[發明專利]一種光子計數全譜直讀拉曼光譜儀

有效

• 申請號: 201110311478.2
• 申請日: 2011-10-14
• 公開（公告）號: CN102435315A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 繆震華;劉敏敏;呂權息;朱柏方;黃濤;尹延靜;楊萍;賴勝波
• 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: G01J3/44
• 分類號: G01J3/44
• 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

本發明涉及一種全新的拉曼光譜儀，即一種基于“光子計數成像探測器”的光子計數全譜直讀拉曼光譜儀。

本發明特別適用于分子、晶體以及其它物質的定性、定量和結構分析，可廣泛的應用于環境監測、食品安全、生物光學、冶金化工、地質勘探以及醫藥衛生等眾多行業與學科技術領域。

背景技術

當光照射物質時會發生彈性散射和非彈性散射：彈性散射的散射光是與激發光波長相同的成分，該散射又稱瑞利散射；非彈性散射的散射光有比激發光波長長的成分，也有短的成分，長的稱為斯托克斯線，短的稱為反斯托克斯線，該散射又稱拉曼散射。由于拉曼譜線的數目、位移(拉曼譜線頻率相對于激發光中心頻率的位移)的大小以及譜線的強度直接與試樣分子振動(或點陣振動)或轉動能級有關，因此對拉曼光譜的研究可以得到有關分子或晶格的信息。拉曼光譜法便是依據上述特性對物質進行定性、定量以及結構分析，相應的光譜分析儀器稱為拉曼光譜儀。

按照所使用探測器的類型及其信號處理方式的不同，拉曼光譜儀可分為“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，這也是傳統拉曼光譜儀較多采用的一種方法。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)和雪崩光電二極管(APD/Avalanche?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，傳統的拉曼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(尤其是基于MCP的光子計數成像探測器，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?？蛇_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)無信號溢出現象和極寬的動態范圍

由于光子計數法采用的是脈沖計數方式，不受常規光電轉換過程中“信號溢出”現象的影響，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，評價一臺拉曼光譜儀的好壞主要是看其“檢出限”(靈敏度)、“數據穩定性”(重復精度或重復誤差)、“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，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。

2)由于光子計數法的信噪比非常高，可探測到非常微弱的譜線強度變化，因此采用光子計數法進行定量分析的讀數精度更高。

3)由于光子計數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，因此光子計數法的數據穩定性更好，即重復精度更高、重復誤差更小。