Порядок выполнения работы. 1.С рабочего стола монитора загрузить программу «Sony

1.С рабочего стола монитора загрузить программу «Sony. exe» управления спектрометром. При появлении окошка выбора спектрального диапазона нажать «ОК» (зеленая галочка). В поле ввода «Сдвиг» установить значение 4043.

2.Проверить калибровку прибора по длинам волн и ввести калибровочную поправку.

Указания:

Во втором окне автоматически зашит спектр неона, который служит привязкой спектрометра к длинам волн. Выбрать одну из линий спектра (удобнее всего самую интенсивную), определить точно (с точностью до десятых) ее длину волны (использовать режим увеличения и маркер, значения по оси ОХ и ОУ при этом отображаются в левом нижнем углу окна) и по таблицам спектральных линий убедиться, что такая линия точно есть. Записать ее длину волны. Спектр из окна N2 убрать (снять с окна зеленую галочку). Выставить время накопления и число циклов (например: 500; 1). При необходимости повтора измерений поставить птичку в окне «Автостарт». Для запоминания и вычета фона провести измерения при закрытой входной щели прибора, после окончания измерений поставить птичку в окошке «Фон». Зарегистрированный спектр будет вычитаться из измеряемых в дальнейшем. Включить неоновую лампу, нажать кнопку «Старт» и приблизить неоновую лампу к входной щели прибора. Входную щель не открывать!!!На экране в режиме автостарта периодически будет появляться спектр неона (без учета фона). Остановить программу кнопкой «Стоп» и записать его в один из свободных массивов, например, N1. Чтобы увидеть этот спектр, необходимо поставить галочку около этой же цифры в линейке «Показать». Определить длину волны выбранной Вами линии (использовать режим увеличения и маркер) и ввести калибровочную поправку с нужным знаком.

3.Включить освещение в лаборатории. Нажать кнопку «Старт» и медленно открывая щель следить за появлением сигнала. Получив нужный уровень сигнала нажать кнопку «Стоп». Используя режим увеличения, маркер и калибровочную поправку определить длины волн линий спектра ртути. Выйти из программы «Sony. exe». Полученные результаты сравнить с результатами лабораторной работы N6 курса «Квантовой физики». Результаты оформить в виде таблицы.

4.Определить длину волны источника (светодиод), который используется в люминесцентном модуле для возбуждения флуоресценции.

Указания:

Включить светодиод. Загрузить программу «Sony. exe» по п. 1. Восстановить настройки согласно указаниям п. 2. Приблизить люминесцентный модуль к входной щели спектрометра, нажать кнопку «Старт» и медленно открывая щель следить за появлением сигнала. Получив нужный уровень сигнала нажать кнопку «Стоп». Используя режим увеличения, маркер и калибровочную поправку определить длину волны источника возбуждения.

5.Записать спектр люминесценции предложенного раствора красителя Р-6Ж.

Указания:

Снять крышку, закрывающую кюветное отделение, вставить в кюветное отделение кювету и медленно, открывая входную щель спектрометра, увидеть сигнал люминесценции по оси ОУ около 13000 у. е. (программа работает в режиме «Автостарт»).

Импульсный спектрофлуориметр
для регистрации вторичных свечений «Универон»

Белгосуниверситет, кафедра лазерной физики и спектроскопии, г. Минск, 220080, пр. Независимости, 4. тел./факс 209-54-72; e-mail: voropay@bsu.by
НИИ ПФП им. А. Н. Севченко, г. Минск, 220064, ул. Курчатова 7. тел. 212-41-44.

Использование методов кинетической спектроскопии в оптико-физических, биологических и других исследованиях позволяет получать существенно более обширную информацию об изучаемых системах по сравнению с чисто спектральными измерениями. Особенно актуально применение методов кинетической спектроскопии при изучении сложных молекулярных систем и комплексов с бесструктурными полосами поглощения и испускания. Информационные возможности, основанные на исследовании с временным разрешением спектрально-люминесцентных параметров таких систем, позволяют выявлять при анализе более тонкие различия состояния излучающих центров [1, 2]. Для сложных органических молекул характерные времена затухания флуоресценции обычно лежат в наносекундном диапазоне. Несмотря на актуальность исследований с высоким временным разрешением, аппаратура подобного рода отечественными производителями серийно не выпускается. В данной работе описан разработанный и созданный спектрометрический комплекс для спектрально-кинетических измерений в наносекундном временном диапазоне [3]. В основе функционирования комплекса положен статистический одноквантовый метод временного анализа нестационарных потоков люминесценции [4, 5], которая возбуждается излучением импульсного источника. На основе этого метода возможно осуществление регистрации слабых и предельно слабых (на уровне единичных квантов) световых потоков.

Разработанный комплекс ориентирован на решение широкого круга задач спектрально-кинетического люминесцентного анализа. Соответствуя по своим характеристикам аналогичным изделиям зарубежных фирм (Photochemical Research Associates Inc., Канада, и Edinburg Instruments Ltd., Шотландия), он имеет значительно меньшую стоимость и при его разработке применены некоторые новейшие решения и современные комплектующие изделия. При построении прибора в основу положен модульный принцип. Это позволяет легко реализовать такую конфигурацию спектрофлуориметра, которая требуется для конкретных физико-технических приложений. С другой стороны, посредством совершенствования отдельных ключевых узлов можно улучшать параметры аппаратуры в целом. Помимо этого, существуют возможности замены в составе комплекса узлов со схожим функциональным назначением, но существенно иными параметрами.

В частности, при ориентации на изучение нелинейных процессов, требующих чаще всего высоких интенсивностей возбуждающего излучения, достаточно просто произвести замену импульсной лампы на соответствующий лазерный источник.

Структурно спектрофлуориметр состоит из трех функционально закончен­ных частей: оптико-электронной системы (ОЭС), электронного блока и персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ), состыкованной с электронным блоком через последовательный асинхронный интерфейс RS-232C.

Система ОЭС обеспечивает возбуждение исследуемого образца излучением заданного спектрального состава, выделение в требуемом спектральном интервале потока фотонов люминесценции и преобразование его в поток электрических импульсов с эквивалентной статистической структурой. Электронный блок выполняет многоканальный анализ распределений временных интервалов между импульсами возбуждения и электрическими импульсами, вызванными регистрируемыми квантами света, а также поканальный счет этих импульсов. Кроме того, ЭБ управляет всеми составными частями комплекса и обеспечивает их электроэнергией с заданными параметрами. ПЭВМ контролирует работу электронного и оптического оборудования, а также процессы накопления, обработки и вывода экспериментальных данных в требуемой форме.

Структурно ОЭС включает в себя источник излучения (Л), монохроматоры возбуждения (МВ) и регистрации (МР), камеру образцов (КО) и одноквантовый фотоприемник (ОФП).

В качестве источника возбуждения в базовом варианте использована, частота следования импульсов которой может плавно регулироватся. При необходимости через разрядный промежуток может прокачиваться воздух или азот. Длительность импульсов возбуждения по полувысоте в диапазоне от 200 до 500 нм составляет менее 1 нс, а в диапазоне от 500 до 800 нм ~ 2 нс параметры зависят от расстояния между электродами), число фотонов за вспышку ~10¹¹–10¹². Спектр излучения газоразрядной импульсной лампы в диапазоне от 250 до 550 нм представлен на рис. 1.

В спектральном распределении излучения лампы выделяются две области: 250–450 нм – обусловленная в основном свечением газа, и 450–870 нм.

Наиболее интенсивное свечение соответствует линиям азота, максимальную интенсивность имеет линия 336,9 нм. Во второй области обнаружен ряд спектральных линий с длиной волны 750, 779, 823, 845, 870 нм, малой интенсивности (1–3 % от интенсивности линии 336,9 нм). В этой области, а также на фоновой части первой области спектра лампы, отмечается спорадическое появление длительного послесвечения, учащающегося при увеличении времени наработки лампы. Наиболее вероятной причиной возникновения послесвечения является образование на электродах окисной пленки вольфрама.

Выделение требуемого спектрального интервала возбуждения и регистрации обеспечивается монохроматорами типа МСД-1. Сканирование длин волн осуществляется системой управления. В зависимости от условий конкретного эксперимента в световой поток могут дополнительно вводиться светофильтры. Световые пучки возбуждения и исследуемого свечения формируются камерой образцов, а преобразование световых квантов в электрические импульсы выполняется одноквантовым фотоприемником.

Фотометрическая схема камеры образцов построена на основе зеркальной оптики [4, 6] (рис. 2).

Рис.2. Принципиальная оптическая схема кюветного отделения импульсного спектрофлуориметра.

Камера образцов рассчитана на исследование образцов в стандартных сантиметровых прямоугольных кюветах или меньших по размеру цилиндрических кюветах. Держатель образца термостатирован. Отделение образцов съёмное, это позволяет проводить исследования и с нестандартными образцами различной конфигурации.

Электронный блок состоит из трёх основных частей: системы временного анализа (СВА), модуля управления и системы питания. СВА, в свою очередь, состоит из отдельных модулей, что служит для облегчения обслуживания. В СВА входят модули преобразователя время-амплитуда (ПВА) с встроенным селектором старт-импульсов, стоп-селектор (СС) и модуль аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В модуле АЦП также находится интерфейс для связи с модулем управления, через который происходит управление всей системой временного анализа. В состав модуля управления входят: микроконтроллер, схема управления монохроматорами, интерфейс с СВА и схема интенсиметров. Микроконтроллер служит для формирования сигналов управления монохроматорами, СВА и интенсиметрами по командам с персонального компьютера (ПЭВМ).

По сравнению с аналогичным вариантом прибора, описанным в работе [4], было решено отказаться от использования конструктива КАМАК для уменьшения массогабаритных характеристик, удешевления электронной части комплекса, а также упрощения стыковки блоков между собой. Напомним, что в КАМАКе используются сигналы, не совместимые с КМОП-уровнями, которые используются в современной электронике. Кроме того, в отличие от примененного в предыдущем варианте прибора интерфейса «общая шина», требующего установки в ПЭВМ специального контроллера, сейчас для связи с персональным компьютером используется последовательный асинхронный интерфейс, совместимый с RS-232C.

Выбор интерфейса RS-232C обусловлен его широким использованием в современной вычислительной технике, наличием в стандартном ПЭВМ не менее одного контроллера последовательного интерфейса, а также малым числом сигнальных линий. Кроме того, поддержка интерфейса RS-232C встроена в большинство операционных систем, что облегчает создание специализированного программного обеспечения в соответствии с требованиями конкретного применения комплекса.

С другой стороны, этот интерфейс обладает относительно небольшой пропускной способностью – около 5 Кбайт на скорости 57600 бит/с, в нашем случае передаются 12-разрядные слова (номера каналов) по два байта, это соответствует 2500 словам в секунду, однако при частоте возбуждения до 30 кГц интенсивность коррелированных импульсов не должна превышать 1000 имп./с для выполнения условий статистической достоверности [4, 5], что дает достаточный запас по скорости передачи данных через интерфейс. В связи с нерегулярным поступлением стоп-импульсов в контроллере программно реализован буфер типа FIFO на 16 байт для согласования скоростей прихода стоп-импульсов (минимальный интервал 33 мкс при частоте возбуждения 30 кГц) и скоростью передачи данных через интерфейс. Как показали испытания, такое решение обеспечивает передачу информации без потерь реализаций при интенсивности стоп-импульсов до 2000 в секунду, интенсивность стоп-импульсов более 2000 в секунду может приводить к потерям информации о некоторых стоп-импульсах, но при условии случайной потери это не отражается на окончательном результате.

Схема управления монохроматорами служит для формирования временной диаграммы импульсов тока, подаваемых на обмотки шаговых двигателей монохроматоров типа МСД-1 и для опроса состояния датчиков положения решеток монохроматоров.

Схема интенсиметра состоит из двух счетчиков на 20 разрядов и позволяет производить подсчет старт- и некоррелированных стоп-импульсов за заданный промежуток времени, что позволяет контролировать функционирование прибора и облегчить настройку оптической части.

Система временного анализа обеспечивает преобразование временных интервалов между электрическими импульсами, поступающими по стартовому и стоповому каналам, в двоичные коды и накопление гистограмм чисел выпадения каждого из возможных кодов. Структурная схема системы временного анализа приведена на рис 3.

Селектор «Старт» обеспечивает отбор из входной последовательности, связанной с оптическими импульсами возбуждения люминесценции, стандартизированных сигналов, задающих начало каждой обрабатываемой реализации вторичного потока фотонов люминесценции. При помощи селектора «Стоп» осуществляется отбор в заданном временном интервале регистрации импульсов окончания анализируемых временных интервалов. На вход селектора «Стоп» подаются стандартизированные импульсы одноквантового фотоприёмника. Разблокировывается селектор «Стоп» сигналом «НО» от преобразователя время-амплитуда, который генерируется по выходному импульсу селектора «Старт», а блокируется сигналом «КО» при выходе за границы анализируемого временного интервала.

Преобразователь время-амплитуда и 16-разрядный аналого-цифровой преобразователь образуют одношкальный измерительный контур, предназначенный для получения цифровых эквивалентов измеряемых временных интервалов в диапазоне до 120 нс. Первый из этих модулей трансформирует измеряемые временные интервалы в импульсы напряжения пропорциональной амплитуды, второй преобразует последние, по сигналу «Преобразование», в 16-разрядные двоичные коды.

Формирователь интерфейса обеспечивает связь СВА с модулем управления и расположен на модуле АЦП. Он формирует команды управления и передает данные от АЦП в модуль управления.

По командам с ПЭВМ модуль управления обеспечивает формирование сигналов управления монохроматорами возбуждения и регистрации, передачу информации о состоянии монохроматоров в ПЭВМ, выполнение по команде от ПЭВМ цикла регистрации заданного количества импульсов возбуждения и передачи в ПЭВМ информации о зарегистрированных импульсах флуоресценции, подсчет количества импульсов возбуждения и флуоресценции за заданный промежуток времени. Практически все функции выполняются однокристальным микроконтроллером (AT89C51) и программируемой логической матрицей. Это позволяет значительно упростить устройство системы и обеспечить большую гибкость в реализации выполняемых функций. Блок силовых ключей в модуле управления обеспечивает согласование сигналов, поступающих с контроллера интерфейса для управления обмотками шаговых двигателей монохроматоров, по амплитуде и току.

Для управления узлами измерительного комплекса, накопления гистограмм анализируемых временных распределений и проведения необходимых расчётов используются вычислительные ресурсы ПЭВМ, входящей в состав спектрофлуориметра.

В спектрофлуориметре предусмотрены три основных режима измерения

1) регистрация кинетики затухания люминесценции;

2) регистрация спектров люминесценции в определенном временном окне (мгновенных спектров);

3) регистрация стационарных спектров флуоресценции (для более эффективной работы в данном режиме целесообразна замена импульсного источника возбуждения на непрерывный).

Кроме того, предусмотрены следующие вспомогательные режимы работы: системного справочника, настройки и планирования эксперимента, обработки данных измерений, вывода данных измерений.

В режиме справочника пользователю предоставляется возможность вызова на экран дисплея ПЭВМ из дисковой памяти справочной информации об устройстве спектрофлуориметра и работе с ним. В режиме обработки выполняется восстановление зарегистрированных функций затухания люминесценции в экспоненциальном базисе с числом компонент разложения до трёх, вычитание шума. Режим настройки и планирования эксперимента служит для выбора требуемого типа измерений, установки режимов регистрации, спектральных параметров, условий завершения измерений и др. В режиме вывода обеспечивается вывод данных измерений и параметров настройки на дисплей управляющей ПЭВМ или печатающее устройство в цифровой, символьной и графической формах. В последнем из упомянутых выше вспомогательных режимов пользователю предоставляется возможность просмотра содержимого экспериментальной информации, записанной им ранее на дисковом носителе.

Внешний вид прибора в целом представлен на рис 4. Он включает в себя источник возбуждения – лампу 1, монохроматор возбуждения МВ 2 и монохроматор регистрации МР 4, камеру образцов 3, фотоприемник 5 и электронный блок 6, в котором размещены все электронные элементы и узлы, включая высоковольтный блок для питания фотоумножителя (ФЭУ). В качестве фотоумножителя использован ФЭУ-106.

В целом разработанный комплекс характеризуется следующими основными параметрами: спектральный диапазон возбуждения – 220–800 нм, регистрации – 270–800 нм, временной диапазон – 0,5–120 нс, минимальное время разрешения – 2´10^–10 с.