автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Метод уменьшения погрешности оптико-электронных спектральных приборов с многоэлементной фотоэлектрической регистрацией спектра

А

Демин Анатолий Петрович

МЕТОД УМЕНЬШЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ С МНОГОЭЛЕМЕНТНОЙ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИЕЙ

СПЕКТРА

специальность: 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы и

комплексы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 О ОЕЭ2011

Казань 2011

4854113

Работа выполнена в ОАО НПО «Государственный институт прикладной оптики»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Павлычева Надежда Константиновна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ильин Герман Иванович

доктор физико-математических наук, профессор

Козлов Владимир Константинович

Ведущая организация: Казанский физико-технический

институт им. Е. К. Завойского

Защита состоится «21» февраля 2011 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.079.06 при ГОУ ВПО Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева по адресу: 420015, г. Казань, ул. Толстого, д. 15, учебный корпус №3, ауд.216

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, направлять по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10, ученому секретарю диссертационного совета

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева. Электронный вариант автореферата размещен на сайте ГОУ ВПО Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева, www.kai.ru

Автореферат разослан «21» января 2011 г.

■—

Ученый секретарь диссертационного совета Бердников А. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Анализ продукции ведущих мировых производителей спектрального оборудования: Perkin Elmer, Shimadzu, Ocean Optics, Horiba Jobin Yvon Inc., Spectro A.I. GmbH, ARL (Applied Research Laboratories), LECO, а также российских предприятий: ВМК-Оитоэлектроника, ЗАО«Спектральная лаборатория», ОКБ «Спектр», ООО «МОРС», показывает, что большая часть номенклатуры выпускаемых изделий оснащена многоэлсментными фотоприемниками. Такие приемники совмещают положительные свойства фотографических пластинок, позволяя одновременно регистрировать широкий спектральный диапазон, с преимуществами фотоэлектрической регистрации - чувствительностью, точностью и оперативностью. Системы регистрации на основе многоэлементных фотоприемников позволяют создавать приборы с полной автоматизацией управления прибором, процесса сбора и обработки информации.

Однако их применение вносит погрешности'в спектрофотометрические измерения, обусловленные дискретностью светочувствительных элементов, которые снижают точность спектрального анализа. В спектральных приборах с многоэлементной фотоэлектрической регистрацией спектра отдельная спектральная линия регистрируется несколькими светочувствительными элементами, число которых определяется отношением ширины аппаратного контура спектрального прибора к ширине светочувствительного элемента, а также зависит от чувствительности и уровня шума системы фотоэлектрической регистрации. Поэтому для измерения длины волны и интенсивности спектральной линии необходимо как можно точнее восстановить ее контур. Анализ научно-технической литературы показывает, что теоретические исследования не получили должного внимания.

В связи с этим актуальна разработка метода уменьшения погрешностей спектро-фотометрических измерений, связанных с определением интенсивности и длин волн спектральных линий при формировании их контуров на выходе многоэлементного фотоприемника. Кроме того, номенклатура выпускаемых в настоящее время многоэлементных фотоприемников достаточно велика, что обуславливает задачу научно-обоснованного выбора фотоприемника, обеспечивающего заданную погрешность конкретного спектрального прибора.

Объектом исследования являются спектральные приборы, регистрирующие спектры многоэлементным фотоприемником, а предметом исследования - процессы преобразования контуров спектральных линий при регистрации многоэлементным фотоприемником и измерение их характеристик (полуширины контура, длины волны, интенсивности).

Л

з

Цель исследования - повышение точности спектрального анализа, проводимого на спектральных приборах с многоэлементной фотоэлектрической регистрацией спектра, за счет уменьшения погрешности измерения длин волн и интенсивностей спектральных линий.

Задача исследования - научно-обоснованная техническая разработка метода уменьшения погрешности измерения длин волн и интенсивностей спектральных линий спектральных приборов с многоэлементной фотоэлектрической регистрацией спектра.

Поставленная задача научного исследования решается в следующих направлениях:

- анализ характеристик спектрального прибора с пространственным разделением монохроматических составляющих и регистрацией линейным многоэлементным фотоприёмником;

- исследование характеристик и параметров многоэлементных фотоприёмников с целью возможности их применения в спектрофотометрических измерениях;

- определение взаимосвязи характеристик спектрального прибора с характеристиками многоэлементного фотоприёмника для теоретически полного восстановления контуров спектральных линий, регистрируемых в фокальной плоскости спектрального прибора;

- поиск метода обработки результатов измерения спектра, регистрируемого отдельными светочувствительными элементами фотоприемника, обеспечивающего минимальную погрешность измерения длин волн и интенсивностей спектральных линий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена симметрично - ступенчатая аппроксимация контуров спектральных линий для измерения их длин волн и интенсивностей, которая обеспечивает наименьшую погрешность измерений в сравнении с ранее известными способами аппроксимации контуров спектральных линий.

2. Впервые получено аналитическое выражение, связывающее полуширину аппаратной функции спектрального прибора с динамическим диапазоном и минимально необходимой шириной светочувствительного элемента линейного многоэлементного фотоприёмника для полного восстановления контуров спектральных линий в соответствии с теоремой Котельникова.

3. Разработан метод обработки результата измерения спектра, регистрируемого отдельными светочувствительными элементами фотоприемника, позволяющий повысить точность измерения длин волн и интенсивностей спектральных линий.

Практическая ценность работы. Разработанный метод уменьшения погрешности позволяет проектировать оптико-электронные спектральные приборы с многоэлементной фотоэлектрической регистрацией с минимальной погрешностью спектрофотометрических измерений.

Реализация результатов работы. На основе внедрения результатов исследований, полученных в ходе выполнения работы, разработаны:

1. Многоканальный измерительный регистратор спектров МИРС с программным обеспечением для проведения качественного и количественного атомно-эмиссионного спектрального анализа. Изделие сертифицировано как средство измерений и допущено к применению в Российской Федерации. В настоящее время более 50 изделий используется в научно-исследовательских институтах и промышленных предприятиях различных отраслей народного хозяйства.

2. Программное обеспечение для лабораторий Бюро судебно-медицинских экспертиз, позволяющее определять привнесение химических элементов в зонах повреждения при различных видах травм и патологических состояниях методом относительного сравнения интснсивностей спектральных линий.

3. Разработана методика проведения экспериментальных исследований по оценке погрешностей измерений шггенсивностей и длин волн спектральных линий при различных способах аппроксимации их контуров.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы аналитические методы теории преобразования Фурье, теорема Котелышкова о дискретной выборке непрерывных сигналов, численные методы решения алгебраических уравнений, методы математического программирования и экспериментальные исследования. Для решения алгебраических уравнений, обработки результатов измерений использовались программные пакеты MatLab.7, Photoshop.

Основные положения и результаты выносимые на защиту.

1. Способ аппроксимации контуров спектральных линий, регистрируемых многоэлементным фотоприемником, симметрично-ступенчатой функцией, обеспечивающий наименьшие погрешности измерения длин волн и интенсивностей спектральных линий.

2. Аналитическое выражение, связывающее полуширину аппаратной функции спектрального прибора с динамическим диапазоном и минимально необходимой шириной светочувствительного элемента многоэлементного фотоприемника для полного восстановления контуров спектральных линий в соответствии с теоремой Котельни-кова.

3. Метод обработки результата измерения спектра, регистрируемого отдельными светочувствительными элементами фотоприемника, позволяющий повысить точность измерения длин волн и шггенсивностей спектральных линий.

Личный вклад автора. Автором предложен способ аппроксимации контуров спектральных линий, регистрируемых многоэлементным фотоприемником, симметрично-ступенчатой функцией и разработан метод для измерения полуширины, интенсивности и длим волн спектральных линий. Выведено аналитическое выражение, связывающее полуширину аппаратной функции спектрального прибора с динамическим

диапазоном и минимально необходимой шириной светочувствительного элемента многоэлементного фотоприемника для полного восстановления контуров спектральных линий в соответствии с теоремой Котельникова. Разработана методика проведения экспериментальных исследований по оценке погрешностей измерений интенсив-ностей и длин волн спектральных линий при различных способах аппроксимации их контуров. При определяющем научном руководстве автора разработан многоканальный измерительный регистратор спектров МИРС и проведена его сертификация как средства измерения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 20-м Всесоюзном съезде по спектроскопии (г. Киев, 1988г.), XI Международной конференции "Аналитика атомной спектроскопии" (г. Москва, 1990г.), VI Тамбовской областной научно-технической конференции по спектроскопии (г. Тамбов, 1983г.), VII Тамбовской областной научно-технической конференции по спектроскопии (г. Тамбов, 1985г.), 1-ом Отраслевом семинаре «Автоматизация оптических приборов» (г. Ленинград, 1987г), XIV Уральской конференции по спектроскопии (г. Заречный, 1999г.), XV Уральской конференции по спектроскопии (г. Заречный, 2001г.), XVI Уральской конференции по спектроскопии (г. Екатеринбург, 2003г.), XVII Уральской конференции по спектроскопии (г. Екатеринбург, 2005г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, и I авторское свидетельство.

Достоверность полученных научных результатов обеспечена применением классической теории Преобразования Фурье и метода наименьших квадратов для решения алгебраических уравнений и подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем составляет: 148 страниц машинописного текста, 16 таблиц, 36 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи работы, новизна и практическая значимость полученных результатов. Сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведена классификация существующих моделей спектральных приборов. Подробно рассмотрены щелевые спектральные приборы с пространственным разложением монохроматических составляющих. Проведена оценка контура спектральной линии при различных соотношениях полуширины аппаратного (приборного) контура спектрального прибора и полуширины спектральной линии (естественной).

Проанализированы различные математические функции для аппроксимации аппаратного контура спектрального прибора и предложена «симметрично-ступенчатая» аппроксимирующая функция [6], удобная для использования при регистрации спектров линейными мпогоэлементными фотоприемниками. Аппроксимация аппаратного контура симметрично-ступенчатой функцией (¿С=с/С) задастся выражением (1) и изображена на рисунке I пунктиром.

(Ы -2)а <х <(Ы - 1)а, (!)

(Ы - I) а < лг < №?, Ш<х<(Ы + \)а. где:

N - помер светочувствительного элемента фотоприемника;

а - ширина светочувствительного элемента фотоприемника.

Интенсивности сигналов Ь, с и с1 регистрируемых светочувствительными элементами фотоприемника N-1, N и Л' | / соответственно, изображены па рисунке 1 сплошной линией.

Л-

IЬ

I I

-I

Л'тЛ?

(1с 1_1_

Ах

Л_

П

А"Л1 _I.

I

I

1 2 ..... N-1 N /У+1 N+2......

Рис. 1. Симметрично-ступенчатая аппроксимация контура аппаратной функции

Значения сигналов с элементен фотоприёмиика N-1, N»N+1 при смещении максимума интенсивности спектральной линии на величину Ах от середины элемента фотоприбмника с максимальным сигналом определятся уравнениями:

Ах

(2)

Ь =

ь„ - ь,.

, Ах Ах

-6, — + с,—

при Ах > О, с/ £ Ь при Ах < О, Ь > с!

с =

Ах , Ах . ^ л , ^ ,

сс-с — + — при Ах > 0, а>Ь а а

Ах , Ах * л I. j

сс -сс — + ас — при Ах < О, b > а а а

Ах Ах dc - dc> — + dc/ ■— при Ах>0, d>b, а а

(4)

dc~dc,

Аг

при Ах < О, b>d.

где:

—>"> ~ ~ средние величины сигналов элементов с номерами N N и N + I; а а а

К » Сс л dr к

—Ах\—Ах;-^Ах- значения сигналов, поступающих с частей элементов а а а

фотоприемника при смещении симметричного контура на величину Ах. Для А* > О при условии симметричности (6t=rfc) система уравнений (2), (3), (4) имеет вид:

Ьс =dc

ь = ье-ьА а (5)

Ах , Ах с = сс-сс— + ЬС — а а

, , , Ах Ах а = ас~ ас — + сс — а а

Решение системы (5) дает следующее соотношение:

(c + 2d-2b)-^¡cГ+4^■-4bd

Ах-а-------

2 (c + d)

Аналогично можно найти Д* при ь >d\ Дх < 0:

(6)

(с + 2Л — 2d) - л/с2 + - \bd

Лх = а-------

2(с + 6)

(7)

Положение спектральной линии определяется следующим соотношением:

при с1>Ь,

(с + 2с1 - 26) - л/с2 + 4Ь2 - Ш

I +а---_

" 2(с + с1)

(с + 2Ь- 2(Г) - л/с2 + Ас12 - 4М , .

Км =1м +Ах = им - а----при Ь>а,

2 (с + о)

/д, - при равенстве сигналов двух соседних элементов спектральной линии

Интенсивность спектральной линии находится решением системы уравнений (5) как:

аЬкх

— при Ь>а,

ас

с,. =-

ас

а - Ах (а- Дх)2 ас1Ьх

(9)

при с1>Ь.

а-Ах (а- Ах)2 Полуширина А определиться как:

д = а + а№с—£е! приЬс=с1с>0,5сс 2 Ьс

А = а-а('Сс~2Ьс- приЬс -с1с <0,5сс.

(Ю)

— с

Для расчета полуширины аппаратной функции и интенсивности произвольно выбранной спектральной линии разработана программа, главное окно которой приведено на рисунке 2.

" 4 —Г-—.' гя?» 1,438675813732»

ниш

• -

■ ■,

- -

■

Рис.2. Главное окно программы расчета полуширины аппаратной функции При экспериментальном исследовании аппаратной функции входная щель спектрального прибора освещалась дуговым источником возбуждения УГЭ-4. Для исследования был выбран спектрограф ДФС-458 с дифракционной решеткой 1800штр./мм (спектральный диапазон 2300-3500А).

Расчетная полуширина аппаратной функции равна 20мкм при ширине входной щели равной 15мкм. Проведено измерение полуширины спектральной линии железа с длиной волны 3091,6 А при фотографической и многоканальной фотоэлектрической регистрации.

Результаты измерения полуширины аппаратной функции спектрографа ДФС-458 приведены в таблице 1.

Таблица 1

Номер измерения 1 2 3 4 5 Среднее значение СКО

Полуширина Д, измеренная с помощью фотопластинки, мкм 23,42 22,85 23,06 23,14 22,55 23,00 0,146

Полуширина Д, измеренная с помощью фотоприемника, мкм 20,22 20,08 20,21 20,10 20,25 20,17 0,12

Измерение полуширины аппаратной функции после предварительной юстировки фотоприемника практически совпало с расчетным значением. Расхождения полученных значений полуширины аппаратной функции с использованием фотопластинки и линейного многоэлементного фотоприемника объясняются влиянием фотоэмульсии, а также трудностью обеспечения совмещения фокальной плоскости спектрографа с плоскостью фотоматериала во всем спектральном диапазоне 2300-3500 А (линейный размер 240мм). В результате реальная полуширина аппаратной функции спектрографа в этом диапазоне при регистрации спектра фотопластинкой завышена на 10-15%.

На основании этого можно сделать вывод, что реальная аппаратная функция спектрографа ДФС-458 симметрична, и симметрично-ступенчатая аппроксимация обеспечивает высокую сходимость измерения полуширины аппаратной функции с расчетным значением. Следовательно, предложенный способ можно использовать для измерения полуширины аппаратной функции.

Во второй главе проведен анализ современного состояния производства линейных многоэлементных фотоприемников и выбраны следующие фотоприемники, перспективные для спектрометрических измерений: ФППЗ-7л, ФПГ13-8л, ФППЗ-12л (производства НПО «Электрон» г. Санкт-Петербург); ФУК1Л2 (производства ФГУП НПП «Восток» г. Новосибирск); ILX511, ILX554B (фирмы SONY); TCD1304AP (фирмы TOSHIBA). При отборе фотоприемников для исследования основное внимание уделялось размеру светочувствительного элемента и интегральной чувствительности. Параметры исследованных линейных многоэлементных фотоприемииков приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры исследуемых фотоприемников

Фотоприемник Число элементов Размер элементов (мкм) Напряжение насыщения (В) Темновой шум (мв) Интегральная чувствительность (В/лк сек)

ФППЗ-7Л 500 26x500 1.5 6 270

ФППЗ-8л 2x1024 13x500 1.5 6 220

ФППЗ-12л 2048 13x2500 1.5 8 1000

ФУК1Л2 1024 25x150 1.2 5 200

ILX511 2048 14x200 0.8 3 200

ILX554B 2048 14x56 1.0 3 240

TCD1304AP 3648 8x200 0.6 2 160

Для повышения спектральной чувствительности в ультрафиолетовой области спектра непосредственно на поверхность светочувствительных элементов наносился люминофор (преобразующий ультрафиолетовое излучение в голубой свет) силицилат натрия (NaCvHjOj). Измерены относительные спектральные чувствительности фотоприемников ФППЗ-7л, ILX511, 1LX554, TCD1304AP без покрытия и с люминофор-ным покрытием.Нанесение люминофора непосредственно на светочувствительные элементы фотоприемников позволило поднять чувствительность фотоприемников ILX511 и ILX554B до 15% в области длин волн 200-330 нм. Относительные спектральные характеристики фотоприемников ФППЗ-7л и TCD130AP с люминофором практически не изменились. Для сравнения фотоприемников по темновым шумам и возможности работы при больших временах накопления, которые требуются для регистрации спектров слабой интенсивности, в настоящей работе введено понятие «предельного времени накопления», как времени накопления, при котором темновым шумом заполняется половина динамического диапазона выходного сигнала фотоприемника. Проведенные исследования темнового шума фотоприемников и его зависимости от температуры показали, что фотоприемники зарубежного производства имеют значительно более низкий уровень темного шума и тем самым обеспечивают в 5-6 раз большее «предельное время накопления». Фотоприемники производства фирмы SONY ILX511, ILX554B и фирмы TOSHIBA TCD130AP могут работать со временем накопления, при комнатной температуре, до 3-х секунд.

По диапазону спектральной чувствительности и уровню темнового шума для спектрофотометрических измерений предпочтительнее использование фотоприемников производства фирмы SONY ILX511, ILX554B с люминофорным покрытием и фирмы TOSHIBA TCD130АР (без покрытия).

В третьей главе рассматриваются условия выбора размера светочувствительной площадки линейного многоэлементного фотоприёмника, обеспечивающего теоретически полное восстановление контура спектральной линии на его выходе в соответствии с теоремой Котелышкова.

Предполагается, что аппаратный контур описывается функцией Гаусса (рисунок За). В этом случае распределение интенсивности спектральной линии в фокальной плоскости спектрально прибора будет иметь тот же вид:

,2

где:

J(x) = Ае Л

Д - полуширина аппаратной функции спектрального прибора;

А - амплитуда спектральной линии.

Щ

н ММ

0.5Д хо

и вых

(И)

II

Рис. 3. Аппаратная функция спектрального прибора (а), чувствительные площадки фотоприемника (б), график функции реакции элементов фотоприёмника (в), выходной сигнал фотоприемника (г)

Для линейного фотоприёмника (рисунок 36) с размерами чувствительных элементов а*Ь, расположенных вдоль оси х в фокальной плоскости прибора в направлении дисперсии, и идеальной функцией реакции элементов ЩХ) сигнал /'-го элемента определится как

'/+« П2, и, = К р(х)с& '

и

где:

К - коэффициент преобразования фотоприёмника; 1, = I + (/-1)а - координата начала г-го элемента; г - координата начала первого элемента; < -- номер элемента фотоприемника.

Максимальная амплитуда спектральной линии А„,, соответствующая выходному сигналу насыщения фотоприёмника Ц„ определится из равенства:

'"2 КЛ^ -.а^Ы2. (13)

U„=2K\ Ат ехр(-4 In =

™е: - "Lw-^w, -функция ошибок.

erfz = fexp(-i2)i//

Погрешность регистрации амплитуды спектральной линии S, определяемая уровнем собственного шума фотоприёмника (7Ш> определится из соотношения:

а/2

иш = 2К ¡Sdx = Кёа и ;

о

С использованием (13) и (14) находится отношение:

, , _ 2DaIn2 (,5)

Win 2

д

где: ^ _ ¿/„ - динамический диапазон светочувствительного элемента фотоприемника.

Ограничившись регистрацией спектральной линии в интервале (-д'оЛ), определяемом уровнем собственных шумов фотоприёмника:

Л) ехр(~41п2^|) = 5. 06)

Л

Из соотношения (16) определяется jc0:

Д In Am/S (17)

Энергия спектральной линии определится как:

*о

*0

_

1п2

Представив распределение интенсивности спектральной линии интегралом Фурье:

(19)

А А I

{ а2а2"

1п2

И используя равенство Парсеваля

оо 1 00

2 я __

(20)

где:

Ил - полная энергия спектральной линии; П - пространственная частота, энергия спектральной линии, заключённая в полосе частот (0,П|), определится как:

IV = Л ** (Я)Ж = ■

Л" л 2л/2!п2 \2л/21п2у

(21)

Приравняв (18) и (21) получаем:

с2

ег,

21п-

2<Г

21п

15

2л/21п2

(22)

В соответствии с теоремой Котельникова функцию Дх) с ограниченным спектром полосой частот (СЦ^) для полного восстановления необходимо выбирать с интервалом квантования меньше, чем л/П,, т.е. минимально необходимая ширина элемента фотоприемника а определится из равенства:

.1- (23)

О

Подставив (15) и (23) в (22), окончательно получаем соотношение:

ег/

21п

2йа4\п2

Ал[лег/(а4\п2 /А)

хАп

20ал/1п2

л Дл/яег/ (а-Дг\2 / Д)

/ Ап вГ {2а-12Ы:

Соотношение (24) связывает полуширину аппаратной функции спектрального прибора с шириной элемента и динамическим диапазоном фотоприёмника.

Для экспериментальной проверки влияния ширины элемента ПЗС-фотоприем-ника на точность определения длин волн и интенсивностей спектральных линий использовался спектрограф ДФС-458 с известной полушириной аппаратной функции равной 20 мкм для дифракционной решетки 1800 мм"1 со спектральным диапазоном длин волн 2300-3500А. В качестве источника излучения использовалась высокочастотная безэлектродная лампа ВСБ-2, заполненная парами ртути, с блоком питания ППБЛ-ЗБ.

Для исследования погрешности определения длин волн были выбраны близко расположенные спектральные линии ртути с длинами волн 2655,13А, 2653,68А и 2622,04А. Регистрация спектральных линий осуществлялась с помощью многоканальной системы регистрации оптического излучения с ПЗС-фотоприемником ФППЗ-7л и модификациями многоканального измерительного регистратора спектров (МИРС) с ПЗС-фотоириемниками 1ЬХ554В и ТС01304АР. Положение спектральных линий для определения их длин волн рассчитывалось с помощью выражения (8). По спектральным линиям с длинами волн 2653,68А и 2622,04А рассчитывалась обратная линейная дисперсия, спектральная линия 2653,68А использовалась в качестве реперной для определения спектральной линии 2655,1 ЗА с помощью выражения:

Л, =Л, ± (/„-/„)/» (25)

где:

- длина волны реперной спектральной линии;

- расстояние между начальным элементом фотоприёмника и элементом

фотоприемника, регистрирующим максимальное значение интенсивности определяемой спектральной линии;

/у - расстояние между начальным элементом фотоприёмника и элементом

фотоприймника, регистрирующим максимальное значение интенсивности реперной спектральной линии;

р - среднее значение обратной линейной дисперсии спектрального прибора.

Спектральные линии регистрировались при времени накопления сигнала равном 500мс, достаточном чтобы их интенсивность значительно превышала фоновый сигнал. Число накоплений выбрано равным 100 обеспечивая, тем самым, общее время экспозиции спектральных линий 50 сек, что удовлетворяет большинству аналитических методик спектрального анализа.

Полуширина аппаратной функции для ПЗС-фотоприемника 1ЬХ554В с шириной элемента 14 мкм и динамическим диапазоном равным 330, рассчитанная по формуле (24), равна 32 мкм, для ПЗС-фотоприемника ТС01304АР с шириной элемента 8 мкм и динамическим диапазоном равным 300 равна 20 мкм и для ПЗС-фотоприемника

ФППЗ-7л с шириной элемента 26 мкм и динамическим диапазоном равным 250 составляет 63 мкм.

Проведено по 50 измерений длины волны спектральной линии 2655,13А тремя типами фотоприемников при ширине входной щели спектрографа 15 мкм, т.е. при полуширине аппаратной функции Д = 20мкм.

После этого увеличением ширины входной щели спектрографа устанавливалась полуширина аппаратной функции спектрографа равной 32 мкм. По соотношению (24) для такой полуширины аппаратной функции минимально необходимая ширина элемента равна 14 мкм фотоприемника с динамическим диапазоном равном 330. Что соответствует фотоприемнику 1ЬХ554В. Проведено 50 измерений длины волны спектральной линии 2655,13А фотоприемником 1ЬХ554В.

Абсолютная погрешность измерения длины волны при полуширине аппаратной 20мкм составила: для фотоприемника ФППЗ-7л 0.098А, для фотоприемника ТСШ 304АР 0.0042А, для фотоприемника 1ЬХ554В 0,0049А. При увеличении полуширины аппаратной функции до 27 мкм абсолютная погрешность измерения длины волны спектральной линии 2655,13А для фотоприемника 11.Х554В уменьшилась до 0,0044 А.

Абсолютные погрешности измерения длины волны уменьшаются при регистрации спектральных линий фотоприемником с соотношением ширины светочувствительного элемента, динамического диапазона фотоприемника и полуширины аппаратной функции в соответствии теоретически обоснованным выражением (24). И приблизительно имеют одинаковые значения независимо от типа фотоприемника.

Аналогично измерялась интенсивность спектральной линии 2655,13 А при аппроксимации ее симметрично-ступенчатой функцией в соответствии с выражением (9). Проводилось по 10 измерений интенсивностей и рассчитывалось среднее квадра-тическое отклонение по формуле:

п ¡=1

п(п- -1)

где:

г-номер измерения;

Jl - интенсивность / -го измерения спектральной линии; и-число измерений (я = 10);

J - среднее значение интенсивности спектральной линии «-измерений. Результаты представлены в таблице 3.

Номер измерения Интенсивность спектральной линии, измеренная фотонрнемниками, мВ

ТС DI 304 Д = 20 мкм ILX554 А = 20 мкм ILX554 Д = 27 мкм ФППЗ-7Л Д-20 мкм

I 1172,3 1840,2 2206,2 3408,8

2 1171,7 1844,1 2209,9 3407,9

3 1160,1 1828,0 2228,2 3376,4

4 1156,3 1827,9 2216,9 3369,4

5 1-155,9 1820,1 2212,7 3371,3

6 1151,5 1816,0 2210,8 3358,9

7 1157,2 1816,7 2222,7 3356,4

8 1143,0 1799,5 2233,3 3328,3

9 1143,2 1808,7 2230,3 3337,6

10 1149,3 1810,4 2227,4 3347,6

Среднее значение 1156,1 1821,2 2219,8 3366,3

СКО 1,06 1,47 1,0 2,78

Па основании полученных данных можно сделать вывод, что погрешность измерения интенсивности уменьшается при выборе соотношения ширины светочувствительного элемента и динамического диапазона фотоприемника с полушириной аппаратной функции спектрального прибора в соответствии с (24).

Четвертая глава посвящена разработке многоканального измерительного регистратора спектров (МИРС). Предложен метод измерения интенсивности и длин волн спектральных линий за счет симметрично-ступенчатой аппроксимации их контуров с учетом выведенного в главе 3 аналитического выражения (24). На основе предложенного метода разработано программное обеспечение, которое позволяет проводить качественный и количественный атомно-эмиссионный анализ, автоматическую корректировку длин волн, просматривать кривые выгорания анализируемых элементов. Программное обеспечение имеет доступную для пользователя базу данных химических элементов. Количество спектральных линий (аналитических линий и линий сравнения) п аналитических программах не ограничено. Окно спектров позволяет открывать и рассматривать одновременно любое количество спектров. Контуры всех спектров в окне наложены друг па друга. Возможен произвольный выбор оператором смещения спектров но вертикали. В программном пакете МИРС при качественном анализе или расшифровке могут быть использованы не условные, а реальные спектры чистых металлов или образцов любых марок сплавов. В том числе, возможно использование спектров, снятых не просто па разных приборах, а приборах вообще разных конструкций (например, на МФС-8 и ДФС-458, на МФС-8 и ИС11-30 и т.д.).

По критериям выбора многоэлементных фотоприемииков для регистрации линейчатых спектров, рассмотренным в главах 2, 3 преимущество отдано ПЗС-фотопри-емнику ILX554B с шириной элемента 14мкм при полуширине аппаратной функции спектрального прибора более 27 мкм, или ПЗС-фотоприемнику TCD1304AP при полуширине аппаратной функции спектрального прибора более 20 мкм. Исходя из этого, для многоканального измерительного регистратора спектров выбраны I ВС-фотоприемники 1LX554B с люминофором и TCD1304AP.

Изделие МИРС внесено в государственный реестр средств измерений Российской Федерации и имеет сертификат об утверждении типа средств измерений RU.C.37.006.A № 18673. Конструкция МИРС для установки на спектрограф ДФС-458 приведена на рисунке 4.

Характеристики МИРС и разработанное программное обеспечение позволили создавать методики измерения массовой доли химических элементов в различных объектах, удовлетворяющих требованиям Государственных стандартов.

Рис.4. Конструкция МИРС для установки на спектрограф ДФС-458

На базе спектрографа ДФС-458 и МИРС' разработан атомпо-эмиссионный спек-троанализатор. Внешний вид спектроанализатора приведен на рисунке 5.

Рис.5. Внешний вид спектра!шшчатора

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении обобщены результаты работы и сделаны основные выводы:

1. Проведен анализ характеристик спектрального прибора и предложена симметрично-ступенчатая аппроксимация контуров спектральных линий, регистрируемых многоэлементным фотоприемником. Экспериментально показано, что наименьшая погрешность измерения интенсивности и длины волны спектральной линии при регистрации спектра многоэлементной фотоэлектрической системой достигается при аппроксимации контуров спектральных линий симметрично-ступенчатой функцией.

2. Классифицированы многоэлементные фотоприемники для спектрофотометри-ческих измерений, исследованы их относительные спектральные чувствительности, влияние температуры на темновой шум, сделан выбор фотоприемников для использования в спектральных приборах.

3. Выведено аналитическое выражение, связывающее полуширину аппаратной функции спектрального прибора с динамическим диапазоном и минимально необходимой шириной светочувствительного элемента, многоэлемептного фотоприемника для полного восстановления контуров спектральных линий в соответствии с теоремой Котсльникова.

4. Предложен метод измерения интенсивности и длин волн спектральных линий, обеспечивающий минимальную погрешность измерения длин волн и интенсивностей спектральных линий за счет симметрично-ступенчатой аппроксимации их контуров с учетом выведенного аналитического выражения.

5. Разработан многоканальный измерительный регистратор спектров (МИРС). Характеристики МИРС и разработанное программное обеспечение позволили создавать методики измерения массовой доли химических элементов в различных объектах удовлегворяющих требованием Государственных стандартов. МИРС сертифицирован как средство измерений и допущен к применению в Российской Федерации. В настоящее время более 50 изделий используется в научно-исследовательских институтах и промышленных предприятиях различных отраслей народного хозяйствах.

6. Разработано программное обеспечение для определения привнесения химических элементов в зонах повреждения при различных видах травм и патологических состояниях методом относительного сравнения интенсивностей спектральных линий для лабораторий Бюро судебно-медицинских экспертиз.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 Демин А.П. Малогабаритный спектрометр широкого применения [Текст] / А.П.Демин, Н.К.Павлычева, А.А.Пеплов // Оптический журнал, 2007. - № 3. -С.29-32.

2 Демин А.П. Малогабаритный монохроматор с вогнутой дифракционной решеткой [Текст] / А.П.Демин, Ю.В.Бажанов, Л.К.Тимиргазеева, Ю.П.Чугунов // Оптический журнал, - 2002. - № 12. - С. 53-55.

3 Демин А. П. Методы определения длины волны спектральных линий, регистрируемых многоэлементным фотоприемником [Текст] / А.П.Демин, Ф.Ф.Султанбе-ков, О.Б.Яндуганова// Оптический журнал, 1992. - № 3. - С. 60- 63.

4 Демин А.П. Малогабаритный светосильный спектрометр на область спектра 200...1300HM [Текст] / А.П.Демин, Н.К.Павлычева, С.Ф.Горбачев, И.Е.Кит // Оптический журнал, 1996.-№ 11.-С. 61-62.

5 Демин А.П. Малогабаритный полихроматор для области спектра 190...1100нм [Текст] / А.П.Демин, Ю.С.Нагулин, К.Ю.Нагулин // Оптический журнал, 1994. - .N» 4. -С. 175- 178.

Авторские свидетельства

6 Демин А.П. Авторское свидетельство № 1603202. Способ определения длин волн спектральных линий [Текст] / А.П.Демин, Ф.Ф.Султанбеков // Бюл. Изобр, 1990. -№40. -С. 17.

Материалы в журналах центральных изданий

7 Демин А.П. Выбор ширины элемента многоэлементного линейного фотоприемника для регистрации линейчатых спектров [Текст]/ А.П.Демин, Ю.С.Нагулин // Оптико- механическая промышленность, 1990. -№ 9. - С. 36- 38.

8 Демин А.П. Многоканальная система регистрации оптического излучения с компенсацией темпового шума [Текст] // Приборы и техника эксперимента, 1988.

- № 6. - С. 150- 154.

9 Демин А.П. Автоматическая установка длины волны монохроматора [Текст] / А.П.Демин, С.Ф.Горбачев, В.Л.Макаров // Оптико-механическая промышленность, 1986. -№ 3.- С. 20.

10 Демин А.П. Многоканальная система регистрации спектра на базе линейного ПЗС-формирователя изображения [Текст] / А.П.Демин, В.А.Арутюнов, С.Ф.Горбачев, Ю.С.Нагулин // Оптико-механическая промышленность, 1986. - № 1. -С. 34- 36.

11 Демин А. П. Оперативное запоминающее устройство с внешним скоростным каналом ввода-вывода информации в микро-ЭВМ «Электроника-60» [Текст] / А.П.Демин, С.Ф.Горбачев // Микропроцессорные средства и системы, 1986. - № 3.

- С. 64.

12 Демин А. П. Отображение графической информации на алфавитно-цифровом дисплее [Текст]/ А.П.Демин, Г.И.Харитонов // Микропроцессорные средства и системы, 1987. - № 4. - С. 43.

Материалы международных, всероссийских и областных конференций и семинаров

13 Duomin А.Р. Multichannel recording systems рог microcomputer-controlled atomic absorption and emission spectrometers on linear photosensitive charge transfer circa / A.P.Duomin, S.F.Gorbachov, V.M.Duomin // XI Conference on analytical atomic spectroscopy. - Moscow, 1990. - P. 78.

14 Демин А.П. Автоматизированный спектрометрический анализатор широкого применения [Текст] / А.П.Демин, В.П.Иванов, В.В.Туркин, Ф.Ф.Султанбеков, А.Г.Сибатов // Сборник материалов. 4.2. XX Всесоюзный съезд по спектроскопии. -Киев, 1988,- С. 57.

15 Демин А.П. Автоматизированный стенд для исследования характеристик многоканальных ПЗС-фотоприемников [Текст] / А.П.Демин, В.М.Демин, С.Ф.Горбачев // Тезисы 1 отраслевого семинара «Автоматизация оптических приборов». - Ленинград, 1987-С. 5.

16 Демин А.П. Исследование возможности применения ПЗС-формирователей изображения для многоэлементного спектрального анализа [Текст] / А.П.Демин, С.Ф.Горбачев, Н.Г.Фаттахова // Сборник тезисов докладов «Современные методы спектрального анализа и их применение». - Тамбов, 1983. - С. 32.

i 7 Демин А.П. Система многоканального анализа на основе спектрографа с го-лографической решеткой и фотодиодной линейки управляемой микро-ЭВМ [Текст] / А.П.Демин, С.Ф.Горбачев, Н.К.Паалычева // Сборник тезисов докладов «Применение спектральных методов анализа в народном хозяйстве». - Тамбов, 1985. - С. 55.

18 Демин А.П. Оптимизация многоэлементного спектрального анализа [Текст] / А.П.Демин, С.П.Гисматуллипа, Е.Р.Иванова, Ю.П.Чугунов // Сборник тезисов докладов XIV Уральской конференции по спектроскопии. - Заречный, 1999.- С. 10.

19 Демин А.П. Исследование спектроанапитических возможностей анализатора ДФС-458 с твердотельными полупроводниковыми детекторами [Текст] / А.П.Демин, А.А.Бальчугов, М.Ю.Грудина, А.В.Суворова, С.Б.Шубина // Сборник тезисов докладов XV Уральской конференции по спектроскопии,- Заречный, 2001. - С. 271- 272.

20 Демин А.П. Лазерный эмиссионный анализ состава покрытий с помощью многоканального измерительного регистратора спектров МИРС [Текст]/ А.П.Демин, Е.Л.Сурменко, Т.Н.Соколова, А.А.Пеплов // Сборник тезисов докладов XVI Уральской конференции по спектроскопии. - Екатеринбург, 2003 - С. 17-19.

21 Демин А.П. Многоканальный измерительный регистратор спектров - МИРС [Текст]/ А.П.Демин, В.Л.Филиппов, В.А.Балоев, А.А.Пеплов // Сборник тезисов докладов XVII Уральской конференции по спектроскопии. - Екатеринбург, 2005. -С. 177.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 1,5. Усл.печ.л. 1,39.Уч.-изд.л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ № 348

Отпечатано с готового оригинал-макета в ОАО«НПОГИПО» г. Казань, ул. Липатова, 2

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Приборы для спектрального анализа и их характеристики.

1.1 Щелевые спектральные приборы для атомно-эмиссионного анализа.

1.2 Основные характеристики щелевого спектрального прибора.

1.2.1 Линейная дисперсия.

1.2.2 Светосила спектрального прибора.

1.2.3 Разрешающая способность.

1.3 Образование контура спектральной линии.

1.3.1 Аппаратная функция спектрального прибора.

1.3.2 Симметрично-ступенчатая аппроксимация аппаратной функции.

1.3.3 Измерение полуширины аппаратной функции.

Выводы.

ГЛАВА 2. Многоэлементные линейные фотоприемники и исследование возможности их применения для спектральных измерений.

2.1 Отечественные линейные фотоприемники для спектральных измерений.

2.1.1 Устройство и работа фоточувствительного прибора с зарядовой связью ФППЗ-8л.

2.1.2 Работа ряда фоточувствительных элементов, секции накопления заряда и антиблуминга.

2.1.3 Работа считывающих и буферных регистров.

2.1.4 Работа входного устройства регистра.

2.1.5 Работа выходного устройства регистра.

2.2 Исследование характеристик ПЗС-фотоприемников.

2.2.1 Стенд для исследования характеристик.

2.2.2 Относительные спектральные характеристики.

2.2.3 Шум ПЗС-фотоприемника и зависимость его от температуры.63 Выводы.

ГЛАВА 3. Обоснование выбора ширины элемента фотоприемника и поиск наилучшего способа аппроксимации контура спектральной линии.

3.1 Способы идентификации спектральных линий при расшифровке спектрограмм„

3.2 Способы аппроксимации контуров спектральных линий регистрируемых линейным многоэлементным фотоприемником.

3.3 Сравнение способов аппроксимации контуров спектральных линии.

3.4Экспериментальное исследование влияние ширины элемента фотоприемника на точность измерения длины волны и интенсивности спектральной линии.

3.5 Методика проведения экспериментальных исследований по оценке погрешностей измерений интенсивностей и длин волн спектральных линий.

3.5.1 Проверка гипотезы нормального распределения результатов измерения длины волны спектральной линии и оценка его среднего квадратического отклонения.

Выводы.

ГЛАВА 4. Многоканальный измерительный регистратор спектров.

4.1 Многоканальная система регистрации оптического излучении с компенсацией темнового шума.

4.2 Многоканальные анализаторы спектров.

4.3 Программа «Анализатор отклонений».

Выводы.

В настоящее время оптический спектральный анализ стал настолько обыденным и привычным инструментом, что сейчас вряд ли можно найти область естествознания, в которой он не находил бы применения.

Достаточно сказать, что методами оптического спектрального анализа с 1860г. по 1932г. Было открыто 25 элементов периодической системы, в том числе Сб, Шэ, 14 редкоземельных элементов, Те, ва, ЫГ и другие.

Именно методы оптического спектрального анализа наиболее полно удовлетворяют все возрастающим требованиям современного производства. Многоэлементность, экспрессность, низкие пределы обнаружения, возможность определения по малому количеству пробы, автоматизация процесса ведения анализа — всё это превратило спектральные методы анализа в эффективные методы аналитической химии.

Началом существования спектрального анализа считают 1860 год-год выхода работы Кирхгофа и Бунзена «Химический анализ с помощью наблюдения спектра». Но еще задолго до этого проводились наблюдения и исследования спектров.

Ньютон в 1666 году первый провел обширные исследования разложения света призмой, которые привели его к выводу о том, что свет состоит из совокупности лучей разного цвета, отличающихся преломляющей способностью. Установка Ньютона была предшественницей современного спектрального прибора. В дальнейшем прибор Ньютона был усовершенствован Волластоном( 1802г.) и Фраунгофером(1814г.), благодаря чему удалось рассмотреть больше подробностей в спектрах, выделить из общего излучения отдельные спектральные линии, а таюке измерить их длину волны.

Направив спектроскоп на солнце в 1861г. Кирхгоф составляет первый атлас солнечного спектра, сравнивает его со спектрами ряда элементов, доказывает присутствие в хромосфере солнца железа и высказывает достаточно обоснованное предположение о существовании в хромосфере элементов: Са, N3, N1, Сг.

В том же году Кирхгоф и Бунзен открывают два новых элемента - щелочные металлы Сэ и Ш>.

К настоящему времени данные о спектральных линиях практически всех химических элементов сведены в таблицы спектральных линий Гаррисона и отечественного издания Зайделя.

Для качественного определения элементов в анализируемом веществе достаточно удостовериться в наличии или отсутствии их линий в спектрах проб.

При количественном анализе проводят сравнение интенсивностей спектральных линий определяемых элементов с интенсивностями тех же самых линий в спектрах стандартных образцов, содержащих определяемые элементы в известных концентрациях.

Актуальность работы. Анализ продукции ведущих мировых производителей спектрального оборудования: Perkin Elmer, Shimadzu, Ocean Optics, Horiba Jobin

Yvon Inc., Spectro A.I. GmbH, ARL (Applied Research Laboratories), LECO, а также российских предприятий: ВМК-Оптоэлектроника, ЗАО«Спектральная лаборатория»,

ОКБ «Спектр», ООО «МОРС», показывает, что большая часть номенклатуры выпускаемых изделий оснащена многоэлементными фотоприемниками

Однако их применение вносит погрешности в спектрофотометрические измерения, обусловленные дискретностью светочувствительных элементов, которые снижают точность спектрального анализа. В спектральных приборах с многоэлементной фотоэлектрической регистрацией спектра отдельная спектральная линия регистрируется несколькими светочувствительными элементами, число которых определяется отношением ширины^ аппаратного контура спектрального прибора к ширине светочувствительного элемента, а также зависит от чувствительности и уровня шума системы фотоэлектрической регистрации. Поэтому для измерения длины волны и интенсивности спектральной линии необходимо как можно точнее восстановить ее контур. Анализ научно-технической литературы показывает, что теоретические исследования не получили должного внимания.

В связи с этим актуальна разработка метода уменьшения погрешностей спектрофотометрических измерений, связанных с определением интенсивности и длин волн спектральных линий при формировании их контуров на выходе многоэлементного фотоприемника. Кроме того, номенклатура выпускаемых в настоящее время многоэлементных фотоприемников достаточно велика, что обуславливает задачу научно-обоснованного выбора фотоприемника, обеспечивающего заданную погрешность конкретного спектрального прибора.

Объектом исследования являются спектральные приборы, регистрирующие спектры многоэлементным фотоприемником, а предметом исследования- процессы преобразования контуров спектральных линий при регистрации многоэлементным 4 фотоприемником и измерение их характеристик (полуширины контура, длины волны, интенсивности).

Цель исследования — повышение точности спектрального анализа, проводимого на спектральных приборах с многоэлементной фотоэлектрической регистрацией спектра, за счет уменьшения погрешности измерения длин волн и интенсивностей спектральных линий.

Задача исследования - научно-обоснованная техническая разработка метода уменьшения погрешности измерения длин волн и интенсивностей спектральных линий спектральных приборов с многоэлементной фотоэлектрической регистрацией спектра.

Поставленная задача научного исследования решается в следующих направлениях:

-анализ характеристик спектрального прибора с пространственным разделением монохроматических составляющих и регистрацией линейным многоэлементным фотоприёмником;

- исследование характеристик и параметров многоэлементных фотоприёмников с целью возможности их применения в спектрофотометрических измерениях; определение взаимосвязи характеристик спектрального прибора с характеристиками многоэлементного' фотоприёмника для теоретически полного восстановления контуров спектральных линий, регистрируемых в фокальной плоскости спектрального прибора;

- поиск метода обработки результатов измерения спектра, регистрируемого отдельными светочувствительными элементами фотоприемника, обеспечивающего минимальную погрешность измерения длин волн и интенсивностей спектральных линий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена симметрично - ступенчатая аппроксимация контуров спектральных линий для измерения их длин волн и интенсивностей, которая обеспечивает наименьшую погрешность измерений в сравнении с ранее известными способами аппроксимации контуров спектральных линий.

2. Впервые получено аналитическое выражение, связывающее полуширину аппаратной функции спектрального прибора с динамическим диапазоном и минимально необходимой шириной светочувствительного элемента линейного 5 многоэлементного фотоприёмника для полного восстановления контуров спектральных линий в соответствии с теоремой Котельникова.

3. Разработан метод обработки результата измерения спектра, регистрируемого отдельными светочувствительными элементами фотоприемника, позволяющий повысить точность измерения длин волн и интенсивностей спектральных линий.

Практическая ценность работы. Разработанный метод уменьшения погрешности позволяет проектировать оптико-электронные спектральные приборы с многоэлементной фотоэлектрической регистрацией с минимальной погрешностью спектрофотометрических измерений.

Реализация результатов работы. На основе внедрения результатов исследований, полученных в ходе выполнения работы, разработаны:

1. Многоканальный измерительный регистратор спектров МИРС с программным обеспечением для проведения качественного и количественного атомно-эмиссионного спектрального анализа. Изделие сертифицировано как средство измерений и допущено к применению в Российской Федерации. В настоящее время более 50 изделий используется в научно-исследовательских институтах и промышленных предприятиях различных отраслей народного хозяйства.

2. Программное обеспечение для лабораторий Бюро судебно-медицинских экспертиз, позволяющее определять привнесение химических элементов в зонах повреждения при различных видах травм и патологических состояниях методом относительного сравнения интенсивностей спектральных линий.

3. Разработана методика проведения экспериментальных исследований по оценке погрешностей измерений интенсивностей и длин волн спектральных линий при различных способах аппроксимации их контуров.

Методы исследования. В диссертационной работе использованы аналитические методы теории преобразования Фурье, теорема Котельникова о дискретной выборке непрерывных сигналов, численные методы решения алгебраических уравнений, методы математического программирования и экспериментальные исследования. Для решения алгебраических уравнений, обработки результатов измерений использовались программные пакеты MatLab.7, Photoshop.

Основные положения и результаты выносимые на защиту:

1. Способ аппроксимации контуров спектральных линий, регистрируемых многоэлементным фотоприемником, симметрично -ступенчатой функцией, обеспечивающий наименьшие погрешности измерения длин волн и интенсивностей спектральных линий.

2. Аналитическое выражение, связывающее полуширину аппаратной функции спектрального прибора с динамическим диапазоном и минимально необходимой шириной светочувствительного элемента многоэлементного фотоприемника для полного восстановления контуров спектральных линий в соответствии с теоремой Котельникова.

3. Метод обработки результата измерения спектра, регистрируемого отдельными светочувствительными элементами фотоприемника, позволяющий повысить точность измерения длин волн и интенсивностей спектральных линий.

Личный вклад автора. Автором предложен способ аппроксимации контуров спектральных линий, регистрируемых многоэлементным фотоприемником, симметрично-ступенчатой функцией и разработан метод для измерения полуширины, интенсивности и длин волн спектральных линий. Выведено аналитическое выражение, связывающее полуширину аппаратной функции спектрального прибора с динамическим диапазоном и минимально необходимой, шириной светочувствительного элемента многоэлементного фотоприемника для полного восстановления контуров спектральных линий в соответствии с теоремой Котельникова. Разработана методика проведения экспериментальных исследований по оценке погрешностей измерений интенсивностей и длин волн спектральных линий при различных способах аппроксимации их контуров. При определяющем научном руководстве автора разработан многоканальный измерительный регистратор спектров МИРС и проведена его сертификация как средства измерения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 20-м

Всесоюзном съезде по спектроскопии (г. Киев, 1988г.), XI Международной конференции "Аналитика атомной спектроскопии" (г. Москва, 1990г.), VI

Тамбовской областной научно - технической конференции по спектроскопии ( г.

Тамбов, 1983), VII Тамбовской областной научно - технической конференции по спектроскопии (г. Тамбов, 1985), 1-ом Отраслевом семинаре «Автоматизация оптических приборов» ( г. Ленинград, 1987г), XIV Уральской конференции по 7 спектроскопии (г. Заречный, 1999г.), XV Уральской конференции по спектроскопии (г. Заречный, 2001г.), XVI Уральской конференции по спектроскопии (г. Екатеринбург, 2003г.), XVII Уральской конференции по спектроскопии (г. Екатеринбург, 2005г).

Достоверность полученных научных результатов обеспечена применением классической теории преобразования Фурье и метода наименьших квадратов для решения алгебраических уравнений и подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем составляет: 148 страниц машинописного текста, 16 таблиц, 36 рисунков.

выводы

1. Разработан многоэлементный измерительный регистратор спектров МИРС, производящийся ФГУП НПО «ГИПО» мелкосерийно по техническим условиям АД 2.850. 142 ТУ. МИРС сертифицирован как средство измерений и допущен к применению в Российской Федерации. В настоящее время более 50 изделий используется в научно-исследовательских институтах и промышленных предприятиях различных отраслей народного хозяйствах.

2. Разработано программное обеспечение изделий МИРС, позволяющее проводить модернизацию существующего парка спектрографов и квантометров в аналитических лабораториях, с характеристиками, не уступающими лучшим зарубежным приборам аналогичного назначения.

3. Характеристики МИРС и разработанное программное обеспечение позволили создавать методики измерения массовой доли химических элементов в различных объектах удовлетворяющих требованием Государственных стандартов.

4. Разработано программное обеспечение для определения привнесения химических элементов в зонах повреждения при различных видах травм и патологических состояниях методом относительного сравнения интенсивностей спектральных линий для лабораторий Бюро судебно-медицинских экспертиз

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Проведен анализ характеристик спектрального прибора и предложена симметрично-ступенчатая аппроксимация контуров спектральных линий, регистрируемых многоэлементным фотоприемником. Экспериментально показано, что наименьшая погрешность измерения интенсивности и длины волны спектральной линии при регистрации спектра многоэлементной фотоэлектрической системой достигается при аппроксимации контуров спектральных линий симметрично-ступенчатой функцией.

2. Классифицированы многоэлементные фотоприемники для спектрофотометрических измерений, исследованы их относительные спектральные чувствительности, влияние температуры на темновой шум, и сделан выбор фотоприемников для использования в спектральных приборах.

3. Выведено аналитическое выражение, связывающее полуширину аппаратной функции спектрального прибора с динамическим диапазоном и минимально необходимой шириной светочувствительного элемента, многоэлементного фотоприемника для полного восстановления контуров спектральных линий в соответствии с теоремой Котельникова.

4. Предложен метод измерения интенсивности и длин волн спектральных линий, обеспечивающий минимальную погрешность измерения длин волн и интенсивностей спектральных линий за счет симметрично-ступенчатой аппроксимации их контуров с учетом выведенного аналитического выражения.

5. Разработан многоканальный измерительный регистратор спектров (МИРС). Характеристики МИРС и разработанное программное обеспечение позволили создавать методики измерения массовой доли химических элементов в различных объектах удовлетворяющих требованием Государственных стандартов. МИРС сертифицирован как средство измерений и допущен к применению в Российской Федерации. В настоящее время более 50 изделий используется в научно-исследовательских институтах и промышленных предприятиях различных отраслей народного хозяйствах.

6. Разработано программное обеспечение для определения привнесения химических элементов в зонах повреждения при различных видах травм и патологических состояниях методом относительного сравнения интенсивностей спектральных линий для лабораторий Бюро судебно-медицинских экспертиз.

1. Зайдель А.П. Основы спектрального анализа./ М.:НаукаД965.-С.233.

2. Клер М.Ш. Полуколичественный спектральный анализ минерального сырья. Таблицы спектральных линий./ Л: изд-во ЛГУ, 1960.-С.112.

3. Русанов А.И. Основы количественного спектрального анализа руд и минералов./ М.: Недра, 1978.-С.38.

4. Катченков С.М. Спектральный анализ горных пород./ Л.: Недра, 1964.-С.134.

5. Иванов Д.Н. Спектральный анализ почв./ М.: Полюс, 1974.-С.28.

6. Гусарский В.В., Фридман Г.И. Эмиссионная спектроскопия аэрозолей в металлургии./М.: Металлургия, 1974.-С.57.

7. Белькевич Я.П. Опыт спектрального анализа на медной основе./ Л.: Судпромгиз, 1955.-С.120.

8. Тонаков Л.И., Шаевич А.Б., Шубина С.Б. Спектральный анализ ферросплавов./М.: Металлургиздат, 1982.-С. 68.

9. Буравлев Ю.М. Атомно-эмиссионная спектрометрия металлов и сплавов./ Донецк, Донецкий Государственный университет, 2000.-С.254.

10. Орлов А.Г. Спектральный анализ полупроводников./ Л: Наука, 1971.-С. 18.

11. Кюреган С.И. Атомный спектральный анализ нефтепродуктов./ М.: Химия, 1985.-С.74.

12. Богнова .П., Шрейдер Е.Я. Спектральный анализ газовых смесей./ М.: ГИФМЛ, 1963 .-С. 104.

13. Немец В.Т., Петров A.A., Соловьев Л.А. Спектральный анализ неорганических газов./Л.: Химия, 1988.-С. 47.

14. Гордон Б.Е. Спектральный эмиссионный анализ и его применение в криминалистике, судебной химии и судебной медицине./ Киев, ГИТЛ УССР, 1962.-С. 56.

15. Назаров Г.Н., Макаренко Т.Ф. Методы спектрального анализа в судебной медицине./М.: МНПП «ЭСИ», 1994.-С.106.

16. ВоуСе W.S. Swith W.E. Charge Coupled Semikonduktor Devises, BSTJ,49,587-593(1970)

17. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда./ М.: Мир, 1978.-С. 158166.

18. Нагибина И.М., Михайловский Ю.К. Фотографические и фотоэлектрические спектральные приборы и техника эмиссионной спектроскопии./ JL: Машиностроение, 1981.-С.9-29, 42-47,144-146.

19. Пинар Ш. Инфракрасная спектроскопия высокого разрешения./ М.: Мир, 1972.-С. 352.

20. Тарасов К.И. Спектральные приборы./ Л.: Машиностроение, 1977.-С.38.

21. Сальков Е.А. Основы полупроводниковой электроники./ Киев, Наукова Думка, 1988.-С. 99.

22. Тарасов К.И., А.А., Блох, П.С. Голандин, Н.Ф Косова Проектирование спектральной аппаратуры , под редакцией К.И. Тарасова/ Л., Машиностроение, 1980.-С. 214.

23. Павлычева Н.К.Спекгральные приборы с неклассическими дифракционными решетками./ Казань, КГТУ им. А. П. Туполева, 2003.-С.7.

24. Буров А.П., Золотов Ю.А.Состояние отечественного аналитического приборостроения // Журнал аналитической химии, 1992 г., т. 47, № 12, С. 2072-2086.

25. Демин А.П., Горбачев С.Ф., Макаров В. Л.Автоматическая установка длины волны монохроматора// ОМП, 1986 г., № 3.- С. 20.

26. Эриксон, Моннон/ Приборы для научных исследований, 1983 г., № в.- С. 40.

27. JCP Information Newsletter, 1980, vol. 6, № 6.-р.237.

28. Демин А. П., Бажанов Ю. В. , Тимиргазеева Л. К., ЧугуновЮ.П Малогабаритный монохроматор с вогнутой дифракционной решеткой // Оптический журнал, 2002, №12.-С.53-55.

29. Демин А. П. , Бажанов Ю. В. , Тимиргазеева Л. К., Чугунов Ю.П. Монохроматор с автоматической установкой длины волны // Сборник материалов XV Уральской конференции по спектроскопии, Тезисы докладов, г. Заречный, 2001.-С.269-271.

30. Spectru 2000, 1982,V. 10, N. 77.-р.30-36.

31. Пейсохсон И.В. Оптика спектральных приборов./ М.: Машиностроение, 1975.-С. 312.

32. Sparrow C.M. On spectroscopic resolving power// Astroph. Journn. 1916,vol. 4.4, № 2.- p.76-80.

33. Раутиан С.Г. Реальные спектральные приборы.//УФН, 1958 г., т. 66, вып. 3.-С.475-515.

34. Петраш Г.Г. Исследование аппаратурных искажений и методы их учета в инфракрасной спектроскопии./ в сборнике трудов ФИАН СССР и Исследования по молекулярной спектроскопии./ М: 1964 г., т. 23.-С.60-62.

35. Косарев Е. JI. Шенноновский предел сверхразрешения и его достижение при восстановлении сигналов // Приборы и техника эксперимента, 1989, №4.-С. 84-87.

36. Delhayc М. et Bridoux М. La konvelle generation de Spectromaters optiques multicanaux./ Spectra 2000, 1982, v. 10, № 77. p.30-36.

37. Show E.P. Self-scauning Photodiode Arrays for Spectroscopy, Research -Development, 1976, v. 27, № 4,- p. 18-22.

38. Codding E.G., Jugle I.P., Stratton А.1/ Atomic absorption spectrometry with a photodiode array spectrometer./ Analytical Chemistry, 1980, v. 52, № 13.-p. 2133-2140.

39. Lachmonu H. Simultauspectrometrie mitl inearen Diodenarrays./ Neuste Eutwichlung und deren Anwendungen in der Chemie, CelT, 1983, v. 27, № 3.-p. 170-172, 175-176, 178-179.

40. Bubert H. Solisium Photodioden - Matvisen mit parallele Signalans-hopplung als Stahlungaempfunger in der ICP-AES. -Spectrochimica acta, 1982, B37, № 6. --p. 533-538.

41. Burch Kenneth W., Benton Larry P. Multiplex method in atomic spectroscopy. -Analytical Chemistry, 1983, v. 55, № 3.-p.29.

42. Kubota m., Fujishivo Y., Ichida R. Some characteristics of an intensified photodiode array spectrometer system for use in plusma emission spectrometry. -Spectrochimica acta, 1982, B37, № 10,- p 849-857.

43. Демин А. П. , Иванов В. П. , Туркин В. В. Султанбеков Ф. Ф., Сибатов А. Г. Автоматизированный спектрометрический анализатор широкого применения // Сборник материалов XX Всесоюзного съезда по спектроскопии, ч.2 , Тезисы докладов, г. Киев, 1988.-С.102.

44. Суранов А. Я.ДПпомер А. В.,Якунин А. Г. Применение автоматизированного регистратора спектра на основе линейного ПЗС-фотодиодного приемника для спектрального анализа металлов// ЖПС, 1985, t.XLIII, № 3.-С.377-382.

45. Демин А.П., Арутюнов В.А., Горбачев С.Ф., Нагулин Ю.С. Многоканальная система регистрации спектра на базе линейного ПЗС-формирователя изображения// ОМП, 1986, № 1.-С. 34-36.

46. Демин А.П. Многоканальная система регистрации оптического излучения с компенсацией темнового шума // ПТЭ, 1988, № 6.-С.150-154.

47. Ratzlaff K.L., Paul S.L. // Applied Spectroscopy, 1979, v. 33, № 3. p. 240-245.

48. Иванов В.В.//Приборы и техника эксперимента, 1986, № 5.- С.63.

49. Talmi Y.,Simpson R.//Applied Optics,1980, vl9, №8.- p.1401-1414.

50. Полупроводниковые формирователи изображения. Под редакцией Йесперса П., Ван де Виле Ф., Уайта М. М., Мир, 1979.-С.446-456.

51. Арутюнов В.А., Лапук В.Б., Сорокин О.В. Способ управления фотодиодным прибором с зарядовой связью.// Заявка на изобретение № 4389528 с приоритетом 10.03.88.

52. Арутюнов В.А., Сорокин О.В. Прибор с зарядовой связью.// Заявка на изобретение № 4312978 с приоритетом 06.07.87.

53. Арутюнов В.А., Котов Б.А., Сорокин О.В. Повторители выходного напряжения для ПЗС и ФПЗС. //Электронная техника, серия 4, вып. 3 (102), с. 31-37, 1984.

54. Арутюнов В.А., Котов Б.А., Сорокин О.В. Способ управления фотоприемным устройством на билинейном приборе с зарядовой связью.// Авт. свид. СССР № 1336871, заявл. 13.02.83, опубл. 08.05.87.

55. Арутюнов В.А., Сорокин О.В. Способ измерения линейного размера изображения с помощью фотоэлектрического прибора с зарядовой связью. //Заявка на изобретение № 4119595 с приоритетом 23.06.86. положительное решение 31.12.87.

56. Котов Б.А., Сорокин О.В., Татаурщиков С.С. Метод исследования релаксации в МДП-конденсаторе по инжекционному току.// Микроэлектроника, 4, № 4, с. 355-361, 1975.

57. Демин А.П., Демин В.М., Горбачев С.Ф. Автоматизированный стенд для исследования характеристик многоканальных ПЗС-фотоприемников.// Тезисы 1 отраслевого семинара «Автоматизация оптических приборов», Ленинград, 1987.-С.5.

58. Суранов А. Я., Госьков П. И., Якунин А. Г.// Микропроцессорные средства и системы. 1987, №4.-С.43.

59. Демин А. П., Горбачев С. Ф. Оперативное запоминающее устройство с внешним скоростным каналом ввода-вывода информации в микро-ЭВМ «Электроника-60» // Микропроцессорные средства и системы. 1986, №3.-С. 64.

60. Демин А. П. , Харитонов Г. И. Отображение графической информации на алфавитно-цифровом дисплее // Микропроцессорные средства и системы, 1987, №4.-С.43.

61. Отчет по Договору 48-Ш, часть 2, ЛГУ, Ленинград 1979.

62. Носов Ю. Р. , Шилин В. А. Основы физики приборов с зарядовой связью.- М.: Наука, 1986.-С.242-252.66. www.thenno.com67. www.specinst.com68. www.vmk.ru69. www.spectr-lab.spb.ru

63. Мошкин В.И. // Автометрия, 1988, № 1.-С.60-65.

64. Кашлаков Б.В., Кленов В.Т., Костюков Е.В. // Электронная промышленность, 1982, № 7.-С.7.

65. Костюков Е.В., Павлова З.В., Пресс Ф.П. // Электронная промышленность, 1987, № 3.-С.48.

66. Арутюнов В.А., Котов Б.А., Сорокин О.В. // Электронная промышленность,1981, № 9.-С.23.

67. Котельников В.А. / Теория потенциальной помехоустойчивости, М.: Госэнергоиздат, 1956.-С.94.

68. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров, Пер. с англ. под редакцией И.Г. Абрамовича./ М.: Наука, 1984. -С. 575.

69. Pias P.S.C. // Spectrochimica Acta/ Adaptation of an Existing Algorithm for Automated Continuum Correction in Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry Using a Photodiode., 1987, v. B42, №8.- p. 1027-1038.

70. Демин А.П., Нагулин Ю.С. Выбор ширины элемента многоэлементного линейного фотоприемника для регистрации линейчатых спектров // ОМП, 1990, № 9.-С.36-38.

71. Липкин И.А. Основы статической радиотехники, теории информации и моделирования. /М.: Сов.радио, 1978.-С.96-101.

72. Куликов Е.И., Трифонов А.П. Оценка параметров сигналов на фоне помех./ М.: Сов.радио, 1978.-С.199-208.

73. Белашов Д.П., Емельянов И.В.// ЖПСД990, т. 52, № 2.-С.38.

74. Терех Т., Мика И., Гегуш Э. Эмиссионный спектральный анализ./ М.: Мир,1982.-С.256.

75. Устройство для обработки спектрограмм.//Авторское свидетельство 333414. СССР МКИ GOI J/04.

76. Антонов Г.В Применене математических методов и ЭВМ при обработке информации. // Материалы XII уральской конференции, г. Свердловск, 1978.-С.78.

77. Horlik G// Appl. Spectr.-1975.-Vol.29, №2,- p. 167-170.

78. Hewes С. R., Brodersen R. W.//Proc. IEEE, 1979, v87, №5.-p.73.

79. Демин А. П., Султанбеков Ф. Ф.Способ определения длины волны спектральных линий.//Авторское свидетельство 1603202. Бюл. Изобр. -1990.-№40.-С.170.

80. Бронштейн И.Н., Семендяев И.А. Справочник по математике./ М.: Наука, 1986.-С.521.

81. Демин А. П., Султанбеков Ф. Ф., Яндуганова О. Б.Методы определения длины волны спектральных линий, регистрируемых многоэлементным фотоприемником // Оптический журнал, 1992, №3.-С.60-63.

82. Павлычева Н. К. , Кит И. Е.Спектрограф для спектрального анализа в геологии // ОМП, 1988, №6.-С.27-29.

83. Зайдель А. Н., Прокофьев В. К., Райский С. М., Шнейдер Е. Я. Таблицы спектральных линий./ М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962.-С.420.91. www.hamamatsu.com92. www.kodak.com93. www.toshiba.com94. www.sonv.com

84. Демин А. П. , Павлычева Н. К., Горбачев С.Ф. , Кит И. Е. Малогабаритный светосильный спектрометр на область спектра 200.1300нм // Оптический журнал, 1996, №11.-С.61-62.

85. Демин А. П., Нагулин Ю.С,Нагулин К.Ю. Малогабаритный полихроматор для обдасти спектра 190.1100нм // Оптический журнал, 1994, №4.-С. .175178.

86. Лебедев Н. В.//Техника средств связи. Сер. Техника телевидения, 1980,вып.5.-С.35.

87. Шелпакова И. Р., Гаранин В. Г., Лабусов В. А. Многоэлементные твердотельные детекторы и их использование в атомно-эмиссионном спектральном анализе//Заводская лаборатория, 1999, т.65, №10.-С. 3-16.

88. Демин А. П., Филиппов В. Л., Балоев В.А., Пеплов А. А., Многоканальный измерительный регистратор спектров МИРС // Сборник материалов XVII Уральской конференции по спектроскопии, Тезисы докладов, г. Екатеринбург, 2005.-С.177.

89. Демин А. П., Павлычева Н. К., Пеплов А.А Малогабаритный спектрометр широкого применения // Оптический журнал, 2007, №3.-С.29-32.