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标题:光谱分析基本原理简介(五)

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光谱分析基本原理简介(五)

第五章  光电光谱的测光原理
   
§5—1  光电倍增管
§5—1—1  光电倍增管的基本特性
    测量光谱线的光电元件主要是光电倍增管,作为光能转变为电能的光电元件在测定光谱线强度时的基本特性。
    1.光特性:光特性是指光电流与射入光阴极的光束强度成直线关系:但由于存在着各种二次光电效应等使光电流与光束强度的比例受到影响。在实际工作中希望直线变化的范围大一些。
    2.光谱特性:光电元件的光谱特性是光电流与入射光束波长的关系。光谱特性是很复杂的决定于光阴极的材质。在可见和紫外区应用光电倍增管。

    3.伏安特性:是指光电流与供电电压的关系。
    4.频率特性,是指光电流与入射光束强度变化频率的关系。实际上二次光电现象一般均使光电元件具有一定的惯性。
    5.温度特性:随着温度的升高发生不同的变化这就是光电元件的温度特性。温度升高,使光电流增大,而且使光电元件的光谱特性发生变化,但当增至一定值时光电元件的光电性质将发生急剧变化。
    6.光电元件随着其工作时间长短的变化称老化,也决定光电元件的使用寿命。
    一般我们对光电元件的灵敏度概念:光谱灵敏度和积分灵敏度二种:光谱灵敏度指各不同波长的入射光束产生不同光谱灵敏度,以毫安瓦表示。积分灵敏度指光电元件对射入的所有光束的灵敏度,以毫安/流明表示。
   
§5—1—2  光电倍增管的工作原理
    光电倍增管是基于电子二次发射原理之上的它的积分灵敏度比光电管大多了,从而减小了放大器的线路。其工作原理如下:
   射人光阴极K上的光束,促使电子由光阴极发出,轰击发射极d1, d2, d3…,…直至集电极A发射出光电流Io,各个发射极受到电子轰出以后,放出更多的电子且继续轰发下一个发射极、发射极之间存在着一定的电压。
  
    光电倍增管的供电电压的稳定性对它的放大系数影响很大,电源电压变化1%,则放电系数变化n%,n为光电倍增管的极数,即发射极的数量。为此,对直读光谱分析而言电源稳定性是非常重要的。
    结论:发射极的二次放大系数与其加上的电压成正比。光电倍增管主要质量指标是放大倍数。包括:放大系数的直线性,工作稳定性,结构尺寸等质量指标
    光电直读光谱分析中使用的光电倍增管是多样的,一般使用侧窗式。紫外区尽量使用侧窗式,要求外形尺寸要小。可缩小整个光电光谱仪的体积。
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§5—1—3  光电倍增管的光接线线路和供电
    光电倍增管供电线路见图。各电极之间用分压电阻并联。



§5—1—4  光电倍增管的信号与噪声比
    对光电管和光电倍增管而言,噪声源主要是散粒效应和热效应。光阴极在不同的时间发射出的电子数是不同的,因而引起光电流的起伏,这种物理现象称散粒效应。在室温下电子在导体中仍然保持热运动,这种现象称热效应。
信号与噪声比是光电测量装置的最重要参数,直接决定光电元件能测量的最小光电流
   
§5—1—5  国内常用的光电倍增管
    光电直读光谱仪的工作光谱范围是非常重要的性能。它决定该仪器应用范围。在光谱范围确定之后,工作范围是由接收元件光谱灵敏区所决定的。光电光谱分析谱线一般在160nm--600nm之间,由于短波受到大气和光电元件窗口材料透过率的影响;在长波采用Sb—Csg的光电元件即可满足,在短波处采用石英窗口的Sb—Cs光电元件就可满足。
    光电倍增管需要采用高压直流稳压电源。为了保持光电倍增管灵敏度的稳定性,在工作之前或曝光(积分)之间不工作时,采用小灯泡照明光栅,或直接照射出射狭缝,该灯源称为疲劳灯,疲劳灯的安装应有利于整个仪器装置。

§5—2  测光原理
    激发光源的主电路接通之后,发生高频振荡。被测样品和电极之间产生火花。样品经光源激发而发出的光,经聚光镜聚光后照射到入射狭缝上,通过入缝的光照射到凹面光栅上,经凹面光栅分光后,产生的谱线成象在罗兰园上。在选定的波长位置上安装出射狭缝,使予先选定波长的谱线,通过出射狭缝,照在与其对应的光电倍增管光阴极上。
    光电倍增管在高压电的作用下,进行光电转换,将照在其阴极上的光信号变成电信号----光电流。光电流的强度和光谱线强度成正比。
    由于光电流随时间波动很大,通常不是测量光电流的瞬时值。而是采取积分的办法。在光电倍增管光电流输出的有效时间内,对光电流进行积分,记录光强的平均值。但是有时也需要记录瞬时值,这可由程序进行选择,前者用于分析,后者用于描迹。
    积分,是依靠运算放大器和积分电容构成的密勒积分器实现的。每个光电倍增管都对应一组这种电路。显然,U值不可能无限增长,对于较大光电源,可能很快会达到积分的“饱和”值,使仪器的动态测量范围受到限制。针对这一问题,系统采用了“分段积分”技术。
    通常,模拟开关N1闭合,积分电容c通过放电限流电阻R放电,积分器输出电压u为0V。进入曝光阶段,积分开始,短路控制信号S使N1断开放电电路,光电流i对C充电。进入巡检阶段,每隔lOOms对所有积分器巡回检测一遍,对于U值超过某一预定值(例如5V)的通道,读取这一电压,然后短暂闭合N1,释放C上已积累的电荷,重行积分:若U未达予定值,不读取这一电压,也不放电,仍让其继续积分,如此反复,直至这一电压足够大才读取。当积分到予定时间T(例10秒)时,最后一次巡检,这一次不论积分电压多高,所有积分器的U值全部读取。10秒内巡检100次、所有通道100次积分的结果各自累加,就是最后的积分值。由于把一次积分过程分解为若干段、称之谓“分段积分”技术。
    由于光电倍增管所产生的信号是很微弱的,所以必须放大,利用测量系统对已放大的信号进行测量,任何放大器的原理都是利用获得的小信号变化去控制大信号的变化,从而有可能推动测量仪器进行工作。
    在光电直读光谱仪器中主要应用的是低频弱电放大器,所谓低频就是指声频范围以内的
工作频率。
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