CN211014002U - 一种基于电真空器件的光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于电真空器件的光谱仪，包括光信号输入系统、色散分光棱镜、基于微通道板的位敏型多阳极光电探测器以及数据采集及信号处理系统；光信号输入系统的狭缝与色散分光棱镜的主截面垂直，其准直系统将被测光信号准直成平行的光束投射到色散分光棱镜的接收面上；被测光信号经色散分光棱镜色散后，各不同波长的单色光波入射至位敏型多阳极光电探测器探测面不同位置处，从而在其对应的位敏多阳极产生探测电流，通过数据采集及信号处理系统完成光谱波长和能量信息的检测与分析。该光谱仪选用基于微通道板(MCP)的位敏型多阳极光电探测器以提高探测器的信噪比，具有响应时间快，灵敏度高，弱信号探测能力强及结构简单紧凑等特点。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电探测领域，特别涉及一种基于电真空器件的光谱仪。
背景技术
光谱分析(英文：spectral analysis或spectrum analysis)是根据物质的光谱来鉴别物质及确定其化学组成和相对含量的方法，是以分子和原子的光谱学为基础建立起的分析方法。各种结构的物质都具有自己的特征光谱，因此可利用光谱学的原理和实验方法以确定物质的结构和化学成分。光谱分析法开创了化学和分析化学的新纪元，不少化学元素通过光谱分析发现。随着科技、工业、居民生活的发展需要，光谱技术已成为现代分析检测技术中的一个重要组成部分，在检测分析领域中占据着十分重要的地位。
光谱仪是一种将复色光分离成光谱的光学仪器，可进行光谱研究和物质结构分析，是利用光学色散原理及现代先进电子技术设计的光电探测分析仪器。光谱仪的基本作用是将检测分析目标光信号的光谱特性，包括波长、强度等谱线特征。一般具有分光、感光、绘制谱线等功能。一般根据光谱仪所采用的分解光谱的原理将其划分为两大类：一类是基于空间色散分光的光谱仪，称之为经典光谱仪；另一类是基于调制原理分光的新型光谱仪。
近些年来，我国在光谱技术取得了快速的发展，拥有了在原子荧光光谱、原位光谱等自主知识产权的光谱技术，在光谱仪器也取得了重大进展。高水平的分析检测仪器也是现代文明的标志，社会的发展对分析仪器提出了更高的要求。随着科技强国、创新驱动发展的理念，检测分析仪器则突显的尤为重要。光谱仪器所采用的光谱分析法作为常用的灵敏、快速、准确的近代仪器分析方法之一，目前已广泛地用于地质、冶金、石油、化工、材料、农业、医药、生物化学、环境保护等许多方面。因此，随着我国面临的环境等国家重大需求，工业、民生、基础研究等领域的不断发展，光谱分析仪器未来将面临更大的挑战和机遇，同样也具有非常广阔的市场前景。然而目前基于打拿极光电倍增管为核心器件的光谱仪空间分辨率低，响应时间在纳秒量级，探测弱光信号能力受限。
实用新型内容
本实用新型的目的是克服上述现有技术中存在的问题，根据色散分光原理，利用基于MCP型位敏多阳极探测器对光信号位置敏感及多阳极输出的特点，提供一种基于电真空器件的光谱仪，相较于传统的光谱仪，本实用新型光谱仪具有响应时间快，光谱灵敏度高，弱信号探测能力强及结构简单紧凑等特点。
本实用新型的技术方案是：一种基于电真空器件的光谱仪，包括光信号输入系统、色散分光棱镜、基于微通道板(MCP)的位敏型多阳极光电探测器以及数据采集及信号处理系统；所述光信号输入系统包括狭缝和准直系统，其中狭缝与色散分光棱镜的主截面垂直，被测光信号依次通过狭缝及准直系统，准直系统将被测光信号准直成平行的光束投射到色散分光棱镜的接收面上；所述基于微通道板的位敏型多阳极光电探测器的接收面与色散分光棱镜的主截面垂直，被测光信号经色散分光棱镜色散后，各不同波长的单色光波入射至位敏型多阳极光电探测器探测面不同位置处，从而在其对应的位敏多阳极产生探测电流，然后通过数据采集及信号处理系统完成光谱波长和能量信息的检测与分析。其中色散分光棱镜与基于微通道板的位敏型多阳极光电探测器之间还设置有用于对所述单色光波进行调制，优化和提高光谱分辨能力的聚焦成像系统。
上述准直系统的工作波段是紫外光波段、可见光波段或红外光波段。
上述阴极光窗的材料在需要透过可见光光波时，选用普通光学玻璃制作，当需要透过紫外区光波时选用石英玻璃制作；根据探测波长的不同，光电阴极采用相应波长响应的阴极类型。
上述基于微通道板的位敏型多阳极光电探测器的电子倍增器采用微通道板结构，采用一块微通道板或两块微通道板，或者采用具有位置分辨的栅格式电子倍增器。
上述基于微通道板的位敏型多阳极光电探测器具有选通功能。
上述基于微通道板的位敏型多阳极光电探测器从接收被测光信号一端开始，包括依次设置的阴极光窗、光电阴极、电子倍增器以及位敏多阳极。
上述基于微通道板的位敏型多阳极光电探测器阳极结构可以为金属多阳极结构也可以为半导体多阳极结构。
本实用新型的有益效果：本实用新型实施例中，提供一种基于电真空器件的光谱仪，其利用色散分光棱镜进行分光，该光谱仪探测接收系统主要由光学狭缝、色散分光棱镜、位敏型多阳极探测器三大部分构成。各种光源信号或物质被照射激发产生的光信号都可以作为其测试分析的对象，可分析从紫外、可见到红外不同谱段，具有响应时间快，光谱分辨率高，分析探测能力强等特点。本实用新型为基于微通道板(MCP)的位敏型多阳极光电探测器，由于微通道板自身微米级的微孔结构，空间分辨可以达到微米量级(具有较高的光谱分辨率)，响应时间更快，可以达到百皮秒量级，同时该器件具有选通功能，有效去除背景噪声，大幅提高探测器信噪比，从而使得该光谱仪具有极强的弱光探测能力。本实用新型采用不同的材料及工艺配置，可实现从紫外到红外全光谱范围测量；具有超快的时间分辨能力，可以达百皮秒量级；基于微通道板(MCP)的位敏型多阳极光电探测器具有选通功能，可精确设定及控制采样时间；位敏阳极信号与光谱信息的对应，光谱信息读出与数据处理系统简单；整个系统构成简单，易于装配，可与其他系统配接。该光谱仪可用于科研、工业及民用等各种领域及不同行业，具有很好的应用价值和广阔的市场前景。
附图说明
图1为本实用新型光谱仪系统原理示意图；
图2为本实用新型光谱仪包含聚焦成像系统的分光探测接收系统原理图；
图3为本实用新型光谱仪无聚焦成像系统时的分光探测接收系统原理图；
图4为本实用新型光谱仪探测接收系统为位敏光电倍增管时的分光探测接收系统原理图。
附图标记说明：1、狭缝；2、准直系统；3、色散分光棱镜；4、阴极光窗；5、光电阴极；6、电子倍增器；7、位敏多阳极；8、数据采集及信号处理系统；9、聚焦成像系统。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本实用新型的保护范围并不受具体实施方式的限制。
参见图1-图4，本实用新型实施例提供了一种基于电真空器件的光谱仪，包括光信号输入系统、色散分光棱镜3、基于微通道板(MCP)的位敏型多阳极光电探测器以及数据采集及信号处理系统8；所述光信号输入系统包括狭缝1和准直系统2，其中狭缝1与色散分光棱镜3的主截面垂直，被测光信号依次通过狭缝1及准直系统2，准直系统2将被测光信号准直成平行的光束投射到色散分光棱镜3的接收面上；所述基于微通道板的位敏型多阳极光电探测器的接收面与色散分光棱镜3的主截面垂直，被测光信号经色散分光棱镜色散后，各不同波长的单色光波入射至位敏型多阳极光电探测器探测面不同位置处，从而在其对应的位敏多阳极产生探测电流，然后通过数据采集及信号处理系统完成光谱波长和能量信息的检测与分析；其中色散分光棱镜3与基于微通道板(MCP)的位敏型多阳极光电探测器之间还设置有用于对所述单色光波进行调制，优化和提高光谱分辨能力的聚焦成像系统9，该聚焦成像系统具体可采用聚焦成像镜组。
进一步地，所述狭缝1的前端还根据实际需求设有用于配接向狭缝1提供光信号的其他系统的接口。
进一步地，所述准直系统2的工作波段是紫外光波段、可见光波段或红外光波段。
进一步地，所述阴极光窗4的材料在需要透过可见光光波时，选用普通光学玻璃制作，当需要透过紫外区光波时选用石英玻璃制作；根据探测波长的不同，光电阴极5采用相应波长响应的阴极类型。
进一步地，所述基于微通道板的位敏型多阳极光电探测器的电子倍增器6采用微通道板(MCP)结构，采用一块微通道板或两块微通道板，阳极结构可以为金属多阳极结构也可以为半导体多阳极结构。。
进一步地，所述基于微通道板的位敏型多阳极光电探测器具有选通功能，通过与外加触发信号进行同步或延时设定，能够对该光谱仪采样时间进行精确定时，实现光谱仪采样时间的精确控制。
本实用新型的工作原理：本实用新型主要由光信号输入系统(狭缝和光信号准直系统)、色散分光棱镜、基于微通道板的位敏型多阳极光电探测器及其数据采集及信号处理系统构成，其中狭缝与色散分光棱镜主截面垂直，被测光信号通过狭缝及光信号准直系统，将被测光信号经过准直成平行的光束投射到色散分光棱镜接收面处。狭缝前端可根据实际需求设计接口与其他系统配接。其中光信号准直系统根据光谱仪的工作波长设计的一组镜头组合，镜片可根据光谱仪的工作波长选择，可工作在紫外光、可见光及红外等不同谱段。
色散分光棱镜的作用可将入射的单束复合光分解为多束单色光，不同波长的谱线彼此分开，使被测光信号在一定空间内按照一定的波长规律分开，这样就得到了入射光的光谱。光谱仪能检测的光谱范围决定于棱镜等光学元件对光谱的吸收，普通光学玻璃只适用于可见光波段，用石英可扩展到紫外区。
位敏型多阳极光电探测器的接收面与色散分光棱镜主截面垂直，基于微通道板(MCP)的位敏型多阳极光电探测器由阴极光窗4、光电阴极5、电子倍增器6以及位敏多阳极7构成。色散分光棱镜出来的单色光，透过阴极光窗打在后端多阳极探测器的光电阴极上，在光电效应作用下转换为电子束，电子束团在加速聚焦电场的作用下入射到微通道板上产生电子倍增，倍增后电子由光电探测器阳极收集产生电流。由于探测器阳极为多阳极位敏结构，因此，可根据不同位置阳极电流完成光谱的波长和能量信息的检测与分析。对于可见光探测，阴极光窗4材料可选用普通光学玻璃，用石英可扩展到紫外区。光电阴极根据探测波长的不同，采用相应波长响应的阴极类型。电子倍增器6主要作用是将光电效应下光电阴极发射电子进行倍增，实现信号倍增放大，从而可实现弱信号的探测。电子倍增器增益可以达到105至107，使得光谱仪的探测能力大大增强。电子倍增器可采用微通道板(MCP)结构，可采用一块MCP，也可采用2块MCP；电子倍增器也可采用具有位置分辨的栅格式电子倍增结构。多阳极探测器具有选通功能，与外加触发信号进行同步或延时设定，可对光谱仪采样时间进行精确定时，实现光谱仪采样时间的精确控制。根据设计需要在色散分光棱镜与多阳极探测器之间设置聚焦成像镜组，能够对单色光进行调制，优化和提高光谱分辨能力。位敏多阳极探测器还可采用其他种类电真空光电探测器，如ICCD、EB-CMOS等器件来进行代替。
数据采集及信号处理系统8是将位敏多阳极探测器阳极输出电信号采集，针对不同阳极输出的数据经过处理后存储或通过高速传输接口上传给上位机，上位机对得到的光谱信息进行进一步的处理，并根据设定的方式进行显示，最终将把分开的光波及其强度按波长或波数的发布规律记录保存或显示对应光谱图。
本实用新型的工作过程：一束被测信号光通过光谱仪的狭缝后，经过准直系统准直为平行光，投射到色散分光棱镜的接收面；在色散分光棱镜色散作用下，该被测信号光色散分解，不同波长的谱线彼此分开，使被测光信号在一定空间内按照一定的波长(如附图1中所示波长λ1…λn)规律分开；色散后不同波长的光信号再入射到后端位敏多阳极探测器的阴极面不同位置，在光电阴极作用下实现光电转换，光阴极发射电子束在电场的作用下加速轰击电子倍增器(MCP或栅格式电子倍增器)，实现电子倍增，信号也大幅增强；通过倍增器后不同位置的电子束信号隐含了不同光谱信息，被不同位置的阳极收集(如附图1中所示不同位置阳极A1…An)，位敏多阳极探测器不同位置收集到的电信号即代表了不同波长的被测光信号，最终由数据采集及信号处理系统(信号读出和处理系统)进行数据处理、记录并进行显示，即完成该光谱仪对被测光信号光谱信息的检测分析。
综上所述，本实用新型提供的基于电真空器件的光谱仪，其利用色散分光棱镜进行分光，该光谱仪探测接收系统主要由光学狭缝、色散分光棱镜、位敏型多阳极探测器三大部分构成。各种光源信号或物质被照射激发产生的光信号都可以作为其测试分析的对象，可分析从紫外、可见到红外不同谱段，具有响应时间快，光谱分辨率高，分析探测能力强等特点。本实用新型为基于微通道板(MCP)的位敏型多阳极光电探测器，由于微通道板自身微米级的微孔结构，空间分辨可以达到微米量级(具有较高的光谱分辨率)，响应时间更快，可以达到百皮秒量级，同时该器件具有选通功能，有效去除背景噪声，大幅提高探测器信噪比，从而使得该光谱仪具有极强的弱光探测能力。本实用新型采用不同的材料及工艺配置，可实现从紫外到红外全光谱范围测量；具有超快的时间分辨能力，可以达百皮秒量级；基于微通道板(MCP)的位敏型多阳极光电探测器具有选通功能，可精确设定及控制采样时间；位敏阳极信号与光谱信息的对应，光谱信息读出与数据处理系统简单；整个系统构成简单，易于装配，可与其他系统配接。该光谱仪可用于科研、工业及民用等各种领域及不同行业，具有很好的应用价值和广阔的市场前景。
以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是，本实用新型实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于电真空器件的光谱仪，其特征在于，包括光信号输入系统、色散分光棱镜(3)、基于微通道板的位敏型多阳极光电探测器以及数据采集及信号处理系统(8)；所述光信号输入系统包括狭缝(1)和准直系统(2)，其中狭缝(1)与色散分光棱镜(3)的主截面垂直，被测光信号依次通过狭缝(1)及准直系统(2)，准直系统(2)将被测光信号准直成平行的光束投射到色散分光棱镜(3)的接收面上；所述位敏型多阳极光电探测器的接收面与色散分光棱镜(3)的主截面垂直，被测光信号经色散分光棱镜(3)色散后，各不同波长的单色光波入射至位敏型多阳极光电探测器的探测面不同位置处，从而在其对应的位敏多阳极产生探测电流，并通过所述数据采集及信号处理系统(8)完成光谱的波长和能量信息的检测与分析。
2.如权利要求1所述的一种基于电真空器件的光谱仪，其特征在于，所述准直系统(2)的工作波段是紫外光波段、可见光波段或红外光波段。
3.如权利要求1所述的一种基于电真空器件的光谱仪，其特征在于，所述位敏型多阳极光电探测器的电子倍增器(6)采用微通道板结构采用一块微通道板或两块微通道板，位敏型多阳极光电探测器的阳极结构是金属多阳极结构或者半导体多阳极结构。
4.如权利要求1所述的一种基于电真空器件的光谱仪，其特征在于，所述基于微通道板的位敏型多阳极光电探测器具有选通功能。
5.如权利要求1所述的一种基于电真空器件的光谱仪，其特征在于，所述色散分光棱镜(3)与位敏型多阳极光电探测器之间还设置有用于对所述单色光波进行调制、优化和提高分辨能力的聚焦成像系统(9)。
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| CN111998946A (zh) * | 2020-08-31 | 2020-11-27 | 济南冠鼎信息科技有限公司 | 一种光谱测量光电传感器 |
| CN114199377A (zh) * | 2021-08-23 | 2022-03-18 | 南开大学 | 一种近红外纳米增强光谱仪 |
| CN115014713A (zh) * | 2022-05-13 | 2022-09-06 | 中国科学院高能物理研究所 | 一种微通道板准直器紫外平行光检测装置及检测方法 |
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