紫外分光光谱仪的主要组成部件

（1）光源

氘灯辐射190~500 nm、氙灯在200~400 nm波段内有连续的紫外辐射。氙灯不仅可以连续发光，而且可以脉冲发光，脉冲工作方式使其使用寿命远长于连续光源，可达4~5年，而连续发光氘灯的使用寿命仅有数千小时。

（2）光栅

光栅利用光的衍射和干涉现象使复合光按波长进行分解。光栅的种类很多，在紫外分析仪中，应用最广泛的是反射式衍射光栅。根据光栅基面的形状是平面还是凹面，反射式衍射光栅又分为平面光栅和凹面光栅两类；根据光栅是用机械刻划方法还是用全息干涉方法制成的，又可分为刻划光栅和全息光栅（利用激光的干涉条纹和光致抗蚀剂光刻而成）。

反射式平面光栅是在高精度平面上刻有一系列等宽而又等间隔的刻痕所形成的光学元件，一般的光栅在1 mm内刻有几十条至数千条的刻痕。当一束平行的复合光入射到光栅上时，其上的每一条缝（或槽）都会使光发生衍射，各条缝（或槽）衍射的光又会发生相互干涉，由于多缝衍射和干涉的结果，光栅能将复合光按波长在空间分解为光谱。

图4.5　光栅分光原理示意图

所谓光的干涉现象，是指两束或多束具有相同频率、相同振动方向、相近振幅和固定相位差的光波，在空间重叠时，在重叠区形成恒定的加强或减弱的现象。当两光波相位相同时互相增强，振幅等于两振幅之和，称为相长干涉；两光波相位相反时互相抵消，振幅等于两振幅之差，称为相消干涉。

光栅的分光作用如图4.5所示，两根入射的光线R1和R2到达光栅时，R1比R2超前b sin i（其中i是入射角），在离开光栅时，R2比R1超前b sin r（其中r是反射角），若两根光线的净光程差b（sin i-sin r）等于波长的整数倍mλ，则光线R1和R2相位相同，并在角r的方向形成互相加强的干涉。

若光栅的设置使其入射角与反射角在光栅法线的同侧，则光线离开光栅时，R1比R2超前，此时净光程差为b（sin i+sin r）。因此，可以得出常见的光栅公式：(www.xing528.com)

式中　m——干涉级次，当m=0，±1，±2，±3，……时，出现干涉极大值；

b——光栅缝槽间的距离，称为光栅常数。

由式（4.3）可知，当复合光射向光栅时，由于光的干涉，不同波长的同一级主极大值和次极大值（除零级m=0以外）均不重合，而是按波长的次序顺序排列，形成一系列分立的谱线。这样，混合在一起入射的各种不同波长的复合光，经光栅衍射后彼此被分开了。

反射式凹面光栅是在高精度球面上刻划一系列划痕所形成的光栅，它将平面光栅的色散作用和凹面反射镜的聚焦成像作用结合起来。因此，凹面反射光栅型光谱仪的结构很简单，只需狭缝、凹面光栅、阵列探测器即可。由于凹面光栅取代了聚焦元件，减少了光学元件的数量，凹面光栅型光谱仪能取得高的成像质量及高的通光强度（过多的光学元件会增加杂散光，并且由于反射率的影响会使光强减弱很多）。随着激光全息加工技术的发展，可校正像差、低杂散光且具有平整光谱像面的凹面光栅已成为紫外-分光光谱仪中广泛应用的光栅之一。

（3）检测器

①光电二极管阵列检测器（Photodiode Array Detector，PAD）：PAD是一种固态光电检测器，它由一整块半导体芯片组成，内部集成有半导体光电二极管阵列，每个光电二极管所产生的输出电流大小对应于照射在其上的光的强弱。光源发出的复合光通过测量气室后，由光栅色散，色散后的单色光直接为数百个光电二极管接收，单色光的谱带宽度接近于各光电二极管的间距，因而每个光电二极管所接收的是单一波长的光，其输出值与波长相对应。通过扫描电路，按周期顺序读取各个光电二极管的输出值，便可检测出相应的光谱信息。

PAD属于一维（线阵）检测器，其特点是检测精度高、线性好，但灵敏度不如光电倍增管。

②电荷耦合阵列检测器（Charge Coupled Device，CCD）：CCD是一种新型的固态光电检测器，由许多紧密排列的光敏检测阵元组成，每个阵元都是一个金属-氧化物-半导体（MOS）电容器。当一束光线投射在任一电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层进入P型硅衬底，衬底中的电子吸收光子的能量而跃入电容器的电子势阱中，形成存储电荷。势阱的深浅可由电压大小控制，按一定规则将电压加到CCD各电极上，使存贮在任一势阱中的电荷运动的前方总是有一个较深的势阱处于等待状态，存贮的电荷就沿势阱从浅到深做定向运动，最后经输出二极管将信号输出。由于各势阱中存贮的电荷依次流出，因此根据输出的先后顺序就可以判别出电荷是从哪个势阱来的，并根据输出电荷量可知该阵元的受光强弱。