光譜法儀器與光學器件

　　一,光譜法儀器的基本流程

　　general process of spectrometry

　　二,光譜儀器的基本器件

　　main parts of spectrometry

　　an introduction to optical analysis

　　instruments for spectro-metry and optical parts

　　一,光分析法儀器的基本流程

　　general process of spectrometry

　　光譜儀器通常包括五個基本單元:

　　光源;單色器;樣品;檢測器;顯示與數據處理;

　　二,光分析法儀器的基本單元

　　main parts of spectrometry

　　1. 光源

　　依據方法不同,采用不同的光源:火焰,燈,激光,電火花,電弧等;依據光源性質不同,分為:

　　連續光源:在較大范圍提供連續波長的光源,氫燈,氘燈,鎢絲燈等;

　　線光源:提供特定波長的光源,金屬蒸氣燈(汞燈,鈉蒸氣燈),空心陰極燈,激光等;

　　2.單色器

　　單色器:獲得高光譜純度輻射束的裝置,而輻射束的波長可在很寬范圍內任意改變;

　　主要部件:

　　(1)進口狹縫;

　　(2)準直裝置(透鏡或反射鏡):使輻射束成為平行光線;

　　(3)色散裝置(棱鏡,光柵):使不同波長的輻射以不同的角度進行傳播;

　　(4) 聚焦透鏡或凹面反射鏡,使每個單色光束在單色器的出口曲面上成像.

　　棱鏡

　　棱鏡對不同波長的光具有不同的折射率,波長長的光,折射率小;波長短的光,折射率大.

　　平行光經過棱鏡后按波長順序排列成為單色光;經聚焦后在焦面上的不同位置上成像,獲得按波長展開的光譜;

　　棱鏡的分辨能力取決于棱鏡的幾何尺寸和材料;

　　棱鏡的光學特性可用色散率和分辨率來表征;

　　棱鏡的特性與參數

　　(1)色散率

　　角色散率: 用dθ/dλ表示,偏向角θ對波長的變化率;

　　棱鏡的頂角越大或折射率越大,角色散率越大,分開兩條相鄰譜線的能力越強,但頂角越大,反射損失也增大,通常為60度角;

　　線色散率:用dl /dλ表示,兩條相鄰譜線在焦面上被分開的距離對波長的變化率;

　　倒線色散率:用dλ/dl 表示,

　　(2)分辨率

　　相鄰兩條譜線分開程度的度量:

　　: 兩條相鄰譜線的平均波長;△λ:兩條譜線的波長差;

　　b:棱鏡的底邊長度;n:棱鏡介質材料的折射率.

　　分辨率與波長有關,長波的分辨率要比短波的分辨率小,棱鏡分離后的光譜屬于非均排光譜.

　　光柵

　　透射光柵,反射光柵;

　　光柵光譜的產生是多狹縫干涉與單狹縫衍射共同作用的結果,前者決定光譜出現的位置,后者決定譜線強度分布;

　　光柵的特性

　　ABCDE 表示平面光柵的一段;

　　光線L在AJF處同相,到達AKI平面,光線L2M2要比光線L1M1多通過JCK這段距離.FEI=2JCK,其后各縫隙的光程差將以等差級數增加,3JCK ,4JCK等.

　　當光線M1,M2,M3到達焦點時,如果他們沿平面波陣面AKI同相位,他們就會產生一個明亮的光源相,只有JCK是光線波長的整數倍時才能滿足條件.

　　光柵的特性:

　　如果: d =AC=CE

　　JC+CK=d (sinα+sinθ)=nλ

　　即光柵公式:d (sinα+sinθ)=nλ

　　α,θ分別為入射角和反射角;整數n為光譜級次; d為光柵常數;

　　α角規定取正值,如果θ角與α角在光柵法線同側, θ角取正值,反之區負值;

　　當n=0時,零級光譜,衍射角與波長無關, 無分光作用.

　　光柵的特性:

　　將反射光柵的線槽加工成適當形狀能使有效強度集中在特定的衍射角上.

　　圖所示反射光柵是由與光柵表面成β 角的小斜面構成(小階梯光柵,閃耀光柵),β角叫做閃耀角.

　　選擇適宜的閃耀角,可以使90%的有效能量集中在單獨一級的衍射上.

　　光柵的參數:

　　光柵的特性可用色散率和分辨率來表征,當入射角不變時,光柵的角色散率可通過對光柵公式求導得到:

　　dθ/dλ為入射角對波長的變化率,即光柵的角色散率.

　　當θ很小,且變化不大時,cosθ ≈1,光柵的角色散率決定于光柵常數 d 和光譜級數n ,常數,不隨波長改變,均排光譜(優于棱鏡之處).

　　角色散率只與色散元件的性能有關;線色散率還與儀器的焦距有關.

　　光柵的線色散率

　　f 為會聚透鏡的焦距.

　　光柵的分辨能力根據Rakleigh準則來確定.

　　等強度的兩條譜線(I,II)中,一條(II)的衍射最大強度落在另一條的第一最小強度上時,兩衍射圖樣中間的光強約為中央最大的80%,在這種情況下,兩譜線中央最大距離即是光學儀器能分辨的最小距離(可分離的最小波長間隔);

　　光柵的分辨率R

　　光柵的分辨率R 等于光譜級次(n)與光柵刻痕條數(N)的乘積:

　　光柵越寬,單位刻痕數越多,R 越大.

　　寬度50mm,N=1200條/mm,

　　一級光譜的分辨率:

　　R=1×50×1200=6×104

　　狹縫

　　單色器的進口狹縫起著單色器光學系統虛光源的作用.復合光經色散元件分開后,在出口曲面上形成相當于每條光譜線的像,即光譜.轉動色散元件可使不同波長的光譜線依次通過.

　　分辨率大小不僅與色散元件的性能有關,也取決于成像的大小,因此希望采用較窄的進口狹縫.分辨率用來衡量單色器能分開波長的最小間隔的能力;最小間隔的大小用有效帶寬表示:

　　S = DW

　　D為線色散率的倒數;W為狹縫寬度;

　　在原子發射光譜分析中,

　　定性分析時,減小狹縫寬度,使相鄰譜線的分辨率提高;

　　定量分析時,增大狹縫寬度,可使光強增加.

　　狹縫兩邊的邊緣應銳利且位于同一平面上;

　　3. 試樣裝置

　　光源與試樣相互作用的場所

　　(1)吸收池

　　紫外-可見分光光度法:石英比色皿

　　熒光分析法:

　　紅外分光光度法: 將試樣與溴化鉀壓制成透明片

　　(2)特殊裝置

　　原子吸收分光光度法:霧化器中霧化,在火焰中,元素由離子態→原子;

　　原子發射光譜分析:試樣噴入火焰;

　　詳細內容在相關章節中介紹.

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　　4. 檢測器

　　(1)光檢測器

　　主要有以下幾種:

　　硒光電池,光電二極管,光電倍增管,硅二極管陣列檢測器,半導體檢測器;

　　(2)熱檢測器

　　主要有:

　　真空熱電偶檢測器: 紅外光譜儀中常用的一種;

　　熱釋電檢測器:

　　5. 信號,與數據處理系統

　　現代分析儀器多配有計算機完成數據采集,信號處理,數據分析,結果打印,工作站軟件系統;