[發明專利]一種“光子計數全譜直讀”光譜分析方法

無效

• 申請號: 201110255580.5
• 申請日: 2011-08-31
• 公開（公告）號: CN102353450A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發明（設計）人: 繆震華;賴勝波;劉敏敏;尹延靜;楊萍
• 申請（專利權）人: 深圳市世紀天源環保技術有限公司;繆震華
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 陳慧珍

技術領域

本發明涉及一種創新性的光譜分析方法，即一種基于“光子計數成像探測器”的“光子計數全譜直讀”光譜分析方法。該方法較好的解決了“全譜直讀”與“檢測靈敏度”、“數據穩定性”、“讀數精度”以及“線性動態范圍”之間不能兩者兼得的技術難題，在實現“全譜直讀”的基礎上，提高了光譜分析的“檢測靈敏度”、“數據穩定性”、“讀數精度”以及“線性動態范圍”。

本發明涉及的技術領域包括光譜分析方法研究、光譜分析技術應用以及光譜分析儀器制造等領域。

背景技術

光譜分析技術具有靈敏度高、選擇性好、操作方便快速、抗干擾能力強以及準確度好等優點。按照產生特征光譜的機理劃分，光譜分析方法可分為吸收光譜法、發射光譜法、散射(或拉曼)光譜法以及熒光光譜法等幾大類。不論采用何種方法，方法的基本構成大致相同，主要由激發源、分光系統、探測器以及信息處理與顯示等部分構成。

1)激發源的作用是提供能量激發樣品以產生特征光譜，包括吸收光譜、發射光譜、散射(或拉曼)光譜以及熒光光譜等特征光譜。

2)分光系統的作用是把夾雜特征光譜的入射復合光色散成單色的光譜圖像，其主要由入射光闌、準直鏡、色散分光元件/裝置、物鏡以及出射光闌等組成。一般常用的色散分光元件/裝置主要有棱鏡、光柵以及干涉裝置等幾種類型。

3)探測器的作用是通過光電轉換將光信號轉換成(可伴隨信號增益過程)易于傳輸處理的電信號(電壓/電流/電荷量)。

4)信息處理與顯示則是對探測器輸出的信號進行處理和分析，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。

按照探測器的類型及其信號處理方式的不同，光譜分析方法又可分為“電荷積分法”與“光子計數法”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，這也是傳統光譜分析技術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)以及雪崩光電二極管(APD/Avalanche?Photodiode)等為典型代表。

2)光子計數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(即脈沖計數)來反演入射光的強度。傳統所用探測器以光電倍增管(PMT/Photomultiplier?Tube)為典型代表。

值得一提的是：PMT同樣可工作于“電荷積分”模式。傳統光譜分析技術大都采用的是這種方式，只是把PMT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，光子計數法具有以下優點：

1)極高的信噪比與極低的背景噪聲

由于光子計數法采用的是脈沖計數方式，當脈沖幅度低于一定的閾值時不予計數，因此可濾除掉大多數的噪聲，具有非常高的信噪比。

光子計數法的背景噪聲主要來源于探測器的暗計數。工作于光子計數模式下的探測器的暗計數非常小，通常小于1count/s·cm²，故光子計數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

由于光子計數法采用的是脈沖計數方式，因此其最大的優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據穩定性的難題。

4)極寬的動態范圍

由于光子計數法的輻射通量下限非常低，而其輻射通量上限只受限于最大計數率(通常在10⁵-10⁶Hz之間)，因此其動態范圍非常寬，通常能達到10⁴-10⁵左右。

通常，評價一種光譜分析方法(或是一臺光譜分析儀器)的好壞主要是看其“檢出限”、“數據穩定性”(重復精度)、“讀數精度”以及“線性動態范圍”等技術指標。通過上述的對比分析，不難看出采用光子計數法進行光譜分析，上述指標都能得到大幅提升：

1)由于光子計數法的靈敏度非常高，甚至可探測到單個的光子，因此光子計數法的“檢出限”更低，可進行痕量(或超痕量)分析。