[发明专利]一种“光子计数全谱直读”光谱分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种创新性的光谱分析方法，即一种基于“光子计数成像探测器”的“光子计数全谱直读”光谱分析方法。该方法较好的解决了“全谱直读”与“检测灵敏度”、“数据稳定性”、“读数精度”以及“线性动态范围”之间不能两者兼得的技术难题，在实现“全谱直读”的基础上，提高了光谱分析的“检测灵敏度”、“数据稳定性”、“读数精度”以及“线性动态范围”。

本发明涉及的技术领域包括光谱分析方法研究、光谱分析技术应用以及光谱分析仪器制造等领域。

背景技术

光谱分析技术具有灵敏度高、选择性好、操作方便快速、抗干扰能力强以及准确度好等优点。按照产生特征光谱的机理划分，光谱分析方法可分为吸收光谱法、发射光谱法、散射(或拉曼)光谱法以及荧光光谱法等几大类。不论采用何种方法，方法的基本构成大致相同，主要由激发源、分光系统、探测器以及信息处理与显示等部分构成。

1)激发源的作用是提供能量激发样品以产生特征光谱，包括吸收光谱、发射光谱、散射(或拉曼)光谱以及荧光光谱等特征光谱。

2)分光系统的作用是把夹杂特征光谱的入射复合光色散成单色的光谱图像，其主要由入射光阑、准直镜、色散分光元件/装置、物镜以及出射光阑等组成。一般常用的色散分光元件/装置主要有棱镜、光栅以及干涉装置等几种类型。

3)探测器的作用是通过光电转换将光信号转换成(可伴随信号增益过程)易于传输处理的电信号(电压/电流/电荷量)。

4)信息处理与显示则是对探测器输出的信号进行处理和分析，并将分析结果以各种便于人们(或机器)理解的图文形式表达出来。

按照探测器的类型及其信号处理方式的不同，光谱分析方法又可分为“电荷积分法”与“光子计数法”两大类：

1)电荷积分法是通过测量不断存储累积的电子或空穴的电荷量来反演入射光的强度，即“测电流”的方式，这也是传统光谱分析技术采用较多的一种方法。相应的探测器以电荷耦合器件(CCD/Charge Coupled Device)、电荷注入器件(CID/Charge Injection Device)、光电二极管(PD/Photo Diode)以及雪崩光电二极管(APD/Avalanche Photodiode)等为典型代表。

2)光子计数法则是将光辐射看成是由一个接一个单个的光子组成的光子流，通过对光子的计数(即脉冲计数)来反演入射光的强度。传统所用探测器以光电倍增管(PMT/Photomultiplier Tube)为典型代表。

值得一提的是：PMT同样可工作于“电荷积分”模式。传统光谱分析技术大都采用的是这种方式，只是把PMT当成一个单纯的高增益、高灵敏度的电荷积分器在使用。

与电荷积分法相比，光子计数法具有以下优点：

1)极高的信噪比与极低的背景噪声

由于光子计数法采用的是脉冲计数方式，当脉冲幅度低于一定的阈值时不予计数，因此可滤除掉大多数的噪声，具有非常高的信噪比。

光子计数法的背景噪声主要来源于探测器的暗计数。工作于光子计数模式下的探测器的暗计数非常小，通常小于1count/s·cm²，故光子计数法具有极低的背景噪声。

2)极高的探测灵敏度与极低的辐射通量下限

由于光子计数法可探测到单个的光子，因此其探测灵敏度非常高，相应的辐射通量下限也非常低，通常可达到10^-18W/cm²甚至更低。

3)无漏电流影响与良好的抗漂移性

由于光子计数法采用的是脉冲计数方式，因此其最大的优点就是不受漏电流或是暗电流的影响，具有良好的抗漂移性，避免了电荷积分法中放大器的零点漂移与增益漂移以及探测器的暗电流等诸多困扰数据稳定性的难题。

4)极宽的动态范围

由于光子计数法的辐射通量下限非常低，而其辐射通量上限只受限于最大计数率(通常在10⁵-10⁶Hz之间)，因此其动态范围非常宽，通常能达到10⁴-10⁵左右。

通常，评价一种光谱分析方法(或是一台光谱分析仪器)的好坏主要是看其“检出限”、“数据稳定性”(重复精度)、“读数精度”以及“线性动态范围”等技术指标。通过上述的对比分析，不难看出采用光子计数法进行光谱分析，上述指标都能得到大幅提升：

1)由于光子计数法的灵敏度非常高，甚至可探测到单个的光子，因此光子计数法的“检出限”更低，可进行痕量(或超痕量)分析。