Как конструируется модульный оптический спектрометр (стр. 4 )

** С применением дифракционной решетки 1200 штр./мм, ширина спектральной щели 10 мкм

Наиболее популярными «классическими» спекральными модулями с большим фокальным расстоянием являются спектрографы /монохроматоры серии FHR (см. рис. 23, табл. 5).

Спектральные модули Horiba Scientific (Jobin-Yvon) могут комплектоваться одной, двумя или тремя различными дифракционными решетками. По способу производства выделяют нарезные, голографические и изготовленные методом ионного травления решетки. Каждый тип дифракционных решеток имеет свою оптимальную область применения (см. табл. 6).

Таблица 6.

Приложение	Нарезные	Голографические	Ионное травление
Рамановская спектроскопия	-	++++	++
Люминесценция	++	+	+++
Абсорбционная спектроскопия	++++	+	++
Флуоресценция	++++	-	++
Атомная эмиссия	+	++	+++

Дифракционная решетка характеризует ся числом штрихов на мм (которое определяет разрешение), спектральным диапазоном и длиной волны блеска (которая определяет наиболее эффективный диапазон).

Плотность штрихов дифракционной решётки определяет её дисперсию, а угол наклона грани штриха (угол блеска) определяет самую эффективную область спектра. Увеличение плотности штрихов повышает оптическое разрешение, но сужает спектральный диапазон (см. табл. 7). Все нарезные и голографические дифракционные решетки имеют спектры первого порядка, оптимизированные для определенного спектрального диапазона. Наиболее эффективной областью является интервал длин волн, в котором энергетическая эффективность превышает 30%.

Для нарезных решеток эффективный диапазон определяется неравенством 2/3λ < λ < 2λ, где λ – длина волны блеска. На рисунке 24 показаны кривые эффективности для двух нарезных решеток с плотностью штрихов 600 штр./мм и длиной волны блеска 400 нм.

В некоторых случаях дифракционные решётки имеют больший спектральный диапазон по сравнению с диапазоном эффективной дифракции.

Таблица 7.

Плотность штрихов, нм	Дисперсия,* нм/мм	Длина волны блеска **, нм	Спектральный диапазон, нм	Размер блика, мм х мм
1200	4	450		40х45
1200	4	350		40х45
1200	4	250	190-900	40х45
1200	8	350	250-800	32х32
800	12			32х32
600	16			32х32
300	32			32х32

* Значение получено на спектральном модуле H10-61 с фокальным расстоянием 100 мм

** Значение длины волны блеска дано для высокоэффективных решеток, полученных ионным травлением (остальные дифракционные решетки – нарезные)

Как выбирается детектор?

Одноканальные детекторы

Выбор между PMT (фотоэлектронным умножителем, ФЭУ) и DSS (твердотельным детектором) в основном определяется требованиями к динамическому диапазону, чувствительности и скорости действия детектора. Наиболее выдающимися характеристиками обладают фотоумножители; с другой стороны, они обладают и большей стоимостью. Твердотельные детекторы в целом дешевле, но проигрывают фотоэлектронным умножителям по техническим характеристикам.

Таблица 8.

Модель	Тип ФЭУ, охлаждение	Спектральный диапазон, нм	Примечание
1911 F/G	R928 мультищелочной ФЭУ	190-860	Требуется высоковольтный источник В
1912 F/G	S1 R406 ФЭУ, охлаждение вода / ТЭ		Требуется высоковольтный источник до 1500В. Должен использовать токовый вход, хотя можно использовать и счет фотонов. Также включает адаптер линзы 1630C
1913 F/G	R943-02 GaAs ФЭУ, охлаждение вода / ТЭ	200-930	Рекомендуется режим счета фотонов. Требуется высоковольтный источник 1500В, можно до 1800В. Также включает адаптер линзы 1630C
1914 F/G	R928 мультищелочной ФЭУ, охлаждение вода / ТЭ	190-860	Требуется высоковольтный источник 1500В. Используется токовый вход или счет фотонов. Также включает адаптер линзы 1630C

Динамический диапазон наиболее совершенных HDD PMT, ФЭУ с автоподстройкой коэффициента усиления, составляет 10 порядков величины (для лучших твердотельных детекторов это значение не превышает 5 порядков). Высокий динамический диапазон позволяет при помощи одного детектора регистрировать как наиболее сильные, так и самые слабые сигналы с сохранением линейности отклика. Спектральный диапазон фотоэлектронных умножителей составляет 200-800 нм для оптимизированных под УФ-видимое и нм – под видимое-ИК излучение (см. рис. 25).

Твердотельные детекторы при сравнительно невысокой стоимости имеют достаточно высокую чувствительность и эффективность. Их спектральные диапазоны в зависимости от типа и конструкции варьируются от 200 нм до 20 мкм (см. рис. 25, табл. 8). Твердотельные детекторы могут выполняться без охлаждения, с термоэлектрическим охлаждением и с охлаждением жидким азотом.

По принципу действия различают фотоэмиссионные детекторы (фотодиоды) и фотопроводящие детекторы (фоторезисторы).

Фотоэмиссионные детекторы – это быстрые и чувствительные датчики, которые не требуют применения усилителя и прерывателя (за исключением некоторых применений). Их верхний спектральный диапазон ограничен приблизительно 5 мкм. Фотопроводящие детекторы медленнее и не как чувствительны, но их спектральный диапазон в ИК области достигает 12 мкм и выше. Прерыватель и усилитель для них не требуются. Хорошо известным детектором такого типа является MCT (HgCdTe) ртуть-кадмий-теллурный датчик.

Так называемые «двухцветные» (two color) детекторы представляют собой датчики с конструкцией сэндвич-типа, как првило, с кремниевым детектором с фронта и детектором иного типа позади. Кремний работает до 1.1 мкм, выше которых становится прозрачным – и в работу включается второй детектор. «Двухцветные» датчики с PbS и PbSe требуют наличие прерывателя и усилителя.

Многоканальные детекторы

Существует достаточно большое количество различных типов многоканальных детекторов: CCD (ПЗС-матрица), iCCD, IGA (InGaAs-матрица), PDA (фотодиодная матрица). В таблице 8 приведены оптимальные области применения для CCD, iCCD и IGA детекторов. Фотодиодные матрицы, не приведенные в таблице, предназначены для работы с достаточно интенсивными световыми потоками, и поэтому применяются, к примеру, в абсорбционнной спектроскопии.

Наиболее широким применением в спектроскопии обладают CCD (приборы с зарядовой связью, ПЗС), которые по способу засветки светочувствительных элементов подразделяются на детекторы с фронтальной засветкой матрицы и с обратной засветкой матрицы. В свою очередь, детекторы с фронтальной засветкой матрицы подразделяются на стандартные (оптимизированные для УФ-видимой и видимой областей), с открытым электродом и с улучшенным поглощением в ИК области. Детекторы с обратной засветкой матрицы подразделяются на стандартные (оптимизированные для УФ-видимой и видимой областей) и с улучшенным поглощением в ИК области. На рисунке 26 приведены кривые квантового выхода для всех основных типов CCD-матриц.

Таблица 8.

Тип детектора	Модификация	Охлаждение*	Абсорбционная спектроскопия	Флуоресценция	Атомная эмиссия в плазме	Люминесценция	Рамановская спектроскопия	Катодолюменценция	LIBS **	LIPS / LIF **
CCD детекторы	С фронтальной засветкой матрицы, стандартные (Front Illuminated)	ТЭ	++	++	++	++	++	++	+	+
	ЖА	-	++	++	++	++	++	+	+
	С обратной засветкой матрицы (Back Illuminated)	ТЭ	-	+	++	+	+	-	-	-
	ЖА	-	+	++	+	+	-	-	-
	C улучшенным поглощением в ИК диапазоне (Deep Depleted)	ТЭ	-	+	+	++	+	-	-	-
	ЖА	-	+	+	++	++	-	-	-
	Открытый электрод (Open Electrode)	ТЭ	++	++	++	++	++	++	+	+
	ЖА	-	++	++	++	++	++	+	+
iCCD детекторы		-	-	-	-	++	-	++	++
IGA детекторы	ТЭ	++	+	+	++	++	-	-	+
ЖА	-	+	+	++	++	-	-	+

++ рекомендуется, + применение возможно, - не рекомендуется

* ТЭ – термоэлектрическое, ЖА – жидким азотом

** LIBS – лазерная эмиссионная спектроскопия, LIPS – лазерная спектроскопия плазмы, LIF – индуцированная лазером флуоресценция

Стандартные детекторы с фронтальной засветкой матрицы (Front Illuminated, Standard) применяют для многих спектральных приложений. Этот тип детекторов является хорошим выбором для Рамановской спектроскопии и фотолюминесценции (здесь необходимы датчики с охлаждением жидким азотом), а также для измерений в абсорбционной спектроскопии (здесь оптимально термоэлектрическое охлаждение) в диапазоне 500-900 нм.

По сравнению со стандартными CCD с фронатальной засветкой многоканальные детекторы с открытым электродом (Open Electrode) характеризуются значительно большей эффективностью в УФ и коротковолновом видимом диапазоне; нижняя граница их спектрального диапазона достигает менее 200 нм. Определенным ограничением для данных детекторов является меньший динамический диапазон. Однако, CCD с открытым электродом могут применяться практически в любых приложениях, поэтому данный тип многоканальных детекторов приобретает все большую популярность.

Детекторы с улучшенным поглощением в ИК области (Deep Depleted) оптимизированы для увеличения отклика в ИК диапазоне. Главным образом они используются в варианте с охлаждением жидким азотом. Их основным недостатком является больший темновой ток.

По сравнению с другим типами детекторов CCD с обратной засветкой матрицы (Back Illuminated, Standard) имеют увеличенную квантовую эффективность (до 90%) и идеально подходят для обнаружения чрезвычайно низких сигналов, например, очень слабого КР рассеивания; эти детекторы также часто применяются в атомно-эмиссионном анализе. Детекторы с обратной засветкой матрицы имеют удовлетворительную эффективность в ближней УФ области и отличную эффективность в видимой. В ближней ИК их применение ограничено по причине т. н. эффекта эталонирования, который проявляется в нарушении корректного отображения спектра при длинах волн от 900 нм и выше. Для подавления эффекта эталонирования были разработаны специальные CCD c обратной засветкой матрицы с улучшенным поглощением в ИК области (Back Illuminated Deep Depleted).

IGA (InGaAs) детекторы выполнены на основе индий-галлий-арсенидной фотодиодной матрицы; они разработаны специально для широкого круга приложений в ИК области от 0.9 мкм до 1.67 мкм и от 1.2 мкм до 2.55 мкм.

Интенсифицированный CCD (iCCD) конструкционно представляет собой ПЗС-матрицу, соединенную со стоящим перед ней усилителем светового сигнала – микроканальной пластины, МКП. Подобно ФЭУ, МКП является вакуумным электронным прибором, и обладает сходным с ФЭУ откликом в диапазоне от ближнего УФ до ближнего ИК. iCCD детекторы применяют для регистрации очень слабых сигналов, практически неразличимых при помощи стандартных CCD (к примеру, в Рамановской спектроскопии). Другая область применения iCCD детекторов – регистрация спектров с задержкой по времени (time gated measurements), которая может быть очень малой, до 1.5 нс.

Характеристики полихроматических источников излучения

Список основных полихроматических источников излучения и их технические характеристики приведены в таблице 9.

Таблица 9.

Тип лампы	Мощность, Вт	Спектральный диапазон, нм	Тип спектра	Площадь светового пучка, мм
Одинарный источник
Вольфрам-галогенная	100		Непрерывный	9.5х6.2
250		11.7х5.5
Дейтериевая	30	200-400	4х4
Дейтериевая, гл. УФ	200	120-400	1 (диаметр)
Ксеноновая	75		Непрерывный и Линии > 600 нм	4х4
450		18х18
Керамическая	75		Непрерывный	12х40
Сдвоенный источник
Вольфрамовая-Ксеноновая	75		Непрерывный и Линии > 600 нм
100
Вольфрамовая-Дейтериевая	75	Непрерывный
100
Лампа для градуировки
Ртутная			Линии