光學(xué)分析法概論藥

1、1第第 2 章章光學(xué)分析法概論光學(xué)分析法概論2-1 電磁輻射與電磁波譜電磁輻射與電磁波譜2-2 光學(xué)分析法分類光學(xué)分析法分類2光學(xué)分析法光學(xué)分析法 利用光電轉(zhuǎn)換或其它電子器件測(cè)定利用光電轉(zhuǎn)換或其它電子器件測(cè)定“輻射與輻射與物質(zhì)相互作用物質(zhì)相互作用”之后的輻射強(qiáng)度等光學(xué)特性，進(jìn)之后的輻射強(qiáng)度等光學(xué)特性，進(jìn)行物質(zhì)的定量、定性和結(jié)構(gòu)分析的方法。行物質(zhì)的定量、定性和結(jié)構(gòu)分析的方法。 歷史上，此相互作用只是局限于電磁輻射與歷史上，此相互作用只是局限于電磁輻射與物質(zhì)的作用，這也是目前應(yīng)用最為普遍的方法。物質(zhì)的作用，這也是目前應(yīng)用最為普遍的方法。現(xiàn)在，光譜方法已擴(kuò)展到其它各種形式的能量與現(xiàn)在，光譜方法已擴(kuò)展

2、到其它各種形式的能量與物質(zhì)的相互作用，如聲波、粒子束（離子和電子）物質(zhì)的相互作用，如聲波、粒子束（離子和電子）等與物質(zhì)的作用。等與物質(zhì)的作用。3 1. 光的波動(dòng)性光的波動(dòng)性：電磁輻射為正弦波（波長、頻率、電磁輻射為正弦波（波長、頻率、速度、振幅）。與其它波，如聲波不同，電磁波不需速度、振幅）。與其它波，如聲波不同，電磁波不需傳播介質(zhì)，可在真空中傳輸。傳播介質(zhì)，可在真空中傳輸。 磁場(chǎng)磁場(chǎng)傳播方向傳播方向電場(chǎng)電場(chǎng)單光色平面偏振光的傳播單光色平面偏振光的傳播y = A sin( t + ) = A sin(2 vt + )2-1 電磁輻射與電磁波譜電磁輻射與電磁波譜一、電磁輻射（電磁波）一、電磁輻射

3、（電磁波）波粒二象性波粒二象性4波動(dòng)性主要參數(shù)波動(dòng)性主要參數(shù)n波長n波數(shù)n頻率n光速單位:nm,1單位:cm ,單位：Hz,c 110scm1003 .cc1 52. 光的粒子性光的粒子性 當(dāng)物質(zhì)發(fā)射電磁輻射或者電磁輻射被物質(zhì)吸收時(shí)，當(dāng)物質(zhì)發(fā)射電磁輻射或者電磁輻射被物質(zhì)吸收時(shí)，就會(huì)發(fā)生能量躍遷。此時(shí)，電磁輻射不僅具有波的特就會(huì)發(fā)生能量躍遷。此時(shí)，電磁輻射不僅具有波的特征，而且具有粒子性，最著名的例子是光電效應(yīng)現(xiàn)象征，而且具有粒子性，最著名的例子是光電效應(yīng)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。的發(fā)現(xiàn)。 1）光電效應(yīng)）光電效應(yīng)現(xiàn)象：現(xiàn)象：1887，Heinrich Hetz（在光照時(shí)，兩間隙間更（在光照時(shí)，兩間隙間更易發(fā)生

4、火花放電現(xiàn)象）易發(fā)生火花放電現(xiàn)象）解釋：解釋：1905，Einstein理論，理論，E = h 證明：證明：1916，Millikan（真空光電管）（真空光電管）6hchchE h：普朗克常數(shù)，：普朗克常數(shù)，6.626210-34Js;量子理論量子理論(Max Planck，1900)： 物質(zhì)粒子總是處于特定的不連續(xù)的能量狀態(tài)，物質(zhì)粒子總是處于特定的不連續(xù)的能量狀態(tài)，即能量是量子化的；處于不同能量狀態(tài)粒子之間發(fā)即能量是量子化的；處于不同能量狀態(tài)粒子之間發(fā)生能量躍遷時(shí)的能量差生能量躍遷時(shí)的能量差 E 可用可用 h 表示。表示。兩個(gè)重要推論兩個(gè)重要推論： 物質(zhì)粒子存在不連續(xù)的能態(tài)，各能態(tài)具有特定物

5、質(zhì)粒子存在不連續(xù)的能態(tài)，各能態(tài)具有特定的能量。當(dāng)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，該粒子將吸收的能量。當(dāng)粒子的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，該粒子將吸收或發(fā)射完全等于兩個(gè)能級(jí)之間的能量差；或發(fā)射完全等于兩個(gè)能級(jí)之間的能量差； 反之亦是成立的，即反之亦是成立的，即 E = E1 - E0 = h 2）能態(tài)）能態(tài)7電子或者其它電子或者其它基本粒子基本粒子原子原子,離子離子,分子分子轟擊轟擊原子原子*, 離離子子*,分子分子*原子原子,離子離子,分子分子X激發(fā)激發(fā)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)基態(tài)基態(tài)基態(tài)基態(tài)能量能量發(fā)射發(fā)射電弧電弧,火花火花,火火焰焰, ICP原子原子,離子離子,分子分子原子原子*,離子離子*,分子分子*原子原子,離子離子,

6、分子分子UV,VIS,IR激發(fā)激發(fā)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)基態(tài)基態(tài)基態(tài)基態(tài)能量能量發(fā)射發(fā)射電磁輻射或者電磁輻射或者化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)原子原子,離子離子,分子分子光（一次光）光（一次光）原子原子*, 離離子子*,分子分子*原子、離原子、離子、分子子、分子熒光（二次光）熒光（二次光）激發(fā)激發(fā)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)基態(tài)基態(tài)基態(tài)基態(tài)能量能量發(fā)射發(fā)射3）電磁波的發(fā)射）電磁波的發(fā)射光譜圖光譜圖AESX-rayAFS,MFS,XFS 產(chǎn)生的輻射通稱為發(fā)射光譜，以輻產(chǎn)生的輻射通稱為發(fā)射光譜，以輻射能對(duì)輻射頻率或波長作圖可得到發(fā)射射能對(duì)輻射頻率或波長作圖可得到發(fā)射光譜圖光譜圖：8H2-O2火焰中海水的發(fā)射光譜圖火焰中海水的發(fā)射光譜圖9

7、0A 線光譜線光譜: 由處于氣相的單個(gè)原子發(fā)生電子能級(jí)躍遷所產(chǎn)由處于氣相的單個(gè)原子發(fā)生電子能級(jí)躍遷所產(chǎn)生的銳線，線寬大約為生的銳線，線寬大約為10-4 。 帶狀光譜帶狀光譜: 由氣態(tài)自由基或小分子振動(dòng)由氣態(tài)自由基或小分子振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷所產(chǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷所產(chǎn)生的光譜，由于各能級(jí)間的能量差較小，因而產(chǎn)生生的光譜，由于各能級(jí)間的能量差較小，因而產(chǎn)生的譜線不易分辨開而形成所謂的帶狀光譜，其帶寬的譜線不易分辨開而形成所謂的帶狀光譜，其帶寬達(dá)幾個(gè)至幾十個(gè)達(dá)幾個(gè)至幾十個(gè)nm)；光譜類型光譜類型10線光譜線光譜帶光譜帶光譜11 連續(xù)光譜：連續(xù)光譜： 固體被加熱到熾熱狀態(tài)時(shí)，無數(shù)原子和分子固體被加熱到熾熱狀態(tài)

8、時(shí)，無數(shù)原子和分子的運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)所產(chǎn)生的熱輻射，也稱黑體輻射。的運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)所產(chǎn)生的熱輻射，也稱黑體輻射。通常產(chǎn)生背景干擾。溫度越高，輻射越強(qiáng)，而且通常產(chǎn)生背景干擾。溫度越高，輻射越強(qiáng)，而且短波長的輻射強(qiáng)度增加得最快！短波長的輻射強(qiáng)度增加得最快！ 另一方面，熾熱的固體所產(chǎn)生的連續(xù)輻射是另一方面，熾熱的固體所產(chǎn)生的連續(xù)輻射是紅外、可見及較長波長的重要輻射源（光源）。紅外、可見及較長波長的重要輻射源（光源）。124）電磁波的吸收）電磁波的吸收 現(xiàn)象：當(dāng)電磁輻射通過固體、液體或氣體時(shí)，具一定現(xiàn)象：當(dāng)電磁輻射通過固體、液體或氣體時(shí)，具一定頻率頻率( (能量能量) )的輻射將能量轉(zhuǎn)移給處于基態(tài)的原子、分的輻

9、射將能量轉(zhuǎn)移給處于基態(tài)的原子、分子或離子，并躍遷至高能態(tài)，從而使這些輻射被子或離子，并躍遷至高能態(tài)，從而使這些輻射被選擇選擇性地性地吸收。吸收。原子吸收：原子吸收光譜分析原子吸收：原子吸收光譜分析(AAS);(AAS);分子吸收：紫外可見光度分析分子吸收：紫外可見光度分析(UV-Vis)(UV-Vis)；分子吸收：紅外光譜分析分子吸收：紅外光譜分析(IR)(IR)及拉曼光譜及拉曼光譜(Raman) (Raman) ；核吸收：核磁共振光譜核吸收：核磁共振光譜(NMR)(NMR)。電磁輻射電磁輻射原子、離原子、離子、分子子、分子光光原子原子* *、離、離子子* *、分子、分子* *原子、離原子、離

10、子、分子子、分子激發(fā)激發(fā)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)基態(tài)基態(tài)基態(tài)基態(tài)能量能量吸收吸收1331010 3108 3106 3104 3102 3100 310-2 310-4 波數(shù)， cm-1 1021 1019 1017 1015 1013 1011 109 107 頻率，Hz 10-4 10-2 100 102 104 106 108 109 波長， nm X 射線 可見 微波 射線 紫外 紅外 無線電 二、電磁波譜二、電磁波譜電磁輻射波譜圖電磁輻射波譜圖14光譜類型光譜類型 波長范圍波長范圍 波數(shù)范圍波數(shù)范圍 量子躍遷類量子躍遷類型型 -射線發(fā)射光譜射線發(fā)射光譜 0.005-1.4A - 核核 X-吸收、

11、發(fā)射、熒吸收、發(fā)射、熒光、衍射光譜光、衍射光譜 0.1-100A - 內(nèi)層電子內(nèi)層電子 真空紫外吸收光譜真空紫外吸收光譜 10-180 nm 1 106-5 104 外層鍵合電外層鍵合電子子 UV-Vis 吸收、發(fā)射吸收、發(fā)射及熒光光譜及熒光光譜 180-780 nm 5 104-1.3 104 外層鍵合電外層鍵合電子子 紅外吸收紅外吸收 拉曼散射光譜拉曼散射光譜 0.78-300 m 1.3 104-33 分子振動(dòng)分子振動(dòng)-轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng) 微波吸收微波吸收 0.75-3.75 mm 13-27 分子轉(zhuǎn)動(dòng)分子轉(zhuǎn)動(dòng) 電子自旋共振光譜電子自旋共振光譜 3 cm 0.33 磁場(chǎng)中磁場(chǎng)中電子電子自旋自旋 核

12、磁共振核磁共振 0.6-10 m 1.7 10-2-1 103 磁場(chǎng)中磁場(chǎng)中核自核自旋旋 152-2 光學(xué)分析法分類光學(xué)分析法分類一、光譜法與非光譜法一、光譜法與非光譜法二、原子光譜法與分子光譜法二、原子光譜法與分子光譜法三、吸收光譜法與發(fā)射光譜法三、吸收光譜法與發(fā)射光譜法161718光譜儀器（光譜儀器（了解了解）組成：光源，單色器，樣品容器，檢測(cè)器（光電轉(zhuǎn)換器、電組成：光源，單色器，樣品容器，檢測(cè)器（光電轉(zhuǎn)換器、電子讀出、數(shù)據(jù)處理及記錄）。子讀出、數(shù)據(jù)處理及記錄）。 光源或光源或熾熱固體熾熱固體樣品容器樣品容器分光系統(tǒng)分光系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換信號(hào)處理器信號(hào)處理器光源燈或光源燈或激光激光樣品容

13、器樣品容器分光系統(tǒng)分光系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換信號(hào)處理器信號(hào)處理器光源光源+ +樣品樣品分光系統(tǒng)分光系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換信號(hào)處理器信號(hào)處理器吸收吸收熒光熒光發(fā)射發(fā)射191 1、光源、光源H2燈燈 紫外光源紫外光源 D2燈燈 160-375nm W 燈燈 320-2500nm 可見光源可見光源 氙燈氙燈 250-700nm Nernst 燈燈 連續(xù)光連續(xù)光源源 紅外光源紅外光源 硅碳棒硅碳棒 6000-5000cm-1之之間有最大強(qiáng)度間有最大強(qiáng)度 Hg 燈燈 254-734nm 金屬蒸汽燈金屬蒸汽燈 Na 燈燈 589.0nm， 589.6nm 空心陰極燈空心陰極燈 空心陰極燈空心陰極燈 高強(qiáng)度空心

14、陰極高強(qiáng)度空心陰極燈燈 也稱元素?zé)粢卜Q元素?zé)?紅寶石激光器紅寶石激光器 693.4nm He-Ne 激光器激光器 632.8nm 激光激光* Ar 離子激光器離子激光器 515.4nm， 488.0nm 直流電弧直流電弧 交流電弧交流電弧 火花火花 線光源線光源 發(fā)射光譜光發(fā)射光譜光源源 ICP 電能電能 對(duì)光源的要求對(duì)光源的要求：強(qiáng)度大（分析靈敏度高）、穩(wěn)定（分析重現(xiàn)性好）。：強(qiáng)度大（分析靈敏度高）、穩(wěn)定（分析重現(xiàn)性好）。 *Laser=light amplification by stimulated emission of radiation 202. 2. 分光系統(tǒng)分光系統(tǒng)定義：將由不

15、同波長的定義：將由不同波長的“復(fù)合光復(fù)合光”分開為一系分開為一系列列“單一單一”波長的波長的“單色光單色光”的器件。的器件。 理想的理想的100%100%的單色光是不可能達(dá)到的，的單色光是不可能達(dá)到的，實(shí)際上只能獲得的是具有一定實(shí)際上只能獲得的是具有一定“純度純度”的單色的單色光，即該光，即該“單色光具有一定的寬度（有效帶寬單色光具有一定的寬度（有效帶寬）。有效帶寬越小，分析的靈敏度越高、選擇）。有效帶寬越小，分析的靈敏度越高、選擇性越好、分析物濃度與光學(xué)響應(yīng)信號(hào)的線性相性越好、分析物濃度與光學(xué)響應(yīng)信號(hào)的線性相關(guān)性也越好。關(guān)性也越好。21構(gòu)成：狹縫、準(zhǔn)直鏡、棱鏡或光柵、會(huì)聚透鏡。構(gòu)成：狹縫、準(zhǔn)

16、直鏡、棱鏡或光柵、會(huì)聚透鏡。 入射狹縫入射狹縫準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直鏡物鏡物鏡棱鏡棱鏡焦面焦面出射狹縫出射狹縫f入射狹縫入射狹縫準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直鏡光柵光柵物鏡物鏡出射狹縫出射狹縫f其中最主要的分光元件為棱鏡和光柵。其中最主要的分光元件為棱鏡和光柵。 221 1）棱鏡：）棱鏡： 棱鏡的色散作用是基于構(gòu)成棱鏡的光學(xué)材料棱鏡的色散作用是基于構(gòu)成棱鏡的光學(xué)材料對(duì)不同波長的光具有不同的折射率。波長大的折對(duì)不同波長的光具有不同的折射率。波長大的折射率小，波長小的折射率大。射率小，波長小的折射率大。Cornu棱鏡棱鏡 b Littrow棱鏡棱鏡（左旋（左旋+右旋右旋-消除雙像）消除雙像） （鍍膜反射）（鍍膜反射）232 2）

17、光柵）光柵制作：制作：以特殊的工具（如鉆石），在硬質(zhì)、磨光的以特殊的工具（如鉆石），在硬質(zhì)、磨光的光學(xué)平面上刻出大量緊密而平行的刻槽。以此為母光學(xué)平面上刻出大量緊密而平行的刻槽。以此為母板，可用液態(tài)樹脂在其上復(fù)制出光柵。制作的光柵板，可用液態(tài)樹脂在其上復(fù)制出光柵。制作的光柵有平面透射光柵、平面反射光柵及凹面反射光柵。有平面透射光柵、平面反射光柵及凹面反射光柵?？讨瀑|(zhì)量不高的光柵易產(chǎn)生散射線及鬼線?？讨瀑|(zhì)量不高的光柵易產(chǎn)生散射線及鬼線。 通常的刻線數(shù)為通常的刻線數(shù)為300-2000刻槽刻槽/mm。最常用的是。最常用的是1200-1400刻槽刻槽/mm（紫外可見）及（紫外可見）及100-200刻槽

18、刻槽/mm（紅外）。（紅外）。 24平面反射光柵平面反射光柵（閃耀光柵，小階梯光柵）：（閃耀光柵，小階梯光柵）： 將平行的狹縫刻制成具有相同形狀的刻槽將平行的狹縫刻制成具有相同形狀的刻槽（多為三角形），此時(shí)，入射線的小反射面與夾（多為三角形），此時(shí)，入射線的小反射面與夾角角 一定，此時(shí)反射線集中于一個(gè)方向，從而使一定，此時(shí)反射線集中于一個(gè)方向，從而使光能集中于所需要的一級(jí)光譜上。此種光柵又稱光能集中于所需要的一級(jí)光譜上。此種光柵又稱閃耀光柵。當(dāng)閃耀光柵。當(dāng) = = 時(shí)，在衍射角時(shí)，在衍射角 方向可獲得方向可獲得最大的光強(qiáng)，最大的光強(qiáng)， 也稱為閃耀角。也稱為閃耀角。 如下圖所示。如下圖所示。 2

19、5 A AB BC CD Dd d P P0 0距離距離相對(duì)強(qiáng)度相對(duì)強(qiáng)度P P1 1由于由于 CAB= ， DAB= ，因此，因此，CB=d sin , BD=dsin 顯然，衍射光束顯然，衍射光束2的運(yùn)行距離比衍射光束的運(yùn)行距離比衍射光束1長（長（CB+BD）當(dāng)（當(dāng)（CB+BD）是入射波長的整數(shù)倍，即當(dāng)（）是入射波長的整數(shù)倍，即當(dāng)（CB+BD）= n 時(shí)，兩衍射光束發(fā)生疊加，并產(chǎn)生明線。因此可得光柵方程時(shí)，兩衍射光束發(fā)生疊加，并產(chǎn)生明線。因此可得光柵方程：)sin(sindn12263 3）狹縫）狹縫構(gòu)成：狹縫是兩片經(jīng)過精密加工、具有銳利邊緣的金構(gòu)成：狹縫是兩片經(jīng)過精密加工、具有銳利邊緣的金

20、 屬組成。兩片金屬處于相同平面上且相互平行。屬組成。兩片金屬處于相同平面上且相互平行。 入射狹縫可看作是一個(gè)光源，在相應(yīng)波長位置，入射狹縫可看作是一個(gè)光源，在相應(yīng)波長位置， 入射狹縫的像剛好充滿整個(gè)出射狹縫。入射狹縫的像剛好充滿整個(gè)出射狹縫。有效帶寬：整個(gè)單色器的分辨能力除與分光元件的色有效帶寬：整個(gè)單色器的分辨能力除與分光元件的色 散率有關(guān)外，還與狹縫寬度有關(guān)。即單色器的分散率有關(guān)外，還與狹縫寬度有關(guān)。即單色器的分 辨能力（有效帶寬辨能力（有效帶寬S S）應(yīng)由下式?jīng)Q定：）應(yīng)由下式?jīng)Q定：D=倒線色散率；倒線色散率；W=狹縫寬度。當(dāng)單色儀的色散率固定時(shí)，波長間隔狹縫寬度。當(dāng)單色儀的色散率固定時(shí)，

21、波長間隔將隨狹縫寬度變化。將隨狹縫寬度變化。 DWS 27狹縫寬度的選擇原則狹縫寬度的選擇原則 定性分析：選擇較窄的狹縫寬度定性分析：選擇較窄的狹縫寬度提高分辨率，提高分辨率， 減少其它譜線的干擾，提高選擇性；減少其它譜線的干擾，提高選擇性； 定量分析：選擇較寬的狹縫寬度定量分析：選擇較寬的狹縫寬度增加照亮狹縫增加照亮狹縫 的亮度，提高分析的靈敏度；的亮度，提高分析的靈敏度； 應(yīng)根據(jù)樣品性質(zhì)和分析要求確定狹縫寬度。并通應(yīng)根據(jù)樣品性質(zhì)和分析要求確定狹縫寬度。并通 過條件優(yōu)化確定最佳狹縫寬度。過條件優(yōu)化確定最佳狹縫寬度。 與發(fā)射光譜分析相比，原子吸收光譜因譜線數(shù)與發(fā)射光譜分析相比，原子吸收光譜因譜

22、線數(shù) 少，可采用較寬的少，可采用較寬的狹縫。但當(dāng)背景大時(shí)，可適當(dāng)狹縫。但當(dāng)背景大時(shí)，可適當(dāng) 減小縫寬。減小縫寬。28GE2E1GGGE2E2E1E1E1,E2Ebert-FastieCzerny-TurnerLittrow4）光譜儀幾種典型的光學(xué)系統(tǒng)）光譜儀幾種典型的光學(xué)系統(tǒng)293. 吸收池（吸收池（Sample container，Cell，Cuvette） 除發(fā)射光譜外，其它所有光譜分析都需要吸收池。除發(fā)射光譜外，其它所有光譜分析都需要吸收池。盛放試樣的吸收池由光透明材料制成。盛放試樣的吸收池由光透明材料制成。v 石英或熔融石英：紫外光區(qū)石英或熔融石英：紫外光區(qū)可見光區(qū)可見光區(qū)3 m；v

23、玻璃：可見光區(qū)（玻璃：可見光區(qū)（350-2000nm）；）；v 透明塑料：可見光區(qū)（透明塑料：可見光區(qū)（350-2000nm）；）；v 鹽窗（鹽窗（NaCl, NaBr晶體）：紅外光區(qū)。晶體）：紅外光區(qū)。304. 光電轉(zhuǎn)換器（光電轉(zhuǎn)換器（Transducer）A）定義：光電轉(zhuǎn)換器是將光輻射轉(zhuǎn)化為可以測(cè)量的）定義：光電轉(zhuǎn)換器是將光輻射轉(zhuǎn)化為可以測(cè)量的電信號(hào)的器件。電信號(hào)的器件。S = kP + kd = kPK:校正靈敏度；校正靈敏度；P：輻射功率；：輻射功率；kd: 暗電流（可通過線路補(bǔ)償，使為暗電流（可通過線路補(bǔ)償，使為0）B）理想的光電轉(zhuǎn)換器要求：）理想的光電轉(zhuǎn)換器要求： 靈敏度高；靈敏度

24、高； S/N大；大； 暗電流?。话惦娏餍?； 響應(yīng)快且在寬的波段內(nèi)響應(yīng)恒定。響應(yīng)快且在寬的波段內(nèi)響應(yīng)恒定。31C）光電轉(zhuǎn)換器種類光電轉(zhuǎn)換器種類及及應(yīng)應(yīng)用用波波段段 檢測(cè)器種類檢測(cè)器種類 檢測(cè)器檢測(cè)器 應(yīng)用波段應(yīng)用波段 早期檢測(cè)器早期檢測(cè)器 人眼人眼(Vis)，相板及照像膠片相板及照像膠片(UV-Vis) UV-Vis 硒光電池硒光電池（Photovoltaic cell, ,光伏管光伏管） 350-(500)max-750nm 真空光電管真空光電管（Vacuum phototube） 據(jù)光敏材料而定據(jù)光敏材料而定 光電倍增管光電倍增管（Photomultiplier tube） ibid 光電轉(zhuǎn)

25、換器光電轉(zhuǎn)換器(photo transducer) 硅二極管硅二極管（Silicon diode） 190-1100nm 光二極管陣列光二極管陣列（Photodiode array, PDA） 多通道轉(zhuǎn)換器多通道轉(zhuǎn)換器(Multichannel transducer) 電荷轉(zhuǎn)移器件電荷轉(zhuǎn)移器件Charge-transfer device, CTD： 電荷注入器件電荷注入器件( (Charge-injection device, CID) ) 電荷耦合器件電荷耦合器件(Charge-coupled device, CCD) 電導(dǎo)檢測(cè)器電導(dǎo)檢測(cè)器 電導(dǎo)檢測(cè)器電導(dǎo)檢測(cè)器（Photoconductiv

26、ity）； UVUV- -V Vis 熱電偶熱電偶（Thermocouple） 輻射熱計(jì)輻射熱計(jì)（Bolometer） 熱熱檢測(cè)器檢測(cè)器(Thermal transducer) 熱釋電熱釋電（Pyroelectric transducer） IRIR 32硒光電池硒光電池+-SeFe(Cu)h 玻璃玻璃Ag(Au)透明膜透明膜-收集極收集極塑塑料料-( (當(dāng)外電阻當(dāng)外電阻400 ，i =10-100 A)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：光電流直接正比于輻射能；光電流直接正比于輻射能； 使用方便、便于攜帶（耐用、成本低）；使用方便、便于攜帶（耐用、成本低）；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：電阻小，電流不易放大；響應(yīng)較慢。電阻小，電流不

27、易放大；響應(yīng)較慢。 只在高強(qiáng)度輻射區(qū)較靈敏；只在高強(qiáng)度輻射區(qū)較靈敏； 長時(shí)間使用后，有長時(shí)間使用后，有“疲勞疲勞”(fatigue)現(xiàn)象?，F(xiàn)象。33真空光電管真空光電管90V DC直流放大直流放大陰極陰極R-+光束光束e陽極絲（陽極絲（Ni）抽真空抽真空 陰極表面可涂漬不同光敏物質(zhì)：高靈敏陰極表面可涂漬不同光敏物質(zhì)：高靈敏(K,Cs,Sb其中二者其中二者)、紅光敏、紅光敏(Na/K/Cs/Sb, Ag/O/Cs)、紫外光敏、平坦響應(yīng)、紫外光敏、平坦響應(yīng)(Ga/As，響應(yīng)受波長影響，響應(yīng)受波長影響小小)。產(chǎn)生的光電流約為硒光電池的。產(chǎn)生的光電流約為硒光電池的1/10。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：阻抗大，電流易放

28、大；響應(yīng)快；應(yīng)用廣。阻抗大，電流易放大；響應(yīng)快；應(yīng)用廣。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：有微小暗電流（有微小暗電流（Dark current，40K的放射線激發(fā)）。的放射線激發(fā)）。34光電倍增管（光電倍增管（photomultiplier tube, PMT） 石英套石英套光束光束1個(gè)光子產(chǎn)生個(gè)光子產(chǎn)生106107個(gè)電子個(gè)電子?xùn)艠O，柵極，Grill陽極陽極屏蔽屏蔽光電倍增管示意圖光電倍增管示意圖共有共有9個(gè)打拿極個(gè)打拿極(dynatron)，所加直流電壓共為，所加直流電壓共為90 10V35900V dc90V123456789陽極陽極陰極陰極石英封石英封讀出裝置讀出裝置R光電倍增管（光電倍增管（PMT）電路圖）

29、電路圖優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：高靈敏度；響應(yīng)快；適于弱光測(cè)定，甚至對(duì)單一光子均可響應(yīng)。高靈敏度；響應(yīng)快；適于弱光測(cè)定，甚至對(duì)單一光子均可響應(yīng)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：熱發(fā)射強(qiáng)，因此暗電流大，需冷卻（熱發(fā)射強(qiáng)，因此暗電流大，需冷卻（-30oC)。不得置于強(qiáng)光。不得置于強(qiáng)光(如如 日光日光)下，否則可永久損壞下，否則可永久損壞 PMT！36硅二極管硅二極管p 區(qū)區(qū)n 區(qū)區(qū)pn 結(jié)結(jié)p 區(qū)區(qū)n 區(qū)區(qū)(反向偏置反向偏置)耗盡層耗盡層空穴空穴電子電子 反向偏值反向偏值耗盡層耗盡層(depletion layer)pn結(jié)電導(dǎo)趨于結(jié)電導(dǎo)趨于0 (i=0)； 光照光照耗盡層中形成空穴和電子耗盡層中形成空穴和電子空穴移向空穴移向p區(qū)并

30、湮滅區(qū)并湮滅外外 加電壓對(duì)加電壓對(duì)pn“電容器電容器”充電充電產(chǎn)生充電電流信號(hào)產(chǎn)生充電電流信號(hào) (i 0) 。特點(diǎn)：特點(diǎn)：靈敏度介于真空管和倍增管之間。靈敏度介于真空管和倍增管之間。37光電二極管陣列，光電二極管陣列，PDASiO2窗窗p 型硅型硅n 型硅基型硅基pnpnpnpnpnpn0.025mm2.5mm側(cè)視側(cè)視(cross section)頂視頂視(top view)光束光束說明：說明：在一個(gè)硅片上，許多在一個(gè)硅片上，許多 pn 結(jié)以結(jié)以一維線性排列一維線性排列，構(gòu)成，構(gòu)成“陣列陣列”；每個(gè)每個(gè) pn 結(jié)或元（結(jié)或元（element，64-4096個(gè)）相當(dāng)于一個(gè)硅二極管檢測(cè)器；個(gè)）相當(dāng)

31、于一個(gè)硅二極管檢測(cè)器；硅片上布有集成線路，使每個(gè)硅片上布有集成線路，使每個(gè) pn 結(jié)相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的光電轉(zhuǎn)換器；結(jié)相當(dāng)于一個(gè)獨(dú)立的光電轉(zhuǎn)換器；硅片上置于分光器焦面上，經(jīng)色散的不同波長的光分別被轉(zhuǎn)換形成電信號(hào)；硅片上置于分光器焦面上，經(jīng)色散的不同波長的光分別被轉(zhuǎn)換形成電信號(hào)；實(shí)現(xiàn)多波長或多目標(biāo)實(shí)現(xiàn)多波長或多目標(biāo)同時(shí)（同時(shí)（simultaneously）檢測(cè)。檢測(cè)。i.PDA在靈敏度、線性范圍和在靈敏度、線性范圍和S/N方面不如光電倍增管。應(yīng)用較少。方面不如光電倍增管。應(yīng)用較少。38電荷轉(zhuǎn)移器件電荷轉(zhuǎn)移器件, CTDSiO2絕緣體絕緣體摻雜摻雜n區(qū)區(qū)襯基襯基-5V-10V電極電極h CTD側(cè)視圖（一個(gè)電荷轉(zhuǎn)移單元或像素）側(cè)視圖（一個(gè)電荷轉(zhuǎn)