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光谱仪中的“光谱”简单介绍

作者: admin 时间:2017-10-31 来源:未知
摘要:什么叫光谱?简单地说,应该是当一束受到色散后的辐射能量被聚焦,并使其诸分波按波长的顺序排列时(如用棱镜使一束日光发生折射和色散,显示出各种颜色)所成的一系列像称之为...

     
         什么叫光谱?简单地说,应该是“当一束受到色散后的辐射能量被聚焦,并使其诸分波按波长的顺序排列时(如用棱镜使一束日光发生折射和色散,显示出各种颜色)所成的一系列像”称之为光谱。
光谱(spectrum) :是复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后,被色散开的单色光按波长(或频率)大小而依次排列的图案,全称为光学频谱。光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分,在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色,譬如褐色和粉红色。

光波是由原子运动过程中的电子产生的。各种物质的原子内部电子的运动情况不同,所以它们发射的光波也不同。研究不同物质的发光和吸收光的情况,有重要的理论和实际意义,已成为一门专门的学科——光谱学。分子的红外吸收光谱一般是研究分子的振动光谱与转动光谱的,其中分子振动光谱一直是主要的研究课题。

物质都具有自身的原性,通过属性可以区分不同的物质。由于物质的组成不同,在一定条件下物质能发射出其特征的光谐。我们就是利用光谱这个属性来测定物质组成的。

由于光具有波动性质,所以光的波长是它的一个标志。不同颜色的光表明它的波长不同。从短波的紫外光到长波的红外光组成全部可见光。按照波长分开而排列的一系列不同波长的光就组成所谓光谱。发射光谱分析工作的光谱范围只是紫外光域的一部分,可见光域及红外域的一部分,波长由1600~8500A(光的波长习惯用A或埃度量,1A=10-5cm=10-7mm=0.1nm)。

物质能发射光谱,物质对光具有吸收散射等作用,这些现象都可以用来作物质的测定。物质发射的光谱有三种:线状光谱,带状光谱及连续光谱,只讨论发射光谱分析。
 

通常,进行光谱分析所用的激发光源是火焰、电弧或火花,在光源的作用下,分析物质处在高温气态中,一般离解为原子或离子,激发后发射的是线状光谱。所以光谱分析所利用的是线状光谱中的谱线。并且所得出结果只能给出组成物质的元素种类及含量,而不是物质的分子构造。

每一种元素的原子被激发后,都可以产生一组其特征光谱,而特征光谱的出现就能证明此种元素在辐射源中存在。原子或离子被激发而产生的数万条光谱的谱线已经被测定了它的

波长。由于测定波长能达到很高的准确度,光谱中的大部分谱线都可以准确无误地确定其由哪一种元素产生,所以光谱作定性分析是十分可靠的方法,既灵敏、快速,又简单。

当样品中某一元素的含量不太高时,该元素发射的光谱谱线的强度与它的含量成正比。这个关系成为光谱定量分析的基础,并使光谱定量分析成为非常方便的方法。光谱定量分析比化学分析快,并且用较少的样品即可进行。

物质发射的光谱须用分光器进行。分光器须有三个元件:入射狭缝,将不同波长的光按波长分开和排列成行的光栅,以及能聚焦成像以形成谱线的出射狭缝(谱线即为狭缝的像)。

谱线落在焦面上,可用感光板摄取,或用目镜观察(对于可见光),或用一出射狭缝接收(使其与近旁其他谱线区分)。其中一种方式为摄谱仪,其次一种方式则为看谱镜,而第三种则为单色仪如在许多谱线处装上出射狭缝,并在出射狭缝后面设置光电接收装置(光电倍增管),即成为光电直读光谱仪

1.对于光纤光谱仪而言,光谱范围通常在200nm-2500nm之间。由于要求比较高的分辨率就很难得到较宽的光谱范围;同时分辨率要求越高,其光通量就会偏少。
对于较低分辨率和较宽光谱范围的要求,300线/mm的光栅是通常的选择。如果要求比较高的光谱分辨率,可以通过选择3600线/mm的光栅,或者选择更多像素分辨率的探测器来实现。较窄的狭缝也可以提高分辨率,但光通量较小。

2.另一方面,较宽的狭缝可以增加灵敏度,但会损失掉分辨率。在不同的应用要求中,选择合适的狭缝宽度以便优化整个试验结果。探测器在某些方面决定了光纤光谱仪的分辨率和灵敏度,探测器上的光敏感区原则上是有限的,它被划分为许多小像素用于高分辨率或划分为较少但较大的像素用于高敏感度。通常背感光的CCD探测器灵敏度要更好一些,因此可以某个程度在不灵敏度的情况下获得更好的分辨率。

3.近红外的探测器由于本身灵敏度和热噪声较高,采用制冷的方式可以有效提高系统的信噪比。
由于光谱本身的多级衍射影响,采用滤光片可以降低多级衍射的干扰。和常规光谱仪不同的是,光纤光谱仪是在探测器上镀膜实现,此部分功能在出厂时需要安装就位。同时此镀膜还具有抗反射的功能,提高系统的信噪比。

4.光谱仪的性能主要是由光谱范围、光学分辨率和灵敏度来决定。对以上其中一项参数的变动通常将影响其它的参数的性能。光谱仪主要的挑战不是在制造时使所有的参数指标达到最高,而是使光谱仪的技术指标在这个三维空间选择上满足针对不同应用的性能需求。这一策略使光谱仪能够满足以最小的投资获取最大的回报。

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