光谱仪参数对测得光谱线特性影响规律的研究

2020-04-18程继宇

安徽电气工程职业技术学院学报 2020年1期

程继宇

(华北电力大学(保定)数理学院，河北保定 071000)

0 引言

近年来，由于光谱仪在资源勘探、生命科学、空间监测等领域的特殊的应用环境的使用需求，要求光谱仪更加自动化、智能化和测量精度更高[1,2]。

在光谱技术的实际应用中，发光体发射的光谱线包含光谱分析的重要信息，如发光体的温度、浓度、微观结构等。但实验所测得的光谱谱线与发光体实际发射的光谱谱线有一定的误差，误差主要起因于采集光谱的周围环境、光谱仪校准、光谱仪参数设置。光谱仪校准后，去除环境的影响，光谱仪参数设置是影响光谱采集效果的关键因素。对于一条谱线来说最重要的就是它的位置、宽度和强度，谱线的位置取决于发光体自身的结构，而对于谱线宽度和强度这两个参数，除和发光体有关外，还和光谱采集条件相关。本文主要从实验和理论上分析讨论光谱仪入射和出射狭缝宽度、倍增管电压对测得光谱谱线宽度和强度的影响[3～5]。

1 光谱仪入射狭缝对测得谱线的影响

光栅光谱仪由入射狭缝b1、准直球面反射镜M1、光栅G、聚焦球面反射镜M2以及出射狭缝b2构成。光栅相邻刻线的间距d称为光栅常数，入射光由于产生了光程差从而产生衍射，光栅方程将衍射角和入射角通过光栅常数d联系起来，入射光波长λ，衍射级次为n。复色入射光进入狭缝b1后，经M1变成复色平行光照射到光栅G上，经光栅色散后，形成不同波长的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2将照射到它上面的某一波长的光聚焦在出射狭缝b2上，再由b2后面的电光探测器记录该波长的光强度。当光栅旋转时，不同波长的光信号依次聚焦到出射狭缝上，光栅光谱仪光电探测器记录不同光栅旋转角度(不同的角度代表不同的波长)时的输出光信号强度，光栅光谱仪即记录下光谱。

光栅光谱仪原理图和闪耀光栅反射光线光路图如图1(a)、(b)、(c)所示：

图1 光谱仪原理图和闪耀光栅反射图

图中，b1是入射狭缝，b2是出射狭缝，G是闪耀光栅。从图(a)可以看到，光谱仪由入射狭缝、岀射狭缝、射镜、耀光栅组成。由图(b)可以看出光由入射狭缝入射，经凹面镜M1反射到闪耀光栅上，分光后，再由凹面镜M2反射到岀射狭缝，进入光电倍增管，再通过信号转换为电信号并放大，由电脑平台记录数据。

研究入射狭缝对采集光谱线宽影响时，为讨论入射狭缝宽度和谱线宽度的关系，此时衍射角设为定值。

根据图(c)，闪耀光栅的光栅方程：

d(sinα-sinβ)=kλ

(1)

d为光栅常数，α、β分别为入射角、衍射角，k为衍射级次，λ为衍射光波长。对某级次的衍射光，对方程(1)两边求微分，可以得到[6]：

d·cosα·Δα=kΔλ

(2)

上式α为由于入射狭缝具有一定宽度，导致光线入射角的变化区间。入射角的不确定性，引起谱线的展宽。由于入射狭缝位于凹面镜焦平面上，所以有：

(3)

将(3)式代入(2)式，得：

(4)

(4)式说明，由于光谱仪入射狭缝具有一定的宽度而引起入射角有一取值区间时，会影响测得谱线的宽度，并且狭缝宽度和测得谱线宽度应是成正比的。

图2为出射狭缝宽度0.5mm，倍增管电压不变的条件下。实验测得的谱线宽度随光谱仪入射狭缝宽度变化的数据点，对数据用最小二乘法进行线性拟合，结果如图2中所示。

图2 光谱仪入射狭缝宽度对谱线宽度的影响

从拟合成的线性函数图像来看，首先入射狭缝宽度和测得谱线宽度成线性关系；其次入射狭缝宽度为0时的截距为0.2655nm，其物理意义是当入射狭缝宽度近似为0时，入射狭缝宽度对谱线宽度的影响可忽略，其他因素如出射狭缝等所引起的谱线宽度为0.2655nm。

研究出射狭缝对光谱谱线宽度的影响的思路，和研究入射狭缝宽度对测得光谱谱线宽度的影响的思路是一样的。

利用(1)式和(4)式，可得出射狭缝与测得谱线宽度的关系：

(5)

此式说明，当出射狭缝具有一定的宽度时，会引起出射光线有一定角度偏差，进一步影响测得谱线的宽度，并且狭缝宽度和测得谱线宽度应是成正比的。

图3为固定入射狭缝宽度为0.5mm，倍增管电压不变的条件下，实验测得的谱线宽度随光谱仪出射狭缝宽度变化的数据点，对数据用最小二乘法进行线性拟合，结果如图3中所示，同样成线性关系，实验结果与理论符合的较好。

图3 光谱仪出射狭缝宽度对谱线宽度的影响

2 倍增管电压对测得谱线强度的影响

从原理上说，光电倍增管是实现把微弱的光信号转变为电信号的真空光电探测器件，从组成上说，其包括依附于输入光窗内面的光电阴极、单极或多级电子倍增系统以及接收信号的阳极。原理是光电倍增管实现微弱光信号与电信号之间的转变收放，其在微光探测领域扮演着重要的角色，超高的电子增益实现了光电倍增管成为低噪声放大器的理想化：尤其是微通道板光电倍增管，具有响应时间快的特点，以至于其响应时间达到了皮秒量级，所以，它也可以是一种优良的宽频带放大器，而光电倍增管还具有特殊的不可替代的特异性能，例如甚至在170摄氏度到200摄氏度的工作环境中，高温双碱阴极的光电倍增管仍然可以正常工作[7,8]。在光谱仪的应用中，倍增管起到重要的作用。其阴极、阳极材料、量子效率等都已经确定，可调节参数是倍增管电压。由(4)、(5)式可知，当k确定时，能够影响测得谱线宽度的仅仅是入射、出射狭缝宽度，当入射和出射狭缝宽度固定时，谱线宽度应当不变。也就是说，倍增管不会改变测得谱线的宽度。固定入、出射狭缝宽度均为1mm，改变倍增管电压，测量谱线宽度和强度随倍增管电压的变化。结果显示，谱线宽度不变，谱线强度随倍增管电压变化的数据如图4所示。其中谱线强度以谱线图像中谱线峰所围面积表示。

图4 光电倍增管电压和谱线强度

测量结果显示，随倍增管电压升高，谱线强度增大；电压>450V时，曲线趋于平滑。

从本质上说，光电倍增管属于一种真空器件，拥有如图5中的结构。

图5 光电倍增器结构示意图

其组成包括光电发射阴极和聚焦电板、电子倍增极以及电子收集极[9]。当光线照射至光阴极时，光阴极由此对真空中激发出光电子。而后，光电子从聚焦极电场进至倍增系统，之后经过第二次发射得到倍增放大。而后对被放大的光电子在阳极进行收集[5,9,10]。倍增后的光电子在阳极收集后，输出光电流，最后在负载RL上产生信号电压[10]。

现有的主要研究内容大多关于光电倍增管的光谱响应度和电流放大倍数(增益)两大基本特性，本文主要讨论电流放大倍数特性的定量分析。

2.1 光谱响应度

光谱响应表示对不同波长入射光能转换成电能的能力，其单位为A/W。

光电倍增管的阴极电流光谱响应度为[11]:

(6)

I=ηnq

(7)

(8)

将(7)、(8)二式代入(6)式，得：

(9)

式中η是量子效率，表示输出的光电流与入射光子流之比；p(λ)是波长为λ的光的入射光功率，q为电子电荷量。

2.2 电流增益

光电倍增管使电流产生增益的工作原理便是电子流的撞击倍增。由光阴极发射出的光电子经过电场的加速后撞击第一倍增极，而后实现电子二次发射，以达到产生多于光电子数量电子流的目的。而经过二次发射的电子流经加速后撞击下一倍增极，实现第二次的二次电子发射。在经过数次重复循环该过程后，一直到最末端倍增极的二次发射电子流在阳极被收集，电流也就实现了放大倍增的目标。即光电倍增管光阴极产生的极其微弱的光电子电流被放大倍增成很大的阳极输出电流。

光电倍增管阳极输出电流与光阴极光电子电流之比叫做电流增益。在不考虑其余因素的理想条件下，其具备n个倍增极，光电倍增管的电流增益为α，各个倍增极平均二次电子发射率为δ。则二次电子发射率为：

δ=AUα

(10)

其中，A是一常数，U是极间电压，α是由倍增管材料和几何结构决定的一个系数，其值通常处于0.7到0.8之间。

则可以得知，在入射单色光波长不变，倍增管各性质不变，光谱仪出射、入射狭缝宽度不变时，谱线强度E和δn成正比，即与Unα成正比，即：

E=C·Unα

(11)

拟合图4中实验数据，结果如图6所示。当倍增管电压U<450V时,实验和理论符合得很好。由此分析，当倍增管电压>450V时，一些光阴极产生的光电流饱和，使得曲线未能呈幂指数增长，而是呈一种缓慢增长，形成近乎水平的曲线的情况。