[發明專利]光譜分析系統

有效

• 申請號: 201310525282.2
• 申請日: 2013-10-30
• 公開（公告）號: CN103592025A
• 公開（公告）日: 2014-02-19
• 發明（設計）人: 陳文聰;蒲以康
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 張大威

技術領域

本發明屬于分析儀器領域，具體涉及一種光譜分析系統。

背景技術

光譜儀是通用的光譜分析儀器，在等離子體物理、原子分子物理等研究領域有著廣泛的運用。以低溫等離子體物理研究為例，要了解等離子體中各種粒子的行為規律，最基本的方法是通過測量各種粒子的發射譜線。低溫等離子體的發射光譜包含許多的原子分子譜線，并且分布在從紫外到紅外的很寬的波長范圍內。同時，對于非恒定狀態的等離子體，其發射光譜是隨時間變化的，并且可能是非周期性不重復的。為了解等離子體中復雜的物理化學過程，通常需要采集除了主要的強譜線外的許多微弱譜線。因此，光譜測量的難度很大，要求滿足以下要求：第一，可以在同一時刻測量不同波長處的譜線強度；第二，系統的靈敏度和信噪比足夠高以測量微弱譜線；第三，檢測器具有快速的時間響應能力和數據采集能力，以便在短時間內完成大量快速變化的光譜信號的采集。

目前廣泛使用的光譜儀主要為切尼-特納結構，主要包括：入口狹縫、準直反射鏡、衍射光柵、聚焦反射鏡、出口狹縫（可選）和檢測器。常用的檢測器主要有光電倍增管和CCD相機。光電倍增管通常需要配合出口狹縫使用，每個時刻只采集某個波長的光信號，因此是單通道檢測器。光電倍增管的優點是高靈敏度和快速時間響應，特別是當其工作在光子計數模式時，其靈敏度是現有所有光學檢測器中最高的，可對進入其窗口的光子進行單光子納秒量級的時間分辨測量。同時，其缺點是作為單通道檢測器使用時需要通過轉動光柵掃描波長，對于大波長范圍內的光譜信號測量需要時間長，效率低。相比較而言，CCD相機具有二維面陣，不需要出口狹縫，可同時采集不同波長處的光信號，因此測量穩定光信號所需的數據采集時間較短。相比光電倍增管，普通的CCD相機的靈敏度和時間分辨能力較差。因此，當需要測量隨時間變化的微弱光譜信號時，通常使用增強型CCD相機。增強型CCD相機通過增加電子倍增段以提高靈敏度，同時以電信號控制電子倍增段的開關可以實現納秒級別的曝光時間。受光陰極材料和熒光板發光效率等因素的限制，增強型CCD相機的檢測效率低于光電倍增管。同時，雖然增強型CCD相機的曝光時間可以達到納秒級，但受信號累加、CCD電荷轉移速度和模數轉換速度等因素的限制無法連續采集信號，必須多個周期累加信號，因此采集效率較低并且要求光信號必須是周期性重復的，無法用于瞬態不重復光信號的測量。

發明內容

本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。

為此，本發明的目的在于提出一種光譜分析系統。

為了實現上述目的，根據本發明實施例的光譜分析系統，包括：切尼-特納光路結構，所述切尼-特納光路結構用于將光源的光譜分光為不同波長單色光后平行地輸出；光電倍增管陣列，所述光電倍增管陣列包括N個光電倍增管，N為正整數；光纖陣列，所述光纖陣列包括N組光纖，各組光纖的第一端排成與入射狹縫平行方向的一列安裝在所述切尼-特納光路結構的聚焦平面上，其中所述各組光纖的第一端收集不同波長單色光，所述N組光纖的第二端與所述N個光電倍增管一一對應地相連以將不同波長的光信號傳導到不同的光電倍增管；多通道時間門控計數器，所述多通道時間門控計數器與所述多個光電倍增管分別電性連接；高壓電源，所述高壓電源與所述光電倍增管陣列電性連接；和溫度控制模塊，所述溫度控制模塊與所述光電倍增管陣列相連，用于在進行光譜測量時將所述光電倍增管陣列維持在恒定的低溫環境。

根據本發明實施例的光譜分析系統，利用光電倍增管陣列作為光譜儀的檢測器，利用光纖陣列將光譜儀焦平面上不同波長的光譜信號傳輸到不同的光電倍增管，光電倍增管陣列的脈沖輸出信號由多通道門控計數器進行計數，從而使得該系統具有單光子級別的高靈敏度和納秒量級的時間分辨能力。同時，本發明利用光纖陣列傳輸光譜信號，減少了電磁干擾和X射線的影響。同時，由溫度控制模塊進行對光電倍增管陣列進行制冷和溫度控制，有利于降低本底信號，提高信噪比，實現穩定工作,提高分析結果的準確性。相比現有的使用單個光電倍增管或CCD相機的光譜儀系統，本發明的光譜分析系統的優點在于同時具有高靈敏度和高時間分辨能力，可用于采集微弱的快速變化且不重復的光譜信號。

另外，根據本發明實施例的光譜分析系統還可以具有如下附加技術特征：

在本發明的一個實施例中，所述切尼-特納光路結構具體包括：入射狹縫、準直反射鏡、衍射光柵和聚焦反射鏡，其中，光源發出的連續光譜經過所述入射狹縫到照射到所述準直反射鏡上，然后經過所述準直反射鏡反射形成平行光，所述平行光經過所述衍射光柵衍射后，通過所述聚焦反射鏡使不同波長的單色光聚焦到同一焦平面上的不同位置。