CN106338506A - 一种应用于icp光谱仪的双向观测光路结构 - Google Patents

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赵英飞
何淼
曹海霞
董海洋
罗剑秋
张艳秋
吴菡
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Abstract

一种应用于ICP光谱仪的双向观测光路结构，属于光谱仪光学系统技术领域。包括：ICP光源、第一90°折转凹面反射镜、第二90°折转凹面反射镜、观测方式切换用平面反射镜、前置准直反射镜、前置聚焦反射镜、入射狭缝、准直镜、棱镜、中阶梯光栅、聚焦镜、面阵CCD探测器。优点在于，实现了低成本的垂直炬管双向观测方式。

Description

一种应用于ICP光谱仪的双向观测光路结构
技术领域
本发明属于光谱仪光学系统技术领域，特别是提供了一种应用于ICP光谱仪的双向观测光路结构。
背景技术
原子发射光谱仪利用原子发射特征谱线所提供的信息进行元素分析，具有多元素同时、快速、直接测定的优点，在冶金、石油化工、机械制造、地质矿冶等工业生产中发挥着巨大作用，是材料领域中应用最为广泛的元素分析方法之一。以电感耦合等离子体(ICP)为光谱分析光源的原子发射光谱仪(ICP光谱仪)由于具有检测灵敏度高、基体效应低、动态范围宽、精密度和重复性好、可同时进行多元素分析等特点，在冶金、材料、地矿、环境、食品等诸多领域应用日益广泛。为适应不同分析领域测样量需求巨大、被测元素种类多样、成份含量各有差异的测试需求，分析仪器的研发在不断追求宽光谱范围、高光谱分辨率的同时，也要求更优的灵敏度及和更宽的动态范围。
相对于传统的垂直炬管、径向观测方式，目前主流的ICP光谱仪制造商纷纷推出了炬管水平放置的轴向观测方式。这种观测方式能有效降低等离子体外焰的干扰，增大进入分光检测系统的特征谱线的光通量，因而具有更好的灵敏度，特别适合微量、痕量元素分析，在食品、环保领域重金属、微量元素检测中应用效果良好；而对于主量元素检测，高灵敏度会带来探测器强度饱和溢出，不再成为优势。为增大仪器的动态范围，适应不同含量样品的分析检测需求，需要将两种观测方式结合，根据实际情况灵活选择。市场上已有的具备双向观测模式的ICP光谱仪，通常采用炬管水平放置方式，在垂直方向开取光孔通过反射镜引入分光系统，但这种炬管水平放置的方式容易造成元素沉积、存在尾焰干扰、需要频繁清洗炬管，不适于高含量样品、高盐度基体的日常分析。因此，低成本的垂直炬管双向观测方式具有很大的市场需求和竞争潜力，需要研发稳定、高性能的光路结构来实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于ICP光谱仪的双向观测光路结构，克服了上述已有技术存在的缺陷，实现了低成本的垂直炬管双向观测方式。
本发明包括：ICP光源1、第一90°折转凹面反射镜2、第二90°折转凹面反射镜3、观测方式切换用平面反射镜4、前置准直反射镜5、前置聚焦反射镜6、入射狭缝7、准直镜8、棱镜9、中阶梯光栅10、聚焦镜11、面阵CCD探测器12。如附图中所示，除光源1外，各部件通过定位底座安装在同一壳体内相互连接，以保持相对空间位置不变：凹面反射镜2位于光源1正上方，凹面反射镜3与反射镜2置于同一水平高度，第一90°折转凹面反射镜2、第二90°折转凹面反射镜3用来实现光线两次90°折转，平面反射镜4位于第二90°折转凹面反射镜3正下方且与光源1的径向观测高度等高，在光源1与平面反射镜4构成的光轴方向上安装前置准直反射镜5，在前置准直反射镜5的反射方向上安装前置聚焦反射镜6，聚焦位置处安装入射狭缝7，准直镜8位于前置聚焦反射镜6与入射狭缝7构成的光轴方向上，在离轴反射方向上依次放置棱镜9与中阶梯光栅10，保持中阶梯光栅10的入射角与闪耀角一致，聚焦镜11位于中阶梯光栅10的离轴反射方向，并在聚焦镜11离轴反射方向安装面阵CCD探测器12。平面反射镜4通过电机及其机构驱动在垂直光路的方向水平移动，实现观测方式自动切换。样品经光源1激发出元素特征谱线的光，依次经第一90°折转凹面反射镜2、第二90°折转凹面反射镜3折转、平面反射镜4实现观测方式选择、前置准直反射镜5准直、前置聚焦反射镜6聚焦到入射狭缝7，并由棱镜9与中阶梯光栅10实现交叉色散，配合准直镜8和聚焦镜11的准直、聚焦作用，最终在面阵CCD探测器12上得到二维光谱图像。
ICP光源1；
第一90°折转凹面反射镜2、第二90°折转凹面反射镜3用于折转轴向观测光路的。
平面反射镜4及其机构用于实现双向观测方式切换。
前置准直反射镜5、前置聚焦反射镜6用于收集、耦合观测光进入分光系统。
ICP光谱仪分光系统，本例中采用主流的中阶梯光栅交叉色散系统，包括：入射狭缝7、准直镜8。
棱镜9用于实现初级色散。
中阶梯光栅10用于实现高级色散。
聚焦成像镜11将色散后的各波长光束聚焦到探测器像面。
面阵CCD探测器12用于接收光谱图像信号。
本发明的积极效果在于，通过一个光学元件(平面反射镜4)的平移实现轴向和径向观测方式间的切换，可以适应高灵敏度的微量、痕量分析和高含量、高盐度的样品测试；光路采用消像差设计，应用反射元件，减少透射元件的材料吸收及引入的色差；切换操作省时方便，减少了重新安装炬管带来的安装偏差的可能性和时间成本；本发明的双向观测光路适应于竖直放置的炬管结构，能够有效避免元素沉积、尾焰干扰，不需要频繁清洗炬管，能够应用于高含量样品、高盐度基体的日常分析；同时，全部采用标准光学元件，无需定制研发，成本相对低，适合大批量生产制造。
附图说明
图1为双向观测光路结构示意图。
图2为应用轴向观测方式的ICP光谱仪分光系统示意图。
图3为应用径向观测方式的ICP光谱仪分光系统示意图。
图中：ICP光源1、第一90°折转凹面反射镜2、第二90°折转凹面反射镜3、观测方式切换用平面反射镜4、前置准直反射镜5、前置聚焦反射镜6、入射狭缝7、准直镜8、棱镜9、中阶梯光栅10、聚焦镜11、面阵CCD探测器12。
具体实施方式
本发明包括：ICP光源1、第一90°折转凹面反射镜2、第二90°折转凹面反射镜3、观测方式切换用平面反射镜4、前置准直反射镜5、前置聚焦反射镜6、入射狭缝7、准直镜8、棱镜9、中阶梯光栅10、聚焦镜11、面阵CCD探测器12。
如图1双向观测光路结构示意图所示，炬管竖直放置，ICP光源1为炬管上方形成的等离子体。
当采用轴向观测方式时，用于切换观测方式的平面反射镜4通过电机带动进入光路中，高度与径向观测光路相等且保持与水平方向45°，使得等离子体发出的光经第一90°折转凹面反射镜2和第二90°折转凹面反射镜3分别进行90°折转，并由平面反射镜4反射到前置光路中，再经前置凹面反射镜5和6收集、耦合到分光系统的入射狭缝7前。进入分光系统的发散光束由准直镜8准直，经棱镜9和中阶梯光栅10分别相互正交的方向进行初级和高级色散，并由聚焦成像镜11将色散后的多波长光束聚焦到面阵CCD探测器上12，形成二维光谱图像。此时，由于平面反射镜4的遮挡，光源1径向发出的光不能进入前置光路从而通过入射狭缝，因此，得到的二维光谱图像为轴向观测所得。
当切换为径向观测方式时，平面反射镜4由电机带动平移至光路外，使得光源1径向发出的光直接入射到前置反射光路中，经由前置凹面反射镜5和前置聚焦反射镜6耦合进入分光系统的入射狭缝7，经过准直镜8准直、棱镜9和中阶梯光栅10分别色散及聚焦镜11聚焦后，在面阵CCD探测器12上得到二维光谱图像。此时，光源1轴向发出的光在经过第一90°折转凹面反射镜2和第二90°折转凹面反射镜3后无法进入前置光路，被光阑遮挡及减少漫反射。

Claims (6)

1.一种应用于ICP光谱仪的双向观测光路结构，其特征在于，包括：ICP光源、第一90°折转凹面反射镜、第二90°折转凹面反射镜、观测方式切换用平面反射镜、前置准直反射镜、前置聚焦反射镜、入射狭缝、准直镜、棱镜、中阶梯光栅、聚焦镜、面阵CCD探测器；凹面反射镜(2)位于光源(1)正上方，凹面反射镜(3)与反射镜(2)置于同一水平高度，第一90°折转凹面反射镜(2)、第二90°折转凹面反射镜(3)用来实现光线两次90°折转，平面反射镜(4)位于第二90°折转凹面反射镜(3)正下方且与光源(1)的径向观测高度等高，在光源(1)与平面反射镜(4)构成的光轴方向上安装前置准直反射镜(5)，在前置准直反射镜(5)的反射方向上安装前置聚焦反射镜(6)，聚焦位置处安装入射狭缝(7)，准直镜(8)位于前置聚焦反射镜(6)与入射狭缝(7)构成的光轴方向上，在离轴反射方向上依次放置棱镜(9)与中阶梯光栅(10)，保持中阶梯光栅(10)的入射角与闪耀角一致，聚焦镜(11)位于中阶梯光栅(10)的离轴反射方向，并在聚焦镜(11)离轴反射方向安装面阵CCD探测器(12)；平面反射镜(4)通过电机及其机构驱动在垂直光路的方向水平移动，实现观测方式自动切换；样品经光源(1)激发出元素特征谱线的光，依次经第一90°折转凹面反射镜(2)、第二90°折转凹面反射镜(3)折转、平面反射镜(4)实现观测方式选择、前置准直反射镜(5)准直、前置聚焦反射镜(6)聚焦到入射狭缝(7)，并由棱镜(9)与中阶梯光栅(10)实现交叉色散，配合准直镜(8)和聚焦镜(11)的准直、聚焦作用，最终在面阵CCD探测器(12)上得到二维光谱图像。
2.根据权利要求所述的双向观测光路结构，其特征在于，所述的第一90°折转凹面反射镜(2)、第二90°折转凹面反射镜(3)用于折转轴向观测光路的。
3.根据权利要求所述的双向观测光路结构，其特征在于，所述的平面反射镜(4)及其机构用于实现双向观测方式切换。
4.根据权利要求所述的双向观测光路结构，其特征在于，所述的前置准直反射镜(5)、前置聚焦反射镜(6)用于收集、耦合观测光进入分光系统。
5.根据权利要求所述的双向观测光路结构，其特征在于，所述的棱镜(9)用于实现初级色散；中阶梯光栅(10)用于实现高级色散。
6.根据权利要求所述的双向观测光路结构，其特征在于，所述的面阵CCD探测器(12)用于接收二维光谱图像信号。
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