RU2199724C2

RU2199724C2 - Tomographic absorption spectrometer

Info

Publication number: RU2199724C2
Application number: RU97113907/28A
Authority: RU
Inventors: нский Виктор Андреевич Жовт (UA); Виктор Андреевич Жовтянский
Original assignee: Киевский университет им. Тараса Шевченко
Priority date: 1996-08-13
Filing date: 1997-08-07
Publication date: 2003-02-27

Abstract

FIELD: optical spectral instrumentation engineering; spectrophotometry. SUBSTANCE: tomographic absorption spectrometer depends for its operation on spatial modulation of rays instead of widely used time modulation which makes it possible to measure absorbing and radiating characteristics of various transient radiation objects including plasma with spatial resolution. It has spectral instrument with focusing system, image receiver, and radiation ray generating unit placed behind object under investigation, The latter is, essentially, mirror with alternating reflecting and nonreflecting areas of surface for cases when exposure to radiation is effected using rays reflected from object under investigation. When external standard radiation source is used for the purpose, this unit is made in the form of alternating transparent and opaque areas of surface through which rays are passed to object under investigation.. EFFECT: enlarged functional capabilities; enhanced measurement speed. 2 dwg

Description

Изобретение относится к оптическому спектральному приборостроению, в частности к устройствам для спектрофотометрии. The invention relates to optical spectral instrumentation, in particular to devices for spectrophotometry.

Известны оптические приборы для измерения температуры пламени путем сопоставления их излучательных и поглощательных характеристик, включающие спектральный прибор с фокусирующей системой, приемник излучения и эталонный источник излучения за исследуемым объектом с расположенным между ними прерывателем излучения [1]. За счет работы прерывателя осуществляется поочередная регистрация собственно излучения пламени и суммарного уровня излучаемой пламенем и прошедшей через него части излучения эталонного источника. Недостаток этого технического решения состоит в ограничении диапазона измерений температуры используемого эталонного источника и в невысоком временном разрешении, определяемом частотой прерывания. Known optical instruments for measuring flame temperature by comparing their radiative and absorbing characteristics, including a spectral instrument with a focusing system, a radiation receiver and a reference radiation source behind the object under study with a radiation chopper located between them [1]. Due to the operation of the interrupter, the actual radiation of the flame and the total level of the emitted flame and the part of the radiation of the reference source transmitted through it are alternately recorded. The disadvantage of this technical solution lies in the limitation of the temperature measurement range of the used reference source and in the low time resolution determined by the interruption frequency.

Наиболее близким по технической сути является оптический прибор для измерения излучательных и поглощательных характеристик плазмы, включающий спектральный прибор с фокусирующей системой, фотоэлектрический приемник излучения, зеркало за источником излучения с расположенным между ними прерывателем излучения (прототип) [2]. Здесь в качестве эталонного источника выступает отраженное изображение исследуемого источника излучения. Для того чтобы совместить в пространстве отраженное изображение и собственно источник излучения в случае его пространственной нестационарноcти или неоднородности, может применяться в составе фокусирующей системы ахроматический объектив, совмещаемый с центром кривизны используемого вогнутого зеркала [3]. Зa счет работы прерывателя осуществляется поочередная регистрация собственно излучения плазмы и суммарного уровня излучаемой и прошедшей через плазму части отраженного зеркалом излучения. Такое техническое решение позволяет расширить температурный диапазон, однако временное разрешение остается ограниченным. Это исключает возможность проведения измерений в нестационарных режимах работы источника излучения, особенно когда необходимо обеспечить сканирование его пространственной структуры с целью перерасчета полученных данных к локальным значениям излучательных и поглощательных способностей плазмы, иными словами, невозможен режим томографических измерений [4]. The closest in technical essence is an optical device for measuring the radiative and absorption characteristics of a plasma, including a spectral device with a focusing system, a photoelectric radiation receiver, a mirror behind the radiation source with a radiation chopper located between them (prototype) [2]. Here, the reflected image of the investigated radiation source acts as a reference source. In order to combine the reflected image in space and the radiation source itself in the case of its spatial non-stationary or heterogeneity, an achromatic lens combined with the center of curvature of the concave mirror used can be used as part of the focusing system [3]. Due to the operation of the chopper, the plasma radiation itself and the total level of the part of the radiation reflected and transmitted through the plasma are alternately recorded. This technical solution allows you to expand the temperature range, but the time resolution remains limited. This excludes the possibility of measurements in non-stationary modes of operation of the radiation source, especially when it is necessary to scan its spatial structure in order to recalculate the obtained data to local values of the emissivity and absorption of the plasma, in other words, the tomographic measurement mode is impossible [4].

В основу изобретения поставлена задача создания томографического абсорбционного спектрометра, в котором оригинальное выполнение блока формирования просвечивающего излучения позволяет обеспечить высокое временное разрешение и одновременно томографический режим измерения спектрометра. За счет этого возможно проведение измерений в нестационарных режимах работы объекта измерения. The basis of the invention is the task of creating a tomographic absorption spectrometer, in which the original implementation of the unit for transmitting radiation allows for a high temporal resolution and at the same time tomographic measurement mode of the spectrometer. Due to this, it is possible to carry out measurements in non-stationary modes of operation of the measurement object.

Поставленная задача решается тем, что в томографическом абсорбционном спектрометре, содержащем спектральный прибор с фокусирующей системой, приемник изображения и блок формирования просвечивающего излучения за исследуемым объектом, согласно изобретению блок формирования просвечивавшего излучения представляет собой чередующиеся прозрачные и непрозрачные участки поверхности в случае использования внешнего эталонного источника излучения или чередующиеся отражающие и неотражающие участки поверхности в случае, если просвечивание осуществляют отраженным излучением самого объекта исследований. The problem is solved in that in a tomographic absorption spectrometer containing a spectral device with a focusing system, the image receiver and the transmission unit for transmitting radiation behind the object to be studied, according to the invention, the transmission unit for generating translucent radiation is alternating transparent and opaque surface areas in the case of using an external reference radiation source or alternating reflective and non-reflective surface areas in case exist by reflected radiation of the object of research itself.

На фиг.1 схематично представлен предлагаемый томографический абсорбционный спектрометр и ход лучей в нем в варианте, когда просвечивание осуществляют отраженным излучением самого объекта исследований, а на фиг.2 - пример регистрируемого приемником изображения сигнала. Figure 1 schematically shows the proposed tomographic absorption spectrometer and the path of the rays in it in the embodiment when the translucency is carried out by reflected radiation of the object of study, and figure 2 is an example of a signal image recorded by the receiver.

Устройство содержит спектральный прибор 1 (условно показан в виде светофильтра), фокусирующую систему, представленную объективами 2 и 3, приемник излучения 4 и блок 5 формирования просвечивающего излучения; показан также в качестве исследуемого объекта плазменный источник излучения 6. The device comprises a spectral device 1 (conventionally shown as a light filter), a focusing system represented by lenses 2 and 3, a radiation receiver 4 and a transmission radiation generating unit 5; Also shown as an object under investigation is a plasma radiation source 6.

Томографический абсорбционный спектрометр работает следующим образом. Tomographic absorption spectrometer works as follows.

Благодаря тому, что блок 5 формирования просвечивающего излучения представляет собой чередующиеся отражающие и неотражающие участки вогнутой поверхности, в плоскости приемника изображения 4 образуются две группы полос. Интенсивность одной из них - сопряженной с зеркально отражающими участками блока 5 - определяется как собственным излучением исследуемого объекта, так и частью отраженного зеркалом излучения, вновь прошедшего через объект. Эта группа полос соответствует фазе открытого положения прерывателя в случае прототипа. От областей объекта исследований, сопряженных с неотражающими участками блока 5, на приемник излучения 4 попадает только его собственное излучение. Образующаяся от них группа полос соответствует фазе закрытого положения прерывателя. Пример пространственного распределения возникающей при этом освещенности I(r) в плоскости приемника излучения представлен на фиг.2. Таким образом, фактически предлагаемое техническое решение реализует принцип пространственной модуляции излучения вместо временного. Due to the fact that the transmission radiation generating unit 5 is alternating reflective and non-reflective portions of a concave surface, two groups of bands are formed in the plane of the image pickup 4. The intensity of one of them - conjugate to the specularly reflecting sections of block 5 - is determined both by the intrinsic radiation of the object under study, and part of the radiation reflected by the mirror, again passed through the object. This group of bands corresponds to the phase of the open position of the chopper in the case of the prototype. From the areas of the object of research associated with the non-reflecting areas of block 5, only its own radiation enters the radiation receiver 4. The group of bands formed from them corresponds to the phase of the closed position of the chopper. An example of the spatial distribution of the resulting illumination I (r) in the plane of the radiation receiver is shown in Fig.2. Thus, in fact, the proposed technical solution implements the principle of spatial modulation of radiation instead of temporal.

Существенно, что благодаря объективу 3 поверхности отражающих участков блока 5 фокусируются в среднее сечение объекта исследования, а последнее с помощью объектива 2 - на поверхность приемника изображения. Таким образом, в предлагаемом томографическом абсорбционном спектрометре пространственное распределение интенсивностей, регистрируемых приемником изображения, в каждой из групп полос соответствует распределению суммарных излучательных способностей по сечению исследуемого объекта излучения. В результате последующего применения вычислительных методов томографии можно перейти от наблюдаемых - интегральных вдоль соответствующих хорд - интенсивностей излучения к локальным излучательным способностям объекта. Таким образом, предлагаемый прибор обеспечивает получение информации, достаточной для определения локальных характеристик объекта и, следовательно, может быть отнесен к томографическим [4]. It is significant that, thanks to the lens 3, the surfaces of the reflecting sections of the block 5 are focused in the middle section of the object of study, and the latter using the lens 2 - on the surface of the image receiver. Thus, in the proposed tomographic absorption spectrometer, the spatial distribution of intensities recorded by the image receiver in each of the groups of bands corresponds to the distribution of the total emissivity over the cross section of the studied radiation object. As a result of the subsequent application of computational methods of tomography, it is possible to pass from the observed — integral along the corresponding chords — radiation intensities to the local emissivity of the object. Thus, the proposed device provides information sufficient to determine the local characteristics of the object and, therefore, can be attributed to tomographic [4].

Характерный размер отражающих и неотражающих участков поверхности блока 5 формирования просвечивающего излучения или, иными cловами, периода пространственной модуляции целесообразно выбирать таким образом, чтобы он соответствовал характерному размеру неоднородности исследуемого источника излучения. Для практических применений достаточно, чтобы на радиус последнего приходилось около десяти периодов пространственной модуляции. It is advisable to choose the characteristic size of the reflecting and non-reflecting sections of the surface of the block 5 for transmitting radiation or, in other words, the period of spatial modulation in such a way that it corresponds to the characteristic size of the inhomogeneity of the studied radiation source. For practical applications, it is enough that the radius of the latter accounts for about ten periods of spatial modulation.

В случае применения в качестве блока формирования просвечивающего излучения 5 внешнего эталонного источника излучения устройства работает аналогичным образом. При этом пространственная модуляция излучения достигается за счет его экранирования системой чередующиеся прозрачных и непрозрачных полос перед ним либо перед его изображением. Требования к периоду пространственной модуляции остаются неизменными. In the case of using an external reference radiation source 5 as a block for transmitting radiation, the device operates in a similar manner. In this case, spatial modulation of radiation is achieved due to its shielding by a system of alternating transparent and opaque bands in front of it or in front of its image. The requirements for the period of spatial modulation remain unchanged.

Предлагаемое устройство прошло экспериментальную проверку в Киевском университете им. Тараса Шевченко. В качестве спектрального прибора использовался монохроматор МДР-12 с диссектором ДИ-14 на выходе для регистрации получаемого изображения. В качестве объектива применялся ахромат с фокусным расстоянием 75 мм, а в качестве блока 5 формирования просвечивающего излучения - вогнутое зеркало с радиусом кривизны 150 мм, перед отражающей поверхностью которой устанавливались в качестве непрозрачных участков натянутые проволочки с шагом 0,2 мм. Исследовалось самопоглощение спектральных линий меди, излучаемых свободногорящей электрической дугой между медными электродами. Выходной сигнал диссектора для линии меди 510,5 нм (о самопоглощении которой известно из независимых исследований) оказался промодулированным подобно фиг.2, что свидетельствует о работоспособности предложенного устройства. The proposed device has been experimentally tested at Kiev University. Taras Shevchenko. An MDR-12 monochromator with a DI-14 dissector at the output for recording the resulting image was used as a spectral instrument. Achromat with a focal length of 75 mm was used as a lens, and a concave mirror with a radius of curvature of 150 mm was used as block 5 for transmitting radiation, stretched wires with a pitch of 0.2 mm were installed as opaque sections in front of the reflective surface. The self-absorption of the spectral lines of copper emitted by a free-burning electric arc between copper electrodes was studied. The output signal of the dissector for the copper line 510.5 nm (self-absorption of which is known from independent studies) was modulated similarly to figure 2, which indicates the operability of the proposed device.

Источники информации
1. Физические измерения в газовой динамике и при горении. М.: ИИЛ. 1957, с.291.Sources of information
1. Physical measurements in gas dynamics and during combustion. M .: IIL. 1957, p. 291.

2. L.Bober, S.Tankin. Emission and absorption measurements on a strongly self-absorbed argon atom line // J. Quant. Spectrosc. Radiat.Transfer. 1969. V.9. P.855-874. 2. L. Bober, S. Tankin. Emission and absorption measurements on a strongly self-absorbed argon atom line // J. Quant. Spectrosc. Radiat.Transfer. 1969. V.9. P.855-874.

3. И. В. Подмошенский, В.М. Шелемина. Определение поглощения аналитических спектральных линий дуги и искры // Оптика и спектроскопия. 1959. Т.6. вып.6. С.813-615. 3. I.V. Podmoshensky, V.M. Shelemin. Determination of the absorption of analytical spectral lines of an arc and a spark // Optics and Spectroscopy. 1959.V.6. issue 6. S.813-615.

4. В. А. Жовтянский. Скоростная томографическая спектроскопия плазмы // Инженерно-физич. журнал. 1992. T.62, N5. С.758-764. 4. V.A. Zhovtyansky. High-speed tomographic plasma spectroscopy // Engineering Physics. Journal. 1992. T.62, N5. S.758-764.

Claims

A tomographic absorption spectrometer containing a spectral device with a focusing system, an image receiver and a transmission unit for transmitting radiation behind the object under study, characterized in that the transmission unit for generating translucent radiation is alternating transparent and opaque surface areas in the case of using an external reference radiation source or alternating reflective and non-reflective surface areas if translucency is carried out by reflected radiation about the object of research.