Двойной дифракционный монохроматор — SU 1044111 (original) (raw)
80 4411 СОЮЗ СОВЕТСКИХссцаИРЮеп 4 ЕРЕСПУБЛИН ОЛИСА ЗОБРЕ ЬСТВУ диапазона иборадифраклены под углуоавненнем6 Ь овцшения точности нриционные решетки уставов ми,падения связанными 1 к постоянные е решеток ния лучей вующие ре и и(54)(57) ДВОЙНОЙ дифРАКцИОННЫй МОНО- жены да ХРОМАТОР, содержащий оптически свя- блок Уп эанные входнуЮ дель, дифракционную маторю решетку, промежуточную щель, вторую . двигате дифракционную решетку, выходную щель чем вцх . и сканирующее устройство, содержащее первым механизм поворота решетки с двигате-, входы " лем и связанной с ним передачей для датчико вращения решетки, о т л и ч а ю щ и й компара с я тем, что, с целью повышения раз- . роллеро решающей способности с одновременным. рота, в .расширением рабочего спектрального ляющими в положения торов подклю двигателе ыходы кото входами дврешеток, а выходычены к входам контмеханизмов пово"рых связаны с управгателей. ГОСУДЮСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТК(71) Тартуский филиал Специального консэрукторского бюро АН Эстонской ССР Специальное конструкторское бюро вы-: числительной техники Института кибер нетики АН Эстонской ССР и Институт физики АН Эстонской ССР(56) 1. Авторское свидетельство СССР. В 600401 кл, С 01 .У 3/18, 1978.2. Вилесов Ф.И Иванов В.С., Лопатин С.Н. Двойной вакуумный монохроматор для области спектра 800- 2800 А. Вестник Ленинградского Университета, 1973, к 1 О 56-60 (прото- тип).- углы дифракции лучейот соответствующихрешеток;- спектральный порядок,используемый в однойиз половин монохроматора,а сканирующее устройство дополнительно содержит механизм соответствующего поворота второй решетки, причемоба механизма поворота решеток снабтчиком положения решетки, иравления, содержащий програмкомпараторц и контроллерылей механизмов поворота, приодц программатора подключенывходам компараторов, вторыеоторцх соединены с выходами1044Изобретение относится к области спектрального приборостроения, а точнее - к дифракционным монохроматораи, предназначенным для использования в лабораторных условиях для проведения5 разлиЧных спектроскопических исследований, требующих высокой разрешающей способности или увеличенной светосилы при низком уровне рассеянного излучения. 10Известны монохроматоры, работающие в первом порядке спектра при умеренных угловых дисперсиях О 1. Это не позволяет существенно повысить разрешающую способность или при заданной разрешающей способности - увеличить светосилу монохроматора. Для повышения разрешающей способности необходимо применить высшие порядки спектра но в известных монохроматорах исполь" 21 зованию высших порядков спектра препятствует сужение свободногс спектрального диапазона, что в свою очередь сужает диапазон спектра, исследование которого возможно при помощи этого монохроматора. Как известно, свободный от перекрытия другими порядками спектральный диапазон определяется формулойЬ Л Жгде АЭ. - свободный спектральный диапазон;Л.- нижняя граница спектральногодиапазона;К - порядок спектра.Отсюда видно, что чем выше порядок спектра, тем уже свободный спектральный диапазон.Для уменьшения влияния укаэанного недостатка теоретически возможно применить фильтры для отрезания ненужных спектральных порядков, но практически применение этих фильтров весьма ограничено, особенно в области ВУФ излучения, 45Известные монохроматоры обладают также относительно невысокой светосилой, обусловленной тем, что в конструкции монохроматоров имеется большое количество отражающих поверхнос тей. Особенно ощутим этот недостаток в области ВУФ излучения, где коэффициент отражения обычно не превышает 0,5 (в диапазоне видимого света коэффициент отражения достига ет 0,85).. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является 111 2двойной дифракционный монохроматор,содержащий две вогнутые дифракционныерешетки, входную, промежуточную ивыходную щели и сканирующее устройство, содержащее механизм поворотарешетки с двигателем и связаннойс ним передачей для вращения решетки,в котором оси поворота решеток разнесены в пространстве, а синхронизация поворота решеток осуществляетсямеханически при помощи рычажного механизма Г 23. Поскольку обе половинымонохроматора работают в первом спектральном порядке и имеют одинаковыепараметры оптической схемы, то присканировании спектра обе решетки поворачивают на одинаковые углы, чтозначительно упрощает конструкцию ска"нирующего механизма и позволяет выполнить его механическим.Указанный монохроматор положительно отличается от других аналогичныхрешений тем, что в результате применения вогнутых решеток в нем сведено до минимума количество отражающихповерхностей, что позволяет получитьлучшую светосилу, Однако из-за того,что он работает также только в первомспектральном порядке, ему присущивсе .вытекающие из. этого недостатки,описанные вьнпе низкая разрешающая.способность или при заданной разрешающей способности - низкая светосила.Также ограничен рабочий спектральныйдиапазон монохроматора из-за уменьшения эффективности решетки при удалении угла падения, луча от значения,соответствующего положению решетки,где имеется максимальная концентрация энергии излучения в первом порядке спектра,Применение рычажного синхронизирующего механизма усложняет конструкцию.прибора; возможные люфты и большие трудности при устранении вредного влияния температурных и вибрационных воздействий отрицательно влияютна надежность и на точностные характеристики монохроматора,Цель изобретения - повышение разрешающей способности (или светосилы)при заданной разрешающей способности)и точности двойного монохроматора содновременным расширением рабочегоспектрального диапазона.Для достижения указанной целив двойном дифракционном монохроматоре, содержащем оптически связанныевходную, щель, дифракционную решетку,3 1044 промежуточную щель, вторую дифрак" ционную решетку, выходную щель и сканирующее устройство, содержащее механизм поворота решетки с двигателем и связанной с ним передачей для враще 5 ния решетки, дифракционные решетки ус. тановлены под углами падения связанными уравнениемгде 6 и б - постоянные решеток;с и Ы - углы падения лучей насоответствующие РешеткиуАи а, - углы дифракции лучейот соответствующихрешеток;- спектральный порядок,используемый в однойиз половин монохроматора,а сканирующее устройство дополнительно содержит механизм соответствующегоповорота второй решетки, причем оба25механизма поворота решеток снабженыдатчиком положения решетки, и блокуправления, содержащий программатор,компараторы.и контроллеры двигателеймеханизмов поворота, причем выходыпрограмматора подключены к первымвходам компараторов, вторые входыкоторых соединены с выходами датчи-.ков положения решеток, а выходы компараторов подключены к входам контроллеров двигателей механизмов пово- З 5рота, выходы которых связаны с управляющими входами двигателей.При такой конструкции двойногомонохроматора повышение разрешающейспособности достигается за счет при Оменения высших спектральных порядков,а одновременное расширение рабочегоспектрального диапазона при этомобеспечивается применением несколькихпар спектральных порядков в полови- .45нах монохроматора, причем каждая такая пара обеспечивает работу монохроматора в своем специфическом участке спектра, определяемом углом блескарешетки и аберрациями оптической 50ъсистемы. Суммарная ширина таких смежных участков превышает рабочий спектральный диапазон монохроматора, работающего только в первых порядкахспектра. 55Повышение точности достигаетсяза счет применения в сканирующемустройстве двух механизмов поворота 111 4решеток, снабженных датчиками положения решетки, и блока управления, содержащего программатор, компарато ры и контроллеры двигателей механизмов поворота решеток. Сканирующее устройство такой конструкции .обеспе" :чйвает более высокую точностьсогласования угловых положений решеток, благодаря отсутствию рычажного синхронизирующего механизма с длинным (780 мм) стержнем (который является источником температурных и вибрацион ных ошибок, влияющих на надежность и точность монохроматора), а также за счет скомпенсирования системаФических кинематических погрешностей механических передач путем автоматического расчета и задавания уточненных углов поворота по внесенным в намять программатора поправочным данным (определяемых экспериментально прн калибровании). Учитывание калибровочных данных позволяет также автоматически вычислить для индикации истинную длину волны с более высокой точностью.На фиг. 1 изображена принципиальная схема монохроматора; на фиг.2- оптическая часть монохроматора с прохождением через него лучей, поясняющая содержащиеся в описании математические уравнения; на фиг. 3 - графики, поясняющие выбор комбинаций спектральных порядков в зависимости от требуемого поддиапазона спектра. Двойной дифракционный монохроматор состоит из оптической части 1 и сканирующего устройства 2. В состав первого входят входная щель 3; первая вогнутая дифракционная решетка 4, про межуточная щель 5, вторая вогнутая дифракционная решетка 6, и выходная щель 7В состав сканирующего устройства 2 входят два механизма 8 поворота решеток и блок 9 управления. Каждый механизм 8 поворота включает двигатель 10 с редуктором 11, винтовой механизм 12, синусный механизм 13 и датчик 14 положения решетки. Винтовой механизм 12 связан с выходным валом редуктора 11, а к гайке винтового механизма 12 жестко прикреплен толкатель синусного механизма 13. К рычагу синусного механизма 13 прикреплена дифракционная решетка 4 (или б), причем ось поворота рычага проходит через центр решетки и парал5 10 лельна к ее штрихам. Датчик 14 положения решетки в конкретном варианте выполнения установлен на валу винтового механизма 12.Блок 9 управления содержит нрограм матор 15, предназначенный для выработки сигналов для управления решетками 4 и 6, учитывая зависимость (2), компараторы 16 и 17, контроллеры 18 и 19 для управления двигателями 10. Выходы программатора 15 подключены к первым входам 20 и 21 компараторов 16 и 17, вторые входы 22 и 23 которых соединены с выходами датчиков 14 положения решеток 4 и 6. Выходы компараторов 1.6 и 17 соединены с входами контроллеров 18 и 19, выходы которых подключены к двигателям 10.В конкретном варианте реализации предусмотрено, что программатор 15 содержит память, необходимую для введения функции (1) и некоторых других факторов, и операциОннЫй бяок, необ" ходимый для выработки выходных сиг" налов для компараторов 16 и 11.Предложенный двойной дифракционный монохроматор работает следующим образом.- Сперва проводят установку необходимого начального положения решеток 4 и б (углы 4 и Ф) в зависимости от исследуемого излучения. В память программатора 15 занесена программа работы монохроматора, которая учитывает .последовательность дискретных значений длин волй с временной диаграммой сканирования, скорость непрерывного сканирования, диапазон и порядок сканирования, спектральные порядки решеток и т.д. Переключением программатора на диапазон исследуемого излучения. программатор 15 вырабатывает сигналы, определяющие углы падения А,и е (сигналы пропорциоиаль ные им) решеток 4 и 6. Эти сигналы подаются на входы 20 и 21 компараторов 16 и 17. На другие входы 22 и 23 этих элементов попадают сигналы, указывакнцие реальные положения решеток 4 и б. Компараторы 16 и 17 вырабатывают сигналы, необходимые для вращения решеток 4 и 6 до достижения углами М н сс нужных величин; эти сигналы усиливаются контроллерами 18 и 19 и подаются на двигатели 10, которые вращаясь, изменяют угловое положение решеток 4 и 6. В результате этого изменяется сигнал и на вы 44111 Эходе датчиков 14 и когда сигналына обоих входах комлараторов 16 и 17равны, вращение решеток 4 и 6 прекращается, т.е. они установлены под нужные углы падения лучей Фи с 1.Выбор комбинаций спектральных порядков, необходимых для налаживанияпрограммы в памяти программатора 15,поясняется на фиг. 3, где дана диа 10 грамма зависимости между углом поворота решеток и длиной волны излученияв зависимости от порядка спектра.На этой фигуре применены следующие обозначенияф15- длина волны излучения;д и У - углы поворота днфракционных решеток от лоложення, соответствующегонулевому. порядку .спект раю4 и и ди - углы поворота соответствующих решеток привыполнении условия чблес 1ка , т.е, при положении 25 максимальной концентрации выходного излучения;1 и М 2 " спектральные порядкирешеток;5, Л 2."фь " границы поддиапазонов 30 длины волны для различных пар спектральныхпорядков..Из фиг. 3 видно, что весь рабочийспектральный диапазон (Э Аа ) может быть разбит на поддиапаэоны,в каждом из которых используетсяодна пара спектральных порядков КиК,удовлетворяющих требованию, МЧ =/К/ + 1 и для которых при сканировании по длинам волн, углы поворота решеток 4 и б остаются вблизизначений 4,и сГм, определяющих условие "блеска". Например, если исследуемое излучение А находится в диапазоне Лц С А.Ль целесообраэ 1но работать в спектральных порядках -2 и 3.После установки начального полокения монохроматор готов к работе.Излучение входит в монохроматор через входную щель 3 и падает на первую вогнутую днфракционную решетку 4,от которого дифрагированное в спектральном порядке 1 излучение сфокусируется в меридиональном сечении 55 на промежуточной щели 5. Прошедшеечерез щель 5 излучение падает на вторую вогнутую дифракционную решетку 6,от которого дифракционное в спект1044111 7ральном порядке К излучение сФокусируется в меридиональном сечениииа выходной щели 7, Прошедшее черезщель 7 монохроматическое излучениевыходит иэ монохроматора.Сканирование по длинам волн происходит путем согласованного поворота решеток 4 и б вокруг осей, параллельных к штрихам решеток 4 и б ипроходящих через центры соответству Онш 1 их решеток 4 и 6, Необходимый дляуиравления двигателями 10 сигналв ходе сканирования вырабатывается,в блоке 9 управления: программатор1,15.иа основе программызаложенной цв его памяти и в основном реализу"ющей уравнение (2), вырабатывает разные для обеих решеток 4 и 6 (посколь".ку решатки работают в различных спектральных порядках) законы измененияугла поворота во времени для того,чтобы обеспечить постоянное отношение угловых скоростей решеток 4 и 6,равное 141 /1 ка 1 или посколькул К 11 К 1 + 1 , то это отношениеследующее; /Ц/ /(/Кг + 1), Приэтом программа в программаторе 15может учитывать и дополнительныеФакторы, например, поправки в угловых:положениях решеток согласно внесен-ным заранее в память программатора 15калибровочным полиномам для компен-.сации систематических кинематическихпогрешностей механизмов 8 поворотарешеток и т.п,.Выработанные программатором 15необходимые текущие значения угловповорота решеток 4 и 6 подаются напервые входы 20 и 21 компараторов 1 ои 17, на другие входы 22 и 23 которыхпоступают сигналы от датчиков 14 по 40ложения решеток 4 и 6. Компараторы16 и 17 сравнивают заданные йрограмматором 15 величины углов поворотарешеток 4 и 6 с их действительнымизначениями по датчикам 14 и выдают45сигналы ошибки на контроллеры 18 и 19;которые осуществляют, отработку рассогласования положения решеток 4 и 6 .соответствующим преобразованием (уси-.лением, расщеплением по Фазе и т.п)сигналов компараторов 16 и 17. Вслед, ствие этого двигатели 1 О через редукторы 11, винтовые механизмы 12 и си-нусные механизмы 13 приводят во вра- .щение решетки 4 и 6, Вращение реве"ток 4 и 6 прекращается, если сигналына обоих входах .компараторов 17 и 18 .становятся равными. 8Следует отметить, что данный выше пример конкретного выполнения не является ограничивающим в отношений типа двойного монохроматора. Предложенный принцип построения двойного дифракционного монохроматора и разработанная система управления им приме нимы также к двойным монохроматорам с двумя плоскими диФракционными ре-шетками с соответствующей Фокусирующей оптикой (например, с применением оптических схем Черни-Турнера, Эберта-Фасти .и т.и.), В случае применения их усложняется оптическая часть монохроматора за счет включе" ния в схему дополнительных отража 1ющих поверхностей, но зависимость между углами поворота решеток и длины волны излучения в зависимости от выбранных порядков спектра идентична описанной, и блок управления не имеет (в схемном отношении) никаких отличий от заявленного.Технико-экономический эФФект от применения предлагаемого монохромато ра заключается в существенном повышении качества изучения спектров.Во-первых, это выражается. в повышении разрешающей способности и уширении рабочего спектрального диапазона. Это достигается за счет увеличения угловой дисперсии путем исполь зования высших спектральных порядков,причем в разных половинах монохрома- тора используются разные порядки спектра к и К. Выбором спектральных порядков таким образом, что разница абсолютных значений их равняетСя еди нице, достигается, что свободный от перекрытия другими порядками спектральный диапазон ьЬ = А, т.е, равен свободному диапазону монохроматора, работающего в нервом порядке спеКтра ,(так как выбранные подобным образом спектральные порядки для разных половин монохроматора не имеют общего делителя кроме единицы). Например, двойной монохроматор, работающий в спектральных порядках до пятого И шестого (в соответствующих половиках монохроматора), имеет при системе сложения дисперсий угловую дисперсию до 11 раз выше, чем у прототипа. Это позволяет существенно повысить разрешающую способность (или светосилу при заданной разрешающей способности) особенно в коротковолновой области спектра, По данным лабораторных испытаний и математического моделироваОшибка согласования угловых положений решеток скбмпенсируется в двойных монохроматорах расширением промежуточной щели (в монохроматорах со еложением дисперсий) или выходной щели (в монохроматорах с вычитанием дисперсий), что приводит к повышению уровня паразитного излучения, выходящего из монохроматора и обуславливает тем самым ухудшение отношения сигналшум при спектроскопических, измерениях Таким образом, повышение точности сканирования в заявленном монохрома- торе позволяет применять более узкую промежуточную (или выходную) щель и, следовательно повысить качество спектроскопических измерений (из-эа уменьшения количества параэитного излучения) 9 10441 ния хода лучей разрешающая способность предлагаемого монохроматора на порядок выше,чем у прототипа. Благодаря применению в монохроматоре несколь" ких пар спектральных порядков общий рабочий спектральный диапазон несколько шире чем у прототипа.Во-вторых, электронное управление сканирующим устройством обеспечивает высокую точность сканирования, По О скольку в заявленном монохроматоре решетки в ходе сканирования должны поворачиваться по различным законам, применение механической системы управления практически невозможно, 15 особенно учитывая, что законы поворота решеток необходимо оперативно изменять. Теоретически конечно возможно создание подобной механической . системы управления, но она громоздка, 26 неточна и практически неприменима. Повышенная точность сканирования заключается в уменьшении ошибки согласования угловых положений решеток и в повышении точности отсчета длины волны излучения, проходящего через монохроматор.В монохроматорах с механической синхронизацией решеток (как в прототипе) ошибка синхронизации обычно составля- Зб ет 0,10,5 нм (в единицах длин волн)., Если учесть, что реально измеренная воспроизводимость положения решетки находится на уровне 0,.01 нм 10и обычно наблюдается монотонный характер изменения систематической погрешности отсчета длины волны, то заданием в память программатора калибровочных полиномов второй степени или данных для интерполяции между заданными точками, обеспечивается точность согласования угловых положений решеток (а также точность индикации истинной длины волны) на уровне 0,01 0,03 нм. Таким образом, точность предлагаемого монохроматора примерно на порядок выше, чем у известных приборов,1044111 Ь 4 ю А Состав Техред ельТ.Фан дактор Л. ь Корректор Г, 0 4/ атент", г,Филиал ПП од,роектная каз 6979/1ВНИИПИ Госпо делам113035, Москв ми Феее АХираж 823 Подписирственного комитета СССРобретений и открытийЖ, Раушскай наб., д 5