Спектрофотометр

 

ÄÄSUÄÄ 1055973 А

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

3u1) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОтНРЫтйй

i /

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 3433801/18-25 (22) 30.04.82 (46) 23.,11.83. Бюл. М 43 (72) Б.Ф. Кельбалиханов и В.A. Матюшенко (71) Институт океанологии им.ПеПиШиршова АН СССР (53) 535.853(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 175271, кл. G 01 Х 1/04, 19б0.

2. Кельбалиханов Б.Ф. и др. О стандартизации методов и аппаратуры в гидрооптических исследованиях.

"Океанология", 1978, т. XVIII 9 5, с. 933-938 (прототип ). (54 )(57 ) СПЕКТРОФОТОМЕТР, .содержащий герметичный контейнер с иллюминаторами, в котором размещены излучатель и последовательно по ходу излучения коллиматор, светоделительное устройство объектив, спектроанализирукищее устройство, приемник излучения, а также прерыватель пучков излучения, систему синхронизации и узел оптических трактов опорного и измерительного пучков излучения, расположенный в исследуемой среде, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повьыения точности спектрофотометрических измерений, узел оптических трактов опорного и измерительного пучков излучения выполнен в виде двух отражательных призм, прерыватель пучков излучения -. в вице двух вэаимнопараллельных непрозрачных дисков с пропускающими излучение отверстиями, светоделительное устройство — в виде сдвоенного кубика Люммера с общей зеркальной поверхностью, причем первая и вторая отражательные призмы расположены параллельно соответственно против первого и второго иллюминаторов с противоположных сторон гер-у д метичного контейнера, а взаимно параллельные диски прерывателя расположены параллельно иллюминаторам на общей оси нраяения, несересенащ- С щейся с оптической осью спектрофотометра, отверстия этих дисков распо- Я ложены так, что опорный и измерительный пучки излучения прерываются поочередно.

1055973

Изобретение относится к измери-- . тельной технике, в частности к in ь1t,n измерителям ослабления монохро» матического света поглощагщей средой, и может использоваться для исследования и контроля окружающей водной среды .

Известен спектрофотометр, выполненный по двухлучевой схеме сравнения световых пот<>ков, прошедших различные фиксированные оптические пути в исследуемой среде 1<.

Однако данный спектрофотометр характеризуется усложненной оптикомеханической конструкцией и погрешностью, обусловленной наличием большого числа отражающих оптических поверхностей, расположенных в исследуемой среде.

Кроме того, в указанном спектрофотометре исследуемая среда анализируется в расходящихся световых пучках, что вносит дополнительную методическую погрешность измерения.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является спектрофотометр, содержащий герметичный контейнер с иллюминаторами, в котором размещены излучатель и последовательно по ходу излучения коллиматор, светоделительное устройство, объектив, спектроаналиэирующее устройство, прерыватель пучков излучения, приемник излучения, систему синхронизации и узел оптических трактов опорного и измерительного пучков излучения (2 g.

Недостатком известного устройства является невысокая точность спектрофотометрических измерений из-за большого количества отражающих поверхностей оптических элементов, располо><енных в исследуе. мой среде.

Целью изобретения является повышение точности спектрофото летрических изглерений.

Эта цель достигается тем, что в спектрофотометре, содержаыем герметичный контейнер с иллюминаторами, в котором размещены излучатель и последовательно по ходу излучения коллиматор, светоделительное устрой ство, объектив, спектроаналиэирующее устройство, приемник излучения, а также прерыватель пучков излучения, систему синхронизации и узел оптических трактов опорного и измерительного пучков излучения, последний выполнен в виде двух отражатель ных призм, прерыватель световых пуч ков — в виде двух взаимно параллель ных непрозрачных дисков с пропускающими излучение отверстиями, светоделительное устройство — в виде сдвоен ного кубика Люммера с общей эеркаль» ной поверхностью, причем первая и вторая отражательные призмы расположены параллельно соответственно против первого и второго иллюминаторов с противоположных сторон

5 герметичного контейнера, и .взаимно параллельные диски расположены па раллельно иллюминаторам на общей оси вращения, непересекающейся с оптической осью спектрофотометра, от10 верстия этих дисков расположены так, что опорный и измерительный пучки излучения прерываются поочередно.

На чертеже изображена оптическая схема спектрофотометра-.

Спектрофотометр содержит гер летичный контейнер 1 с двумя иллю линаторами 2 и 3;в контейнере размецены излучатель 4, коллиматор 5, объектив 6, приемник 7 излучения, два частично пропускающие зеркала

8 и 9, два 100%-е зеркала 10 и 11, вращающийся обтюратор 12, спектроанализирующее устройство в виде зеркального монохроматора 13, и узел 14 оптических трактов опорного и измерительного пучков излучения, выполненный в виде двух отражательных призм 15 и 1б, расположенных в исследуемой среде параллельно, соответственно, против первого и вто30 рого иллюминаторов 2 и 3, с противоположных сторон герметичного контейнера 1. Вращающийся обтюратор 12 выполнен в виде двух взаимно параллельных дисков 17 и 18 с отверстиями

3ф 19, а спектроанализирующее устройство - в виде зеркального монохроматора 13 на вогнутой дифракционной решетке. Первый и второй взаимно параллельные диски 17и 18 расположены параллельно соответственно первому и второму иллюминаторам 2 и 3 на общей оси 20 вращения, непересекающийся с оптической осью 21, проходящей параллельно иллюминаторам

2 и 3 между первым и вторим дисками 17 и 18 ° На оптической оси 21 последовательно расположены излучатель 4, коллиматор 5, против иллюминаторов 2 и 3 - первое частич-. ное пропускающее зеркало 8, первое

100%-е зеркало 10, второе 100%-е зеркало 11 и второе частично пропускающее зеркало 9. Далее на оптической оси 21 расположены объектив б, зеркальный монохроматор 13 и прием55 ник 7 излучения. Вращающийся обтюра=: тор 12 раэяещен между коллиматором

5 и первым частично пропускающим зеркалом 8, с противоположных сторон которого расположены перекры,0 вающие друг друга отверстия 19 соответственно первого и второго дисков 17 и 18. Частично пропускающие зеркала .8 и 9 взаимно параллельны и расположены относительно оптической оси 21 под углом .45, 100%-е

10559"3 веркала 10, 11 — под углом 90, Первое 100%-е зеркало 10 расположено против первого частично пропускакщего зеркала 8 и обращено в сторону коллиматора 5, а второе 100%-е зеркало 11 расположено против второго частично пропускающего зеркала

9 и обращено в сторону объектива 6.

Вращающийся обтюратор 12 содержит две оптронные пары, излучатель 22 и приемник 23, каждый из которых . установлен с противоположных сторон первого и второго взаимно параллельных дисков 17 и 18 против тех из отверстий 19, которые синфазны с отверстиями 19, пропускающими соответственно опорный и измерительный пучки излучения. Зеркальный моно хроматор 13 содержит устройство 24 поворота и датчик 25 угла поворота дифракционной решетки, механически связанные друг с другом.

Предлагаемый спектрофотометр работает следующим образом.

Пучок света излучателя 4 соби. рается и коллимируется коллиматором

5- вдоль оптической оси 21. Далее коллимированный пучок света поступает на первое частично пропускающее зеркало 8, которое одну часть светового пучка отражает под углом ,90л к оптической оси 21, формируя

;измерительный пучок излучения, а .другую часть этого пучка пропускает вдоль оптической оси 21 на первое 100%-е зеркало 10, Первое 100%-е зеркало 10 отражает падающий на него пучок излучения и направляет его на противоположную сторону первого частично пропускающего зеркала 8, которое часть этого пучка отражает под „ . углом 90 к оптической оси 21, формируя опорный пучок, направленный

s противоположную сторону от изме-. рительного пучка.

При вращении обтюратора 12 опор- ный.и измерительный пучки последовательно во времени пропускаются через отверстия 19 соответственно первого и второго дисков 17 и 18, проходят соответственно BepBHA u второй иллюминаторы 2 и 3 и поступают в исследуемую среду, в которой пройдя первую половину оптических путей, ослабляются пропррционально их длинам. Затем опорный и измерительный пучки попадают на зеркальные поверхности .соответственно первой и второй отражательных призм

15 и -16, отражаясь от которых опятьпоступают в исследуемую среду, где, пройдя вторую половину оптических путей, дополнительно ослабляются, и, пройдя снова первый и второй иллюминаторы 2 и 3, попадают.,на второе частично пропускающее зеркало 9.

Одной своей стороной второе частично пропускающее зеркало 9 отражает под углом 90 часть опорного о пучка и направляет его вдоль оптической оси 21 через объектив б и

5 зеркальный монохроматор 12 на приемник 7 опорного и измерительного световых пучков.

Другой своей стороной второе частично пропускающее зеркало 9 отра-!

О жает под углом 90 часть измерительного пучка и направляет его вдоль оптической оси 21 на второе 100%-е зеркало 11, которое отражает эту часть пучка и направляет его через второе частично пропускающее зеркало 9, объектив б и зеркальный монохроматор 13 на приемник 7 опорного и измерительного светового пучков.

Одновременно с прохождением опорного и измерительного пучков в свои оптические тракты при вращении обтю ратора 12 свет от излучателей 22 через отверстия 19 в первом и втором дисках 17 и 18 поступает на приемники 23 соответственно первой и второй оптронных пар, которые формируют импульсы синхронизации, синфаэные с опорным и измерительным электрическими сигналами, снимаемыми с приЭ0 емника 7 опорного и измерительного пучков. В результате сравнения интенсивности опорного и измерительного пучков, прошедших различные фиксированные оптические пучки в ис35 следуемой среде, получают величину спектрального показателя ослабления излучения этой среды или ее спектральную прозрачность.

Зондирование исследуемой среды

40. осуществляют для фиксированной длины. волны видимого спектра, при этом по.лучают вертикальные профили показателя ослабления на заданном участке видимого спектра. Спектральный анализ показателя ослабления излучения исследуемой среды in -situ производят в заданном объеме, исслелуемой среды. Для этого осуществляют непрерывную развертку по спектру и получают спектральную зависимость показателя ослабления . в заданном

1 объеме исследуемой среды. По желанию исследователя дифракционную решетку зеркального глонохроматора . 13 можно установить с помощью поворотного устройства 24 на фиксированной длине волны или плавно .менять ис.следуемый участок спектра, получая информацию с датчика 25 об угле поворота дифракционной решетки, кото60 рый:,пропорционалендлине волны анализируе лого.участка спектра.

Рассмотрение устройства и принципа действия спектрофотометра позволяет сделать следущие .выводы:

„-этические тракты опорного и из лери1055923

Составитель В. Алекнович

Редактор П. Коссей Техред О,цеце Корректор Ю. Иакаренко

Заказ 9288/32 Тираж 823 Подписное

ВИИИНИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 тельного пучков излучения, находясь в исследуемой среде, полностью идентифицированы по своим оптическим элементам и определяют точность спектральных измерений показателя ослабления света, так как по точности идентификации оптических трактов определяется точность установки "нуля" спектрофотометра, и, следовательно, точность самих измерений

Кроме того, установка отражательных призм на равные расстояния от иллюминаторов позволяет градуировать спектрофотометр в абсолютных значениях измеряемой величины.

Известный спектрофотометр обладает такой воэможностью, но из-эа необходимости перестановки большого числа зеркал такая перестановка требует переюстировки спектрофотометра. В экспедиционных условиях такую операцию осуществить практи:чески невозможно. Поэтому идентификацию оптических трактов опорного и измерительного пучков излучения осуществляют перед погружением снектрофотометра в исследуемую среду в оптически пустой среде (на воздухе), добиваясь показания фотометра,близкого к нулю. Однако такая идентификация в оптически пустой среде неадекватна к идентификации оптических трактов в исследуемой среде из-за появления смачивающихся fIGBBpxHoc тей и появления,оптического клина между параллельными поверхностями

"сухого" спектрофотометра.

Следовательно, уменьшение числа оптических поверхностей, расположенных в исследуемой среде, повышает точность спектральных измерений и позволяет просто уравнивать оптические базы опорного и измери-. тельного трактов с целью получения абсолютной градуировки спектрофотометра непосредственно в исследуемой среде.

В предлагаемом спектрофотометре

° обеснечивается возможность уравнивавил оптических баз оптических трактов опорного и измерительного пучков излучения путем перестановки отражательных призм.

Выполнение вращающегося обтюратора в виде двух взаимно параллельных дисков с отверстиями, а узла оптических трактов опорного и измерительного пучков излучения - в ви1О де двух отражательных призм, вы несенных в исследуемую среду, и взаимное расположение оптических элементов и механических узлов приводит к упрощению спектрофото15 метра и уменьшению оптических поверхностей, расположенных в исследуемой среде, что позволяет повысить точность измерений.

Новое расположение иллюминаторов в герметичном контейрере и отражательных призм относительно них по сравнению с известным устройством . позволяет улучшить "промываемость" предлагаемого спектрофотометра при зондировании им исследуемой среды, так как при таком расположении иллюминаторов и призм исследуемая среда, проходящая через оптические тракты опорного и измерительного пучков излучения при движении в ней спектрофотометра, вентилируя свободнее, чем в известном устройстве, в котором происходит "захват" исследуемой среды предыдущего слоя.

35 Вследствие более свободной вен9 тиляции исследуемой среды при равных скоростях ее зондировании известным и предлагаемым спектрофотометром уменьшается инерционность

4Q последнего.

В предлагаемом спектрофотометре нри относительно простой его кон/ струкции по сравнению с известным устройством, достигается повышенная

45 точность спектральных измерений показателя ослабления, света исследуемой среды.