Спектральные приборы с вогнутыми дифракционными решетками

Вогнутая решётка выполняет функции коллимирующего и фокусирующего объективов.

Спектрографы с фокусировкой на круге Роуланда. В спектрометрах с вогнутыми решётками чаще всего используются схемы с фокусировкой на круге Роуланда [6,7]: вершина решётки, щель и все её монохроматические изображения находятся на поверхности кругового цилиндра радиусом, равным половине радиуса кривизны решётки. Рассмотрим некоторые наиболее распространенные схемы.

Схема Роуланда В конструкции, предложенной Роуландом (рис.2.5), входная щель S неподвижна [7]. Решётка G и фотокассета P, жёстко закреплённые на концах стержня, могут двигаться вдоль взаимно перпендикулярных прямых, оставаясь на концах диаметра круга Роуланда, являющегося нормалью к решётке. Таким образом, центр спектрограммы всегда находится на нормали ( ), по обе стороны от которой регистрируются длины волн, соответствующие углам дифракции до 10°. Данная конструкция довольно проста. Удобно, что при переходе от одной области спектра к другой положение щели (вместе с источником света и осветительной системой) и направление оси пучка, падающего на решётку, остаются неизменными.

Схема Эбнея Данная схема отличается от предыдущей тем, что решётка и кассеты неподвижны, а щель может двигаться по кругу Роуланда, вращаясь вокруг оси, проходящей через его центр С' (рис.2.6). При переходе к другой области длин волн изменяется угол падения , а углы дифракции остаются прежними (обычно, как и в схеме Роуланда, для центра спектрограммы ). При этом плоскость ножей щели не остаётся перпендикулярной к оси пучка, так как угол поворота щели вдвое больше изменения угла падения при этом повороте. Эта конструкция неудобна и тем, что вместе со щелью должен перемещаться источник света.

Схема Пашена - Рунге В приборах, построенных по этой схеме [6,7], входная щель, вогнутая решётка и фокальная поверхность расположены на круге Роуланда и закреплённые на одной несущей поверхности (см. рис. 2.7-перерисовать). Иногда устанавливается несколько входных щелей или несколько кассет, или же кассета имеет возможность перемещения по кругу Роуланда. Можно поместить на одном круге две или даже три решётки с одинаковыми радиусами кривизны, но с разными количествами штрихов на мм или с концентрацией энергии в разных областях спектра. Угол падения и дифракции могут меняться в широких пределах.

Фотопластинка или многоэлементный детектор устанавливаются на фокальную поверхность. Для регистрации нужного спектрального диапазона размеров фотопластинки может не хватить, поэтому регистрация спектра фотопластинкой может проходить в несколько этапов, многоэлементный детектор же может быть изготовлен требуемого размера для каждого конкретного случая. Т.к. данная оптическая схема содержит всего один элемент, она характеризуется минимумом рассеянного света и искажений спектра. Эта схема, благодаря своей гибкости, позволяет решать разнообразные задачи: регистрировать одновременно широкую область спектра, получать спектры с высоким разрешением или с высокой концентрацией энергии в заданной области длин волн. Поэтому схема Пашена-Рунге имеет наиболее широкое распространение.

По такой оптической схеме построены отечественные спектрометры ДФС-36, ДФС-44, МФС-4, 6, 7, 8, их вакуумные аналоги ДФС- 41, 51, а также спектрометры иностранного производства Baird, Polivac, ARL и спектрометры фирмы Spectro.

В радиальной установке вогнутой решётки, предложенной Бойтлером (рис.2.8), щель и кассета устанавливаются неподвижно на круге Роуланда, а решётка может перемещаться по его дуге GG', вращаясь вокруг его центра C'. В такой схеме угол  между направлениями осей падающего пучка и дифрагированного пучка, направляемого в центр спектрограммы, остаётся постоянным, но направление оси пучка SG изменяется, что при изменении рабочей области длин волн требует перемещения источника, а при больших смещениях решётки - и поворота щели вокруг вертикальной оси.

Горизонтальная схема Игля.

Сближая между собой щель и кассету и уменьшая тем самым угол , получим горизонтальную схему Игля, где . В этой схеме применяются и такие конструкции, в которых направление пучков, падающих на решётку, остаётся неизменным, а изменяются положения решётки и кассеты. Механизм получается довольно сложным, и юстировка оказывается весьма трудоёмкой.

Вертикальная схема Игля Данная схема, в которой щель и спектр располагаются друг над другом, более компактна, но аберрации в ней больше, чем в горизонтальной схеме [7].

Как было показано, существует несколько разных оптических схем, применяемых с вогнутыми дифракционными решетками. В зависимости от характера решаемых с помощью спектрометра задач и от применения разных систем регистрации спектра применяется своя, наиболее подходящая в данном случае, оптическая схема. В случае, необходимом для задачи создания многоканального АЭС спектрометра, наиболее подходит схема Пашена - Рунге, так как можно регистрировать широкий спектральный диапазон и делать это одновременно для всех спектральных линий и без механического перемещения деталей оптической схемы.

Как видно из обзора, существует довольно много оптических схем спектрометров с призмами, с плоскими дифракционными решётками, со скрещенной дисперсией и с вогнутыми дифракционными решётками. Наиболее перспективными из них для построения многоканальных АЭС спектрометров являются схема Пашена-Рунге с вогнутой дифракционной решёткой и схема со скрещенной дисперсией. Для регистрации двумерного спектра в схеме со скрещенной дисперсией необходимо использовать матрицу ТДИ. Недостаточный размер современных матриц не позволяет достичь требуемых характеристик АЭС спектрометра, построенного по схеме со скрещенной дисперсией. В схеме Пашена - Рунге регистрируется одномерный спектр и достаточно использовать линейный ТДИ. Именно поэтому для многоканального спектрометра с линейным ТДИ была выбрана схема Пашена - Рунге.

2.2 Диспергирующий элемент

Как можно было заметить выше, в качестве диспергирующего элемента в спектрометре возможно использование как призмы, так и дифракционной решётки [2,6,7]. Дифракционные решётки обладают рядом существенных преимуществ перед призмами. Прежде всего, область длин волн применения призмы ограничена материалом самой призмы, и в области вакуумного ультрафиолета призменные спектрометры уже не работают. Угловая дисперсия призмы, в отличии от дифракционной решётки, значительно изменяется с длиной волны. Учитывая требование создания спектрального прибора высокой дисперсии и высокой разрешающей способности, далее будем рассматривать только дифракционные решётки.

Существует два типа дифракционных решёток [6,7]: плоские и вогнутые. Для использования плоской решётки необходим коллиматорный и фокусирующий объектив. Вогнутая дифракционная решётка обладает свойствами как диспергирующего, так и фокусирующего элементов, поэтому при использовании её в спектральном приборе не нужен ни коллиматорный, ни фокусирующий объектив. Вогнутая решётка может быть единственной оптической деталью прибора, а это особенно ценно для работы в коротковолновой части ультрафиолетовой области спектра, где коэффициенты отражения металлических покрытий невелики, а прозрачных материалов нет, и кроме того, это даёт простоту самого прибора. Также исчезают искажения, вносимые неточностью изготовления объектива. Такие системы характеризуется минимумом рассеянного света и искажений спектра. Более того, в стеклянных объективах присутствуют хроматические аберрации, то есть зависимость фокусного расстояния от длины волны, отсутствующие для зеркал. По этим причинам, в данной работе рассматриваются именно вогнутые решётки.

Вогнутые решётки бывают без компенсации астигматизма и с компенсацией астигматизма. Как будет показано в следующей главе, существует несколько способов компенсации астигматизма. При ограниченных по высоте регистрирующих системах компенсация астигматизма позволяет увеличить светосилу спектральных линий без увеличения высоты входной щели и регистрирующей системы.

Вогнутые решётки по методу изготовления делятся на нарезные и голограммные [17]. Нарезные решётки режутся с помощью резца, а голограммные делаются с помощью экспозиции дифракционной картины на фоточувствительный слой подложки [17]. Профиль нарезной решётки - треугольный, а голограммной- синусоидальный. Именно поэтому нарезные решётки обладают большей светосилой, чем голограммные. Поэтому далее рассматриваются только нарезные решётки.

Каждая вогнутая дифракционная решётка имеет свой угол падения и свой передний отрезок. Это связано как с использованием в требуемой оптической схеме, так и с нарезкой на требуемый угол максимального блеска.

Лучшими отечественными спектральными приборами с нарезными вогнутыми дифракционными решётками считаются [3] МФС-8, его вакуумный аналог ДФС-51 и спектрометр с компенсацией астигматизма ДФС-458. Оптическая схема таких приборов - схема Пашена - Рунге . Также существуют зарубежные аналоги, такие как приборы Baird, Polivac и ARL, а также спектрометры фирмы Spectro.

Решётка прибора МФС-8 представляет собой классическую вогнутую дифракционную решётку с 1800 штр/мм. Это очень хорошая решётка, но она была разработана около 30 лет назад. Основным ее недостатком является большой астигматизм. Некоторые характеристики ВДР приведены в приложении 2.

Вакуумным аналогом прибора МФС-8 является прибор ДФС-51. Его решётка имеет 2400штр/мм. Кроме большого астигматизма, она имеет несколько меньшую интенсивность спектральных линий по сравнению с МФС-8.

Астигматизм скомпенсирован в вогнутой дифракционной решетке (1800 штр/мм) спектрографа ДФС-458. Поэтому этот спектрограф имеет хорошую светосилу, но он предназначен для работы с фотопластинками, для чего в него встроена полевая линза, выпрямляющая поверхность фокусировки спектра, которая ухудшает разрешение спектрографа, ограничивает спектральный диапазон и добавляет фон, а также угол блеска дифракционной решетки составляет 250 нм.

Создание многоканального спектрометра с ТДИ в качестве системы регистрации выдвигает следующие требования к вогнутой дифракционной решетке:

- Уменьшение астигматизма спектральной линии (так при высоте входной щели 2 мм высота спектральной линии составляет около 20 мм; для ТДИ высотой 1 мм это может привести к падению интенсивности линии на порядок).

- Смещение угла блеска в коротковолновую область спектра (220нм) (в связи с расширенной областью чувствительности ТДИ).

Угол падения для ВДР должен быть 26,5°. Его выбор не случаен. Известно, что в области 187-350нм и 390-450 нм расположены аналитические линии практически всех элементов таблицы Менделеева, необходимые для АЭС анализа. Именно по этой причине была выбрана величина угла дифракции для дифракционных решёток - 26,5°: дифракционная щель расположена в неинтересном для АЭС анализа спектральном диапазоне 350-390 нм. (+молекулярные линии для источника спектра на воздухе), а слева и справа от щели находятся интересные для АЭС анализа спектральные промежутки-187-350нм и 390-450 нм.

ВДР должна иметь большое разрешение: не менее 2400 штр/мм

Ни одна известная вогнутая дифракционная решётка не удовлетворяет этим требованиям.

2.3 Многоэлементные твёрдотельные детекторы излучения

Рассмотрим ТДИ применяемые в спектрометрах для АЭС [1]. В АЭС используются как спектрометры с одномерной дисперсией, так и спектрометры со скрещенной дисперсией с двумерной дисперсией. Соответственно спектры представляют собой одномерное или двумерное распределение света, для регистрации которого нужны одномерные (линейки) или двумерные (матрицы) ТДИ.

Начнем с рассмотрения матричных ТДИ [3]. Сегментный ПЗС прибора OPTIMA (Perкin Elmer) имеет 224 сегмента (рис.2.9), установленных так, что регистрируется 3-4 аналитических линий 72 элементов в диапазоне от 167 нм (132 порядок прибора со скрещенной дисперсией) до 780 нм (28 порядок). Дискретное расположение сегментов позволило избавиться от блюминга (перетекание излишка заряда в соседние ячейки) между сегментами, однако внутри сегментов проблема блюминга осталась. Регистрация неполного спектра (всего около 3%) ограничивает выбор аналитических линий.

Матрица ПЗИ прибора IRIS (Thermo Jarrel Ash) позволяет получать полную картину спектра (рис.2.9). Она имеет возможность считывания сигнала без сброса заряда ячейки (неразрушающее считывание), что позволяет контролировать накопление сигнала для расширения динамического диапазона. Матрица ПЗИ содержит 512х512 ячеек размером 28х28 мкм. Квантовая эффективность матрицы падает к 400 нм. В связи с этим поверхность ячеек покрыта люминофором (Lumogen), что повышает квантовый выход в УФ (до 20% на 200 нм).

Диагональная матрица ПЗС прибора VistaVarian (Varian) представляет из себя набор линеек ПЗС, расположенных наклонно (в соответствии с картиной спектра) на одном кристалле (рис.2.9). Количество фотоячеек 70.000. В детекторе удалось избавиться от блюминга.

Широкое внедрение матриц ТДИ в АЭС затруднено их малыми размерами. Что еще усугубляется большой нелинейностью дисперсии призмы, применяемой в спектрометрах со скрещенной дисперсией. Поэтому сейчас более перспективно использование в АЭС сборок из нескольких линейных ТДИ. Технически изготовление многолинейчатой сборки ТДИ сложней изготовления одиночной матрицы, но при этом не требуется изготавливать специальные спектрометры со скрещенной дисперсией с целью уменьшения спектра до размеров матрицы 10x10 (20x20) мм. Такое уменьшение АЭС спектра в спектрометрах со скрещенной дисперсией приводит к ряду неприятностей ухудшающих параметры спектра, например, требует уменьшения высоты входной щели до ~0,1 мм, что более чем в 10 раз меньше обычной высоты входной щели и соответственно на порядок уменьшает чувствительность спектрометра. Ряд фирм предлагают приборы выполненные на основе многолинейчатых сборок. Это фирма Spectro - спектрометр Ciros, КОМЗ - спектрометры ДФС-458 и ДФС-461, фирмы ИСАН, Спектральная лаборатория и Славна. Все перечисленные фирмы в своих многолинейчатых сборках используют ПЗС линейки фирм Sony или Toshiba.

Принципы конструкции многолинейчатых сборок всех перечисленных фирм одинаковы и определяются применением корпусированных ПЗС линеек с длиной корпуса ~ в 1,5 раза большем длины фотоприемной области. Каждая линейка крепится и юстируется отдельно, а для уменьшения мертвых зон в спектре используется разводка света зеркалами. Вынужденная сложность конструкции чаще всего проявляется при изменении температуры и приводит к дрейфу спектра индивидуальному для каждой линейки. Причем в области стыка (около 0,5 мм) дрейф линии приводит к изменению интенсивности линии за счет перекрытия части пучка краем зеркала.

Главными недостатками ПЗС линеек фирмы Sony (рис.2.10 сверху) являются малый динамический диапазон 3 порядка и отсутствие УФ чувствительности. УФ чувствительность на данных ПЗС линейках получается путем нанесения люминофора.

Основным их достоинством является дешевизна, т.к. они выпускаются в большом количестве для считывания штрих кодов в супермаркетах.

Специально для АЭС предприятием ”ВМК-Оптоэлектроника” была разработана и производится фотодиодная линейка (рис.2.10 снизу). Она имеет специальные конструктивные особенности для обеспечения создания микросборок из нескольких линеек фотодиодов. Это безкорпусное исполнение фотодиодных линеек в виде кремниевого кристалла с минимальными расстояниями (<0,5 мм) от краев кристалла до фоточувствительной зоны и односторонние выводы контактов, в том числе с помощью гибких полиамидных шлейфов. Подобное конструктивное исполнение фотодиодных линеек позволяет создавать монолитные микросборки из нескольких линеек фотодиодов для модернизации всех типов спектрографов и спектрометров. Данные линейки имеют динамический диапазон 4 порядка и имеют чувствительность в УФ области начиная со 115нм. Общий вид фотодиодной линейки приведён на рис.2.11. Шаг ячеек составляет 12,5 мкм, высота ячеек 1 мм, количество ячеек 2560.

В зависимости от типа используемого прибора линейки могут устанавливаться на прямой, на круге Роуланда и могут быть многострочными для приборов со скрещенной дисперсией.

На основе микросборок фотодиодных линеек производятся анализаторы МАЭС, предназначенные для измерения интенсивностей спектральных линий и последующего вычисления концентраций определяемых элементов. Структурная схема анализатора МАЭС приведена на рис.2.12

Анализатор МАЭС является средством измерения интенсивности спектральных линий. Он включен в Реестр измерительных приборов РФ.

Качество анализа во многом определяется характеристиками ТДИ используемых в анализаторах МАЭС. Поэтому при производстве серийных и создании новых ТДИ для анализаторов МАЭС осуществляется контроль их характеристик, таких как темновой сигнал, темновой ток, чувствительность (на длине волны 630 нм), шум и память. При этом идет процесс постоянного улучшения характеристик ТДИ за счет совершенствования технологии их изготовления. Наряду с положительным эффектом этот процесс может приводить к неожиданным отрицательным результатам.

Так, например, хороший результат - уменьшение темнового тока ТДИ, достигнутое в одной из партий изменением в технологии изготовления, сопровождался потерей чувствительности ТДИ в УФ области спектра при длинах волн меньших 230 нм.

Причем этот факт был обнаружен только в процессе применения соответствующего анализатора МАЭС. Поэтому возникла задача создания установки для измерения квантовой эффективности (КЭ) (или спектральной чувствительности) ТДИ во всём спектральном диапазоне атомно-эмиссионного анализа 160-900 нм. Измерению квантовой эффективности должен подвергаться хотя бы один ТДИ из каждой партии ТДИ, вышедшей из производства (все ТДИ из одной партии проходят один технологический маршрут).