CN114324272B - 一种4π立体角的离子束荧光探测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种4π立体角的离子束荧光探测装置，包括激光系统、椭圆镜、集光器、光电倍增管、光栅光谱仪、真空位移台和计算机系统；所述椭圆镜的下部焦点设有束流线开口，椭圆镜的上部开口的上方与集光器的下部进口相通，光栅光谱仪或光电倍增管设于集光器的上部出口位置，光栅光谱仪与光电倍增管通过真空位移台相连；所述光栅光谱仪和光电倍增管分别连接计算机。本发明利用椭圆镜结合集光器技术，实现一定范围内原子(或离子)束荧光光谱的高效收集、探测。椭圆镜的大立体角反射特性结合集光器的角度选择特性，可以有效地大幅增加待探测体系荧光光谱收集的立体角度。相比于传统的小立体角探测，可以提升收集效率20倍以上。
Description
技术领域
本发明属于荧光探测技术领域，特别涉及一种4π立体角的离子束荧光探测装置和方法。
背景技术
荧光探测被广泛地用于各种样品分析和检测，在无机物、有机物、原子、分子的探测方面有着广泛的应用，它具有测试迅速，操作方便，重复性好，分辨率高，样品限制低等特点，现已成为物理、化学、生物等领域不可缺少的分析探测手段。通常荧光光谱测量采用的是双透镜聚焦的方案，其基本原理是基于光在透镜中的折射聚焦，进行有限立体角内的荧光收集探测，是一种在有限立体角收集光子的探测手段。
对于原子、分子、离子发射荧光光谱特性的测量，可以了解相关元素在生物体、自然界、合成材料的分布和富集情况，对于元素检测和光化学分析至关重要。同时富集度较低原子、分子或离子的发射光子数量极少，现有荧光光谱测量手段多为小立体角探测，难以实现少量光子发射的快速测量。特别是，在离子产额很低的束流线装置中，激光与束流线相互作用发射的荧光光谱非常弱，传统的双透镜聚焦测量方式受到探测立体角度的限制，荧光光谱会被噪声湮没。
发明内容
本发明旨在提供一种应用范围广泛，装配简单，光子收集效率高；采用椭圆镜结合d集光器进行大立体角荧光收集的快速荧光光谱探测装置和方法。
本发明采取了一种在荧光发射路径上装配4π椭圆镜结合集光器的荧光收集装置，该系统包含了激光系统、椭圆镜，改进后的集光器，光电倍增管(PMT)，光栅光谱仪、探测器位移控制以及计算机系统。
激光器出射光经过调控后按照特定线路进入腔体，将原子(或离子)由低能级激发到高能级，随后原子退激发发射出荧光光子。因此在腔体内的激光传输线路上的一定距离范围内会形成荧光发射。发射的荧光光子经过椭圆镜的反射被输送到4π椭圆镜与集光器的交界面上。集光器有角度依赖的特性，在集光器可以接收的角度范围内的光子经过集光器内壁的一系列反射最终被运输到集光器出口位置，光信号由光电倍增管(PMT)转化为电信号并进行放大，或者进入光栅光谱仪进行全谱测量，最后由计算机实时记录。
本发明原子(离子)束的荧光辐射与激光光路重合，采用光电二极管监控入射激光和出射激光的位置，并反馈耦合位移控制系统实时调整入射激光角度和位置，保证收集光路的稳定性。椭圆镜和集光器的组合具有较高的容错率。因此，该方法可以实现荧光探测的高稳定性、高效率。
有益效果：
1、该发明涉及装置采用反射式光学设计，结构相对简单紧凑，稳定性高。
2、装置灵活，可以根据实验或应用场景改变装配体的尺寸大小，应用相同的原理对不同应用环境进行高效的荧光探测。
3、同时保证荧光光谱测量的高分辨率和高探测效率，可广泛地用于原子、分子退激荧光的高效测量。
附图说明
图1是椭圆镜与集光器的整体装配图。
图2是本发明实施例的4π立体角的离子束荧光探测装置的侧视图。
图3是本发明实施例的4π立体角的离子束荧光探测装置的正视图。
图4是集光器的抛物面示意图。
图5是本发明实施例的4π立体角的离子束荧光探测装置的原理图。
图6是本发明实施例的4π立体角的离子束荧光探测方法的流程图。
图中，1：椭圆镜；2：荧光束流线开口；3：集光器；4：光栅光谱仪；5：光电倍增管；6：真空位移台。
具体实施方式
如图1-3所示，本发明公开了一种4π立体角的离子束荧光探测装置，原子(或离子)束流线经过椭圆镜1的束流线开口2进入收集系统，激光光束与束流在收集系统内共线激发原子(或离子)。激发的原子(或离子)退激发产生荧光辐射，荧光光子经过椭圆镜1内壁的多次反射输送到椭圆镜1与集光器3的交界面上，再由集光器3的内壁反射到光栅光谱仪4中，最后由计算机进行数据处理。椭圆镜相较于椭球镜来说加工工艺简单，但不是所有由一个焦点发射的光子都可以汇聚到另一个交点处，因此在椭圆镜的上方连接集光器对椭圆镜反射的光子进一步汇集，椭圆镜与集光器通过开口的真空隔板进行连接，这样可以最大限度地收集大立体角内的光子,通过一个真空位移台6可以对光栅光谱仪4和光电倍增管(PMT)5进行转换，既可以对不同波长的光子进行测量又可以对单一波长光子进行快速测量。
实现大的弯曲镜面是十分必要的，而且反射镜的反射率是最重要的。同时，在处理离子束时，真空镜表面需要导电以防止电荷效应。这两种要求，加上特殊的形状和大面积，不容易实现，特别是在远紫外(250nm)区域。一般来说，普通铝镜是一个很好的选择，因为它们在广泛的光谱范围内具有高达90％以上的反射率，可达190nm。在这里，选择金属铝作为反射镜面的基本材料。同时可根据需要选择金、银，银的反射波长范围在430nm以上，平均的反射率在97％左右；金的反射波长范围在564nm以上，平均的反射率在98％左右。
一种可行的椭圆镜与集光器的装配尺寸：椭圆镜的半长轴为77mm，半短轴为40mm，并在焦点有半径为9mm的开口，对应的集光器的为θmax＝30°，a'＝11mm，a＝22mm。集光器的抛物面简图如图4所示：
椭圆镜的加工方法：椭圆镜的几何形状是由普通铝片磨成的，然后手工抛光以达到光学质量。用400nm的激光束进行测试，反射率需达到90％。然而，由于铣削和抛光过程中产生的宏观误差(凹痕)仍然存在于镜面表面，尽管整体反射率较高，但其成像性能仍会受到一定影响。
集光器的加工方法：集光器的抛物面截面方程满足下式：
[x+a′cosθmax+zsinθmax]2＝4a′(1+sinθmax)(zcosθmax-xsinθmax+a′)
θmax为集光器(CPC)的截止入射角度。使用薄的(0.05毫米)铝反射型材作为反射介质，它具有足够的电导率和真空兼容性用于离子束应用。切成恰当的二维形状，它们可以安装和压制(内部真空)或粘(外部真空)到所需的形状。反射镜轮廓具有优异的微观和宏观镜面质量。然而，由于涂层的原因，它们被限制在近紫外线波长范围内。在400nm波长处反射率为90％，但在250nm波长处，反射率下降到65％左右。
本发明实施例的4π立体角的离子束荧光探测装置的探测方法：
如图5、6所示，原子(或离子)束流线经过椭圆镜的束流线开口进入收集系统，激光光束与束流在收集系统内共线激发原子(或离子)。激发的原子(或离子)退激产生荧光辐射，荧光光子经过椭圆镜1内壁的多次反射输送到椭圆镜与集光器的交界面上，再由集光器3的内壁反射到光栅光谱仪4或光电倍增管5中，光栅光谱仪4和光电倍增管5经过真空位移台6可以互相转换，最后由计算机进行数据处理。
本发明利用椭圆镜结合集光器技术，实现一定范围内原子(或离子)束荧光光谱的高效收集、探测。椭圆镜的大立体角反射特性结合集光器的角度选择特性，可以有效地大幅增加待探测体系荧光光谱收集的立体角度。相比于传统的小立体角探测，可以提升收集效率20倍以上。对于荧光测量，可采用光栅光谱仪实现光谱分辨测量；也可采用光电倍增管(PMT)实现全光强度探测。本项技术核心在于实现较弱荧光发射的大立体角测量，并可根据测量需要选择光谱分辨测量或全光强度测量，可用于低光子发射率元素和自然丰度较低元素荧光光谱的测量与研究。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种4π立体角的离子束荧光探测装置，其特征在于：包括激光系统、椭圆镜(1)、集光器(3)、光电倍增管(5)、光栅光谱仪(4)、真空位移台(6)、计算机系统；所述椭圆镜(1)的下部焦点设有束流线开口(2)，椭圆镜(1)的上部被水平面切割形成切割面，切割面的中部中心设有开口，开口的上方与集光器(3)的下部进口相通，光栅光谱仪(4)或光电倍增管(5)设于集光器(3)的上部出口位置，光栅光谱仪(4)与光电倍增管(5)通过真空位移台(6)相连；所述光栅光谱仪(4)和光电倍增管(5)分别连接计算机；激光器出射光经过调控后按照特定线路由束流线开口(2)进入椭圆镜(1)腔体，将原子或离子由低能级激发到高能级，随后原子退激发射出荧光光子，在腔体内的激光传输线路上的一定距离范围内形成荧光发射；发射的荧光光子经过椭圆镜(1)的反射被输送到椭圆镜(1)与集光器(3)的交界面上；在集光器(3)可以接收的角度范围内的光子经过集光器(3)内壁的一系列反射最终被运输到集光器(3)出口位置，光信号由光电倍增管(5)转化为电信号并进行放大，或者进入光栅光谱仪(4)进行全谱测量，最后由计算机实时记录。
2.根据权利要求1所述的4π立体角的离子束荧光探测装置，其特征在于：椭圆镜(1)与集光器(3)通过开口的真空隔板连接。
3.根据权利要求1所述的4π立体角的离子束荧光探测装置，其特征在于：椭圆镜(1)上部开口为长方形。
4.根据权利要求3所述的4π立体角的离子束荧光探测装置，其特征在于：所述集光器(3)的进口和出口均为长方形，上细下粗，侧壁为抛物面，集光器的抛物面截面方程满足下式
[x+a′cosθmax+zsinθmax]2＝4a′(1+sinθmax)(zcosθmax-xsinθmax+a′)
其中，θmax为集光器(3)的截止入射角度，a'为集光器(3)出口长度的一半。
5.根据权利要求4所述的4π立体角的离子束荧光探测装置，其特征在于：所述集光器(3)的反射镜面材质为铝。
6.根据权利要求4所述的4π立体角的离子束荧光探测装置，其特征在于：所述椭圆镜(1)的半长轴为77mm，半短轴为40mm，下部焦点处束流线开口(2)的半径为9mm。
7.根据权利要求6所述的4π立体角的离子束荧光探测装置，其特征在于：所述集光器(3)的θmax＝30°，a'＝11mm，a＝22mm，a为集光器入口边长长度的一半。
8.根据权利要求1所述的4π立体角的离子束荧光探测装置，其特征在于：椭圆镜(1)的反射镜面的材质为铝或金或银。
9.根据权利要求1所述的4π立体角的离子束荧光探测装置，其特征在于：还包括光电二极管和耦合位移控制系统，采用光电二极管监控入射激光和出射激光的位置，并反馈耦合位移控制系统实时调整入射激光角度和位置，保证收集光路的稳定性。
10.一种权利要求1-9中任一项所述的4π立体角的离子束荧光探测装置的探测方法，其特征在于：
原子或离子束流线经过椭圆镜的束流线开口(2)进入椭圆镜(1)腔体，激光光束与束流在收集系统内共线激发原子或离子；激发的原子或离子退激发产生荧光辐射，荧光光子经过椭圆镜(1)内壁的多次反射输送到椭圆镜(1)与集光器(3)的交界面上，再由集光器(3)的内壁反射到光栅光谱仪(4)或光电倍增管(5)中，光栅光谱仪(4)和光电倍增管(5)经过真空位移台(6)可以互相转换，最后由计算机进行数据处理。
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Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114879243B (zh) * | 2022-04-13 | 2023-04-25 | 中国科学院近代物理研究所 | 一种基于光子计数的束流光谱检测装置及方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5406462A (en) * | 1992-12-28 | 1995-04-11 | Ford Motor Company | Apparatus for collecting and transmitting light |
| JP2000284379A (ja) * | 1999-04-01 | 2000-10-13 | Fuji Photo Film Co Ltd | 光源装置 |
| CN103941382A (zh) * | 2014-04-04 | 2014-07-23 | 浙江卷积科技有限公司 | 三维空间内微弱光收集器 |
| CN105510297A (zh) * | 2015-12-29 | 2016-04-20 | 北京华泰诺安探测技术有限公司 | 拉曼荧光光谱测试系统及其光信号收集器 |
| CN206945540U (zh) * | 2017-07-14 | 2018-01-30 | 中国科学技术大学 | 一种基于激光诱导等离子体光谱技术的高效探测装置 |
| CN109540295A (zh) * | 2017-09-22 | 2019-03-29 | 三星电子株式会社 | 原子发射光谱仪、半导体制造系统和半导体元件制造方法 |
| CN111650174A (zh) * | 2020-07-27 | 2020-09-11 | 北京无线电计量测试研究所 | 一种增强型原子荧光收集装置和收集方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106546533B (zh) * | 2015-09-20 | 2019-12-10 | 大连世佩达光谱智能检测科技有限公司 | 一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼散射光谱的设备 |
| EP3182228B1 (en) * | 2015-12-15 | 2020-07-15 | ADVA Optical Networking SE | Random light collector and detection device |
| US10094536B1 (en) * | 2017-03-15 | 2018-10-09 | Optomak, Inc. | Compact high-spectral-radiance fluorescent light source including a parabolic mirror |
-
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- 2021-12-27 CN CN202111612785.4A patent/CN114324272B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5406462A (en) * | 1992-12-28 | 1995-04-11 | Ford Motor Company | Apparatus for collecting and transmitting light |
| JP2000284379A (ja) * | 1999-04-01 | 2000-10-13 | Fuji Photo Film Co Ltd | 光源装置 |
| CN103941382A (zh) * | 2014-04-04 | 2014-07-23 | 浙江卷积科技有限公司 | 三维空间内微弱光收集器 |
| CN105510297A (zh) * | 2015-12-29 | 2016-04-20 | 北京华泰诺安探测技术有限公司 | 拉曼荧光光谱测试系统及其光信号收集器 |
| CN206945540U (zh) * | 2017-07-14 | 2018-01-30 | 中国科学技术大学 | 一种基于激光诱导等离子体光谱技术的高效探测装置 |
| CN109540295A (zh) * | 2017-09-22 | 2019-03-29 | 三星电子株式会社 | 原子发射光谱仪、半导体制造系统和半导体元件制造方法 |
| CN111650174A (zh) * | 2020-07-27 | 2020-09-11 | 北京无线电计量测试研究所 | 一种增强型原子荧光收集装置和收集方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 用于浮游植物探测的三维激光诱导荧光光谱系统;刘金涛 等;激光生物学报;23(06);第542-546页 * |
| 荧光测钙装置中单色激发光源的设计和应用;周云燕 等;光电工程;31(07);第24-27页 * |
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|---|---|
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