（光学专业论文）氰化物紫外在线检测研究.pdf

摘要 摘要 随着人们环境保护意识的增强，对水质的监测越来越重视。氰化物是剧毒物 质，广泛使用于工业生产中，广泛地存在于工业废水中，氰化物的在线检测仪器 是目前我国产业化重点之一。本文提出了一种新的氰化物在线检测方法。 常用的氰化物检测方法有容量法、比色法和氰离子选择电极法。氰离子选择 电极法可以直接在线检测氰离子的浓度，但由于电极容易钝化，且寿命短，所以 在在线检测中，应用很少。以容量法为基础制成的自动滴定仪，是目前最成功的 氰化物在线检测仪器，但是设备繁杂，只适用于较高浓度的测量。以比色法为基 础，结合流动注射分析技术，是氰化物在线检测研究的热点，但尚处于实验室研 究阶段，还没有产品化。本文提出的新的氰化物检测方法采用紫外分光光度法直 接对预处理后的试样进行分析，结合流动注射分析技术，即可实现在线检测。 本文详细介绍了紫外光电检测系统的设计，光源采用氘灯，自行设计了氘灯 电源，色散分光元件采用光栅，探测器选用光电倍增管。光电检测系统的稳定性 与光源的辐射稳定性有关，与探测器的稳定性有关，背景辐射也影响系统的稳定 性。为减小可见光的影响，本文选用了对可见光无响应的光电倍增管g d b 一15 2 作为光探测器。运用开关电源技术设计的氘灯电源保证了光源辐射的稳定性，小 的阳极输出电流使光电倍增管有照好的稳定性。 使用该紫外光电探测系统对氰化物进行了检测分析，当氰离子浓度为1 7 0 m g l 的浓度时，吸光度满足良好的线性，测量精度可达l m g l 。这样的测量 范围和精度对饮用水和工业废水的检测来说，尚不够，但是对氰化浸金工艺中检 测控制氰离子的浓度来说，精度就足够了。 使用该紫外光电探测系统对饮用水进行了研究，可以大致得到饮用纯净水的 纯度和矿泉水的矿物质含量。若把该探测系统应用于饮用水的生产企业，将会产 生很大的社会效益。 关键词氰化物光电检测紫外在线检测 1 1 1 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，p e o p l ep a ym o r ea n d m o r ea t t e n t i o nt ow a t e r q u a l i t y c y a n i d e i sa g r e a t l y n o x i o u sc h e m i c a l i ti s w i d e l yu s e di ni n d u s t r ya n de x i s t si nl o t so fi n d u s t r i a le m u e n t s t h es i m u l t a n e o u s c y a n i d ed e t e r m i n a t i o ne q u i p m e n ti s o n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t sf o ro u rc o u n t r y s i n d u s t r i a l i z a t i o na t p r e s e n t t h i sp a p e r h a s p u t f o r w a r dan e ws i m u l t a n e o u s d e t e r m i n a t i o nm e t h o df o rc y a n i d e t h eu s u a lm e t h o d sf o rc y a n i d ed e t e r m i n a t i o ni n v o l v et i t r i m e t r y ，c o l o r i m e t r y a n di o ns e l e c t i v ee l e c t r o d e s t h ei o ns e l e c t i v ee l e c t r o d e sc a nd i r e c t l yd e t e c tc y a n i d e i ns o l u t i o n s ，b u tt h ee l e c t r o d ec a ne a s i l yp a s s i v a t e ，s oi t l i t t l ea p p l i e st os i m u l t a n e o u s c y a n i d ed e t e r m i n a t i o n t h ea u t o m a t i ct i t r i m e t r i ce q u i p m e n tb a s e do nt i t r i m e t r y i s t h em o s ts u c c e s s f u lc o n t i n u o u sd e t e c t i o ne q u i p m e n t ，b u ti ti sv e r yc o m p l i c a t e da n d g e n e r a l l y u s e dt om e a s u r ec o n c e n t r a t i o n so fc y a n i d ea b o v e 1m g l t h em e t h o d b a s e do nc o l o r i m e t r ya n df l o w i n gi n j e c t i o na n a l y s i si st h eh o t s p o ti nt h ec y a n i d e d e t e r n f i n a t i o n h o w e v e r i ti ss t i l li nt h el a br e s e a r c h ，n o ti nr e a l i t y t h en e w m e t h o d p r o p o s e d i nt h i s p a p e ra d o p t s u l t r a v i o l e ts p e c t r o p h o t o m e t r yw h i c hm e a s u r e st h e p r e t r e a t e ds o l u t i o nd i r e c t l y ，i fi t i sa d d e df l o w i n gi n j e c t i o na n a l y s i s ，t h em e t h o dc a l l c a r r yo u ts i m u l t a n e o u sd e t e r m i n a t i o no fc y a n i d e t h i sp a p e r g i v e st h eu l t r a v i o l e tp h o t o e l e c t r i cm e a s u r e m e n ts y s t e m i nd e t a i l t h e l a m p - h o u s ei s d e u t e r i u ml a m pa n dp o w e rs u p p l yc i r c u i ti s i m p r o v e di nt h i sp a p e r m o n o c h r o m a t o ri sb a s e do n g r a t i n g a n dt h e p h o t o d e t e c t o r i s p h o t o m u l t i p l i e r t u b e ( p m t ) ，t h es y s t e ms t a b i l i t y i sr e l a t e dt ot h er a d i a t i o n s t a b i l i t y o ft h e l a m p h o u s ea n dp h o t o d e t e c t o ra n db a c k g r o u n dr a d i a t i o n i no r d e rt o d e c r e a s et h e i n f l u e n c eo ft h eb a c k g r o u n dr a d i a t i o n ，g d b - 15 2a sp h o t o - d e t e c t o ri su s e d t h e d e u t e r i u ml a m p sp o w e rs u p p l yc i r c u i ti sb a s e do np o w e rf a c t o ra c t i v ec o r r e c t i o n t e c h n i q u e w h i c ha s s u r e st h er a d i a t i o ns t a b i l i t yo fd e u t e r i u m l a m p t h e s m a l l o u t p u tc u r r e n to fp m t a s s u r e st h es t a b i l i t yo fp m t u i t r a v i o l e tp h o t o e l e c t r i cm e a s u r e m e n ts y s t e mi su s e dt od e t e c tc y a n i d e w h e n t h ec y a n i d ei o nc o n c e n t r a t i o ni sb e t w e e n1m g la n d7 0 m g l t h ea b s o r b e n c yc u r v ei s ab e e l i n e t h ep r e c i s i o ni s l m g l t h er a n g ea n dt h ep r e c i s i o na r en o te n o u g ht o d e t e c tt h ec y a n i d ei nw a t e ro rw a s t ew a t e r ，b u ti ti se n o u g hf o rt h em e t a lm i n i n g i ti sa l s ou s e dt oa n a l y z ed r i n k i n gw a t e r w a t e r sp u r i f i c a t i o ni n d e xa n dt h e m i n e r a lw a t e r sm i n e r a ld e g r e ec a nb eg o tb yi t i fp r o d u c tl i n eo f d r i n k i n gw a t e rc a n s e tu pau l t r a v i o l e tp h o t o e l e c t r i cm e a s u r e m e n ts y s t e m ，g r e a ts o c i a lb e n e f i tc a nb e a c h i e v e d k e y w o r d s ：c y a n i d e ，p h o t o e l e c t r i cd e t e c t i o n ，u l t r a v i o l e t ，s i m u l t a n e o u sd e t e r m i n a t i o n 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：廖继菇7 犁移1 侈泊期：2 0 0 4 年2 月1 3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密百。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：廖继鬲霹澎嗡期：2 0 。4 年2 月1 3 日 j| 导师签名： 渴眦日期：加y 年二月，j ，日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的意义和目的 环境科学是目前世界各国高度重视的学科之一，环境监测是环境科学的一项 重要内容。如何确保生活饮用水的质量，对投毒事件进行快速的反应，避免事故 的发生，是环境科学面临的重要挑战之一。对于饮用水，地表水以及地下水水质 的长期监控与现场分析已经变得越来越重要。在欧共体1 9 9 8 2 0 0 0 研究与发展第 五框架计划( f i f t hf r a m e w o r kp r o g r a m m eo ft h ee u r o p e a nc o m m u n i t y f o rr e s e a r c h ， t e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t a n dd e m o n s t r a t i o na c t i v i t i e s ) 中将改善水质检测技术作 为一个极为重要的研究领域予以资助。这一领域在我国也同样受到了重视，很多 学者都致力于这个方向的研究。 水质的监测分析是一项需要经常、反复进行的日常工作。我国目前对水质的 常规检验过程是：实地采样一水样的预处理一实验室分析一完成检验报告一提出 处理意见。这一系列的工作繁琐复杂，耗时耗材，拿氰化物的检测来说，完成这 一过程的平均时间在六个小时以上，最快都需要两个小时，还需要耗费多种化学 试剂。由于样品的搬迁和检测时间的滞后，给环保执法带来很多纠纷与麻烦。拿 微量氰化物的检测来说，由于它本身具有挥发性，所以在搬迁的过程中很可能造 成c n 一浓度的降低，这就势必造成测量结果的偏差。如果能进行现场快速地分 析，那准确度就可以提高，但是目前的大型分析仪器一般都不能搬到现场进行现 场检测。本课题致力于整合化学分析、光电检测和数字信号处理等各种新技术， 研制一种高效、轻便的智能化在线检测仪器来替代落后的传统检测分析仪器和昂 贵的复杂的大型分析仪器，具有重要的社会效益和经济效益。 我国的环境监测基本上处于现场采样、实验室分析阶段，采样仪器以手动、 半自动为主。直读型、在线型、应急检测用仪器市场多为国外产品占据，而我国 5 0 0 0 多个监测站和大量的企业监测机构又是一个巨大的市场。氰化物的在线自 动检测仪器系统也是近期产业化的重点之一【1 1 。目前国内直饮水市场也形成了一 个大市场，由于直饮水大都是小区式供水，目前均采用定期抽样检测的方法，如 果有人在管道直饮水里投毒，那么将造成重大事故。如果安装水质自动监测系统， 那么水质超标的时候将会报警，能够避免事故的发生。鉴于市场的需要和政府对 智能化的水质在线检测仪器的大力支持，此类仪器将具有很大的市场前景。 1 2 国内外水质分析技术发展概况 水质各项目的分析方法有很多种，如重量法、容量滴定法、比色法、紫外 可见分光光度法、红外光谱法、荧光光度法、原子吸收法、电极法、色谱法、质 华南理工大学硕士学位论文 谱法、流动注射分析等。原子吸收法是很成熟的一种分析技术，主要用于测定金 属元素，操作简单、快速，灵敏度和准确度都较满意，但是对于c n 一，s 0 4 2 _ 等 却无能为力。色谱法：色谱分析法是一种重要的分离、分析手段，由于近年来高 效色谱柱的发展以及计算机技术的应用，已成为检测水中各种阴阳离子和有机污 染物的重要方法之一。电化学法：电化学分析在水分析中占有相当比例。今年来， 由于新的电极材料和电极不断涌现，研究工作比较活跃。相比以上各种方法，分 光光度法由于操作简单，准确度高，是水质分析的基本方法之一，其中一般光度 法、紫外光度法、荧光光度法、双波长光度法、倒数光度法等均有应用【2 ，3 l 。 18 7 4 年俄国物理学家h r e r o p o b 首先将光电效应用于比色分析，他所设 计的光电光度计就是现代光电比色计的雏形。1 8 9 4 年出现了p u l f r i c h 光度计， 1 9 1 1 年出现了b e r g 光电比色计，1 9 l 8 年美国国家标准局制成了第一台紫外一可 见分光光度计。此后，紫外一可见分光光度计经不断改进，发展很快，近年来出 现了自动记录、自动打印、数字显示等各种类型的分光光度计，由于仪器的不断 进步，光度法的灵敏度和准确度也不断提高，所以应用范围也不断扩大。 近年来，由于工业生产和科学技术领域的迅速发展，已有4 0 多年生产历 史的光谱分析技术也获得了惊人的发展。特别是近几年由于新材料、新元件、新 工艺及新技术的引入，使仪器向自动化、联机化发展，性能不断提高。到目前为 止，已有近2 0 个国家生产的上百个型号的分光光度计，每年都有新产品问世， 仪器在不断地创新或改型换代，其主要改进如下： 1 引入新型光源 以往常用氢灯和钨灯做光源，现代则多采用强度大、寿命长的碘钨灯( 可 见区和近红外区) 和氘灯( 紫外区) 做光源。为了设计轻便比色计，可采用发射 一定波带宽度的发光二极管来代替原来的光源和滤光片。为了研究快速反应及动 力学变化，近年来则采用闪光灯为光源( 氧闪光灯) ，甚至采用可调谐的脉冲激 光做光源。由于激光光源具有方向性好、亮度商、相干性和单色性均好等优点， 因此它的使用为光谱分析工作创造了新的条件，提高仪器的空间分辨率、时间分 辨率和波长分辨率使灵敏度大大提高，目前已有激光分光光度计、激光拉曼分光 光度计出售，并已形成一个光谱学的新分支一一激光光谱学。 2 单色器的改进 现在石英及其它材料制成的棱镜仍在应用，但是大部分仪器已改用光栅来 代替。光栅具有许多优点，由于它可以复制，使成本大大降低。特别是凹面光栅 的使用，使光路简单、光能损耗小 4 】。 在滤光片方面，目前已试制波长渐变滤光片，即旋转滤光片使光通过不同 的部位时，得出不同波长的光，可以用来代替简单的单色仪。滤光片的波长范围 也不断扩展中心波长为紫外2 1 4 n m 的滤光片已经有产品出售。 2 第一章绪论 透镜和反射镜的涂膜也在不断改进，以使光能的损耗尽可能减少，为了提 高仪器的主要性能一一分辨率，并减少杂散光，近年来已用双单色器来代替原来 的一个单色器，效果是显著的。 3 光电检测器件的进展瞪】 光电检测器件由最初的干板法到光电池、光电管，直到现在大多采用的光 电倍增管( p m t ) 和光电二极管。由于新材料的不断应用，可测量的光谱范围不断 扩大，产品也越来越丰富，已经可以实现紫外、可见、近红外的检测。 光电倍增管的突出优点是高增益，高灵敏度、低噪声及大的有源区面积。 随着新制备工艺的采用，一些被人们认为光电倍增管不如半导体光电探测器的缺 点正在被改进，主要表现在它的平均无故障时间已达1 0 0 0 0 到1 0 0 0 0 0 小时，电 源电压要求已降至1 5 v d c ，功耗只有十几毫瓦。最小的p m t 的体积已与半导体 探测器类似，能容易地与仪器集成在一起。 半导体光电探测器，如光电二级管，是一种体积小、重量轻、工作电压低、 寿命长和响应速度快的光传感器，它的价格相对便宜，抗外部电磁干扰和抗强光 损伤性能好。 4 电子线路与自动化方面的发展 将电子计算机技术引进到分光光度技术中来，是近年来发展的一个方向， 这方面的变化是很显著的。现在已将小型化、多功能和低成本的专用微处理机应 用于分光光度计中，不但能完成光谱数据的计算和处理，而且提高了仪器的自动 化程度。分光光度计与p c 机相连接，人机直接对话，可以设定测试的参数、自 动报警、显示故障等，实现软硬件相结合控制测量的过程。 5 常用分析仪器微型化、便携化、智能化 随着微电子技术的迅猛发展，各种集成电路的集成度越来越高，各种专用 集成块的大量问世，单片机技术广泛应用于各类测试仪器设备，加之人类对环境 保护尤其是水卫生要求的日益提高，水质监测部门对检测方法和手段的时效性、 准确性更为关注，这必然要求分析仪器朝着微型化、便携化、智能化方向发展， 使检测人员能够在现场获取及时、准确的数据。 1 3 氰化物概况 氰化物是含有氰基( 一c n ) 的一类化合物的总称，分简单氰化物、氰络合 物和有机氰化物三种，简单氰化物最常见的是氰化氢、氰化钠和氰化钾，均易溶 于水，进入人体后易解离出氰基，对人体有剧毒，通常所说的氰化物主要指这几 种。多种金属均可与氰形成氰络离子化合物，氰络离子的解离度很小不易形成游 离的氰基，其毒性也较低。常见的有机氰类环境污染物有丙烯腈、已腈、丁腈等， 华南理工大学硕士学位论文 均有异臭，可溶于水，在氧化剂存在下可释放出游离氰基。 1 3 1 氰化物的中毒机理 氰化物进入人体后可被迅速吸收入血，在血液中氰化物与红细胞中的氧化型 细胞色素氧化酶结合，并阻碍其还原，使生物体内的氧化还原反应不能进行，造 成细胞窒息、组织缺氧，重者出现神经性呼吸衰竭，另一方面氰化物的代谢产物 硫氰化物在体内蓄积，妨碍甲状腺素的合成，引起甲状腺功能低下。 1 3 2 氰化物的应用及对环境的污染 氰化物广泛应用于金属电镀、表面硬化、矿石浮选、提取金属、合成橡胶、 合成纤维、金属热处理、有机玻璃、制造炸药等领域，亦可用作显影刻和杀虫刻， 同时也是化学试验的常用试剂。 氰化物的应用很广泛，其对环境的污染主要是引起地面水体的污染。采用氰 化物作原料的各种企业排出的都或多或少地含有氰化物。另外氰化物也常作为副 产品出现于某些工业废水中。表l 一1 列出了含氰化物的一些主要工业污染源。 表1 1 含氰化物的些主要工业污染源 t a b l el lt h em a i n p o l l u t i o ns o u r c ec o n t a i n e dc y a n i d e 污染源氰化物含量及说明 加入氰化物作为抑制剂及分离荆，钼、铅、锌矿浮选排 有色选矿、冶炼 水4 1 0 m g l ，黄金选矿厂贫液可达数千毫克升 间断性排放，冲击性高浓度氰化物，有时可达8 0 铁台金淬火 1 2 0 m g l 电镀淋洗排水、 电解作业、金属 可能有铜、锌氰络合物协同效应的毒性，含氰在2 5 着色 5 0 0 m g l 之间 炼焦厂、煤气厂、 火力发电、水幕 炼焦厂废水含硫氰酸盐5 0 0 m g l 左右，水幕除尘3 0 m g l 除尘废水 左右 石油化工、塑料 纤维素、合成有 每生产i t 丙烯腈，排出含氰废水含1 1 0 1 2 0 k g 氰化物， 每生产i t 乙腈排出5 0 1 0 0 k g 氰化物 机玻璃等 由于氰化物对人体及其它动物的毒性都很大。且广泛存在与工业废水中，所 以环境部门对氰化物的监测很重视，国家科技部把氰化物的在线自动检测仪器系 统列为近期产业化的重点之一。 第一章绪论 1 3 3 氰化物的检测分析方法 水中氰化物的测定方法，国内有入做过评述扣】，对较高浓度通常采用硝酸银 容量滴定法，对低浓度的则有多种测定方法可供选择。较多采用的为分光光度法， 包括可见光的以及紫外光，主要方法为异烟酸一毗唑啉酮法和吡啶一巴比妥酸 法1 7 , 8 】，其优点为测出的检出限已符合例行调查的需要，面且操作简便，所用试 剂和设备都容易取得。紫外法【9 】系利用氨性氯化镍溶液与c n 一反应生成稳定的离 子型n i ( c n ) 4 2 - 络阴离子，在2 6 7 n m 波长处具晟大吸收。 仪器分析方法中有报到采用离子色谱法和高压液相色谱法，简便而快速，但 是需要昂贵的专用仪器。然而，还有较实用的一种方法是离子选择电极法，其特 点是操作简便，测定范围广。 以上各种方法中，均受到一些共存离子的干扰，通常对水样需做预处理分离。 常用的预处理分离技术是蒸馏，即利用气液分离方法分离出氢氰酸气体，再用氢 氧化钠吸收，以排除大部分干扰。 预蒸馏大致可分为下列几种类型： ( 1 ) 常温或略高于常温的条件下，于酸性介质中，利用通气或微扩散法以 驱出氢氰酸，然后吸收于碱液中。 ( 2 ) 在酒石酸酸性条件下蒸馏，介质的p h 值有调节至4 或2 5 的。 ( 3 )强酸蒸馏：以磷酸或硫酸调节至p h v 。反之，当光 源离开接收器运动时，v ：取负值，v 7 0 ( a 1 4 f ，才能使光 源发出光既能全部入射凸透镜l 1 上，又能对光有会聚作用。然而这样的透镜却 是却难以设计，只能折衷选择，使乓尽可能大。 j 选择凸透镜l 2 时，应使出射平行光与单色器的狭缝相匹配。 3 3 2 透镜材料的选择 氘灯发出波长为1 8 5 4 0 0 n m 的紫外光，而普通玻璃对3 5 0 n m 阻下波长的 紫外线有强烈的吸收，所以不能作为紫外光路中的元件。本紫外探测系统选用合 成石英为材料制成的透镜，几种材料的典型透过率曲线如下图所示。 ? 。 一 ，。 ， ，心 ， | ， 憾一l 。 k f fi 型! 垡 9 s 1 0 01 5 00 2 5 03 3 5 0 w a v e l e n g t h ( r i m ) 图3 1 7 不同材料的玻璃的典型透过率 f i 9 3 - 1 7t y p i c a lt r a n s m i t t a n c eo fv a r i o u sw i n d o wm a t e r i a l s 3 3 3 色散元件的选择 把宽光谱范围的光分离出单色光，即为色散作用。色散的主要方法有四种： 透光物质的色散作用、衍射色散作用、干涉色散作用、干涉调制色散作用 2 s i 。 透光物质的色散作用 光在真空中传播的速度与波长是无关的，即任何波长的光波是以光速c 迸行 曲 蚰 一邑u。，l一磊薹p 第三章系统设计方案 传播的，各种波长的光波在真空中的折射率为1 。光在物质中( 包括空气) 的传播 则是另一种情况，物质的折射率与波长有关， = n 例。任何物质都具有确定的透 明光谱范围以及吸收带( 不透明带) 。波长范围较大的透明物质可以用来制造分光 棱镜，波长范围窄的透明物质用来制造滤光片。分光棱镜要求波长愈大愈好，滤 光片要求波长愈窄愈好。 衍射色散作用 光的衍射不仅与衍射物体和光源的几何尺寸、形状和距离等有关，而且与光 波本身的波长有关。基于多缝衍射作用的色散系统被光谱仪器广泛使用，并且一 般为反射式的。 下面对常用的色散元件三棱镜、光栅、滤光片进行概述和比较。 一、三棱镜的分光原理 1 棱镜色散公式 a bc 图3 一1 8 三棱镜光路图 f i 9 3 1 8t h e p r i n c i p l eo ft r i p r i s m 三棱镜的光路图如图3 - 1 8 所示，根据折射定律以及各角度之间的关系，光 线的偏向角j 可表述为： 扣”姗抽扣 o ：- a r c s i n ( 半) 】卜 ( 3 1 ) 式中，i 和口均为常数，偏向角d 为n 的函数，即d 刊。对于所有的透明材料 而言，折射率n 是随着波长的减小而增加的，从式( 3 2 ) 可以看出，波长愈短则 偏向角越大。 2 分光棱镜角色散率 塑：! ! 呈竺坐 ( 3 3 ) d 2 c o s lc o s i 2 d 3 式中d n d l 是制造棱镜材料的色散率，它表示介质的折射率随波长变化的情况。 这是棱镜色散率n - - n 表达式，可适用于入射光束以任何角度射到棱镜的情况。 华南理工大学硕士学位论文 3 分辨率 r = 委：，粤 ( 3 4 ) a a ,矗 式中t 为棱镜底边的长度。d n d a , 是制造棱镜材料的色散率。由式( 3 4 ) 可知，棱 镜的分辨率只与制造棱镜的材料的色散率和棱镜底边的长度有关，而与角色散率 没有确定的从属关系。可以通过增大棱镜底边的长度，和选用色散率大的材料来 增大棱镜的分辨率。 二、光栅分光原理 衍射光栅可以分为透射光栅、平面反射式光栅、凹面反射式光栅等。透射光 栅使光的能量损耗较大，两反射式光栅克服了这个缺点，所以目前使用在光谱仪 器中的光栅几乎都是反射式光栅。如果光栅线不是刻在平面上，而是刻在金属的 凹球面镜上，这样就可以同时完成光的衍射和聚集作用，因而无需透镜，从而消 除了透镜带来的光谱范围限制和因透镜的吸收而造成的光能量损失。反射式平面 衍射光栅的色散原理为： 1 、色散原理和色散方程 反射式平面衍射光栅是刻有一系列等距的平行刻线的反射镜面，刻线的间距 d 称为光栅常数。 2 图3 一1 9 衍射光栅的工作原理 f i 9 3 - 1 9t h e p r i n c i p l eo f d i f f r a c tg r a t i n g 光栅作为色散元件应该工作在平行光束之中。如图3 1 9 所示，平行光束1 、 2 射到平面光栅上时，光栅的每条刻线都起着衍射的作用，而同时各刻线的同一 波长的衍射光束17 、27 的方向一致，他们经过物镜的聚合，并在焦平面上发生 干涉，形成狭缝的单色象，光栅的色散方程为： d ( s i n ，+ s i n i 1 = k 2 ( 3 5 ) 式中，d 为光栅周期，i 为入射角，i 为光栅的衍射角， 为光波长，k 为衍射 级次且斤= 0 ，l ，2 ，。 第三章系统设计方案 2 、角色散率和线色散率 假设入射角i 不变，对公式( 1 ) 两端进行微分可以得到色散率为 要= 去i ( 3 - - 6 ) a aac o s f 由上式可以看出，当i 较小时，角色散率罢：_