« Изобретение относитс к области спектрального приборостроени , а точ нее - к дифракционным монохроматорам предназначенным дл использовани в лабораторных услови х дл проведени разли ных спектроскопических исследо ваний, требующих высокой разрешающей способности или увеличенной светосилы при низком уровне рассе нного излучени . Известны монохроматоры, работающи в первом пор дке спектра при умеренных угловых дисперси х L1:. Это не позвол ет существенно повысить разре шающую способность или при заданной разрешающей способности - увеличить светосилу монохроматора. Дл повьш1ени разрешающей способности необходимо применить высшие пор дки спектр но в известных монохроматорах исполь зованию высших пор дков спектра преп тствует сужение свободного спектрального диапазона, что в свою очередь сужает диапазон спектра, исследование которого возможно при помощи зтого монохроматора. Как известно свободный от перекрыти другими пор дками спектральный диапазон опреде л етс формулой ДЛ-Л4/« где Д.Л.- свободный спектральный диапазон; Д./1 - нижн граница спектральног диапазона; К - пор док спектра. Отсюда видно, что чем пор до спектра, тем уже свободный спектраль ный диапазон. Дл уменьшени вли ни указанного недостатка теоретически возможно при менитьфильтры дл отрезани ненужных спектральных пор дков, но практи чески применение этих фильтров весьм ограничено, особенно в области ВУФ излучени , Известные монохроматоры обладают также относительно невысокой светоси лой, обусловленной тем, что в конструкции монохроматоров имеетс большое количество отражающих поверхностей . Особенно ощутим этот недостаток в области ВУФ излучени , где коэффициент отражени обычно не превьштает 0,5 (в диапазоне видимого света коэффициент отражени достигает 0,85). - Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому вл етс 111 двойной дифракционный монохроматор, содержащий две вогнутые дифракционные решетки, входную, промежуточную и выходную щели и сканирующее устройство , содержащее механизм поворота решетки с двигателем и св занной с ним передачей дл вращени решетки, в котором оси поворота решеток разнесены в пространстве, а синхронизаци поворота решеток осуществл етс механически при помощи рычажного механизма С20. Поскольку обе половины монохроматора работают в первом спектральном пор дке и имеют одинаковые параметры оптической схемы, то при сканировании спектра обе решетки поворачивают на одинаковые углы, что значительно упрощает конструкцию сканирующего механизма и позвол ет выполнить его механическим. Указанный монохроматор положительно отличаетс от других аналогичных решений тем, что в результате применени вогнутых решеток в нем сведено до минимума количество отражающих поверхностей, что позвол ет получить лучшую светосилу. Однако из-за того, чт.о он работает также только в первом спектральном пор дке, ему присущи все вытекающие из этого недостатки, описанные вьше: низка разрешакща способность или при заданной разреша™ ющей способности - низка светосила. Также ограничен рабочий спектральный диапазон монохроматора из-за уменьшени эффективности решетки при удале НИИ угла падени луча от значени , соответствующего положению решетки, где имеетс максимальна концентраци энергии излучени в первом пор дке спектра. Применение рычажного синхронизирующего механизма усложн ет конструкцию , прибора; возможные люфты и -большие трудности при устранении вредного вли ни температурных и вибрационных воздействий отрицательно вли ют на надежность и на точностные характеристики монохроматора. Цель изобретени - повьш1ение разрешающей способности (или светосилы) при заданной разрешающей сттособности) и точности двойного монохроматора с одновременным расширением рабочего спектрального диапазона. Дл достижени указанной цели в двойном дифракционном монохроматоре , содержащем оптически св занные входную,щель, дифракционную решетку. 31 промежуточную щель, вторую дифракционную решетку, выходную щель и ска нирующее устройство, содержащее механизм поворота решетки с двигателем и св занной с ним передачей дл вращ ни решетки, дифракционные решетки у тановлены под углами падени св занными уравнением Q- kSin t-aiM iM , (SiHoCf«-s;v).tM IKIIK I «-I где ftj - посто нные решеток; ot и d-i - углы падени лучей на соответст1вующие ре ветки Й2 - углы дифракции лучей от соответствующих решеток; k - спектральный пор док, используемый в одной из половин монохроматора . а сканир5гнщее устройство дополнитель но содержит механизм соответствуницег поворота второй решетки, причем оба механизма поворота решеток снабжены датчиком положени решетки, и блок управлени , содержащий программатор, компараторы и контроллеры двигателей механизмов поворота, причем выходы программатора подключены к первым . входам компараторов, вторые входы которых соединены с выходами датчи- ков положени решеток, а выходы компараторов подключены к входам контроллеров двигателей механизмов поворота , выходы которых св заны с управ л ющими входами двигателей. При такой конструкции двойного монохроматора повышение разрешающей способности достигаетс за счет применени высших спектральных пор дков а одновременное расширение рабочего спектрального диапазона при, этом обеспечиваетс применением нескольки пар спектральных пор дков в половинах монохроматора, причем кажда така пара обеспечивает работу монохро матора в своем специфическом участке спектра, определ емом углом блеск решетки и аберраци ми оптической системы. Суммарна ширина таких смеж ных участков превьш1ает рабочий спект ральный диапазон монохроматора, рабо тающего только в первых пор дках спектра. Повьшение точности достигаетс за счет применени в сканирующем устройстве двух механизмов поворота 114 решеток, снабженных датчиками положени решетки, и блока управлени , содержащего программатор, компарато ры и контроллеры двигателей механизмов поворота решеток. Сканирующее устройство такой конструкции обеспечивает более высокую точность согласовани угловых положений решеток, благодар отсутствию рычажного синхронизирующего механизма с длинным (780 мм) стержнем (которь вл етс источником температурных и вибрационных ошибок, вли ющих на надежность и точность монохроматора), а также за счет скомпенсировани системаtHческих кинематических погрешностей механических передач путем автоматического расчета и задавани уточненных углов поворота по внесенным в пам ть программатора поправочным данным (определ емых экспериментально при калибровании). Учитывание калибровочных данжпс позвол ет также автоматически вычислить дл индикации истинную длину волны с более высокой точностью. На фиг. 1 изображена принципиальна схема монохроматора; на фиг.2 оптическа часть монохроматора с прохождением через него лучей, по сн юща содержащиес в описании математические уравнени ; на фиг. 3 графики , по сн кщие выбор комбинаций спектральных пор дков в зависимости от требуемого поддиапазона спектра. Двойной дифракционный монохроматор состоит из ог тической части 1 и сканирующего устройства 2. В состав первого вход т входна щель 3/ перва вогнута дифрак1|ионна решетка 4, про межуточна щель 5, втора вогнута диф ракционна решетка 6, и выходна щель 7. В состав сканирующего устройства 2 вход т два механизма 8 поворота решеток и блок 9 управлени . Каждый механизм 8 поворота включает двигатель 10 с редуктором 11, винтовой механизм 12, синусный механизм 13 и датчик 14 положени решетки. Винтовой механизм 12 св зан с выходным валом редуктора 11, а к гайке винтового механизма 12 жестко прикреплен толкатель синусного механизма 13. К рычагу синусного механизма 13 прикреплена дифракционна решетка 4 (или 6), причем ось поворота рычага проходит через центр решетки и паралS1 лельна к ее штрихам. Датчик 14 положени решетки в конкретном варианте выполнени установлен на валу винтового механизма 12. Блок 9 управлени содержит програ матор 15, предназначенный дл выработки сигналов дл управлени решетками 4 и 6, учитыва зависимость (2), компараторы 16 и 17, контроллеры 18 и 19 дл управлени двигател ми 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 положени решеток 4 и 6. Выходы компараторов 16 и 17 соединены с входами контроллеров 18 и 19, выходы которых подключены к двигател м 10. В конкретном варианте реализации предусмотрено, что программатор 15 содержит пам ть, необходимую дл вве дени функции (1) и некоторых других факторов, и операционн блок, необходимый дл вьфаботки выходных сигналов дл компараторов 16 и 17. Предложенный двойной дифракционный монохроматор работает следующим образом. , Сперва провод т установку необходимого начального положени решеток 4 и 6 (углы oi и ) в зависимости от исследуемого излучени , В пам ть программатора 15 занесена программа работы монохроматора, котора учитывает последовательность дискретных значений длин волн с временной диаграммой сканировани , скорость непрерывного сканировани , диапазон и пор док сканировани , спектральные пор дки решеток и т.д. Переключением програ14матора на диапазон исследуемо го излучени ; программатор 15 выраба тывает сигналы, определ ющие углы падени oCj (сигналы пропорциональ ные им) решеток 4 и 6. Эти сигналы подаютс на входы 20 и 21 компараторов 16 и 17. На другие входы 22 и 23 этих элементов попадают сигналы указывак цие реальные положени решеток 4 и 6. Компараторы 16 и 17 вырабатывают сигналы, необходимые дл вращени решеток 4 и 6 до достиже- ни углами ei и ott нужных величин; эти сигналы усиливаютс контроллераьш 18 и 19 и подаютс на двигатели 10, которые враща сь, измен ют угловое положение решеток 4 и 6. В результате этого измен етс сигнал и на вы11 ходе датчиков 14 и когда сигналы на обоих входах компараторов 16 и 17 равны, вращение решеток 4 и 6 прекращаетс , т.е. они установлены под нужные углы падени лучей оС«и . Выбор комбинаций спектральных пор дков , необходимых дл налаживани програ1 4ы в пам ти прогршчматора 15, по сн етс ha фкг. 3, где дана диа грамма зависимости ме зду углом поворота решёток и длиной болны излучени в зависимости от пор дка спектра. . На этой фигуре применены следующие обозначени : Д. - длина волны излучени ; cf;, di - углы поворота дифракционных решеток от положени , соответствующего нулевому, пор дку спектра; и ) - углы поворота соответствующих решеток при выполнении УСЛОВИЯ блеска , . при положении максимальной концентращш выходного излучени ; А г - спектральные пор дки решеток; Л Дг-Н - границы поддиапазонов длины волны дл различных пар спектральных пор дков. Из фиг. 3 видно, что весь рабочий спектральньЕй диапазон (Л... л) хожет быть разбит на поддиапазоны, в каждом из которых используетс одна пара спектральных пор дков 1/ и удовлетвор ющих требованию , 1,1, и дл которых при сканировании по длинам волн, углы поворота решеток 4 и 6 остаютс вблизи значений и , определ кидапс условие блеска. Например, если исследуемое излучение Л находитс в диапазоне АЧ -Х , целесообразно работать в спектральных пор дках 2 и 3. После установки начального положени монохроматор готов к работе. Излучение входит в монохроматор через входную щель 3 и падает на первую вогнутую дифракционную решетку 4, от которого дифрагированное в спект- ; ральном пор дке ti излучение сфокусируетс в меридиональном сечении на промежуточной щели 5. Прошедшее через щель 5 излучение падает на вторую вогнутую дифракционную решетку 6, от которого дифракционное в спект71 ральном пор дке Kj излучение сфоку сируетс в меридиональном сечении на выходной щели 7. Прошедшее через щель 7 монохроматическое излучение выходит из монохроматора.. Сканирование по длинам вол прО исходит путем согласованного поворота решеток 4 и 6 вокруг осей, параллельных к штрихам решеток 4 и 6 и проход щих через центры соответству (шцих решеток 4 и 6, Необходимый дл управлени двигател ми 10 сигнал в ходе сканировани вырабатываетс . в блоке 9 управлени : программатор 15 на основе программы аложенной в его пам ти и в основном реализунщей уравнение (2), вырабатьшает раз ные дл решеток 4 и 6 (посколь ку рещетки работают в различных спек ральннх пор дках) законы измёкени угла поворота во времени дл того, чтобы обеспечить посто нное отношение угловых скоростей решеток 4-и 6, равное I К,(1 / IKil или поскольку .1 Ktl . sl.K/l +М , то это отношение следующее: /( ). При этом программа в программаторе 15 учитывать и дополнительные факторы, например, поправки в угловы положени х решеток согласно внесенным заранее в пам ть программатора 1 калибровочньм полиномам дл компенсации систематических кинематических погрешностей механизмов 8 поворота решеток и т.п. Вьфаботанные программатором 15 необходимые текущие значени углов поворота решеток 4 и 6 подаютс на первые входы 20 и 21 компараторов 1о и 17, на другие входы 22 и 23 которы поступают сигналы от датчиков 14 положени решеток 4 и 6. Компараторы 16 и 17 сравнивают заданные программатором 15 величины углов поворота решеток 4 и 6 с их действительными значени ми по датчикам 14 и вьщают сигналы ошибки на контроллеры 18 и 1 которые осуществл ют отработку рассогласовани положени решеток 4-и 6 соответствующим преобразованием (уси лением, расщеплением по фазе и т.п..) сигналов компараторов 16 и 17. Вслед ствие этого двигатели 10 через редук торы 11, винтовые механизмы 12 и синусные механизмы 13 привод т во вращение решетки 4 и 6. Вращение решеток 4 и 6 прекращаетс , если сигналы на обоих входах .компараторов 17 и 18 станов тс равными. 118 Следует отметить, что данный выше пример конкретного выполнени не вл етс ограничивак цим в отношений типа двойного монохроматора. Предложенньй принцип построени двойного дифракционного монохроматора и разработанна система управлени им применимы также к двойным монохроматорам с двум плоскими дифракционными решетками с соответствующей фокусирующей оптикой (например, с применением оптических схем Черни-Турнера, Эберта-Фасти и т .п.), В случае применени их усложн етс оптическа часть монохроматора за счет включени в схему дополнительных отражающих поверхностей, но зависимость между углами поворота решеток и длины волны излучени в зависимости от выбранных пор дков спектра идентична описанной, и блок управлени не имеет (в Схемном отношении) никаких отличий от за вленного. I Технико-экономический эффект от применени предлагаемого монохромато ра заключаетс в существенном повышении качества изучени спектров. Во-первых, это выражаетс в повышении разрешающей способности и уширенйи рабочего спектрального диапазона . Это достигаетс за счет увеличени угловой дисперсии путем исполь зовани высших спектральных пор дков, причем в разных половинах монохроматора используютс разные пор дки спектра и К. Выбором спектральных пор дков таким образом, что разница абсолютных значений их равн етс единице , достигаетс , что свободный от перекрыти другими пор дками спектральный диапазон , т.е. равен свободному диапазону монохроматора, работающего в первом пор дке спектра ,(так как выбранные подобным образом спектральные пор дки дл разнызс половин монохроматора не имеют общего делител кроме единицы). Например, двойной монохроматор, работающий в спектральных пор дках до п того и шестого (в соответствующих половинах монохроматора), имеет при системе сложени дисперсий угловую дисперсию до 11 раз вьш1е, чем у прототипа. Это позвол ет существенно повысить разрешающую способность (или светосилу при заданной разрешающей способности) особенно в коротковолновой области спектра. По данным лабораторных испытаний и математического моделировани хода лучей разрешающа способнос Предлагаемого монохроматора на пор док выше,чем у прототипа. BnaroAajjjr применению в монохроматоре нескольких пар спектральных пор дков общий рабочий спектральный диапазон несколько шире чем у прототипа. Во-вторых, электронное управление сканирующим устройством обеспечивает высокую точность сканировани . Поскольку в за вленном монохроматоре решетки в ходе сканировани должны поворачиватьс по различным законам, применение механической системы управлени практически невозможно, особенно учитыва , что законы поворота решеток необходимо оперативно измен ть. Теоретически конечно возможно создание подобной механической системы управлени , но она громоздка неточна и практически неприменима. Повьшенна точность сканировани заключаетс в уменьшении ошибки согласовани угловых положений решеток и в повьш1ении точности отсчета длины волны излучени , проход щего через монохроматор. | В монохроматорах с механической си хронизацией решеток (как в прототипе ошибка синхронизации обычно составл ет 0,1 ... 0,5 нм (в единицах длин волн),. Если учесть, что реально изме ренна воспроизводимость положени р шетки находитс на уровне 0,01 нм и обычно наблюдаетс монотонный характер изменени систематической погрешности отсчета длины волны, то заданием в пам ть программатора калибровочных ПОЛИНОМОВвторой степени или данных дл интерпол ции между заданными точками, обеспечиваетс точность согласовани угловых положений решеток (а также точность индикации истинной длины волны) на уровне 0,01 .., 0,03 нм. Таким образом, точность предлагаемого монохроматора примерно на пор док вьшхе, чем у известных приборов . Ошибка согласовани угловых положений решеток скомпенсируетс в двойных монохроматорах расширением промежуточной щели (в монохроматорах со сложением дисперсий) или выходной щели (в монохроматорах с вычитанием дисперсий), что приводит к повьшению уровн паразитного излучени ,выход щего из монохроматора. и обуславливает тем самым ухудшение отношени сигналшум при спектроскопических, измерени х Таким образом, повьшение точности сканировани в за вленном монохроматоре позвол ет примен ть более узкую промежуточную (или выходную) щель и следовательно повысить качество спектроскопических измерений (из-за уменьшени количества паразитного излучени ).
Фиг2
t h h % h
IMWICMWN
Л/
Ф1Л.9