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1、火花源原子发射光谱火花源原子发射光谱火花源原子发射光谱火花源原子发射光谱分析技术分析技术分析技术分析技术 NTCNTC培训培训培训培训_ATC 002_ATC 002全国分析检测人员能力培训委员会全国分析检测人员能力培训委员会全国分析检测人员能力培训委员会全国分析检测人员能力培训委员会2014201420142014-06060606第二部分第二部分第二部分第二部分仪器与操作技术仪器与操作技术仪器与操作技术仪器与操作技术?一一一一仪器基本结构仪器基本结构仪器基本结构仪器基本结构?二二二二仪器辅助设备仪器辅助设备仪器辅助设备仪器辅助设备?三三三三仪器操作技术仪器操作技术仪器操作技术仪器操作技术?
2、四四四四仪器检定仪器检定仪器检定仪器检定?五五五五仪器维护仪器维护仪器维护仪器维护一 仪器基本结构光源1.11.2检测系统1.3数据采集与处理系统1.4光学系统1.1 1.1 光源光源光源光源 1.1.1 1.1.1 电弧光源电弧光源电弧光源电弧光源 1.1.2 1.1.2 火花光源火花光源火花光源火花光源 1.1.3 1.1.3 等离子体光源等离子体光源等离子体光源等离子体光源 1.1.4 1.1.4 其他光源其他光源其他光源其他光源 1.1.5 1.1.5 火花台火花台火花台火花台?光源对试样具有两个作用过程。首先，把光源对试样具有两个作用过程。首先，把试样中的组分蒸发离解为气态原子，然后
3、试样中的组分蒸发离解为气态原子，然后使这些气态原子激发，使之产生特征光使这些气态原子激发，使之产生特征光谱。因此光源的主要作用是对试样的蒸发谱。因此光源的主要作用是对试样的蒸发和激发提供所需的能量。最常用的光源有和激发提供所需的能量。最常用的光源有直流电弧、交流电弧、电火花、激光光直流电弧、交流电弧、电火花、激光光源、电感耦合等离子体（源、电感耦合等离子体（ICPICP）焰炬等等。）焰炬等等。1.1.1 1.1.1 电弧光源电弧光源电弧光源电弧光源?电弧光源是在两个电极之间加上直流或交电弧光源是在两个电极之间加上直流或交流电，通电形成电弧放电，将电极上的分流电，通电形成电弧放电，将电极上的分析
4、物进行蒸发、原子化和激发。分为直流析物进行蒸发、原子化和激发。分为直流电弧和交流电弧。电弧和交流电弧。直流电弧发生器交流电弧发生器1.1.2 1.1.2 火花光源火花光源火花光源火花光源火火火火 花花花花即电容放电即电容放电即电容放电即电容放电高压火花高压火花采用采用12000伏的高压和较小电容量的高压火花光源，这类光源由于贮存电容器内的电压很高伏的高压和较小电容量的高压火花光源，这类光源由于贮存电容器内的电压很高,足以击穿分析间隙足以击穿分析间隙,可以自行放电。可以自行放电。低压火花低压火花采用较低的电压(几百伏)及较大电容量，这类光源由于贮存电容器内的电压较低，不足以击穿分析间隙,因此它除
5、了充放电线路以外还有一个引火装置。采用较低的电压(几百伏)及较大电容量，这类光源由于贮存电容器内的电压较低，不足以击穿分析间隙,因此它除了充放电线路以外还有一个引火装置。高压火花光源高压火花光源高压火花光源高压火花光源?电源电压电源电压E E经变压器经变压器B B，产生产生101025kV25kV的高压，的高压，然后通过扼流圈然后通过扼流圈D D向电向电容器容器C C充电，达到充电，达到G G的击的击穿电压时，通过电感穿电压时，通过电感L L向向G G放电，产生振荡性放电，产生振荡性的火花放电。的火花放电。放电完了放电完了以后，又重新充电、放以后，又重新充电、放电，反复进行。电，反复进行。特点
6、特点这种光源的特点是放电的稳定性好，放电的瞬间温度可高达这种光源的特点是放电的稳定性好，放电的瞬间温度可高达10000K以，能产生激发电位很高的原子线和离子线，适用于定量分析及难激发元素的测定。但这种光源每次放电后的间隙时间较长，电极温度较低，因而试样的蒸发能力较差，较适合于分析低熔点的试样。缺点是，灵敏度较差，背景大，不宜作痕量元素分析；噪音较大；做定量分析时，需要有较长的预燃时间。以，能产生激发电位很高的原子线和离子线，适用于定量分析及难激发元素的测定。但这种光源每次放电后的间隙时间较长，电极温度较低，因而试样的蒸发能力较差，较适合于分析低熔点的试样。缺点是，灵敏度较差，背景大，不宜作痕量
7、元素分析；噪音较大；做定量分析时，需要有较长的预燃时间。低压火花光源低压火花光源?直流电压直流电压直流电压直流电压DC2DC2（几百伏）先对电容（几百伏）先对电容（几百伏）先对电容（几百伏）先对电容器器器器CapCap充电，电容器两端的充电电充电，电容器两端的充电电充电，电容器两端的充电电充电，电容器两端的充电电压加在分析间隙上，但因电压低，压加在分析间隙上，但因电压低，压加在分析间隙上，但因电压低，压加在分析间隙上，但因电压低，不能击穿分析间隙进行火花放电，不能击穿分析间隙进行火花放电，不能击穿分析间隙进行火花放电，不能击穿分析间隙进行火花放电，需要采用脉冲高压电来引燃。当脉需要采用脉冲高压
8、电来引燃。当脉需要采用脉冲高压电来引燃。当脉需要采用脉冲高压电来引燃。当脉冲电压冲电压冲电压冲电压DC1DC1经变压器升压至几千伏经变压器升压至几千伏经变压器升压至几千伏经变压器升压至几千伏到一万伏后，瞬间击穿辅助间隙，到一万伏后，瞬间击穿辅助间隙，到一万伏后，瞬间击穿辅助间隙，到一万伏后，瞬间击穿辅助间隙，同时击穿分析间隙。分析间隙击穿同时击穿分析间隙。分析间隙击穿同时击穿分析间隙。分析间隙击穿同时击穿分析间隙。分析间隙击穿后，电容器上的电量以后，电容器上的电量以后，电容器上的电量以后，电容器上的电量以200400Hz200400Hz的频率瞬间释放，放电电流在几十的频率瞬间释放，放电电流在几
9、十的频率瞬间释放，放电电流在几十的频率瞬间释放，放电电流在几十A A到几百到几百到几百到几百A A，分析间隙放电开始后，分析间隙放电开始后，分析间隙放电开始后，分析间隙放电开始后,引燃电路停止工作。一次放电完成引燃电路停止工作。一次放电完成引燃电路停止工作。一次放电完成引燃电路停止工作。一次放电完成后，后，后，后，DC2DC2再次给电容器充电，引燃再次给电容器充电，引燃再次给电容器充电，引燃再次给电容器充电，引燃电路再次工作击穿辅助间隙和分析电路再次工作击穿辅助间隙和分析电路再次工作击穿辅助间隙和分析电路再次工作击穿辅助间隙和分析间隙，电容器再次放电，此过程循间隙，电容器再次放电，此过程循间隙
10、，电容器再次放电，此过程循间隙，电容器再次放电，此过程循环进行直到激发停止。环进行直到激发停止。环进行直到激发停止。环进行直到激发停止。特点特点低压火花发生器由于采用直流电充电，电容容量可以增至很大低压火花发生器由于采用直流电充电，电容容量可以增至很大,充电时间可以增长充电时间可以增长,待充满以后待充满以后,高压引燃放电。这样的大电容放电，释放的能量很大，可以激发许多激发电位很高的谱线以及许多离子线。例如，当大容量增大至数千微法拉时，即能激发出钢中氢、氧、氮等气体的谱线。其与低压交流电弧电路相比，电容器容量很大，是电容放电电流占优势；而与高压火花相比，低压火花虽然电压低，但电容大，所以同样有较
11、大的能量。高压引燃放电。这样的大电容放电，释放的能量很大，可以激发许多激发电位很高的谱线以及许多离子线。例如，当大容量增大至数千微法拉时，即能激发出钢中氢、氧、氮等气体的谱线。其与低压交流电弧电路相比，电容器容量很大，是电容放电电流占优势；而与高压火花相比，低压火花虽然电压低，但电容大，所以同样有较大的能量。火花放电的优缺点火花放电的优缺点火花放电的优缺点火花放电的优缺点主要优点：（主要优点：（1）低压火花放电具有较强的脉冲性，放电温度很高，激发和离子化能力强，可用于难激发非金属元素，如）低压火花放电具有较强的脉冲性，放电温度很高，激发和离子化能力强，可用于难激发非金属元素，如C、P和和S等分
12、析；（等分析；（2）低压火花的放电时间比高压火花长，具有一定的电弧性，使样品的蒸发量增大，因而检出限比高压火花低。（）低压火花的放电时间比高压火花长，具有一定的电弧性，使样品的蒸发量增大，因而检出限比高压火花低。（3）放电中气态分析物粒子密度相对较小，自吸收效应较小，线性分析范围比电弧光谱法宽，可用于较大含量成分的分析。（）放电中气态分析物粒子密度相对较小，自吸收效应较小，线性分析范围比电弧光谱法宽，可用于较大含量成分的分析。（4）设备相对较简单，运转费用较低。主要缺点：（）设备相对较简单，运转费用较低。主要缺点：（1）电极温度较低，蒸发能力较差，检出能力一般不如电弧，样品组成和结晶组织影响亦
13、较严重。（）电极温度较低，蒸发能力较差，检出能力一般不如电弧，样品组成和结晶组织影响亦较严重。（2）谱线亮度小，预燃时间和曝光时间较长。）谱线亮度小，预燃时间和曝光时间较长。1.1.3 1.1.3 等离子体光源等离子体光源等离子体光源等离子体光源?一种电离度大于一种电离度大于一种电离度大于一种电离度大于0.1%0.1%的电离气体，由电子、离的电离气体，由电子、离的电离气体，由电子、离的电离气体，由电子、离子、原子和分子等组成，整体呈电中性。有电子、原子和分子等组成，整体呈电中性。有电子、原子和分子等组成，整体呈电中性。有电子、原子和分子等组成，整体呈电中性。有电感耦合等离子炬（感耦合等离子炬（
14、感耦合等离子炬（感耦合等离子炬（ICPICP）、直流等离子体喷焰）、直流等离子体喷焰）、直流等离子体喷焰）、直流等离子体喷焰（DCPDCP）和微波感生等离子炬（）和微波感生等离子炬（）和微波感生等离子炬（）和微波感生等离子炬（MIPMIP）。）。）。）。1.1.4 1.1.4 其他光源其他光源其他光源其他光源?辉光放电光源辉光放电光源辉光放电光源辉光放电光源（GDSGDS）?激光诱导击穿光源激光诱导击穿光源激光诱导击穿光源激光诱导击穿光源（LIBSLIBS）各种光源比较及应用范围各种光源比较及应用范围各种光源比较及应用范围各种光源比较及应用范围1.1.5 1.1.5 火花台火花台火花台火花台?
15、火花室是光谱仪产生发射光谱的位火花室是光谱仪产生发射光谱的位火花室是光谱仪产生发射光谱的位火花室是光谱仪产生发射光谱的位置，使用氩气保护。火花室直接装置，使用氩气保护。火花室直接装置，使用氩气保护。火花室直接装置，使用氩气保护。火花室直接装在分光计上，有一个氩气冲洗的火在分光计上，有一个氩气冲洗的火在分光计上，有一个氩气冲洗的火在分光计上，有一个氩气冲洗的火花架。火花室的氩气路应能置换分花架。火花室的氩气路应能置换分花架。火花室的氩气路应能置换分花架。火花室的氩气路应能置换分析间隙和聚光镜之间光路中的空气析间隙和聚光镜之间光路中的空气析间隙和聚光镜之间光路中的空气析间隙和聚光镜之间光路中的空气
16、,并为分析间隙提供氩气气氛。并为分析间隙提供氩气气氛。并为分析间隙提供氩气气氛。并为分析间隙提供氩气气氛。?火花室中最重要的部件是对电极，火花室中最重要的部件是对电极，火花室中最重要的部件是对电极，火花室中最重要的部件是对电极，不同型号的设备使用不同的对电极不同型号的设备使用不同的对电极不同型号的设备使用不同的对电极不同型号的设备使用不同的对电极.一般使用直径为一般使用直径为一般使用直径为一般使用直径为47 mm47 mm,顶端加工顶端加工顶端加工顶端加工成成成成 4040120120的圆锥钨棒的圆锥钨棒的圆锥钨棒的圆锥钨棒(或银棒或银棒或银棒或银棒),),其纯度应大于其纯度应大于其纯度应大于
17、其纯度应大于99%99%，也可使用直径，也可使用直径，也可使用直径，也可使用直径1mm1mm的平头钨电极。的平头钨电极。的平头钨电极。的平头钨电极。1.2 1.2 光学系统光学系统光学系统光学系统 1.2.1 入射狭缝与出射狭缝入射狭缝与出射狭缝 1.2.2 准直系统准直系统 1.2.3 色散系统色散系统光学系统是火花直读光谱仪的核心。其作用是把不同波长的复合光进行色散变成单色光，并用光电转换器件采集单色光的强度。光学系统的主要组成包括：入射狭缝和出射狭缝、准直系统、色散系统、信号接收和放大系统。光学系统是火花直读光谱仪的核心。其作用是把不同波长的复合光进行色散变成单色光，并用光电转换器件采集
18、单色光的强度。光学系统的主要组成包括：入射狭缝和出射狭缝、准直系统、色散系统、信号接收和放大系统。由光源发出的复色光经准直透镜后通过入射狭缝由光源发出的复色光经准直透镜后通过入射狭缝1直接（或入射狭缝直接（或入射狭缝2经反射镜经反射镜1反射）照射在光栅上，经衍射后的单色光通过出射狭缝照射在光电倍增管上，通常在光电倍增管与出射狭缝间加装一面反射镜反射）照射在光栅上，经衍射后的单色光通过出射狭缝照射在光电倍增管上，通常在光电倍增管与出射狭缝间加装一面反射镜2，有利于光电倍增管的排布。在有些光谱仪中往往在出射狭缝前加上一个折射片，改变出射光的角度，用于寻找分析线。，有利于光电倍增管的排布。在有些光谱
19、仪中往往在出射狭缝前加上一个折射片，改变出射光的角度，用于寻找分析线。真空要求真空要求真空要求真空要求?200nm200nm以下波段中，由于空气中的氧对辐射有强烈的吸收，以下波段中，由于空气中的氧对辐射有强烈的吸收，以下波段中，由于空气中的氧对辐射有强烈的吸收，以下波段中，由于空气中的氧对辐射有强烈的吸收，因此必须将将光学系统置于真空之中因此必须将将光学系统置于真空之中因此必须将将光学系统置于真空之中因此必须将将光学系统置于真空之中入射狭缝入射狭缝入射狭缝入射狭缝?随着入射狭缝的增宽随着入射狭缝的增宽随着入射狭缝的增宽随着入射狭缝的增宽照度增加，而分辨率照度增加，而分辨率照度增加，而分辨率照度
20、增加，而分辨率下降；当增宽到一定下降；当增宽到一定下降；当增宽到一定下降；当增宽到一定程度时，照度不再增程度时，照度不再增程度时，照度不再增程度时，照度不再增加，但谱线变宽且背加，但谱线变宽且背加，但谱线变宽且背加，但谱线变宽且背景增强景增强景增强景增强?一般一般一般一般2020mm左右左右左右左右1.2.1 1.2.1 入射狭缝与出射狭缝入射狭缝与出射狭缝入射狭缝与出射狭缝入射狭缝与出射狭缝出射狭缝出射狭缝出射狭缝出射狭缝?出射狭缝分单体式和整出射狭缝分单体式和整出射狭缝分单体式和整出射狭缝分单体式和整体式两种类型体式两种类型体式两种类型体式两种类型?谱线的峰值应与出射狭谱线的峰值应与出射狭
21、谱线的峰值应与出射狭谱线的峰值应与出射狭缝的中心相重合，其受缝的中心相重合，其受缝的中心相重合，其受缝的中心相重合，其受温度影响，常将光学系温度影响，常将光学系温度影响，常将光学系温度影响，常将光学系统置于恒温控制统置于恒温控制统置于恒温控制统置于恒温控制?30703070 mm光路校准（描迹）光路校准（描迹）光路校准（描迹）光路校准（描迹）?由于温度变化及其他因素的影响，可能引起谱线由于温度变化及其他因素的影响，可能引起谱线由于温度变化及其他因素的影响，可能引起谱线由于温度变化及其他因素的影响，可能引起谱线飘移，为保证谱线和出射狭缝稳定重合，应定期飘移，为保证谱线和出射狭缝稳定重合，应定期飘
22、移，为保证谱线和出射狭缝稳定重合，应定期飘移，为保证谱线和出射狭缝稳定重合，应定期用描迹的方法进行调整，使所有出射狭缝调整到用描迹的方法进行调整，使所有出射狭缝调整到用描迹的方法进行调整，使所有出射狭缝调整到用描迹的方法进行调整，使所有出射狭缝调整到较理想的位置上较理想的位置上较理想的位置上较理想的位置上1.2.2 1.2.2 准直系统准直系统准直系统准直系统准直系统是把发散的光源辐射通过一个光学元件汇聚成平行光，它的作用是使光源辐射经过准光镜变成平行光束照射到入射狭缝，经准直后的平行光通过入射狭缝后照射在光栅上，准直系统一般由凸透镜构成。准直系统是把发散的光源辐射通过一个光学元件汇聚成平行光
23、，它的作用是使光源辐射经过准光镜变成平行光束照射到入射狭缝，经准直后的平行光通过入射狭缝后照射在光栅上，准直系统一般由凸透镜构成。1.2.3 1.2.3 色散系统色散系统色散系统色散系统?色散系统是色散系统是色散系统是色散系统是光学系统光学系统光学系统光学系统的核心，其作的核心，其作的核心，其作的核心，其作用是把不同波长的辐射能用是把不同波长的辐射能用是把不同波长的辐射能用是把不同波长的辐射能(复合光复合光复合光复合光)进行色散变成单色光。进行色散变成单色光。进行色散变成单色光。进行色散变成单色光。?按按按按色散元件的不同色散元件的不同色散元件的不同色散元件的不同可分为两类：棱可分为两类：棱可
24、分为两类：棱可分为两类：棱镜光谱仪和光栅光谱仪。棱镜光谱镜光谱仪和光栅光谱仪。棱镜光谱镜光谱仪和光栅光谱仪。棱镜光谱镜光谱仪和光栅光谱仪。棱镜光谱仪是利用棱镜对不同波长辐射的折仪是利用棱镜对不同波长辐射的折仪是利用棱镜对不同波长辐射的折仪是利用棱镜对不同波长辐射的折射率不同进行分光。光栅光谱仪利射率不同进行分光。光栅光谱仪利射率不同进行分光。光栅光谱仪利射率不同进行分光。光栅光谱仪利用光的衍射现象进行分光。用光的衍射现象进行分光。用光的衍射现象进行分光。用光的衍射现象进行分光。?由于棱镜材料的来源、线色散率、由于棱镜材料的来源、线色散率、由于棱镜材料的来源、线色散率、由于棱镜材料的来源、线色散
25、率、分辨率的限制，目前在定型的商品分辨率的限制，目前在定型的商品分辨率的限制，目前在定型的商品分辨率的限制，目前在定型的商品光谱仪中已不再使用，而均采用光光谱仪中已不再使用，而均采用光光谱仪中已不再使用，而均采用光光谱仪中已不再使用，而均采用光栅作为色散系统。栅作为色散系统。栅作为色散系统。栅作为色散系统。光光光光 栅栅栅栅?光栅是利用光的衍射进行色散的一种光学元件光栅是利用光的衍射进行色散的一种光学元件光栅是利用光的衍射进行色散的一种光学元件光栅是利用光的衍射进行色散的一种光学元件.?按照光栅的结构，光栅分为透射光栅和反射光按照光栅的结构，光栅分为透射光栅和反射光按照光栅的结构，光栅分为透射
26、光栅和反射光按照光栅的结构，光栅分为透射光栅和反射光栅，近代光谱仪主要采用反射光栅作为色散元栅，近代光谱仪主要采用反射光栅作为色散元栅，近代光谱仪主要采用反射光栅作为色散元栅，近代光谱仪主要采用反射光栅作为色散元件。件。件。件。?按照光学面形状不同按照光学面形状不同按照光学面形状不同按照光学面形状不同，光栅，光栅，光栅，光栅分为平面光栅、凹分为平面光栅、凹分为平面光栅、凹分为平面光栅、凹面光栅。面光栅。面光栅。面光栅。平面光栅平面光栅平面光栅平面光栅从光源发射的复合光经过照明系统及入射狭缝从光源发射的复合光经过照明系统及入射狭缝S1照射在反射镜照射在反射镜M下方的准光镜下方的准光镜O1上，经上
27、，经O1反射以平行光束射到光栅反射以平行光束射到光栅G上，由光栅上，由光栅G色散成平行的单色光，经球面反射镜色散成平行的单色光，经球面反射镜M上方的成像物镜上方的成像物镜O2，最后按波长排列分别聚焦于一系列的出射狭缝，最后按波长排列分别聚焦于一系列的出射狭缝S2上。上。凹面光栅凹面光栅凹面光栅凹面光栅?刻划在球面上的一系列等距刻刻划在球面上的一系列等距刻刻划在球面上的一系列等距刻刻划在球面上的一系列等距刻槽的反射式衍射光栅，凹面光栅槽的反射式衍射光栅，凹面光栅槽的反射式衍射光栅，凹面光栅槽的反射式衍射光栅，凹面光栅上的刻线在凹球面圆弧弦上的投上的刻线在凹球面圆弧弦上的投上的刻线在凹球面圆弧弦上
28、的投上的刻线在凹球面圆弧弦上的投影应该是等距的。影应该是等距的。影应该是等距的。影应该是等距的。?设光栅的曲率半径为设光栅的曲率半径为设光栅的曲率半径为设光栅的曲率半径为R R，如果，如果，如果，如果将入射狭缝将入射狭缝将入射狭缝将入射狭缝S S1 1放在半径为放在半径为放在半径为放在半径为R/2R/2并并并并与光栅中心点与光栅中心点与光栅中心点与光栅中心点OO相切的圆的任一相切的圆的任一相切的圆的任一相切的圆的任一点上，则所得的光谱也都在这个点上，则所得的光谱也都在这个点上，则所得的光谱也都在这个点上，则所得的光谱也都在这个圆上圆上圆上圆上，这个圆就是罗兰圆。这个圆就是罗兰圆。这个圆就是罗兰
29、圆。这个圆就是罗兰圆。?凹面光栅装置基本以罗兰圆为凹面光栅装置基本以罗兰圆为凹面光栅装置基本以罗兰圆为凹面光栅装置基本以罗兰圆为基础。基础。基础。基础。光栅的衍射方程式光栅的衍射方程式光栅的衍射方程式光栅的衍射方程式n=d(sin sin)是光线在光栅上的入射角；是衍射角；是光线在光栅上的入射角；是衍射角；n 是光谱级次；是光谱级次；n=0、1、2、3、；是波长；是波长；d是光栅常数（两刻线间的距离）是光栅常数（两刻线间的距离）光栅色散光栅色散?光栅对波长差光栅对波长差光栅对波长差光栅对波长差d d 两条谱线在空间分开的大小，分为角色散两条谱线在空间分开的大小，分为角色散两条谱线在空间分开的大
30、小，分为角色散两条谱线在空间分开的大小，分为角色散和线色散。和线色散。和线色散。和线色散。?角色散：两条波长差角色散：两条波长差角色散：两条波长差角色散：两条波长差d d 的光被分开的角度。的光被分开的角度。的光被分开的角度。的光被分开的角度。?线色散：把不同波长的辐射能色散开的能力。用波长差为线色散：把不同波长的辐射能色散开的能力。用波长差为线色散：把不同波长的辐射能色散开的能力。用波长差为线色散：把不同波长的辐射能色散开的能力。用波长差为d d 的两条谱线在焦面上色散开的距离的两条谱线在焦面上色散开的距离的两条谱线在焦面上色散开的距离的两条谱线在焦面上色散开的距离D DL L表示。表示。表
31、示。表示。cos=dndd入射角固定时入射角固定时：cosLLdnfddD=?对于垂直对称式平面光栅装置对于垂直对称式平面光栅装置对于垂直对称式平面光栅装置对于垂直对称式平面光栅装置式中，式中，式中，式中，d d 指两条波长之差，指两条波长之差，指两条波长之差，指两条波长之差，dldl为屏幕上分开的距离为屏幕上分开的距离为屏幕上分开的距离为屏幕上分开的距离,m m 为衍射光谱级次为衍射光谱级次为衍射光谱级次为衍射光谱级次,d d 为光栅常数为光栅常数为光栅常数为光栅常数,为衍射角为衍射角为衍射角为衍射角,f f 为为为为平面光栅仪成像物镜焦距，平面光栅仪成像物镜焦距，平面光栅仪成像物镜焦距，平
32、面光栅仪成像物镜焦距，R R为罗兰圆的直径。为罗兰圆的直径。为罗兰圆的直径。为罗兰圆的直径。?色散率与光谱级次色散率与光谱级次色散率与光谱级次色散率与光谱级次mm成正比；成正比；成正比；成正比；?与光栅的刻划密度成与光栅的刻划密度成与光栅的刻划密度成与光栅的刻划密度成1/1/d d正比；正比；正比；正比；?与物镜焦距与物镜焦距与物镜焦距与物镜焦距f f成正比；成正比；成正比；成正比；coscosdmRdmfddlD=从上述公式可以看出：从上述公式可以看出：从上述公式可以看出：从上述公式可以看出：为增大线色散率为增大线色散率为增大线色散率为增大线色散率,应增加光栅的级次或增大凹面光栅曲应增加光栅
33、的级次或增大凹面光栅曲应增加光栅的级次或增大凹面光栅曲应增加光栅的级次或增大凹面光栅曲率半经率半经率半经率半经,光栅级次光栅级次光栅级次光栅级次mm增加、光强明显减弱增加、光强明显减弱增加、光强明显减弱增加、光强明显减弱,一般不采用。过去一般不采用。过去一般不采用。过去一般不采用。过去很多采用增大凹面光栅曲率半径很多采用增大凹面光栅曲率半径很多采用增大凹面光栅曲率半径很多采用增大凹面光栅曲率半径R R方式方式方式方式,使得仪器体积庞大使得仪器体积庞大使得仪器体积庞大使得仪器体积庞大,同样相对孔径减小同样相对孔径减小同样相对孔径减小同样相对孔径减小,光强损失仍很严重光强损失仍很严重光强损失仍很严
34、重光强损失仍很严重,因而也不采用。现在因而也不采用。现在因而也不采用。现在因而也不采用。现在多通道的凹面光栅光谱仪，曲率半径均在多通道的凹面光栅光谱仪，曲率半径均在多通道的凹面光栅光谱仪，曲率半径均在多通道的凹面光栅光谱仪，曲率半径均在0.50.51.0m1.0m之间。之间。之间。之间。为增大线色散率，应减小光栅常数为增大线色散率，应减小光栅常数为增大线色散率，应减小光栅常数为增大线色散率，应减小光栅常数d d值，即增加光栅刻值，即增加光栅刻值，即增加光栅刻值，即增加光栅刻线数。然而光栅刻线之间的距离不能过小，当线数。然而光栅刻线之间的距离不能过小，当线数。然而光栅刻线之间的距离不能过小，当线
35、数。然而光栅刻线之间的距离不能过小，当d d /2/2时，光时，光时，光时，光栅即不能产生衍射作用。栅即不能产生衍射作用。栅即不能产生衍射作用。栅即不能产生衍射作用。随着波长随着波长随着波长随着波长 的增大，衍射角的增大，衍射角的增大，衍射角的增大，衍射角 增大，长波方向角差比短波增大，长波方向角差比短波增大，长波方向角差比短波增大，长波方向角差比短波方向角差大，色散率随波长增大而缓慢地增加。然而衍射角方向角差大，色散率随波长增大而缓慢地增加。然而衍射角方向角差大，色散率随波长增大而缓慢地增加。然而衍射角方向角差大，色散率随波长增大而缓慢地增加。然而衍射角一般很小，几乎一般很小，几乎一般很小，
36、几乎一般很小，几乎 0 0，那么，那么，那么，那么coscos 1 1，所得到光谱近似为，所得到光谱近似为，所得到光谱近似为，所得到光谱近似为匀排光谱。匀排光谱。匀排光谱。匀排光谱。一般表示线色散率的方式是采用线色散率倒数表示，即一般表示线色散率的方式是采用线色散率倒数表示，即一般表示线色散率的方式是采用线色散率倒数表示，即一般表示线色散率的方式是采用线色散率倒数表示，即数字愈小，线色散率愈高。数字愈小，线色散率愈高。数字愈小，线色散率愈高。数字愈小，线色散率愈高。N光栅总刻线数光栅总刻线数m光谱级数光谱级数分辨率分辨率分辨率分辨率 指摄谱仪的光学系统能够正确分辨出紧邻两条谱指摄谱仪的光学系统
37、能够正确分辨出紧邻两条谱指摄谱仪的光学系统能够正确分辨出紧邻两条谱指摄谱仪的光学系统能够正确分辨出紧邻两条谱线的能力。一般常用两条可以分辨开的光谱线波线的能力。一般常用两条可以分辨开的光谱线波线的能力。一般常用两条可以分辨开的光谱线波线的能力。一般常用两条可以分辨开的光谱线波长的平均值长的平均值长的平均值长的平均值 与其波长差与其波长差与其波长差与其波长差d d 之比值来表示之比值来表示之比值来表示之比值来表示：NmNdR=sin21.3 1.3 检测系统检测系统检测系统检测系统 1.3.1 1.3.1 检测系统分类检测系统分类检测系统分类检测系统分类 1.3.2 1.3.2 光电倍增管光电倍
38、增管光电倍增管光电倍增管 1.3.3 1.3.3 固体成像器件固体成像器件固体成像器件固体成像器件1.3.1 1.3.1 检测系统分类检测系统分类检测系统分类检测系统分类?早期：看谱法早期：看谱法早期：看谱法早期：看谱法看谱镜、看谱计看谱镜、看谱计看谱镜、看谱计看谱镜、看谱计摄谱法摄谱法摄谱法摄谱法感光板感光板感光板感光板?现代光谱仪器：光信号直接转换为电信号现代光谱仪器：光信号直接转换为电信号现代光谱仪器：光信号直接转换为电信号现代光谱仪器：光信号直接转换为电信号光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管固体检测器固体检测器固体检测器固体检测器PMT检测检测检测检测系统系统系统系统光电倍增管光
39、电倍增管光电倍增管光电倍增管CID、CCDCCD光电转换光电转换光电转换光电转换作用作用1.3.2 1.3.2 光电倍增管光电倍增管光电倍增管光电倍增管PMTPMT根据二次电子倍增现象制造的一种真空管。根据二次电子倍增现象制造的一种真空管。根据二次电子倍增现象制造的一种真空管。根据二次电子倍增现象制造的一种真空管。类类类类型型型型:光电倍增管按其接收入射光的方式一般可分成端窗型(Head-on)和侧窗型(Side-on)两大类。侧窗型光电倍增管是从玻璃壳的侧面接收入射光，而端窗型光电倍增管则从玻璃壳的顶部接收入射光。:光电倍增管按其接收入射光的方式一般可分成端窗型(Head-on)和侧窗型(S
40、ide-on)两大类。侧窗型光电倍增管是从玻璃壳的侧面接收入射光，而端窗型光电倍增管则从玻璃壳的顶部接收入射光。PMTPMT工作原理工作原理工作原理工作原理当入射光照射到光阴极而释放出电子时，电子在高真空中被电场加速，打到第一打拿极上。一个入射电子的能量传给打拿极上的多个电子，从打拿极表面发射出多个电子。二次发射的电子又被加速打到第二打拿极上当入射光照射到光阴极而释放出电子时，电子在高真空中被电场加速，打到第一打拿极上。一个入射电子的能量传给打拿极上的多个电子，从打拿极表面发射出多个电子。二次发射的电子又被加速打到第二打拿极上,发射电子数目再度被二次发射过程倍增，如此逐级进一步倍增，直到电子聚
41、集到管子阳极为止。通常光电倍增管约有十二个打拿极，电子放大系数（或称增益）可达发射电子数目再度被二次发射过程倍增，如此逐级进一步倍增，直到电子聚集到管子阳极为止。通常光电倍增管约有十二个打拿极，电子放大系数（或称增益）可达10101013数量级。数量级。PMTPMT基本特性基本特性基本特性基本特性工作光谱区工作光谱区工作光谱区工作光谱区当入射到阴极表面的光子能量足以使电子脱离该表面时才当入射到阴极表面的光子能量足以使电子脱离该表面时才当入射到阴极表面的光子能量足以使电子脱离该表面时才当入射到阴极表面的光子能量足以使电子脱离该表面时才发生电子的光电发射，即发生电子的光电发射，即发生电子的光电发射
42、，即发生电子的光电发射，即1/21/2mmv v2 2=h h ,(,(h h 为光子能量，为光子能量，为光子能量，为光子能量，为电子的表面功函数，为电子的表面功函数，为电子的表面功函数，为电子的表面功函数，1/21/2mvmv2 2为电子动能为电子动能为电子动能为电子动能)。当。当。当。当h h 时，不时，不时，不时，不会有表面光电发射，而当会有表面光电发射，而当会有表面光电发射，而当会有表面光电发射，而当h h 时，才有可能发生光电发时，才有可能发生光电发时，才有可能发生光电发时，才有可能发生光电发射，这时所对应的光的波长射，这时所对应的光的波长射，这时所对应的光的波长射，这时所对应的光的
43、波长c c/称为这种材料表面的阈波称为这种材料表面的阈波称为这种材料表面的阈波称为这种材料表面的阈波长。随着入射光子波长的减小，产生光电子发射的效率将增长。随着入射光子波长的减小，产生光电子发射的效率将增长。随着入射光子波长的减小，产生光电子发射的效率将增长。随着入射光子波长的减小，产生光电子发射的效率将增大，但光电倍增管窗材料对光的吸收也随之增大。显然，光大，但光电倍增管窗材料对光的吸收也随之增大。显然，光大，但光电倍增管窗材料对光的吸收也随之增大。显然，光大，但光电倍增管窗材料对光的吸收也随之增大。显然，光电倍增管的短波响应的极限主要取决于窗材料，而长波响应电倍增管的短波响应的极限主要取决
44、于窗材料，而长波响应电倍增管的短波响应的极限主要取决于窗材料，而长波响应电倍增管的短波响应的极限主要取决于窗材料，而长波响应的极限主要取决于阴极和打拿极材料的性能。的极限主要取决于阴极和打拿极材料的性能。的极限主要取决于阴极和打拿极材料的性能。的极限主要取决于阴极和打拿极材料的性能。一般用于可见一般用于可见一般用于可见一般用于可见-红外光谱区的光电倍增管用玻璃窗，而用于红外光谱区的光电倍增管用玻璃窗，而用于红外光谱区的光电倍增管用玻璃窗，而用于红外光谱区的光电倍增管用玻璃窗，而用于紫外光谱区的用石英窗。光阴极一般选用表面功函数低的碱紫外光谱区的用石英窗。光阴极一般选用表面功函数低的碱紫外光谱区
45、的用石英窗。光阴极一般选用表面功函数低的碱紫外光谱区的用石英窗。光阴极一般选用表面功函数低的碱金属材料，如红外谱区选用银金属材料，如红外谱区选用银金属材料，如红外谱区选用银金属材料，如红外谱区选用银-氧氧氧氧-铯阴极，可见光谱区用锑铯阴极，可见光谱区用锑铯阴极，可见光谱区用锑铯阴极，可见光谱区用锑-铯阴极或铋铯阴极或铋铯阴极或铋铯阴极或铋-银银银银-氧氧氧氧-铯阴极，而紫外谱区则采用多碱光电阴极铯阴极，而紫外谱区则采用多碱光电阴极铯阴极，而紫外谱区则采用多碱光电阴极铯阴极，而紫外谱区则采用多碱光电阴极或锑或锑或锑或锑-碲阴极。碲阴极。碲阴极。碲阴极。短波区界限短波区界限入射窗材料入射窗材料特性
46、曲线图特性曲线图特性曲线图特性曲线图长波区界限长波区界限光阴极材料光阴极材料PMTPMT基本特性基本特性基本特性基本特性光阴极材料多采用功函数低的碱金属为主要成分的半导体光阴极材料多采用功函数低的碱金属为主要成分的半导体光阴极材料多采用功函数低的碱金属为主要成分的半导体光阴极材料多采用功函数低的碱金属为主要成分的半导体化合物。化合物。化合物。化合物。双碱阴极双碱阴极双碱阴极双碱阴极(SbSb-RbRb-Cs,SbCs,Sb-KK-CsCs):):使用两种碱金属，使用两种碱金属，使用两种碱金属，使用两种碱金属，波长灵波长灵波长灵波长灵敏度范围从紫外线到敏度范围从紫外线到敏度范围从紫外线到敏度范围
47、从紫外线到700nm700nm左右。左右。左右。左右。多碱阴极多碱阴极多碱阴极多碱阴极(SbSb-NaNa-KK-Cs):Cs):使用三种碱金属，具有从紫外到使用三种碱金属，具有从紫外到使用三种碱金属，具有从紫外到使用三种碱金属，具有从紫外到850nm850nm的宽光谱范围。的宽光谱范围。的宽光谱范围。的宽光谱范围。高温双碱阴极高温双碱阴极高温双碱阴极高温双碱阴极(SbSb-NaNa-K):K):与双碱一样也使用两种碱金属与双碱一样也使用两种碱金属与双碱一样也使用两种碱金属与双碱一样也使用两种碱金属,其光谱特性和上述的双碱几乎一样其光谱特性和上述的双碱几乎一样其光谱特性和上述的双碱几乎一样其光
48、谱特性和上述的双碱几乎一样,但其灵敏度要低一些。但其灵敏度要低一些。但其灵敏度要低一些。但其灵敏度要低一些。一般光阴极的保证温度是一般光阴极的保证温度是一般光阴极的保证温度是一般光阴极的保证温度是5050，而它因为可以耐，而它因为可以耐，而它因为可以耐，而它因为可以耐175175的高的高的高的高温，所以多数使用在石油勘探等高温用途。另外，因其在温，所以多数使用在石油勘探等高温用途。另外，因其在温，所以多数使用在石油勘探等高温用途。另外，因其在温，所以多数使用在石油勘探等高温用途。另外，因其在常温下暗电流非常小，对微弱光探测是有利的，所以也可常温下暗电流非常小，对微弱光探测是有利的，所以也可常温
49、下暗电流非常小，对微弱光探测是有利的，所以也可常温下暗电流非常小，对微弱光探测是有利的，所以也可用于光子计数和必须使用低噪声测量场合。用于光子计数和必须使用低噪声测量场合。用于光子计数和必须使用低噪声测量场合。用于光子计数和必须使用低噪声测量场合。日盲管日盲管日盲管日盲管(Cs(Cs-I,CsI,Cs-Te):Te):由于对太阳光不灵敏，所以被称之为由于对太阳光不灵敏，所以被称之为由于对太阳光不灵敏，所以被称之为由于对太阳光不灵敏，所以被称之为“日盲日盲日盲日盲”。波长在大于。波长在大于。波长在大于。波长在大于200300nm200300nm时，灵敏度急剧下降，是时，灵敏度急剧下降，是时，灵敏
50、度急剧下降，是时，灵敏度急剧下降，是真空紫外区专用材料。入射窗用真空紫外区专用材料。入射窗用真空紫外区专用材料。入射窗用真空紫外区专用材料。入射窗用MgFMgF2 2或合成石英时，波长或合成石英时，波长或合成石英时，波长或合成石英时，波长范围是范围是范围是范围是115200nm115200nm。PMTPMT基本特性基本特性基本特性基本特性灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度S S光电倍增管的灵敏度光电倍增管的灵敏度光电倍增管的灵敏度光电倍增管的灵敏度S S是是是是指在指在指在指在1lm1lm的光通量照射下的光通量照射下的光通量照射下的光通量照射下所输出的光电流强度，即所输出的光电流强度，即所输出的光电流强