Способ определения спектра электромагнитного излучения

 

Изобретение относится к области спектроскопии. Способ включает подачу указанного излучения на фотоэлемент с внешним фотоэффектом, регистрацию вольтамперной характеристики указанного фотоэлемента, в котором интенсивность излучения в интервале частот от v до v+v определяют как величину, прямо пропорциональную падению фототока при увеличении запирающего напряжения, приложенного к фотоэлементу, от U до U+U. Техническим результатом изобретения является получение спектра с высокой разрешающей способностью на компактном и несложном в конструктивном исполнении приборе. 2 ил.

Изобретение относится к спектроскопии и может быть использовано для исследования спектрального состава электромагнитных излучений по длинам волн (частот), нахождения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействующих с излучением, а также для спектрального анализа.

Известны методы регистрации спектров, основанные на пространственном разделении длин волн ()- спектрально-селективной фильтрации [Физическая энциклопедия. Т. 4 / под ред. Прохорова А.М. / М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. С. 611-515]. В спектральных приборах, реализующих данные методы, исследуемый поток со спектром f() посылается на спектрально-селективный фильтр, который выделяет из потока в окрестности каждой некоторые интервалы и может перестраиваться непрерывно или дискретно, осуществляя сканирование спектра во времени t по некоторому закону (t). Выделенные компоненты посылаются на приемник оптического излучения, запись сигналов с которого дает функцию времени F(t). Переход от аргумента t к аргументу позволяет получить функцию - F() наблюдаемый спектр.

Основой оптических схем спектральных приборов этой группы является диспергирующий элемент, обладающий угловой дисперсией /, что позволяет в фокальной плоскости изображение входной щели в излучении разных . Им может быть спектральная призма, дифракционная решетка, эшелетт, интерферометр Фабри-Перо. Если в фокальной плоскости прибор, имеющий в фокальной плоскости одну выходную щель, представляет собой монохроматор, то имеющий светочувствительный элемент - спектрограф. Указанные спектральные приборы обычно строятся на основе монохроматоров, в которых сканирование осуществляется поворотом дифракционных решеток.

Основными недостатками этих методов, ограничивающими разрешающую способность приборов на их основе, являются высокие требования к точности изготовления диспергирующего элемента [Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю. Н. / Техника и практика спектроскопии, М.: Наука, 1976, с. 162], оптической системы и механизма позиционирования диспергирующего элемента.

Известен спектрометр, в котором монохроматор представляет собой герметичную камеру, в которой неподвижно закреплено 4 эшелетта. Свет, входящий через входное окно, последовательно отражается от них, и монохромататизированный свет выходит из выходной щели. Камера соединена с пневматической системой, при помощи которой в ней с высокой точностью и стабильностью создается повышенное или пониженное давление газа. При изменении давления заполняющего камеру газа изменяется его показатель преломления и создается различное пространственное разделение лучей с разной длиной волны. Достигается разрешающая способность до 5105 [Rev. Sci. Instrum. 1990. Vol. 61. 10. Р. 2546-2548].

Известна группа методов, основанных на спектрально-селективной модуляции, при которой разделение длин волн осуществляется не в оптической, а в электрической части спектрального прибора. В этих методах исследуемый поток с спектром f() посылается на устройство, способное модулировать некоторой частотой 0 = const интервал длин волн в окрестности длины волны настройки, оставляя остальной поток немодулированным. Сканирование проводится так, чтобы различные последовательно модулировались частотой 0. Выделяя составляющую 0 в сигнале с приемника излучения с помощью фильтра, получают спектр F() [Физическая энциклопедия / под ред. Прохорова А.М. М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. С. 611-515].

Недостатками этой группы методов являются использование оптических схем, требующих тщательной юстировки, сложность математической обработки сигнала с приемника излучения и низкая скорость регистрации.

Известна группа методов определения спектров, основанных на наблюдении резонанса, возникающего при совпадении перестраиваемой частоты излучения сканирующего лазера с частотой квантовых переходов в исследуемой среде. Резонанс наблюдается самыми различными методами (двойной магнитооптический резонанс, оптоакустический, оптогальванический эффект и.т.д.), которые определяют многообразие типов лазерной спектроскопии, их применимость и конструкции спектрометров. Лазер с перестраиваемой частотой генерации является монохроматором с аппаратной функцией ~10 кГц. Точное измерение его длины волны - сложная техническая задача. Для этого применяется интерференционный или гетеродинный метод. В любом случае требуется высокостабильный эталонный лазер с точно известной длиной волны генерации. Методы лазерной спектроскопии позволяют снизить влияние доплеровского уширения и выделять переходы внутри уширенных полос. За счет этого достигается разрешающая способность до 1012. Недостатками методов является использование дорогостоящего, громоздкого, конструктивно сложного в исполнении оборудования [Летохов B. C. , Чеботаев В.П. / Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения. М.: Наука, 1990. С. 1-15].

Задачей изобретения является разработка способа определения спектра электромагнитного излучения с высокой разрешающей способностью без использования спектрально-селективной или спектрально-модуляционной фильтрации, лазеров с перестраиваемой частотой в качестве монохроматоров и резонансных способов детектирования на компактном и несложном в конструктивном исполнении приборе.

Предложен способ определения спектра электромагнитного излучения, заключающий в себе подачу указанного излучения на фотоэлемент с внешним фотоэффектом, регистрацию вольтамперной характеристики указанного фотоэлемента, в котором дифференциальную интенсивность излучения в интервале частот от v до v+v определяют как величину, прямо пропорциональную падению фототока при увеличении запирающего напряжения, приложенного к фотоэлементу от U до U+U, при этом v связана с U следующим соотношением: hv=Авых+Uе, (1) a U связана с v соотношением v/U = e/h, (2), где v - частота указанного электромагнитного излучения, Гц, U - запирающее напряжение, В, е - заряд электрона, Кл, h - постоянная Планка, Дж/Гц, Авых - работа выхода электрона из фотокатода, Дж, v - спектральное разрешение, Гц,
U - шаг изменения запирающего напряжения, В.

Согласно предлагаемому способу, излучение с определяемым спектром, без какого-либо предварительного спектрального изменения подается на фотоэлемент с внешним фотоэффектом. Увеличение запирающего напряжения приводит к уменьшению числа электронов, которые могут покинуть фотокатод в единицу времени (фототока) при постоянном спектре излучения, так как возрастает энергия электрического поля, удерживающего электроны в материале катода. При этом разность сил фототока (Iф) при текущем (U) следующем (U+U) значениях напряжения прямо пропорциональна интенсивности излучения в диапазоне частот от v до v+v-Ф(v, v+v). Эта величина отвечает разности интегральных интенсивностей излучения в диапазоне частот от vгp до v - Ф (vгp, v) и от vгp до v+v, - Ф(vгр, v+v) (фиг. 1), где vгp - частота, соответствующая по формуле (1) значению запирающего напряжения, при котором фотоэмиссия электронов из фотокатода практически невозможна, то есть сила фототока мала настолько, что недоступна для измерения, v - частота, соответствующая напряжению U, a v - диапазон частот, соответствующий шагу изменения напряжения U (фиг. 1).

Коэффициентом пропорциональности между падением фототока Iф при увеличении запирающего напряжения на U и интенсивностью излучения в соответствующем ему диапазоне частот Ф(v,v+v) является дифференциальная чувствительность фотоэлемента к излучению данной частоты S(v). To есть:

Хотя она не постоянна в рабочем спектральном диапазоне фотоэлемента, это не является препятствием для определения истинного спектра излучения при использовании предлагаемого метода. Если изучается спектр излучения испускания (эмиссионная или люминесцентная спектроскопия), то истинный спектр источника излучения определяется как отношение зарегистрированного прибором спектра к функции спектральной чувствительности фотоэлемента. Она вводится в расчет либо в аналитическом виде из справочных данных, либо определяется экспериментально для данного фотоэлемента по спектру эталонного источника излучения [Ишанин Г.Г. / Фотоприемники на внешнем фотоэффекте. Л.: 1981, 78 с. ]. При изучении спектров поглощения/пропускания изучаемых образцов (абсорбционная спектроскопия), истинный спектр определяется как отношение рабочего спектра к предварительно зарегистрированному контрольному (компенсационный метод), при этом знание абсолютной спектральной характеристики фотоэлемента не требуется.

Таким образом, по вольтамперной характеристике можно получить интегральный спектр излучения (фиг. 1), а по вычисляемой дифференциальной вольтамперной характеристике восстановить исследуемый спектр падающего на фотокатод излучения (фиг. 2). Из вышесказанного следует, что спектральное разрешение прибора (v), использующего данный метод, определяется шагом изменения запирающего напряжения U. Это дает основание утверждать, что при шаге изменения запирающего напряжения U, равном 1 мкВ, спектральное разрешение устройства, использующего указанный принцип, составляет 240 МГц или 0,008 см-1 или 0,00005 нм (при 220 нм), а разрешающая способность 4,4106.


Формула изобретения

Способ определения спектра электромагнитного излучения, заключающий в себе подачу указанного излучения на фотоэлемент с внешним фотоэффектом, регистрацию вольтамперной характеристики указанного фотоэлемента, в котором интенсивность излучения в интервале частот от v до v+v определяют как величину, прямо пропорциональную падению фототока при увеличении запирающего напряжения, приложенного к фотоэлементу, от U до U+U, при этом v связана с U следующим соотношением:
hv = Авых + Ue,
а U связано с v соотношением
v/U = e/h,
где v - частота указанного электромагнитного излучения, Гц;
U - запирающее напряжение, В;
е - заряд электрона, Кл;
h - постоянная Планка, Дж/Гц;
Авых - работа выхода электрона из фотокатода, Дж;
v - спектральное разрешение, Гц;
U - шаг изменения запирающего напряжения, В.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к оптическому приборостроению

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано в различных оптических приборах для селекции спектральных линий

Изобретение относится к спектральному приборостроению, в частности к устройствам высокого спектрального разрешения со скрещенной дисперсией Цель изобретения - расширение спектральной области и повышение разрешения

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению Целью изобретения является повышение точности измерений

Изобретение относится к астрономической оптике и предназначено для фотографирования Солнца в монохроматических лучах

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению, Целью изобретения является увеличение светосилы путем уменьшения потерь светового потока, обусловленных аберрациями

Изобретение относится к измерительной технике

Изобретение относится к спектрофотометрии

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано для автоматизированной регистрации спектров поглощения и люминесценции

Изобретение относится к области оптического приборостроения

Телескоп может быть использован в оптико-электронных космических телескопах для дистанционного зондирования Земли. Телескоп содержит объектив, установленные в фокальной плоскости оптико-электронные приемники изображения и спектрометр, содержащий входную щель, установленную в фокальной плоскости объектива, и фокусирующую диспергирующую систему. Спектрометр дополнен второй входной щелью, расположенной параллельно основной щели с высотами Т. Фокусирующая диспергирующая система выполнена в виде n мини-фокусирующих диспергирующих систем, установленных вдоль щелей в шахматном порядке с шагом, равным T 2 n . Каждая мини-фокусирующая диспергирующая система может содержать линзу-коллектив, установленный вблизи щели, и вогнутую дифракционную решетку. Объектив телескопа может быть выполнен из вогнутого главного зеркала, выпуклого вторичного зеркала и предфокального линзового корректора полевых аберраций. Технический результат - увеличение полосы захвата космического телескопа при малых размерах изображений пикселей ОЭПов на поверхности Земли и малых габаритах гиперспектральной аппаратуры. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 прил.

Изобретение относится к области прикладной оптики и спектрометрии и касается акустооптического монохроматора. Монохроматор содержит неколлинеарный акустооптический фильтр, отличающийся тем, что в качестве элемента для компенсации дисперсии использована выходная грань кристалла акустооптической ячейки фильтра. Угол наклона выходной грани кристалла по отношению ко входной грани выбирается таким образом, чтобы спектральный дрейф угла дифракции в ячейке максимально компенсировался спектральным дрейфом угла преломления продифрагировавшего пучка на наклонной выходной грани. Технический результат заключается в увеличении спектрального интервала компенсации дисперсионных искажений. 2 ил.
Изобретение относится к области прикладной оптики и касается двойного акустооптического монохроматора на одном кристалле. Монохроматор содержит первый поляризатор, акустооптическую ячейку, второй поляризатор и поворотную призму, установленную с возможностью возврата оптического луча во второй поляризатор. Входной луч последовательно проходит через часть первого поляризатора, часть акустооптической ячейки и часть второго поляризатора. Поворотная призма обеспечивает возврат луча в монохроматор таким образом, чтобы луч последовательно проходил через соседнюю часть второго поляризатора, акустооптической ячейки и первого поляризатора. При этом первый поляризатор выполняет функцию выходного поляризатора. Технический результат заключается в уменьшении энергопотребления, упрощении производства и наладки монохроматора.

Компонент спектрального разделения имеет две стороны – плоскую переднюю сторону, содержащую дихроичное покрытие, и заднюю сторону. Задняя сторона является выпуклой и формирует цилиндрическую поверхность, задаваемую образующей фиксированного направления, перемещающейся перпендикулярно по дуге круга, содержащей два конца. При этом плоскость проходит через эти два конца и параллельна образующей цилиндрической поверхности, формирующей двугранный угол с плоскостью передней стороны, образующая цилиндрической поверхности параллельна ребру двугранного угла. Технический результат заключается в подавлении паразитной засветки. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 16 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, прикладной оптике, спектрометрии, технике получения спектральных изображений (видеоспектрометрии). Устройство содержит неколлинеарный акустооптический (АО) фильтр, в котором в качестве элемента для выделения полезного дифрагировавшего светового пучка использована определенным образом ориентированная выходная грань кристалла акустооптической ячейки фильтра. Для компенсации дисперсии кристалла фильтра использована корректирующая призма из материала АО фильтра, установленная за выходной гранью кристалла АО фильтра по ходу дифрагировавшего светового пучка. Технический результат - увеличение коэффициента пропускания, упрощение и удешевление конструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Изобретение относится к измерительной технике, прикладной оптике, спектрометрии, технике получения спектральных изображений (видеоспектрометрии). Устройство содержит неколлинеарный акустооптический (АО) фильтр, в котором в качестве элемента для выделения полезного дифрагировавшего светового пучка использована определенным образом ориентированная выходная грань кристалла акустооптической ячейки фильтра. Для компенсации дисперсии кристалла фильтра использована корректирующая призма из материала АО фильтра, установленная за выходной гранью кристалла АО фильтра по ходу дифрагировавшего светового пучка. Технический результат - увеличение коэффициента пропускания, упрощение и удешевление конструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Наверх