Система регистрации сигнала в спектрографе

Современный уровень науки и техники далеко шагнул с того момента, когда в качестве приемников света в спектральных приборах служили фотопластинки. В настоящее время используются детекторы, которые способны преобразовывать свет в сигнал, понятный компьютеру.

Каждый из них имеет свои особенности, от которых зависит построение и возможности системы регистрации сигнала в спектгрографе.

Принципиальная схема спектральных приборов

Конструкция спектрографов состоит из следующих основных элементов:

Осветительная часть:

источник света;
конденсорная линза или зеркало;
диафрагма или входной зрачок.

Оптическая часть:

коллиматор;
диспергирующая система;
световое отверстие или выходной объектив.

Приемно-регистрирующая часть (зависит от метода регистрации):

окуляр (визуальный метод );
фотопластинка (фотографический метод);
фотоприемник (фотоэлектрический метод).

Последний наиболее полно отвечает предъявляемым требованиям к современным спектральным приборам, и является наиболее перспективным методом регистрации.

Система регистрации

Регистрация спектров - определение зависимости энергии от длины волны. Для этого используется система регистрации, которая включает:

Фотоэлектрический приемник излучения.
Он необходим для преобразования света в электрический сигнал, понятный для ЭВМ.
Аппаратные и программные средства, которые обрабатывают сигнал и визуализируют его в виде графика. Графическое изображение зависимости излучения от длины волны называется спектром.

Системы регистрации подразделяются на следующие типы:

Интегральные.
Используемые в них детекторы преобразуют весь поток излучения в электрический сигнал. При этом не происходит распределения энергии по длинам волн. Приемниками излучения служат фотодиоды, ФЭУ и аналогичные им детекторы.
С построением изображения.
В качестве приемников используются линейные или матричные многоэлементные структуры, которые способны измерять количество энергии и распределять ее по длинам волн.

Фотодиоды

Фотодиоды представляют собой структуру, которая состоит из полупроводников p- и n-типа с p-n-переходом. Они способны преобразовывать световую энергию в электрическую и наоборот. Первый случай позволяет использовать их в качестве приемника светового излучения.

Среди большого числа фотодиодов с различным спектральным диапазоном и чувствительностью получили распространение устройства на основе кремния, германия и индий-галлий-арсенидовые структуры. Они способны работать в широком спектральном диапазоне: от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной области. По показателям чувствительности фотодиоды уступают ФЭУ.

Система регистрации, построенная с использованием фотодиодов, отличается простотой и позволяет снизить стоимость прибора. Она применяется в недорогих спектрофотометрах и других аналогичных приборах

Фотоэлектронные умножители

Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) - фотоприемник, в которых поток электронов, эмитируемых фотокатодом, усиливается за счет вторичной эмиссии. Электроды, на которых происходит вторичная эмиссия называются динодами, а их совокупность - динодной системой. Основное отличие ФЭУ от вакуумного фотоэлемента заключается в том, что в конструкцию, кроме анода и фотокатода, входят: фокусирующая система, диафрагма и дополнительные электроды - эмиттеры вторичных электронов.

Работа фотоэлектронного умножителя требует высокого напряжения, величина которого может достигать 2500 В, что ограничивает область применения этих детекторов. Спектральный диапазон зависит от материала фотокатода, и находится в пределах от ультрафиолетовой до видимой области спектра. Некоторые ФЭУ позволяют детектировать инфракрасную область. Однако, они обладают невысокой чувствительностью и имеют довольно высокую стоимость.

Фотоэлектронные умножители обладают высоким быстродействием и низкой выходной емкостью. Это позволяет создавать на их основе детекторы, способные регистрировать быстропротекающие процессы.

Фотодиодные матрицы (линейки)

Фотодиодные приемники, состоящие из множества элементов, способны преобразовывать двухмерную оптическую информацию в последовательность электрических сигналов. Они могут представлять собой:

линейку, в которой фотодиоды расположены в ряд с определенным шагом. Для получения развертки сигналы считываются с каждого фотодиода.
матрицу, которая состоит из набора линеек. Развертка получается путем опроса каждой линейки, и каждого фотодиода.

Фотодиодная матрица разрабатывается для определенной оптической схемы и конкретного диспергирующего элемента (как правило, эшелле). Это связано с тем, что от них зависит положение аналитической линии в фокальной плоскости.

В полихроматорах набор аналитичеких линий определяется на стадии разработки, и остается неизменным. Для его изменения необходима замена детектора. При работе прибора в режиме монохроматора регистрируется одна аналитическая линия произвольной длины или сканируется спектр.

При использовании такого способа регистрации спектра максимально расширяются аналитические возможности. Однако при этом требования к качеству изготовления детектора и всех компонентов оптической схемы значительно возрастают.

Фотодиодные матрицы еще называют твердотельными детекторами (SSD). Они находят применение в:

атомно-эмиссионных спектрометрах с индуктивно-связанной плазмой;
спектрофотометрах;
атомно-абсорбционных спектрометрах.

Прибор с зарядовой связью (ПЗС)

Приборы с зарядовой связью сформированы из ячеек - конденсаторов металл-диэлектрик-полупроводник (МДП) или структурами металл-оксид-полупроводник (МОП), которые расположены на одной подложке.

Элементы ПЗС образуют линейки или матрицы, и находятся на достаточно малом расстоянии друг от друга, которое обеспечивает взаимодействие соседних структур.

Принцип действия ПЗС-детектора в спектрометрах:

Свет попадает с пикселов на фотодиоды.
Это приводит к разряду конденсаторов со скоростью, которая находится в пропорциональной зависимости от потока фотонов.
По окончании интегрирования происходит закрытие массива переключателей, а заряд передается на сдвиговый переключатель.
После завершения передачи заряда на регистратор снова происходит открытие переключателей и перезарядка фотодиодов.
На этом один цикл интегрирования завершается и начинается следующий.
Одновременно с этими процессами аналого-цифровой преобразователь считывает информацию, оцифровывает его и в таком виде передает на компьютер.

Практический опыт применения ПЗС-детекторов в системе регистрации спектральных приборов

Спектрометры производства ООО «Промоптоэлектроника» - высокотехнологичные приборы, в которых используются инновационные разработки, мощная компьютерная техника и эффективные алгоритмы обработки информации. В них фотоприемником служат линейные ПЗС-детекторы ведущих японских производителей.

Прибор с зарядовой связью одновременно выступает как:

Элемент спектрографа. На него проецируется спектр, разложенный дифракционной решеткой.
Часть системы регистрации. ПЗС преобразовывает свет в электрический сигнал.

ПЗС-детекторы подключаются к основной плате (платам), входящим в систему регистрации. Функции платы заключаются в следующем:

изменение режима работы ПЗС;
создание управляющих сигналов и их тактирование;
прием аналоговых сигналов с ПЗС, их оцифровка и сохранение во внутренней памяти;
математическая обработка информации и передча ее для обработки программным обеспечением компьютера.

Преимущества системы регистрации на основе ПЗС TOSHIBA

Использование ПЗС в системе регистрации спектральных приборов позволяет получить следующие преимущества:

Прием и обработка сигналов осуществляется со всех детекторов, что дает возможность применить корреляционные математические методы обработки данных.
Система регистрации способна обслуживать до 90 ПЗС-детекторов (при использовании пяти основных плат).
Возможность использования в условиях вакуума.
Разрешение оцифрованного сигнала составляет 16 бит.
Внутренняя память способна хранить до 1200 кадров (при условии работы до 9 ПЗС-детекторов на одной основной плате).
Общее время анализа снижается за счет проведения предварительной математической обработки.
Диапазон времени накопления 1 кадра от 4 мс до 60 с.
Наличие режима прореживания позволяет регистрировать длительные процессы, которые требуют объема памяти, превышающего объем ОЗУ. Это достигается за счет регистрации кадров, кратных N (N=1 … 256). Таким образом, при минимальном времени накопления 4 мс, можно зарегистрировать процесс длительностью 20 мин.
Питание осуществляется нестабилизированным источником питания с напряжением 9-18 В.
Сильные источники электромагнитных помех (генераторы искровых, дуговых, СВЧ разрядов) не оказывают влияние на работу СР.