專利名稱：一種光子計數(shù)全譜直讀發(fā)射光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種全新的發(fā)射光譜儀，即一種基于“光子計數(shù)成像探測器”的光子計數(shù)全譜直讀發(fā)射光譜儀。
本發(fā)明特別適用于原子(元素)、分子、離子以及其它物質(zhì)成分的痕量或超痕量分析，可廣泛的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、食品安全、生物光學(xué)、冶金化工、地質(zhì)勘探以及醫(yī)藥衛(wèi)生等眾多行業(yè)與學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
發(fā)射光譜是指處于激發(fā)態(tài)的原子或分子躍遷到基態(tài)或較低激發(fā)態(tài)時產(chǎn)生輻射，輻射的強度按頻率或波長分布的集合。研究發(fā)射光譜的特征和規(guī)律可以了解原子或分子的能級結(jié)構(gòu)、運動狀態(tài)以及原子或分子同電磁場或粒子相互作用的性質(zhì)。按照是否存在外界激發(fā)過程，發(fā)射光譜可分為自發(fā)輻射譜和受激輻射譜兩種
1)自發(fā)輻射是指處于高能級&上的原子或分子自發(fā)的躍遷到低能級E1上，并伴隨輻射出一個頻率為ν的光子，hv = E2-E1，式中h為普朗克常量。由于自發(fā)輻射的無序性， 自發(fā)輻射譜多為連續(xù)譜。
幻受激輻射是指受外界能量的激發(fā)，處于高能級氏上的原子或分子躍遷到低能級 E1I，并伴隨輻射出一個頻率為ν的光子，Iw = E2-E1= ΔΕ，式中ΔΕ為外界激發(fā)能。由于受激輻射的相干性，原子的受激輻射譜為線狀譜，分子的受激輻射譜為帶狀譜。激發(fā)方式主要有光激發(fā)、電激發(fā)、熱激發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、場激發(fā)以及碰撞激發(fā)等方式，能量載體主要有光輻射、電弧、電火花、熱輻射、等離子體、化學(xué)能、電磁波、聲波以及高能粒子等載體。
發(fā)射光譜法便是利用原子或分子的上述特性對物質(zhì)進行定性、定量以及結(jié)構(gòu)分析，相應(yīng)的分析儀器稱為發(fā)射光譜儀。按照所使用探測器的類型及其信號處理方式的不同， 發(fā)射光譜儀可分為“電荷積分法”與“光子計數(shù)法”兩大類
1)電荷積分法是通過測量不斷存儲累積的電子或空穴的電荷量來反演入射光的強度，即“測電流”的方式，這也是傳統(tǒng)發(fā)射光譜儀采用較多的一種方法。相應(yīng)的探測器以電荷耦合器件(CCD/Charge Coupled Device)、電荷注入器件(CID/Charge Injection Device)、光電二極管(PD/Photo Diode)以及光電二極管陣列(PDA/Photo Diode Array) 等為典型代表。
2)光子計數(shù)法則是將光輻射看成是由一個接一個單個的光子組成的光子流，通過對光子的計數(shù)(即脈沖計數(shù))來反演入射光的強度。傳統(tǒng)所用探測器以光電倍增管(PMT/ Photomultiplier Tube)和雪崩光電二極管(APD/Avalanche Photodiode)為典型代表。
值得一提的是PMT和APD同樣可工作于“電荷積分”模式，傳統(tǒng)的發(fā)射光譜儀大都采用的是這種方式。此時，只是把PMT和APD當成一個單純的高增益、高靈敏度的“電荷積分器”在使用。
與電荷積分法相比，光子計數(shù)法具有以下優(yōu)點
1)極高的信噪比與極低的背景噪聲
由于光子計數(shù)法采用的是脈沖計數(shù)方式，當脈沖幅度低于一定的閾值時不予計數(shù)，因此可濾除掉大多數(shù)的噪聲，具有非常高的信噪比。
光子計數(shù)法的背景噪聲主要來源于探測器的暗計數(shù)。工作于光子計數(shù)模式下的探測器的暗計數(shù)非常小(尤其是基于MCP的光子計數(shù)成像探測器，通常小于lcoimt/s -cm2)， 故光子計數(shù)法具有極低的背景噪聲。
2)極高的探測靈敏度與極低的輻射通量下限
由于光子計數(shù)法可探測到單個的光子，因此其探測靈敏度非常高，相應(yīng)的輻射通量下限也非常低，通?？蛇_到10_18W/Cm2甚至更低。
3)無漏電流影響與良好的抗漂移性
由于光子計數(shù)法采用的是脈沖計數(shù)方式，因此其最大的優(yōu)點就是不受漏電流或是暗電流的影響，具有良好的抗漂移性，避免了電荷積分法中放大器的零點漂移與增益漂移以及探測器的暗電流等諸多困擾數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的難題。
4)無信號溢出現(xiàn)象和極寬的動態(tài)范圍
由于光子計數(shù)法采用的是脈沖計數(shù)方式，不受常規(guī)光電轉(zhuǎn)換過程中“信號溢出”現(xiàn)象的影響，且其輻射通量下限非常低，輻射通量上限只受限于最大計數(shù)率(通常在 IO5-IO6Hz之間)，因此其動態(tài)范圍非常寬，通常能達到IO4-IO5左右。
通常，評價一臺發(fā)射光譜儀的好壞主要是看其“檢出限”(靈敏度)、“數(shù)據(jù)穩(wěn)定性”(重復(fù)精度或重復(fù)誤差)、“讀數(shù)精度”以及“線性動態(tài)范圍”等技術(shù)指標。通過上述的對比分析，不難看出采用光子計數(shù)法，上述指標都能得到大幅提升
1)由于光子計數(shù)法的靈敏度非常高，甚至可探測到單個的光子，因此光子計數(shù)法的“檢出限”更低，可進行痕量(或超痕量)分析。
2)由于光子計數(shù)法的信噪比非常高，可探測到非常微弱的譜線強度變化，因此采用光子計數(shù)法進行定量分析的讀數(shù)精度更高。
3)由于光子計數(shù)法不受探測器漏電流或是暗電流的影響，具有良好的抗漂移性， 因此光子計數(shù)法的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性更好，即重復(fù)精度更高、重復(fù)誤差更小。
4)由于光子計數(shù)法的動態(tài)范圍非常寬，因此采用光子計數(shù)法可大為提高定量分析的線性動態(tài)范圍。
此外，由于光子計數(shù)法無需對探測器進行制冷，因此可相應(yīng)的降低發(fā)射光譜儀的生產(chǎn)運行成本。
根據(jù)是否設(shè)置波長掃描機構(gòu)，發(fā)射光譜儀又可分為“掃描法”與“全譜直讀法”兩種
1)掃描法需要設(shè)置波長掃描機構(gòu)以掃描的方式“順序”探測光譜強度分布，這也是傳統(tǒng)發(fā)射光譜儀采用較多的一種方法。相應(yīng)的探測器以PD、APD、PMT以及其它的“點(或方向)”探測器等為典型代表。
2)全譜直讀法又稱成像法，其無需波長掃描機構(gòu)便可直接“同時”探測光譜強度分布，相應(yīng)的探測器以CCD、CID、PDA以及其它的“面陣(或線陣)，，探測器為典型代表。
波長掃描機構(gòu)中步進電機和光學(xué)系統(tǒng)的成本是與其精密程度呈指數(shù)關(guān)系增長的， 且波長掃描機構(gòu)越精密，其運行穩(wěn)定性越差。故相對于掃描法來說，采用全譜直讀法的發(fā)射光譜儀的優(yōu)勢體現(xiàn)在可同時分析多種物質(zhì)成分、可充分利用工作波長范圍內(nèi)的每一條譜線、工作速度快、結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定性好、生產(chǎn)運行成本相對較低以及升級調(diào)校方便等方
通過上述背景技術(shù)的介紹不難看出
1)采用單純的“電荷積分法”進行光譜分析的發(fā)射光譜儀(例如探測器采用CCD 或是CID或是PD陣列等)，雖然可以達到“全譜直讀”的目的，但是相應(yīng)的“檢測靈敏度”和 “數(shù)據(jù)穩(wěn)定性”會受到相當大的限制，“讀數(shù)精度”和“線性動態(tài)范圍”也會受到一定的影響， 且存在較為嚴重的信號溢出問題。
2)采用單純的“光子計數(shù)法”以掃描的方式進行光譜分析的發(fā)射光譜儀(例如探測器采用PMT或是APD等)，雖然相應(yīng)的“檢測靈敏度”和“數(shù)據(jù)穩(wěn)定性”可以得到大幅提升，“讀數(shù)精度”和“線性動態(tài)范圍”也能得到一定的優(yōu)化，但是無法實現(xiàn)“全譜直讀”，無法擁有“全譜直讀法”的諸多優(yōu)勢。在這以目前市售的“電感耦合等離子體(ICP/Inductively Coupled Plasma)發(fā)射光譜儀”為例分光系統(tǒng)大都采用的是基于“棱鏡”和“中階梯光柵” 組成的二維交叉色散分光裝置；探測器大都采用的是面陣CCD或CID。因此，目前市售的ICP 發(fā)射光譜儀的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在可同時分析多種物質(zhì)成分、可充分利用工作波長范圍內(nèi)的每一條譜線、工作速度快、結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定性好、生產(chǎn)運行成本相對較低以及升級調(diào)校方便等方面；缺點則主要表現(xiàn)在(與采用PMT的發(fā)射光譜儀相比)靈敏度不高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性不好、讀數(shù)精度一般、線性動態(tài)范圍不寬以及易受信號溢出問題的影響等方面。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為構(gòu)思和設(shè)計高靈敏度(低檢出限)、高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、高讀數(shù)精度、大線性動態(tài)范圍并可全譜直讀的發(fā)射光譜儀，提供一種創(chuàng)新性的技術(shù)思路與方案，即一種基于“光子計數(shù)成像探測器”的光子計數(shù)全譜直讀發(fā)射光譜儀。
本發(fā)明的技術(shù)方案
一種光子計數(shù)全譜直讀發(fā)射光譜儀，主要由激發(fā)裝置1、分光系統(tǒng)2、光子計數(shù)成像探測器3以及信息處理及顯示裝置4等部分構(gòu)成
激發(fā)裝置1，用于提供能量激發(fā)樣品以產(chǎn)生特征發(fā)射光譜，并通過入射光學(xué)裝置射入分光系統(tǒng)2 ；
分光系統(tǒng)2，用于將包含特征發(fā)射光譜的入射復(fù)合光色散成光譜強度分布圖像，并通過出射光學(xué)裝置成像于光子計數(shù)成像探測器3的敏感面上；
光子計數(shù)成像探測器3，用于對光譜強度分布圖像進行位敏探測和光子計數(shù)，并以數(shù)字化的方式重構(gòu)光譜強度分布圖像；
信息處理及顯示4，用于接收和處理光子計數(shù)成像探測器3輸出的數(shù)字光譜強度分布圖像，并依據(jù)數(shù)字光譜強度分布圖像中每一像元的位置和光強對樣品進行定性定量分析；
激發(fā)裝置1與分光系統(tǒng)2之間和分光系統(tǒng)2與光子計數(shù)成像探測器3之間主要是通過光學(xué)裝置進行光學(xué)連接；光子計數(shù)成像探測器3與信息處理及顯示4之間主要是通過信號引線進行電子學(xué)連接。
上述的激發(fā)裝置1是一種能夠輸出能量激發(fā)樣品以產(chǎn)生特征發(fā)射光譜的源裝置； 能量載體主要有光輻射、電弧、電火花、熱輻射、等離子體、化學(xué)能、電磁波、聲波以及高能粒子等載體；激發(fā)方式主要有光激發(fā)、電激發(fā)、熱激發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、場激發(fā)以及碰撞激發(fā)等方式。
上述的特征發(fā)射光譜是一種強度分布按波長或頻率呈線狀分布或帶狀分布或連續(xù)分布或上述三種分布任意組合而成的復(fù)合分布的光譜；特征發(fā)射光譜主要包括原子發(fā)射光譜、分子發(fā)射光譜、化學(xué)發(fā)光光譜、生物發(fā)光光譜以及復(fù)合發(fā)射光譜等光譜。
上述的分光系統(tǒng)2是一種能夠?qū)?fù)合光色散成單色光或光譜強度分布圖像的色散分光裝置，可采用一維或是二維的色散分光裝置；相應(yīng)的色散分光方法可采用單一的折射率法、衍射法以及干涉法，或是上述三種方法任意組合而成的交叉色散法。
上述的光子計數(shù)成像探測器3主要由光學(xué)輸入窗、光陰極、MCP、位敏陽極、電子讀出電路以及直流高壓電源等部分構(gòu)成光陰極既可鍍在光學(xué)輸入窗的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成透射式光陰極，也可鍍在第一塊MCP輸入端的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成反射式光陰極；光學(xué)輸入窗與MCP 輸入端之間和MCP輸出端與位敏陽極之間設(shè)有間距；位敏陽極鍍在絕緣襯底上，與電子讀出電路之間通過信號引線進行電子學(xué)連接；直流高壓電源通過高壓引線或?qū)щ婋姌O分別與光陰極、MCP輸入端、MCP輸出端以及位敏陽極進行電連接，為偏置加速電場和MCP提供工作電壓。
進一步，可在光子計數(shù)成像探測器3的MCP輸出端與位敏陽極之間加設(shè)一半導(dǎo)體層，MCP輸出端與半導(dǎo)體層之間設(shè)有間距，半導(dǎo)體層鍍在絕緣襯底上，直流高壓電源通過高壓引線或?qū)щ婋姌O與半導(dǎo)體層進行連接。
進一步，可在激發(fā)裝置1與分光系統(tǒng)2之間、分光系統(tǒng)2與光子計數(shù)成像探測器3 之間以及分光系統(tǒng)2內(nèi)加設(shè)相應(yīng)的光學(xué)裝置，以實現(xiàn)光學(xué)準直、聚焦、變向、分光、減光、濾光、消除雜散光以及光闌限光等光學(xué)功能。
進一步，可在發(fā)射光譜儀內(nèi)加設(shè)相應(yīng)的波長掃描機構(gòu)移動分光系統(tǒng)2的色散分光元件或是移動光子計數(shù)成像探測器3再或是移動其它的光學(xué)元件，從而按照預(yù)設(shè)的波長跨度以分段或分區(qū)域的方式讀取分光系統(tǒng)2輸出的光譜強度分布圖像。
進一步，可加設(shè)讓樣品的物質(zhì)形態(tài)、進樣量、進樣時間、進樣濃度以及其它參量滿足發(fā)射光譜分析要求的前期預(yù)處理和進樣系統(tǒng)。
本發(fā)明的效果
1)由于集成了 “光子計數(shù)法”的優(yōu)點，因此該發(fā)射光譜儀具有檢出限低(靈敏度高)、讀數(shù)精度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好(重復(fù)精度高或重復(fù)誤差小)、線性動態(tài)范圍大以及不受信號溢出問題的影響等優(yōu)點。
2)由于集成了“全譜直讀法”的優(yōu)點，因此該發(fā)射光譜儀具有可同時分析多種物質(zhì)成分、可充分利用工作波長范圍內(nèi)的每一條譜線、工作速度快、結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定性好、生產(chǎn)運行成本相對較低以及升級調(diào)校方便等優(yōu)點。
3)該發(fā)明較好的解決了傳統(tǒng)發(fā)射光譜儀在“全譜直讀”與“檢測靈敏度”、“數(shù)據(jù)穩(wěn)定性”、“讀數(shù)精度”以及“線性動態(tài)范圍”之間不能兩者兼得的技術(shù)難題，在實現(xiàn)“全譜直讀” 的基礎(chǔ)上，提高了發(fā)射光譜儀的“檢測靈敏度”、“數(shù)據(jù)穩(wěn)定性”、“讀數(shù)精度”以及“線性動態(tài)范圍”等技術(shù)指標。


為了更清楚的說明本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中需要使用的附圖作簡單的介紹。顯而易見的，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例。
圖1為光子計數(shù)全譜直讀發(fā)射光譜儀基本結(jié)構(gòu)及工作流程示意圖2為直接讀出方式的“光子計數(shù)成像探測器”基本結(jié)構(gòu)示意圖3為電荷感應(yīng)讀出方式的“光子計數(shù)成像探測器”基本結(jié)構(gòu)示意圖4為基于單一“中階梯光柵”的一維色散分光裝置示意圖5為基于“棱鏡”和“中階梯光柵”組合的二維交叉色散分光裝置示意圖6為不同類型的位敏陽極基本結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標號說明
1-激發(fā)裝置；2-分光系統(tǒng)；3-光子計數(shù)成像探測器；4-信息處理及顯示裝置。
具體實施方式
下面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。
實施例一
如圖1所示，一種光子計數(shù)全譜直讀發(fā)射光譜儀，主要由激發(fā)裝置1、分光系統(tǒng)2、 光子計數(shù)成像探測器3以及信息處理及顯示4等部分構(gòu)成
激發(fā)裝置1是一種能夠輸出能量激發(fā)樣品以產(chǎn)生特征發(fā)射光譜的源裝置；
分光系統(tǒng)2是一種能夠?qū)?fù)合光色散成單色光或光譜強度分布圖像的色散分光裝置；
光子計數(shù)成像探測器3是一種能夠進行位敏探測和光子計數(shù)的圖像傳感器；
信息處理及顯示4用于接收和處理光學(xué)圖像，并將處理分析結(jié)果以各種便于人們或機器理解的圖文形式表達出來；
激發(fā)裝置1與分光系統(tǒng)2之間和分光系統(tǒng)2與光子計數(shù)成像探測器3之間主要是通過光學(xué)裝置進行光學(xué)連接；光子計數(shù)成像探測器3與信息處理及顯示4之間主要是通過信號引線進行電子學(xué)連接。
上述的光子計數(shù)成像探測器3，學(xué)名又稱“陽極探測器”或“多陽極探測器”，主要由光學(xué)輸入窗、光陰極、MCP、位敏陽極、電子讀出電路以及直流高壓電源等部分構(gòu)成，如圖2 所示光陰極既可鍍在光學(xué)輸入窗的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成透射式光陰極(如圖2、圖3所示)，也可鍍在第一塊MCP輸入端的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成反射式光陰極；光學(xué)輸入窗與MCP輸入端之間和MCP輸出端與位敏陽極之間設(shè)有間距；位敏陽極鍍在絕緣襯底上，與電子讀出電路之間通過信號引線進行電子學(xué)連接；直流高壓電源通過高壓引線或?qū)щ婋姌O分別與光陰極、MCP 輸入端、MCP輸出端以及位敏陽極進行電連接，為偏置加速電場和MCP提供工作電壓。
該發(fā)射光譜儀的工作原理和工作流程如下
S100.樣品在激發(fā)裝置1輸出能量的激發(fā)下產(chǎn)生待觀測的特征發(fā)射光譜；
S200.包含特征發(fā)射光譜的復(fù)合光經(jīng)入射光學(xué)裝置射入分光系統(tǒng)2 ；
S300.分光系統(tǒng)2將入射的復(fù)合光色散成光譜強度分布圖像；
S400.光譜強度分布圖像經(jīng)出射光學(xué)裝置成像于光子計數(shù)成像探測器3的敏感面上；
S500.光子計數(shù)成像探測器3通過位敏探測和光子計數(shù)，以數(shù)字化的方式重構(gòu)光譜強度分布圖像；
S600.信息處理及顯示4根據(jù)數(shù)字光譜強度分布圖像中每一像元的位置和光強對樣品進行定性定量分析，并將分析結(jié)果以各種便于人們或機器理解的圖文形式表達出來。
上述步驟S500，即光子計數(shù)成像探測器3的工作原理和工作流程，更具體為
S510.光譜強度分布圖像在時空范疇內(nèi)可看成是由一個接一個不同平面位置處的單個光子組成的光子流，光子流中的每個光子通過光學(xué)輸入窗依次順序轟擊不同位置處的光陰極；
S520.在一定的量子效率下，光陰極通過外光電效應(yīng)將單個的光子轉(zhuǎn)換為單個的光電子；
S530.單個的光電子在加速偏置電場的作用下徑直轟擊MCP，經(jīng)MCP倍增后形成一電子云團；
S540.電子云團在加速偏置電場的作用下渡越到位敏陽極并被位敏陽極所收集；
S550.電子讀出電路根據(jù)位敏陽極上各個金屬導(dǎo)體收集到的電荷量或電子云團到達各個金屬導(dǎo)體計時點的時刻，對電子云團的質(zhì)心位置進行解碼，該質(zhì)心位置便可反演為單個光子的入射位置；
S560.完成單個光子的位置解碼后便在相應(yīng)的位置上進行一次計數(shù)；
S570.在一定的圖像積分時間內(nèi)，通過對大量光子的“位置解碼”和在不同位置上的光子計數(shù)，即反復(fù)循環(huán)步驟S510-S560，便可重構(gòu)光譜強度分布圖像。
實施例二
本實施例與實施例一基本相同，不同之處在于在實施例一所述光子計數(shù)成像探測器3的基礎(chǔ)之上，可在MCP輸出端與位敏陽極之間加設(shè)一半導(dǎo)體層，MCP輸出端與半導(dǎo)體層之間設(shè)有間距，半導(dǎo)體層鍍在絕緣襯底上，直流高壓電源通過高壓引線或?qū)щ婋姌O與半導(dǎo)體層進行電連接(如圖3所示)。此時，上述步驟S540，即位敏陽極收集電子云團的物理過程，演變?yōu)殡娮釉茍F在加速偏置電場的作用下先渡越到半導(dǎo)體層，然后通過電荷感應(yīng)被感應(yīng)到位敏陽極。
實施例三
本實施例與實施例一基本相同，變化之處在于在實施例一所述發(fā)射光譜儀的基礎(chǔ)之上，激發(fā)裝置1可采用不同種類和規(guī)格的源裝置，例如直流電弧、交流電弧、ICP炬、 直流等離子體(DCP/Direct-Current Plasma)噴焰、微波感生等離子體(MI P/Microwave Induced Plasma)炬、輝光放電、激光以及化學(xué)發(fā)光等，由此可派生出多種基于不同激發(fā)裝置1的“光子計數(shù)全譜直讀”發(fā)射光譜儀。
此外，對于自發(fā)輻射(例如生物發(fā)光)和待測樣品為光源來說，可以不需要激發(fā)裝置1，此時的發(fā)射光譜儀演變?yōu)橐煌ㄓ玫墓庾V分析儀。
實施例四
本實施例與實施例一基本相同，變化之處在于在實施例一所述發(fā)射光譜儀的基礎(chǔ)之上，所產(chǎn)生的特征發(fā)射光譜既可以是單一的原子發(fā)射光譜、分子發(fā)射光譜、化學(xué)發(fā)光光譜以及生物發(fā)光光譜等光譜，也可以是由原子發(fā)射光譜、分子發(fā)射光譜、化學(xué)發(fā)光光譜以及生物發(fā)光光譜等眾多光譜任意組合而成的復(fù)合發(fā)射光譜。
實施例五
本實施例與實施例一基本相同，變化之處在于在實施例一所述發(fā)射光譜儀的基礎(chǔ)之上，分光系統(tǒng)2的色散分光元件既可采用單一的折射棱鏡、衍射光柵或是干涉裝置，也可采用上述三種色散分光元部件任意組合而成的交叉色散分光裝置(優(yōu)選為基于“棱鏡” 和“中階梯光柵”組合的二維交叉色散分光裝置)；相應(yīng)的光譜強度分布圖既可以是一維譜圖，也可以是二維譜圖。
圖4顯示的是基于單一“中階梯光柵”的一維色散分光裝置，對應(yīng)的譜圖為一維譜圖；圖5顯示的是基于“棱鏡”和“中階梯光柵”組合的二維交叉色散分光裝置，對應(yīng)的譜圖為二維譜圖。
該實施例說明，只需采用相應(yīng)的色散分光方法，就能使本發(fā)明用于一維或是二維譜圖的分析，包括折射譜圖、衍射譜圖、干涉譜圖以及交叉混合型譜圖等譜圖。
實施例六
本實施例與實施例一和實施例二基本相同，變化之處在于在實施例一或?qū)嵤├霭l(fā)射光譜儀的基礎(chǔ)之上，可采用不同種類、不同類型以及不同規(guī)格的“光子計數(shù)成像探測器3”，以滿足實際應(yīng)用需求。例如應(yīng)用波長范圍、探測靈敏度、空間分辨率、圖像失真度、有效成像面積、最大計數(shù)率以及集成度等實際應(yīng)用需求。
1]根據(jù)應(yīng)用波長范圍，光學(xué)輸入窗的材料可選用微晶玻璃、石英玻璃以及氟化鎂玻璃等。
2]根據(jù)應(yīng)用波長范圍，光陰極可選用Csl、CsTe, S20, S25, Au或者是具有負電子親和勢的半導(dǎo)體光陰極等。對于能量較高的中遠紫外、極紫外乃至X射線可不需要光陰極，此時可由MCP直接完成光電轉(zhuǎn)換和電子倍增雙重功能，相應(yīng)的光學(xué)輸入窗的材料可選用氟化鎂玻璃、鈦、鋁或是鈹?shù)取?br> 3]可采用2塊、3塊甚至是更多數(shù)量的MCP以實現(xiàn)電子倍增功能2塊MCP采用“V” 型級聯(lián)，其電子增益可達IO6-IO7 ；3塊MCP采用“Z”型堆疊，其增益可達IO7-IO8。(MCP工作于“飽和增益”模式)
4]位敏陽極由數(shù)個或是眾多個具有特定幾何形狀或是排列順序的金屬導(dǎo)體構(gòu)成； 金屬導(dǎo)體通常制作在絕緣襯底上，導(dǎo)體之間相互絕緣，導(dǎo)體材料可選用銅、鋁或是金等良導(dǎo)體；絕緣襯底可選用石英玻璃、氧化鋁陶瓷或是其它的絕緣材料；結(jié)構(gòu)類型包括但不限于多陽極微通道陣列(MAMA/Multi-Anode MicroChannel Array)、楔條形陽極(WSA/Wedge and Strip Anodes)、游標陽極(Vernier Anode)、延時線(Delay-line)、交叉條紋(Cross Strip)以及電阻型陽極(Resistive Anode)等，如圖6所示。
5]半導(dǎo)體層通常采用高純多晶鍺或是其它的半導(dǎo)體材料，厚度約數(shù)百納米，方塊電阻100ΜΩ左右；半導(dǎo)體層通常制作在絕緣襯底上，襯底厚度數(shù)個毫米，襯底材料通常采用便于和可閥材料或是銅封接的微晶玻璃、氧化鋁陶瓷或是其它的封接材料。
6]通常將光學(xué)輸入窗、光陰極、MCP以及位敏陽極封裝成一個真空器件，并備有直流高壓輸入接口和信號輸出接口，如圖2所示；或是將光學(xué)輸入窗、光陰極、MCP以及半導(dǎo)體層封裝成一個真空器件，位敏陽極則從真空器件外部以電荷感應(yīng)方式讀出半導(dǎo)體層收集到的電子云團，如圖3所示。
7]電子讀出電路主要由電荷靈敏前置放大器、高斯整形主放、數(shù)據(jù)采集與處理模塊等構(gòu)成。
電荷靈敏前置放大器的作用是實現(xiàn)電荷-電壓或者是電荷-電流轉(zhuǎn)換。當電子增益較大時，電子讀出電路中可以省略掉電荷靈敏前置放大器。
高斯整形主放的作用是對脈沖信號進行準高斯整形以提高信噪比，其實質(zhì)是一個低通濾波電路。
數(shù)據(jù)采集與處理模塊可采用“數(shù)據(jù)采集卡+微處理器”或是“模數(shù)轉(zhuǎn)換+可編程邏輯器件/現(xiàn)場可編程門陣列+數(shù)字信號處理器”再或是其它的模式。
8]直流高壓電源為MCP和各個加速偏置電場提供靜態(tài)工作電壓。
該實施例說明，根據(jù)實際應(yīng)用需求，本發(fā)明可采用不同種類、不同類型以及不同規(guī)格的光子計數(shù)成像探測器3，由此可以派生出多種基于不同“光子計數(shù)成像探測器3”的光子計數(shù)全譜直讀發(fā)射光譜儀。
實施例七
本實施例與實施例一基本相同，不同之處在于在實施例一所述發(fā)射光譜儀的基礎(chǔ)之上，激發(fā)裝置1與分光系統(tǒng)2之間、分光系統(tǒng)2與光子計數(shù)成像探測器3之間以及分光系統(tǒng)2內(nèi)可加設(shè)相應(yīng)的光學(xué)裝置，以實現(xiàn)光學(xué)準直、聚焦、變向、分光、減光、濾光、消除雜散光以及光闌限光等光學(xué)功能。
例如，圖4所示的光路結(jié)構(gòu)在分光系統(tǒng)2之前加設(shè)了入射狹縫和準直透鏡，在分光系統(tǒng)2與光子計數(shù)成像探測器3之間加設(shè)了聚焦透鏡；圖5所示的光路結(jié)構(gòu)在分光系統(tǒng)2 之前加設(shè)了入射狹縫和凹面準直反射鏡，在分光系統(tǒng)2與光子計數(shù)成像探測器3之間加設(shè)了凹面聚焦反射鏡。
實施例八
本實施例與實施例一基本相同，不同之處在于在實施例一所述發(fā)射光譜儀的基礎(chǔ)之上，可加設(shè)相應(yīng)的波長掃描機構(gòu)移動分光系統(tǒng)2的色散分光元件或是移動光子計數(shù)成像探測器3再或是移動其它的光學(xué)元件，從而按照預(yù)設(shè)的波長跨度以分段或分區(qū)域的方式讀取分光系統(tǒng)2輸出的光譜強度分布圖像。
實施例九
本實施例與實施例一基本相同，不同之處在于在實施例一所述發(fā)射光譜儀的基礎(chǔ)之上，可加設(shè)讓樣品的物質(zhì)形態(tài)、進樣量、進樣時間、進樣濃度以及其它參量滿足發(fā)射光譜分析要求的前期預(yù)處理和進樣系統(tǒng)。
例如，提供稀釋劑對氣態(tài)或液態(tài)樣品進行稀釋，提供氧化劑、還原劑或是催化劑使樣品發(fā)生預(yù)期的化學(xué)反應(yīng)，提供載氣或載液輸送氣態(tài)或液態(tài)樣品，等等。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)、基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)和基本原理。在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入本發(fā)明要求保護的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光子計數(shù)全譜直讀發(fā)射光譜儀，其特征在于所述發(fā)射光譜儀主要由激發(fā)裝置 (1)、分光系統(tǒng)O)、光子計數(shù)成像探測器(3)以及信息處理及顯示(4)構(gòu)成；其中，激發(fā)裝置(1)用于提供能量激發(fā)樣品以產(chǎn)生特征發(fā)射光譜，并通過入射光學(xué)裝置射入分光系統(tǒng)O)；分光系統(tǒng)O)，用于將包含特征發(fā)射光譜的入射復(fù)合光色散成光譜強度分布圖像，并通過出射光學(xué)裝置成像于光子計數(shù)成像探測器(3)的敏感面上；光子計數(shù)成像探測器(3)，用于對光譜強度分布圖像進行位敏探測和光子計數(shù)，并以數(shù)字化的方式重構(gòu)光譜強度分布圖像；信息處理及顯示G)，用于接收和處理光子計數(shù)成像探測器C3)輸出的數(shù)字光譜強度分布圖像，并依據(jù)數(shù)字光譜強度分布圖像中每一像元的位置和光強對樣品進行定性定量分析；激發(fā)裝置(1)與分光系統(tǒng)( 之間和分光系統(tǒng)( 與光子計數(shù)成像探測器( 之間通過光學(xué)裝置進行光學(xué)連接；光子計數(shù)成像探測器( 與信息處理及顯示(4)之間通過信號引線進行電子學(xué)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射光譜儀，其特征在于所述的激發(fā)裝置(1)是一種能夠輸出能量激發(fā)樣品以產(chǎn)生特征發(fā)射光譜的源裝置；能量載體包括但不限于光輻射、電弧、電火花、熱輻射、等離子體、化學(xué)能、電磁波、聲波以及高能粒子；激發(fā)方式包括但不限于光激發(fā)、電激發(fā)、熱激發(fā)、化學(xué)反應(yīng)、場激發(fā)以及碰撞激發(fā)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的發(fā)射光譜儀，其特征在于所述的特征發(fā)射光譜是一種強度分布按波長或頻率呈線狀分布或帶狀分布或連續(xù)分布或上述三種分布任意組合而成的復(fù)合分布的光譜；特征發(fā)射光譜包括但不限于原子發(fā)射光譜、分子發(fā)射光譜、化學(xué)發(fā)光光譜、生物發(fā)光光譜以及復(fù)合發(fā)射光譜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射光譜儀，其特征在于所述的分光系統(tǒng)(2)是一種能夠?qū)?fù)合光色散成單色光的色散分光裝置，包括一維或二維的色散分光裝置；相應(yīng)的色散分光方法包括單一的折射率法、衍射法以及干涉法，或是上述三種方法任意組合而成的交叉色散法。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射光譜儀，其特征在于所述的光子計數(shù)成像探測器(3) 主要由光學(xué)輸入窗、光陰極、微通道板(MCP/Microcharmel Plate)、位敏陽極、電子讀出電路以及直流高壓電源構(gòu)成；其中，光陰極能夠鍍在光學(xué)輸入窗的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成透射式光陰極，或是鍍在第一塊 MCP輸入端的內(nèi)側(cè)壁上以構(gòu)成反射式光陰極；光學(xué)輸入窗與MCP輸入端之間和MCP輸出端與位敏陽極之間設(shè)有間距；位敏陽極鍍在絕緣襯底上，與電子讀出電路之間通過信號引線進行電子學(xué)連接；直流高壓電源通過高壓引線或?qū)щ婋姌O分別與光陰極、MCP輸入端、MCP輸出端以及位敏陽極進行電連接，為偏置加速電場和MCP提供工作電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的發(fā)射光譜儀，其特征在于所述的光子計數(shù)成像探測器 (3)能夠在MCP輸出端與位敏陽極之間加設(shè)一半導(dǎo)體層，MCP輸出端與半導(dǎo)體層之間設(shè)有間距，半導(dǎo)體層鍍在絕緣襯底上，直流高壓電源通過高壓引線或?qū)щ婋姌O與半導(dǎo)體層進行電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射光譜儀，其特征在于所述的激發(fā)裝置(1)與分光系統(tǒng) ⑵之間、分光系統(tǒng)⑵與光子計數(shù)成像探測器⑶之間以及分光系統(tǒng)⑵內(nèi)能夠加設(shè)相應(yīng)的光學(xué)裝置，以實現(xiàn)光學(xué)準直、聚焦、變向、分光、減光、濾光、消除雜散光以及光闌限光。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射光譜儀，其特征在于所述發(fā)射光譜儀能夠加設(shè)相應(yīng)的波長掃描機構(gòu)移動分光系統(tǒng)O)的色散分光元件或是移動光子計數(shù)成像探測器(3)，從而按照預(yù)設(shè)的波長跨度以分段或分區(qū)域的方式讀取分光系統(tǒng)( 輸出的光譜強度分布圖像。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射光譜儀，其特征在于所述發(fā)射光譜儀能夠加設(shè)讓樣品的物質(zhì)形態(tài)、進樣量、進樣時間、進樣濃度以及其它參量滿足發(fā)射光譜分析要求的前期預(yù)處理和進樣系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光子計數(shù)全譜直讀發(fā)射光譜儀，主要由激發(fā)裝置、分光系統(tǒng)、光子計數(shù)成像探測器以及信息處理及顯示構(gòu)成激發(fā)裝置提供能量激發(fā)樣品產(chǎn)生特征發(fā)射光譜；分光系統(tǒng)將包含特征發(fā)射光譜的入射復(fù)合光色散成光譜強度分布圖像；光子計數(shù)成像探測器通過位敏探測和光子計數(shù)以數(shù)字化的方式重構(gòu)光譜強度分布圖像；信息處理及顯示根據(jù)數(shù)字光譜強度分布圖像中每一像元的位置和光強對樣品進行定性定量分析。本發(fā)明結(jié)合了光子計數(shù)和“全譜直讀”兩大技術(shù)優(yōu)勢，不僅檢出限低、讀數(shù)精度高、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好以及線性動態(tài)范圍大，還可同時分析多種物質(zhì)成分、可充分利用工作波長范圍內(nèi)的每一條譜線、工作速度快、結(jié)構(gòu)簡單以及運行穩(wěn)定性好。
文檔編號G01J3/443GK102507005SQ201110311399
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月14日
發(fā)明者劉敏敏, 尹延靜, 張利, 張慶, 文敏, 楊萍, 繆震華, 黃濤 申請人:深圳市世紀天源環(huán)保技術(shù)有限公司, 繆震華