6. Многоканальные спектрометры

6.1. Общие замечания. Выигрыш Фелжета

Фильтры, в том числе, интерференционные, стеклянные, поляризационные, классические монохроматоры, растровые спектрометры, сисамы — все эти приборы предназначены для выделения небольших участков спектра. Изучение протяженных спектров с высокой разрешающей способностью с помощью приборов, последовательно регистрирующих интенсивность одного спектрального элемента за другим, при большом числе таких элементов даже при большом геометрическом факторе используемого устройства превращается в серьезную (пусть и техническую) проблему. Представим себе, что мы хотим зарегистрировать спектр шириной 10⁵ минимально разрешаемых спектральных интервалов. Положим время записи одного из компонентов с учетом инерции регистрирующей системы и времени накопления самого сигнала равным одной секунде. Тогда полное время, необходимое для решения поставленной задачи, составит 10⁵ с — более суток непрерывной работы! Подобная задача ранее не представляла собой чего-либо необычного для спектроскопистов. Даже при исследовании сложных атомных спектров с помощью монохроматора время измерений часто составляет 5 — 8 часов, причем разрешающая способность прибора используется при этом далеко не полностью. В то же время при регистрации молекулярных спектров необходимое для проведения измерений время будет тогда измеряться не только часами и сутками, но неделями и месяцами. А если речь идет о быстро выгорающей в дуговом источнике пробе вещества? Или о взрыве? Возникает закономерный вопрос: нельзя ли каким-нибудь способом сократить время измерений? Имея в виду, что как яркость источников, так и чувствительность систем регистрации излучения ограниченны, нетрудно прийти к такому выводу:

единственная принципиальная возможность уменьшения времени, затраченного на измерение спектра, — это одновременное исследование нескольких участков спектра или (лучше) всего спектра.

Традиционное, наиболее «прямое» решение этой задачи раньше удачно реализовывалось в спектрографах. Наибольших успехов здесь достигли астрономы, которым приходится работать, как правило, с предельно-слабыми источниками сигнала (удаленные звезды и галактики, разреженные светящиеся облака газа – туманности). Фотопластинка регистрирует одновременно спектры очень большой протяженности. Разрешающая способность определяется минимальными размерами зерна фотоэмульсии и зачастую близка к предельной для данного диспергирующего элемента. Надо учитывать также, что фотоматериалы являются хорошим накопителем сигнала и имеют тщательно отработанную систему хранения фотопластинок и пленок. В астрономии это позволяет сопоставлять результаты измерений, проведенных с большим (по нашим обыденным, земным меркам) интервалом времени и фиксировать даже малые изменения свойств исследуемых источников. По этой причине, несмотря на широкое применение методов регистрации с помощью фотоумножителей, уже в 60-х годах ХХ века спектрографы с успехом продолжали использоваться в лабораторной практике для исследований и измерений, не требующих высокой точности определения яркости. Так было вплоть до создания многоэлементных полупроводниковых фотоприемников.

Метод регистрации спектров с помощью фотоматериалов обладает целым рядом недостатков. Прежде всего, это – нелинейность, хотя этот недостаток можно, в какой-то степени рассматривать и как достоинство: логарифмический характер зависимости почернения от экспозиции позволяет единовременно регистрировать объекты, яркость которых различается на порядки). Вторым, не менее важным недостатком является малая квантовая чувствительность. Если квантовый выход фотокатода ФЭУ, или фотодиода составляет (в максимуме чувствительности) величину до нескольких десятков процентов, то для фотопластинки эта величина на 1 — 2 порядка меньше. Третий недостаток — ограниченность спектрального диапазона. Замыкает список проблем сложность обработки фотоматериалов и самой процедуры количественных измерений. Современная техника подразумевает также наличие удобного и быстрого ввода информации в компьютер для дальнейшей обработки.

Все это привело к замене в спектрографах фотопластинок и пленок на CCD, или фотодиодные матрицы. Достигнутые на этом пути успехи впечатляют не только резким увеличением чувствительности и удобством использования всей измерительной системы, но и продуманной реализацией возможности комплексного решения задач, связанных, например, с измерением эмиссионных спектров. Современный спектрометр, предназначенный для анализа спектра излучения с небольшой разрешающей способностью (порядка 10²-10³) может представлять собой просто компонент платы компьютера, ввод излучения в который осуществляется с помощью световода. Как правило, это – компактная система с дифракционной решеткой, минимумом внешних настроек, снабженная неплохим программным обеспечением для обработки спектра, интенсивность которого измеряется с помощью диодной линейки. Учитывая, что число элементов линейки составляет обычно 2024, а на один разрешаемый спектральный интервал должно приходиться не менее 2-3 ее элементов, приходим к выводу, что реальное число независимых элементов спектра в серийных массовых устройствах составляет 500-700, что вполне достаточно для решения многих задач.

Чтобы понять принципиальные возможности современной электроники и оптики, оценим необходимые размеры элементов такого прибора. Будем делать эскизный проект спектрометра для анализа излучения в области близкой к 300 нм. Зададим разрешающую способность равной 0,3 нм и относительное отверстие по входу равным 1:10. Логично применить в качестве диспергирующего элемента неклассическую голографическую дифракционную решетку, работающую в первом порядке дифракции и позволяющую обойтись без дополнительных оптических элементов – коллиматора и объектива камеры. Минимальное число штрихов решетки при этом должно быть равно 300/0,3 = 1000 (всего!). Возьмем одно из типовых значений частоты штрихов - 600 штр/мм, тогда размер решетки должен составлять примерно 2 мм. При нормальном падении излучения на решетку ее фокусное расстояние (для принятого нами относительного отверстия) должно быть равным 20 мм. Регистрирующей системой пусть будет упомянутая выше CCD линейка с шириной пиксела 5 мкм. Это дает в качестве оценки длину 10 мм. Из общей схемы классического спектрометра видно, что габариты будущего прибора определяются именно величиной относительного отверстия и размерами матрицы (линейки). Следовательно, величина нашего прибора может составлять всего 2-3 см. Приблизительно такого размера спектрометры выпускаются промышленностью.

Вместе с тем, при решении некоторых задач необходимо измерить интенсивность спектра лишь в нескольких точках, но при этом иметь предельно-высокое разрешение. В видимой и ближней УФ области спектра при исследовании, допустим, спектров металлов речь идет о десятых – сотых долях нанометра. Следуя обычной логике, мы можем разместить в фокальной поверхности объектива камеры спектрометра несколько выходных щелей и несколько приемников света. Так поступают в квантометрах. Очевидно, однако, что для анализа спектра в широком диапазоне длин волн такая система малопригодна. Автору известен только один случай [28], когда количество независимых приемников света в спектрометре, построенном по классической схеме, было доведено до 500. В качестве миниатюрных приемников излучения применялись фотодиоды. Подобная система, несомненно, может быть особенно полезна при исследовании нестационарных источников. Тем не менее, принципы, на которых построен прибор, представляются примитивными, как бы оригинально технически ни была решена задача разведения световых пучков на фотоприемники (сегодня это осуществляется с помощью световодов) и регистрации электрических сигналов, идущих с приемников света.

Значительно больший интерес вызывают устройства, в которых применено рациональное кодирование спектра. В качестве непосредственного результата измерений при этом получают не само распределение мощности отдельных спектральных составляющих, а некоторое его функциональное преобразование. Для того чтобы получить собственно спектр, необходимо проделать значительную работу по декодированию результатов измерений, требующую дополнительных вычислений и дополнительного времени. В связи с этим интенсивное развитие методов, основанных на кодировании спектра, наблюдается лишь в последние несколько десятилетий и идет параллельно развитию компьютерной техники. Основы же некоторых из них были заложены еще в начале 20-го столетия.

Построенные на таких принципах приборы работают преимущественно с источниками, излучение которых стационарно, или относительно медленно меняется во времени. При исследовании стационарных объектов многоканальные спектрометры позволяют решить две взаимосвязанные задачи:

а) измерить спектр мощности источника с максимальным отношением сигнал/шум, если задано полное время эксперимента Т;

б) затратить минимальное время на измерение всего спектра при заданном отношении сигнал/шум.

Предположим, что основным источником ошибок измерения спектра является шум приемника излучения. Будем считать также, что уровень шума не зависит от величины падающего на приемник светового потока (ситуация, характерная для ИК области и слабых источников в видимой, УФ и рентгеновской области спектра). В этом случае, как известно из статистики, повторное -кратное измерение мощности одного и того же сигнала приведет к увеличению точности измерения (отношения сигнал/шум по амплитуде) приблизительно в раз. Представим себе два спектральных прибора. Один — обычный (классический) монохроматор, разрешающий в пределах исследуемого участка спектра независимых интервалов. Второй — -канальный спектрометр. В монохроматоре на измерение каждого из интервалов затрачивается время , в многоканальном спектрометре — все время эксперимента . Последнее эквивалентно тому, что мы измеряем каждый участок спектра не один раз, а . Следовательно, многоканальный спектрометр позволяет при прочих равных условиях увеличить отношение сигнал/шум по амплитуде в раз. При это дает выигрыш в 100—300 раз по сравнению с классическим монохроматором. На описанную особенность применения многоканальных спектрометров впервые обратил внимание Фелжет [29], поэтому часто ее называют «выигрыш Фелжета». Хочу особо подчеркнуть, что выигрыш Фелжета полностью реализуется не только в спектрометрах с кодированием спектра, но и в приборах, построенных по классической схеме с регистрацией излучения с помощью матричных фотоприемников высокого пространственного разрешения.

Информация, полученная о спектре, может передаваться и обрабатываться либо независимо по каналам, как это сделано в квантометрах, либо по одному общему. В последнем случае для передачи и обработки информации необходимо применять рациональные методы кодирования сигналов. Мы не будем рассматривать вопросы, связанные с кодированием после преобразования излучения в электрический сигнал. Для наших целей интересны те приборы, в которых кодирование осуществляется в оптической части спектрометра, и для регистрации всего спектра используется один фотоприемник.

В зарубежной литературе существует два различных термина для указанных классов приборов. Первые, в которых регистрация спектра осуществляется набором фотоприемников, называются собственно многоканальными (multichannel). Приборы с оптическим кодированием и одним приемников излучения — мультиплексными (multiplex). Второй термин постепенно, чему способствовало развитие телефонии с «уплотнением каналов», укореняется в русских работах по теории связи и информации, частично он уже вошел в нашу литературу по спектральным приборам. Процессы кодирования, применяемые в мультиплекс-спектрометрах, и при передаче сообщений близки, поэтому и мы будем в дальнейшем использовать выражение «мультиплексная спектроскопия».

Подчеркну еще раз, что рассматривая работу приборов с кодированием компонентов спектра во времени, мы автоматически, за скобками рассуждений, подразумеваем, что исследуемый световой поток стационарен в течение всего цикла измерений. Нестационарность, особенно если она выражается в изменении соотношения яркости компонентов спектра, может самым серьезным образом исказить результат измерений не только в отношении одной конкретной компоненты спектра, но повлиять и на общую картину.