光柵光譜儀實驗

關(guān)于光柵光譜儀實驗提要實驗背景實驗?zāi)康膶嶒瀮x器實驗原理思考問題注意事項第2頁,共31頁，2024年2月25日，星期天1.光譜：按一定次序排列的彩色光帶。2.光譜分類：（1）按照波長劃分:γ射線(0.04nm以下),X射線(0.04～5nm),光學(xué)光譜(5nm～600μm),微波波譜(1mm～1m)。通常所說的光譜僅指光學(xué)光譜。（2）按其外形劃分：連續(xù)光譜、帶光譜和線光譜。（3）按照電磁輻射的本質(zhì)劃分：分子光譜、原子光譜、X射線能譜和γ射線能譜。實驗背景第3頁,共31頁，2024年2月25日，星期天

光譜發(fā)射光譜定義：由發(fā)光體直接產(chǎn)生的光譜連續(xù)光譜｛產(chǎn)生條件：熾熱的固體、液體和高壓氣體發(fā)光形成的光譜的形式：連續(xù)分布，一切波長的光都有線狀光譜｛產(chǎn)生條件：稀薄氣體發(fā)光形成的光譜光譜形式：一些不連續(xù)的明線組成，不同元素的明線光譜不同（又叫特征光譜）吸收光譜定義：連續(xù)光譜中某些波長的光被物質(zhì)吸收后產(chǎn)生的光譜產(chǎn)生條件：熾熱的白光通過溫度較白光低的氣體后，再色散形成的光譜形式：用分光鏡觀察時，見到連續(xù)光譜背景上出現(xiàn)一些暗線（與特征譜線相對應(yīng)）3.光譜的特點及成因：第4頁,共31頁，2024年2月25日，星期天光譜分析：由于每一種元素都有自己的特征譜線，因此可以根據(jù)光譜來鑒別物質(zhì)和確定它的化學(xué)組成。這種方法叫做光譜分析。光譜儀：光譜儀是指利用折射或衍射產(chǎn)生色散的一類光譜測量儀器。光柵光譜儀是光譜測量和分析中最常用的儀器，

第5頁,共31頁，2024年2月25日，星期天1.了解光柵光譜儀的工作原理2.掌握利用光柵光譜儀進(jìn)行測量的技術(shù)實驗?zāi)康牡?頁,共31頁，2024年2月25日，星期天WDS8A型組合式多功能光柵光譜儀計算機氘燈、鈉燈、汞燈等各種光源

實驗儀器第7頁,共31頁，2024年2月25日，星期天1.光柵光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖由入射狹縫S1、準(zhǔn)直球面反射鏡M1、光柵G、聚焦球面反射鏡M2以及輸出狹縫S2構(gòu)成。實驗原理第8頁,共31頁，2024年2月25日，星期天衍射光柵是光柵光譜儀的核心色散器件它是在一塊平整的玻璃或金屬材料表面（可以是平面或凹面）刻畫出一系列平行、等距的刻線，然后在整個表面鍍上高反射的金屬膜或介質(zhì)膜，就構(gòu)成一塊反射試驗射光柵。相鄰刻線的間距d稱為光柵常數(shù)，通?？叹€密度為每毫米數(shù)百至數(shù)十萬條，刻線方向與光譜儀狹縫平行。第9頁,共31頁，2024年2月25日，星期天光柵方程為入射角，為衍射角，其中：衍射角度隨波長的變化關(guān)系，稱為光柵的角色散特性，當(dāng)入射角給定時，可以由光柵方程導(dǎo)出：

第10頁,共31頁，2024年2月25日，星期天復(fù)色入射光進(jìn)入狹縫S1后，經(jīng)M2變成復(fù)色平行光照射到光柵G上，經(jīng)光柵色散后，形成不同波長的平行光束并以不同的衍射角度出射，M2將照射到它上面的某一波長的光聚焦在出射狹縫S2上，再由S2后面的電光探測器記錄該波長的光強度。第11頁,共31頁，2024年2月25日，星期天光柵G安裝在一個轉(zhuǎn)臺上，當(dāng)光柵旋轉(zhuǎn)時，就將不同波長的光信號依次聚焦到出射狹縫上，光電探測器記錄不同光柵旋轉(zhuǎn)角度（不同的角度代表不同的波長）時的輸出光信號強度，即記錄了光譜。這種光譜儀通過輸出狹縫選擇特定的波長進(jìn)行記錄，稱為光柵單色儀。第12頁,共31頁，2024年2月25日，星期天在使用單色儀時，對波長進(jìn)行掃描是通過旋轉(zhuǎn)光柵來實現(xiàn)的。通過光柵方程可以給出出射波長和光柵角度之間的關(guān)系（如圖所示）其中：為光柵的旋轉(zhuǎn)角度，為入射角和衍射角之和的一半，為一常數(shù)。對給定的單色儀來說，第13頁,共31頁，2024年2月25日，星期天有三個部分：1光學(xué)系統(tǒng)2電子系統(tǒng)3軟件系統(tǒng)WDS系列多功能光柵光譜儀結(jié)構(gòu)框圖如圖所示實驗裝置第14頁,共31頁，2024年2月25日，星期天M1準(zhǔn)光鏡、M2物鏡、M3轉(zhuǎn)鏡、G平面衍射光柵、S1入射狹縫、通過旋轉(zhuǎn)M3選擇出射狹縫S2或S3從而選擇接收器件類型，出射狹縫為S2則為光電倍增管或硫化鉛、鉭酸鋰、TGS等接收器件；出射狹縫為S3則為CCD接收器件。光學(xué)系統(tǒng)光譜儀光學(xué)系統(tǒng)采用C-T型，如圖所示：第15頁,共31頁，2024年2月25日，星期天入射狹縫、出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍0～2mm連續(xù)可調(diào)，光源發(fā)出的光束進(jìn)入入射狹縫S1，S1位于反射式準(zhǔn)光鏡M2的焦面上，通過S1射入的光束經(jīng)M2反射成平行光束投向平面光柵G上，衍射后的平行光束經(jīng)物鏡M2成像在S2上，或經(jīng)物鏡M2和M3平面鏡成像在S3上。光源系統(tǒng)為儀器提供工作光源，可選氘燈、鎢燈、鈉燈、汞燈等各種光源。第16頁,共31頁，2024年2月25日，星期天2電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信號放大系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和光源系統(tǒng)等部分組成。電源系統(tǒng)為儀器提供所需的工作電壓；接受系統(tǒng)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號；信號放大器系統(tǒng)包括前置放大器和放大器兩個部分；A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，以便計算機進(jìn)行處理。第17頁,共31頁，2024年2月25日，星期天3軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主要功能有：儀器系統(tǒng)復(fù)位、光譜掃描、各種動作控制、測量參數(shù)設(shè)置、光譜采集、光譜數(shù)據(jù)文件管理、光譜數(shù)據(jù)的計算等。WDS系列多功能光柵光譜儀的控制操作由計算機操作和手工操作來完成。單色儀的入射狹縫寬度、出射狹縫寬度和負(fù)高壓（光電倍增管接收系統(tǒng)）不受計算機控制用手工設(shè)置以外，其它的各項參數(shù)設(shè)置和測量均由計算機來完成。

第18頁,共31頁，2024年2月25日，星期天WDS系列多功能光柵光譜儀器系統(tǒng)操作軟件根據(jù)型號不同和接收儀器不的同配有PMT操作系統(tǒng)和CCD操作系統(tǒng)。每一系統(tǒng)均可采用快捷鍵和下拉菜單來進(jìn)行儀器操作。

第19頁,共31頁，2024年2月25日，星期天3.1PMT操作系統(tǒng)3.1.1開機與系統(tǒng)復(fù)位確認(rèn)光柵光譜儀已經(jīng)正確連接并打開電源。在WONDOWS操作系統(tǒng)中，從“開始”——“程序”——“WDS系列光柵光譜儀”中執(zhí)行相應(yīng)的PMT可執(zhí)行程序，或雙擊桌面上的快捷方式，啟動系統(tǒng)操作程序。在系統(tǒng)初始化過程后應(yīng)有波長復(fù)位正確的提示，然后按“確定”進(jìn)入系統(tǒng)操作主界面。

軟件系統(tǒng)第20頁,共31頁，2024年2月25日，星期天參數(shù)設(shè)置即根據(jù)測量需對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。光譜掃描根據(jù)當(dāng)前參數(shù)設(shè)置對當(dāng)前光譜進(jìn)行記錄。數(shù)據(jù)處理---讀取數(shù)據(jù)讀取當(dāng)前圖譜的橫、縱坐標(biāo)數(shù)據(jù)，可選擇列表方式或光標(biāo)讀取方式。第21頁,共31頁，2024年2月25日，星期天3.1.4退出系統(tǒng)與關(guān)機當(dāng)系統(tǒng)測試結(jié)束后，將出射、入射狹縫調(diào)節(jié)至0.1mm左右，若有負(fù)高壓系統(tǒng)，則將負(fù)高壓調(diào)節(jié)至零。點擊菜單欄中“文件\退出系統(tǒng)”，按照提示關(guān)閉電源退出儀器操作系統(tǒng)。

第22頁,共31頁，2024年2月25日，星期天五實驗內(nèi)容和步驟

1、開機之前請認(rèn)真檢查光柵光譜儀的各個部分（單色儀主機、電控箱、接受單元、計算機、）連線是否正確，保證準(zhǔn)確無誤。為了保證儀器的性能指標(biāo)和壽命，在每次使用完畢，將入射狹縫寬度、出射狹縫寬度分別調(diào)節(jié)到0.1mm左右。在儀器系統(tǒng)復(fù)位完畢后，根據(jù)測試和實驗的要求分別調(diào)節(jié)入射狹縫寬度、出射狹縫寬度到合適的寬度。第23頁,共31頁，2024年2月25日，星期天2、接收單元WDS系列多功能光柵光譜儀根據(jù)儀器型號的不同配有光電倍增管、CCD、硫化鉛、鉭酸鋰、TGS等不同接收單元。注意，若采用光電倍增管作為接收單元，不一定要在光電倍增管加有負(fù)高壓的情況下，使其暴露在強光下（包括自然光）。在使用結(jié)束后，一定要注意調(diào)節(jié)負(fù)高壓旋鈕使負(fù)高壓歸零，然后再關(guān)閉電控箱。第24頁,共31頁，2024年2月25日，星期天3、狹縫調(diào)節(jié)儀器的入射狹縫和出射狹縫均為直狹縫，寬度范圍0~2mm連續(xù)可調(diào)，順時針旋轉(zhuǎn)為狹縫寬度加大，反之減小。每旋轉(zhuǎn)一周狹縫寬度變化0.5mm，最大調(diào)節(jié)寬度為2mm。為延長使用壽命，狹縫寬度調(diào)節(jié)時應(yīng)注意最大不要超過2mm。儀器測量完畢或平常不使用時，狹縫最好調(diào)節(jié)到0.1mm05mm左右。第25頁,共31頁，2024年2月25日，星期天4、電控箱的使用電控箱包括電源、信號放大、控制系統(tǒng)和光源系統(tǒng)（氘燈和鎢燈可選件，不包括在光譜儀器的標(biāo)準(zhǔn)配置中）。在運行儀器操作軟件前一定要確認(rèn)所有的連接線正確連接且已經(jīng)打開電控箱的開關(guān)。第26頁,共31頁，2024年2月25日，星期天5、采用標(biāo)準(zhǔn)光譜燈進(jìn)行波長校準(zhǔn)光柵光譜儀由于運輸過程中震動等各種原因，可能會使波長準(zhǔn)確度產(chǎn)生偏差，因此在第一次使用前用已知的光譜線來校準(zhǔn)儀器的波長準(zhǔn)確度

在平常使用中，當(dāng)對光柵光譜儀器系統(tǒng)檢測發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)波長值與準(zhǔn)確波長不對應(yīng)時，可通過此項對系統(tǒng)波長進(jìn)行校正，在對話框中輸入系統(tǒng)值與實際波長值的差值，點擊確定即可。第27頁,共31頁，2024年2月25日，星期天

零點波長校正檢查儀器波長準(zhǔn)確度可用氘燈（標(biāo)準(zhǔn)值為486.0nm和656.1nm）、鈉燈（標(biāo)準(zhǔn)值為589.0nm和589.6nm）、汞燈（標(biāo)準(zhǔn)值為404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm、579.0nm）以及其它已知光譜線的來源來進(jìn)行。例：用氘燈譜線校準(zhǔn)利用氘燈的兩根譜線的波長值（標(biāo)準(zhǔn)值為486.0nm和656.0nm）來進(jìn)行校準(zhǔn)儀器。根據(jù)能量信號大小手工調(diào)節(jié)入射狹縫和出射狹縫，掃描氘燈光譜。如果波長有偏差，用“零點波長校正”功能進(jìn)行校正。第28頁,共31頁，2024年2月25日，星期天6、分別掃描不同光源的光譜調(diào)節(jié)光源，使其在單色義的波長范圍內(nèi)有最大的輸出。根據(jù)測量對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。根據(jù)測量學(xué)要對出射、入射