光辐射测量原理与技术——单色仪和摄谱仪
eds单一光谱
eds单一光谱
EDS，全称为能量色散X射线光谱仪，是一种常用的元素分析仪器。
其工作原理基于X射线与物质相互作用后产生的能量色散现象。
当X射线管产生的X射线辐射在物体表面时，待测样品的内层电子被逐出，产生空穴，整个原子体系处于不稳定的激发态。
外层电子自发地以辐射跃迁的方式回到内层填补空穴，产生X特征射线。
这些X射线的能量与入射能量无关，而是由两能级之间的能量差决定。
当这些特征X射线光子进入硅渗锂探测器后，它们将硅原子电离，产生若干电子-空穴对。
这些电子-空穴对的数量与光子的能量成正比。
利用偏压收集这些空穴电子对，经过一系列转换器后变成电压脉冲供给多脉冲高度分析器，并计数能谱中每个能带的脉冲数。
EDS谱峰的峰位对应一个元素，这是因为不同层的电子跃迁会产生不同的谱线。
因此，EDS谱线是把所有特征X射线脉冲的累积分开得到的。
这使得我们可以理解，谱线越多，说明外层电子占有壳层越多。
然而，需要强调的是，谱峰的数量与元素的含量高低并没有直接关系。
定量分析是根据不同元素来选择不同线系的谱峰强度以及这个元素的响应值来做计算的。
CAS140光谱仪介绍和校准原理
60 mm 18 cm 0,1 - 1*109 0,04 - 3*108 0,01 - 1*108 0,004 -
3*107
HRL 90 23 cm 0,6 - 4*109 0,2 - 1*109 0,06 - 4*108 0,02 - 1*108
HRL 90 23 cm 0,4 - 3*109 0,1 - 1*109 0,04 - 3*108 0,01 - 1*108
光纤
连接光谱仪和光学探头 的光纤中装有 IS 享有 专利的模式混合器。它 使光纤中的传输量即便 在光纤位置改变的情况 下仍保持不变，从而保 证了测量结果的可靠性 和可重复性。
DTS140 系统
CAS140CT配TOP200组成DTS140系统用以测量显示器等
DTS140 系统技术指标
技术参数 光谱范围
CAS 140CT光谱仪校准
光谱仪核心部分是单色仪，其作用是将 光谱信息转换为电信号。建立光谱信息与电 信号的一一对应关系称为校准。
常用校准种类: a) 波长校准. b)光谱校准. c）光阑校准. d) 滤光片校准.e)测量距离校准. f)Slit校 准
校准用光源
HeNe激光器 波长 632.82nm
nm 3,0 nm 0,65 nm
DTS140-231 360 - 830 nm
2,2 nm 0,5 nm
DTS140-233 380 - 1040
nm 3,0 nm 0,65 nm
60 mm 18 cm 0,2 - 1*109 0,06 - 4*108 0,02 - 1*108 0,006 -
4*107
CCD传感器是光电转换器 件。CCD像素 1024x128.
TOP200 光学探头
几种颜色测量方法的比较
文章编号:1002-2082(2005)03-0060-04几种颜色测量方法的比较李宏光1,2,吴宝宁1,施浣芳2,袁 良1,杨 峰1,俞 兵1,曹 锋1(1.西安应用光学研究所国防科工委光学计量一级站,陕西西安710065;2.西安工业学院光电科学与工程学院,陕西西安710032)摘 要: 本文回顾了颜色测量的历史,分析比较了目视法、光电积分法和分光光度法三类颜色测量方法,重点阐述了目前最先进的测色方法——光电摄谱法。
简述了目前国内外测色仪器的产品现状,展望了仪器测色的发展趋势。
关键词: 颜色测量;光电摄谱法;测色仪;小型化中图分类号:O 432.3 文献标识码:AThe Com par ison of M ulticolor M ea surem en tM ethodsL I Hong 2guang1,2,W U B ao 2n ing 1,SH I H uan 2fang 2,YUAN L iang 1,YAN G Feng 1,YU B ing 1,CAO Feng1(1.X i’an Institute of A pp lied Op tics ,X i’an 710065,Ch ina ;2.X i’an Institute of T echno logy ,X i’an 710032,Ch ina )Abstract :T h ree m ethods of co lo r m easur m ent such as visualizati on ,pho toelectric integrati on and spectropho tom etry are analyzed and compared .T he mo st advanced m ethod of co lo r m easur m ent is pho toelectric spectrography .T he h isto ry of co lo r m easurem ent is review ed .T he status quo of co lo ri m eters being used at hom e and abroad is introduced briefly .T he p ro spect of the co lo ri m eters is discussed .Keywords :co lo r m easurem ent ;pho toelectricity spectrograph ;co lo ri m eter ;m iniaturizati on引言随着我国工业的发展,颜色已经成为评定许多产品质量的重要指标。
第七章 原子发射光谱分析 (Atomic Emission Spectrometry知识分享
Ei—激发电位（J或eV)。
Iij
gi g0
AijhijN0ekEiT
原子发射光谱 法定量的依据
基态原子密度（N0）：Iij正比于N0，N0正比于浓度。
激发电位(Excitation potential)
谱线强度与激发电位成负指数关系。在温度一定时，激发 电位越高，处于该能量状态的原子数越少，谱线强度越小。 激发电位最低的共振线通常是强度最大的线。
目前常用的光源有直流电弧(DC arc)、交流电 弧(AC arc)、高压火花(electric spark)及电感耦合等离 子体（ICP）。
1. 直流电弧
优点：电极头温度相对比较高（4000至7000K，与 其它光源比），蒸发能力强、绝对灵敏度高、背景小；
缺点：放电不稳定，且弧较厚，自吸现象严重，故 不适宜用于高含量定量分析，但可很好地应用于矿石 等的定性、半定量及痕量元素的定量分析。
微波光谱法
4×10-7~4×10-10 核磁共振波谱法
高能辐射区
γ射线 能量最高，核能级跃迁 X射线 内层电子能级的跃迁
光学光谱区
(10nm-1000 μm)
紫外光 可见光
原子和分子外层电子能级的跃迁
红外光 分子振动能级和转动能级的跃迁
波谱区
微波 分子转动能级及电子自旋能级跃迁 无线电波 原子核自旋能级的跃迁
2．电磁波谱：电磁辐射按波长顺序排列就称光谱。
光谱区域 γ射线 X射线 远紫外光 近紫外光
光 可见光 学 近红外光 区 中红外光
远红外光
微波
无线电波
波长 5～140pm 10-3～10nm 10～200nm 200～380nm 380～780nm 0.78～2.5μm 2.5～50μm
X射线荧光光谱分析的基本原理
个空穴，使整个原子体系处于不稳定的激发态，激发态原子寿命约为10-12-10-14S ，然后自发地由能量高的状态跃迁到能量低的状态。
这个过程称为驰豫过程。
驰豫过程既可以是非辐射跃迁，也可以是辐射跃迁。
当较外层的电子跃迁到空穴时，所释放的能量随即在原子内部被吸收而逐岀较外层的另一个次级光电子，此称为俄歇效应，亦称次级光电效应或无辐射效应，所逐岀的次级光电子称为俄歇电子。
它的能量是特征的，与入射辐射的能量无关。
当较外层的电子跃入内层空穴所释放的能量不在原子内被吸收，而是以辐射形式放岀，便产生X射线荧光，其能量等于两能级之间的能量差。
因此，X射线荧光的能量或波长是特征性的，与元素有一一对应的关系。
图10.1 给岀了X射线荧光和俄歇电子产生过程示意图。
K层电子被逐岀后，其空穴可以被外层中任一电子所填充，从而可产生一系列的谱线，称为K系谱线：由L层跃迁到K层辐射的X射线叫K a射线，由M层跃迁到K层辐射的X射线叫K B 射线……。
同样丄层电子被逐岀可以产生L系辐射(见图10.2)。
如果入射的X射线使某元素的K层电子激发成光电子后L层电子跃迁到K层，此时就有能量AE释放岀来，且△ E=EK-EL，这个能量是以X射线形式释放，产生的就是K a射线，同样还可以产生K B射线，L系射线等。
莫斯莱(H.G.Moseley)发现，荧光X射线的波长入与元素的原子序数Z有关，其数学关系如下：入=K(Z-s)-2这就是莫斯莱定律，式中K和S是常数，因此,只要测出荧光X射线的波长,就可以知道元素的种类，这就是荧光X射线定性分析的基当一束光或电磁波照射到物质上时，光子就与物质的分子、原子或离子等微粒相互作用而交换能量。
在通常的状态下，物质中这些微粒处于基态，吸收一定频率的辐射后，由基态跃迁到激发态，这个过程称为辐射的吸收。
处于激发态的微粒是十分不稳定的，大约过10-8—10-9秒，便以辐射的形式释放出多余的能量，重新回到基态，这个过程称为辐射的发射。
光谱分析简介
谱定性分析能测到的元素，一般都可以做定量分析。
光谱定量分析，一般比化学快，并且用较少的试样即可进行。
物质发射的光谱需用分光仪器进行观测。
分光仪器需有三个元件：狭缝、能将不同波长的光按波长分开和排列成序的三棱镜或光栅和能聚焦成像以形成谱线的光学系统（谱线即为狭缝的像）。
谱线落在焦面上，可用感光板摄取，或用目镜观测（限于可见光），或用一出口狭缝接收（使与近旁其它谱线区分）。
前一种方式即为一摄谱仪，其次一种方式则为看谱镜，而第三种方式则为单色仪。
如在许多谱线处装上出口狭缝，并在出口狭缝后面设置光电接收装置，即成为光电直读光谱议。
2、电法光谱分析的发展情况在近代科学技术的发展中，光谱分析的应用在成分分析、结构分析及科学研究中均起到重要的作用。
其中原子发射光谱这一分析方法不仅对金属、合金、矿物成分的测定，也对生产过程的控制有着重要的作用，而且已广泛应用于高分子材料、石油化工、农业、医药、环境科学以及生命科学等领域。
发射光谱分析根据接收光谱辐射方式的不同而分成三种：看谱法，摄谱法和光电法。
由图1可以看出这三种方法基本原理都相同：都是把激发试样获得的复合光通过入射狭缝射在分光元件上，被色散成光谱，通过测量谱线强度而求得试样中分析元素的含量。
三种方法的区别在于看谱法用人眼去接收，射谱法用感光板接收，而光电法则使谱线通过放在光谱焦面处的出射狭缝，用光电倍增管接收光谱辐射。
光电法是由看谱法及摄谱法发展而来的，主要用来作定量分析。
摄谱法的光谱定量分析本来也是一种快速分析方法，但因为要在暗室中处理感光板，测量谱线黑度，分析速度受到限制。
为了进一步加快分析速度，有人设想用光电元件来接收光谱线，将光讯号转变为电讯号。
这样做可以不进行暗室处理及黑度测量，使分析速度更加提高。
光电法的光谱分析随着光电转换技术的完善终于可以实现。
最早的光电直读光谱分析用于铝镁工业，后来被广泛用于钢铁工业及其他工业。
三、直读光谱分析的特点及应用范围直读光谱分析主要有以下特点：（1）、自动化程度高、选择性好、操作简单、分析速度快、可同时进行多元素定量分析。
制作光谱仪
三、与透射光栅对比
1、分光计仍然要调到正常工作状态；
2、将光栅置于载物台上，使经过准 直管后的平行光垂直入射到光栅上 3、调节望远镜筒，分贝可以找到分 布在白光两侧的-1级光谱和+1级光谱， 在这两光谱中，分别可以找到双黄线。 4、测出两双黄线∆ θ，进而测得D。 实验观察：中央是主极大零级谱线，其 它各级谱线对称的分布在其两边，且按 波长从短波向长波分散开来，形成光栅 光谱。
生活中，我们发现光碟表面反射的光成彩色条纹；就是由于光碟具有 分光的作用，它是一种反射光栅。我们可以利用光碟的这一特性，设
计一个光碟光谱仪。
衍射光栅是由大量平行、等宽、等距的狭缝（或
刻痕）构成的一种精密的分光元件，它可以把不同
波长的光分开并形成明亮细窄的谱线，常分为透射 光栅和反射光栅。 设凹槽部分宽度为a，非凹槽部分为b，a + b = d 称为光栅常数。当平行光斜入射到光栅上时，每个凹
当
单槽 衍射
v j时产生极大
槽间 干涉
平面反射光栅的光栅方程
d[sin i sin ] j (j 0, 1, 2...)
光栅的基本特性可以用它的“分辨本领” 和“角色散率” 来表征。 （1）光栅的分辨本领R 两条刚好可被该光栅分辨开的谱线的波长差 ∆λ= λ2- λ1 ， 去除它们波长的平均值，即
多功能光栅光谱仪 平面光栅摄谱仪 红外光谱仪 激光拉曼光谱仪
X射线荧光光谱仪 原子荧光光谱仪
光纤光谱仪
多功能光栅光谱仪
棱镜单色仪
GUANGXI NORMAL UNIVERSITY
数据处理
将上面的测量数据在方格坐标纸上作 L − λ 曲线，以L为纵轴，λ 为横 轴，将表格中各点的数据描入直角坐标中，然后将各点用光滑的曲线 联接起来，该曲线称定标曲线。只要在单色仪上测出某谱线所对应的 鼓轮读数 L ，就可以在此曲线上查出波长 λ 。
实验仪器
单色仪，测微目镜（或读数显微镜），汞灯，钠灯，短焦距 凸透镜及支架。
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实验原理
1．单色仪的分光原理 单色仪是用棱镜作为色散元件的光谱仪器，它通常由三 部分组成，如图20－1所示。
（１）准光镜系统 由准直光物镜L1和放在L1焦平面 上的狭缝S组成。这个系统能够将来自光源S的复色 光变成平行光。
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（３）单色仪（WDF型）的实际光路图如图20—2所 示。S1为入射狭缝，被放在柱面凹面镜M1的焦平面上， 由S1进入的复色光经M1反射后成为平行光，平行光射到 平面镜M2上改变了方向，以适当的角度，投射到棱镜P δ ( 的一个折射面上，其中有一组以最小偏向角λ ) 的单 λi 色平行光（波长为 ）通过棱镜投射到柱面凹面镜M3 λ 上，并由其聚焦到出射夹缝处S2，就得到了一束波长为 图20-2 的单色光 ３．单色仪的结构与外形 单色仪的全部元件安装在一个钢制的圆筒内或其侧面上。上面用钢盖盖好 ，以免空气中的水蒸气侵入和灰尘落入。其中入射狭缝S1和出射狭缝S2装 在钢筒的外侧，狭缝的宽度由它上面的螺旋调节，螺旋顺时针旋转时狭缝变 宽，逆时针旋转时狭缝变窄。狭缝刀口已经闭合时，若再用力旋转，刀口受 。 过大的压力会损坏，调节狭缝时，务必注意。 平面镜M2的表面与棱镜P的底面平行，且都装在同一个基座上。此基座以 棱镜底边的中心O为转轴，转轴与钢筒底座下的读数鼓轮相联接。因读数鼓 轮在钢筒底座下，读数不方便，所以在鼓轮旁装一凹面镜M3，读数鼓轮在 凹面镜上映出清晰的像，就可通过该凹面镜看到鼓轮上的读数。 柱凹面镜装在钢筒的内壁，且和平面镜表面都蒸镀金属膜，反射系数极高 。
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第六章 光探测器及其特性
§引言
探测器的分类：
1.主观探测器和客观探测器
2.主观探测器:人眼
客观探测器:利用光照射后，探测器材料产生物
理或化学的变化而制成。
一般分成三类:光电效应探测器;热电效应探测器;
光化学效应探测器
概述
1.辐射能量的探测方法：
目视（主观）测量法
物理（客观）测量法→光电效应 ，热电效应
2.物理测量法所用探测器的类别:
光电探测器：光电倍增管、光电管、光电池、光导管、
热电探测器：热敏电阻、热电偶、热辐射计
光化学效应探测器：感光底片
§6-1光电和热电探测器的特性
积分响应度（或积分灵敏度）
1.定义:S=Y/X X—入射的光辐射通量或光通量lm
Y—探测器输出的电流或电压(V/A)
2.单位:
3.光电效应探测器—选择探测器
热电效应探测器—无选择探测器
光谱响应度：
1.光谱响应度:S(λ)
2.光谱响应度分布
a.将光谱响应度随波长的排列所画成的曲线,称之
为探测器的光谱响应度分布
b.作用:可以确度光电探测器所能探测到的波长范
围及长波探测极限λ
0
C.结论：外光电效应探测器探测到的波长极限
λ0<1200nm→光电管和光电倍增管只能对近红外、可见光、紫外光进行探测。中
红外、
远红外用对此波段灵敏的探测器进行探测
3.相对光谱响应度Sr(λ)的计标分布曲线
Sr(λ)=S(λ)/Sm
Sm—给定参考值（S(λ)的平均值、最大值、任意
选定值）
4、探测器的长波极限波长λm
lmA/wA/wV/V/lm
在相对光谱响应度分布曲线中定义长波响应度
降到最大值的1/10处所对应的波长称为探测器的长波极限λm
响应时间τ：
1.从探测器接受到入射辐射这一瞬间开始至探测器反应达最大值所需的时间称为响应时间
2.单位用秒或毫秒（s、ms）
3.讨论：
a>对于稳定光源响应时间不影响测量精度
b>对于脉冲光源要求τ<脉冲宽度（脉冲变化时间）
最小可探测功率：
1.探测器噪音讯号I
2.探测器最小可测功率极
如S=100μA/μlm ,无光照射时I=0.01μA
极
=0.01/100=0.0001μlm
§ 6-2 光电管和光电倍增管
//ISYXIS
极极
无光照时的噪声信号
探测器的响应度
光电管：
1.光电管工作电路
2.光电效应方程
根据光子说及能量转换和守恒定律有:
2
0
1
2
hvmvE
hυ—表示一个光子的能量
E0—金属的逸出功
3.光阴极的量子效应:
光阴极发射的光电平均数
入射到光电阴极上光子数
4.光电管的基本特征
⑴积分响应度:
SP饱和光电流I入射到光阴极上的通量
⑵响应时间约810S(快速变化的脉冲光)
⑶暗电流ID=Ir+I
L
Ir—热电流,光阴极在Ιf下的热电子发射
IL—漏电流(为主),阴极间的非无穷大电阻产生
光电管的最小可测功率由暗电流决定(漏电流)
⑷光电特征—光电流与入射通量之间的关系
（如图）
非线性响应 光电流的输出值与照射时间的关系
5.光电管的种类
⑴真空管:响应时间(约10-8至10-9s)Ιp与φ的线性好,响应度S较低
⑵充气管(管内充Ar):响应时间长Ιp与φ的线性范围短,响应度高达150μA/lm
光电倍增管：
1.二次电子发射:电子将能量转发给发射表面,因电子束射到材料上而引起材料表面的电
子发射
⑴二次电子发射的现象—低噪声、反应时间快
⑵二次发射系数
⑶二次电子发射材料
半导体:氧化的银镁合金、氧化铜镀合金
2.光电倍增管的工作原理：
⑴基本特性
υA ＞υD4 ＞υD3 ＞υD2 ＞υD1 ＞υk
⑵结构示意图
⑶工作原理
K受照后发射电子D1、 D2、 D3……是二级电子发射极，电位依次逐级升高，光电子被电场
加速后打到二次电子发射极上产生二次电子发射，使光电子数倍增，最后到达阳极。
⑷光电倍增管的基本特性：
a)放大系数M
设有n个二次发射极，则M=σ
n
b)灵敏度（响应度）
光谱响应度:由光阴极材料决定
积分响应度:分阴极响应度和阳极响应度
光电倍增管的积分响应度为：S=Skσ
n
其中Sk为光阴极响应度
c)光电特性曲线（如图）
d)电极管各级间电压分配
等压分配和非等压分配
e)暗电流：采用降低光电倍增管的工作温度来减小
暗电流,另外还可减小阴极老化
3、光电倍增管常设计成聚焦或散焦式两种聚焦式光电倍增管的示意图
4、使用光电倍增管时的注意事项
⑴由于疲劳现象存在，测试前必须预照30min后
进行测量
⑵温度控制（环境温度）250C
⑶保证供电直流电源具有很高的稳定性