Исследование методов улучшения характеристик многоканальных спектрометров для атомно-эмиссионного анализа
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
?онной решёткой и схема со скрещенной дисперсией. Для регистрации двумерного спектра в схеме со скрещенной дисперсией необходимо использовать матрицу ТДИ. Недостаточный размер современных матриц не позволяет достичь требуемых характеристик АЭС спектрометра, построенного по схеме со скрещенной дисперсией. В схеме Пашена - Рунге регистрируется одномерный спектр и достаточно использовать линейный ТДИ. Именно поэтому для многоканального спектрометра с линейным ТДИ была выбрана схема Пашена - Рунге.
2.2 Диспергирующий элемент
Как можно было заметить выше, в качестве диспергирующего элемента в спектрометре возможно использование как призмы, так и дифракционной решётки [2,6,7]. Дифракционные решётки обладают рядом существенных преимуществ перед призмами. Прежде всего, область длин волн применения призмы ограничена материалом самой призмы, и в области вакуумного ультрафиолета призменные спектрометры уже не работают. Угловая дисперсия призмы, в отличии от дифракционной решётки, значительно изменяется с длиной волны. Учитывая требование создания спектрального прибора высокой дисперсии и высокой разрешающей способности, далее будем рассматривать только дифракционные решётки.
Существует два типа дифракционных решёток [6,7]: плоские и вогнутые. Для использования плоской решётки необходим коллиматорный и фокусирующий объектив. Вогнутая дифракционная решётка обладает свойствами как диспергирующего, так и фокусирующего элементов, поэтому при использовании её в спектральном приборе не нужен ни коллиматорный, ни фокусирующий объектив. Вогнутая решётка может быть единственной оптической деталью прибора, а это особенно ценно для работы в коротковолновой части ультрафиолетовой области спектра, где коэффициенты отражения металлических покрытий невелики, а прозрачных материалов нет, и кроме того, это даёт простоту самого прибора. Также исчезают искажения, вносимые неточностью изготовления объектива. Такие системы характеризуется минимумом рассеянного света и искажений спектра. Более того, в стеклянных объективах присутствуют хроматические аберрации, то есть зависимость фокусного расстояния от длины волны, отсутствующие для зеркал. По этим причинам, в данной работе рассматриваются именно вогнутые решётки.
Вогнутые решётки бывают без компенсации астигматизма и с компенсацией астигматизма. Как будет показано в следующей главе, существует несколько способов компенсации астигматизма. При ограниченных по высоте регистрирующих системах компенсация астигматизма позволяет увеличить светосилу спектральных линий без увеличения высоты входной щели и регистрирующей системы.
Вогнутые решётки по методу изготовления делятся на нарезные и голограммные [17]. Нарезные решётки режутся с помощью резца, а голограммные делаются с помощью экспозиции дифракционной картины на фоточувствительный слой подложки [17]. Профиль нарезной решётки - треугольный, а голограммной- синусоидальный. Именно поэтому нарезные решётки обладают большей светосилой, чем голограммные. Поэтому далее рассматриваются только нарезные решётки.
Каждая вогнутая дифракционная решётка имеет свой угол падения и свой передний отрезок. Это связано как с использованием в требуемой оптической схеме, так и с нарезкой на требуемый угол максимального блеска.
Лучшими отечественными спектральными приборами с нарезными вогнутыми дифракционными решётками считаются [3] МФС-8, его вакуумный аналог ДФС-51 и спектрометр с компенсацией астигматизма ДФС-458. Оптическая схема таких приборов - схема Пашена - Рунге . Также существуют зарубежные аналоги, такие как приборы Baird, Polivac и ARL, а также спектрометры фирмы Spectro.
Решётка прибора МФС-8 представляет собой классическую вогнутую дифракционную решётку с 1800 штр/мм. Это очень хорошая решётка, но она была разработана около 30 лет назад. Основным ее недостатком является большой астигматизм. Некоторые характеристики ВДР приведены в приложении 2.
Вакуумным аналогом прибора МФС-8 является прибор ДФС-51. Его решётка имеет 2400штр/мм. Кроме большого астигматизма, она имеет несколько меньшую интенсивность спектральных линий по сравнению с МФС-8.
Астигматизм скомпенсирован в вогнутой дифракционной решетке (1800 штр/мм) спектрографа ДФС-458. Поэтому этот спектрограф имеет хорошую светосилу, но он предназначен для работы с фотопластинками, для чего в него встроена полевая линза, выпрямляющая поверхность фокусировки спектра, которая ухудшает разрешение спектрографа, ограничивает спектральный диапазон и добавляет фон, а также угол блеска дифракционной решетки составляет 250 нм.
Создание многоканального спектрометра с ТДИ в качестве системы регистрации выдвигает следующие требования к вогнутой дифракционной решетке:
- Уменьшение астигматизма спектральной линии (так при высоте входной щели 2 мм высота спектральной линии составляет около 20 мм; для ТДИ высотой 1 мм это может привести к падению интенсивности линии на порядок).
- Смещение угла блеска в коротковолновую область спектра (220нм) (в связи с расширенной областью чувствительности ТДИ).
Угол падения для ВДР должен быть 26,5. Его выбор не случаен. Известно, что в области 187-350нм и 390-450 нм расположены аналитические линии практически всех элементов таблицы Менделеева, необходимые для АЭС анализа. Именно по этой причине была выбрана величина угла дифракции для дифракционных решёток - 26,5: дифракционная щель расположена в неинтересном для АЭС анализа спектральном диапазоне 350-390 нм. (+