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光谱分析仪器

发布于:2024-06-07 16:52:07 来自:电气工程/工业自动化 [复制转发]

吸收池

盛放试样的吸收池由光透明的材料制成。
紫外光区: 采用 石英 材料;
可见光区: 硅酸盐 玻璃
红外光区: 可根据不同的波长范围选用不同材料的 晶体 制成吸收池的窗口,如 NaClKBrKRS-5 58%T1I42%T1Br的混合晶体)等。
 

检测器

在现代分析仪器中,用光电转换器作为检测器。
检测器要求:
1.必须在一个宽的波长范围内对辐射有响应
2.在于低辐射功率时的反应要敏感,对辐射的响应要快
3.产生的电信号容易放大,噪声要小;
4.更重要的是产生的信号应正比于入射光强度。

检测器分类:
一类为对光子有响应的光检测器,另一类为对热产生响应的热检测器。

 


光检测器

 

 

(1)硒光电池  



 

组成及结构:
将硒沉积在铁或铜的金属基板上,硒表面再覆盖一层金、银或其他金属的透明金属层就构成了硒光电池。
图片
硒光电池结构图                     真空光电二极管原理
原理:
金属基板是光电池的正极,与金属薄膜相连接的金属收集环是光电池的负极。当光照射半导体上时,在半导体硒内产生自由电子和空穴,自由电子向金属薄膜流动,而空穴则移向另一极。所产生的自由电子通过外电路和空穴复合而产生电流。当外电路的电阻不大时,这一电流与照射的光强具有线性关系,其大小为10~100A数量级,因此 可以直接进行测量,无需外电源及放大装置
但受强光照射或使用时间过长会产生“疲劳”现象。硒光电池光谱响应的波长范围为300~800nm,其最灵敏区为500~600nm。因此,现代分析仪器中已很少使用。

 

(2)光电管(真空光电二极管)  



 组成及结构:

其阴极为一金属半圆筒,内表面涂有碱金属及其他材料组成的光敏物质,阳极为金属镍环或镍片,电极被封闭在一个透明真空管中。


原理:

在光的作用下,光敏物质发射光电子,这些光电子被加在两极间的电压(≈90V)所加速,并为阳极所收集而产生光电流,这一电流在负载电阻两端产生一个电位降,再经直流放大器放大,并进行测量

特点:
1.光电管的光谱响应特性决定于光阴极上的涂层材料。 不同阴极材料制成的光电管有着不同的光谱使用范围。
2.即使同一光电管,对不同波长的光,其灵敏度也不同。

因此 对不同光谱区的辐射,应选用不同类型的光电管进行检测
例如, 氧化铯- 近红外光 区敏感, 氧化钾- - 最敏感的范围在 紫外-可见光 区。

 

(3)光电倍增管  



 组成及结构:

它实际上是一种由多级倍增电极组成的光电管,其结构如下图所示。它的外壳由玻璃或石英制成,内部抽真空。阴极为涂有能发射电子的光敏物质(Sb-CsAg-O-Cs等)的电极,在阴极C和阳极A之间装有一系列次电子发射极,即电子倍增极D1D2,…。阴极C和阳极A之间加有约1000V的直流电压。


原理:

当辐射光子撞击光阴极C时发射光电子,该光电子被电场加速落在第一倍增极D1上,撞击出更多的二次电子。以此类推,阳极最后收集到的电子数将是阴极发出的电子数的105~108倍。

特点:
光电倍增管对紫外-可见光区有高的灵敏度,响应时间短。但由于热发射电子产生的暗电流,限制了光电倍增管的灵敏度。
图片
光电倍增管工作原理图
F.窗口  C.光阴极  D1D2 D3 .次级电子发射极
A.阳极   R1R2R3R4.电阻

 

(4)硅二极管阵列检测器  



 结构及原理:

它是由在一硅片下形成的反相偏置的p-n结组成。反向偏置造成了一个耗尽层,使该结的传导性几乎降到了零。当辐射照到n区,就可形成空穴的电子。空穴通过耗尽层到达p区而湮没,于是电导增加,增加的大小与辐射功率呈正比。可以在一硅片上制成这种检测器的阵列。
下图是放大 的光二极管阵列靶的部分截面和端视图,每个光二极管都由被绝缘二氧化硅层包围着的一个圆柱形 p 型硅区所组成。因此每个二极管都与其邻近的二极管电绝缘,它们都连接到一个共同的 n 型同上。
图片
硅二极管阵列靶   a )侧视        (b)  端视
当靶的表面被电子束扫描时,每个 p 型柱就连接着被充电到电子束的电位,起一个充电电容器的作用。当光子打到 n 型表面以后形成空穴,空穴向 p 区移动并使沿入射辐射光路上的几个电容器放电。然后当电子束再次扫到它们时,又使这些电容器充电。这一充电电流随后被放大作为信号。
若电子束的宽度≈ 20图片m ,可使靶的表面有效地分成几百个通道。每一个通道的信号可分别储存到计算机的存储器中。如果靶处于单色器的焦面上,则每个通道的信号就与不同波长的辐射相对应,此即 光学多道分析器,可作多元素同时测定 它为现代先进的检测器,在高档分析仪器中使用。

 

(5)半导体检测器  



 

这种检测器实际上是一种电阻器,没有光照时,其电阻可达200k图片,吸收辐射后,半导体中的电子和空穴增加,导电性增加,电阻减小,因此可根据电阻的变化来检测辐射强度的大小。最常用的半导体材料是PbS,它在0.8~ 2图片m 左右的近红外区内反应灵敏。

 

(6)感光板  



 

感光板的乳剂层经光作用并显影后,产生一定黑度的谱线,可作多元素同时测定。后续在原子发射光谱法中进行讲解。

 


热检测器


热检测器是吸收辐射并根据吸收引起的效应来测量入射辐射的强度的。

 

(1)真空热电偶  



 

是目前红外光谱仪中最常用的一种检测器。

原理及结构:

它利用不同导体构成回路时的热电效应,将温差转变为电动势,其结构示意见下图。它以一小片涂黑的金箔作为红外辐射的接受面。在金箔的一面焊有两种不同的金属、合金或半导体作为热接点,而在冷接点(室温)连有金属导线(冷接点图中未画出)。此热电偶封在高真空的腔体内。为接受各种波长的红外辐射,在此腔体上对着涂黑的金箔开一小窗,粘以红外透光材料,如KBrCsIKRS-5等。当红外辐射通过此窗口射到涂黑的金箔上时,热接点温度升高,产生温差电动势,在闭路的情况下,回路即有电流产生。由于它的阻抗很低(一般10图片左右),在和前置放大器耦合时需要用升压变压器。

图片

 

(2)热释放电检测器  



原理:

 利用某些晶体,如氘化硫酸三苷肽(DTGS)、硫酸三甘氯酸酯、钽酸锂等,具有温敏偶极矩的性质。把这些晶体放在两块金属板之间,当红外辐射照射到晶体上时,晶体表面电荷分布发生变化,由此测量红外辐射的强度

它的 响应极快 ,可进行调整扫描,适用于 Fourier变换红外光谱仪

 


3.电荷转移器件

 

电荷转移器件(CTD)是一种光谱分析多道检测器,发明于20世纪70年代,在90年代已用于商品光谱仪。它以 电荷量 表示 光量 大小,用 耦合 方式传输电荷量。

分类:
电荷耦合器件(CCD)和电荷注入器件(CID)两类硅集成电路,前者应用较多。

基本工作过程:
分四步,即信号输入(电荷注入)、电荷存储、电荷转移和信号输出(电荷的检测)。

 

(1)电荷耦合器件(CCD)  



特点:

 1.CCD更大的光活性区域更长的波长覆盖(200~1050nm);

2.能对单个光子计数,噪声低;

3.在可见光区(400~500nm)量子检测效率可达91%;

4.灵敏度高,特别适合于弱光检测,检出限为pgfg级,线性范围宽达105~106

 

(2)电荷注入器件(CID)  



它的优点是信号读出时所有储存的电荷不会被破坏,因而可被重复读取或储存下来。

CCDCID与中阶梯光栅的交叉波长选择系统联用,可实现多道同时采样,获得波长强度-时间三维谱图。 同时得到不同波长的光谱信息 ,对原子光谱定性或定量分析、机理研究、干扰校正等十分有价值。
也已经用于Raman光谱、薄层色谱、重叠色谱峰的分析等。
图片
谱仪的检测器及其应用波长的范围  

读出装置

 

由检测器将光信号转换为电信号后,可用 检流计、微安表、记录仪、数字显示器或阴极射线显示器显示和记录测定结果。
在现代分析仪器中,常用的读出器件有 数字表、记录仪、电位计标尺和阴极射线管 等。
近年来利用 光电倍增管的输出 ,将已应用在X射线辐射功率测量中的 光计数技术,引入了紫外和可见光的测量 。主要应用于测量低强度的辐射,如荧光、化学发光和Raman光谱。


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