Как конструируется модульный оптический спектрометр

Как конструируется модульный оптический спектрометр
К. С. Сычев
Оглавление
1. Когда модульный спектрометр может быть предпочтительнее серийного?
2. Общее устройство модульного спектрометра. Спектрограф/монохроматор. Детектор. Источники излучения.
Отделение для образца. Оптоволоконные кабели и зонды
3. Несколько примеров конструирования спектрометра под определенные задачи
4. Составление технического задания на модульный спектрометр
5. Как выбирается монохроматор/спектрограф и дифракционная решетка?
6. Как выбирается детектор?
7. Характеристики полихроматических источников излучения
Когда модульный спектрометр может быть предпочтительнее серийного?
Одним из направлений деятельности Horiba Scientific (Jobin-Yvon) является производство
широкого ассортимента унифицированных спектральных модулей, а также изготовление из этих
модулей спектрометров «под ключ», то есть под индивидуальные технические требования
заказчика. Соответствующее подразделение компании называется Optical Spectroscopy Division,
OSD (Отдел Оптической Спектроскопии).
Модульные спектрометры предназначены для работы с приложениями
двух основных категорий.
К первой категории относятся редкие и специфические приложения,
требующие особого подхода к конструированию спектрометра. К
качестве примера можно привести установку для исследования
флуоресценции
при
возбуждении
излучением
глубокого
ультрафиолетового диапазона (см. рис. 1).
Ко второй категории относятся приложения, специфика которых, напротив,
позволяет отказаться от ряда дорогостоящих узлов серийных спектрометров.
Модульные спектрометры для таких приложений оптимизируются, в первую
очередь, по цене. Основные области их применения, как правило, связаны с
контролем
изделий
и
диагностикой
оборудования
на
промышленных/химических производствах, а также с выполнением
измерений в «полевых условиях», то есть не в стационарной лаборатории. На
рисунке 2 показан достаточно простой спектрометр, состоящий из спектрографа,
многоканального детектора и зондов на оптоволокне для проведения удаленных измерений.
Общее устройство модульного спектрометра. Спектрограф/монохроматор.
Источники излучения. Отделение для образца. Оптоволоконные кабели и зонды
Детектор.
В широкой трактовке, оптический спектрометр – это прибор для спектрального анализа излучения,
диапазон которого может варьироваться от ближнего УФ до ближнего ИК (то есть включая всю
видимую часть).
Центральным элементом прибора является модуль, в котором происходит разложение
анализируемого излучения в спектр. Если на выход устройства подается весь спектр (точнее,
значительный его участок), то модуль называется спектрографом, или полихроматором. Если на
выход устройства подается лишь узкая, специально выделенная из спектра полоса, то модуль
называется монохроматором.
Как правило, монохроматоры снабжены сканирующим приводом, что позволяет получать кусочнонепрерывный спектр путем последовательного «пробегания» прибором всех позиций своего
рабочего диапазона. Высокая скорость привода позволяет сканировать весь рабочий диапазон за
секунды. Монохроматор может выступать не только в роли анализатора исследуемого излучения,
но также являться составной частью источника монохроматического излучения (см. далее).
Спектрографы можно разделить на растровые (imaging) и не-растровые. Растровые спектрографы
снабжены специальной корректирующой оптикой, позволяющей подавать на выход устройства не
один, а сразу несколько спектров одновременно. Растровые спектрографы, к примеру,
используют в тех случаях, когда требуется отслеживать спектральную информацию от нескольких
объектов-источников излучения одновременно.
Не-растровые спектрографы, соответственно, могут в каждый момент времени работать только с
одним спектром.
Спектрограф и монохроматор могут быть совмещены в едином блоке. На
рисунке 4 показана рабочая схема спектрального модуля iHR320, который
может работать как в режиме растрового спектрографа, так и в режиме
сканирующего монохроматора. На привод модуля можно устанавливать до
трех различных дифракционных решеток (см. рис. 5), что позволяет
оптимизировать соотношение между шириной рабочего диапазона и
спектральным разрешением. Приведенная на рисунке 3 оптическая схема
в общем случае относится к т.н. системе Черни-Тернера, на основе
которой выполнены все спектрометры производства Horiba Scientific
(Jobin-Yvon).
Вторым, но не менее важным элементом оптического спектрометра является детектор (или
детекторы). Детекторы делятся на одноканальные и многоканальные. Одноканальный детектор
представляет собой единое оптоэлектронное устройство, которое может генерировать только
один электрический сигнал. Многоканальные детекторы состоят из тысяч мельчайших
оптоэлектронных элементов, которые называют точками или пикселями (pixel). Многоканальные
детекторы способны генерировать большое число электрических сигналов одновременно.
Существует достаточно большое количество различных типов
многоканальных детекторов: CCD (ПЗС-матрица), iCCD, IGA
(InGaAs-матрица), PDA (фотодиодная матрица). Кроме того,
каждый тип детектора может иметь несколько вариантов
конструкций и охлаждения. Тем не менее, линейка
полупроводниковых светочувствительных элементов (см. рис. 6) является
основным элементом для каждого из них. Каждый тип многоканального
детектора имеет определенные преимущества и недостатки, то есть, в итоге,
свою оптимальную область применения. На рисунке 7 показан ССD серии
Synapse с термоэлектронным охлаждением. На рисунке 8 два CCD серии
Symphony: с термоэлектронным охлаждением и с охлаждением жидким азотом.
Многоканальные детекторы применяют в сочетании со
спектрографами: на выходную щель спектрографа
подается участок спектра, который единовременно
регистрируется
линейкой
светочувствительных
элементов
многоканального детектора. На рисунке 9 показан спектрограф MicroHR
с установленным многоканальным IGA детектором на ближнюю ИК область.
Чтобы регистрировать спектр при помощи одноканального детектора, его необходимо установить
на сканирующий монохроматор. В этом случае для получения спектра в спектрометру требуется
по крайней мере от нескольких десятых секунд до секунд для последовательного сканирования
заданного спектрального диапазона. В некоторых приложениях сразу несколько одноканальных
детекторов могут быть установлены на спектрограф. В этом случае они жестко фиксируются на
т.н. круге Роланда; при этом каждый одноканальный детектор регистрирует только одну
определенную полосу в спектре, и количество устанавливаемых детекторов диктуется числом
спектральных полос, которые необходимо регистрировать для данного приложения.
Существует
два
основных
типа
одноканальных
детекторов:
PMT
(фотоэлектронные умножители, ФЭУ) и DSS (твердотельные детекторы). ФЭУ
(см. рис. 10) является электровакуумным прибором, в котором фототок
усиливается в умножительной системе в результате вторичной электронной
эмиссии. Твердотельный детектор (см. рис. 11) является полупроводниковым
оптоэлектронным устройством, по принципу действия: фотодиодом или
фоторезистором.
На спектральные модули типа iHR 320/550 или TRIAX 320/550, которые могут
работать и как растровые спектрографы, и как монохроматоры, можно
устанавливать оба типа детекторов: одноканальный для работы с
монохроматором и многоканальный для работы со спектрографом. На
спектральные модули типа TRIAX 322/552 можно устанавливать два различных
многоканальных детектора – к примеру, каждый под определенный спектральный диапазон.
Кроме модуля анализа исследуемого излучения (анализатора), комплексные спектральные
системы могут включать различные вспомогательные блоки, предназначенные для получения,
сбора и передачи излучения от исследуемого объекта в анализатор. К таким блокам можно
отнести источники света, кюветные отделения, оптоволоконные зонды и многие другие
устройства.
Источники света необходимы в том случае, когда исследуемое
излучение можно получить лишь подвергнув образец
воздействию падающего света. Источники света в оптическом
диапазоне могут быть полихроматическими (лампы, см. рис.
12), квази-монохроматическими (лампы, установленные на
монохроматор) и условно монохроматическими (лазеры, светодиоды
высокого качества типа NanoLED, см. рис. 13).
Исследуемый образец может являться твердым телом, жидкостью, газом. Он может рассеивать,
частично поглощать падающее излучение, испускать собственое вторичное излучение. В
зависимости от агрегатного состояния и размеров образца, условий эксперимента, характера
собираемого от образца излучения возможны различные варианты организации размещения
образца и его совмещения с узлами спектрометра.
Классическим решением, приемлемым для большинства жидких и небольших твердых образцов,
является применение стандартного отделения для образцов, которое оснащается либо кюветой
(для жидких образцов), либо держателем (для твердых образцов). Т-образное отделение для
образцов имеет три выхода: два располагаются напротив друг друга и один перпендикулярно –
что позволяет собирать как проходящее излучение, так и вторичное и рассеянное под углами 90 и
0 градусов.
Для проведения удаленных измерений применяют
различные типы зондов (см. рис. 14), которые
соединяются с узлами спектрометра при помощи
оптоволоконных
кабелей.
Для моделирования
специальных
условий
во
время
проведения
измерения образец может быть размещен в
специальной ячейке (см. рис. 15)
Несколько примеров конструирования спектрометра под определенные задачи
Фотолюминесценция, катодолюминесценция
На рисунке 16 показана типичная схема спектрофлуориметра,
выполненного на базе двух спектральных модулей iHR 320. Один из
модулей (на рисунке он слева) работает как монохроматор
возбуждения; на его вход установлена ксеноновая лампа, на выход –
отделение для размещения образца. При помощи данного модуля из
полихроматоческого
излучения
лампы
выделяется
квазимонохроматическое излучение необходимой длины волны, действию которого подвергается
образец. Испускаемое образцом вторичное излучение поступает во второй модуль iHR 320
(анализатор), который раскладывает его в спектр. На модуле установлены два детектора:
одноканальный PMT и многоканальный CCD. Соответственно, регистрировать спектр
фотолюминесценции можно и в режиме «монохроматор-PMT», и в режиме «спектрограф-CCD».
На рисунке 17 показана одна из возможных схем
спектрометра
для
исследования
низкотемпературной фотолюминесценции. Спектрометр
(см. рис. 18) выполнен на базе спектрального
модуля iHR 550; в качестве источника излучния
применяется лазер. Для регистрации применяются
два многоканальных детектора, один из которых охлаждается жидким
азотом.
Рамановская спектроскопия
На базе спектральных модулей iHR 320 / 550 могут быть собраны
модульные Рамановские спектрометры. Схема одного из возможных
вариантов приведена на рисунке 19. Образец вынесен из спектрометра, то
есть проводится удаленное измерение. Изучение внешнего лазера
подводится к образцу при помощи оптоволоконного кабеля. Второй
оптоволоконный кабель отводит рассеянное излучение к спектрометру.
Оба оптоволоконных кабеля (со стороны образца) крепятся к зонду.
Рассеянное излучение сначала поступает на оптический фильтр, который
отсекает Релеевскую компоненту. Затем спектрограф раскладывает
излучение в спектр, который регистрируется многоканальным CCD
детектором.
На рисунке он 20 показан подобный модульный Рамановский спектрометр,
оснащенный микроскопом.
Адсорбционная спектроскопия
Достаточно удобно применять спектральные модули для конструирования
спектрометров для абсорбционной спектроскопии. На рисунке 21 показана
схема многоцелевого спектрометра, позволяющего получать спектры
абсорбции в УФ и видимом диапазоне в проходящем и отраженном свете.
Прибор состоит спектрографа/монохроматора, отделения для размещения
образца, двух ламп, одного одноканального и одного многоканального
детектора. Как правило, в качестве источника излучения применяют
ксеноновые, дейтериево-ксеноновые или дейтериево-вольфрамовые
лампы мощностью 75 Вт. В качестве многоканального детектора можно применять PDA (детектор
с фотодиодной матрицей).
Эмиссионная спектроскопия/Исследование плазмы
Исследование процессов, протекающих в плазме, требует особого подхода
к конструированию спектрометра. Применяемый спектрограф должен быть
растровым, поскольку одновременно необходимо контролировать сразу
несколько источников излучения – различных зон плазмы (см. рис. 22). В
качестве многоканального детектора, как правило, применяют iCCD (интенсифицированные ПЗС)
детекторы. Они позволяют проводить измерения с высоким временным разрешением; с другой
стороны, интенсифицированные ПЗС оптимально подходят для измерения даже очень слабых
сигналов.
Составление технического задания на модульный спектрометр
Технические характеристики модульного спектрометра не являются «простой суммой»
характеристик его отдельных узлов. Все узлы прибора должны правильно сочетаться друг с
другом, чтобы на выходе давать требуемые спектральные характеристики. Таким образом,
конструирование модульного спектрометра начинается с составления списка требований к
прибору, то есть с технического задания.
В частности, в начале необходимо определиться со следующими характеристиками (минимально
необходимыми и желаемыми): спектральным диапазоном, спектральным разрешением,
чувствительностью, экспрессностью. Кроме того, на комплектацию спектрометра критически
влияет и тип исследуемого образца: его агрегатное состояние, размер и структура (для твердого
образца) – а также необходимость моделирования специальных условий для образца, или же
необходимость ин-лайн диагностики, контроля какого-либо процесса и т.д.
Спектральный диапазон прибора определяется выбором: типа спектрального модуля
(спектрографа/монохроматора), дифракционных решеток для спектрального модуля и детектора
(или детекторов). Как правило, рабочий диапазон спектральных модулей достаточно широк, и
поэтому их выбор не является лимитирующим в плане диапазона. Иногда некоторые ограничения
на спектральный диапазон могут оказывать дополнительные устройства (к примеру, через линзы
конфокального микроскопа не проникает свет в ультрафиолетовом диапазоне).
Диапазон эффективной работы прибора в основном определяется подбором дифракционных
решеток и детекторов: их оптимальные рабочие диапазоны должны совпадать или, как минимум,
значительно перекрываться. Поскольку спектральные модули Horiba Scientific позволяют
устанавливать до трех дифракционных решеток и до двух различных детекторов, то задача
подбора данных компонент может иметь множество возможных решений.
Спектральное разрешение зависит, прежде всего, от выбора типа спектрального модуля и
дифракционных решеток: оно тем больше, чем больше фокальное расстояние спектрального
модуля и выше плотность штрихов дифракционной решетки. При работе с монохроматором
разрешение увеличивается при сужении спектральной щели. Однако, улушить разрешение таким
образом можно только до определенного максимального значения, которое, собственно говоря, и
приводится в документации на спектральный модуль (с указанием типа дифракционной решетки
и длины волны, на которой производится измерение).
Следует отметить, что любой способ повышения разрешения приводит в той или иной мере к
снижению светосилы и, как следствие, чувствительности прибора (если зафиксировать все
прочие характеристики). Кроме того, применение дифракционных решеток с большей плотностью
штрихов приводит к закономерному снижению рабочего спектрального диапазона.
В ряде приложений бывает крайне важно обеспечить высокую чувствительность спектрометра в
определенном спектральном диапазоне. Основным подходом к повышению чувствительности
является применение специализированных детекторов.
Как выбирается монохроматор/спектрограф и дифракционная решетка?
Одной из наиболее важных характеристик спектрального модуля с установленной дифракционной
решеткой является дисперсия, измеряемая в нм/мм. Дисперсия показывает какой ширины
спектральный диапазон (в нанометрах) приходится на 1 миллиметр физической длины (на
выходной щели). Чем ниже дисперсия, то есть чем сильнее «растягивается» спектр, тем выше
разрешение.
При работе с монохроматором разрешение также зависит от ширины щели, и выражается такой
характеристикой как ширина полосы пропускания (bandpass). К примеру, для TRIAX 320 с
решеткой 1200 штр./мм линейная дисперсия D = 2.64 нм/мм. Если проводить измерения со
входной щелью шириной 100 мкм, то ширина полосы пропускания BP = 2.64 x 0.1 = 0.264 нм.
Однако, ширину щели имеет смысл уменьшать (для повышения разрешения) лишь до
определенного предела – т.н. предела дифракции, который составляет 10-20 мкм. Измерения
полосы пропускания со щелью 10 мкм дается в спецификации монохроматора как разрешение R =
0.06 нм. Эта величина измеряется экспериментально – ее затруднительно рассчитать, поскольку
зависимость между шириной полосы пропускания и шириной щели на пределе дифракции
отличается от линейной.
При работе со спектрографом и многоканальным детектором смысл термина «ширина полосы
пропускания» несколько иной. В данном случае им обозначают весь спектральный диапазон,
который физически (по размеру) укладывается на линейку светочувствительных элементов
детектора. Другими словами, это своего рода «окно» спектра, который единовременно
регистрируется мультиканальным детектором (для перехода к другому такому «окну» в процессе
получения спектра положение дифракционной решетки автоматически изменяется приводом
спектрального модуля).
Для TRIAX 550 с дифракционной решеткой 1200 штр./мм и CCD 2048х512 пикселей (длина пикселя
составляет 13.5 мкм) дисперсия составляет D = 1.55 нм/мм, а ширина линейки детектора 2048 x
0.0135 = 27.648 мм. Таким образом, на линейку, то есть по всей ее ширине, приходится
спектральный диапазон BP = 1.55 x 27.648 = 42.85 нм. Эта величина и является в данном случае
шириной полосы пропускания. Что касается разрешения, то его значение будет зависеть от того,
сколько пикселей считать эквивалентом щели монохроматора. Как правило, принимается
значение в 3 пикселя. Таким образом, разрешение R = 42.85 / 2048 x 3 = 0.06 нм.
В таблице 1 приведены основные типы спектральных модулей Horiba Scientific (Jobin-Yvon), в
таблице 2 – оптимальные области применения модулей.
Таблица 1.
Модель
Фокальное
расстояние, мм
Растр
(imaging)
Апертура
Спектральный
диапазон
Разрешение*
H-10
100
f/3.5
185 нм - 3.2 мкм
CP140
140
Есть
f/2.0
190 нм - 2.5 мкм
VS140
140
f/2.4
190 нм - 1100 нм
Micro HR
140
Есть
f/3.88
150 нм - 15 мкм
(ручн./авт.)
TRIAX 180/190
190
Есть
f/3.9
185 нм - 40 мкм
Gemini-180
180
f/3.8
185 нм - 40 мкм
(двойной)
H-20
200
f/4.2
185 нм - 3.2 мкм
iHR320
320
Есть
f/4.1
150 нм - 40 мкм
iHR550
550
Есть
f/6.4
150 нм - 40 мкм
FHR 640
640
f/5.4
185 нм - 40 мкм
1000M
1000
f/8.0
185 нм - 40 мкм
FHR 1000
1000
f/9.0
185 нм - 40 мкм
1250M
1250
f/9.0
185 нм - 40 мкм
* С применением дифракционной решетки 1200 штр./мм, ширина спектральной щели 10
** С применением дифракционной решетки 1200 штр./мм
Дисперсия **
1 нм
1.4 нм
8 нм/мм
16.7 нм/мм
0.3 нм
-
0.3 нм
3.6 нм/мм
0.15 нм
1.77 нм/мм
0.5 нм
0.06 нм
0.025 нм
0.016 нм
0.008 нм
0.008 нм
0.006 нм
мкм
4 нм/мм
2.35 нм/мм
1.55 нм/мм
1.2 нм/мм
0.8 нм/мм
0.8 нм/мм
0.65 нм/мм
Тип спектрального модуля
Модель
Возможности *
Абсорбционная спектроскопия
Световой фильтр
Флуоресценция
Атомная эмиссия в плазме
Люминесценция
Рамановская спектроскопия
Катодолюменценция
LIBS **
LIPS / LIF **
Таблица 2.
Небольшие монохроматоры и
спектрографы
H10
H20
CP140
CP200
MicroHR
М
М
СР
СР
МСР
++
++
+
+
++
++
++
++
+
+
+
+
++
+
++
++
++
+
+
+
+
++
+
++
++
++
+
+
++
+
+
+
+
++
Серия TRIAX
180/190
320/322
550/552
МСР
МСР
МСР
+
++
++
+
+
-
++
++
+
++
++
++
+
++
++
++
++
++
+
+
++
++
++
+
++
+
++
++
++
++
++
+
-
++
++
++
++
++
++
+
-
+
+
+
+
+
-
+
+
+
+
+
-
500M
МС
+
+
++
FHR640
МС
+
++
750Mi
МСР
+
++
Классические монохроматоры
FHR1000
МС
+
++
и спектрографы
1000M
МС
+
++
1250M
МС
+
Gemini
М
++
++
++
++ рекомендуется, + применение возможно, - не рекомендуется
* М – монохроматор, С – спектрограф, Р – растровый спектрограф
** LIBS – лазерная эмиссионная спектроскопия, LIPS – лазерная спектроскопия плазмы, LIF
флуоресценция
– индуцированная лазером
Одними из наиболее популярных растровых спектрографов/монохроматоров являются
спектральные модули серии iHR. Подробные технические характеристики модулей iHR320 и
iHR550 приведены в таблицах 3 и 4, соответственно.
Таблица 3.
iHR320
CCD c 13.5 мкм пикселами
CCD c 26 мкм пикселами
Плотность
штрихов
решетки
Дисперсия
нм/мм
Механический
диапазон, нм
Ширина полосы
пропускания (нм)
с 26.7 мм CCD
Диапазон на
1 пиксел,нм
Спектральное
разрешение,нм
Диапазон на
1 пиксел,нм
Спектральное
разрешение,нм
3600
2400
1800
1200
900
600
300
150
0.20
0.87
1.38
2.31
3.20
4.94
10.12
20.43
0-500
0-500
0-1000
0-1500
0-2000
0-3000
0-6000
0-12000
5
23
37
62
85
132
270
545
0.003
0.012
0.019
0.031
0.043
0.067
0.137
0.276
0.01
0.04
0.06
0.09
0.13
0.20
0.41
0.83
0.005
0.023
0.036
0.060
0.083
0.128
0.263
0.531
0.02
0.07
0.11
0.18
0.25
0.39
0.79
1.59
Таблица 4.
iHR550
CCD c 13.5 мкм пикселами
CCD c 26 мкм пикселами
Плотность
штрихов
решетки
Дисперсия
нм/мм
Механический
диапазон, нм
Ширина полосы
пропускания (нм)
с 26.7 мм CCD
Диапазон на
1 пиксел,нм
Спектральное
разрешение,нм
Диапазон на
1 пиксел,нм
Спектральное
разрешение,нм
3600
2400
1800
1200
900
600
300
150
0.16
0.53
0.81
1.34
1.84
2.83
5.75
11.58
0-500
0-500
0-1000
0-1500
0-2000
0-3000
0-6000
0-12000
4
14
22
36
49
76
154
309
0.002
0.007
0.011
0.018
0.025
0.038
0.078
0.156
0.01
0.02
0.03
0.05
0.07
0.11
0.23
0.47
0.004
0.014
0.021
0.035
0.048
0.074
0.150
0.301
0.01
0.04
0.06
0.10
0.14
0.22
0.45
0.90
Таблица 5.
FHR 640/1000
Модель
Фокальное расстояние
Апертура
Размер решетки
Одинарная решетка
Двойная решетка
FHR 640
640 мм
f/5.4
110 мм х 110 мм
80 мм х 110 мм
0-1500 нм
> 300 нм/сек
1.2 нм/мм
0.016 нм
± 0.03 нм
± 0.015 нм
0-2 мм
0-7 мм
740 мм
350 мм
350 мм
65 кг
FHR 1000
1000 мм
f/9
Диапазон сканирования
Скорость сканирования
Спектральная дисперсия*
0.8 нм/мм
Спектральное разрешение**
0.010 нм
Точность установки позиции привода
Воспроизводимость позиции привода
Стандарт
Ширина спектральной щели
Опция
Длина
1160 мм
Размер
Ширина
430 мм
Высота
350 мм
Вес
70 кг
* С применением дифракционной решетки 1200 штр./мм
** С применением дифракционной решетки 1200 штр./мм, ширина спектральной щели 10 мкм
Наиболее популярными «классическими» спекральными модулями с
большим
фокальным
расстоянием
являются
спектрографы
/монохроматоры серии FHR (см. рис. 23, табл. 5).
Спектральные
модули
Horiba
Scientific
(Jobin-Yvon)
могут
комплектоваться одной, двумя или тремя различными дифракционными
решетками.
По
способу
производства
выделяют
нарезные,
голографические и изготовленные методом ионного травления решетки. Каждый тип
дифракционных решеток имеет свою оптимальную область применения (см. табл. 6).
Таблица 6.
Приложение
Рамановская спектроскопия
Люминесценция
Абсорбционная спектроскопия
Флуоресценция
Атомная эмиссия
Нарезные
Голографические
Ионное травление
++
++++
++++
+
++++
+
+
++
++
+++
++
++
+++
Дифракционная решетка характеризует ся числом штрихов на мм (которое определяет
разрешение), спектральным диапазоном и длиной волны блеска (которая определяет наиболее
эффективный диапазон).
Плотность штрихов дифракционной решётки определяет её дисперсию, а угол наклона грани
штриха (угол блеска) определяет самую эффективную область спектра. Увеличение плотности
штрихов повышает оптическое разрешение, но сужает спектральный диапазон (см. табл. 7). Все
нарезные и голографические дифракционные решетки имеют спектры первого порядка,
оптимизированные для определенного спектрального диапазона. Наиболее эффективной
областью является интервал длин волн, в котором энергетическая эффективность превышает 30%.
Для нарезных решеток эффективный диапазон
определяется неравенством 2/3λ < λ < 2λ, где λ –
длина волны блеска. На рисунке 24 показаны кривые
эффективности для двух нарезных решеток с
плотностью штрихов 600 штр./мм и длиной волны
блеска 400 нм.
В некоторых случаях дифракционные решётки имеют
больший спектральный диапазон по сравнению с
диапазоном эффективной дифракции.
Таблица 7.
Плотность штрихов,
нм
Дисперсия,*
нм/мм
Длина волны блеска **,
нм
Спектральный диапазон,
нм
Размер блика,
мм х мм
1200
4
450
300-1100
40х45
1200
4
350
200-1000
40х45
1200
4
250
190-900
40х45
1200
8
350
250-800
32х32
800
12
300-1200
32х32
600
16
400-1600
32х32
300
32
800-3200
32х32
* Значение получено на спектральном модуле H10-61 с фокальным расстоянием 100 мм
** Значение длины волны блеска дано для высокоэффективных решеток, полученных ионным травлением (остальные
дифракционные решетки – нарезные)
Как выбирается детектор?
Одноканальные детекторы
Выбор между PMT (фотоэлектронным умножителем, ФЭУ) и DSS (твердотельным детектором) в
основном определяется требованиями к динамическому диапазону, чувствительности и скорости
действия детектора. Наиболее выдающимися характеристиками обладают фотоумножители; с
другой стороны, они обладают и большей стоимостью. Твердотельные детекторы в целом
дешевле, но проигрывают фотоэлектронным умножителям по техническим характеристикам.
Таблица 8.
Модель
Тип ФЭУ, охлаждение
Спектральный
диапазон, нм
1911 F/G
R928 мультищелочной ФЭУ
190-860
1912 F/G
S1 R406 ФЭУ, охлаждение
вода / ТЭ
400-1100
1913 F/G
R943-02 GaAs ФЭУ,
охлаждение вода / ТЭ
200-930
1914 F/G
R928 мультищелочной ФЭУ,
охлаждение вода / ТЭ
190-860
Примечание
Требуется высоковольтный источник 200-1200В
Требуется высоковольтный источник до 1500В.
Должен использовать токовый вход, хотя можно
использовать и счет фотонов. Также включает
адаптер линзы 1630C
Рекомендуется режим счета фотонов. Требуется
высоковольтный источник 1500В, можно до 1800В.
Также включает адаптер линзы 1630C
Требуется высоковольтный источник 1500В.
Используется токовый вход или счет фотонов.
Также включает адаптер линзы 1630C
Динамический диапазон наиболее совершенных HDD PMT, ФЭУ с автоподстройкой коэффициента
усиления, составляет 10 порядков величины (для лучших твердотельных детекторов это значение
не превышает 5 порядков). Высокий динамический диапазон позволяет при помощи одного
детектора регистрировать как наиболее сильные, так и самые слабые сигналы с сохранением
линейности отклика. Спектральный диапазон фотоэлектронных умножителей составляет 200-800
нм для оптимизированных под УФ-видимое и 400-1000 нм – под видимое-ИК излучение (см. рис.
25).
Твердотельные детекторы при сравнительно невысокой стоимости имеют достаточно высокую
чувствительность и эффективность. Их спектральные диапазоны в зависимости от типа и
конструкции варьируются от 200 нм до 20 мкм (см. рис. 25, табл. 8). Твердотельные детекторы
могут выполняться без охлаждения, с термоэлектрическим охлаждением и с охлаждением
жидким азотом.
По
принципу
действия
различают
фотоэмиссионные детекторы (фотодиоды) и
фотопроводящие детекторы (фоторезисторы).
Фотоэмиссионные детекторы – это быстрые и
чувствительные датчики, которые не требуют
применения усилителя и прерывателя (за
исключением некоторых применений). Их
верхний спектральный диапазон ограничен
приблизительно 5 мкм. Фотопроводящие
детекторы медленнее и не как чувствительны,
но их спектральный диапазон в ИК области достигает 12 мкм и выше. Прерыватель и усилитель
для них не требуются. Хорошо известным детектором такого типа является MCT (HgCdTe) ртутькадмий-теллурный датчик.
Так называемые «двухцветные» (two color) детекторы представляют собой датчики с
конструкцией сэндвич-типа, как првило, с кремниевым детектором с фронта и детектором иного
типа позади. Кремний работает до 1.1 мкм, выше которых становится прозрачным – и в работу
включается второй детектор. «Двухцветные» датчики с PbS и PbSe требуют наличие прерывателя
и усилителя.
Многоканальные детекторы
Существует достаточно большое количество различных типов многоканальных детекторов: CCD
(ПЗС-матрица), iCCD, IGA (InGaAs-матрица), PDA (фотодиодная матрица). В таблице 8 приведены
оптимальные области применения для CCD, iCCD и IGA детекторов. Фотодиодные матрицы, не
приведенные в таблице, предназначены для работы с достаточно интенсивными световыми
потоками, и поэтому применяются, к примеру, в абсорбционнной спектроскопии.
Наиболее широким применением в спектроскопии
обладают CCD (приборы с зарядовой связью, ПЗС),
которые по способу засветки светочувствительных
элементов
подразделяются
на
детекторы
с
фронтальной засветкой матрицы и с обратной
засветкой матрицы. В свою очередь, детекторы с
фронтальной засветкой матрицы подразделяются на
стандартные (оптимизированные для УФ-видимой и
видимой областей), с открытым электродом и с
улучшенным поглощением в ИК области. Детекторы с
обратной засветкой матрицы подразделяются на
стандартные (оптимизированные для УФ-видимой и
видимой областей) и с улучшенным поглощением в ИК
области. На рисунке 26 приведены кривые квантового
выхода для всех основных типов CCD-матриц.
Абсорбционная спектроскопия
Флуоресценция
Атомная эмиссия в плазме
Люминесценция
Рамановская спектроскопия
Катодолюменценция
LIBS **
LIPS / LIF **
Тип детектора
Охлаждение*
Таблица 8.
С фронтальной засветкой матрицы,
стандартные (Front Illuminated)
ТЭ
ЖА
++
-
++
++
++
++
++
++
++
++
++
++
+
+
+
+
С обратной засветкой матрицы
(Back Illuminated)
ТЭ
ЖА
-
+
+
++
++
+
+
+
+
-
-
-
C улучшенным поглощением в ИК
диапазоне (Deep Depleted)
ТЭ
ЖА
-
+
+
+
+
++
++
+
++
-
-
-
Открытый электрод (Open Electrode)
ТЭ
ЖА
++
-
++
++
++
++
++
++
++
++
++
++
+
+
+
+
-
-
-
-
++
-
++
++
Модификация
CCD детекторы
iCCD детекторы
ТЭ
++
+
+
++
++
+
ЖА
+
+
++
++
+
++ рекомендуется, + применение возможно, - не рекомендуется
* ТЭ – термоэлектрическое, ЖА – жидким азотом
** LIBS – лазерная эмиссионная спектроскопия, LIPS – лазерная спектроскопия плазмы, LIF – индуцированная лазером
флуоресценция
IGA детекторы
Стандартные детекторы с фронтальной засветкой матрицы (Front Illuminated, Standard)
применяют для многих спектральных приложений. Этот тип детекторов является хорошим
выбором для Рамановской спектроскопии и фотолюминесценции (здесь необходимы датчики с
охлаждением жидким азотом), а также для измерений в абсорбционной спектроскопии (здесь
оптимально термоэлектрическое охлаждение) в диапазоне 500-900 нм.
По сравнению со стандартными CCD с фронатальной засветкой многоканальные детекторы с
открытым электродом (Open Electrode) характеризуются значительно большей эффективностью в
УФ и коротковолновом видимом диапазоне; нижняя граница их спектрального диапазона
достигает менее 200 нм. Определенным ограничением для данных детекторов является меньший
динамический диапазон. Однако, CCD с открытым электродом могут применяться практически в
любых приложениях, поэтому данный тип многоканальных детекторов приобретает все большую
популярность.
Детекторы с улучшенным поглощением в ИК области (Deep Depleted) оптимизированы для
увеличения отклика в ИК диапазоне. Главным образом они используются в варианте с
охлаждением жидким азотом. Их основным недостатком является больший темновой ток.
По сравнению с другим типами детекторов CCD с обратной засветкой матрицы (Back Illuminated,
Standard) имеют увеличенную квантовую эффективность (до 90%) и идеально подходят для
обнаружения чрезвычайно низких сигналов, например, очень слабого КР рассеивания; эти
детекторы также часто применяются в атомно-эмиссионном анализе. Детекторы с обратной
засветкой матрицы имеют удовлетворительную эффективность в ближней УФ области и отличную
эффективность в видимой. В ближней ИК их применение ограничено по причине т.н. эффекта
эталонирования, который проявляется в нарушении корректного отображения спектра при длинах
волн от 900 нм и выше. Для подавления эффекта эталонирования были разработаны специальные
CCD c обратной засветкой матрицы с улучшенным поглощением в ИК области (Back Illuminated
Deep Depleted).
IGA (InGaAs) детекторы выполнены на основе индий-галлий-арсенидной фотодиодной матрицы;
они разработаны специально для широкого круга приложений в ИК области от 0.9 мкм до 1.67
мкм и от 1.2 мкм до 2.55 мкм.
Интенсифицированный CCD (iCCD) конструкционно представляет собой ПЗС-матрицу,
соединенную со стоящим перед ней усилителем светового сигнала – микроканальной пластины,
МКП. Подобно ФЭУ, МКП является вакуумным электронным прибором, и обладает сходным с ФЭУ
откликом в диапазоне от ближнего УФ до ближнего ИК. iCCD детекторы применяют для
регистрации очень слабых сигналов, практически неразличимых при помощи стандартных CCD (к
примеру, в Рамановской спектроскопии). Другая область применения iCCD детекторов –
регистрация спектров с задержкой по времени (time gated measurements), которая может быть
очень малой, до 1.5 нс.
Характеристики полихроматических источников излучения
Список основных полихроматических источников излучения и их технические характеристики
приведены в таблице 9.
Таблица 9.
Тип лампы
Мощность, Вт
Спектральный
диапазон, нм
Тип спектра
Площадь светового
пучка, мм
Одинарный источник
Вольфрам-галогенная
Дейтериевая
Дейтериевая, гл. УФ
Ксеноновая
Керамическая
100
250
30
200
75
450
75
380-2000
350-2500
200-400
120-400
200-2400
180-2400
1000-20000
Непрерывный
Непрерывный и
Линии > 600 нм
Непрерывный
Сдвоенный источник
ВольфрамоваяКсеноновая
ВольфрамоваяДейтериевая
75
100
75
100
200-2500
Непрерывный и
Линии > 600 нм
Непрерывный
Лампа для градуировки
Ртутная
200-1000
Линии
9.5х6.2
11.7х5.5
4х4
1 (диаметр)
4х4
18х18
12х40