CN202916187U - 使用非阳光uv级光纤的光子测量系统 - Google Patents
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Abstract
一种诸如原子吸收分光计的光子测量系统包括被光纤线缆互连的源、样本和检测模块。第一组光纤线缆将来自源模块中的一个或多个光源的光引导至样本模块中的至少两个分析室中的每一个。第二组光纤线缆将来自分析室的光引导至检测模块中的检测器。检测器向处理子系统提供对应于被引导光的强度的信号。一个分析室在给定时间被选择为用以执行样本分析，并且处理子系统将与所选分析室相关联的信号作为测量信号来处理。处理子系统还可以将与给定的未选择的分析室相关联的信号作为基准信号来处理。
Description
交叉引用
本申请要求由Juan C. Ivaldi等人在2009年11月20日提交的题为ATOMIC ABSORPTION INSTRUMENT USING NON-SOLARIZING UV GRADE FIBER OPTICS 且被通过引用结合到本文中的美国临时专利申请序列号61 /263, 142的优先权。
技术领域
本发明一般地涉及光子测量仪器且更特别地涉及高精度原子吸收仪器。
背景技术
诸如分光计的原子吸收仪器是众所周知的且被用于多种环境。使人感兴趣的原子吸收仪器是包括精密对准的光学装置的高精度系统，该精密对准的光学装置将测量光、亦即用于吸收分析的适当波长的光紧密地耦合到样本。高精度系统还利用附加光源和关联光学装置来提供基准路径以确定并补偿光强度以及修正背景吸收。使人感兴趣的系统利用同时操作的测量和基准光路径，如在美国专利6,222,626中所述，其被整体地通过引用结合到本文中。
如在该专利中所述，使用反射镜和射束分离器的精密对准配置来将来自测量和背景修正光源（例如空心阴极灯“HCL”和氘（D2）灯）的光同时地导引到测量路径和基准路径中的每一个的起点。测量路径然后使用另外的多个精密对准的反射镜来将光耦合到原子化器（atomizer）内的样本并且还将光从原子化器导引到检测器，同时，基准路径使用光纤来将光引导至该检测器。
在原子吸收分光计中操作的原子化器一般地是火焰（雾化器）或火炉，诸如石墨管。某些原子吸收分光计能够用不止一个类型的原子化器进行操作，并且包括手动或自动操作的机械机构，其将一个原子化器（例如火焰室）移动到光学测量路径之外并将另一原子化器（例如火炉）移动到光学测量路径中。原子化器的移动常常迫使需要将光导引到测量路径的射束分离器和反射镜的精密对准配置和/或将光紧密地耦合到样本的另外的该多个反射镜的重新对准。光学装置的重新对准不但耗时而且复杂，并且导致系统停机时间。
其它已知系统操作串联的原子化器，如果使用诸如激光器的准直光源，则其很好地工作。然而，对于诸如HCL和D2灯的光源，光束在延伸的测量路径上发散，并且串联系统的光学装置因此是相当复杂且昂贵的。
发明内容
一种光子测量仪器包括将来自一个或多个光源的光直接且同时地引导至一对分析室中的每一个的第一组光纤线缆和将光从相应分析室直接且同时地引导至检测器的第二组光纤线缆。选择器/映射器使直接引导来自光源的光的相应光纤成束并且通过光纤的映射，进一步将来自每个光源的光引导至这两个分析室。用户选择哪个分析室在给定时间将被用于样本测量，并且系统控制器将所选分析室作为测量路径的组件来操作。同时，另一分析室变成基准路径的一部分，以使光在第一和第二组光纤线缆的关联线缆之间通过。处理子系统然后将与所选分析室相关联的信号作为测量信号来处理并将与未选择的分析室相关联的信号作为基准信号来处理。因此，在不要求系统的重新配置和/或系统光学装置的重新对准的情况下，通过分析室的选择，通过该系统同时地且可互换地提供了测量和基准路径。
替换地，可以由专用光纤线缆来提供基准路径，使得选择器/映射器沿着通过系统的三个路径、即专用基准路径和与相应分析室相关联的路径映射光纤。处理子系统然后将与所选分析室相关联的信号作为测量信号来处理并将与专用基准路径相关联的信号作为基准信号来处理，并且不处理与未选择的分析室相关联的信号。在此配置中，再次在不要求系统的重新配置和/或系统光学装置的重新对准的情况下，通过分析室的选择，通过该系统来同时地且可互换地提供了测量路径。
附图说明
以下发明描述参考附图，在附图中：
图1是依照本发明构造的原子吸收分光计的功能方框图；
图2A～2C是在图1中描绘的耦合器的功能方框图；
图3描绘了在图1的系统中描绘的原子化器的替换布置；
图4是图1的系统的操作的流程图；
图5是在图1中描绘的源模块的替换布置；
图6是在图1中描绘的样本模块的替换布置；以及
图7是在图1中描绘的系统的替换配置。
具体实施方式
附图不按比例绘制，并且为了便于解释，可以相对于其它组件将某些组件放大。不同图中的相同附图标记指示相同的组件。以原子吸收分光计作为示例来描述光子测量仪器。可以类似地配置其它光子测量系统，例如采用感应耦合的等离子体光学发射光谱分析、液体色谱中的光学检测、UV/可见光光谱分析和UV/可见光近红外光谱分析的系统。在此类系统中，以与下文讨论的原子化器相同的方式来利用适当的分析室。
参考图1，原子吸收分光计包括源模块102、样本模块104和检测模块106，它们由作为通过该系统的路径1000和2000的片段的光纤线缆108～111互连。源模块包括两个类型的光源120和122，例如在用于吸收分析的期望波长下操作的空心阴极灯（HCL）和提供用于背景修正的光的氘（D2）灯。由光源产生的光被光纤线缆128和129从光源直接引导，光纤线缆128和129分别地也是路径1000和2000的片段。相应光纤线缆128和129由多个光纤组成。
包括在源模块102中的选择器/映射器130使线缆128和129的光纤成束并将光纤映射到光纤线缆108和109，光纤线缆108和109是将来自两个源的光同时地引导至样本模块104中的两个原子化器140和150中的每一个的支路。线缆128、129、108和109形成第一组光纤线缆。光纤线缆110和111将光从样本模块104中的原子化器140和150引导至检测模块106中的检测器160。形成第二组光纤线缆的线缆110和111也是相应路径1000和2000的片段。在该示例中，第一和第二组中的光纤线缆由非阳光（non-solarizing）UV级光纤组成并以已知的方式操作。
接收被光纤线缆110和111引导到它的光的检测器160可以是单色器，其根据需要利用缝隙或其它机构（未示出）来将由光纤线缆提供的光导引到单个传感器的不同区域。替换地，检测器可以包括被适当地定位以直接从对应线缆接收光的两个传感器（未示出）。检测器160以已知的方式操作以产生对应于所选波长的入射光的强度的信号并将该信号提供给处理子系统194。
系统控制器180基于原子化器的选择来控制相应模块102、104和106的组件和处理子系统194的操作，如下文更详细地讨论的。系统控制器被配置为从诸如计算机键盘或触摸屏的输入设备190接收信号，用户通过所述输入设备190来提供原子化器选择指令以及酌情提供其它的用于分析的指令。显示设备192向用户提供关于系统操作的信息以及由处理子系统194执行的处理的结果。
原子化器140和150可以例如是火焰室或雾化器或诸如例如石墨管的火炉。用户通过输入设备190来输入指令以选择在给定时间将使用哪个原子化器进行样本测量。响应于该指令，系统控制器180控制光源120和122及原子化器140和150的操作以向检测器160提供光学测量、背景修正和基准信息。
更具体地，系统控制器180以已知的方式操作所选原子化器140、150以提供从其获得样本测量和背景修正信息的光并在允许光简单地通过的模式下操作未选择的原子化器以提供基准信息。系统控制器还控制处理子系统194的操作，使得该子系统将与所选原子化器相关联的信号作为测量路径信号来处理并将与未选择的原子化器相关联的信号作为基准路径信号来处理。系统控制器因此命令处理器子系统将酌情从传感器的特定区域或特定传感器提供的信号作为测量信号来处理并将来自其它区域或传感器的信号作为基准信号来处理。
该系统因此允许用户在任何给定时间选择原子化器中的任一个以进行样本测量，而不必重新配置系统。特别地，原子化器的选择不要求一个或多个原子化器到光学测量路径中或从光学测量路径出来的机械移动。因此，在系统100中，不必对测量路径中的光学装置进行重新对准以改变包括在测量路径中的原子化器。
为了使该系统最优化，可以在源模块102内使用光纤耦合单元124、125以将由光源120、122产生的光耦合到相应光纤线缆128和129。在样本模块104内，可以使用光纤耦合单元132、133来将来自线缆108和109的光耦合到相应原子化器140、150的指定区，例如相应原子化器140、150的中心。此外，可以使用光纤耦合单元134、136来将来自原子化器的光耦合到光纤线缆110和111，光纤线缆110和111随后将光引导至检测模块106。下面参考图2A～C来更详细地描述耦合单元。
现在参考图2A，典型的耦合单元3000由耦合器304组成，在本示例中为离轴椭圆反射镜，其将由位于该反射镜的两个焦点中的第一焦点处的源300提供的光耦合到位于该反射镜的第二焦点处的目的地302。在该示例中，该反射镜将光反射为弯曲90°，不过可以根据设计利用其它度的弯曲，例如30°或60°。
耦合器304基本上由第一和第二焦距的比表征。例如，0.5×耦合器的目的地距反射镜的距离为源距反射镜的距离的两倍远。该耦合器还由通光孔径表征，所述通光孔径是反射镜的指定区，入射光束从该指定区聚焦到目的地。在图中用点线306表示的通光孔径基本上确定反射镜的尺寸。可以利用耦合器来改变光束的数值孔径，即用于光束的减小或放大，全部是以已知的方式进行。
耦合器304优选地涂敷有UV增强涂层。在该示例中，耦合器涂敷有针对感兴趣波长具有大于85%的反射率的UV增强铝。在系统100中，感兴趣的波长是190 nm至900 nm。酌情地，可以使用矩形反射镜而不是椭圆反射镜。
在图2A中描绘的示例中，目的地302是光纤线缆350的芯354。线缆350与耦合器或反射镜304对准，使得反射镜的第二焦点在该芯的入口352内，所述芯可以由单个或多个光纤组成。
在该系统中，每个耦合器耦合来自光纤线缆的光或将光耦合到光纤线缆。相应的光纤线缆由数值孔径表征，如光源120、122和原子化器140、150的入口和出口141、151及143、153（图2C）那样。耦合器根据期望沿着路径1000和2000从一个组件到下一组件保持或改变光束的数值孔径和/或光束的放大率。在该示例中，耦合单元124和125是0.5×耦合器，其减小光束的数值孔径，耦合单元132和135是2×耦合器，其放大光束的数值孔径，并且耦合单元134和136是1×耦合器，其中继光束或保持光束的数值孔径。
现在还参考图2B，为了配置系统，使源模块102上的耦合单元124、125与光源120、122和光纤线缆128、129对准。耦合单元因此被定位为使得光源在对应耦合器或反射镜的第一焦点处，并且光纤线缆128、129的入口126和127在反射镜的第二焦点处。光纤129、128延伸通过选择器/映射器130，其使相应光纤成束并映射所述相应光纤以将来自每个单独源的光通过线缆段108、109引导至两个原子化器140、150。
现在还参考图2C，在样本模块104上，使线缆段108、109的末端105、107与作为源的耦合单元或耦合器132和135对准，并且该耦合器将来自光纤的光通过原子化器140、150的相应入口141、151耦合到耦合器的第二焦点，其在该示例中为原子化器的中心。类似地，使耦合单元134和136与原子化器的出口143、153对准，以将来自作为源的原子化器中心的光耦合到光纤线缆110和111的入口113、115。一旦耦合器和光纤在源和样本模块102、104上被适当地对准，则可以通过线缆108、109、110、111中的任何一个或所有的弯曲使模块102、104、106相对于彼此进行移动。然而，模块的相对移动不会负面地影响系统光学装置的对准，因为耦合单元位于相应模块内。为了获得高效的系统操作，模块的移动不应引入小于弯曲光纤线缆的最小光纤的直径的300倍的弯曲半径。但是光纤可能不需要在整个系统上是相同的直径。替换地，第一和第二组光缆可以利用具有不同的相应直径的光纤。为了便于解释，我们未在图中示出具有石英覆盖的开口以允许光通过的防护壁等，其位于原子化器与光学装置之间并用于将光学装置与在分析期间可能存在的腐蚀性蒸气隔离。此类壁的使用在利用传统光学装置的原子吸收仪器中是众所周知的且出于相同的原因在本系统中被采用。
用于测量和基准信号两者的用户可选择和可互换路径不仅对于系统的使用、而且对于系统的配置提供了很大灵活性。具体地，可以将源、样本和检测模块102、104和106布置为使得用于相应原子化器140、150的热源远离热敏系统组件定位。此外，在被用来分析挥发性或放射性材料的系统中，可以将给定原子化器或两个原子化器与其它系统组件隔离。
例如，如图3所示，在示例中为火焰室150的原子化器在手套箱240中操作，光学馈通孔242和243被安装到手套箱的壁。位于手套箱内部的耦合单元132将通过光学馈通孔242接收到的光通过室入口151耦合到火焰室的中心。通过原子化器出口153接收源自于火焰室的中心的光的耦合单元134将光通过光学馈通孔243耦合到线缆110的芯中。用户可以通过手套孔250接近原子化器，以便将样本定位于原子化器内。系统控制器如上所述地操作系统以执行分析，其中酌情选择或不选择被隔离的原子化器150。
可以单独地制造原子吸收分光计100的相应模块102、104、106。此外，可以针对特定的用途将相应模块最优化，并且因此可以组装不同的系统配置。例如，为给定系统制造的模块可以被最优化以与特定波长的光一起使用等。并且，如所讨论的，例如，样本模块可以被最优化以与要求隔离原子化器中的一个或两者的放射性或其它材料一起使用。
现在还参考图4，描述了原子吸收分光计100的操作。用户在步骤480中通过输入设备190向系统中输入他或她的将原子化器140、150中的哪个用于样本分析的选择。用户还酌情提供关于要执行的分析的信息和/或指令，诸如持续时间、温度等。替换地，用户可以选择预先编程的分析例程。
在该示例中，用户选择火焰间140。响应于该选择信息，系统控制器180在步骤482中命令处理子系统194将与所选原子化器相关联的信号作为测量信号来处理并将与未选择的原子化器相关联的信号作为基准信号来处理。系统控制器因此指定由检测器160中的给定传感器或传感器的给定区域提供的信号将被作为测量信号来处理且来自另一传感器或区域的信号将被作为基准信号来处理。在步骤484中，用户将样本布置在所选原子化器内。
一旦样本就位，则系统控制器在步骤486中以已知的方式操作所选原子化器以执行所请求的分析。另外，系统控制器在“待机”模式下操作未选择的原子化器，其中，由光纤线缆提供给该原子化器的光被传递至从该原子化器通向检测器的光纤线缆。此外，系统控制器以已知的方式操作HCL和D2灯及检测器160以进行分析。
系统控制器180因此同步地操作光源120、122和检测器160。在该示例中，系统控制器以例如50Hz的同步开和关循环来操作灯和检测器。如在被通过引用结合到本文中的美国专利6,222,626中所讨论的，针对检测循环的至少一部分单独地操作HCL和D2灯。
在步骤488中，处理器子系统194依照来自系统控制器的关于哪些信号是测量信号和哪些信号是基准信号的指令以已知的方式来处理由检测器160提供的信号。
用户可以在步骤490中选择同一或另一原子化器以进行下一个样本的分析，并且系统控制器相应地操作系统。
现在参考图5，在源模块102中可以包括不同波长的多个HCL 1201、1202...120i。替换地，某些或所有光源120i可以是无电极放电灯（EDL）。可以将多个灯定位为与耦合单元同时操作，其中在任何给定时间仅所选一个或多个灯进行操作，或者如下文所讨论的，可以相对于所选灯对耦合单元进行重新定位。用户或系统控制器选择将使用HCL和/或EDL中的哪个进行给定分析，并且系统控制器然后适当地控制所选灯的操作以执行分析。
耦合单元124可以是可通过光纤线缆128的稍微弯曲而相对于HCL和/或EDL进行移动。耦合单元因此移动至接近于所选灯的指定位置（用点线示出），而不改变耦合器与光纤线缆128的入口130之间的对准。替换地，可以将灯布置在转盘（未示出）上，所述转盘在用户的控制下或在系统控制下旋转以将所选灯带到位于固定耦合器的焦点处的位置，或者灯和耦合器两者可以是可相对于彼此移动至指定位置的。另外，可以使用多个耦合器和光纤线缆，其中该多个线缆的相应光纤通过选择器/映射器130被成束为光纤线缆108、109。利用此类布置，还可以将两个或更多波长的光同时地提供给原子化器。
现在还参考图6，某些原子吸收操作（例如利用火炉140的某些分析）不需要采用基准信号。因此，样本模块104可以构造成具有两个并排成线的火炉140和950，使得所选火炉操作，同时用户将要分析的下一个样本布置在未选择的原子化器中。响应于系统控制器指令，处理子系统194将来自所选原子化器的信号作为测量信号来处理。未选择的处理器大概不会使光学信息通过至第二组光纤线缆。因此通过这两个火炉原子化器的可选择的和可互换的使用能够增加系统的吞吐量，而不要求系统组件的重新配置和/或重新对准。
替换地，如在图7中描绘的，该系统可以配置有单独布线的专用基准光缆960。检测器160因此用三个感测区域或三个传感器（未示出）进行操作。在此配置中，系统控制器184控制处理器子系统194以保证来自所选原子化器的信号被作为测量信号进行处理，来自未选择的原子化器的信号不被处理，并且来自专用基准路径的信号被作为基准信号来处理。此配置中的测量路径是可选择互换的，以提供上述系统灵活性。
本文所述的系统可以在可选择的和可互换的测量和基准路径中配置有不止两个原子化器，其中用户在给定时间选择原子化器中的一个进行样本测量且用户或系统控制器将未选择的原子化器中的一个分配为充当基准路径的一部分。系统控制器命令处理子系统194将与所选处理器相关联的信号作为测量信号来处理并酌情将与未选择的分配的原子化器相关联的信号作为基准信号来处理。在此类系统中，任何或所有未选择的原子化器可以在待机模式下操作并将信号从第一组光纤线缆传递至第二组光纤线缆，只有来自被分配给基准路径的未选择的原子化器的信号被处理子系统处理。如所讨论的，可以改为由专用光纤线缆来提供基准路径。系统的多原子化器配置提供上述相同的灵活性，因为测量路径以及酌情地，基准路径是可通过系统选择和互换的。
该系统可以在例如可能要求更大的光强度以执行分析时向给定的原子化器提供HCL和/或DU光的不同比或强度。通过适当地将来自相应源的光映射和成束到原子化器，选择器/映射器可以提供60%/40% HCL/DU光或诸如70%/30%的其它所选比的混合。选择器/混合器可以类似地将由两个或更多HCL产生的光的不同波长的各种混合同时提供给原子化器中的一个。
替换地或另外，可以采用切换机构（未示出）来向给定原子化器提供增加的吞吐量，与来自HCL和D2灯两者的光相反，所述给定原子化器仅利用来自单个类型的光源（诸如HCL）的光。当选择了仅要求HCL光的原子化器时，切换机构机械地将单个光源连接到附加光缆（未示出），该附加光缆绕开选择器/映射器并延伸至诸如火炉140的原子化器。否则，切换机构将来自HCL和D2灯两者的光提供给选择器/映射器，选择器/映射器又通过第二组光纤线缆108和109将混合的HCL和D2光提供给两个原子化器。
前述说明已限于本发明的特定实施例。然而，将显而易见的是可以对本发明进行变更和修改，诸如代替上述灯和原子化器或除上述灯和原子化器之外，使用其它光源，例如无电极放电灯、其它类型的原子化器，例如冷蒸气单元，选择器/映射器可以将来自特定光源的光映射到原子化器的子集，来自多个HCL和/或EDL的光可以通过关联的光纤的成束被同时地映射到原子化器，并且可以使用多色检测器来代替单色检测器，来自单个光源的光可以被映射到每个原子化器等等，并获得某些或所有其优点。因此，所附权利要求的目的是将所有此类变更和修改覆盖在本发明的真实精神和范围内。
Claims (18)
1.一种光子测量系统，包括：
一个或多个光源；
至少两个分析室；
第一组光纤线缆，其将由该一个或多个光源产生的光引导至每个所述分析室；
第二组光纤线缆，其将来自相应分析室的光引导至检测器；
所述检测器，其被配置为产生与被从所述第二组光纤线缆的相应线缆引导至所述检测器的光的强度相对应的信号；
处理子系统，其处理由所述检测器提供的信号；以及
系统控制器，其控制所述一个或多个光源和分析室以操作所选分析室来执行样本分析并控制所述处理子系统将与所选分析室相关联的信号作为测量信号来处理。
2.根据权利要求1所述的光子测量系统，其中
所述光源是第一和第二类型的，以及
第一组光纤线缆包括选择器/映射器，其映射光纤以将来自第一和第二类型的光源中的每一个的光引导至相应分析室。
3.根据权利要求2所述的光子测量系统，其中，所述处理子系统将与未选择的分析室相关联的信号作为基准信号来处理。
4.根据权利要求3所述的光子测量系统，其中，所述系统是原子吸收分光计且所述分析室是火炉原子化器和火焰原子化器。
5.根据权利要求1所述的光子测量系统，还包括：用以耦合来自第一组中的光纤线缆的光以及将光耦合到第一组中的光纤线缆的第一多个耦合器，以及
用以将光耦合到第二组中的光纤线缆的第二多个耦合器。
6.根据权利要求5所述的光子测量系统，其中，所述第一和第二耦合器是离轴椭圆反射镜。
7.根据权利要求2所述的光子测量系统，还包括：
第三光纤线缆，其将来自第一和第二类型的光源的光提供给检测器；以及
处理子系统将与第三光纤线缆相关联的信号作为基准信号来处理。
8.根据权利要求1所述的光子测量系统，其中，所述系统是原子吸收分光计且所有分析室是火炉。
9.根据权利要求5所述的光子测量系统，还包括：
第一类型的多个光源，其产生相应波长的光，以及
用于相对于第一类型的光源中的给定一个定位对应耦合器以将所选波长的光耦合到第一组光纤线缆的装置。
10.根据权利要求5所述的光子测量系统，还包括：
第一类型的多个光源，其产生用于吸收的相应波长的光，以及
用于关于对应耦合器对光源进行定位以将来自所选的第一类型的光源的光耦合到第一组光纤线缆的装置。
11.根据权利要求5所述的光子测量系统，还包括：
第一类型的多个光源，其产生用于吸收的相应波长的光，以及
多个耦合器，其将来自相应多个光源的光耦合到第一组光纤线缆。
12.根据权利要求4所述的光子测量系统，其中，所述第一和第二光源是空心阴极灯和氘灯。
13.根据权利要求4所述的光子测量系统，其中，所述第一和第二光源是无电极放电灯和氘灯。
14.根据权利要求4所述的光子测量系统，还包括将来自第一源类型的光提供给第一所选分析室并将来自第一和第二源类型二者的光提供给不同的所选分析室的切换机构。
15.一种光子测量系统，包括：
源模块，其包括一个或多个光源；
样本模块，其包括至少两个分析室；
检测模块，其包括产生与每个所述分析室相关联的信号的检测器；
第一组光纤线缆，其将来自该一个或多个光源的光引导至每个所述分析室；
第二组光纤线缆，其将来自每个所述分析室的光引导至所述检测器；
处理子系统，其处理由所述检测器产生的信号；以及
系统控制器，其控制所述一个或多个光源和分析室以操作所选分析室来执行样本分析并控制处理子系统将与所选分析室相关联的信号作为测量信号来处理。
16.根据权利要求15所述的光子测量系统，其中，所述光源是不同类型的光源，以及
第一组光纤线缆包括引导来自不同类型的光源中的每一个的光的光纤以及对所述光纤进行成束和映射以将来自两个类型的光源中的每一个的光引导至每个分析室的映射器/选择器。
17.根据权利要求16所述的光子测量系统，其中，所述系统控制器还操作检测模块以将与未被选择的给定分析室相关联的信号作为基准信号来处理。
18.根据权利要求17所述的光子测量系统，其中，所述系统是原子吸收分光计且所述分析室是火炉原子化器和火焰原子化器。
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