Федеральное агентство по образованию
Томский государственный университет
Физический факультет
Кафедра оптики и спектроскопии
Лабораторный КРС – спектрометр.
(курсовая работа)
Выполнил: студент 4 курса
Луговской А. А.
Научный руководитель:
Королев Б. В.
Зав. кафедрой:
профессор Майер Г. В.
Томск – 2007
Содержание
Введение…………………………………………………………………………...3
1. КРС – спектрометр…………………………………………………………….6
1.1 Ограничения, налагаемые источником…………………………………..6
1.2 Блок – схема спектрометра………………………………………………..8
1.3 Преобразователь напряжение – частота AD652………………………..11
1.4 Концепция двухуровневого управления………………………………..14
2. Испытания КРС – спектрометра…………………………………………….17
Заключение……………………………………………………………………….20
Список литературы………………………………………………………………21
Введение.
Комбинационное рассеяние
света (КРС) – рассеяние в газах, жидкостях и кристаллах, сопровождающееся
появлением дополнительных частот в рассеянном свете. Явление комбинационного
рассеяния было открыто Г.С. Ландсбергом и Л. И. Мандельштамом в 1928 году при
исследовании рассеяния света в кристаллах и одновременно Ч. В. Раманом и К. С.
Кришнаном при исследовании рассеяния света в жидкостях. После открытия этого
явления начались широкие исследования КРС как в нашей стране, так и за
рубежом. В настоящее время комбинационное рассеяние света оформилось в
самостоятельный раздел спектроскопии.
Спектроскопия комбинационного
рассеяния света (КРС) основана на способности молекул рассеивать свет с
частотами при освещении их
монохроматическим излучением с частотой ,
причем разность частот строго
индивидуальна для каждого сорта рассеивающих молекул и не зависит от частоты [1]. Использование КРС при
исследовании вещества исследователь получает возможность одновременного
детектирования всех молекулярных компонентов среды с помощью одного источника
света (лазера) с фиксированной (произвольной) частотой излучения . При этом сигнал КРС любой
молекулярной компоненты газовой среды пропорционален ее концентрации,
практически безинерционен, не подвержен тушению и не зависит от состава среды.
Благодаря этому, спектроскопия КРС особенно перспективна для определения
качественного и количественного состава сред сложного молекулярного состава. К
сожалению, интенсивность линий в спектрах КРС очень мала и, поэтому, для их
регистрации требуется сложная и дорогая аппаратура. Метод КРС является
единственным оптическим методом диагностики молекулярных сред, состав которых
заранее неизвестен.
Для получения спектров
комбинационного рассеяния используют КРС – спектрометры, состоящие из лазерного
источника излучения, кюветы с изучаемой средой, монохроматора, приёмника
рассеянного излучения и системы обработки электрических сигналов. В качестве
приёмников излучения в КРС – спектрометрах используются как одноканальные, так
и многоканальные приёмники. К одноканальным приёмникам относятся
фотоэлектронные умножители (ФЭУ), обладающие высокой чувствительностью.
Регистрация спектра КРС с помощью ФЭУ осуществляется методом сканирования. При
таком способе регистрации разные участки спектра записываются не одновременно.
Для решения проблемы одновременности служат многоканальные приёмники излучения:
фотодиодные ПЗС линейки и матрицы. Приёмники с зарядовой связью (ПЗС)
представляют собой полупроводниковые кристаллы с тысячами фоточувствительных
элементов. Чувствительность отдельного элемента заметно уступает
чувствительности ФЭУ. Однако, в отличие от ФЭУ, эти фотоприёмники позволяют
одновременно регистрировать тысячи точек спектра.
В настоящее время большую
роль при проведении спектральных измерений играет компьютер. Это в полной мере
относится и к спектрам КРС. Компьютер применяют как для автоматизации
экспериментальных установок, так и для выполнения тяжелой рутинной работы,
связанной с обработкой полученных в ходе эксперимента данных. Автоматизация
КРС-спектрометра с помощью компьютера заключается в управлении процессом
сканирования спектральной картины, вычитании фона, обусловленного темновыми
токами прибора, а также в организованном предоставлении данных в файлах
библиотек и наглядную визуализацию спектров на экране монитора. После появления
автоматизированных установок существенно упростился процесс расшифровки линий
спектров КРС.
Целью данной курсовой
работы является разработка лабораторного КРС-спектрометра, предназначенного для
наблюдения явления комбинационного рассеяния света в жидкостях.
1. КРС – спектрометр
1.1
Ограничения,
налагаемые источником
При использовании
импульсного лазера на парах меди в качестве источника излучения для получения
спектров комбинационного рассеяния возникли некоторые проблемы, которые
обсуждаются в данном разделе.
Во-первых, тот факт, что
лазер импульсный, а не непрерывный, сразу лишил нас возможности использовать
метод счета фотонов. Действительно, за лазерным импульсом, который длится в
течение 20 нс, следует перерыв, который длится в течение 100000 нс. Получается,
что 99,98% времени излучение вообще отсутствует. Для решения этой проблемы
может послужить быстрый аналого-цифровой преобразователь (АЦП), который будет
включаться только на время импульса. Однако, такие АЦП, как правило, имеют
чрезмерно высокую стоимость. В нашей установке использован метод интегрирования
фототока, при котором излучение за все время экспозиции усредняется. К
сожалению, при этом интегрируется и весь темновой фототок, что снижает и
чувствительность, и динамический диапазон спектрометра.
Во-вторых, в спектре излучения
медного лазера присутствуют разрядные линии. Их хорошо видно на рисунке 1,
который был снят в отсутствие кюветы с жидкостью. Эти линии, при использовании
лазера в других целях (например, в медицине), не создают помех в работе
вследствие своей относительно малой интенсивности. При наблюдении же спектров
комбинационного рассеяния интенсивность этих линий оказывается больше
интенсивности сигнала КР. Так же они закрывают собой значительную часть
спектральной картины и, в частности, места возможного обнаружения линий КР.
В-третьих, лазер
генерирует излучение на двух длинах волн. Это приводит к появлению двух наборов
линий КР. Помимо необоснованного усложнения спектра это может привести к
наложению линий из разных наборов и невозможности определения интенсивности
этих линий.
Таким образом,
непосредственное использование данного лазера весьма затруднено: необходима
разработка некой оптической системы для выделения единственной линии излучения,
что неизбежно связано с дополнительными потерями мощности излучения.
Рисунок 1. Спектр излучения лазера на парах
меди в спектральном интервале, интересном для изучения КР.
1.2 Блок – схема спектрометра.
Для автоматизации КРС –
спектрометра разработан интерфейс устройства сопряжения экспериментальной
установки с ЭВМ, схема которого показана на рисунке 1. Особенность данной
установки является наличие управляющего микроконтроллера, который играет роль
посредника между ЭВМ и объектами управления. Подробнее эта роль будет описана в
разделе «концепция двухуровневого управления».
В качестве источника
излучения используется импульсный лазер на парах меди, генерирующий излучение
на двух длинах волн (нм и нм). Лазер расположен на
довольно большом расстоянии от спектрометра, под прямым углом к нормали падения
излучения на диафрагму. Таким образом, практически исключается появление в
спектре паразитных разрядных линий, которые значительно усложняют работу, а так
же появляется возможность использования в качестве монохроматора лазерного
излучения последовательности призмы и диафрагмы. Призма разлагает желтую и
зеленую линии генерации, а также многочисленные разрядные линии в спектр, а
диафрагма пропускает лишь возбуждающее излучение с длиной волны нм. Собирающая линза 1
фокусирует это излучение в кювете с исследуемой жидкостью. Линза 2 фокусирует
изображение образовавшейся перетяжки на вход монохроматора МДР–23. Важно
заметить, что изображение перетяжки рассматривается под прямым углом к
падающему на образец излучению, поскольку в этом направлении релеевское
рассеяние имеет наименьшую величину и позволяет наблюдать линии КР.
Монохроматор МДР-23
снабжен четырёхфазным шаговым двигателем, который обеспечивает установку длины
волны в плоскости выходной щели путём поворота дифракционной решетки.
Дифракционная решётка проецирует изображение спектра на вход фотоэлектронного
умножителя (ФЭУ), питание которого обеспечивается высоковольтным (-2000В) стабилизированным
блоком питания. Анодный ток ФЭУ поступает на усилитель постоянного тока (УПТ),
который выполняет функцию преобразования ток-напряжение. Крутизна
преобразования - 6 В/мкА. Величина напряжения на выходе УПТ пропорциональна
интенсивности измеряемого светового сигнала с высокой линейностью.
Для оцифровки полученного
таким способом напряжения используется интегрирующий преобразователь напряжение
– частота (ПНЧ), специализированная микросхема AD652 фирмы Analog Devices. Сочетание
УПТ+ПНЧ позволяет измерять как постоянные, так и меняющиеся во времени сигналы,
и даже импульсные. Полученный частотный поток поступает на счетчик
микроконтроллера. Количество импульсов, накопленное за определённый
фиксированный интервал времени, и образует отсчёт измеряемого сигнала, который через
стандартный COM-порт передается в ЭВМ.
Для управления шаговым
двигателем использован штатный заводской блок управления шагового двигателя
(БУШД). Однако, логика управления двигателем в БУШД нами отключена, и он
используется только как источник питания обмоток двигателя. Логика управления
двигателем реализована в микроконтроллере.
Таким образом, спектрометр
представляет собой автоматизированную экспериментальную установку, которая
является совокупностью спектральной и измерительной аппаратуры, а также
компьютера.
Рисунок 2. Блок схема КРС - спектрометра
1.3 Преобразователь напряжение –
частота AD652.
Важным элементом
измерительного тракта КРС-спектрометра является преобразователь напряжения в
частоту (ПНЧ) с уравновешиванием зарядов - микросхема AD652. Такое внимание к этой микросхеме в данной работе
обусловлено тем, что именно метрические свойства ПНЧ определяют все метрические
свойства установки, поскольку после ПНЧ вся дальнейшая обработка ведется в
цифровом представлении, без накопления погрешности.
В этой микросхеме входное
аналоговое напряжение преобразуется в выходную импульсную последовательность,
частота которой пропорциональна входному напряжению. Это осуществляется
электрической схемой, приведенной на рис.2.
Рисунок 3. Электрическая схема
Рисунок 4. Диаграмма работы интегратора
В зависимости от
выходного сигнала компаратора импульсы тока фиксированной длительности (т. е. с
фиксированным приростом заряда) подключаются при каждом изменении тактовых
импульсов либо к суммирующему входу, либо к земле, что позволяет поддерживать
нулевой средний ток на суммирующем входе. Это принцип уравновешивания [4] (Его
особенность заключена в применении конденсатора для отслеживания отношения
уровня входного сигнала к эталонному: рис. 2). Счетчик отслеживает число
импульсов подключения к суммирующему входу (не более 2млн). Полученное число
будет пропорционально среднему входному уровню за это число тактовых импульсов.
После того, как сигнал выхода интегратора достигает порога компаратора, выход
вентиля AND переходит в верхнее состояние. Ничего
не происходит, пока нулевой уровень тактового генератора не попадает на вход триггера.
В этот момент, тактовый генератор находится в состоянии нижнего уровня,
поэтому триггер не меняет состояние. Когда генератор возвращается в единичное состояние,
триггер также переходит в единичное состояние (рис. 4) и дает команду переключателю
вычесть из интегратора определенное наперед заданное значение; в этот самый
момент, триггер дает команду вентилю AND встать в нижнее состояние выхода. На следующем отрицательном такте
генератора, нижнее выходное состояние вентиля AND передается на вход D триггера. Когда генератор возвращается в верхнее состояние,
выход триггера переходит в нижнее состояние и дает команду переключателю
вернуться в режим интегрирования. В то же самое время триггер дает команду на
вход вентилю AND встать в режим высокого уровня.
Импульсы сброса,
приложенные к интегратору, имеют длину ровно одного периода генератора,
единственный случай, когда могут возникнуть отклонения, это при нагревании,
поэтому необходимо качественно подбирать питание микросхемы, во избежание
перегрева.
Основные характеристики
микросхемы AD652:
·
Крутизна
преобразования 200 кГц/В
·
Ошибка крутизны
преобразования 0,25%
·
Максимальная
выходная частота 2 МГц
·
Ошибка линейности 0,01%
·
Входной ток 5∙10-9
А
1.4 Концепция двухуровневого
управления.
Для управления элементами
спектрометра и обеспечения диалога с пользователем была разработана система
двухуровневого управления. Верхний уровень – уровень пользователя –
реализуется программой для компьютера типа Pentium, написанной в среде Visual Basic 6.0. Нижний уровень – уровень управления оборудованием –
реализуется программируемым микроконтроллером (микросхема ATMega128 фирмы Atmel), который имеет цифровые и аналоговые входы и выходы,
счетные каналы и другую периферию. Связь между уровнями осуществляется через
стандартный порт RS-232.
Необходимость такого
разделения объясняется тем, что современные многозадачные операционные системы
используют концепцию разделения времени процессора между несколькими
выполняющимися приложениями. Это может привести к ситуации, что задача
реального времени не сможет вовремя обработать наступившее в системе событие из-за
того, что в этот момент исполнялась совсем другая задача.
В данном спектрометре при
синхронном сканировании спектра с ПНЧ непрерывно поступают импульсы, и нужно
подсчитать их количество в единицу времени. Именно стабильность
длительности этой единицы определяет метрические свойства спектрометра.
Однако, обеспечить необходимую стабильность в многозадачной системе, какой
является Windows, не представляется возможным. Попытка
выполнить управляющие действия в среде Windows в лучшем случае приведет к резкому ухудшению точности
измерений, в худшем – к потере данных.
При использовании
системы двухуровневого управления такая проблема исчезает. На верхнем уровне
управления в удобном для пользователя виде задаются следующие параметры:
·
текущая длина
волны, указанная на механическом барабане монохроматора
·
начальная длина
волны сканирования спектра
·
конечная длина
волны сканирования спектра
·
экспозиция
·
шаг сканирования
Также обеспечивается графическая
визуализация измеренных спектров, ведение библиотеки спектров на диске и прочий
сервис.
На нижнем уровне
управления микроконтроллер выполняет следующие действия:
·
получает от ЭВМ
информацию о количестве оборотов, которое следует сделать шаговому двигателю,
и экспозиции;
·
по команде от ЭВМ
отрабатывает вращение двигателя;
·
по команде от ЭВМ
за калиброванное время подсчитывает число импульсов, поступающих на
встроенный счетчик с преобразователя напряжение – частота AD652, и сохраняет это значение (интенсивность
света) в своей памяти;
·
По команде от ЭВМ
передает сохраненное значение интенсивности через СОМ-порт;
Режим реального времени
обеспечивается тем, что управляющая программа монопольно использует ресурсы
микроконтроллера и не прерывается никакими другими процессами. А стабильность
временных интервалов определяется кварцевым генератором на частоту 16 МГц, с
помощью которого микроконтроллер способен программно-аппаратно формировать произвольные
временные интервалы с точностью 10-5.
Таким образом, благодаря
разделению управления спектрометром на два уровня, происходящие в недрах Windows процессы не является помехой при
сканировании спектра, поскольку критические во времени события микроконтроллер
отслеживает автономно.
Немаловажным преимуществом
такого подхода является также то, что функции взаимодействия с оборудованием на
физическом уровне осуществляет независимый контроллер, связанный с компьютером
через стандартный интерфейс. Это значит, что нет необходимости вскрывать
компьютер и устанавливать в него дополнительный платы, способные его повредить.
2. Испытания КРС –
спектрометра.
В ходе испытаний КРС –
спектрометра были сняты спектры комбинационного рассеяния четыреххлористого
углерода (рис. 5), ацетона (рис. 6) и дистиллированной воды (рис. 7). Поскольку
опыты проводились лишь в целях испытания установки и не несут ничего нового, проанализируем
только спектр четыреххлористого углерода. В таблице 1 приведены полученные, а
также истинные значения комбинационных сдвигов этих молекул.
CCl4
Таблица 1. значения комбинационных сдвигов для
молекулы CCl4
Проанализируем полученные
данные. Согласно положениям теории комбинационного рассеяния света, стоксовый и
антистоксовый сдвиги частот должны быть симметричны относительно релеевской
линии [2]. Как следует из полученных данных, отклонение от данного правила довольно
стабильно (оно составляет 26 – 29 см-1) и, поэтому, не вызывает
сомнения в том, что это линии КР. К тому же, если рассмотреть среднее значение
стоксова и антистоксова сдвигов, то получим значения всего на 1,5 см-1
отличающиеся от истинных. Таким образом, мы получили спектральную картину,
смещенную относительно истинной на несколько ангстрем. Такое смещение
объясняется смещением счетного барабана спектрометра. В дальнейшем стоит задача
исключения этой ошибки измерений.
По графикам приближенно была
определена чувствительность данного метода получения спектра комбинационного
рассеяния. В таблице 2 приведены минимально допустимые концентрации
исследованных веществ, при которых сигнал КР еще будет заметен.
CCl4
CH3 – CO – CH3
H2O
Таблица 2. Чувствительность метода.
Рисунок 5. Спектр четыреххлористого углерода (CCl4).
Рисунок 6. Спектр ацетона (CH3 – CO – CH3)
Рисунок 7. Спектр дистиллированной воды (H2O)
Заключение.
В результате выполнения
курсовой работы было сделано следующее:
1. Разработан и собран
автоматизированный КРС – спектрометр для наблюдения комбинационного рассеяния в
жидкостях с двухуровневым управлением (компьютер – микроконтроллер).
2. Создано программное обеспечение для
обоих уровней.
3. Проведено испытание системы
сопряжения КРС – спектрометра и ЭВМ путем записи спектров комбинационного
рассеяния различных жидкостей.
4. Проведен критический анализ работы
спектрометра на основе изучения спектра четыреххлористого углерода.
5. Принято решение о совершенствовании
как внешнего вида установки, так и программы визуального оформления для
удобного использования в качестве лабораторного практикума.
Список использованной литературы.
1. Сущинский М. М. Спектры
комбинационного рассеяния молекул и кристаллов. – М.: Наука, 1969. – 300с.
2. В. Демтредер. Лазерная спектроскопия:
основные принципы и техника эксперимента: пер. с англ. / под ред. И.И.
Собельмана. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы,
1985.– 608 с, ил.
3. http://www.analog.com/ . Voltage
– to – Frequency converter AD652.
4. Хоровиц П., Хилл У. Искусство
схемотехники: Пер. с англ. – Изд. 6-е. – М.: Мир, 2003. – 704с., ил.
5. Кольрауш К. Спектры комбинационного
рассеяния: Пер. с нем./ под ред. Г. С. Ландсберга. – М.: Издание иностранной
литературы, 1952. – 466 с.