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光谱仪

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光谱仪又称分光仪,广泛为认知的为直读光谱仪。以光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置。它由一个入射狭缝,一个色散系统,一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域,并在选定的波长上(或扫描某一波段)进行强度测定。分为单色仪和多色仪两种。


1简介


光谱仪( Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器,由棱镜或衍射光栅等构成,利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。阳光中的七色光是肉眼能分的部分(可见光),但若通过光谱仪将阳光分解,按波长排列,可见光只占光谱中很小的范围,其余都是肉眼无法分辨的光谱,如红外线、微波、紫外线、X射线等等。通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影,或电脑化自动显示数值仪器显示和分析,从而测知物品中含有何种元素。这种技术被广泛地应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。

将复色光分离成光谱的光学仪器。光谱仪有多种类型,除在可见光波段使用的光谱仪外,还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分,有直接用眼观察的分光镜,用感光片记录的摄谱仪,以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器,常与其他分析仪器配合使用。


图中所示是三棱镜色谱仪的基本结构。狭缝S与棱镜的主截面垂直,放置在透镜L的物方焦面内,感光片放置在透镜L的像方焦面内。用光源照明狭缝S, S的像成在感光片上成为光谱线,由于棱镜的色散作用,不同波长的谱线彼此分开,就得入射光的光谱。棱镜摄谱仪能观察的光谱范围决定于棱镜等光学元件对光谱的吸收。普通光学玻璃只适用于可见光波段,用石英可扩展到紫外区,在红外区一般使用氯化钠、溴化钾和氟化钙等晶体。普遍使用的反射式光栅光谱仪的光谱范围取决于光栅条纹的设计,可以具有较宽的光谱范围。

表征光谱仪基本特性的参量有光谱范围、色散率、带宽和分辨本领等。基于干涉原理设计的光谱仪(如法布里-珀罗干涉仪、傅立叶变换光谱仪)具有很高的色散率和分辨本领,常用于光谱精细结构的分析。

2原理


根据现代光谱仪器的工作原理,光谱仪可以分为两大类:经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器;新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器。经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器。调制光谱仪是非空间分光的,它采用圆孔进光。

根据色散组件的分光原理,光谱仪器可分为:棱镜光谱仪,衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪。光学多道分析仪OMA (Optical Multi-channel Analyzer)是近十几年出现的采用光子探测器(CCD)和计算机控制的新型光谱分析仪器,它集信息采集,处理,存储诸功能于一体。由于OMA不再使用感光乳胶,避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理,测量工作,使传统的光谱技术发生了根本的改变,大大改善了工作条件,提高了工作效率;使用OMA分析光谱,测量准确迅速,方便,且灵敏度高,响应时间快,光谱分辨率高,测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机,绘图仪输出。它己被广泛使用于几乎所有的光谱测量,分析及研究工作中,特别适应于对微弱信号,瞬变信号的检测。

3构成


一台典型的光谱仪主要由一个光学平台和一个检测系统组成。包括以下几个主要部分:

1. 入射狭缝: 在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点。

2. 准直元件: 使狭缝发出的光线变为平行光。该准直元件可以是一独立的透镜、反射镜、或直接集成在色散元件上,如凹面光栅光谱仪中的凹面光栅。

3. 色散元件: 通常采用光栅,使光信号在空间上按波长分散成为多条光束。

4. 聚焦元件: 聚焦色散后的光束,使其在焦平面上形成一系列入射狭缝的像,其中每一像点对应于一特定波长。

5. 探测器阵列:放置于焦平面,用于测量各波长像点的光强度。该探测器阵列可以是CCD阵列或其它种类的光探测器阵列。

4分类


光谱仪的种类很多,分类方法也很多,根据光谱仪所采用的分解光谱的原理,可以将其分成两大类:经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪是建立在空间色散(分光)原理上的仪器;新型光谱仪是建立在调制原理上的仪器,故又称为调制光谱仪。 [1] 

经典光谱仪依据其色散原理可将仪器分为:棱镜光谱仪、衍射光栅光谱仪、 [2]  干涉光谱仪。

根据光谱仪器所能正常工作的光谱范围,光谱仪可分为:

分类

5应用


光谱仪应用很广,在农业、天文、汽车、生物、化学、镀膜、色度计量、环境检测、薄膜工业、食品、印刷、造纸、拉曼光谱、半导体工业、成分检测、颜色混合及匹配、生物医学应用、荧光测量、宝石成分检测、氧浓度传感器、真空室镀膜过程监控、薄膜厚度测量、LED测量、发射光谱测量、紫外/可见吸收光谱测量、颜色测量等领域应用广泛。 [3] 

6透射测定


光谱仪的透射率或它的效率可用辅助单色仪装置来测定。在可见和近紫外实现这些测量没有任何困难。测量通过第一个单色仪的光通量,紧接着测量通过两个单色仪的光通量,以这种方式来确定第二个单色仪的透射率。

绝对测量需要知道单色仪的绝对透射率:对于相对测量,以各种波长处的相对单位可以测量透射率。真空紫外线的这些测量有相当大的实验困难,因此通常使用辅助单色仪。在各种入射角的情况下分别测量衍射光栅的效率。在许多实验步骤中已成功地避免了校准上的困难。

曾经研究过光栅效率与波长、入射角、镀层厚度、镀层材料以及其它因素的关系。所有这些测量都指出,在许多情况下能量损失是非常显著的,并且光栅的效率低于1%,光栅的不同部分可能有明显不同的效率。

7使用注意事项


启动

1.1 如停机在2-8小时,则外冷水需先运转10分钟,内冷水需先运转5分钟;如停机在8小时以上,则外冷水需先运转15分钟,内冷水需先运转10分钟。

1.2 开机顺序为打开外冷水

1.3 打开内冷水(COOLER)开关

1.4 打开CTROL、VACUUM开关(观察真空度是否下降到10以下,观察内冷却水的电导率是否在10以下)

1.5 打开HEATER

1.6 打开板高压开关

1.7 打开电脑,打开MXF操作软件,点击Monitor,观察状态并检查是否联机

1.8 一切正常后,打开面板右下方X-RAY开关

1.9 点击面板左上方X-RAY ON按钮,可打开X射线--按照(5KV-0mA)--(10KV-mA)--(15KV-0mA)--(20KV-0mA)--(20KV-5mA)--(20KV-10mA)顺序升高管流、管压。如停机在2-8小时,则每步需等待10分钟;如停机在8小时以上,则每步需等待20分钟

1.10 点击Maintenance栏位-弹出Maintenance-MXF-点击Inrument Setup,弹出Instrument Setup后在X-ray下方管压、管流栏位中,将两项设定为(30、20),点击执行,即可使光管条件恢复待机状态,可进行常规分析操作。

关机

在电压正常情况下,需进行关机调试或其他工作,则可进行常规关机工作。

2.1 待机状态为管压30KV、管流20mA。若需关机,则可点击Maintenance栏位-弹出Maintenance-MXF-点击Instrument Setup,弹出Instrument Setup-在X-ray下方管压、管流栏位中,将两项分别按(20、10)-(20、0)-(10、0)-(0、0)进行降低,最后归0。

2.2 当管压、管流均归0的条件下,可进行关机操作。将面板上X-RAY打到OFF

2.3 将下方X-RAY开关关闭

2.4 关闭HEATER

2.5 关闭板高压开关

2.6 关闭CONSOLE、VACUUM开关

2.7 关闭电脑中MXF操作软件,关闭电脑

2.8 如果有必要关闭内循环水,则等待5分钟后,关闭内循环水,如无必要,则不关闭--如果有必要关闭外循环水,则等待10分钟后关闭外循环水,如无必要,则不关闭。

2.9 关闭配电箱开关,使仪器完全断电,可进行维护检查操作。

参考资料
  • 1.  张淳民,黄伟健,赵葆常. 新型偏振干涉成像光谱仪噪声分析与评价[J]. 物理学报,2010,59(08):5479-5486.  .钱柜娱乐登录_钱柜娱乐平台_钱柜娱乐_钱柜娱乐在线知网.2010-08-15[引用日期2017-11-22]
  • 2.  葛建平. 成像光谱仪用光栅的研究[D].苏州钱柜娱乐平台,2012.  .钱柜娱乐登录_钱柜娱乐平台_钱柜娱乐_钱柜娱乐在线知网.2012-05-01[引用日期2017-11-22]
  • 3.  张学华,李强,黄雪华,姚会强. 手持式X射线荧光光谱仪在富钴结壳资源勘查中的应用[J]. 岩矿测试,2014,33(04):512-516.  .钱柜娱乐登录_钱柜娱乐平台_钱柜娱乐_钱柜娱乐在线知网.2014-07-03[引用日期2017-11-22]