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WGD-8A型组合式多功能光栅光谱仪，由光栅单色仪，接收单元，扫描系统，电子放大器，A/D采集单元，计算机组成。该设备集光学、精密机械、电子学、计算机技术于一体。光学系统采用的是切尔尼--特纳装置（C-T）型，如图1所示。

图1. 切尔尼-特纳光路图

准直和成象的焦距是500nm,相对孔径1/7，光栅条数分别为2400l/mm和1200l/mm，闪耀波长为250nm。波长扫描机构是图2所示的正弦机构。

图2正弦机构原理

由计算机对光谱仪进行扫描控制、信号处理和光谱显示。其工作原理如图3所示。

图3. 光谱仪的工作原理

光谱仪的探测器为光电倍增管或CCD，用光电倍增管时，出射光通过狭缝S₂到达光电倍增管。用CCD做探测器时，转动小平面反射镜M1，使出射光通过狭缝S₃到达CCD，CCD可以同时探测某一个光谱范围内的光谱信号。

光信号经过倍增管（或CCD）变为电信号后，首先经过前置放大器放大，再经过A/D变换，将模拟量转变成数字量，最终由计算机处理显示。前置放大器的增益、光电倍增管的负高压和CCD的积分时间可以由控制软件根据需要设置。前置放大器的增益现为1，2，…，7七个档次，数越大放大器的增益越高。光电倍增管的负高压也分为1，2，…，7七个档次，数越大所加的负高压越高，每档之间负高压相差约200V。CCD的积分时间可以在10ms-40s之间任意改变。

扫 描控制是利用步进电机控制正弦机构（根据光栅方程，波长和光栅的转角成正弦关系，因此采用正弦机构。）中丝杠的转动，进而使光栅转动实现的。步进电机在输 入一组电脉冲后，就可以转动一个角度，相应地丝杠上螺母就移动一个固定的距离。每输入一组脉冲，光栅的转动便使出射狭缝出射的光波长改变0.1nm。

2.狭缝

狭 缝是光谱仪器中的一个精密部件。光谱仪器的准直系统一般是由入射狭缝和准直物镜组成。光谱仪器所获得的不同波长的谱线是入射狭缝经过整个光学系统后形成的 象。狭缝的好坏决定了光谱仪器的工作质量。除此以外，狭缝还起到控制进入光谱仪器光强的作用。在单色仪中，出射狭缝同样可以控制出射的单色光的强度。狭缝 的几何形状是根据入射狭缝-谱 线的物象共轭关系所确定的，一般有四边形（直缝）和弧形（弯缝）两种。狭缝又有缝宽不可变的固定狭缝和缝宽可以改变的可变狭缝两种。狭缝是由两个在同一平 面上，并严格平行的刃面形成的，刃面的刀刃尖锐，不能有缺口、划痕和沾污。可变狭缝可以根据需要改变狭缝的宽度。在改变狭缝宽度的过程中，两个狭缝的的称 动是严格对称的。

本仪器入射狭缝和出射狭缝均为直狭缝，宽度范围在0-2mm内可调顺时针旋转，宽度加大，反之减小。

3．正弦机构

为 了能方便地进行光谱数据的判读，通常要求在进行波长（波数）扫描时，从仪器的出射狭缝出射的光束波长（波数）值与色散元件的转角之间成线性关系。但是，由 于衍射光栅的转角与波长（波数）并不成线性关系，因此在光谱仪器中必须采用适当的波长（波数）扫描机构才能实现波长（波数）的线性扫描。图2中，光栅转台与长度为l的正弦杆P固定连接、并可以一起绕轴O转动，正弦杆的另一端靠弹簧与螺母N保持接触，并可以左右自由滑动。当精密丝杠B转动时，推动螺母平移，最终推动正弦杆带着光栅绕O轴转动。螺母上下移动时φ也随之改变。在图2中sinφ=x/l，由于正弦杆的长度l是固定的，x随螺母的上下移动而变化，因此转角的正弦值随之变化，所以这种扫描机构被称为正弦机构。如果sinφ满足：

上式表明波长与x值成线性关系。

4． 接收元件

(1)光电倍增管：光电倍增管是在光电管的基础上，在光阴极和阳极之间加入 二次电子发射极。它的工作原理如图4所示，K为光阴极，D₁、D₂、D₃……为二次发射极，又称倍增极或打拿极。A为阳极。当光照射光阴极时，每一个光电子，在极间电场的作用下被加速，打到第一个倍增级D₁上，D₁发射出σ个二次电子；这些二次电子再次在极间电场的作用下，打到第二个倍增极D₂上，产生σ₂个二次电子。如此继续下去，阳极将收集到σ_n个电子。这里，N为倍增级的数目，σ为二次电子发射系数。一般σ=3-5，若N=10，光电倍增管的放大系数为105-108。极间电压一般为100V左右。由于光电倍增管有极高的积分灵敏度，当入射光能量过大时，轻者导致性能变坏，降低使用寿命。重者将造成电极烧毁。因此，必须严格控制入射光通量。在加上工作电压后，不允许有强光照射。本仪器使用九级倍增管。

图4. 光电倍增管原理

(2)CCD：电荷耦合器件(CCD)是一种新型光电转换器件,它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序的脉冲时,其存储的信号电荷便可在CCD内作定向传输而实现自扫描。它主要由光敏单元、输入结构和输出结构等组成。它具有光电转换、信息存贮和延时等功能，而且集成度高、功耗小，已经在摄像、信号处理和存贮3大领域中得到广泛的应用，尤其是在图像传感器应用方面取得令人瞩目的发展。CCD有面阵和线阵之分，面阵是把CCD像素排成1个平面的器件；而线阵是把CCD像素排成1直线的器件。

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发贴者：nemo  # 04:37