Лазерно-искровой спектрометр
Полезная модель относится к аналитической химии, а именно к устройству для бесконтактного дистанционного исследования элементного состава твердых тел и жидкостей, в частности, для исследования элементного состава водной среды с фитопланктоном. Сущность устройства заключается в том, что оно содержит оптически связанные между собой управляемый лазер, систему подачи лазерного излучения, включающую поворотную фокусирующую линзу, вращающуюся подставку для исследуемого объекта, собирающую оптическую систему, монохроматор, систему регистрации и обработки данных, связанную с лазером и выполненную в виде последовательно соединенных электронно-оптического усилителя, ПЗС камеры, аналого-цифрового преобразователя и персонального компьютера, а вращающаяся подставка расположена перпендикулярно плоскости падения лазерного луча. Технический результат заключается в повышении чувствительности, точности и оперативности, расширении функциональных возможностей устройства за счет измерения эмиссионных спектров как жидкости, так твердого тела, а также уменьшение габаритов и веса устройства. Устройство позволяет с высокой точностью определять элементный состав как жидкостей, так и твердых тел, например, морской воды и находящегося в ней фитопланктона, что дает возможность проводить не только мониторинг качества морской воды, но и состояния фитопланктонного сообщества, определять влияние различных антропогенных и природных факторов на состояние морских экосистем.
Полезная модель относится к аналитической химии, а именно к устройству для бесконтактного дистанционного определения элементного состава твердых тел и жидкостей, в частности, для исследования элементного состава водной среды с фитопланктоном, посредством облучения исследуемого вещества лазерным импульсом, и может быть использована в области экологии, лимнологии и океанологии.
Известно устройство для осуществления спектрального анализа элементного состава веществ, например, морской воды, включающее лазер с системой плавной перестройки волны, оптически связанный через систему фокусировки с анализируемым веществом, и посредством приемной системы связанный со спектроанализатором, генератор импульсов, соединенный с блоком питания лазера и со стробирующим генератором, который связан со спектроанализатором, исключенным к ЭВМ, где происходит обработка спектров, (п. РФ №2007703, опубл. 1994.02.15). Однако система регистрации спектров излучения имеет недостаточное временное разрешение, что делает невозможным регистрацию эмиссионных линий, максимальный контраст которых наблюдается на временном интервале до 100 нс. Кроме того, данное устройство является громоздким и сложным в эксплуатации.
Наиболее близким к заявляемому является лазерно-искровой спектрометр, применяющийся для количественного определения примесных веществ, выделенных из жидкостей (п. США №4561777, опубл. 1985 г). Данное устройство состоит из лазера с регулируемым интервалом между лазерными импульсами (далее управляемый лазер), системы подачи лазерного излучения на объект, подставки для исследуемого объекта, выполненной с возможностью вращения и расположенной под углом 45 к плоскости падающего лазерного луча, собирающей оптической системы, монохроматора, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и системы регистрации, представляющей собой электронное устройство, установленное над лазером. Выполнение подставки для исследуемого объекта вращающейся позволяет проводить спектральные исследования различных участков объекта. Скорость вращения подставки задается электронным устройством, входящим в систему регистрации, и согласуется с частотой лазерных импульсов. Выбор угла 45° между плоскостью падающего лазерного луча и плоскостью подставки для исследуемого объекта обусловлен требованиями компактности известного устройства.
Однако известный спектрометр имеет недостаточное пространственное и временное разрешение при измерении спектров излучения лазерной плазмы, отсутствует возможность обработки спектров, а установка подставки для исследуемого объекта под углом 45° к плоскости падения лазерного луча не позволяет исследовать элементный состав жидкостей из-за возникновения оптического пробоя на краях кюветы с жидкостью, размещающейся на вращающейся подставке, что приводит к значительному уменьшению чувствительности и точности измерений.
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение чувствительности и точности спектрометра, оперативности измерений, расширение функциональных возможностей спектрометра за счет измерения эмиссионных спектров как жидкости, так и твердого тела, а также уменьшение габаритов и веса устройства.
Поставленная задача решается лазерно-искровым спектрометром, содержащим оптически связанные между собой управляемый источник лазерного излучения, систему подачи лазерного излучения на объект, включающую фокусирующую линзу, подставку для исследуемого объекта, выполненную с возможностью вращения, собирающую оптическую систему, монохроматор, систему регистрации, и дополнительно систему обработки данных, соединенную с системой регистрации и источником лазерного излучения, при этом система регистрации и обработки данных представляет собой последовательно связанные персональный компьютер, электронно-оптический усилитель, ПЗС камеру и аналого-цифровой преобразователь, система подачи лазерного излучения дополнительно снабжена поворотной призмой, а подставка для исследуемого объекта расположена перпендикулярно плоскости падения лазерного луча.
На фиг. приведена блок-схема заявляемого спектрометра, где 1 - источник лазерного излучения, 2 - поворотная призма, 3 - фокусирующая линза, 4 - вращающаяся подставка для размещения исследуемого объекта, 5 - собирающая оптическая система, 6 - монохроматор, 7 - система регистрации и обработки данных, в которой, 8 - электронно-оптический усилитель (ЭОП), 9 - ПЗС-камера, 10 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 11 - персональный компьютер.
Устройство работает следующим образом: излучение генерируется лазером 1, и, пройдя через поворотную призму 2, фокусируется линзой 3 перпендикулярно поверхности подставки 4 с размещенным на ней объектом и возбуждает на его поверхности лазерную плазму. Излучение плазмы пробоя направляется собирающей
оптической системой 5 на входную щель монохроматора 6 и затем направляется в систему регистрации и обработки данных 7, включающую ЭОП 8, ПЗС камеру 9, АЦП 10 и персональный компьютер 11, где происходит обработка данных. Компьютер 11 осуществляет также управление источником лазерного излучения, регулируя интервал между лазерными импульсами.
Вращение подставки задается, например, с помощью шагового двигателя, расположенного в подставке. Для увеличения точности и оперативности измерений время одного оборота подставки вокруг своей оси выбирается не кратным периоду следования лазерных импульсов.
В качестве лазера используют стандартные лазерные источники, например, промышленный лазер Brilliant В (Франция). В качестве монохроматора используют, например, монохроматор SPECTRA-PRO фирмы Acton Research Corporation (США). В качестве регистрирующей системы используют стандартный модуль, например, модуль DiCAM-PRO фирмы РСО CCD IMAGING (Германия), включающий оптический усилитель яркости, ПЗС-камеру и 12-разрядный АЦП.
Установлено, что расположение вращающейся подставки перпендикулярно плоскости падающего лазерного луча позволяет получить более точные результаты измерений. Известно, что при фокусировке лазерного излучения на поверхность твердого тела в нормальной атмосфере под углами отличными от 90 градусов, наблюдаются два вида плазменных факелов: эрозионный факел, направленный по нормали к поверхности твердого тела и плазма пробоя воздуха, направленная навстречу лазерному излучению [Л.Т.Сухов. Лазерный спектральный анализ. - Новосибирск: Наука, 1990. с.143]. Из области эрозионного факела в основном регистрируется излучение ионов и атомов твердого тела, из области пробоя воздуха преимущественно регистрируется излучение атомов и ионов воздуха. Таким образом, в известном устройстве (прототипе) область максимального контраста линий вещества объекта ограничена, с одной стороны, горячей зоной лазерного факела, где максимально излучение сплошного спектра, а с другой стороны, областью, где максимально излучение линий пробоя воздуха, что приводит к уменьшению доли излучения спектральных линий вещества исследуемого объекта, попадающего на входную щель монохроматора, и в конечном итоге к уменьшению точности результатов.
Использование в системе регистрации и управления заявляемого спектрометра ПЗС-камеры позволяет проводить: пространственную селекцию излучения, а
использование стробируемого ЭОП позволяет выбирать временной интервал с максимальным контрастом эмиссионных линий. Увеличение пространственного и временного разрешения заявляемого устройства приводит к увеличению его чувствительности по обнаружению элементов и повышению точности измерений. Использование 12 битного АЦП и персонального компьютера позволяет проводить все необходимые операции над спектрами (сложение, вычитание, усреднение и т.д.). Кроме того, использование в системе регистрации и управления современных устройств: монохроматора, ЭОПа и ПЗС камеры, значительно снижает габариты и вес устройства, уменьшает время обработки спектров и позволяет одновременно определять концентрацию широкого спектра элементов.
Конструкция заявляемого устройства позволяет использовать его для определения элементного состава как жидкостей, так и твердых тел. Так, например, анализ морской воды, содержащей фитопланктон, осуществляют следующим образом. Предварительно разделяют фитопланктон и среду его обитания, в частности морскую воду, путем фильтрования с использованием стандартных фильтров, например, Glass Microfiber (GF/A) фирмы WHATMAN (Великобритания). Затем раздельно анализируют выделенный фитопланктон, размещая на подставке фильтр с фитопланктоном, или кювету с полученным фильтратом морской воды.
Таким образом, возможность анализа не только жидкостей, но и твердых тел позволяет использовать заявляемый спектрометр, в частности, для мониторинга качества морской воды, состояния фитопланктонного сообщества, определять влияние различных антропогенных и природных факторов на состояние морских экосистем.
Лазерно-искровой спектрометр, содержащий оптически связанные между собой управляемый источник лазерного излучения, систему подачи лазерного излучения на объект, включающую фокусирующую линзу, подставку для исследуемого объекта, выполненную с возможностью вращения, собирающую оптическую систему, монохроматор и систему регистрации, отличающийся тем, что спектрометр дополнительно содержит систему обработки данных, соединенную с системой регистрации и источником лазерного излучения, при этом система регистрации и обработки данных выполнена в виде последовательно связанных электронно-оптического усилителя, ПЗС камеры, аналого-цифрового преобразователя и персонального компьютера, система подачи лазерного излучения дополнительно снабжена поворотной призмой, а подставка для исследуемого объекта расположена перпендикулярно плоскости падения лазерного луча.
