CN117607037A - 用于光学发射光谱仪器的火花台组件 - Google Patents

Abstract

根据一个示例实施例，提供了一种用于光学发射光谱OES仪器的火花台组件，该火花台组件包括：被附接至安装法兰的火花台本体，安装法兰使得能够将火花台组件附接至OES仪器的主壳体；激发器，被设置在被布置在火花台本体的顶表面上的凹部中；升高部分，被布置在与安装法兰相邻的火花台本体的顶表面上；细长凹口，被布置在火花台本体的顶表面上并且将所述凹部连接到穿过升高部分的通道；火花台板，被可拆卸地附接在火花台本体的顶表面上以覆盖凹部、凹口和至少部分升高部分，使得凹部形成等离子室并且所述凹口形成从等离子室到通道的光传输路径的一部分，其中火花台板(130)包括穿过其中的开口(131)；以及密封构件。

Description

用于光学发射光谱仪器的火花台组件

技术领域

本发明的示例和非限制性实施例涉及光学发射光谱仪器，并且特别涉及用于这种仪器的火花台组件。

背景技术

适用于以高准确度分析诸如金属之类的材料的分析仪器通常依赖于光学发射光谱(optical emission spectroscopy，OES)技术。依赖于(多个)火花OES技术的分析仪可用于实验室中以及对准确可靠的材料分析是非常重要的工业中。旨在于专业工业应用的高性能火花OES仪器是复杂的装置，其通常作为台式(或平台式)设备或移动设备而被提供，并且提供有轮子或被安装在专为运输分析仪仪器而设计的带轮手推车上。

OES技术的基本操作原理包括使用合适的激发装置激发样品，以便将样品的一部分转化为等离子体状态，并将等离子体的激发原子或离子的能级之间的跃迁所发射的光传输到光谱仪以用于通过将所捕获的样品光谱与已知元素组成的一个或多个样品的相应参考光谱进行比较来分析样品的元素组成。各种激发方式在本领域中是已知的，诸如电弧、火花、激光、电感耦合等离子体(ICP)和直流等离子体(DCP)，其中激发的类型在许多情况下被应用来指定相应的OES技术，例如火花OES或激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdownspectroscopy，LIBS)。

取决于OES仪器的光学系统要覆盖的波长范围，在光学系统内以及沿着从等离子体生成的斑点到光谱仪界面的传输路径可能需要紫外线(UV)透射气氛。气氛，特别是等离子体生成的斑点处及其附近的气氛，通常包括惰性气体(诸如氩气)，其有助于等离子体的生成并防止形成不期望的物质，诸如氧化物、碳化物和氮化物，这些物质在生成等离子体时在环境空气中可能会形成。

由于在等离子体生成的斑点处及其附近对特定气氛的这种需求，OES仪器通常包括等离子体室，等离子体室提供有开口，用于暴露放置在开口上以供激发的样品的斑点，同时将样品布置在开口上通常以气密的方式密封等离子体室。等离子室还包括用于激发样品的暴露斑点的激发装置、允许将惰性气体注入到腔室中以吹扫等离子体生成斑点的(多个)气体入口和用于将惰性气体和在等离子生成期间形成的任何碎屑移除等离子室外的(多个)排放出口。等离子体室还提供有(光学)窗口，用于将从等离子体发射的光传输出等离子体室并传输到光谱仪。在利用火花激发的OES仪器中(即在火花OES仪器中)，等离子体室也可以被称为火花室。

在不失一般性的情况下，包括等离子体室(例如火花室)的OES仪器的元件可以被称为火花台。火花台通常还包括激发装置、用于经由(多个)气体入口将惰性气体注入到等离子体室中的气体注入装置、用于经由(多个)排放出口将惰性气体和碎屑转移出等离子体室的(多个)排放装置、以及用于将等离子体发射的光经由等离子体室的光学窗口朝向光谱仪传输的传输路径。通向等离子体室的开口通常被提供作为穿过火花台的壳体的开口，因此，可以通过将样品放置在穿过火花台的壳体的开口上来提供样品以供测量。

火花台可以作为与例如包括光谱仪的OES仪器的主壳体分开的元件而被提供，其中火花台可以以固定的方式被安装到主壳体或者它可以可拆卸地附接至主壳体。后一种方法允许这样一种方法，其中火花台可以被安装到OES仪器的主壳体以执行样品的测量并且它可以从主壳体拆下来以进行清洁和/或维护。无论火花台与OES仪器的主壳体的附接类型如何(固定的或可拆卸的)，火花台都可以提供有安装法兰，用作火花台和OES仪器的主壳体之间的“接口”，其中在火花台中提供的传输路径通过安装法兰而耦合到在主壳体中提供的传输路径并且进一步耦合到在主壳体内提供的光谱仪。此外，火花台的一些部件的操作可能需要到OES仪器的主壳体的电耦合，其同样可以通过安装法兰来进行路由。

火花台的重要特性包括确保在其中提供的等离子室的气密性的安全且稳健的方式，以及来自等离子室中生成的等离子体的光经由其中的传输路径朝向光谱仪的受控传输，并且因此，任何这方面的改进有助于进一步提高通过利用火花台操作OES仪器来分析样品元素组成的准确性和可靠性。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种火花台组件，促进以安全和稳健的方式确保等离子体室的气密性。附加地或备选地，本发明的一个目的是提供一种火花台组件，促进来自等离子体室中生成的等离子体的光朝向光谱仪的受控传输。

根据一个示例性实施例，提供了一种用于光学发射光谱仪OES仪器的火花台组件，火花台组件包括：附接至安装法兰的火花台本体，安装法兰能够将火花台组件附接至OES仪器的主壳体；激发器，被设置在被布置在火花台本体的顶表面上的凹部中；升高部分，被布置在与安装法兰相邻的火花台本体的顶表面上；细长凹口，被布置在火花台本体的顶表面上并将所述凹部连接到穿过升高部分的通道；火花台板，可拆卸地附接在火花台本体的顶表面上以覆盖所述凹部、所述凹口和至少部分升高部分，使得所述凹部形成等离子室并且所述凹口形成从等离子体室到所述通道的光传输路径的一部分，其中火花台板包括穿过其中的开口，用于暴露位于开口上的样品的一部分以用于从激发器激发，所述开口被定位成使得当火花台板被附接在火花台本体的顶表面上时所述开口与激发器在空间上对准；密封构件，被布置在火花台本体的顶表面和火花台板之间，使得它围住所述凹部和所述凹口并且被路由在升高部分上方。

在一个示例中，密封构件凹槽被布置在火花台本体的顶表面上和升高部分上，使得它围住所述凹部和所述凹口，其中密封构件被至少部分地嵌入到密封构件凹槽内。在另一个示例中，密封构件凹槽被布置在火花台板的面向火花台本体的表面上，其中密封构件被至少部分地嵌入到密封构件凹槽中，并且其中密封构件凹槽被定位成使得当火花台板被附接在火花台本体的顶表面上时，密封构件围住所述凹部和所述凹口并且被路由在升高部分上方。

根据另一个示例实施例，提供了一种包括主壳体和根据前述所描述的示例实施例的火花台组件的OES仪器，其中主壳体包括光学光谱仪组件和用于将火花台组件附接至主壳体的安装接口，并且安装接口包括用于将火花台组件的所述光学传输路径连接到光谱仪组件的光学接口。

本专利申请中提出的本发明的示例性实施例不应被解释为对所附权利要求的适用性构成限制。动词“包括”及其派生词在本专利申请中被用作不排除存在未列举特征的开放性限制。除非另有明确说明，否则下文描述的特征可以相互自由组合。

本发明的一些特征在所附权利要求中进行阐述。然而，当结合附图阅读时，本发明关于其构造和操作方法的各方面，连同其附加目的和优点，将从一些示例实施例的以下描述中得到最好的理解。

附图说明

本发明的实施例以示例的方式而非以限制的方式在附图中进行图示，其中

图1示意性地图示了根据示例的光学发射光谱(OES)仪器；

图2图示了根据示例的OES仪器的某些元件的框图；

图3A示意性地图示了根据示例的火花台组件；

图3B示意性地图示了根据示例的火花台组件；

图3C示意性地图示了根据示例的火花台组件；

图4示意性地图示了根据示例被布置为用于通过使用火花台组件进行测量的样品；

图5示意性地图示了根据示例的火花台组件的一些细节；

图6A示意性地图示了根据示例的火花台组件的一些细节；

图6B示意性地图示了根据示例的火花台组件的一些细节；

图6C示意性地图示了根据示例的火花台组件的一些细节；

图6D示意性地图示了根据示例的火花台组件的一些细节；

图6E示意性地图示了根据示例的火花台组件的一些细节；和

图6F示意性地图示了根据示例的火花台组件的一些细节。

具体实施方式

图1示意性地图示了根据示例的OES仪器100，包括OES仪器100的主壳体110和安装到主壳体110的火花台组件120。火花台组件120可以被安装到主壳体110以用于对一个或多个样品执行测量，并且可以将其从主壳体110上拆下来以进行清洁和/或维护。换言之，火花台组件120可拆卸地附接至主壳体110。图2图示了根据示例的OES仪器100的一些(逻辑)元件的框图，包括控制器112、激发器123、光学光谱仪组件114和用户界面(UI)116。OES仪器可以适用于分析具有导电表面的任何样品，诸如包括或由(多个)金属组成的样品。

主壳体110用于容纳OES仪器100的一个或多个部件，并且主壳体110还可以包括例如可适用于操作OES仪器100的配件和/或材料的存储空间。在这方面，主壳体110可以包括用于安装火花台组件120的安装接口，这使得火花台组件120和主壳体110之间能够进行机械附接，并在火花台组件120的部件与通过在主壳体110中或耦合到主壳体110的部件之间提供光学和电接口。主壳体110可以包括(或与之耦合)UI 116，用于操作OES仪器100的至少一些方面，其中UI 116可以包括：一个或多个用户输入设备(诸如键盘、鼠标、触摸板、触摸屏、一个或多个键、按钮、开关等的装置)，用于提供用于控制与OES仪器100的操作相关的各个方面的用户输入；以及显示装置，用于向用户显示诸如关于OES仪器100的操作状态和测量结果的信息之类的信息。OES仪器100可以使用一种或多种OES技术(诸如火花OES和/或电弧OES)来分析样品的元素组成。

主壳体110还包括光学光谱仪组件114，其包括光谱仪光学器件114a和光检测器组件114b，而主壳体110还提供第一传输路径，其将安装接口的光学接口光学耦合到光学光谱仪组件114的光谱仪光学器件114a，第一传输路径因此能够将从火花台组件120接收的光经由安装接口的光学接口传送到光学光谱仪组件114。光谱仪光学器件114a可以将经由光学接口接收的光分散成一组波长，而光检测器组件114b可以生成一个或多个测量信号，这些测量信号描述了在不同波长下的分散光学发射的相对光强度，这可能例如作为各自波长处的一个或多个发射峰值而出现。作为这方面的示例，光检测器组件114b可以包括光检测器阵列，该光检测器阵列包括多个光检测器，诸如安装在仅允许窄波长带通过的相应矩形孔径之后的光电倍增管的装置。根据另一示例，光检测器组件114b可以包括图像传感器，其中图像传感器可以被提供为电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器或者通常被提供为任何(基于硅的)固态传感器，光检测器组件114b由此基本上捕获从光谱仪光学器件114a接收的分散光的一个或多个图像。

主壳体110还可以包括控制器112，控制器112通信耦合到UI 116和光学光谱仪组件114的检测器组件114b，以使得能够在控制器112和UI 116之间传送控制信息和数据(诸如测量结果)，并且使得控制器112能够从光检测器组件114b接收一个或多个测量信号。控制器112还可以通信耦合到安装接口的电接口，这使得当激发器123经由安装接口被安装到主壳体110时能够电耦合到提高在火花台组件120中的激发器123，从而允许经由控制器112的操作来激活激发器123。控制器112和UI 116之间以及控制器112和安装接口的电接口之间的相应的通信耦合可以使用例如经由相应的一个或多个线路所传达的相应电信号来提供。

作为OES仪器100操作的特定示例，控制器112可以实施测量过程以确定研究中的样品的元素组成的至少一些方面，其中可以响应于触发信号来执行测量过程，触发信号可以响应于用户相应地操作UI 116而被接收。测量过程可以涉及控制器112在预定时间段内激活激发器123以生成激发，该激发导致将研究中的样品的一部分转化为等离子体状态，响应于从等离子体发射并经由光谱仪光学器件114a在光检测器组件114b处接收的光来记录在光检测器组件处生成的一个或多个测量信号，并且基于记录的一个或多个测量信号(例如，通过与已知元素组成的一个或多个样品的相应参考光谱进行比较)来执行对研究中的样品的元素组成的分析。上述类型的测量过程在本领域中是公知的，并且为了描述的完整性在本文中对其进行概述。

图3A至图3C示意性地图示了根据示例的火花台组件120的一些部件。图3A中所图示的部件包括：附接至安装法兰122的火花台本体121；被布置在本体121的顶表面上形成的凹部中用作激发器123的电极123a；与安装法兰122相邻布置在本体121的顶表面上的升高部分124；被布置在火花台本体121的顶表面上的细长凹口125，该细长凹口125通过升高部分124连接凹部和通道；以及被布置在火花台本体121的顶表面上的密封构件凹槽126，该密封构件凹槽126围住(例如围绕)凹部并被路由在升高部分124上。安装法兰122提供有穿过其中的开口，该开口与穿过升高部分124和细长凹口125的通道对准。密封构件凹槽126被布置为用于接纳密封构件127(在图3A的图示中未示出，但是在图3C的图示中被示出)，诸如由弹性材料制成的密封环(例如O形环)。火花台组件120还可以包括至少部分地嵌入到密封构件凹槽126中的密封构件127。密封构件凹槽126的横截面可以具有促进将密封构件127在其中保持在其位置中的形状。

火花台本体121的顶表面被布置为用于接纳火花台板130，该板130至少覆盖凹部、细长凹口125和升高部分124(的至少一部分)。作为这方面的示例，图3B的图示了火花台组件120的示意性透视图，其中火花台板130附接以覆盖火花台本体121的顶表面，而图3C示出了火花台组件121的横截面，其中火花台板130附接以覆盖火花台本体121的顶表面。火花台板130通过使用附接机构而可拆卸地附接在火花台本体121的顶表面上，该附接机构被提供用于将火花台板130固定(例如，压紧)抵靠火花台本体121的顶表面以及从火花台本体121释放火花台板130，这在图3A至图3C的相应图示中由一组夹具128来表示，该夹具使得能够将火花台板130固定在火花台本体121的顶表面上。

当附接在火花台本体121的顶表面上时，火花台板130覆盖凹部以使得形成等离子室，并且它覆盖凹口125以使得形成第二传输路径，其中第二传输路径提供从穿过安装法兰122的开口观察在等离子体室中(待)生成的等离子体的视域，第二传输路径因此使得能够将来自等离子体的光经由凹口125、经由通过升高部分124的通道并进一步经由通过安装法兰122的开口传输到提供在主壳体110中的安装接口的光学接口。在这方面，旨在面对火花台本体121的顶表面的火花台板130的表面可以被称为内表面或火花台本体面对的表面，而火花台板130的相对表面可以被称为外表面。火花台板130的内表面可以具有除了布置在其中的凹部和凹口125之外基本上遵循火花台本体121的顶表面形状的形状。作为这方面的示例，火花台本体121的顶表面除了布置在其中的凹部、凹口125和密封构件凹槽126以及布置在其上的升高部分124之外可以基本上是平面的，而火花台本体121的内表面除了旨在于与火花台本体121的顶表面上的升高部分124邻接的部分之外可以基本上是平面的。因此，旨在于面对火花台本体121的顶表面上的升高部分124的火花台板130的那部分可以具有基本上遵循升高部分124形状的形状，从而当火花台板130被正确地定位抵靠火花台本体121的顶表面时容纳升高部分124。

火花台板130提供有穿过其中的开口131，当火花台板130被固定到其在火花台本体121的顶表面上的位置时，该开口131在空间上与电极123a基本上对准。在这方面，空间对准意味着开口131沿着与火花台板130的表面相垂直的线的投影包围电极的尖端，例如使得电极的尖端基本上位于投影的中心。此外，当火花台板130被固定到其在火花台本体121的顶表面上的位置时，密封构件127促进以气密的方式密封被布置在火花台本体121中的凹部与凹口125，该凹口125通过火花台板130与开口131分开，从而形成前面所述的等离子体室和光路。

当作为OES仪器100操作的一部分来操作火花台组件120时，样品140可以被定位在火花台板130上，使得样品140覆盖开口131，如图4中示意性图示的。在这方面，被定位在开口131上的样品140以气密的方式密封等离子体室，同时在开口131的位置处暴露样品140的一部分以用于经由电极123a的激活而产生激发，从而使得能够经由电极123a的激活而在样品140的表面上生成等离子体。可以通过样品140的适当制备(诸如研磨或铣削)和/或通过经由应用适配器元件将样品140定位在开口上来促进气密密封，该适配器元件确保开口131的密封和/或样品140相对于开口131的正确定位。在测量过程期间的等离子体室的气密密封一般来说在测量的可靠性和可重复性方面是有利的，而它可能是测量过程的一个关键特性，以便检测诸如氮或氧之类的某些元素，以及对于通过向等离子体室注入惰性气体(诸如氩气)来创建UV透射气氛的测量。

如前所述，当被火花台板130覆盖时，火花台本体121的顶表面上的细长凹口125用作第二传输路径的一部分，该第二传输路径经由通过升高部分124的通道来进行路由。因此，被定位成与安装法兰122相邻并且提供有通道通过的升高部分124可以被认为是布置在火花台本体121的顶表面上的桥结构。当火花台组件120被安装到主壳体110时，提供在火花台组件120中的第二传输路径与提供在主壳体110中的第一传输路径对准，从而形成允许从等离子体发射的光基本上沿着平行于火花台本体121的顶表面和火花台板130的内表面的平面传输到光谱仪组件114的传输路径，从而提供基本0°(即，零度)等离子体的视角。

当火花台板130被布置在火花台本体121的顶表面上时，被布置在火花台本体121的顶表面中的细长凹口125可以具有随着距形成等离子体室的凹部的距离而变化的深度。作为这方面的示例，凹口125的深度可以从凹部处的凹口125的第一端部到通过升高部分124的通道处的凹口125的第二端部处稳定地减小，其中凹口125的底部在其第一端部处可以与凹部的底部基本上对准。凹口125的这种形状促进了通过注入惰性气体流从凹口125和/或从凹部去除在测量过程中生成的任何污染物和/或碎屑。根据示例，凹口的横截面可以具有朝向凹口125的底部变窄的形状(例如U形或V形)，这同样可以促进通过注入惰性气体流从凹口125和/或从凹部中去除污染物和/或碎屑。

传输路径可以包括窗口或耦合透镜，其被布置成使得通过窗口或耦合透镜提供从光谱仪组件114到等离子体的视域。在下文中，通过涉及被布置在传输路径中的耦合透镜的示例来描述这个方面，但是作必要的修改后，该描述容易适用于备选地应用窗口的另一示例。耦合透镜可以沿着从等离子体室到入口孔径到光谱仪光学器件114a的传输路径而被设置在选定位置，例如在第一传输路径内或第二传输路径内(例如，在通过升高部分124的通道内)内的适当位置中，在安装接口的光学接口中(在主壳体110中)或者在通过安装法兰122的开口中。耦合透镜可以用于在选择位置中相对于光谱仪光学器件114a的入口孔径(例如，在光谱仪光学器件114a内，在光谱仪光学器件114a的入口孔径处，或者在第一传输路径中)形成等离子体的图像，并且将传输路径的至少一部分——并且因此将光谱仪组件114——与等离子体室隔离，以防止由于在测量期间生成的等离子体进入光谱仪组件114而形成的任何污染物和/或碎屑。例如考虑到第一传输路径、第二传输路径和光谱仪组件114相应的特性和尺寸，可以选择耦合透镜的特性和/或位置(沿着传输路径)。通常，将耦合透镜设置得尽可能远离等离子体室以减少与耦合透镜的面向等离子体室的表面相遇的污染物和/或碎屑的量。

使用可拆卸地附接至火花台本体121的火花台板130的优点在于，它允许暴露等离子体室和凹口125以用于在测量之间进行清洁从而去除例如在通过使用火花台组件120进行测量的过程中必然积聚在等离子室、凹口125和耦合透镜的相应表面上的碎屑和/或污染物。

安装法兰122使得火花台组件120能够经由提供在主壳体110中的安装接口以可拆卸的方式安装到OES仪器100的主壳体110，即，使得用户可以将火花台组件120从主壳体110拆下来以进行维护和清洁，并将火花台组件120(重新)安装到主壳体110以进行后续测量。在这方面，主壳体110中的安装接口和/或安装法兰122可以提供有用户可操作的安装机构，该安装机构允许将火花台组件120固定到主壳体110，使得火花台组件120和主壳体110之间的正确空间对准被提供并且允许从主壳体释放火花台组件120。在这方面，术语安装法兰122应被广义地解释，基本上涵盖了可拆卸地附接至OES仪器100的主壳体110的安装接口的任何“接口元件”。

火花台本体121和火花台板130可以由能够承受等离子体室中生成的等离子体所产生的热量的耐用材料制成。合适材料的示例包括金属，诸如不锈钢(例如EN 1.4305、EN1.4301、EN 1.0050、EN 1.0760或EN 2.0376)。当OES仪器100处于其操作位置时，当火花台组件120被安装到OES仪器100的主壳体110时，火花台本体121被附接至安装法兰122，使得火花台本体121的顶表面基本上是水平的。通常但不是必须的，安装法兰122由与火花台本体121相同或相似的材料制成。

在该示例中，使用电极123a作为图3A至图3C的示例中的激发器123可以被应用以在控制器112的控制下生成火花激发，而在其它示例中，激发器123可以应用本领域中已知的另一种激发技术用于等离子体生成。电极123a可以相对于火花台本体121被定位成使得电极123a的尖端停留在布置在火花台本体121的顶表面上的凹部与布置在其上的火花台板130之间形成的等离子室内部，而电极123a的其余部分可以被嵌入到火花台本体121中。在这方面，电极123a可以经由绝缘布置(例如，绝缘套管)而被安装到火花台本体121，该绝缘布置可以由合适的陶瓷材料制成。作为这方面的示例，绝缘布置可以包括由陶瓷材料制成的护套，其围绕电极123a以使得电极123a的尖端被暴露在提供在火花台本体121的顶表面中的凹部中，而护套的“上”端部可以用作形成等离子体室的凹部的“底部”。换句话说，电极123a的尖端可以经由提供在绝缘布置中的开口而被带到形成等离子体室的凹部。

当电极123a被激活以在经由通过火花台板130的开口131而被暴露的样品140的表面上生成等离子体时，所生成的等离子体形成在电极123a的尖端和样品140的表面之间。在这方面，图5示意性地图示了根据示例的火花台组件120的选定细节的横截面，还示出了在电极123a激活后在电极123a的尖端与经由通过火花台板130的开口131而被暴露样品140的表面之间形成的等离子体锥132。因此，从等离子体锥132发射的光经由形成在火花台组件120内的第二传输路径通过安装法兰122朝向开口传输，并且进一步经由主壳体110内的第一传输路径被传输到光谱仪组件114。

当火花台板130通过诸如一组夹具128之类的附接机构而压靠在火花台本体121的顶表面上时，可以经由密封构件127保证经由在火花台本体121上布置火花台板130的火花台本体121的顶表面上的凹部和凹口125的气密密封，密封构件127可以至少部分地被嵌入到密封构件凹槽126中。在这方面，密封构件凹槽126的路由——以及因此的密封构件127的路由——在由升高部分124形成的桥结构上提供一种布置，其中将火花台板130压靠在火花台本体121的顶表面上足以确保等离子体室和用作从等离子体室朝向OES仪器100的主壳体110中的安装接口的光学接口的第二传输路径的一部分的凹口125的气密密封。相比之下，在先前已知的解决方案中，相应的单独密封环通常被应用在火花台板的第一表面和火花台本体的顶表面之间以密封等离子体室，并且被应用在火花台板121的第二表面(其基本上垂直于第一表面)和安装法兰之间以密封从等离子体室朝向安装接口的光学接口的光路，从而需要将火花台板与基本上彼此垂直的两个表面分别进行密封。这反过来又需要在彼此基本上垂直的两个方向上正确地定位火花台板，这是一个繁琐的过程，存在密封受损的风险，并且还可能使密封环在火花台板的重复的安装和拆卸中受到磨损和破裂。

按照前面所描述的思路，根据示例，除了当火花台板130被附接在火花台本体121上时旨在于与升高部分124邻接的部分之外，火花台板130的内表面可以基本上是平面的。因此，从等离子体锥132通过安装法兰122朝向开口的第二传输路径由于当火花台板130被定位在火花台本体121的顶表面上时覆盖凹口125的火花台板130的那部分的非零厚度而固有地部分遮挡，如图5的示意图示中所示。反过来，火花台板130的非零厚度导致部分遮挡从通过安装法兰122的开口到等离子体锥132的一部分的视域，这可以被称为由火花台板130(的非零厚度)提供的固有掩蔽。然而，由于火花台板130的厚度相对较小，这种布置允许从等离子体锥132发射的光沿着其中心轴(其与图5中所示的线A重合)基本上贯穿等离子体锥132的高度，经由第二传输路径，经由安装接口的光学接口并且进一步经由第一传输路径朝向光谱仪组件114传输。

在一些场景中，已经证明能够控制从光谱仪组件114到等离子体锥132的预定义部分的视域以避免将从等离子体锥132的相应部分发射的光传输到光谱仪组件114是有益的。在这方面，等离子体锥132的体积提供了等离子体锥132中可用强度的良好近似。等离子体锥132的几何属性使得其体积的大部分位于其基部附近，该基部紧邻被定位在通过火花台板130的开口131上的样品140。因此，可以通过掩蔽等离子体锥132的高度的相对小的部分来掩蔽从等离子体锥132发射的显著量的光。特别是对于等离子体锥132而言基本上0°的视角，这种掩蔽可以通过使用等离子体锥132的温度分布相关的属性来实现。在这方面，特别感兴趣的一个方面涉及等离子体的温度梯度，该温度梯度在电极123a的尖端和经由通过等离子体台板130的开口131而被暴露于激发的样品140的表面之间沿着等离子体锥132的中心轴(参见图5的图示中的线A)。在这方面，等离子体锥132内的温度分布通过基本平行于等离子体锥132的基部(并且因此基本上垂直于等离子体锥132的中心轴)的等温线(被示为相应的虚线)而被图示出。等离子体锥132在其基部和靠近其基部的部分是最热区域，而等离子体132的温度朝向等离子体锥132的尖端(并且因此朝向电极123a的尖端)降低，其中在基部处的温度可能(明显)高于12000摄氏度，而在尖端处的温度可能(明显)低于3400摄氏度。等离子体锥132的高度基本上等于电极123a的尖端与火花台板130的外表面(即，在开口131的位置处被定位在外表面上的样品140的表面)之间的距离，而等离子体锥132的基部的直径可以基本上等于等离子体锥132的高度。

在一些场景中，等离子体锥132的最热部分的掩蔽在测量过程的准确性和可靠性方面可能是有利的：离子谱线和热背景辐射主要源自等离子体锥132的最热部分，其最靠近样品140的表面，因为激发这些谱线的能量的量仅在等离子体锥132的这一部分中可用。由于离子谱线和热背景辐射通常被认为是干扰OES仪器100所执行的分析的方面，所以对等离子体锥132的掩蔽使得防止从其最热部分发射的光经由第二传输路径被传输到光谱仪组件114可能是有利的。例如，在旨在检测某些元素(诸如铁或镍基质中的碳、磷和硫)的测量中，这种掩蔽可能是特别有用的，因为它使得能够掩蔽源自样品140表面附近的等离子体锥132体积的扰动电离线，从而消除了在没有掩蔽、掩蔽不充分或通过应用大于零度的等离子体视角时会发生的光谱干扰。在激活电极123a时所应用的激发参数可能因基质而异，因此例如铝合金需要与钢或钛合金不同的激发参数(例如不同的激发能量)——因为这些材料的熔点不同。当经由电极123a提供更高的激发能量时，等离子体锥132内的温度分布随着样品140表面处的温度随着激发能量的增加而增加而改变，从而使等温线的相应位置沿着轴A偏移。因此，需要来自电极123a的不同激发能量的不同基质也需要不同量的掩蔽，以便消除具有不随着所施加的激发能量而改变的激发属性的扰动谱线。

按照前面所描述的思路，通过火花台板130的开口131的边缘的任意的、相对较小的厚度而提供的固有掩蔽在遮挡对等离子体锥132的视域方面可能没有实质性的效果，而等离子体锥132的真正空间掩蔽可以经由向火花台板130提供从火花台板130的内表面突出的空间掩蔽件来实现，其中当火花台板130被固定在火花台本体121上的位置时，空间掩蔽件被布置在与凹口125空间上重合的火花台板130的一部分中。因此，空间掩蔽件可以被应用以部分地遮挡等离子体室和通过安装法兰122的开口之间的第二传输路径，从而部分地遮挡了从光谱仪组件114到等离子体室中生成的等离子体锥132的视域，特别是遮挡了等离子体锥132在其基部处及其附近的最热部分的视域。所提供的空间掩蔽的范围取决于空间掩蔽的形状和大小，其中掩蔽的范围可以经由从火花台板130的外表面测量到的空间掩蔽件的高度(或深度)来定义。空间掩蔽件的高度(或深度)可以被称为掩蔽高度(或掩蔽深度)。掩蔽高度(或掩蔽深度)可以经由电极123a的尖端和火花台板130的外表面之间的距离的预定义百分比来定义。作为非限制性示例，预定义百分比可以是从25％到70％的范围选择的值，例如50％。然而，可以根据情况选择最合适的掩蔽高度(或掩蔽深度)，例如考虑到激活电极123a时应用的激发参数。

根据示例，可以依赖于基质和/或依赖于被应用于测量的分析子程序来选择激发参数。铁基质(Fe基质)和铝基质(Al基质)之间的差异提供了这方面的示例：尽管一组优化的激发参数可能适用于相对广泛的不同材料，但是某些材料由于其冶金特性而可能需要专用激发参数。例如，当确定铝合金中的磷光体含量时，可能需要考虑这种依赖于材料的特性，因为磷光体线(P线)可能与源自靠近样品140的表面的等离子体锥132的体积的连续背景辐射叠加。然而，在铝基质样品的情况下，等离子体锥132的这个体积比铁基质样品延伸得更远离样品140的表面(沿着等离子体锥132的中心轴)，并且因此，与在铁基质样品的情况下相比，在铝基质样品的情况下需要更高程度的空间掩蔽来消除光谱背景。

作为向火花台板130提供空间掩蔽件的示例，图6A示意性地图示了包括掩蔽部分133a的火花台板130，掩蔽部分133a作为火花台板130的整体部分而被提供并且用作空间掩蔽件。掩蔽部分133a可以包括从火花台板130的内表面延伸的突起，该突起被提供在当火花台板130在火花台本体121上被固定在其位置中时与凹口125在空间上重合的火花台板的一部分中。换句话说，掩蔽部分133a可以被认为是火花台板130中的加厚部分或加厚区域，位于当火花台板130在火花台本体121上被固定在其位置中时与凹口125在空间上重合的火花台板130的一部分中。因此，当将火花台板130放置在火花台本体121的顶表面上时，遮蔽部分133a可以突出到布置在火花台本体121的顶表面上的凹口125中，从而用作空间掩蔽件，部分地遮挡(从通过安装法兰122的开口)到等离子体锥132的视域。

图6B示意性地图示了根据另一示例的作为掩蔽部分133a而被提供的空间掩蔽件，其中与图6A的示例相比，掩蔽部分133a提供更高的掩蔽高度(或掩蔽深度)。图6C和图6D示意性地图示了在相应的掩蔽高度(或掩蔽深度)提供空间掩蔽件作为掩蔽部分133a的相应的另外示例，其中掩蔽部分133a具有不同于图6A和图6B的相应示例的形状。

在一个示例中，火花台组件120可以提供有两个或更多火花台板，其中可以鉴于研究中的样品140的(预期)特性来选择要被应用于特定测量的火花台板。作为这方面的示例，两个或更多火花台板可以包括没有空间掩蔽件的第一火花台板和具有空间掩蔽件的第二火花台板，并且因此，第一和第二火花台板可以互换使用，例如使得第二火花台板被应用于其中等离子体锥132的最热部分的掩蔽被认为是有利的测量，而第一火花台板130被应用于其中这样的掩蔽被认为是不必要的或者甚至是不利的测量。在该示例的变体中，两个或更多火花台板可以包括两个或更多第二火花台板，每个第二火花台板提供有掩蔽高度(或掩蔽深度)与两个或更多第二火花台板中的另一个的相应掩蔽高度(或掩蔽深度)不同的空间掩蔽件。

在另一个示例中，火花台组件120的两个或更多火花台板可以包括提供有具有第一掩蔽高度(或掩蔽深度)的空间掩蔽件的第一火花台板、以及提供有第二空间掩蔽件的第二火花台板，第二空间掩蔽件具有不同于第一火花台板的第一掩蔽高度(或掩蔽深度)的第二掩蔽高度(或掩蔽深度)(例如，根据图6A和图6B的相应示例)。作为非限制性示例，第一掩蔽高度(或掩蔽深度)可以是25％，并且第二掩蔽高度(或掩蔽深度)可以是50％。因此，第一和第二火花台板可以互换使用，例如使得提供更适于所考虑的测量的掩蔽高度(或掩蔽深度)的第一和第二火花台板中的一个被选择。考虑到涉及铁基样品和铝基样品的不同特性的上述示例，提供25％掩蔽高度(或掩蔽深度)的第一火花台板可以被应用于铁基质样品的测量，而提供50％掩蔽高度(或掩蔽深度)的第二火花台板可以被应用于铝基质样品的测量。在该示例的变体中，两个或更多火花台板可以包括三个或更多火花台板，每个火花台板提供有掩蔽高度(或掩蔽深度)与三个或更多火花台板中的其它板的相应掩蔽高度(或掩蔽深度)不同的空间掩蔽件。

作为向火花台板130提供空间掩蔽件的另一个示例，图6E示意性地图示了火花台板130被提供有掩蔽构件133b的示例，掩蔽构件133b在当火花台板130在火花台本体121上被固定在其位置中时与凹口125在空间上重合的火花台板130的一部分中，被附接至火花台板130的内表面。因此，当将火花台板130放置在火花台本体121的顶表面上时，从火花台板130的内表面延伸的遮蔽构件133b可以突出到被布置在火花台本体121的顶表面上的凹口125中，从而用作部分地遮挡(从穿过安装法兰122的开口)到等离子体锥132的视域的掩蔽件。图6F示意性地图示了根据另一示例作为掩蔽构件133b而被提供的空间掩蔽件，其中与图6E的示例的掩蔽构件相比，掩蔽构件133b提供更高的掩蔽高度(或掩蔽深度)。

在示例中，掩蔽构件133b可以被可拆卸地附接至火花台板130的内表面。因此，根据所考虑的测量，可以在有或没有用作空间掩蔽件的掩蔽构件133b的情况下应用火花台板130。在该示例的变体中，火花台组件120可以提供有两个或更多掩蔽构件133b(例如，根据图6E和图6F的相应示例)，每个掩蔽构件提供与两个或更多掩蔽构件中的另外掩蔽构件的相应掩蔽高度(或掩蔽深度)不同的掩蔽高度(或掩蔽深度)，从而为用户提供在使用没有掩蔽构件133b的火花台板或使用有两个或更多掩蔽构件133b之一的火花台板之间的选择，其提供了被认为最适合所考虑的测量的掩蔽高度(或掩蔽深度)。

在图6A至图6F中所图示的示例中，空间掩蔽件至少被提供在通过火花台板130的开口131的边缘处或与之紧邻。这是有利的，因为它允许在选择入口狭缝相对于等离子体锥132的中心轴的取向时有附加的自由度，其中入口狭缝可以用作光谱仪光学器件114a的入口孔径：被定位在开口131的边缘处或与之紧邻的空间掩蔽件确保提供期望的空间掩蔽，而不管入口狭缝的取向如何，包括入口狭缝与等离子体锥132的中心轴平行或基本上平行的场景。在其它示例中，空间掩蔽可以被提供得更远离开口的边缘，基本上沿着凹口125在凹部和安装法兰122之间的任何位置，而空间掩蔽件的这种定位可以确保在入口狭缝与等离子体锥132的中心轴垂直或基本上垂直的场景中的期望空间掩蔽，同时它可以为其它入口狭缝取向提供至少部分折衷的掩蔽性能。

前面所提供的示例涉及布置在火花台本体121的顶表面上的密封构件凹槽126，以便促进在火花台本体121的顶表面与火花台板130之间提供密封环127，使得密封环127围住布置在顶表面上的凹部和细长凹口125，并且被路由在提供在顶表面上的升高部分124上方。在其它示例中，可以从火花台本体121的顶表面省略密封构件凹槽127，但是密封构件凹槽126可以改为被布置在火花台板130的内表面中。在这种方法中，密封构件凹槽127可以被定位在火花台板130的内表面中，使得当火花台板131在火花台本体121的顶表面上被布置到其位置中时，至少部分地嵌入在其中的密封构件127围住布置在火花台本体121的顶表面中的凹部和细长凹口125，并且被路由在升高部分124上方。

前面所提供的示例假设通过将安装法兰122可拆卸地附接至提供主壳体100中的安装接口而将火花台组件120可拆卸地安装到OES仪器100的主壳体110。在其它示例中，火花台组件120可以以固定方式被附接至主壳体110，使得提供火花台组件120中的第二传输路径与主壳体110中的第一传输路径之间的正确空间对准。在这种场景中，作为OES仪器100的制造、安装或配置过程的一部分，火花台组件120可以通过安装法兰122而被安装到主壳体110的安装接口，而可能无法提供随后由用户拆卸火花台组件120。此外，备选地或附加地，将火花台组件120安装到OES仪器100的主壳体110可以与图1的示意图示中所图示的不同，例如使得火花台组件120被附接在主壳体110的顶部。在另外的示例中，火花台组件120可以被至少部分地嵌入和/或集成到OES仪器100的主壳体110中。

前面所提供的示例描述了涉及根据本公开的火花台组件120的结构和特性的某些方面，而另一方面，描述省略了结构和/或操作的许多方面，这些方面通常可以被应用于在本领域已知的OES仪器的上下文中应用的火花台，但是为了描述的简洁和清晰起见，这些方面与根据本公开的火花台组件120的有利方面的描述不直接相关。这些方面的示例包括进入等离子体室和/或凹口125的(多个)气体入口和从等离子体室排出的(多个)排放出口，其可以被提供以使得能够将惰性气体转移到等离子体室中和转移出等离子体室以在等离子室和/或凹口125内产生UV透射气氛以用于执行测量，用于在测量之间吹扫等离子室和/或凹口125和/或用于在进行测量时吹扫经由通过火花台板130的开口131暴露的样品140的部分。在这方面，火花台本体121可以提供有一个或多个气体入口，用于将惰性气体(诸如氩气)注入到等离子体室中以用于进行吹扫，以及一个或多个排放出口，用于将惰性气体和在等离子体生成期间形成的任何碎屑移除出等离子体室。此外，火花台组件120还可以包括用于经由一个或多个气体入口将惰性气体注入到等离子体室和/或凹口125中以及用于经由一个或多个排放出口从等离子室和/或凹口125接收惰性气体和碎屑的相应装置。

虽然前面所提供的示例至少隐含地参考了火花OES分析来描述了OES仪器100的结构和特性，但是作必要的修改后，本公开中提供的示例很容易被推广到使用不同OES技术的分析仪器中的应用，诸如电弧OES或激光诱导击穿光谱(LIBS)。

Claims (15)

1.一种用于光学发射光谱OES仪器(100)的火花台组件(120)，所述火花台组件(120)包括：

被附接至安装法兰(122)的火花台本体(121)，所述安装法兰(122)使得能够将所述火花台组件(120)附接至所述OES仪器(100)的主壳体(110)；

激发器(123、123a)，所述激发器(123、123a)被设置到被布置在所述火花台本体(121)的顶表面上的凹部中；

升高部分(124)，所述升高部分(124)被布置在与所述安装法兰(122)相邻的所述火花台本体(121)的所述顶表面上；

细长凹口(125)，所述细长凹口(125)被布置在所述火花台本体(121)的所述顶表面上并且将所述凹部连接到穿过所述升高部分(124)的通道；

火花台板(130)，所述火花台板(130)可拆卸地附接在所述火花台本体(121)的所述顶表面上以覆盖所述凹部、所述凹口(125)和至少部分所述升高部分(124)，使得所述凹部形成等离子室并且所述凹口(125)形成从所述等离子室到所述通道的光传输路径的一部分，其中所述火花台板(130)包括从其穿过的开口(131)，用于暴露被定位在所述开口(131)上的样品(140)的一部分以用于从所述激发器(123、123a)激发，所述开口(131)被定位成使得当所述火花台板(130)被附接在所述火花台本体(121)的所述顶表面时所述开口(131)与所述激发器(123、123a)在空间上对准，以及

密封构件(127)，所述密封构件(127)被布置在所述火花台本体(121)的所述顶表面和所述火花台板(130)之间，使得它围住所述凹部和所述凹口(125)并且被路由在所述升高部分(124)上方。

2.根据权利要求1所述的火花台组件(120)，包括密封构件凹槽(126)，所述密封构件凹槽(126)被布置在所述火花台本体(121)的所述顶表面上和所述升高部分(124)上，使得它围住所述凹部和所述凹口(125)，其中所述密封构件(127)被至少部分地嵌入到所述密封构件凹槽(126)中。

3.根据权利要求1所述的火花台组件(120)，包括密封构件凹槽(126)，所述密封构件凹槽被布置在所述火花台板的面向火花台本体的表面上，其中所述密封构件(127)被至少部分地嵌入到所述密封构件凹槽(126)中，并且其中所述密封构件凹槽(126)被定位成使得当所述火花台板(130)被附接在所述火花台本体(121)的所述顶表面上时，所述密封构件(127)围住所述凹部和所述凹口(125)并且被路由在所述升高部分(124)上方。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的火花台组件(120)，其中经由将所述火花台板(130)压靠在所述火花台本体(121)的所述顶表面上，所述火花台板(130)能够被附接在所述火花台本体(121)的所述顶表面上。

5.根据权利要求4所述的火花台组件(120)，包括：附接机构，被布置成用于将所述火花台板(130)压靠在所述火花台本体(121)的所述顶表面上。

6.根据权利要求5所述的火花台组件(120)，其中所述附接机构包括：一组夹具，用于将所述火花台板(130)压靠在所述火花台本体(121)的所述顶表面上。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的火花台组件(120)，其中所述火花台板(130)的面向火花台本体的表面的形状基本上遵循所述火花台本体(121)的所述顶表面的除了所述凹部和所述凹口(125)之外的形状。

8.根据权利要求7所述的火花台组件(120)，其中：

所述火花台本体(121)的所述顶表面除了所述凹部、所述凹口(125)和所述升高部分(124)之外基本上是平面的，并且

所述火花台板(130)的所述面向火花台本体的表面除了旨在用于与所述升高部分(124)邻接的部分之外基本上是平面的。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的火花台组件(120)，其中所述光传输路径包括耦合透镜或窗口，用于将所述光传输路径的至少一部分与所述等离子体室隔离。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的火花台组件(120)，其中所述激发器(123)包括电极(123a)，所述电极(123a)被布置为生成火花激发以将所述样品(140)的一部分转化为等离子体状态，从而在所述电极(123a)激活时在所述电极(123a)的尖端和所述样品(140)的所述表面之间生成等离子体锥(132)。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的火花台组件(120)，其中所述火花台板(130)包括空间掩蔽件(133a、133b)，所述空间掩蔽件(133a、133b)在所述火花台板(130)被附接在所述火花台本体(121)的所述顶表面上时从所述火花台板(130)的面向火花台本体的表面突出、被布置在与所述凹口(125)在空间上重合的位置，所述空间掩蔽件(133a、133b)由此部分地遮挡从所述等离子体室到所述通道的所述光传输路径。

12.根据权利要求11所述的火花台组件(120)，其中所述空间掩蔽件(133a、133b)包括：掩蔽部分(133a)，所述掩蔽部分(133a)在所述火花台板(130)被附接在所述火花台本体(121)的所述顶表面上时作为突出到所述凹口(125)中的所述火花台板(130)的加厚部分而被提供。

13.根据权利要求11所述的火花台组件(120)，其中所述空间掩蔽件(133a、133b)包括：被可拆卸地附接至所述火花台板(130)的掩蔽构件(133b)，其中当所述火花台板(130)被附接在所述火花台本体(121)的所述顶表面上时所述掩蔽构件(133b)突出到所述凹口(125)中。

14.根据权利要求11所述的火花台组件(120)，其中从所述火花台板(130)的外表面测量到的所述空间掩蔽件(133a、133b)的高度在所述激发器(123、123a)的尖端与所述火花台板(130)的所述外表面之间的距离的25％和70％之间。

15.一种光学发射光谱OES仪器(100)，包括主壳体(110)和根据权利要求1至3中任一项所述的火花台组件(120)，其中

所述主壳体(110)包括：光学光谱仪组件(114)和用于将所述火花台组件(120)附接至所述主壳体(110)的安装接口，并且

所述安装接口包括光学接口，用于将所述火花台组件(120)的所述光传输路径连接到所述光谱仪组件(114)。