德國斯派克ICP光譜儀常用的分光裝置結(jié)構(gòu)分析及常見種類-華普通用

1 平面光柵光譜儀

與德國斯派克ICP光譜儀光源配用的平面光柵光譜儀有兩種，水平對稱成像的艾伯特-法斯梯（Ebert-Fastic）光學系統(tǒng)和切爾尼-特納（Czerny-Turner）系統(tǒng)。

（1）艾伯特-法斯梯平面光柵光譜儀 它是順序掃描型德國斯派克ICP光譜儀常用的一類分光裝置。這種裝置是1889年首先由Ebert（艾伯特）提出，1952年法斯梯加以發(fā)展。裝置的原理圖見圖1。它利用一塊大的凹面反射鏡的不同部位，作為準直鏡和物鏡。由于入射狹縫和出射狹縫對稱分布于光軸的兩側(cè)，使第一鏡面產(chǎn)生的像差可在很大程度為第二個鏡面所補償，彗星像差可以消除，但球差不能消除。這種裝置可在較寬的光譜范圍內(nèi)獲得清晰而均勻的譜線。它結(jié)構(gòu)緊湊，改變波長比較方便。

圖1 艾伯特-法斯梯平面光柵光譜儀

1-入射狹縫；2-出射狹縫；3-光電倍增管；4-凹面反射鏡；5-光柵

（2）切爾尼-特納平面光柵光譜儀 另一種德國斯派克ICP光譜儀光源常用的分光裝置是切爾尼-特納平面光柵分光裝置。這種裝置是1930年由Czerny-Turner（切爾尼-特納）提出的。它是艾伯特裝置的一種改型。它采用兩個凹面反射鏡，一個把入射狹縫來的光變化平行光反射到光柵，即起準直鏡的作用。另一塊反射鏡把光柵衍射的光譜聚焦到出射狹縫。由于像差得到補償，可以獲得較好的成像質(zhì)量。這種裝置在ICP順序掃描光譜儀中得到廣泛的應(yīng)用。

圖2中汞燈用于校準儀器波長；濾光片用于分開不同光譜級的重疊；三個光電倍增管光陰極靈敏區(qū)不同，分別用于不同波長區(qū)測量。

圖2 切爾尼-特納平面光柵光譜儀

1-ICP光源；2-汞燈；3-濾光片（分級用）；4-入射狹縫；5-準光鏡；6-平面光柵；7-聚光鏡；8-平面反射鏡；9-出射狹縫；10-光電倍增管

前面提到，ICP光源要求分光裝置具有高的分辨能力和寬的工作波長范圍。這兩個要求對分光裝置來說難于同時實現(xiàn)，但儀器又必須同時具有這兩項功能。光譜儀設(shè)計者通常用，兩種方法來實現(xiàn)這些要求。

第一種方法是采用不同的光譜級次，例如Atomscan2000型順序掃描光譜儀利用第一、二級光譜，分別工作于178～380nm（分辨率0.02nm）和380～780nm（分辨率0.04nm）。Light Ace公司的Integra XL ICP光譜儀則可采用4級光譜。Varian公司的Liberty-220 ICP光譜儀工作波段為160~940nm，分別由4級光譜來完成，可具有較高的分辨能力。參看表1的數(shù)據(jù)。

表1 Liberty-220的工作波段及分辨率

解決分辨率和工作波長范圍的另一途徑是在光路中并聯(lián)設(shè)置兩塊光柵分光器，高刻線密度的光柵用于高分辨率和較窄工作波長范圍；另一塊刻線密度較少的用于寬波長范圍。圖3是日立306型順序掃描德國斯派克ICP光譜儀的光路。它采用兩個切爾尼-特納分光器并聯(lián)，焦距0.75m。光柵刻線為3600線/mm的分光器具有0.007nm的分辨率和190～540nm工作波長范圍。第二個單色器采用1200線/mm光柵，分辨率0.02nm，但可在180～900nm的寬波段內(nèi)工作。

圖3·日立306型順序掃描ICP光譜儀的光路

1-ICP光源；2-聚光鏡；3-半透射鏡；4-反射鏡；5-入射狹縫；6-準直鏡；7-平面光柵；

8-聚光鏡；9-出射狹縫；10-光電倍增管

為了降低雜散光和提高分辨能力，還可以將兩個分光器串聯(lián)成復式分光裝置。圖3-46所示為IL Plasma200型順序掃描ICP光譜儀的光路，采用兩個小型單色器串聯(lián)，一個焦距為330mm、另一個為165mm，第二個單色器以平方關(guān)系將雜散光降低。如第一個單色器雜散光為0.1%，則經(jīng)過第二個單色器后雜散光降至0.0001%，這有利于提高譜線的信噪比。

2 凹面光柵光譜儀

在ICP光譜儀商品化初期至1980年以前，主要用凹面光柵光譜儀作為ICP光源的檢測器。凹面光柵ICP光譜儀稱多通道ICP光譜儀，如圖4所示。由ICP光源發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡和入射狹縫后射到光柵上，經(jīng)光柵衍射后的單色光按波長不同分別經(jīng)出射狹縫進入光電倍增管檢測器。光電倍增管和出射狹縫一般有約48個，個別儀器可裝多達70個出射狹縫。

圖4 多通道ICP光譜儀原理

1-ICP光源；2-聚光鏡；3-入射狹縫；4-凹面光柵；5-光電倍增管

凹面光柵光譜儀的特點是不需借助單獨的成像系統(tǒng)以形成光譜，不存在色差。也不用聚焦系統(tǒng)，使光的吸收和反射顯著降低。故可以用于真空紫外和近紅外。但其色散比較嚴重。由于空間的限制，可安裝的出射狹縫數(shù)量有限，限制了可測分析譜線數(shù)目和元素數(shù)目。此外，采用固定通道和狹縫，靈活性欠佳。近年此類儀器已逐漸退出ICP光譜領(lǐng)域。

3 中階梯光柵光譜儀

中階梯光柵光譜儀最初用于直流等離子體光源的檢測。20世紀90年代開始出現(xiàn)的固體檢測器（CCD、CID）多配用中階梯光柵光譜儀，因而使它成為ICP-AES領(lǐng)域應(yīng)用漸多的分光器。圖5是典型的中階梯光柵光譜儀原理圖。由ICP發(fā)出的光經(jīng)反射鏡進入狹縫后，經(jīng)準直鏡成平行光后射至中階梯光柵上。分光后再經(jīng)棱鏡分級和聚焦射到出射狹縫和檢測器上。由中階梯光柵光譜儀獲得的光譜與平面光柵光譜儀不同，它是由多級光譜組成的二維光譜。由圖6可以看出，從220～400nm，光譜分布在60～110光譜級，不同元素的分析線公布在不同光譜級。

圖5 中階梯光柵ICP光譜儀原理

圖6 二維光譜

4 順序掃描等離子體光譜儀的驅(qū)動裝置

ICP光源發(fā)射的譜線寬度一般在5~30pm。要準確測量譜線峰值強度必須具有高定位精度的光柵驅(qū)動機構(gòu)。其定位精度不應(yīng)低于lpm?？梢詽M足這一定位精度的驅(qū)動機構(gòu)有許多種。如Baird的掃描單色器用步進馬達驅(qū)動和諧波齒輪傳動。德國斯派克ICP光譜儀用齒輪組傳動變速驅(qū)動光柵轉(zhuǎn)動。ICPS 1000則分兩步掃描，先用步進電機快速轉(zhuǎn)動光柵粗定位，然后出射狹縫作橫向位移，以達到0.0003nm的位移步長。下面介紹幾種有代表性的ICP單色器掃描驅(qū)動機構(gòu)。

（1）螺桿傳動機構(gòu) 如圖7所示。步進電機帶動螺桿轉(zhuǎn)動，通過連桿驅(qū)動光柵轉(zhuǎn)動。它是順序掃描等離子體光譜儀使用較多的光柵驅(qū)動機構(gòu)。它的特點是波長的變化與步進電機的轉(zhuǎn)動成正比。

圖7 步進電機驅(qū)動-螺桿傳動機構(gòu)

1-入射狹縫；2-準直鏡；3-光柵；4-聚光鏡；5-出射狹縫；6-反射鏡；7-光電倍增管；

8-螺桿；9-同步電機

（2）蝸輪蝸桿傳動機構(gòu) 另一類常用的德國斯派克ICP光譜儀驅(qū)動機構(gòu)是同步電機驅(qū)動蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)。如圖8所示。蝸輪與光柵臺固定在一起。利用同步電機帶動蝸桿經(jīng)過蝸輪減速以驅(qū)動光柵。這種機構(gòu)的特點是減速比大，結(jié)構(gòu)緊湊。當采用2400線/mm光柵時，掃描的步距為0.0012nm；3600線/mm光柵的掃描步距為0.00077nm。定位精度可以達到0.001nm的要求。

圖8 步進電機驅(qū)動蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)

1-步進電機；2-蝸桿；3-蝸輪；4-光柵；5-聚光鏡；6-入射狹縫；7-準直鏡；

8-聚光反射鏡；9-出射狹縫；10-光電倍增管

（3）電磁驅(qū)動機構(gòu) 電磁驅(qū)動機構(gòu)又稱檢流計驅(qū)動機構(gòu)，其原理如圖9所示。代替步進電機的是三個大型電流計6，電流計置于感應(yīng)線圈8中，當運算放大器有電信號輸出時，電流計發(fā)生轉(zhuǎn)動，帶動光柵同步轉(zhuǎn)動，其準確轉(zhuǎn)動位移值由電磁轉(zhuǎn)換器5的反饋信號與計算機設(shè)置的波長信號相等時，轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動。光柵可轉(zhuǎn)動16°（±8°），轉(zhuǎn)子（光柵）最小轉(zhuǎn)角為16°/218=0.00006°，其中218是D/A轉(zhuǎn)換16°的18bit。當采用1200線/mm光柵時，一級光譜掃描的步距是0.0018nm，二級光譜的步距是0.0009nm。它有極快的掃描速度，每秒可掃過2000nm，而步進電機驅(qū)動機械傳動裝置的掃描速約為40nm/s。

圖9 電磁光柵驅(qū)動裝置

1-計算機數(shù)據(jù)輸入；2-D/A轉(zhuǎn)換器；3-伺服放大器；4-位置反饋信號；5-電磁轉(zhuǎn)換器；

6-轉(zhuǎn)子；7-光柵；8-感應(yīng)線圈