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在设计光栅单色器时需要注意的问题

 山风蛊天风姤 2019-10-25

第一,光栅的挑选。在设计单色器时,要根据被设计的光学类分析仪器的类型选择光栅。对于紫外可见分光光度计,光栅的作用大致有三个方面:一是分光;二是能量传递;三是光线转向。其中分光是最主要的作用。因此,设计紫外吸收类的光谱仪器时,要选择条数多的光栅。因为紫外吸收类的光学分析仪器,一般都采用发射连续光谱的光源,由光栅从连续光谱中分出窄带光作为分析测试光线。而光栅的条数越多,分辨本领越高,仪器的分辨率就越高。一般紫外可见分光光度计中使用的光栅,大多为1200条/mm。如果要求分辨率很高,也可以采用1800条/mm、2400条/mm或条数更多的光栅。同时,希望光栅的波长范围越宽越好,一般要求波长范围为190~900nm(光电倍增管作光接收器),或190~1100nm(硅光电池作光接收器)。

对于红外吸收类的仪器,应挑选条数较少的光栅,如100~750条/mm左。因为红外吸收类的光学分析仪器波长比较长,而光栅在红外区的色散大,所以不需要条数很多,就可以达到所要求的分辨率。

对于原子吸收分光光度计,光栅的作用大致也有三个方面:一是滤去不需要的分析线(有时滤去次灵敏线,有时滤去主灵敏线,根据使用者的需要而不同);二是能量传递;三是光线转向。用于原子吸收分光光度计的光栅,一般选择1200条/mm就足够了;因为原子吸收分光光度计采用空心阴极灯作光源,它的线宽度理论上为0. 005nm,是任何平面光栅不能达到的(中阶梯光栅除外)。有人盲目地把光栅在原子吸收分光光度计和在紫外可见分光光度计中的作用混为一谈,因此,他们在原子吸收分光光度计中挑选1800条/mm的光栅,而且认为采用1800条/mm光栅的原子吸收分光光度计优于采用1200条/mm光栅的原子吸收分光光度计。其实正相反,1800条/mm光栅使用在原子吸收分光光度计中是一种浪费,而且能量损失大。原子吸收类的仪器使用的光栅波长范围,与用光电倍增管作光接收器的紫外可见光吸收类仪器使用的光栅波长要求相同。

第二,单色器类型的选择。如前所述,杂散光与单色器的类靖关。单色器的结构决定了其杂散光的大小,如Mouk-Gilieson型、Ebert型的杂散光大,而使用最多的C-T型的杂散光小。因为杂散光是单色器最重要的一项性能技术指标,所以在选择单色器类型时要注意。

第三,狭缝的设计。根据仪器学理论,单色器出射狭缝谱面上的谱线是弯曲的,而狭缝又有高度,所以设计时要考虑谱线弯曲问题。但是,目前国产光器的出射狭缝基本上都不是弯曲的。

第四,物镜和准直镜焦距的设计。单色器的准直镜和物镜的焦距,与单色器的分辨率有关。一般来讲,要求单色器的分辨率越高,物镜和准直镜的焦距就要越长。所以一般便携式的小型光谱仪器,因为物镜和准直镜的焦距短,分辨率不可能很高。

第五,物镜和准直镜焦距的相对孔径的设计。我们主张采用大口径的物镜和准直镜,这样可以改善相对孔径D/f(D为口径,f为焦距),提高对光信号的利用率,增大仪器的信噪比(提高灵敏度)。

第六,闪耀波长位置的选择。所谓闪耀波长,就是光能量输出效率最高的波。一般要根据不同类型的光学类分析仪器的要求来选择闪耀波长的位置。对于大多数的紫外吸收类仪器,闪耀波长应该选在紫外区,一般为230~260nm。可见光区应该选择在400nm左右。原子吸收类仪器也与紫外吸收类仪器相同。

第七,光栅输出能量的平坦度选择。在光栅的波长范围内,除闪耀波长外的其他波长的输出能量应该越大越好,输出曲线最好是平坦的(实际上不可能)或比较平坦的。

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