光辐射测量原理与技术——单色仪和摄谱仪

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。

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。

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。

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。

光谱仪简介一、光谱仪光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用。

无论是穿透吸收光谱，还是荧光光谱，拉曼光谱，如何获得单波长辐射是不可缺少的手段。

由于现代单色仪可具有很宽的光谱范围（UV- IR），高光谱分辨率（到0.001nm）,自动波长扫描，完整的电脑控制功能极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统，使用电脑自动扫描多光栅单色仪已成为光谱研究的首选。

当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长（颜色）。

利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝。

通过电脑控制可精确地改变出射波长。

光栅基础光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。

为更好协助各位使用者选择，在此做一简要介绍。

光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。

刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成；复制光栅是用母光栅复制而成。

典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。

全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。

全息光栅通常包括正弦刻槽。

刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可作到高光谱分辨率。

如何选择光栅选择光栅主要考虑如下因素：1、闪耀波长，闪耀波长为光栅最大衍射效率点，因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。

如实验为可见光范围，可选择闪耀波长为500nm。

2、光栅刻线，光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率，刻线多光谱分辨率高，刻线少光谱覆盖范围宽，两者要根据实验灵活选择。

3、光栅效率，光栅效率是衍射到给定级次的单色光与入射单色光的比值。

光栅效率愈高，信号损失愈小。

为提高此效率，除提高光栅制作工艺外，还采用特殊镀膜，提高反射效率。

光栅方程反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽，一系列平行刻槽的间隔与波长相当，光栅表面涂上一层高反射率金属膜。

光栅沟槽表面反射的辐射相互作用产生衍射和干涉。

自制光谱仪用光盘自制光谱仪, 所需材料只要一片光盘, 一只纸盒而已. CD数据一面用肉眼直接观看五彩缤纷. 这是因为CD的数据轨道非常致密, 可用作衍射光栅. 但由于各个方向的光线混杂在一起, 所以看不到光谱. 不过我们只要在前面装一个狭缝就是一台简易光谱仪. 虽然离专业光谱仪有很大差距, 但是作为科普工具人人可做, 对普及一些物理知识还是很有用的. 这还是个很好的玩具.自制光谱仪结构如下: 纸盒一侧开一条水平狭缝, CD倾斜60度左右斜插在另一边, 从纸盒上方开口观看. 注意看到的应该不是狭缝的镜像, 而是光谱. 狭缝要不宽不窄, 太宽谱线模糊, 太窄亮度不足. 我用0.2mm左右, 大家试验决定. 用多种CD试验发现 (1)可写光盘CD-R比普通CD光谱亮一些. CD-R牌子不同亮度也不一样. 把CD翻过来看哪个最绚丽即可. 写过和没写过的CD-R区别不大. (2)上面的角度不适用于DVD.光谱哪里来? 中学物理里学过:1. 稠密物质, 包括高压气体和等离子体, 按黑体辐射发出连续光谱.2. 低压气体发出离散亮谱线, 亮度随气体温度升高而增加.3. 具有连续光谱的光线通过低压气体, 对应2)中位置出现离散黑线.好了,下面让我们看看日常生活中的光谱. 所有照片由作者用尼康995数字相机拍摄. (1) 和天文密切相关的首推太阳光谱. 太阳是黑体辐射, 所以太阳光谱主要是连续谱, 但是上面有黑线, 即著名的夫琅和费线(Fraunhofer lines). 它们是光线通过太阳表面大气和地球大气被选择性吸收而形成的. 这光谱仪虽然简单,但是(1c, 1d)照片里也能看见数条黑线: 深红色里的C(氢H-alpha, 656nm), 桔黄色里的D(钠,589nm), 绿色里的E(铁,527nm)和b1,b2(镁,518nm), 天蓝色里的F(氢H-beta, 486nm), 紫色里的G(铁和钙, 431nm). 有趣的是中午的阳光和太阳落山时的阳光光谱不同! 对比(1c)和(1d), 我们发现红色里多了一条a(地球氧气分子,628nm). 这是因为太阳仰角低时, 阳光经过更多的地球大气, 有些地球分子吸收线就表露了出来. C线和D线下面也出现了新的吸收带.(2) 白炽灯是普通灯泡, 钨丝加热发光, 按黑体辐射发出连续光谱, 所以从红到紫一片连续, 和太阳光谱相比少了那些黑线. (图中黄色不明显, 可能是数字相机对黄谱段不敏感). 卤钨灯(tungsten halogen lamp)发光原理和白炽灯相似, 光谱也是连续的.(3) 日光灯发光分两步: 首先水银蒸汽被激发主要发出紫外线, 然后管壁上的荧光粉将紫外线转化为宽谱可见光. 所以日光灯在连续背景上有亮水银谱线, 以绿色的546nm最显著.(4) 桔黄色的高压钠灯被广泛用于晚间照明. 有趣的是它的光谱也会变化! 如果你看刚刚点亮的高压钠灯, 会看到几条亮线, 其中有黄色的钠发射谱线(589nm) (4c). 但是若干秒后随着灯越来越亮, 黄色慢慢变宽, 中心出现细黑线(4d, 4e). 等高压钠灯稳定发光后,灯泡内缘充满相对较冷的钠蒸汽, 强烈吸收谱线. 所以此时黄色位置由亮线变成很粗的黑线(4f,4b). (4c--f)拍摄参数完全一样.(5) 计算机CRT显示器白色屏幕的光谱. 红色是离散谱线, 但绿,蓝则是连续光谱.(6) 笔记本电脑液晶显示屏和CRT显示器发光原理显然不同.(7) 红色发光二极管在红色部分发出连续光谱.(8) 接线板红色指示灯是氖气(neon)发光. 发出许多条红色, 桔红色的离散亮谱线.(9) 绿色夜灯就是一层荧光粉, 电致发光发出连续光谱.(10) 节能灯(又称紧凑型日光灯, compact fluorescent light)和普通日光灯(3)发光原理类似, 但它采用新型三色荧光粉, 而非普通的宽谱白色荧光粉. 光谱仪下连续谱不见了,代之以各种颜色的谱线.(11) 这种绿,紫色霓虹灯光谱主要是荧光粉不同.(12) 这张照片摄于2004年10月27日月食开始前. 光谱仪手持于20cm反射镜的目镜后面. 因为月光就是反射的太阳光, 所以光谱和太阳光谱类似: 连续背景上有黑色夫琅和费吸收线(1).(13) 蜡烛发出连续谱. 不过我用的蜡烛和火柴在刚刚点燃的时候还有黄色的钠线, 几秒之后消失. 用铅丝蘸食盐燃烧则黄色钠线很明显, 来源自然是氯化钠里的钠. 钠应该是双线, 这个光谱仪分辨不出.(14) 金属卤化物灯是高压水银灯的变种. 谱线十分复杂.(15) 蓝色霓虹灯不知是氩和水银, 还是有荧光粉在里面. 红色霓虹灯光谱明显的是氖(neon), 和(8)一样.(未完待续)光谱仪spectrometer又称分光仪。

CCD光电直读光谱仪原理及技术CCD光电直读光谱仪是一种常用的光学仪器,用于测量物质的光谱。

它利用光的波长与色散原理，将光分散成不同波长的光，并利用光电二极管（CCD）进行信号检测和转换。

下面我们将具体介绍CCD光电直读光谱仪的工作原理和相关技术。

CCD光电直读光谱仪的原理是利用玻璃棱镜或光栅对入射光进行色散，将入射光按照波长排序，然后通过光电二极管（CCD）进行光信号的检测和转换。

具体来说，光学信号首先通过入射光狭缝，进入光栅或玻璃棱镜。

光栅或玻璃棱镜对光进行色散，将不同波长的光分散成不同的角度，然后通过焦点之后的成像透镜，将色散后的光线聚焦在CCD上。

CCD是一种半导体材料，具有光电转换功能。

在CCD上，有一系列的光敏电荷位，当光射到CCD上时，会产生电子-空穴对，使得光的能量转化为电能。

这些光敏电荷位上的电荷通过电路传输到电荷耦合器件（CCD），然后通过模数转换器转换为数字信号。

最后，这些数字信号被发送到计算机或其他数据采集系统进行数据处理和光谱图像的生成。

CCD光电直读光谱仪的技术主要包括光源、光栅、透射图形、控制和信号处理等方面。

光源是光谱仪的关键部分，常用的光源包括氘灯、氙灯、钨灯等。

光栅是实现光的色散的重要元件，其线密度和光谱分辨率直接影响光谱仪的性能。

透射图形是光谱的图形展示，可以根据实际需要选择不同的透射图形，如线状、柱状、曲线状等。

控制和信号处理方面的技术包括仪器的控制系统、数据采集和处理软件等，它们能够实现光谱仪的自动化、高效化和精确度的提高。

总之，CCD光电直读光谱仪通过光学原理和CCD技术实现光信号的检测和转换，可以用于测量不同波长的光谱。

它具有快速、高分辨率、高灵敏度和可靠性的优势，在生物医学、环境监测、材料分析等领域有广泛的应用。

希望以上的介绍能够帮助大家更好地了解CCD光电直读光谱仪的原理及技术。

直读光谱仪操作手册第一章光电光谱分析的基本原理一、 光谱分析简介1、电磁辐射的基本特征光谱是按照波长（或波数、频率）顺序排列的电磁辐射。

天空的彩虹、自然界的极光等均是人们早期观察到的光谱，但它们仅是电磁辐射的很小的一部分可见光谱。

还有大量的不能被人们直接看到的和感觉到的光谱，如γ射线、x射线、紫外线、红外线、微波及无线电波等，这些也都是电磁辐射，它们只是频率或波长不同而已。

电磁辐射实际是一种以巨大速度通过空间而传播的能量（光量子流），具有波动性和微粒性。

就波动性而言，电磁辐射在空间的传播具有波的性质，如同声波、水波的传播一样，可以用速度、频率、波长和振幅这样一些参数来描述，并且传播时不用任何介质，且易于通过真空。

在真空中所有电磁辐射的速度相同，常用光速（c）来表示，c的数值为：2.99792*103米/秒。

在一定的介质中，它们之间的关系为δ＝V/C=1/λ式中：V-------频率，单位时间内的波数；λ…………波长，为沿波的传播方向、相邻两个波间相位相同的两点之间的距离；δ…………波数，单位长度内波长的个数。

C是光速。

就电磁辐射的微粒性来说，每个光量子均有其特征的能量ε，它们与波长或频率之间的关系可以用普朗克（Planck）公式表示：ε＝hv＝h（c/λ）波长是相邻间相位相同的两点之间的距离式中：h是普朗克常数，其值为6.626*10-34 焦耳/秒2、电磁波谱区域电磁辐射按波长顺序排列称磁波谱。

他们是物质内部运动的一种客观反映，也就是说任一波长的光量子的能量ε与物质的内能变化△E=E2-E1=ε＝hv＝h（c/λ）如果已知物质由一种状态，E2过渡到另一种状态E1时，其能量差为△E=E2-E1便可按照公式计算出相应的光量子的波长。

下表列出了各辐射区域、波长范围及相应的能及跃迁类型。

对于成分分析主要应用近紫外及可见光区。

表一电磁波谱区域辐射区域波长范围跃迁类型γ射线区5－140皮米核能级跃迁Х射线区0.01－10.0纳米内层电子能跃迁远紫外区10－200纳米原子及分子近紫外区200－380纳米外层电子可见区380－780纳米能级跃迁近红外区0.78－3微米分子振动中红外区3－30微米能级跃迁远红外区30－300微米分子转动能级跃迁微波区0.3毫米－1米电子自旋和核子旋射频区1－1000米能级跃迁注：1米＝103毫米＝106微米＝109纳米＝1012皮米3、光谱分析内容光谱分析是根据物质的特征光谱来研究化学组成、结构和存在状态的一类分析领域。

光谱『spectrum』光谱是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。

光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。

光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。

光波是由原子内部运动的电子产生的．各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同．研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，已成为一门专门的学科——光谱学．下面简单介绍一些关于光谱的知识．分光镜观察光谱要用分光镜，这里我们先讲一下分光镜的构造原理．图6-18是分光镜的构造原理示意图．它是由平行光管A、三棱镜P和望远镜筒B组成的．平行光管A 的前方有一个宽度可以调节的狭缝S，它位于透镜L1的焦平面①处．从狭缝射入的光线经透镜L1折射后，变成平行光线射到三棱镜P上．不同颜色的光经过三棱镜沿不同的折射方向射出，并在透镜L2后方的焦平面MN上分别会聚成不同颜色的像（谱线）．通过望远镜筒B的目镜L3，就看到了放大的光谱像．如果在MN那里放上照相底片，就可以摄下光谱的像．具有这种装置的光谱仪器叫做摄谱仪．种类发射光谱物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱．发射光谱有两种类型：连续光谱[1]和明线光谱．连续分布的包含有从红光到紫光各种色光的光谱叫做连续光谱（彩图6）．炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱．例如电灯丝发出的光、炽热的钢水发出的光都形成连续光谱．只含有一些不连续的亮线的光谱叫做明线光谱（彩图7）．明线光谱中的亮线叫做谱线，各条谱线对应于不同波长的光．稀薄气体或金属的蒸气的发射光谱是明线光谱．明线光谱是由游离状态的原子发射的，所以也叫原子光谱．观察气体的原子光谱，可以使用光谱管（图6-19），它是一支中间比较细的封闭的玻璃管，里面装有低压气体，管的两端有两个电极．把两个电极接到高压电源上，管里稀薄气体发生辉光放电，产生一定颜色的光．观察固态或液态物质的原子光谱，可以把它们放到煤气灯的火焰或电弧中去烧，使它们气化后发光，就可以从分光镜中看到它们的明线光谱．实验证明，原子不同，发射的明线光谱也不同，每种元素的原子都有一定的明线光谱．彩图7就是几种元素的明线光谱．每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光，因此，明线光谱的谱线叫做原子的特征谱线．利用原子的特征谱线可以鉴别物质和研究原子的结构．吸收光谱高温物体发出的白光（其中包含连续分布的一切波长的光）通过物质时，某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。