Многоканальный анализатор эмиссионных спектров

Введение

 

Данную работу проводили с целью изучения методов диагностики плазмы; для определения концентрации электронов использовали спектральные линии Mn I 260,57 и Mn II 279,5 с энергиями возбуждения 4,44 и 4,75 эВ. Достоинством этой пары является близость энергий возбуждения линий, что позволяет достаточно легко прослеживать изменение степени ионизации марганца под воздействием исследуемых факторов. Для измерения эффективной температуры источника возбуждения использовали спектральные линии Zn I 307,6 и 307,2 нм с сильно отличающимися энергиями возбуждения 4,03 и 8,11 эВ по методу Орнштейна.
Задачи:

1. Освоить программу «АТОМ 3.3» и работу со спектральным прибором

2. Приготовить исходные смеси цинка и марганца с графитовым порошком

3. Подобрать форму электрода

4. Определить концентрации цинка и марганца для регистрации их спектральных линий

5. Провести регистрацию при разных силах тока

6. Провести регистрацию при разных электродных промежутках при силе тока 5А

7. Провести регистрацию при разных электродных промежутках при силе тока 10А

8. Провести регистрацию с разным содержанием спектроскопического буфера

9. Определить концентрации цинка и марганца с добавлением спектроскопического буфера.

10. Провести регистрацию с добавлением элементов с разной энергией ионизации

11. Сделать расчёт температуры плазмы и концентрации электронов для разных характеристик дугового разряда.

 

 

Спектральный прибор

 

Анализатор МАЭС установлен на спектрографе средней дисперсии PGS–2

Рисунок 1. Оптическая схема спектрографа PGS–2

Он имеет в качестве диспергирующего элемента плоскую дифракционную решетку и построен по автоколлимационной схеме Эберта. Излучение от входной щели 1 направляется на вогнутое зеркало 3 с фокусным расстоянием 2 м, отразившись от которого оно в виде параллельного пучка попадает на дифракционную решетку 4, имеющую 651 штрих/мм. Излучение на решетке дифрагирует, потом отправляется на зеркальный объектив, который фокусирует излучение по длинам волн в фокальной плоскости, где в качестве приемника излучения может находиться многоканальный анализатор эмиссионных спектров МАЭС, работающий с программным комплексом "АТОМ". Выбор регистрируемого участка спектра производят поворотом решетки относительно вертикальной оси. Обратная линейная дисперсия прибора составляет 0,74 нм/мм. Она может быть улучшена вдвое применением двукратного прохождения лучей через дифракционную решетку, что достигается введением в оптическую схему дополнительного плоского зеркала S, которое снова разворачивает лучи и повторно направляет их на другой участок дифракционной решетки. Эти участки разнесены по высоте решетки: лучи первично дифрагированные и вторично направленные на решетку не пересекаются по своему оптическому ходу. Излучение, однажды дифрагированное, подвергается ещё одному процессу дифракции, т.е разрешается больше. Такой режим приводит к увеличению линейной дисперсии прибора, соответственно, это увеличивает разрешение, т.е рассеяние между линиями близких длин волн в фокальной поверхности. При этом, однако, существенно снижается светосила прибора. У щели находится насадка 2, содержащая систему диафрагм и ступенчатых ослабителей. Прибор имеет блок управления положением кассеты, затвором щели, а также работой генератора.

В состав спектрометра также входит дуговой среднечастотный генератор "Везувий", обеспечивающий режимы дуги постоянного или переменного тока. Для крепления и юстировки положения электродов использован специальный штатив с водоохлаждаемыми с помощью термостата держателями. Освещение щели обеспечивает двухлинзовая конденсорная система.

Для регистрации спектров линий цинка Zn Ⅰ 307,6, Zn Ⅰ 307,2 и марганца Mn I 260,57 и Mn II 279,5 угол поворота решетки составляет 51,9. Выравнивание рабочей зоны линейки: 55 для однократной дифракции

Регистрацию проводим при времени экспозиции 30 с.

 

 

Твердотельные детекторы

 

Принцип действия основан на внутреннем фотоэффекте.

Основным материалом является кремний.

Возможности детектирования связана с особенностями кремния в разных состояниях. Чистый кремний –диэлектрик. В присутствии примесей (германия, мышьяка, олова), кремний становится полупроводником. Для полупроводника характерно появление под действием излучения свободных, подвижных электронов, которые переходят из валентной зоны в зону проводимости.

Кремний с органическим соединением (полисиликон) обладает свойствами полупроводника. Из этого соединения изготавливают контакты и электроды ТТД.

 

Заключение

 

Не все эксперименты были проведены из-за карантина, но по полученным данным можно сделать вывод, что регистрацию линий цинка удобнее проводить в электроде «стопка» с содержанием цинка 0,10% при добавлении спектроскопического буфера при электродном промежутке 2мм и силе тока 10А.

 

Введение

 

Данную работу проводили с целью изучения методов диагностики плазмы; для определения концентрации электронов использовали спектральные линии Mn I 260,57 и Mn II 279,5 с энергиями возбуждения 4,44 и 4,75 эВ. Достоинством этой пары является близость энергий возбуждения линий, что позволяет достаточно легко прослеживать изменение степени ионизации марганца под воздействием исследуемых факторов. Для измерения эффективной температуры источника возбуждения использовали спектральные линии Zn I 307,6 и 307,2 нм с сильно отличающимися энергиями возбуждения 4,03 и 8,11 эВ по методу Орнштейна.
Задачи:

1. Освоить программу «АТОМ 3.3» и работу со спектральным прибором

2. Приготовить исходные смеси цинка и марганца с графитовым порошком

3. Подобрать форму электрода

4. Определить концентрации цинка и марганца для регистрации их спектральных линий

5. Провести регистрацию при разных силах тока

6. Провести регистрацию при разных электродных промежутках при силе тока 5А

7. Провести регистрацию при разных электродных промежутках при силе тока 10А

8. Провести регистрацию с разным содержанием спектроскопического буфера

9. Определить концентрации цинка и марганца с добавлением спектроскопического буфера.

10. Провести регистрацию с добавлением элементов с разной энергией ионизации

11. Сделать расчёт температуры плазмы и концентрации электронов для разных характеристик дугового разряда.

 

 

Спектральный прибор

 

Анализатор МАЭС установлен на спектрографе средней дисперсии PGS–2

Рисунок 1. Оптическая схема спектрографа PGS–2

Он имеет в качестве диспергирующего элемента плоскую дифракционную решетку и построен по автоколлимационной схеме Эберта. Излучение от входной щели 1 направляется на вогнутое зеркало 3 с фокусным расстоянием 2 м, отразившись от которого оно в виде параллельного пучка попадает на дифракционную решетку 4, имеющую 651 штрих/мм. Излучение на решетке дифрагирует, потом отправляется на зеркальный объектив, который фокусирует излучение по длинам волн в фокальной плоскости, где в качестве приемника излучения может находиться многоканальный анализатор эмиссионных спектров МАЭС, работающий с программным комплексом "АТОМ". Выбор регистрируемого участка спектра производят поворотом решетки относительно вертикальной оси. Обратная линейная дисперсия прибора составляет 0,74 нм/мм. Она может быть улучшена вдвое применением двукратного прохождения лучей через дифракционную решетку, что достигается введением в оптическую схему дополнительного плоского зеркала S, которое снова разворачивает лучи и повторно направляет их на другой участок дифракционной решетки. Эти участки разнесены по высоте решетки: лучи первично дифрагированные и вторично направленные на решетку не пересекаются по своему оптическому ходу. Излучение, однажды дифрагированное, подвергается ещё одному процессу дифракции, т.е разрешается больше. Такой режим приводит к увеличению линейной дисперсии прибора, соответственно, это увеличивает разрешение, т.е рассеяние между линиями близких длин волн в фокальной поверхности. При этом, однако, существенно снижается светосила прибора. У щели находится насадка 2, содержащая систему диафрагм и ступенчатых ослабителей. Прибор имеет блок управления положением кассеты, затвором щели, а также работой генератора.

В состав спектрометра также входит дуговой среднечастотный генератор "Везувий", обеспечивающий режимы дуги постоянного или переменного тока. Для крепления и юстировки положения электродов использован специальный штатив с водоохлаждаемыми с помощью термостата держателями. Освещение щели обеспечивает двухлинзовая конденсорная система.

Для регистрации спектров линий цинка Zn Ⅰ 307,6, Zn Ⅰ 307,2 и марганца Mn I 260,57 и Mn II 279,5 угол поворота решетки составляет 51,9. Выравнивание рабочей зоны линейки: 55 для однократной дифракции

Регистрацию проводим при времени экспозиции 30 с.

 

 

Многоканальный анализатор эмиссионных спектров

 

Многоканальный анализатор эмиссионных спектров (МАЭС) представляет собой систему регистрации атомно-эмиссионных спектров, основанную на применении твердотельных детекторов оптического излучения. Анализатор устанавливают в фокальной поверхности спектрального прибора и на его приемнике фокусируют регистрируемый спектр.

Приемник излучения является микросборкой нескольких восьми линеек активных фотодиодов (БЛПП-369). Линейка является интегральной микросхемой, выполнена на кремниевом кристалле длиной 33 мм, на котором создана система из 2580 примыкающих друг к другу ячеек – пикселей. Ширина ячейки составляет 12,5 мкм, высота – 1 мм. Поверхность пикселя представляет собой полностью доступный для воздействия излучения фотодиод, имеющий высокую чувствительность в УФ–диапазоне (160 ÷1100 нм) и значительный динамический диапазон (104). Расстояние фоточувствительной зоны до краев кристалла составляет 0,38 мм, так что "мертвые зоны" между расположенными вплотную друг к другу кристаллами невелики и позволяют регистрировать практически весь спектр (потери менее 3 %). Охлаждение и стабилизация температуры сборок осуществляется с помощью термоэлектрических холодильников Пельтье, входящих в состав специальной электронной системы.

Внутри каждой ячейки сформирована схема накопления, усиления и считывания сигналов.

 

Рисунок 2. Функциональная схема фотодиодной линейки

 

Генерированные фотодиодами заряды, пропорциональные освещенности и времени экспозиции, накапливаются в закрытых от излучения интеграторах (МОП–емкостях), не изменяя напряжения смещения фотодиодов. По окончании короткого периода экспонирования (250 мс) заряды одновременно во всех ячейках переносятся на входные емкости внутренних усилителей, после чего начинается новый период накопления зарядов в интеграторах. В это время с помощью коммутатора происходит последовательное считывание сигналов отдельных пикселей на выход линейки, которые после усиления внешним усилителем передаются далее на высокоскоростной 16–разрядный аналогово–цифровой преобразователь (АЦП)

 

Рисунок 3. Схема анализатора МАЭС в составе установки атомно–эмиссионного спектрального анализа на базе спектрографа

 

После преобразования сигналы суммируются для заданного числа накоплений в отдельных для каждого пикселя ячейках памяти регистра записи, и после окончания цикла экспонирования передаются через интерфейс в компьютер.

Таким образом, первичная информация, поставляемая из МАЭС в компьютер, представляет зависимость сигнала, генерированного регистрируемым спектром в отдельном пикселе сборки i, от номера пикселя (диода) N.

 

Твердотельные детекторы

 

Принцип действия основан на внутреннем фотоэффекте.

Основным материалом является кремний.

Возможности детектирования связана с особенностями кремния в разных состояниях. Чистый кремний –диэлектрик. В присутствии примесей (германия, мышьяка, олова), кремний становится полупроводником. Для полупроводника характерно появление под действием излучения свободных, подвижных электронов, которые переходят из валентной зоны в зону проводимости.

Кремний с органическим соединением (полисиликон) обладает свойствами полупроводника. Из этого соединения изготавливают контакты и электроды ТТД.