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德國恩德斯豪斯E+H光譜分析儀的工作原理
光譜分析儀簡稱光譜儀，是將成分復(fù)雜的復(fù)合光分解為光譜線并進(jìn)行測量和計(jì)算的科學(xué)儀器，被廣泛應(yīng)用于輻射度學(xué)分析、顏色測量、化學(xué)成份分析等領(lǐng)域，在冶金、地質(zhì)、水文、醫(yī)藥、石油化工、環(huán)境保護(hù)、宇宙探索等行業(yè)發(fā)揮著重要作用。在照明行業(yè)，通常使用光譜儀來測量光源的光色參數(shù)。
1666年，牛頓在研究三棱鏡時(shí)發(fā)現(xiàn)，太陽光在通過三棱鏡后被分解成了七色光，這就是三棱鏡對光線的色散現(xiàn)象。在E+H光譜分析儀內(nèi)部，也是利用色散組件的分光作用，通過不同的光路形式，將復(fù)色光分解成一系列獨(dú)立的單色光，然后進(jìn)行測量和計(jì)算。
E+H光譜分析儀一般由分光系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成，其工作原理是將光源發(fā)出的復(fù)色光按照不同的波長分離出來，配合各種光電探測器件對譜線強(qiáng)度進(jìn)行測量，獲得光譜功率(輻射)分布，再計(jì)算出色品坐標(biāo)、色溫、顯色指數(shù)、光通、輻射通量等光色性能參數(shù)。
分光系統(tǒng)通常做成整體式結(jié)構(gòu)，稱為單色儀或多色儀。單色儀是輸出單色譜線的光學(xué)儀器，通常與PMT探測器為核心的接收系統(tǒng)配套工作，再由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對測量信號(hào)進(jìn)行計(jì)算處理，各部分相對獨(dú)立。多色儀在結(jié)構(gòu)上與探測器以及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)緊密結(jié)合，通?？梢灾苯虞敵龉庾V測量數(shù)據(jù)。
E+H光譜分析儀的種類繁多，常見的分類方法如下：
按工作光譜的區(qū)域分類：紫外-可見光(UV-VIS)光譜儀、可見光(VIS)光譜儀、紫外-可見光-近紅外(VIR)光譜儀等類型
按分光系統(tǒng)分類：棱鏡分光光譜儀、光柵分光光譜儀、濾色片分光光譜儀
按光路數(shù)量分類：單路光譜儀、多路光譜儀
按探測器分類：在可見光范圍內(nèi)主要有PMT光譜儀和CCD光譜儀兩種，在紫外、近紅外范圍內(nèi)還有專門的探測器類型
按掃描方式分類：機(jī)械掃描式光譜儀、快速掃描式光譜儀
按測量對象和測量結(jié)果的用途分類：分析用光譜儀、光色測量用光譜儀
在照明行業(yè)，通常使用的都是可見光光色測量光譜儀，又細(xì)分為機(jī)械掃描式和陣列掃描式兩種
單色儀有入射和出射兩個(gè)狹縫，入射狹縫用來限制雜散光的進(jìn)入，一般位于準(zhǔn)直鏡的焦點(diǎn)上。出射狹縫用來限制光譜帶寬，一般位于物鏡的焦點(diǎn)上。狹縫通常由兩個(gè)具有銳利刀口的精密金屬片構(gòu)成，分為固定狹縫、單邊可調(diào)非對稱式狹縫和雙邊可調(diào)對稱狹縫幾種。用于光色測量的亮度計(jì)中，兩個(gè)狹縫通常設(shè)計(jì)為等寬，且不能自行調(diào)節(jié)。在用于材料分析的亮度計(jì)中，狹縫往往設(shè)計(jì)成可由儀器自動(dòng)調(diào)節(jié)寬度。
機(jī)械掃描式光譜儀的特點(diǎn)是光電探測器固定不動(dòng)，通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)方式改變衍射光柵的角度，將不同波長的單色光逐一投射到探測器上，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)光譜范圍的掃描。由于整個(gè)可見光譜是按波長逐一測量，機(jī)械掃描式光譜儀的讀數(shù)時(shí)間很長，通常需要數(shù)十秒鐘，所以這類E+H光譜分析儀并不適用于測量光源的瞬時(shí)輸出。
作為一種改良技術(shù)，有些掃描式光譜儀將兩個(gè)或多個(gè)衍射光柵安裝在同一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸上，配合一個(gè)的角度編碼器來實(shí)現(xiàn)每個(gè)角度同時(shí)采集兩個(gè)或多個(gè)波長的測量值，以此縮短掃描時(shí)間并保證整個(gè)光譜范圍內(nèi)的波長性。
1、光電倍增管探測器
接收系統(tǒng)負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，主要包括光電探測器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換等部分。不同的光譜頻段需要選用不同類型的光電探測器，以確保光譜響應(yīng)度。
機(jī)械掃描式光譜儀通常使用光電倍增管(PMT)作為光電探測器，PMT是一種對紫外光、可見光和近紅外光極其敏感的特殊電子管，它能將微弱光信號(hào)通過光電效應(yīng)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出，使光信號(hào)能夠被測量。
光電倍增管分為頂窗型(Head-on)和側(cè)窗型(Side-on)兩種結(jié)構(gòu)，內(nèi)部包含光電陰極、聚焦極、多個(gè)倍增極(二次發(fā)射極)和陽極，每個(gè)倍增電極上的電壓都高過它前面一個(gè)電極，使得電子能夠逐級(jí)加速。
入射光子撞擊光電陰極產(chǎn)生光電效應(yīng)，激發(fā)出的光電子被聚焦到倍增系統(tǒng)，經(jīng)過一連串的二次發(fā)射使得電子倍增，后到達(dá)陽極作為信號(hào)輸出。電倍增管具有高靈敏度和低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高能物理、天體觀測、醫(yī)療儀器、石油勘探、工業(yè)檢測、天文等多種弱光檢測領(lǐng)域的研究工作。
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