ANDOR SR-500型光栅光谱仪的波长校准方法

/ 西北核技术研究所 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室

0 引言

SR-500型光栅光谱仪是ANDOR公司生产的先进光谱测量仪器（实物图如图1），具有测量波长范围宽（190 nm～10 μm），波长分辨力高（0.05 nm），波长测量重复性好（±0.05 nm）等特点，且可搭配光电倍增管或ICCD相机记录，灵敏度较高[1]，适用于测量闪烁体在X射线照射下的发射光谱，对闪烁体性能进行评估。谱仪较为精密，当位置移动或结构件重新安装后，光谱的波长会发生漂移，在使用前需要对波长进行校准。谱仪配套软件只提供了波长平移的修正项，无法使测量谱线的全部波长与标准灯一一对应。文献[2、3]中给出了较详细的波长校准算法，然而，算法给出的是波长与步距、光栅转角参数的关系，实际使用中该参数很难测量，且校准过程较为复杂。本文采用MATLAB[4]数值处理技术，分析测量波长与标准波长的数学转换关系，研究由测量波长直接给出实际波长的校准方法，并用校准后的谱仪测量评估了上海硅酸盐研究所最新研制的LSO：Ce闪烁体受到X射线照射时的发射光谱。

1 实验原理

采用低压汞灯作为标准光源，常用可识别的特征谱线波长如表1所示[5]。实验原理图如图2所示。采用ANDOR公司生产的SR-ASZ-0054型光电倍增管和SR-ASZ-0053型高压电源作为记录装置。高压电源电压设为-1000 V。光谱仪扫描间隔为0.1 nm，扫描范围为240 ～ 600 nm，采集时间为5 ms。光栅设为3号，分辨力为1 200 lp/mm。实验在暗室中进行，关闭汞灯，采集数据作为本底。开启汞灯，预热15 min，待汞灯工作状态稳定后开始测量，扣除本底后得到汞灯的测量谱。

图1 SR-500光栅光谱仪

2 校准方法

光谱仪未校准时，汞灯的测量谱如图3所示。箭头给出了常用特征谱线的波长。在光谱仪使用手册中选择了546.075 nm处的特征峰作为基准[1]（虚线箭头），由576.960 nm和579.066 nm两个相邻波长特征峰可以判断，测量谱特征峰波长偏小26 nm。按照光谱仪手册中给出的平移校准方法，设置平移参数为26 nm。测量谱如图4所示。校准后测量谱中546.075 nm处的峰值波长较准确，其他峰值波长与特征谱线波长仍有较大偏差。253.652 nm处的测量结果偏差达14 nm，需要探索更优的校准方法。由图3读取未校准时测量谱各峰值波长λ测，由MATLAB软件中fit函数曲线拟合得到表1中标准波长λ标与λ测之间的函数关系，尝试线性拟合，拟合优度达0.999 998 6，两者之间具有很好的线性关系，均方根误差为0.15 nm。因而测量波长与校准波长之间变换关系由式（1）给出：

测量谱经线性变换法校准后如图5所示。测量谱峰值波长与表1结果一致性明显改善，最大偏差为0.3 nm。

图3 汞灯测量谱（光谱仪未校准）

图4 汞灯测量谱（光谱仪平移法校准）

图5 汞灯测量谱（光谱仪线性变换法校准）

3 LSO:Ce闪烁体发射光谱测量

在中子、γ射线、X射线等辐射源图像测量中，图像转换屏作为图像测量系统的重要组成部分，可将辐射源图像转换成荧光图像，然后由光学系统记录。LSO：Ce是一种综合性能优良的无机闪烁体，具有发光强度高、衰减时间较短、中子和γ射线分辨能力较强的特点，适用于中子与γ射线混合辐射场中测量γ射线[6]。γ射线和X射线的产生机制不同，与闪烁体作用机制相同，通常在图像测量中不进行区分。测量LSO：Ce闪烁体的发射光谱对准确评估闪烁体发光与后端光学系统记录耦合效率具有重要意义。2002年起上海硅酸盐研究所开始研究具有自主知识产权的LSO：Ce闪烁体生长技术[7]。2016年起该所与西北核技术研究所合作研究用于图像测量的大尺寸LSO：Ce闪烁体（约20 cm×20 cm）。本文测量对象是该所生产的小尺寸LSO：Ce样品。测量原理、实验参数与校准时一致，将低压汞灯换为LSO：Ce闪烁体，并采用恒流X射线源照射。波长校准后测量结果如图6所示，可以看出，测量光谱与文献结果整体变化趋势一致性很好，仅后端稍有翘尾，峰值波长偏差小于2 nm。线性变换法校准后的SR-500光谱仪能够准确测量LSO：Ce闪烁体的发射光谱。

图6 标准特征谱线波长与测量值关系曲线

4 结语

本文介绍了ANDOR SR-500型光栅光谱仪测量汞灯和LSO：Ce发射光谱实验的基本原理。以汞灯常用的特征谱线为基准，比较了光谱仪不校准、平移法校准和线性变换法校准后的汞灯测量谱。结果表明，光谱仪不校准时，所有特征谱线均存在20 nm以上的测量偏差；平移法校准后，546.075 nm特征谱线较准确，其他特征谱线仍有较大偏差，253.652 nm特征谱线偏差达14 nm；线性变换法校准后，各常用特征谱线波长测量偏差减小为0.3 nm。线性变换法校准后的光谱仪测量了LSO：Ce闪烁体的发射光谱（见图7），得到了与文献中一致的结果，验证了波长校准方法的有效性。

图7 LSO:Ce闪烁体发射光谱

[1]Users Guide for Andor Shamrock SR-500. [OL]. http：// www. andor.com, 2008.

[2]张帆，李新，刘辉.基于MATLAB的光纤光谱仪校准的测试方法[J].光子学报，2009，38（9）：2283- 2287.

[3]苗春安，马仁宏.光谱仪器的波长准确度及波长校准[J].仪器仪表学报，1997，18（6）：591- 595.

[4]苏金明，张莲花，刘波，等. MATLAB工具箱应用[M].北京：电子工业出版社，2004：489- 512.

[5]杨小虎.汞灯辐射性能研究[J].电脑知识与技术，2015，11（31）：163- 164.

[6]谢红卫，李如荣，宋顾周，等. LSO晶体射线荧光图像转换屏性能研究[J].核电子学与探测技术，2011，31（3）：302- 305.

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