Багатофункціональний абсорбційний спектрометр

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению, в частности, к устройствам высокого временного, пространственного и спектрального разрешения. Известны спектрометрические устройства, содержащие интерферометр Фабри-Перо, спектральный прибор с фокусирующей системой, приемник изображения и блок формирования просвечивающего излучения за исследуемым объектом, например плазмой [1]. Регистрация контуров спектральных линий с просвечиванием и без просвечивания осуществляется поочередно, раздельно во времени. Недостаток этого технического решения состоит в его ограниченной применимости, а именно только для исследования стационарных процессов. Другим принципиальным его недостатком является одноканальный режим, т.е. невозможность одновременного измерения излучательных и поглощательных характеристик исследуемого объекта. Известны скоростные спектрометры со скрещенной дисперсией, содержащие интерферометр ФабриПеро, объектив, спектральный прибор предварительной монохроматизации и диссектор. При этом оптическая система является бифокальной, имея различные фокусные расстояния во взаимно перпендикулярных продольных сечениях, причем выходная щель спектрального прибора совмещена, как обычно, с первой фокальной плоскостью, а фотокатод диссектора - со второй (прототип) [2]. Указанные приборы имеют относительно небольшие габариты, значительные светосилу, спектральное и временное разрешения. Однако они пригодны для измерения только излучательных характеристик различных объектов. В основу изобретения поставлена задача создания такого многофункционального абсорбционного спектрометра, в котором, благодаря разделению лучей, излучаемых собственно плазмой, и суммарного излучения плазмы и просвечивающего излучения, а также введению второго канала регистрации излучения можно осуществлять одновременную регистрацию излучательных и поглощательных характеристик плазмы, т.е. существенно улучшить временное разрешение устройства при сохранении его спектрального разрешения, определяемого интерферометром Фабри-Перо. Поставленная задача решается тем, что в спектрометр, содержащий спектральный прибор с фокусирующей системой бифокального типа и приемник изображения, введены второй приемник изображения и блок формирования просвечивающего излучения с апертурний диафрагмой. Согласно изобретению приемники изображения удалены от плоскости выходной щели спектрального прибора на величину разности фокусных расстояний, причем один из них оптически сопряжен с исследуемым объектом, а другой - с исследуемым объектом и одновременно с блоком формирования просвечивающего излучения через действующее отверстие диафрагмы. Оптимальное выполнение последней - в форме полукруга, ограничивающая хорда которого оптически сопряжена с выходной щелью спектрального прибора. Апертурная диафрагма может также дополнительно содержать нейтральный светофильтр, размещаемый симметрично по отношению к ее действующему отверстию. На фиг.1 схематично представлен ход лучей в предлагаемом многофункциональном абсорбционном спектрометре в варианте, когда просвечивание осуществляют отраженным излучением самого объекта исследований, в плоскости поперек выходной щели спектрального прибора, а на фиг.2 - в плоскости вдоль нее. Фиг.3 представляет возможные варианты конструкций одного из элементов спектрометра - апертурной диафрагмы. Устройство содержит блок формирования просвечивающего излучения 1 (в его качестве может использоваться отдельный источник излучения с осветительной системой либо, как показано на фигурах, вогнутое зеркало, отражающее собственное излучение исследуемого объекта), апертурную диафрагму 2, фокусирующую систему, в которую могут входить сферические 3 и 4 и цилиндрическая 5 линзы, между ними может быть введен интерферометр Фабри-Перо 6, спектральный прибор 7 (оптическая схема которого условно представлена одной линзой) с выходной щелью 8 и приемники излучения 9; показан также в качестве исследуемого объекта плазменный источник излучения цилиндрической формы 10. Многофункциональный абсорбционный спектрометр работает следующим образом. Излучение исследуемого объекта 10 через фокусирующую систему 3-5 попадает в спектральный прибор 7. Здесь происходит его разделение по спектральным составляющим, фокусируемым в первой фокальной плоскости спектрального прибора 7, часть которых проходит через его выходную щель 8, как показано на фиг.1. Однако в плоскости, перпендикулярной направлению дисперсии спектрального прибора 7, фокусирование исследуемого излучения происходит дальше - на величину разности фокусных расстояний DF (фиг.2). Это обусловлено бифокальными свойствами фокусирующей системы 3-5 и оптической системы спектрального прибора 7, т.е. различием их фокусных расстояний во взаимно перпендикулярных продольных сечениях. Такое свойство обеспечивается астигматизмом спектрального прибора; оно может быть усилено введением цилиндрической линзы 5 в состав фокусирующей системы, как показано на фиг.1 и 2. Именно во второй фокальной плоскости размещены приемники излучения 9. Таким образом, точечный источник излучения на выходе предлагаемого устройства имел бы вид двух черточек: вертикальной - в плоскости выходной щели и горизонтальной - в плоскости приемников излучения 9. Существенно, что продольное распределение излучения вдоль черточек на выходе устройства соответствуе т его угловому распределению из исследуемого объекта. Применение апертурной диафрагмы 2, содержащей действующее отверстие в форме полукруга, ограничивающая хорда которого оптически сопряжена с выходной щелью спектрального прибора (см. фиг.3, а), позволяет разделить телесные углы, в которых распространяется исследуемое излучение источника 10, на две части (фиг.1). В одной из них распространяется только излучение источника 10, а в другой - такое же излучение и, дополнительно, его часть, прошедшая через диафрагму 2. отраженная сферическим зеркалом 1 и испытывающая на обратном пути дополнительное поглощение в плазме источника 10. Сечение той части телесного угла, в которой дополнительно распространяется отраженное излучение, представлено в плоскости фиг.1 штриховкой. Как отмечалось выше, благодаря применению спектрального прибора 7 с фокусирующей системой 3-5, обладающих различными фокусными расстояниями в продольных взаимно перпендикулярных сечениях, оптическая схема устройства обеспечивает преобразование углового распределения излучения в двух частя х телесного угла в пространственное. Так как один из приемников излучения оптически сопряжен только с источником излучения 10, а второй - с этим же источником и одновременно с блоком формирования просвечивающего излучения 1, то в результате реализуется, фактически, двухлучевая схема абсорбционного спектрометра. Одновременно в продольной плоскости, проходящей вдоль высоты выходной щели 8, как показано на фиг.2, изображение источника излучения 10 резко отображается в плоскости приемников излучения 9. Это обеспечивает возможность регистрации радиального профиля излучения каким-либо сканирующим приемником излучения, например диссектором. В результате последующего применения вычислительных методов томографии можно перейти от наблюдаемых - интегральных вдоль соответствующих хорд интенсивностей излучения к локальным излучательным способностям плазмы [3]. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает получение исходной информации, остаточной для определения локальных характеристик плазмы и, следовательно, может быть отнесено к томографическим. В случае применения для формирования просвечивающего излучения отдельного высокотемпературного источника излучения устройство работает подобным образом, однако действие вогнутого зеркала 1 заменяется осветительной системой, предназначенной для фокусировки этого источника в плоскость исследуемого объекта 10. Для обеспечения при этом возможности проведения пирометрических измерений подобно [4], например, различных пламен, апертурная диафрагма 3 может дополнительно содержать нейтральный светофильтр, как показано на фиг.3,б. Его целесообразно размещать симметрично по отношению к действующему о тверстию. В качестве приемника изображения 9 легко может применяться двухканальный диссектор, либо твердотельные приемники изображения, в частности на основе приборов с зарядовой связью, обеспечивая при этом быстродействие абсорбционного спектрометра. Наконец, в составе спектральной части прибора может использоваться интерферометр Фабри-Перо 6, скрещенный с монохроматором предварительной монохроматизации, в качестве которого выступает спектральный прибор 7. Это позволяет подобно [3] измерять одновременно с пространственным распределением излучения по радиусу источника также контуры выбранной спектральной линии. Предлагаемое устройство прошло экспериментальную проверку в Киевском университете им. Тараса Шевченко. В качестве спектрального прибора использовался обладающий значительным астигматизмом монохроматор МДР-12, скрещенный с интерферометром Фабри-Перо ИТ-28-30. Для регистрации получаемого изображения на его выходе применен диссектор ДИ16. В качестве осветительной системы использован объектив-ахромат с фокусным расстоянием 75 мм, а в качестве блока 1 формирования просвечивающего излучения - вогнутое зеркало с радиусом кривизны 150 мм. Исследовалось самопоглощение спектральных линий меди, излучаемых свободно-горящей электрической дугой между медными электродами. При этом удалось обнаружить тонкую структур у спектральной линии меди 510,5 нм, обусловленную ее самопоглощением, что свидетельствует о работоспособности предложенного устройства.