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總述：

  CEL-BRS是以高重頻脈沖激光器和2DSPC?門控單光子相機為核心，以納秒門控選通技術以及陣列探測器為基礎，精準探測每個收集到的光子的檢測手段。在使用CEL-BRS時無需考慮傳統拉曼技術固有的各種制約因素，甚至在室外日光條件下可輕松獲得遠距離物質的拉曼信號，可以大幅抑制背景輻射、環境光等帶來的干擾。其應用領域主要有高溫冶金拉曼檢測，光催化在線拉曼檢測，燃燒/等離子產物拉曼檢測。下面主要基于光催化在線拉曼檢測系統具體闡述 CEL-BRS的使用方法。

1.系統組成：

光催化在線拉曼檢測系統主要包括：微型光熱催化微反系統（適配高溫GPPCM，高溫高壓GPPCT），CEL-BRS檢測系統。如下圖1.1所示。

圖1.1  光催化在線拉曼檢測示意圖

1）微型光熱催化微反系統：

   微型光熱催化微反系統適用于光熱協同催化、光催化劑的評價及篩選，以及光催化的反應動力學、反應歷程等的研究。例如：催化劑材料的制備、催化劑材料的活性評價、光解水制氫、二氧化碳還原等。主要包括熱反應系統和光反應系統。

   熱反應系統采用加熱爐給石英反應器加熱，可滿足透光的要求，同時保證實驗過程中穩定的強高溫。

   光反應系統采用可模擬太陽光光譜的高功率氙燈光源。光源覆蓋200-1100nm全光譜段，如下圖1.2所示，且光能量輸出集中。電源與燈箱分體設計，燈箱采用太陽花風冷散熱形式。光路結構采用多次濾光結構，可兼容不同濾光片，滿足不同需求，不同規格的應用。

圖1.2  氙燈光譜圖

    系統整體采用控制模塊加觸摸屏內置組態軟件的控制方式，智能調節，先進算法等，同時配有：進料穩流系統、反應恒溫系統，產物收集系統、控制系統等子系統。使得系統可以實現壓力顯示精度：±0.01MPa；溫度顯示精度：±0.1℃；溫度控制精度：±1℃；流量控制精度：±1%F.S等高精度指標。

2）CEL-BRS檢測

  CEL-BRS由公司自主研發，以“納秒脈沖激光+2DSPC?納秒門控單光子相機為核心，基于時間選通的遠程在線拉曼測試系統。主要包括激光激發和拉曼檢測兩部分。激光激發，本系統采用被動調Q脈沖微片，波長532nm，脈沖能量40uJ，重復頻率2.5KHz，脈沖寬度<1ns的激光器，通過光路整形，將激光耦合進入光纖拉曼探頭，使光斑聚焦于檢測的樣品。探頭原理示意如圖1.3所示，激光光路示意圖如圖1.4所示。

   拉曼檢測，激發樣品產生的拉曼信號通過探頭，探頭出射端連接光纖，光纖后端放置準直器，以及柱透鏡對拉曼光斑整形。光路圖如下圖1.5所示。調節光斑使其聚焦到光譜儀狹縫。光譜儀采用全自動光譜設備，內部采用經典的C-T不對稱結構，且具有像差自動校正功能。

   拉曼信號通過光譜儀分光到達單光子相機。該系列單光子相機主要包括：3ns Gate單元，Delay Generator單元，Gain Control單元，其連接示意圖如下圖1.6所示。Delay Generator單元接受激光器外觸發，C端口接入單光子相機Sync端口，同時Gate端口接入3ns Gate單元的Trigger Input端口，由Gate Output端口輸出到單光子相機Gate端，且Gain Control 單元I/O端口接入單光子相機I/O端口。各單元模塊的作用是可精準開啟單光子相機內部各個部件，達到時序同步一致。

圖1.6 單光子相機連接示意圖

該相機得益于納秒級高速電子快門及皮秒級高精度時序控制，可根據指令捕獲某個精準時刻的光子信號，其技術參數如下表1所示。

• 表1：單光子相機技術參數

2.門控單光子拉曼工作原理

   門控單光子拉曼技術，以納秒脈沖激光器為激發源，以門控型二維面陣單光子相機為探測器，基于距離選通原理實現探測目標拉曼信號的時間/距離分辨的拉曼探測技術。

   其結構包括：門控型單光子相機集成MCP像增強器、高壓增益模塊、時序模塊、門控模塊等。具有高增益、短門寬、低噪聲特性；獨特的單光子計數模式可實現對弱光拉曼信號的有效探測，高精準時序選通技術對樣品拉曼信號切片式采集，實現抑制背向散射、熱輻射、環境光等噪聲的能力。

   單光子計數原理，如下圖 2.1 所示，其大致原理如下：（a） 單幀原始數據的單光子信號甄別；（b）根據單光子識別構成“0”和“1”的二維陣列，形成單幀單光子計數；（c）多幀單光子計數疊加；（d）單光子計數灰度值成像。

• 圖 2.1 單光子計數原理圖

（a）對每個像素元的單光子記錄進行甄別,（b)每個像素單光子11進行數字化，(c)多幀累加,（d)每個像素元單光子計數灰度圖。

  高重頻脈沖激光器的拉曼光譜系統時序控制原理如下圖2.2。其中，Δt為觸發高重頻脈沖激光與拉曼信號的時間延遲，帶寬分別為ΔT1、ΔT2，其電子快門脈寬ΔT3>ΔT2，因單光子相機的幀頻低于脈沖激光器工作頻率，單光子相機對多脈沖信號的單光子計數進行累加采集，則在單光子相機單幀曝光時間（ΔT4）內累加多個脈沖信號。

圖2.2 門控單光子拉曼時序原理

   門控單光子相機可實現單脈沖信號的高速響應和采集，可大范圍抑制各種噪聲，門控選通技術對噪聲的抑制原理如下圖2.3所示。

圖 2.3 門控選通技術對噪聲抑制原理示意圖

3. 光催化在線拉曼檢測系統操作說明

催化劑填充

光熱催化微反系統開機

CEL-BRS 開機采集

開啟激光器，確認光路無偏移，確認聚焦光斑無變化。同時確認CEL-BRS系統如圖1.6所示連接。

打開Delay Generator單元Switch開關；

打開Gain Control單元220V開關按鈕，正反面如下圖3.8所示，圖3.9所示。

• 打開光譜儀開關。

• 雙擊桌面軟件。 

  

• 等待10秒鐘，顯示界面如下圖3.10所示。

                                    圖3.10 軟件界面圖

點擊<采集設置>按鈕，彈出如下圖3.11所示窗口。且右下角綠色指示，證明整個CEL-BRS設備通訊正常。

•                                             圖3.11 初始界面顯示




設置<相機設置>與<通道設置>相關參數如下圖3.12，3.13所示。






• 圖3.12 相機設置窗口參數




• 圖3.13 通道設置窗口參數




打開<光譜儀>選項，，點擊連接光譜儀，光譜儀選擇MS2004，參數設置如下圖3.14所示。點擊Shutter開啟。

• 圖3.14 光譜儀設置參數窗口

參數設置好，點擊標題欄的<單幀>按鈕，軟件出現單幀采集界面，如下圖3.15所示。單幀模式適合單次測量，實時觀察樣品信號。

• 圖3.15 單幀測試模式窗口




在有些原位拉曼測試中，需要長時間測試拉曼信號，軟件自動保存數據，需要設置<間隔拍攝>參數，如下圖3.16所示。設置需要保存文件的路徑與文件名。根據實際需要監測情況，設置間隔時間，以及總測試幀數。圖中表示每5分鐘測試一次，共測試3小時。



• 圖3.16 間隔拍攝模式窗口




點擊標題欄<間隔>采集按鈕，如下圖3.17所示。軟件以序列方式采集信號。

• 4.軟件數據的顯示及處理




1）單幀模式采集
   在單幀模式采集時，數據保存需要手動點擊<保存光譜>,保存當前窗口數據。如下圖4.1所示。保存的數據格式有：.csv，.cie







• 圖4.1 保存格式窗口









2）間隔拍攝模式采集
   在間隔拍攝模式中，軟件以所設置的間隔時間采集序列，測試的數據會自動保存在所設置的文件夾內，如下圖所示4.2所示。




                           圖4.2 間隔拍攝保存數據


3）數據處理

  保存好的數據可以用任何軟件處理。如下圖4.3，4.4所示。單幀數據處理與時序模式處理數據結果。通過對拉曼峰的研究得到樣品的分子振動，濃度和取向以及物質的力學性質。








                                                        圖4.3 一維數據處理結果





                                   圖4.4 三維數據處理結果


測試樣品：Tio2；測試時間：3小時；
測試間隔：5分鐘；每次拉曼采集時間：30秒