实验室光学仪器--原子吸收光谱仪的检测系统结构分析
一、光电倍增管
光电倍增管是一种多极的真空光电管,内部有电子倍增机构,内增益极高,是目前灵敏度最高、响应速度最快的一种光电检测器,广泛应用于各种光谱仪器上。
光电倍增管由光窗、光电阴极、电子聚焦系统、电子倍增系统和阳极等5个部分组成。光窗是入射光的通道,同时也是对光吸收较多的部分,波长越短吸收越多,所以光电倍增管光谱特性的短波阈值取决于光窗材料。用于原子吸收光谱仪的光电倍増管的光窗材料常采用能透过紫外线的玻璃或熔融石英。光电阴极的作用是光电变换,接收入射光,向外发射光电子。光电倍增管的长波阈值取决于光电阴极材料,常用的阴极材料有Sb-Cs、Sb-K-Cs、Na-K-Sb-Cs等,Cs-Te及Cs-I极材料可用于日盲型光电倍增管。电子聚焦系统使前一极发射出来的电子尽可能没有损失尴隊到下一个倍增极上,同时保证渡越时间尽可能短。电子倍增系统由二次电子倍增材料构成,受到高能电子轰击时能发射次级电子,从而导致电子的倍增。阳极是用来收集最末一级倍增极发射出来的电子的,典型的侧窗式光电倍增管的基本工作原理及外形如图1所示。常用光电倍增管有两种结构,分别为端窗式与侧窗式,其工作原理相同。端窗式从倍增管的顶部接收光,侧席式从侧面接收光。目前光谱仪器中应用较广泛的是侧窗式。
图1 光电倍增管的工作原理及外观
二、固态检测器
在光谱仪器中常用的固态检测器有电荷耦合器件(CCD)、电荷注入器件(CD)、二极管阵列检测器(PDA)等几种。根据感光元件的排列形式又分线阵和面阵两种。这种器件出现于20世纪70年代,80年代后期在光谱仪器上的应用研究取得了进展,进入90年代在商品化仪器中已有使用。美国 Perkin Elmer公司等在原子吸收光谱仪上使用了面阵CCD,棱镜与中阶梯光栅单色器结合,组成高辨率分光系统,又称 DEMON分光系统,可实行多元素同时测量。下面简要介绍几种常用的固态检测器。
固态检测器主要由光电转换元件及电信号读出电路两部分组成。光电转换元件是由按照定规律排列的被称为像素的感光小单元组成,一般为硅光电二极管。将光电二极管通过不同的技术集成在一起形成线阵或面阵。不同种类的器件其电信号读出电路的制作工艺及信号读出方式各不相同,下面就光谱仪器常用的固态器件作一简介。
PDA是将光电二极管阵列、扫描电路(数字移位寄存器)及晶体管开关电路集成在一起的,图2是典型的PDA内部结构示意图。扫描电路在开始脉冲及相位脉冲的控制下,顺序打开晶体管开关电路寻址相应的光电二极管,并将信号输出。光电二极管工作在电荷积分模式,所以输出信号与曝光量(光强度x积分时间)成正比。
CCD有线阵及面阵两种。线阵器件在读码器、扫描仪及线性接收的光谱仪器上应用较广。面阵器件常用于数字摄像机、照相机等成像设备。由于CCD的像元尺寸较小(几微米至几十微米),在光谱仪器上为接收单色器色散后的光谱带图像也有采用长方形CD检测器的。CCD器件是在一块硅片上集成光电二极管阵列与电荷移位寄存器两部分。在积分周期内光电二极管阵列检测入射的光信号并产生与曝光量成比例的光生电荷,储存在势垒中,在移位周期,光生电荷转移到CD移位寄存器并输出。其基本结构如图3所示。
图3中,光电二极管阵列与电荷移位寄存器分别由不同的脉冲驱动。图中为高电平时,各光电二极管为反相偏置,光生的电子空穴对中的空穴被p-n结的内电场推斥,而电子则积件于P结的耗尽区中。在入射光的持续照射下,得到光生电荷的积累。转移栅接低电平时,使光电二极管阵列与电荷移位寄存器彼此隔离;转移栅接高电平时,使光电二极管阵列与电荷移位器彼此导通,积累的光生电荷并行流入电荷移位寄存器中,接着在驱动的作用下,光生电荷按照CCD中的空间顺序串行转移出去。
图2 PDA内部结构示意图
图3 电荷耦合器件(CCD)的基本结构简图
普通光栅(小阶梯光栅)单色器可在单色器的光谱面上采用线阵器件接收,为提高灵敏度可采用像元高度较大的PDA线阵器件。中阶梯光栅单色器可采用面阵接收器,同时接收不同级别的光谱图。
三、双检测器
双检测器仪器应用两个完全匹配的光电倍增管做检测器,实现了无时间差的实时检测和背景校正;石墨炉采用双塔载式高阻值石墨管与双塞曼和双检测器相结合,真正实现了在同一时间、同一测量波长、同一观察部位的精确测量和准确的背景校正。这项技术最先应用于日立公司的2-2000系列偏振塞曼法的原子吸收仪器,见图4。其检测原理是:样品中的被测原子在导入磁场时,分析谱线中与磁场平行的(图13-27Z-2000仪器应用双检测器的光学系统偏振组分会被原子吸收;而与磁场垂直的偏振组分则不被原子吸收。另一方面,由分子和颗粒物散射所形成的背景吸收在磁场作用下不发生变化。对这两个偏光成分的测量值进行差减,背景吸收就被消除,而得到纯原子信号。
