專利名稱：一種光子計數(shù)全譜直讀吸收光譜儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種全新的吸收光譜儀，即一種基于“光子計數(shù)成像探測器”的光子計數(shù)全譜直讀吸收光譜儀。
本發(fā)明特別適用于原子(元素)、分子、離子以及其它物質成分的痕量或超痕量分析，可廣泛的應用于環(huán)境監(jiān)測、食品安全、生物光學、冶金化工、地質勘探以及醫(yī)藥衛(wèi)生等眾多行業(yè)與學科技術領域。
背景技術：
吸收光譜法是利用物質(包括原子、分子、離子以及其它物質)對某一波長范圍內的吸收作用，對物質進行定性、定量以及結構分析，所依據(jù)的光譜是物質吸收入射光中特定波長的光而產生的特征吸收光譜。
按照所使用探測器的類型及其信號處理方式的不同，吸收光譜儀可分為“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)吸收光譜儀采用較多的一種方法。相應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/Ava lanche 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)的吸收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，相應的輻射通量下限也非常低，通常可達到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，評價一臺吸收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”(重復精度或重復誤差)、“讀數(shù)精度”以及“線性動態(tài)范圍”等技術指標。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，即重復精度更高、重復誤差更小。
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，因此可相應的降低吸收光譜儀的生產運行成本。
根據(jù)是否設置波長掃描機構，吸收光譜儀又可分為“掃描法”與“全譜直讀法”兩種
1)掃描法需要設置波長掃描機構以掃描的方式“順序”探測光譜強度分布，這也是傳統(tǒng)吸收光譜儀采用較多的一種方法。相應的探測器以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便可直接“同時”探測光譜強度分布，相應的探測器以CCD、CID、PDA以及其它的“面陣(或線陣)，，探測器為典型代表。
波長掃描機構中步進電機和光學系統(tǒng)的成本是與其精密程度呈指數(shù)關系增長的， 且波長掃描機構越精密，其運行穩(wěn)定性越差。故相對于掃描法來說，采用全譜直讀法的吸收光譜儀的優(yōu)勢體現(xiàn)在可同時分析多種物質成分、可充分利用工作波長范圍內的每一條譜線、工作速度快、結構簡單、運行穩(wěn)定性好、生產運行成本相對較低以及升級調校方便等方
通過上述背景技術的介紹不難看出
1)采用單純的“電荷積分法”進行光譜分析的吸收光譜儀(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吸收光譜儀(例如探測器采用PMT或是APD等)，雖然相應的“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5“全譜直讀法”的諸多優(yōu)勢。
在這以傳統(tǒng)的“原子吸收光譜儀”為例，其光源大都采用的是銳線光源，如空心陰極燈，又稱元素燈；分光系統(tǒng)大都采用的是基于單一衍射光柵的一維色散分光裝置，另外加設波長掃描機構；探測器大都采用的是PMT。故傳統(tǒng)的“原子吸收光譜儀”的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在靈敏度方面，即靈敏度高(檢出限低)；如果采用了“光子計數(shù)法”，還具有數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好、 讀數(shù)精度高、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；缺點是不能“全譜直讀”，即不能同時分析多種物質成分、不能充分利用工作波長范圍內的每一條譜線、工作速度慢、結構復雜、運行穩(wěn)定性較差(不適用于工況環(huán)境惡劣的現(xiàn)場檢測和在線監(jiān)測)、生產運行成本相對較高以及升級調校繁瑣等缺點。發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為構思和設計高靈敏度(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吸收光譜儀，包括原子吸收光譜儀、分子吸收光譜儀、 離子吸收光譜儀以及其它吸收光譜儀，提供一種創(chuàng)新性的技術思路與方案，即一種基于“連續(xù)光源”和“光子計數(shù)成像探測器”的光子計數(shù)全譜直讀吸收光譜儀。
本發(fā)明的技術方案一種光子計數(shù)全譜直讀吸收光譜儀，主要由連續(xù)光源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等部分構成。
連續(xù)光源1，用于提供光能與樣品發(fā)生作用以產生特征吸收光譜，并通過入射光學裝置射入分光系統(tǒng)2 ；
分光系統(tǒng)2，用于將包含特征吸收光譜的入射復合光色散成光譜強度分布圖像，并通過出射光學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；
連續(xù)光源1與樣品之間、樣品與分光系統(tǒng)2之間以及分光系統(tǒng)2與光子計數(shù)成像探測器3之間主要是通過光學裝置進行光學連接；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連接。
上述的連續(xù)光源1是一種能夠提供波長連續(xù)分布光輸出的光源裝置。
上述的分光系統(tǒng)2是一種能夠將復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。
上述的特征吸收光譜是一種波長強度分布呈連續(xù)分布或離散分布或由連續(xù)和離散組合而成的復合分布的光譜；特征吸收光譜包括但不限于原子吸收光譜、分子吸收光譜、 離子吸收光譜以及復合吸收光譜等光譜。
上述的光子計數(shù)成像探測器3主要由光學輸入窗、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成光陰極既可鍍在光學輸入窗的內
側壁上以構成透射式光陰極，也可鍍在第一塊MCP輸入端的內側壁上以構成反射式光陰極；光學輸入窗與MCP輸入端之間和MCP輸出端與位敏陽極之間設有間距；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連接；直流高壓電源通過高壓引線或導電電極分別與光陰極、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一半導體層，MCP輸出端與半導體層之間設有間距，半導體層鍍在絕緣襯底上，直流高壓電源通過高壓引線或導電電極與半導體層進行連接。
進一步，可在連續(xù)光源1與樣品之間、樣品與分光系統(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內加設相應的光學裝置，以實現(xiàn)光學準直、聚焦、變向、分光、減光、濾波、消除雜散光以及光闌限光等光學功能。
進一步，可在吸收光譜儀內加設相應的波長掃描機構移動分光系統(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元件，從而按照預設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，可加設讓樣品的物質形態(tài)、進樣量、進樣時間、進樣濃度以及其它參量滿足吸收光譜分析要求的前期預處理和進樣系統(tǒng)。
本發(fā)明的效果
1)由于集成了 “光子計數(shù)法”的優(yōu)點，因此該吸收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(重復精度高或重復誤差小)、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，因此該吸收光譜儀具有可同時分析多種物質成分、可充分利用工作波長范圍內的每一條譜線、工作速度快、結構簡單、運行穩(wěn)定性好、生產運行成本相對較低以及升級調校方便等優(yōu)點。
3)該發(fā)明較好的解決了傳統(tǒng)吸收光譜儀在“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難題，在實現(xiàn)“全譜直讀” 的基礎上，提高了吸收光譜儀的“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”等技術指標。


為了更清楚的說明本發(fā)明實施例中的技術方案，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)全譜直讀吸收光譜儀基本結構及工作流程示意圖2為直接讀出方式的“光子計數(shù)成像探測器”基本結構示意圖3為電荷感應讀出方式的“光子計數(shù)成像探測器”基本結構示意圖4為由“雙棱鏡”組成的交叉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構示意圖。
附圖標號說明
1連續(xù)光源；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。
具體實施方式
下面結合具體圖示，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)全譜直讀吸收光譜儀，主要由連續(xù)光源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等部分構成
連續(xù)光源1是一種能夠提供波長連續(xù)分布光輸出的光源裝置；
分光系統(tǒng)2是一種能夠將復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圖像，并將處理分析結果以各種便于人們或機器理解的圖文形式表達出來；
連續(xù)光源1與樣品之間、樣品與分光系統(tǒng)2之間以及分光系統(tǒng)2與光子計數(shù)成像探測器3之間主要是通過光學裝置進行光學連接；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連接。
上述的光子計數(shù)成像探測器3，學名又稱“陽極探測器”或“多陽極探測器”，主要由光學輸入窗、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成，如圖2 所示光陰極既可鍍在光學輸入窗的內側壁上以構成透射式光陰極(如圖2、圖3所示)，也可鍍在第一塊MCP輸入端的內側壁上以構成反射式光陰極；光學輸入窗與MCP輸入端之間和MCP輸出端與位敏陽極之間設有間距；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連接；直流高壓電源通過高壓引線或導電電極分別與光陰極、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。
該吸收光譜儀的工作原理和工作流程如下
S100.樣品在連續(xù)光源1的作用下產生待觀測的特征吸收光譜；
S200.包含特征吸收光譜的復合光經入射光學裝置射入分光系統(tǒng)2 ；
S300.分光系統(tǒng)2將入射的復合光色散成光譜強度分布圖像；
S400.光譜強度分布圖像經出射光學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將單個的光子轉換為單個的光電子；
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體收集到的電荷量或電子云團到達各個金屬導體計時點的時刻，對電子云團的質心位置進行解碼，該質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的位置上進行一次計數(shù)；
S570.在一定的圖像積分時間內，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)，即反復循環(huán)步驟S510-S560，便可重構光譜強度分布圖像。
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的基礎之上，可在MCP輸出端與位敏陽極之間加設一半導體層，MCP 輸出端與半導體層之間設有間距，半導體層鍍在絕緣襯底上，直流高壓電源通過高壓引線或導電電極與半導體層進行電連接(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體層，然后通過電荷感應被感應到位敏陽極。
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吸收光譜儀的基礎之上，連續(xù)光源1輸出的光波長范圍既可以是單一的紫外或可見光波段，也可以是紫外-可見光、可見光-近紅外以及紫外-近紅外等復合波段。該實施例說明本發(fā)明可用于多種不同波長范圍或波段內的吸收光譜分析。
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吸收光譜儀的基礎之上，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)；相應的光譜強度分布圖既可以是一維譜圖，也可以是二維譜圖。
例如，圖4顯示的是由“雙棱鏡”組成的交叉色散分光裝置；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，對應的譜圖為二維譜圖。
該實施例說明，只需采用相應的色散分光方法，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吸收光譜儀的基礎之上，連續(xù)光源1與樣品相互作用產生的特征吸收光譜既可以是單一的原子吸收光譜、 分子吸收光譜以及離子吸收光譜等光譜，也可以是由原子吸收光譜、分子吸收光譜以及離子吸收光譜等眾多光譜任意組合而成的混合吸收光譜。
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實施例二所述吸收光譜儀的基礎之上，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”，以滿足實際應用需求。例如應用波長范圍、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用需求。
1]根據(jù)應用波長范圍，光學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直接完成光電轉換和電子倍增雙重功能，相應的光學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體構成； 金屬導體通常制作在絕緣襯底上，導體之間相互絕緣，導體材料可選用銅、鋁或是金等良導體；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；結構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]半導體層通常采用高純多晶鍺或是其它的半導體材料，厚度約數(shù)百納米，方塊電阻100ΜΩ左右；半導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；或是將光學輸入窗、光陰極、MCP以及半導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方式讀出半導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)全譜直讀吸收光譜儀。
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吸收光譜儀的基礎之上，連續(xù)光源1與樣品之間、樣品與分光系統(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內可加設相應的光學裝置，以實現(xiàn)光學準直、聚焦、變向、分光、減光、濾波、消除雜散光以及光闌限光等光學功能。1
例如，圖4所示的光路結構在分光系統(tǒng)2之前加設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之間加設了聚焦透鏡；圖5所示的光路結構在分光系統(tǒng)2 之前加設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吸收光譜儀的基礎之上，可加設相應的波長掃描機構移動分光系統(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元件，從而按照預設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吸收光譜儀的基礎之上，可加設讓樣品的物質形態(tài)、進樣量、進樣時間、進樣濃度以及其它參量滿足吸收光譜分析要求的前期預處理和進樣系統(tǒng)。
例如，對于原子吸收光譜儀來說，需加設原子化裝置以提供能量使待測樣品干燥、 蒸發(fā)并原子化，可采用的方法主要有火焰原子化法和石墨爐電熱原子化法兩種。
以上顯示和描述了本發(fā)明的基本結構、基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，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)明的基本結構和基本原理。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。
權利要求
1.一種光子計數(shù)全譜直讀吸收光譜儀，其特征在于所述吸收光譜儀主要由連續(xù)光源 (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)構成；其中，連續(xù)光源(1)用于提供光能與樣品發(fā)生作用以產生特征吸收光譜，并通過入射光學裝置射入分光系統(tǒng)O)；分光系統(tǒng)O)，用于將包含特征吸收光譜的入射復合光色散成光譜強度分布圖像，并通過出射光學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；連續(xù)光源(1)與樣品之間、樣品與分光系統(tǒng)( 之間以及分光系統(tǒng)( 與光子計數(shù)成像探測器( 之間通過光學裝置進行光學連接；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連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的吸收光譜儀，其特征在于所述的連續(xù)光源(1)是一種能夠提供波長連續(xù)分布光輸出的光源裝置。
3.根據(jù)權利要求1所述的吸收光譜儀，其特征在于所述的分光系統(tǒng)(2)是一種能夠將復合光色散成單色光的色散分光裝置，包括一維和二維的色散分光裝置；相應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。
4.根據(jù)權利要求1所述的吸收光譜儀，其特征在于所述的特征吸收光譜是一種波長強度分布呈連續(xù)分布或離散分布或由連續(xù)和離散組合而成的復合分布的光譜；特征吸收光譜主要包括原子吸收光譜、分子吸收光譜、離子吸收光譜以及復合吸收光譜。
5.根據(jù)權利要求1所述的吸收光譜儀，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成；其中，光陰極能夠鍍在光學輸入窗的內側壁上以構成透射式光陰極，或是鍍在第一塊 MCP輸入端的內側壁上以構成反射式光陰極；光學輸入窗與MCP輸入端之間和MCP輸出端與位敏陽極之間設有間距； 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連接； 直流高壓電源通過高壓引線或導電電極分別與光陰極、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)權利要求1或5所述的吸收光譜儀，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一半導體層，MCP輸出端與半導體層之間設有間距，半導體層鍍在絕緣襯底上，直流高壓電源通過高壓引線或導電電極與半導體層進行電連接。
7.根據(jù)權利要求1所述的吸收光譜儀，其特征在于所述的連續(xù)光源(1)與樣品之間、 樣品與分光系統(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 內能夠加設相應的光學裝置，以實現(xiàn)光學準直、聚焦、變向、分光、減光、濾波、消除雜散光以及光闌限光。
8.根據(jù)權利要求1所述的吸收光譜儀，其特征在于所述吸收光譜儀能夠加設相應的波長掃描機構移動分光系統(tǒng)(2)的色散分光元件或是移動光子計數(shù)成像探測器(3)，從而按照預設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)權利要求1所述的吸收光譜儀，其特征在于所述吸收光譜儀能夠加設讓樣品的物質形態(tài)、進樣量、進樣時間、進樣濃度以及其它參量滿足吸收光譜分析要求的前期預處理和進樣系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種光子計數(shù)全譜直讀吸收光譜儀，主要由連續(xù)光源、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成樣品在連續(xù)光源的作用下產生特征吸收光譜；分光系統(tǒng)將包含特征吸收光譜的入射復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)明結合了光子計數(shù)和“全譜直讀”兩大技術優(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成分、可充分利用工作波長范圍內的每一條譜線、工作速度快、結構簡單以及運行穩(wěn)定性好。
文檔編號G01J11/00GK102507464SQ20111031139
公開日2012年6月20日 申請日期2011年10月14日 優(yōu)先權日2011年10月14日
發(fā)明者劉敏敏, 呂權息, 姚永年, 尹延靜, 張利, 張慶, 文敏, 繆震華, 黃濤 申請人:深圳市世紀天源環(huán)保技術有限公司, 繆震華