Исследование методов улучшения характеристик многоканальных спектрометров для атомно-эмиссионного анализа
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
молекулярные линии для источника спектра на воздухе), а слева и справа от щели находятся интересные для АЭС анализа спектральные промежутки-187-350нм и 390-450 нм.
ВДР должна иметь большое разрешение: не менее 2400 штр/мм
Ни одна известная вогнутая дифракционная решётка не удовлетворяет этим требованиям.
2.3 Многоэлементные твёрдотельные детекторы излучения
Рассмотрим ТДИ применяемые в спектрометрах для АЭС [1]. В АЭС используются как спектрометры с одномерной дисперсией, так и спектрометры со скрещенной дисперсией с двумерной дисперсией. Соответственно спектры представляют собой одномерное или двумерное распределение света, для регистрации которого нужны одномерные (линейки) или двумерные (матрицы) ТДИ.
Начнем с рассмотрения матричных ТДИ [3]. Сегментный ПЗС прибора OPTIMA (Perкin Elmer) имеет 224 сегмента (рис.2.9), установленных так, что регистрируется 3-4 аналитических линий 72 элементов в диапазоне от 167 нм (132 порядок прибора со скрещенной дисперсией) до 780 нм (28 порядок). Дискретное расположение сегментов позволило избавиться от блюминга (перетекание излишка заряда в соседние ячейки) между сегментами, однако внутри сегментов проблема блюминга осталась. Регистрация неполного спектра (всего около 3%) ограничивает выбор аналитических линий.
Матрица ПЗИ прибора IRIS (Thermo Jarrel Ash) позволяет получать полную картину спектра (рис.2.9). Она имеет возможность считывания сигнала без сброса заряда ячейки (неразрушающее считывание), что позволяет контролировать накопление сигнала для расширения динамического диапазона. Матрица ПЗИ содержит 512х512 ячеек размером 28х28 мкм. Квантовая эффективность матрицы падает к 400 нм. В связи с этим поверхность ячеек покрыта люминофором (Lumogen), что повышает квантовый выход в УФ (до 20% на 200 нм).
Диагональная матрица ПЗС прибора VistaVarian (Varian) представляет из себя набор линеек ПЗС, расположенных наклонно (в соответствии с картиной спектра) на одном кристалле (рис.2.9). Количество фотоячеек 70.000. В детекторе удалось избавиться от блюминга.
Широкое внедрение матриц ТДИ в АЭС затруднено их малыми размерами. Что еще усугубляется большой нелинейностью дисперсии призмы, применяемой в спектрометрах со скрещенной дисперсией. Поэтому сейчас более перспективно использование в АЭС сборок из нескольких линейных ТДИ. Технически изготовление многолинейчатой сборки ТДИ сложней изготовления одиночной матрицы, но при этом не требуется изготавливать специальные спектрометры со скрещенной дисперсией с целью уменьшения спектра до размеров матрицы 10x10 (20x20) мм. Такое уменьшение АЭС спектра в спектрометрах со скрещенной дисперсией приводит к ряду неприятностей ухудшающих параметры спектра, например, требует уменьшения высоты входной щели до ~0,1 мм, что более чем в 10 раз меньше обычной высоты входной щели и соответственно на порядок уменьшает чувствительность спектрометра. Ряд фирм предлагают приборы выполненные на основе многолинейчатых сборок. Это фирма Spectro - спектрометр Ciros, КОМЗ - спектрометры ДФС-458 и ДФС-461, фирмы ИСАН, Спектральная лаборатория и Славна. Все перечисленные фирмы в своих многолинейчатых сборках используют ПЗС линейки фирм Sony или Toshiba.
Принципы конструкции многолинейчатых сборок всех перечисленных фирм одинаковы и определяются применением корпусированных ПЗС линеек с длиной корпуса ~ в 1,5 раза большем длины фотоприемной области. Каждая линейка крепится и юстируется отдельно, а для уменьшения мертвых зон в спектре используется разводка света зеркалами. Вынужденная сложность конструкции чаще всего проявляется при изменении температуры и приводит к дрейфу спектра индивидуальному для каждой линейки. Причем в области стыка (около 0,5 мм) дрейф линии приводит к изменению интенсивности линии за счет перекрытия части пучка краем зеркала.
Главными недостатками ПЗС линеек фирмы Sony (рис.2.10 сверху) являются малый динамический диапазон 3 порядка и отсутствие УФ чувствительности. УФ чувствительность на данных ПЗС линейках получается путем нанесения люминофора.
Основным их достоинством является дешевизна, т.к. они выпускаются в большом количестве для считывания штрих кодов в супермаркетах.
Специально для АЭС предприятием ВМК-Оптоэлектроника была разработана и производится фотодиодная линейка (рис.2.10 снизу). Она имеет специальные конструктивные особенности для обеспечения создания микросборок из нескольких линеек фотодиодов. Это безкорпусное исполнение фотодиодных линеек в виде кремниевого кристалла с минимальными расстояниями (<0,5 мм) от краев кристалла до фоточувствительной зоны и односторонние выводы контактов, в том числе с помощью гибких полиамидных шлейфов. Подобное конструктивное исполнение фотодиодных линеек позволяет создавать монолитные микросборки из нескольких линеек фотодиодов для модернизации всех типов спектрографов и спектрометров. Данные линейки имеют динамический диапазон 4 порядка и имеют чувствительность в УФ области начиная со 115нм. Общий вид фотодиодной линейки приведён на рис.2.11. Шаг ячеек составляет 12,5 мкм, высота ячеек 1 мм, количество ячеек 2560.
В зависимости от типа используемого прибора линейки могут устанавливаться на прямой, на круге Роуланда и могут быть многострочными для приборов со скрещенной дисперсией.
На основе микросборок фотодиодных линеек производятся анализаторы МАЭС, предназначенные для измерения интенсивностей спектральных линий и последующего вычисления концентраций определяемых элементов. Ст