CN107345912A - 多次反射火焰原子化器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多次反射火焰原子化器，由多次反射吸收区和外部光路组成。通过对测量光束的控制，达到重复穿过火焰的效果。通过外部光路的准直，简化了单色器结构，取消了入射光阑限制，增加了光通量。本发明在不改变火焰尺寸和状态的前提下增加有效光程，提高了仪器的检测灵敏度。

Description

多次反射火焰原子化器

技术领域

本发明涉及火焰原子化器领域，具体是一种多次反射火焰原子化器。

背景技术

原子吸收分光光度法是一种常见的光学检测技术，该方法具有仪器结构简单、分析性能高、选择性好、精密度高的优点，被广泛应用于地质、冶金、机械、无机材料等领域。经过数十年的发展，原子吸收分光光度法在环境科学和生命科学等领域也获得了广泛的运用。

随着检测技术的发展，原子吸收分光光度法产生了多种具体的实现方式。就原子化方式上来说，原子吸收可以分为火焰原子化、石墨炉原子化和氢化物法等方式。本发明内容为火焰原子化法中使用的原子化器的一种改进。

火焰原子化过程通过燃烧产生的高温环境使待测样品中的有效成分原子化。该过程主要通过以燃烧头为主体的原子化器来实现，此外还需要辅助以相关气路和雾化设备。样品经雾化后进入火焰，并被高温原子化。锐线光源产生的光线穿过火焰，并被其中的待测原子吸收产生衰减。根据衰减程度可以计算出样品中待测成分的浓度。

火焰原子化法是原子吸收领域最早产生的原子化法，该方法检测灵敏度低于后来产生的其它方法，检测对象广泛、测量精密度高。

发明内容

本发明的目的是提供一种多次反射火焰原子化器，以解决现有技术火焰原子化法检测灵敏度低的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

多次反射火焰原子化器，其特征在于：包括燃烧器，该燃烧器中燃烧后从上表面向上形成火焰，火焰两对称侧分别设有勾形镜面，每个勾形镜面分别由平面镜和直角反射镜组成，以平行于燃烧器上表面的平面作为参考平面，每个勾形镜面中的平面镜分别垂直于参考平面，火焰两侧平面镜的反射面分别朝向火焰且彼此错开相对，其中一侧勾形镜面中的平面镜上端与对应的直角反射镜一端连接，另一侧勾形镜面中的平面镜下端与对应的直角反射镜一端连接，且两侧直角反射镜的直角反射面分别朝向火焰，还包括简化单色器、测量光束，测量光束从上端连接有直角反射镜的平面镜下方倾斜入射至火焰，并经过两侧勾形镜面多次反射后，再从下端连接有直面反射镜的平面镜的上方出射至简化单色器被测量；或者测量光束从下端连接有直角反射镜的平面镜上方倾斜入射至火焰，并经过两侧勾形镜面多次反射后，再从上端连接有直面反射镜的平面镜的下方出射至简化单色器被测量。

所述的多次反射火焰原子化器，其特征在于：将测量光束与参考平面之间夹角定义为特征角，则每个勾形镜面中，平面镜所连接的直角反射镜中的直角边反射镜面与参考平面之间夹角角度为特征角角度与45度之和。

所述的多次反射火焰原子化器，其特征在于：测量光束为小直径的平行准直光束，其由可发出具有明显发散/汇聚性光束的光源配合双曲面反射镜形成，其中双曲面反射镜设置在光源的光路上位于光束汇聚点的后方，光源发出的光束经双曲面反射镜反射准直后形成小直径的平行准直光束作为测量光束。

所述的多次反射火焰原子化器，其特征在于：测量光束可还由位于双曲面反射镜焦点处的光纤配合双曲面反射镜形成，光纤在双曲面反射镜焦点处向双曲面反射镜发出光束，光束再经双曲面反射镜反射准直后形成平行准直光束作为测量光束。

所述的多次反射火焰原子化器，其特征在于：所述简化单色器为基于ZT型单色器的M型光路结构，但由于采用双曲面反射镜进行准直，因此取消了基于ZT型单色器的M型光路结构中的入射狭缝和第一块准直镜。

本发明的工作原理为：

原子吸收分光光度法依据测量光束穿过原子化区后被吸收的衰减程度测量吸光度A，并据此计算出元素浓度c，其关系为：A＝c×k×L，其中k为待测元素的单位长度吸收系数，L为吸收光程。所以，仪器检测的灵敏度，即单位吸光度对应的待测元素浓度可以表示为：

对应特定的待测元素和原子化方式，其吸收系数k为常数，故可见仪器的灵敏度与吸收光程L成正比，在不改变原子化方式的前提下，增加吸收光程是提高仪器灵敏度最直接的方法。

本发明改进常规的原子化区域光路形式，以平行于燃烧器上表面的平面为参考面，垂直放置两组勾形镜面，测量光束经过双曲面反射镜准直后进入原子化区域，经过准直的测量光束在原子化区域内经勾形镜面多次反射、多次穿过火焰增加吸收光程后，进入简化单色器并被测量。

本发明通过延长有效吸收光程，提高检测的灵敏度。为保证光程结构，本发明改进了常见的光路形式，以实现原子化器与分析仪其它部件之间的位置协调关系。

本发明采用多次反射，多次穿过火焰的方式，充分利用火焰长度，在不改变燃烧器结构以及火焰长度的前提下，将有效光程提高数十倍，且增加了被测量的光通量，从而大大提高了火焰原子化法的测量灵敏度

附图说明

图1为本发明的多次反射吸收区示意图。

图2为本发明的勾形镜面结构图。

图3为测量光束准直过程。

图4为本发明各相关部分的位置关系图。

具体实施方式

如图1所示，多次反射火焰原子化器，包括燃烧器30，该燃烧器30中燃烧后从上表面向上形成火焰31，火焰31两对称侧分别设有勾形镜面，每个勾形镜面分别由平面镜和直角反射镜组成，以平行于燃烧器30上表面的平面作为参考平面6，每个勾形镜面中的平面镜分别垂直于参考平面6，火焰两侧平面镜1、2的反射面分别朝向火焰31且彼此错开相对，其中一侧勾形镜面中的平面镜2上端与对应的直角反射镜4一端连接，另一侧勾形镜面中的平面镜1下端与对应的直角反射镜3一端连接，两侧直角反射镜3、4的直角反射面分别朝向火焰31，还包括简化单色器8、测量光束10，测量光束10从上端连接有直角反射镜4的平面镜2下方倾斜入射至火焰31，并经过两侧勾形镜面多次反射后，再从下端连接有直面反射镜3的平面镜1的上方出射至简化单色器8被测量；或者测量光束10从下端连接有直角反射镜3的平面镜1上方倾斜入射至火焰31，并经过两侧勾形镜面多次反射后，再从上端连接有直面反射镜4的平面镜2的下方出射至简化单色器8被测量。

将测量光束10与参考平面6之间夹角定义为特征角21，则两个勾形镜面中，平面镜1、2所连接的直角反射镜3、4中的直角边反射镜面与参考平面6之间夹角角度为特征角21角度与45度之和。

测量光束10为小直径的平行准直光束，其由可发出具有明显发散/汇聚性光束的光源配合双曲面反射镜5形成，其中双曲面反射镜5设置在光源的光路上位于光束汇聚点7的后方，光源发出的光束15经双曲面反射镜5反射准直后形成小直径的平行准直光束16作为测量光束10。

测量光束10可还由位于双曲面反射镜5焦点处的光纤配合双曲面反射镜5形成，光纤在双曲面反射镜5焦点处向双曲面反射镜发出光束，光束再经双曲面反射镜5反射准直后形成平行准直光束作为测量光束10。

简化单色器8为基于ZT型单色器的M型光路结构，但由于采用双曲面反射镜5进行准直，因此取消了基于ZT型单色器的M型光路结构中的入射狭缝和第一块准直镜。

本发明中，多次反射火焰原子化器，在火焰两侧放置一对方向互相颠倒的勾形镜面。测量光束经一块双曲镜准直后进入勾形镜面对，多次反射后出射，并进入简化单色器接受测量。在勾形镜面对之间，光束的每次反射都穿过火焰经历原子吸收。

依照光路过程，本发明的具体实施可以分为多次反射吸收区和外部光路两个部分，其中多次反射吸收区为主要部分。

多次反射吸收区如图1所示，勾形镜面由平面镜1、2和直角反射镜3、4组成，其中平面镜1、2垂直于火焰原子化器的参考平面6，参考平面6与燃烧器30的上表面平行，测量光束10与参考平面6之间成一个小角度的特征角21。测量光束10可以在平面镜1、2之间多次反射，当测量光束10到达平面镜2的底端时则进入直角反射镜4，经历一定偏移后原方向返回，调节两侧勾形镜面的位置，可以让直角反射镜4的出射光线经历平面镜1、2间多次反射后进入另一块直角反射镜3。根据对称性原理，直角反射镜3的出射光线经历平面镜1、2间多次反射后可以由平面镜1上端出射。在这一系列反射过程中，每条光线均穿过燃烧器30产生的火焰区31，从而大大增加了经历吸收的光程长度。

在一般原子吸收设备中，火焰31的宽度为100mm左右(使用笑气的燃烧器为50mm，以下分析均以100mm为例)，火焰高度为100mm上下，如此光线每次穿过火焰形成的吸收光程约100mm。为避免高温火焰对平面镜面1、2和直角反射镜3、4的损坏，平面镜1、2之间距离应该不小于300mm。在测量光束10不被平面镜面2遮挡的前提下，特征角21可以尽量小以增加反射次数。对于常规的双曲面反射镜，可以比较容易地将光束准直为直径3mm的平行光束。每次光束往返会产生约20mm的位置偏移。如此在入射光线到达直角反射镜4之前经历了平面镜1、2之间5次往返，10次穿过火焰；同样地，在直角反射镜3和4之间，以及从平面镜到出射之间也经历相同的过程，总共30次穿过火焰，可以形成累计3m的吸收光程。

勾形镜面的结构如图2所示，平面镜2和直角反射镜4连接固定。平面镜2与原子化器参考平面6垂直。直角反射镜4由两个互相垂直的直角边反射镜面41、42垂直结合在一起而构成。为保证直角反射镜4有更大的有效反射面积，直角边反射镜面42与参考平面6的夹角23应该为图1中特征角21的大小增加加45度。测量光束10在勾形镜面上存在两种反射方式：第一种为入射到平面镜2上的情况，入射光线11、反射光线12与参考平面6的夹角24、25均与特征角21相等；第二种为入射到直角反射镜4上的情况，入射光线13经两个垂直直角边反射镜面41、42两次反射后，反射光线14以相反的方向返回，两条光线13、14与参考平面的夹角22与特征角21相等。

为保证对火焰31的充分利用，勾形镜面的总长度为110mm左右，其中平面反射镜2长95mm，直角反射镜4的两个直角边反射镜面41、42的长度均为10mm。

图3为测量光束在进入原子化器之前的准直过程，一般情况下，经过合束后的锐线光源及氘灯光束为水平传播、具有较明显发散/汇聚性的光束。双曲面反射镜5置于光源发出的光束15的传播途径上、略微落后于光束汇聚点7，此时双曲面反射镜5上的光斑面积很小，经过准直后可以形成直径很小的平行准直光束16，平行准直光束16与参考平面6夹角26与特征角21相等。平行准直光束16即为图1中的测量光束10。

为减小设备体积，在紧凑型结构中，可以使用短焦距的反射镜5，并使用光纤将入射光集中至双曲面反射镜5的焦点处(图中未注明)，也可获得同样的效果，这种使用光纤的方式的优点是结构安排和校准较简单，但所形成的平行准直光束16截面较大，从而导致特征角21增加，总反射次数及光程减小。

图4为原子化器与双曲面反射镜5及简化单色器8之间的放置关系，水平方向的光源发出的光束15经双曲面反射镜5反射后，形成倾斜角为特征角21的细截面平行准直光束16，平行准直光束16作为原子化器的测量光束10，以稍微高于燃烧器30上表面的位置入射。简化单色器8基于ZT型分光结构的M型光路，由于原子化器的出射光线直接进入简化单色器8，由于此时入射简化单色器8的已经是平行光，故简化单色器8取消了入射光的光阑和准直镜。

一般来说，特征角21应当越小越好，但当特征角21过小时，光束位置会重叠且难以校正，以上述举例数据来说，特征角21可以为3.8度。

在图4所示的结构中，入射双曲面反射镜5的光线不可能穿过燃烧器，为解决这一矛盾，可以将入射光线预先经过偏转，由其它方向入射双曲面反射镜5，只需保证出射为细截面平行光即可。

Claims (5)

1.多次反射火焰原子化器，其特征在于：包括燃烧器，该燃烧器中燃烧后从上表面向上形成火焰，火焰两对称侧分别设有勾形镜面，每个勾形镜面分别由平面镜和直角反射镜组成，以平行于燃烧器上表面的平面作为参考平面，每个勾形镜面中的平面镜分别垂直于参考平面，火焰两侧平面镜的反射面分别朝向火焰且彼此错开相对，其中一侧勾形镜面中的平面镜上端与对应的直角反射镜一端连接，另一侧勾形镜面中的平面镜下端与对应的直角反射镜一端连接，两侧直角反射镜的直角反射面分别朝向火焰，还包括简化单色器、测量光束，测量光束从上端连接有直角反射镜的平面镜下方倾斜入射至火焰，并经过两侧勾形镜面多次反射后，再从下端连接有直面反射镜的平面镜的上方出射至简化单色器被测量；或者测量光束从下端连接有直角反射镜的平面镜上方倾斜入射至火焰，并经过两侧勾形镜面多次反射后，再从上端连接有直面反射镜的平面镜的下方出射至简化单色器被测量。

2.根据权利要求1所述的多次反射火焰原子化器，其特征在于：将测量光束与参考平面之间夹角定义为特征角，则每个勾形镜面中，平面镜所连接的直角反射镜中的直角边反射镜面与参考平面之间夹角角度为特征角角度与45度之和。

3.根据权利要求1所述的多次反射火焰原子化器，其特征在于：测量光束为小直径的平行准直光束，其由可发出具有明显发散/汇聚性光束的光源配合双曲面反射镜形成，其中双曲面反射镜设置在光源的光路上位于光束汇聚点的后方，光源发出的光束经双曲面反射镜反射准直后形成小直径的平行准直光束作为测量光束。

4.根据权利要求3所述的多次反射火焰原子化器，其特征在于：测量光束可还由位于双曲面反射镜焦点处的光纤配合双曲面反射镜形成，光纤在双曲面反射镜焦点处向双曲面反射镜发出光束，光束再经双曲面反射镜反射准直后形成平行准直光束作为测量光束。

5.根据权利要求1或3所述的多次反射火焰原子化器，其特征在于：所述简化单色器为基于ZT型单色器的M型光路结构，但由于采用双曲面反射镜进行准直，因此取消了基于ZT型单色器的M型光路结构中的入射狭缝和第一块准直镜。