Малогабаритный спектрометр с пзс-линейкой и люминесцентным модулем

Белгосуниверситет, кафедра лазерной физики и спектроскопии, г. Минск, 220080, пр. Независимости, 4. тел./факс 209-54-72; e-mail: voropay@bsu.by

НИИ ПФП им. А. Н. Севченко, г. Минск, 220064, ул. Курчатова 7. тел. 212-41-44.

БГПУ им. М. Танка, физический факультет, г. Минск. 220050, пр. Независимости, 18. тел. 200-74-21; e-mail: ska-bspu@tut.by

Спектроскопические методы анализа и контроля занимают особое положе­ние благодаря исключительно высокой чувствительности, избирательности, опе­ративности и экспрессности, удобству аппаратурной реализации и автомати­зации аналитической процедуры, широте областей практического приложения, вариабельности, низким эксплуатационным расходам, возможности организа­ции непрерывного и дистанционного мониторинга. Перечень возможных областей, где используются спектроскопические методы анализа, исключи­тельно широк. В качестве примера можно назвать обрабатывающую и химиче­скую промышленность, сельское хозяйство и переработку сельхозпродукции, геологию, экологию, медицину. В этих областях широко используются спектро­скопические методы анализа состава сырья и качества продукции, анализа характеристик почв, определения вредных примесей и добавок, определения концентраций важнейших метаболитов в норме и патологии, макро- и микроэле­ментов, тяжелых металлов в тканях и биологических жидкостях, обна­ружения токсических и наркотических веществ, анализа состава и качества фар­макологических препаратов.

Надо отметить, что для каждого круга проблем требуются спектральные приборы с определенными требованиями к их основным параметрам, светосиле, спектральному диапазону, разрешению и т. п. Есть, однако, достаточный круг задач, где в требованиях к аппаратуре основное внимание обращается на компактность, малую массу, простоту прибора и удобство его в эксплуатации. При этом для малогабаритных и компактных спектрометров более существенным является обеспечение широкого спектрального диапазона при средних параметрах дисперсии и временного разрешения. Ниже мы остановимся на разработке подобного спектрометра с системой регистрации на основе позиционно-чувствительного фотоприемника и оптоволоконным вводом излучения.

Спектрометр (рисунок 2.3 и 2.4) включает дифракционный спектрограф и фотоприемный модуль на базе ПЗС-линейки, размещенные в общем корпусе, обеспечивающем светоизоляцию оптической схемы.

Рисунок 2.3.- Общий вид спектрометра

Рисунок 2.4.- Схематический вид вид спектрометра со снятым корпусом (показан вариант с оптоволоконным вводом):

1 – волоконный ввод;2 – коллиматорный объектив; 3 – дифракционная решетка; 4 – камерный объектив; 5 – ПЗС-линейка; 6 – плата ПЗС-линейки; 7 – плата управления

Спектрометр управляется компьютером. Надежность прибора обеспечивается отсутствием движущихся частей. Возможно полевое использование (в комплекте с Note-book компьютером).

Оптические элементы спектрографа закреплены в трех держателях, смонтированных на плите из дюралюминия размером 130×95 мм. Общий держатель используется для входной щели и коллиматорного обектива. Второй общий держатель используется для камерного объектива и платы фотоприемника. Плата фотоприемника размещается на юстируемом фланце, сочленяемом с держателем камерного объектива и позволяющем осуществлять прецезионное вращение фланца относительно оси объектива. Последнее позволяет достигать в процессе юстировки спектрометра точного совмещения направления оси ПЗС-линейки с направлением развертки спектра, что важно при использовании источника излучения, изображение которого на входной щели имеет малую высоту (например, 1 мм и менее). Фокусировка изображения спектра на ПЗС-линейке достигается продольным перемещением камерного объектива путем его вращения в резьбовом держателе. Отдельный держатель использован для дифракционной решетки.

В качестве входной щели используются стандартные щели разработки ЛОМО с прямыми ножами высотой 15 мм и пределами раскрытия 0–4 мм (цена деления 10 мкм), либо с пределами раскрытия 0–0,4 мм (цена деления 1 мкм).

Коллиматорные и камерные объективы представляют собой исправленные рефрактивные объективы с фокусными расстояниями 52 мм (линзовая сборка объективов «Гелиос-103»).

В качестве дисперсионного элемента использована плоская дифракционная решетка 1200 штрихов/мм. Дифракционная решетка, закрепленная в держателе, устанавливается на базовой плите в фиксированном положении, обеспечивающем изображение на ПЗС-линейке всего желаемого спектрального диапазона, в результате в приборе отсутствуют движущиеся детали, что повышает надежность прибора в целом.

Фотоприемный модуль на базе ПЗС-линейки состоит из платы фотоприемника и платы управления. В качестве фотоприемника используется ПЗС-линейка Toshiba TCD1304AP, имеющая 3648 элементов с размерами элемента 200´8 мкм. Линейка имеет высокую чувствительность (160 В/лк×с), спектральный диапазон от 400 до 1100 нм, при этом в диапазоне 400 – 900 нм спектральная чувствительность не ниже 20 % от максимального значения. Линейка характеризуется высокой стабильностью темнового сигнала, позволяющей при вычитании темнового фона даже при временах набора в десятки секунд, приводящих к уровню темнового сигнала в 60–70 % от уровня насыщения линейки, иметь остаточный (после вычитания) шумовой разброс сигналов по элементам в пределах 0,1–0,15 % от уровня насыщения.

Работа модуля основана на регистрации линейным многоэлементным фотоприемником (ПЗС-линейкой) распределения светового поля, преобразовании его в цифровой массив и передачи в ПК для дальнейшей обработки и отображения с помощью специально разработанного программного обеспечения. Связь фотоприемного модуля с ПК осуществляется через шину USB.

Интерфейс пользователя (рисунок 2.5) выполнен с использованием стандартных компонент Windows, входящих в пакет Delphi. Доступ к программным модулям организован через главное диалоговое окно. Калибровка спектрометра по длинам волн осуществляется после введения реперных линий полиномом n-степени по методу наименьших квадратов, при закрытии окна основной программы текущая калибровка сохраняется в файле на жестком диске. Коэффициенты коррекции для исправления спектральной чувствительности считываются из файла при запуске программы. Вывод результатов спектральных измерений в графической форме на экран и на принтер организован с помощью графопостроителя TeeChart Pro 5 для Delphi. Для удобства определения положения точек в графической области реализован интерактивный механизм (Marker), связанный с указателем мыши. Текущее состояние оборудования в режиме реального времени выводится на экран.

Рисунок 2.5. -Главное диалоговое окно программы