 | Регистрация спектров. Выбор системы регистрации.
Под регистрацией спектров понимают определение зависимости энергии излучения от длины волны с помощью системы регистрации. Система регистрации обычно включает фотоэлектрический приёмник излучения, преобразующий энергию электромагнитного излучения в электрический сигнал, аппаратные и программные средства для обработки и визуализации этого сигнала. Построенный график зависимости энергии выходного излучения от длины волны обычно и называют спектром.
В зависимости от типа используемого приёмника излучения различают следующие типы систем регистрации: интегральные и с построением изображения.
- Интегральные системы регистрации — используют детекторы, преобразующие в электрический сигнал весь поток излучения (интегральный световой поток), без определения распределения энергии по длинам волн. К таким детекторам относятся фотоэлектронные умножители (ФЭУ), фотодиоды и другие аналогичные детекторы.
- Системы с построением изображения — используют линейные или матричные многоэлементные фотоприёмники. Применяются, когда кроме измерения количества энергии излучения производится и определение распределения энергии по длинам волн.
Регистрация спектров с помощью интегральных систем регистрации
При интегральной регистрации приёмник излучения устанавливается непосредственно за выходной щелью спектрального прибора. Ширина выходной щели определяет спектральную полосу прошедшего излучения (произведение ширины щели на обратную линейную дисперсию монохроматора). Спектр получают по точкам путём последовательной перестройки монохроматора по длинам волн (сканирования) с заданным шагом и одновременной регистрацией сигнала в каждой точке.
Для корректного графика спектра процесс сканирования и регистрации должен быть синхронизирован. Возможны временная и пошаговая синхронизация; системы с временной синхронизацией («нм/сек», самописец) неудобны на практике.
В сканирующих монохроматорах производства «СОЛАР ТИИ» применён более удобный пошаговый принцип синхронизации:
- Одна из составных частей системы регистрации — встраиваемая внутрь прибора плата АЦП (16-разрядный аналого-цифровой преобразователь), предлагаемая как опция.
- Плата принимает сигналы с фотоприёмников (фотодиод, ФЭУ и т. п.) и обрабатывает их; управление и прибором, и платой АЦП ведётся от компьютера по одному интерфейсу RS-232.
- На базе спектрального прибора с платой АЦП строится спектрально-измерительный комплекс под управлением специализированной программы «PSI-Line».
Алгоритм съёмки по точкам: задаётся спектральный диапазон сканирования, шаг сканирования и время измерения (усреднения) сигнала в каждой точке. Монохроматор перестраивается на очередную длину волны, останавливается, производится измерение, затем переход к следующей точке и так далее по всему диапазону. Визуализация спектра идёт одновременно со сканированием.
- В каждой точке АЦП делает несколько отсчётов с усреднением. Период между отсчётами — около 82 мксек.
- Минимальное время измерения — 1 мсек (даже при нём выполняется 12 отсчётов АЦП), максимальное — 5000 мсек.
- Чем больше время усреднения, тем выше точность измерения; абсолютная величина сигнала при этом не меняется.
- Минимальный шаг сканирования равен единичному шагу перестройки по длинам волн и зависит от решётки. Например, для монохроматора/спектрографа MS3501 с решёткой 1200 штр/мм он равен 0,01 нм.
- Сканирующие монохроматоры «СОЛАР ТИИ» имеют два выходных порта; плата АЦП имеет два входа. Переключение портов выполняет автоматизированное выходное зеркало; активным может быть только один детектор в каждый момент.
Приёмники излучения интегральных систем
ФЭУ — фотоприёмник с внешним фотоэффектом, вакуумный элемент с внутренним усилением фототока за счёт вторичной эмиссии (фотокатод и диноды). Коэффициент усиления определяется количеством динодов. Для работы со сканирующими монохроматорами предлагается ФЭУ модели PMT R928 (тип R928, Hamamatsu) на спектральный диапазон 185–900 нм; детектор устанавливается непосредственно на выходную щель приборов «СОЛАР ТИИ».
Фотодиод — фотоэлектрический приёмник с внутренним фотоэффектом (эффект фотопроводимости). Существует множество разновидностей в зависимости от материала полупроводника:
- Кремниевые (Si), германиевые (Ge) и InGaAs фотодиоды — диапазон 0,2–2,3 мкм.
- InAs, InSb фотодиоды или фотосопротивления PbS, PbSe, HgCdTe — диапазон 1,5–5,5 мкм.
- Пироэлектрические детекторы и термопары — дальняя ИК-область 2–40 мкм.
Сравнение ФЭУ и фотодиодов:
- ФЭУ имеет чувствительность на несколько порядков выше, но требует высокого питающего напряжения (до 2500 В).
- Фотодиоды требуют низкого напряжения (компактные детекторы) и имеют широкий рабочий спектральный диапазон, но меньшую чувствительность.
- Спектральный диапазон ФЭУ обычно ограничен УФ и видимой областью (200–650 нм), иногда до 900 нм; ФЭУ для ИК-области (до 1,3 мкм) дороги и малочувствительны.
- ФЭУ отличаются быстродействием и малой выходной ёмкостью — пригодны для регистрации быстропротекающих процессов.
При интегральной регистрации важно, чтобы всё излучение из выходной щели попадало на приёмную площадку. Детекторы с большой площадкой (ФЭУ PMT R928 или фотодиод 10×10 мм) устанавливают прямо на щель; для площадок менее 5 мм нужен узел сопряжения с тороидальным зеркалом, переносящий изображение щели на фоточувствительную поверхность. При необходимости компания рассчитывает и изготавливает узел сопряжения под детекторы заказчика.
Регистрация спектров с помощью систем регистрации с построением изображения
При регистрации с построением изображения приёмник устанавливается в фокальной плоскости прибора. Выходная щель не используется, а решётка устанавливается так, чтобы в фокальной плоскости формировался заданный спектральный интервал. Применяются линейные или матричные многоэлементные фотоприёмники.
- Линейный фотоприёмник состоит из большого количества (до нескольких тысяч) фоточувствительных элементов («пикселей»), сориентированных в линию. Каждый пиксель регистрирует энергию спектральной полосы, ширина которой определяется линейной шириной пикселя и дисперсией прибора; регистрация со всех элементов идёт одновременно. Спектрограф с линейным детектором называется спектрографом, а со встроенной системой регистрации — спектрометром.
- Пример расчёта: для MS3501 с решёткой 1200 штр/мм средняя обратная линейная дисперсия 2,37 нм/мм; для детектора HS102H с шириной пикселя 14 мкм полоса на пиксель 2,37 × 0,014 = 0,033 нм, а на 2048 пикселей — около 68 нм. С решёткой 150 штр/мм (≈17 нм/мм) одновременно регистрируемый диапазон составит около 487 нм.
- Для регистрации всего спектра его снимают по частям, поворачивая решётку с определённым шагом; удобны спектрографы с четырёхпозиционной автоматизированной турелью на 4 решётки со сменой по команде с компьютера.
- При заказе спектрографа с линейным детектором последний поставляется калиброванным по длинам волн; управление ведётся программой «PSI-Line».
- Линейные детекторы широко применяются в малогабаритных спектрографах с фиксированным положением решётки (без движущихся частей). Предлагаются малогабаритные спектрометры серий SL40-2 и S150-2.
Матричные фотоприёмники имеют фоточувствительные элементы в виде поля (матрицы) из множества строк; могут применяться и как линейные (аппаратное суммирование строк). Наиболее широко используются в многоканальной спектроскопии (Multi-track Spectroscopy) со спектрографом изображения (Imaging Spectrograph), позволяя одновременно регистрировать спектры от нескольких пространственно разнесённых источников. Управление матричным детектором ведётся специализированной программой «ProDIA».
Критерии выбора системы регистрации
При выборе системы регистрации учитывают спектральный диапазон работы детектора и скорость регистрации спектров.
- Скорость (время) регистрации. Системы с построением изображения, регистрирующие весь интервал одновременно, обычно быстрее интегральных, снимающих спектр по точкам. При слабых потоках для систем с построением изображения нужно увеличивать экспозицию; при использовании высокочувствительного ФЭУ скорости могут быть сопоставимы, особенно в узком интервале длин волн. Для быстропротекающих процессов (например, излучения импульсных лазеров) системы с построением изображения имеют неоспоримое преимущество.
- Спектральный диапазон. Определяется в основном областью спектральной чувствительности приёмника. Кремниевые линейные и матричные детекторы — 200–1100 нм (наиболее распространены ввиду дешевизны); линейные детекторы для ближней ИК — 900–~2500 нм (дорогие); для других диапазонов — либо очень дорогие, либо не выпускаются. Интегральные детекторы имеют гораздо более широкую область чувствительности — от 190 нм до 40 мкм.
Подробную информацию о всех системах регистрации, предлагаемых СП «СОЛАР ТИИ», можно найти на сайте; специалисты компании помогут выбрать систему регистрации, наилучшим образом подходящую для конкретных задач. |
