光学多道测量光谱

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1、使用光学多道测量光谱扌商要：本文介绍了电荷耦合器件（CCD）成像原理，以及光学多道分析器（OMA）多道快速检测和显示微弱光谱信号的方法，并利用汞灯的特征光谱线长进行定标，测量钠灯和氢氛灯的光谱，为分析金属种类和金属特征谱线长提供简便方法。关键词：Hg光谱波长定标光栅多色仪传统的光谱测量技术由于受到光谱分辨率、灵敏度、时间、分析速度的限制，已经不再适应科学技术的发展和应用的需要。20世纪60年代激光科学特别是可调谐激光技术的发展，新型光谱探测元件及探测技术的发展，光电二极管自校准技术和微弱光谱信息的接收技术和处理技术以及微处

2、理机的应用，使得光谱测量技术的发展产生了一个革命性的变化，进入了一个新的发展时期。传统的摄谱仪、光电分光光度计等光谱仪已经逐渐被光学多道分析仪0MA所取代。它集信息采集、处理、存储等功能于一体。CCD自1970年问世以后，发展迅速，应用广泛。它具有自扫描，光谱范围宽，动态范围大，体积小，功耗低，寿命长，单色性高等优点，已应用于光谱分析仪器上，将它置于光谱仪的光谱面，一次曝光可获得整个光谱，且易于计算。CCD图象器件用于0MA的仪器迅速增长，大大提高了光谱分析的精度和效率。1•实验原理1.1电荷耦合器件（CCD）电荷耦合器件

3、是一种以电荷量表示光量大小，用耦合方式传输电荷量的新型器件。它具有自扫描、光谱范围宽、动态范围大、体积小、功耗低、寿命长、可靠性高等一系列优点。CCD基本结构和MOS（金属一氧化物一半导体）器件一样，衬底是硅半导体。如图1,硅表面有一层二氧化硅薄膜，再上面是一层金属，作为电极。这样，在硅和电极之间形成一个小屯容，在其两端加i偏压就产生一个与硅表面垂直的电场。如果衬底是p型Si,金属电极置于高电位，电场的方向则从金属指向p型半导体。在金属界面积累了一层正电荷，p型半导体界面处的空穴被排斥，只剩下带负电荷的受主杂质离子，形成一

4、耗尽层。耗尽层的杂质离子是不能自由移动的，对导电作用没有任何贡献。随着电压的增加，耗尽层将逐渐展宽。耘尽区受圭斑『"空穴eese什电1叫•亠Qee9e匸:e冷:e>AnpL空穴(a)⑹图1(a)p型Si表面附近的耗尽层,(b)p型Si表面附近的反型层.输出栅I导体电彳输入源E在耗尽区内或附近，由于光子的作用产生了电子一空穴对，电场将电子吸引到半导体与绝缘体的界面。这些导体中的电子是可以自由运动的，是参与导电的载流子，它们在界面形成了一个n型半导体层。它与原衬底的导电类型相反。故称为反型层。反型层内电子的数目取决于光生电子一

5、空穴数的累积值，器件曝光时间越长，此电荷P型的衬底

6、吋刻，的电位最高，4>2，©3的电位为零，因此，电荷包贮存于4>1电极下的势陷内。当l=t2时，少2电位升高与©1相同，©1电极下的电荷包开始向

7、电极“2扩散。当t=t3时，"1的电位开始下降，“2电位最高，“2电极下的势陷比A电极下的势陷低，电荷包就从"1电极下完全转移到“2电极下。当t=S时，(X、©3的屯位均为零，“2屯位最高，为下一次传输作准备。时钟脉冲不断重复，电荷包就从左边向右边传递，最后从输出二极管输出。产生电荷包的光子可以透过衬底入射,也可以透过电极或从电极的间隙通过二氧化硅入射到衬底上。但前者的量子效率高于后者，因为通过电极和氧化层时均有吸收和反射损耗。CCD线型列阵可以分为两部分，前一部分是受照一成像区，后一部分是用于读出信号的移位寄存器。在成像

8、区，相邻像元Z间有阻止电荷横向扩散的沟道。器件曝光后。各像元电极下贮存的电荷包与各像元的曝光量成正比、形成一幅“电荷图”横向转移脉冲把各像元下的电荷包移入到移位寄存器保存，然后在时钟脉冲©1、©2、“3的作用下将各像元的电荷包从移位寄存器逐个移位，最后经输出二极管读出。在移位寄存器读出的过程中，成像区又在曝光。1.2光学多通道分析器光学多通道分析器(OMA),是一种采用多通道方法快速检测盒显示微弱光谱信号的电子光学仪器。它能方便地给出各种待测光谱的光谱曲线和光谱数据，可用于快速光谱分析及各种光谱研究。

9、检测,(b)多通道检测(1)单通道检测和多通道检测如图3为检测系统的基本框图，图3(a)单色器用于选择光谱信号的波长，在用单通道检测器时，要测量某一波段的光谱信号，必须进行波长扫描。图3(b)多色仪和多通道检测器能够同时测量波长入厂入2范围内的光谱信号。(2)多色仪部分光路微机数抓采集处理系统如图4为多