[发明专利]光谱分析系统

说明书

技术领域

本发明属于分析仪器领域，具体涉及一种光谱分析系统。

背景技术

光谱仪是通用的光谱分析仪器，在等离子体物理、原子分子物理等研究领域有着广泛的运用。以低温等离子体物理研究为例，要了解等离子体中各种粒子的行为规律，最基本的方法是通过测量各种粒子的发射谱线。低温等离子体的发射光谱包含许多的原子分子谱线，并且分布在从紫外到红外的很宽的波长范围内。同时，对于非恒定状态的等离子体，其发射光谱是随时间变化的，并且可能是非周期性不重复的。为了解等离子体中复杂的物理化学过程，通常需要采集除了主要的强谱线外的许多微弱谱线。因此，光谱测量的难度很大，要求满足以下要求：第一，可以在同一时刻测量不同波长处的谱线强度；第二，系统的灵敏度和信噪比足够高以测量微弱谱线；第三，检测器具有快速的时间响应能力和数据采集能力，以便在短时间内完成大量快速变化的光谱信号的采集。

目前广泛使用的光谱仪主要为切尼-特纳结构，主要包括：入口狭缝、准直反射镜、衍射光栅、聚焦反射镜、出口狭缝（可选）和检测器。常用的检测器主要有光电倍增管和CCD相机。光电倍增管通常需要配合出口狭缝使用，每个时刻只采集某个波长的光信号，因此是单通道检测器。光电倍增管的优点是高灵敏度和快速时间响应，特别是当其工作在光子计数模式时，其灵敏度是现有所有光学检测器中最高的，可对进入其窗口的光子进行单光子纳秒量级的时间分辨测量。同时，其缺点是作为单通道检测器使用时需要通过转动光栅扫描波长，对于大波长范围内的光谱信号测量需要时间长，效率低。相比较而言，CCD相机具有二维面阵，不需要出口狭缝，可同时采集不同波长处的光信号，因此测量稳定光信号所需的数据采集时间较短。相比光电倍增管，普通的CCD相机的灵敏度和时间分辨能力较差。因此，当需要测量随时间变化的微弱光谱信号时，通常使用增强型CCD相机。增强型CCD相机通过增加电子倍增段以提高灵敏度，同时以电信号控制电子倍增段的开关可以实现纳秒级别的曝光时间。受光阴极材料和荧光板发光效率等因素的限制，增强型CCD相机的检测效率低于光电倍增管。同时，虽然增强型CCD相机的曝光时间可以达到纳秒级，但受信号累加、CCD电荷转移速度和模数转换速度等因素的限制无法连续采集信号，必须多个周期累加信号，因此采集效率较低并且要求光信号必须是周期性重复的，无法用于瞬态不重复光信号的测量。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种光谱分析系统。

为了实现上述目的，根据本发明实施例的光谱分析系统，包括：切尼-特纳光路结构，所述切尼-特纳光路结构用于将光源的光谱分光为不同波长单色光后平行地输出；光电倍增管阵列，所述光电倍增管阵列包括N个光电倍增管，N为正整数；光纤阵列，所述光纤阵列包括N组光纤，各组光纤的第一端排成与入射狭缝平行方向的一列安装在所述切尼-特纳光路结构的聚焦平面上，其中所述各组光纤的第一端收集不同波长单色光，所述N组光纤的第二端与所述N个光电倍增管一一对应地相连以将不同波长的光信号传导到不同的光电倍增管；多通道时间门控计数器，所述多通道时间门控计数器与所述多个光电倍增管分别电性连接；高压电源，所述高压电源与所述光电倍增管阵列电性连接；和温度控制模块，所述温度控制模块与所述光电倍增管阵列相连，用于在进行光谱测量时将所述光电倍增管阵列维持在恒定的低温环境。

根据本发明实施例的光谱分析系统，利用光电倍增管阵列作为光谱仪的检测器，利用光纤阵列将光谱仪焦平面上不同波长的光谱信号传输到不同的光电倍增管，光电倍增管阵列的脉冲输出信号由多通道门控计数器进行计数，从而使得该系统具有单光子级别的高灵敏度和纳秒量级的时间分辨能力。同时，本发明利用光纤阵列传输光谱信号，减少了电磁干扰和X射线的影响。同时，由温度控制模块进行对光电倍增管阵列进行制冷和温度控制，有利于降低本底信号，提高信噪比，实现稳定工作,提高分析结果的准确性。相比现有的使用单个光电倍增管或CCD相机的光谱仪系统，本发明的光谱分析系统的优点在于同时具有高灵敏度和高时间分辨能力，可用于采集微弱的快速变化且不重复的光谱信号。

另外，根据本发明实施例的光谱分析系统还可以具有如下附加技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述切尼-特纳光路结构具体包括：入射狭缝、准直反射镜、衍射光栅和聚焦反射镜，其中，光源发出的连续光谱经过所述入射狭缝到照射到所述准直反射镜上，然后经过所述准直反射镜反射形成平行光，所述平行光经过所述衍射光栅衍射后，通过所述聚焦反射镜使不同波长的单色光聚焦到同一焦平面上的不同位置。