现代原子发射光谱仪已不使用摄谱法，将获得的感光胶片上的谱线由映谱仪用看谱法进行定性分析；也不使用测微光度计对谱线的强度进行定量分析。现已普遍采用计算机储存各种元素的标准原子发射光谱谱线和样品发射的原子光谱谱线进行比较来进行定性分析；并采用光电转换元件，如光电倍增管或固体检测器[如电荷耦合器件(charge-coupled device,CCD)和电荷注入器件(charge-injection device, CID)]将光信号转换成电信号，经积分放大器放大后，信号输出至液晶显示器，并给出定性和定量分析结果。

1．光电倍增管

光电倍增管(photoelectric multiplication tube, PMT)是根据二次电子倍增现象制造的光电转换器件，它由一个表面涂有一层光敏物质的光阴极和多个表面都涂有电子逸出功能材料的打拿极(又称倍增极)，以及一个阳极，封装在一个有熔融石英窗的玻璃管中，其结构示意图见图3-18。

图3-18光电倍增管工作原理示意图

在光电倍增管的光阴极和阳极间有12个打拿极，并施加1000V直流高压，在每两个相邻的打拿极间都有50～100V的电位差。每个照射在光阴极和打拿极的光子，可产生10⁶～10⁷个电子，它产生的增益可达10¹⁰～10¹³数量级，产生的总电流被阳极收集，经放大后进行测量。

光电倍增管的阴极涂覆的材料，依据分光系统的波长范围来选择，如紫外光区要采用Cs-Sb(或Cs-Te)阴极；可见光区采用Ag-Bi-O-Cs阴极；近红外光区采用Ag-O-Cs阴极。由于光谱分析的工作波长范围较宽，为此采用由2～3个光电倍增管构成组合光电检测系统，可在178～800nm波长范围有较好的响应曲线，如图3-19所示。

图3-19组合光电倍增管的响应曲线

光电倍增管的典型电流放大率为3.3×10⁶。在光照射下一，光电倍增管产生的电流i为：

i＝KI_i＋i_o

式中，I_i为入射光的光强度；K为倍增系数；i₀为光电倍增管产生的暗电流，它是指光电倍增管在无光照条件下(全暗条件)在阳极收集到的电流。

光电倍增管随施加负高电压的增大，测量的灵敏度会提高，但也会使暗电流增加，而增大信噪比，现代原子发射光谱仪中，已采用自动调节负电压的供给方式，使它的输出电流达最佳的信噪比和最高灵敏度。

2.电荷耦合器件

电荷耦合器件(CCD)是现代电子照相机使用的通用光电转换器件。原子发射光谱中使用的CCD，基本结构是由金属一氧化物一半导体(metal-oxide-semiconductor, MOS)电容器组合构成。

MOS电容器是在半导体硅片上，经加热氧化使表面形成二氧化硅绝缘体薄膜，再在它的上面喷涂一层Al作为栅极(又称控制极)，就制成一个电容器。当在它的栅极施加电压时，在半导体硅片的衬底上形成势阱，就可储存电荷。当光照射到硅片上，就在硅片上产生光生电子和电子空穴，电子被收集在栅极下面的势阱内，其产生的光电流与照射的光强度成正比，可见图3-20。这就表明MOS电容器在被光照射后，会产生光生电子，并有储存电荷的功能。

CCD器L件通常由三个MOS电容构成一个单元，如欲测量由光照产生的电荷，需把电荷转移出去，当三个相连电容器的栅极存在电位差时，在第一个电容器栅极下势阱储存的电荷，会因外加电场电位差的作用转移到第二个电容器栅极下势阱储存，然后再转移到第三个电容器栅极下势阱储存，因此由多个MOS电容器构成的CCD器件，在光照下就会具有生成电荷、收集电荷和转移电荷的功能，如图3-21所示。

图3-20 MOS电容器结构
1-半导体硅片；2-SiO₂绝缘体薄膜；3-喷涂铝(Al)薄层；4-硅片中的势阱；5-栅极；6-接地；7-入射光；8-电子空穴；9-光生电子

使用CCD时，对环境温度无严格要求，但当进行190nm以下的元素含量测定，须预先用高纯Ar对CCD吹扫8h以后，再用于检测。

图3-21 CCD器件的电荷转移示意图

对二维CCD器件，它是由一个4×5像素构成的阵列，通常由三个MOS电容构成一个像素单元，二维CCD阵列如图3-22所示。在阵列右侧是行时钟脉冲驱动电路，阵列下方是列时钟脉冲驱动电路和移位寄存器，几在行和列的时钟脉冲电路的驱动下，信号电荷按顺序转移到输出单元被检测，并获得完整的二维光谱图像。一个实用的CCD器件，其像素可从数万个到百万个。

3．电荷注入器件(CID)

CID和CCD的结构相类似，它和CCD的不同处是CCD,的衬底硅片可使用P型或N型半导体材料，而CID只能使用N型硅半导体材料。

CID通常由两个MOS电容器组成一个像素单元。当光照射在N型

图3-22二维CCD结构原理

硅半导体上，会产生电子空穴，当对栅极施加负电压时，正电荷电子空穴会储存在栅极下的势阱中，空穴形成的电荷量与入射光强成正比。当改变两个MOS相邻栅极的电位，使电容器1栅极为正电压时，电容器1储存的正电荷电子空穴向电容器2转移，在转移的过程就可进行非破坏性输出(non-destructive read out, NDRO)，并进行测量，见图3-23。如果重复上述过程不断改变两个MOS的栅极电压，就可进行第二次、第三次测量。因此，对CID进行一次曝光，就可进行多次非破坏性测量。当一个CID像素单元的两个MOS栅极都施加正电压，硅片中的正电荷电子空穴被排斥出CID硅片，此时即为破坏性输出，就可进行下一个样品的测量。

图3-23CID电荷转移示意图

应用CID时，工作温度为-48℃，需要不停地用高纯Ar吹扫。

实际应用的CID器件，多为二维CID，如果把每个像素单元中的电容器1作为行的一员，把电容器I作为列的一员，它们在水平扫描发生器和垂直扫描发生器不断改变栅极电位的驱动下，就可形成和二维CCD相似的二维CID图像(图3-24，图3-25)。

CID和CCD的差别有以下几点：

① CID的电信号输出是从构成一个像素单元的两个MOS之间的电子空穴的输出，它不必将电荷转移到其它像素单元后再输出，因而没有过剩电荷溢出现象，不会使电子图形变形，并可在一次测量中进行多次非破坏性读出。

图3-24电荷注入阵列检测器

图3-25CID检测器照片

CCD的电信号输出，必须经过电荷在多个像素单元间的转移后一次性读出，信号读取后立即消失。电荷转移过程会超过MOS电容器的容量，过剩电荷会溢出到邻近的MOS电容器，而造成变形的图像。

②CID的光电转换的量子效率低于CCD。

③CID的暗电流大于CCD。

④CID测量的动态范围比CCD更宽。

⑤CCD器件的结构简单器件尺寸比CID大，商品化程度高，价格便宜，所以现在市场上使用CCD比CID更广泛。