專利名稱：中階梯光柵光譜儀、原子發(fā)射光譜儀及光譜測試方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光譜技術領域，涉及一種中階梯光柵光譜儀，特別涉及一種基于分段式的中階梯光柵，基于中階梯光柵光譜儀的原子發(fā)射光譜儀及光譜測試方法。
背景技術：
電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜分析技術是材料領域中應用最為廣泛的元素分析方法之一。(2002年吉林大學碩士論文“基于CXD的ICP-AES光譜儀光譜采集方案的設計與研究”，2007年天津大學碩士論文“ ICP掃描光譜儀的研制”)報道了關于電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)，它利用原子發(fā)射特征譜線所提供的信息進行元素分析，具
有多元素同時、快速、直接測定的優(yōu)點，在冶金、石油化工、機械制造、金屬加工等工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大作用。原子發(fā)射光譜儀經(jīng)歷了一個較長的發(fā)展過程。根據(jù)分光系統(tǒng)結構特征，電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀分為多道ICP原子發(fā)射光譜儀、ICP原子發(fā)射單色儀、順序掃描ICP原子發(fā)射光譜儀、中階梯光柵ICP原子發(fā)射光譜儀(ICP-Echelle AES)。由于生產(chǎn)的需求，原子發(fā)射光譜儀正不斷向全譜直讀、智能化、小型化、低分析成本的方向發(fā)展。分光系統(tǒng)作為原子發(fā)射光譜儀的核心部分，直接影響儀器的性能水平，以中階梯光柵光譜儀為分光模塊的ICP-AES，具有波段范圍寬、分辨率高、靈敏度高的特點，已成為原子發(fā)射光譜分析技術研究的重點。目前，國內(nèi)外多家科研機構正努力研制性能優(yōu)越的ICP-Echelle AES。美國熱電公司(Thermo Scientif ic),德國耶拿公司(analytikjena),美國利曼-徠伯斯公司(Leeman Labs Inc),美國鉬金埃爾默儀器公司(PerkinElmer)相繼研制出以中階梯光柵光譜儀為分光模塊的ICP-AES，但由于探測系統(tǒng)的限制，以及波段范圍、光譜分辨率的嚴格要求，光譜分析模塊一中階梯光柵光譜儀仍然存在較多關鍵技術有待進一步研究。目前，國內(nèi)自主研制的ICP-AES主要采用掃描形式的單色儀作為其分光模塊，這種結構形式的ICP-AES不僅體積龐大，而且測試時間長,測試樣品消耗量大。目前應用的一種中階梯光柵光譜儀的光路結構，包括箱體，聚光鏡、入射針孔、準直鏡、中階梯光柵、交叉色散棱鏡、聚焦鏡和面陣探測器；所述準直鏡和聚焦鏡均采用拋物鏡；聚光鏡將入射光束聚焦到入射針孔，從入射針孔出射的光束照射準直鏡，準直鏡反射的平行光直接入射到中階梯光柵表面，中階梯光柵衍射的光束經(jīng)交叉色散棱鏡表面反射后照到聚焦鏡上，聚焦鏡反射的匯聚光由面陣探測器接收。但由于探測器發(fā)展水平的限制，該結構形式的中階梯光柵光譜儀測試的光譜范圍僅為400nm-800nm，其性能仍不能滿足ICP-AES的測試要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的一個技術問題是提供一種能夠實現(xiàn)200nm-900nm波段范圍內(nèi)多元素快速測量的中階梯光柵光譜儀。為了解決上述技術問題，本發(fā)明的中階梯光柵光譜儀包括聚光鏡I、入射針孔2、準直鏡3、中階梯光柵4、交叉色散棱鏡5、聚焦鏡6，箱體7和面陣探測器8 ;其特征在于還包括旋轉驅動機構13，所述旋轉驅動機構13的旋轉軸與交叉色散棱鏡5固定連接。所述箱體7的內(nèi)表面涂黑。所述箱體7的內(nèi)表面做粗糙處理。所述中階梯光柵4和交叉色散棱鏡5的光入射面前分別設置第一光闌10和第二光闌9。本發(fā)明要解決的第二個技術問題是提供一種以上述中階梯光柵光譜儀為分光模塊的原子發(fā)射光譜儀。

本發(fā)明要解決的第三個技術問題是提供一種利用上述原子發(fā)射光譜儀進行光譜測試的方法。為了解決上述技術問題，本發(fā)明的利用上述原子發(fā)射光譜儀進行化學樣品光譜測試的方法包括下述步驟一、向中階梯光柵光譜儀箱體7內(nèi)充入氬氣；二、打開原子發(fā)射光譜儀的固態(tài)式ICP光源12，利用旋轉驅動機構13改變交叉色散棱鏡5的角度使入射角度在27. 56° ±0. 05°范圍內(nèi)；三、利用Ar的特征譜線對交叉色散棱鏡角度進行精確定位，實現(xiàn)200nm-400nm波段范圍的譜線標定；四、將化學樣品放置于樣品池11內(nèi)，對化學樣品200nm-400nm的譜線進行測試；五、利用旋轉驅動機構13改變交叉色散棱鏡5的角度使入射角度在27. 10?！?. 02。范圍內(nèi)；六、利用Ar的特征譜線對交叉色散棱鏡5的角度進行精確定位,實現(xiàn)400nm-900nm波段范圍的譜線標定；七、，對化學樣品的400nm-900nm譜線進行測試。中階梯光柵光譜儀是一種高分辨率、高精度新型光譜儀器，它采用中階梯光柵作為主色散元件，經(jīng)交叉色散棱鏡橫向色散后，在像面上形成二維重疊光譜。光源發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡聚焦在入射針孔，入射針孔出射光束經(jīng)準直鏡準直后入射到中階梯光柵進行主色散，然后入射到交叉色散棱鏡進行橫向色散，交叉色散后經(jīng)聚焦鏡成像在CCD的像面上。由于ICP-AES進行樣品測試時，要實現(xiàn)幾十種微量元素同時測量，所以ICP-AES要求其分光系統(tǒng)要同時兼有寬波段范圍、高光譜分辨率的特點，且可以避免不同元素間特征譜線的干擾。中階梯光柵光譜儀采用中階梯光柵與交叉色散棱鏡的結構形式能夠較好的滿足ICP-AES對系統(tǒng)波段范圍與分辨率的需求，并具有較低的檢出限，能夠滿足原子發(fā)射光譜的測試要求。由于ICP-AES測試性能以及中階梯光柵光譜儀光學性能的需求，要求系統(tǒng)應具有較高的信噪比，所以必須對系統(tǒng)背景噪聲進行有效的抑制。系統(tǒng)設計過程中，箱體內(nèi)部采用均勻涂黑并進行粗糙面處理。同時，根據(jù)光學結構特點，在系統(tǒng)內(nèi)部中階梯光柵和交叉色散棱鏡處增加光闌，從而有效的抑制了系統(tǒng)雜散光，對降低系統(tǒng)檢出限、提高系統(tǒng)信噪比有明顯效果。本發(fā)明的分段測量式中階梯光柵光譜儀，通過改變交叉色散棱鏡的入射角度，分別完成200nm-400nm，400nm-900nm的測量，在現(xiàn)有探測水平情況下，實現(xiàn)了 200nm-900nm波段范圍內(nèi)的快速測量。具有寬波段、高分辨率、高靈敏度、低噪聲、小體積的優(yōu)點，滿足ICP原子發(fā)射光譜儀的應用需求。將分段測量式中階梯光柵光譜儀與固態(tài)式ICP光源組合，研制出中階梯光柵ICP原子發(fā)射光譜儀。系統(tǒng)調試完成后，進行了化學試樣的測試分析，實驗結果表明分段式中階梯光柵光譜儀滿足ICP原子發(fā)射光譜儀性能需求，測試簡便、靈敏度高、試樣消耗量少、可實現(xiàn)寬波段多元素的快速測量。本發(fā)明的積極效果針對ICP-AES的測試需求，通過光學性能分析，設計了一種分段式測試型中階梯光柵光譜儀。將其與固態(tài)式ICP光源結合，設計出電感耦合等離子體中階梯光柵原子發(fā)射光譜儀(ICP-Echelle AES)，并進行了實際測試分析，可以實現(xiàn)多元素的同時測量，能夠準確判讀各元素成分，波長測試誤差小于O. Olnm。該結構形式較好的降低了級次間干擾，解決了系統(tǒng)積分時間與量子效率之間的矛盾關系。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。圖I是本發(fā)明的中階梯光柵光譜儀結構示意圖。圖2 (a) ,2(b)分別是本發(fā)明的中階梯光柵光譜儀在200nm-400nm、400nm-900nm
波段內(nèi)二維光譜圖像。圖3是本發(fā)明中C⑶量子效率曲線。圖 4 (a) ,4(b)分別是 ICP-Echelle AES 在 200nm_400nm、400nm_900nm 波段的測
試譜圖。
具體實施例方式如圖I所示，本發(fā)明的中階梯光柵光譜儀包括聚光鏡I、入射針孔2、準直鏡3、中階梯光柵4、交叉色散棱鏡5、聚焦鏡6，箱體7、面陣探測器8和旋轉驅動機構13 ;所述準直鏡
3和聚焦鏡6均采用拋物鏡；聚光鏡I將入射光束聚焦到入射針孔2，從入射針孔2出射的光束照射準直鏡3，準直鏡3反射的平行光直接入射到中階梯光柵4的表面，中階梯光柵4衍射的光束經(jīng)交叉色散棱鏡5表面反射后照到聚焦鏡6上，聚焦鏡6反射的匯聚光由面陣探測器8接收；旋轉驅動機構13的旋轉軸與交叉色散棱鏡5固定連接。所述旋轉驅動機構13可以采用現(xiàn)有技術中任意一種旋轉驅動機構，例如電機、馬達等。光源發(fā)出的光束經(jīng)入射針孔2進入光學系統(tǒng)，沿入射針孔2出射光線方向距離f處放置反射拋物鏡作為準直鏡3，在準直鏡3反射光方向放置中階梯光柵4，交叉色散棱鏡5放置于中階梯光柵4衍射光方向上，經(jīng)交叉色散棱鏡5反射的光束照到前方的反射拋物鏡即聚焦鏡6，聚焦鏡6將出射光聚焦在面陣探測器8上，所有鏡面(包括準直鏡3、中階梯光柵4、交叉色散棱鏡5、聚焦鏡6)的中心高度與入射針孔2的中心位置等高。橫向色散的作用是將經(jīng)中階梯光柵4色散后重疊在一起的光譜級次分開，其色散能力對系統(tǒng)的光譜分辨能力無明顯影響。但考慮光譜范圍、級次干擾、探測器的利用率等問題，需要對橫向色散參數(shù)進行精確計算。由于交叉色散棱鏡5在短波范圍內(nèi)色散能力較強，在長波范圍內(nèi)色散能力較弱，所以在相同入射角的情況下，短波段級次間隔較大，而長波段各級次間距離較近，容易產(chǎn)生級次干擾。經(jīng)計算分析，可知在兩個角度下即可覆蓋光譜范圍200nm-900nm。第一個波段范圍為200nm-400nm，交叉色散棱鏡5的入射角度為27. 56° ;第二個波段范圍為400nm-900nm，交叉色散棱鏡5的入射角度為27. 10°。圖2 (a)為200nm-400nm波段范圍內(nèi)二維光譜圖像分布；圖2 (b)為400nm-900nm波段范圍內(nèi)二維光
譜圖像分布。由于ICP-AES具有高靈敏度與低檢出限的特點，所以對探測系統(tǒng)的要求較高。通過對中階梯光柵光譜儀性能分析，本系統(tǒng)選用高靈敏度的紫外增強型面陣CCD相機作為系統(tǒng)的面陣探測器8，CCD芯片在200nm-850nm范圍內(nèi)，具有較均勻的量子效率，其效率曲線如圖3中曲線III所示(圖中I 一中波段型效率曲線，II一寬波段型效率曲線，III一紫外型效率曲線，IV—非鍍膜型效率曲線)。同時，該CCD具有較低的暗電流噪聲與讀出噪聲，工作時可制冷到-70°C，通過設置不同積分時間，該探測系統(tǒng)能夠滿足微弱信號的測試。由于本發(fā)明屬于非固態(tài)測量，在測試過程中需要轉動交叉色散棱鏡5來完成200nm-900nm范圍內(nèi)的譜線測量。為了保證測試的準確性，在每次測試過程中需要對譜圖位置進行標定。在譜圖標定過程中，中階梯光柵光譜儀充氬氣以完成紫外波段的測量。通
過分析Ar的特征譜線可知其特征譜線分布于300nm-520nm間，可用于實現(xiàn)200nm-400nm,400nm-900nm兩個波段范圍的譜線標定。本發(fā)明利用Ar的特征譜線對交叉色散棱鏡5的角度進行精確定位，并完成系統(tǒng)參數(shù)確定與調整。本發(fā)明對化學試樣進行測試分析，實驗中拍攝的二維光譜信息如圖4 (a)、4 (b)所示。通過二維譜圖還原計算，以Ar元素的特征波長對系統(tǒng)進行標定。標定后對溶液中Se，Zn，Mn，Cu，Ba, Mg，Ca，Si，C，K，Na元素進行測試，其測試結果如表I所示。每種元素有多種特征譜線，但其檢出限有較大的差別，本實驗僅給出特征譜線能量較強、較為容易辨別的特征譜線標定結果。從實驗結果可以看出儀器在整個波段范圍均有較小的波長測試誤差(〈O. Olnm)，能夠滿足原子發(fā)射光譜分析的需求。在測試過程中，中階梯光柵光譜儀充氬氣以完成紫外波段的測量，通過分析Ar的特征譜線可知其特征譜線分布于300nm-520nm間，可用于實現(xiàn)200nm-400nm，400nm-900nm兩個波段范圍的譜線標定。本發(fā)明利用Ar的特征譜線對交叉色散棱鏡5的角度進行精確定位，并完成系統(tǒng)參數(shù)確定與調整。然后對Se，Zn，Mn，Cu，Ba，Mg，Ca，Si，C，K，Na元素的混合溶液進行測試。采用不同的積分時間，分別對200nm-400nm,400nm-900nm的兩個波段范圍進行測試。具體測試步驟如下—、向中階梯光柵光譜儀箱體7內(nèi)充入氬氣；二、打開原子發(fā)射光譜儀的固態(tài)式ICP光源12，利用旋轉驅動機構13驅動交叉色散棱鏡5轉動，通過面陣探測器8上的光斑位置判斷交叉色散棱鏡5的入射角度，使其入射角度在27. 56° ±0.05°范圍內(nèi)，對交叉色散棱鏡5進行粗定位；三、利用Ar的特征譜線對交叉色散棱鏡5的角度進行精確定位,實現(xiàn)200nm-400nm波段范圍的譜線標定；四、對化學樣品200nm-400nm的譜線進行測試；五、利用旋轉驅動機構13驅動交叉色散棱鏡5使其轉動，通過面陣探測器8上的光斑位置判斷交叉色散棱鏡5的入射角度，使其入射角度在27. 10° ±0.02°范圍內(nèi)，對交叉色散棱鏡5進行粗定位；六、利用Ar的特征譜線對交叉色散棱鏡5的角度進行精確定位,實現(xiàn)400nm-900nm波段范圍的譜線標定；
七、對化學樣品的400nm-900nm譜線進行測試。實施例I混合溶液中Se元素的特征波長203. 985nm(以特征譜線能量較強、較易辨別的為例，下同)，在波段范圍200nm-400nm之間，交叉色散棱鏡5的入射角為27. 56°，實測譜線位置(69，213)，實測波長203. 986nm，波長準確度誤差O. OOlnm。實施例2混合溶液中Zn元素的特征波長213. 856nm，在波段范圍200nm-400nm之間，交叉色散棱鏡5的入射角為27. 56°，實測譜線位置(132，222)，實測波長213. 8 61nm，波長準確度誤差 O. 005nm。實施例3混合溶液中Mn元素的特征波長257. 610nm，在波段范圍200nm-400nm之間，交叉色散棱鏡5的入射角為27. 56°，實測譜線位置(315，250)，實測波長257. 614nm，波長準確度誤差 O. 004nm。實施例4混合溶液中Cu元素的特征波長324. 754nm，在波段范圍200nm-400nm之間，交叉色散棱鏡5的入射角為27. 56°，實測譜線位置(446，222)，實測波長324. 752nm，波長準確度誤差 O. 002nm。實施例5混合溶液中Mg元素的特征波長279. 079nm，在波段范圍200nm-400nm之間，交叉色散棱鏡5的入射角為27. 56°，實測譜線位置(369，293)，實測波長279. 080nm，波長準確度誤差 O. OOlnm。實施例6混合溶液中Ca元素的特征波長315. 889nm，在波段范圍200nm-400nm之間，交叉色散棱鏡5的入射角為27. 56°，實測譜線位置(434，307)，實測波長315. 894nm，波長準確度誤差 O. 005nm。實施例7混合溶液中Si元素的特征波長288. 158nm，在波段范圍200nm-400nm之間，交叉色散棱鏡5的入射角為27. 56°，實測譜線位置(388，304)，實測波長251. 157nm，波長準確度誤差 O. OOlnm。實施例8混合溶液中C元素的特征波長247. 856nm,在波段范圍200nm-400nm之間，交叉色散棱鏡5的入射角為27. 56°，實測譜線位置(284，253)，實測波長247. 855nm，波長準確度誤差 O. OOlnm。實施例9混合溶液中Ba元素的特征波長455. 403nm，在波段范圍400nm-900nm之間，交叉色散棱鏡5的入射角為27. 10。，實測譜線位置(350，114)，實測波長455. 415nm，波長準確度誤差 O. 008nm。實施例10混合溶液中K元素的特征波長766. 490nm,在波段范圍400nm-900nm之間，交叉色散棱鏡5的入射角為27. 10°，實測譜線位置(409，460)，實測波長766. 498nm，波長準確度誤差 O. 008nm。實施例11混合溶液中Na元素的特征波長588. 995nm，在波段范圍400nm-900nm之間，交叉色散棱鏡5的入射角為27. 10°，實測譜線位置(387，23)，實測波長589. 004nm,波長準確度誤
差 O. 009nm。
權利要求
1.一種中階梯光柵光譜儀，包括聚光鏡(I)、入射針孔(2)、準直鏡(3)、中階梯光柵(4)、交叉色散棱鏡(5)、聚焦鏡(6)，箱體(7)和面陣探測器(8);其特征在于還包括旋轉驅動機構(13)，所述旋轉驅動機構(13)的旋轉軸與交叉色散棱鏡(5)固定連接。
2.根據(jù)權利要求I所述的中階梯光柵光譜儀，其特征在于所述箱體(7)的內(nèi)表面涂黑。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的中階梯光柵光譜儀，其特征在于所述中階梯光柵(4)和交叉色散棱鏡(5)的光入射面前分別設置第一光闌(10)和第二光闌(9)。
4.一種以權利要求I所述中階梯光柵光譜儀為分光模塊的原子發(fā)射光譜儀。
5.一種利用權利要求4所述原子發(fā)射光譜儀進行光譜測試的方法，包括下述步驟 一、向中階梯光柵光譜儀箱體(7)內(nèi)充入氬氣； 二、打開原子發(fā)射光譜儀的固態(tài)式ICP光源(12)，利用旋轉驅動機構(13)改變交叉色散棱鏡(5)的角度使入射角度在27. 56° ±0.05°范圍內(nèi)； 三、利用Ar的特征譜線對交叉色散棱鏡角度進行精確定位，實現(xiàn)200nm-400nm波段范圍的譜線標定； 四、將化學樣品放置于樣品池(11)內(nèi)，對化學樣品200nm-400nm的譜線進行測試； 五、利用旋轉驅動機構(13)改變交叉色散棱鏡(5)的角度使入射角度在27. 10?！?. 02。范圍內(nèi)； 六、利用Ar的特征譜線對交叉色散棱鏡(5)的角度進行精確定位,實現(xiàn)400nm-900nm波段范圍的譜線標定； 七、對化學樣品的400nm-900nm譜線進行測試。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種中階梯光柵光譜儀、基于中階梯光柵光譜儀的原子發(fā)射光譜儀、及原子發(fā)射光譜儀進行光譜測試的方法。本發(fā)明采用中階梯光柵作為主色散元件；光源發(fā)出的光線經(jīng)聚光鏡聚焦在入射針孔，入射針孔出射光束經(jīng)準直鏡準直后入射到中階梯光柵進行主色散，然后入射到交叉色散棱鏡進行橫向色散，交叉色散后經(jīng)聚焦鏡成像在CCD的像面上；通過改變交叉色散棱鏡的入射角度，實現(xiàn)了200nm-900nm波段范圍內(nèi)的快速測量，具有寬波段、高分辨率、高靈敏度、低噪聲、小體積的優(yōu)點。實驗結果表明本發(fā)明測試簡便、靈敏度高、試樣消耗量少、可實現(xiàn)寬波段多元素的快速測量。
文檔編號G01J3/443GK102879091SQ20121031055
公開日2013年1月16日 申請日期2012年8月28日 優(yōu)先權日2012年8月28日
發(fā)明者陳少杰, 寧春麗, 崔繼承, 巴音賀希格, 齊向東, 唐玉國 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所