе регистрации спектральных приборов позволяет получить следующие преимущества:

• Прием и обработка сигналов осуществляется со всех детекторов, что дает возможность применить корреляционные математические методы обработки данных.
• Система регистрации способна обслуживать до 90 ПЗС-детекторов (при использовании пяти основных плат).
• Возможность использования в условиях вакуума.
• Разрешение оцифрованного сигнала составляет 16 бит.
• Внутренняя память способна хранить до 1200 кадров (при условии работы до 9 ПЗС-детекторов на одной основной плате).
• Общее время анализа снижается за счет проведения предварительной математической обработки.
• Диапазон времени накопления 1 кадра от 4 мс до 60 с.
• Наличие режима прореживания позволяет регистрировать длительные процессы, которые требуют объема памяти, превышающего объем ОЗУ. Это достигается за счет регистрации кадров, кратных N (N=1 … 256). Таким образом, при минимальном времени накопления 4 мс, можно зарегистрировать процесс длительностью 20 мин.
• Питание осуществляется нестабилизированным источником питания с напряжением 9-18 В.
• Сильные источники электромагнитных помех (генераторы искровых, дуговых, СВЧ разрядов) не оказывают влияние на работу СР.

Источник