CN219178728U - 电感耦合等离子体发射光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种电感耦合等离子体发射光谱仪，属于光谱仪技术领域，其结构包括支撑框架、福马轮，在支撑框架的外表设置有分体式外壳盖板，支撑框架设置有上层舱、底层舱；支撑框架的底脚部配置有福马轮；上层舱的右部设置为射频源配置腔；左部设置为光室腔；射频源配置腔内配置有射频源；光室腔内配置有光室，射频源的左侧通过光源射入管连通光室；底层舱的右部近身端设置为与外界开放的操作室；底层舱的左部空间内设置有高压箱和检测箱；底层舱的近身端外壳盖板上设置有控制器、氩气进样器和蠕动泵。本实用新型仪器结构美观大方，结构紧凑，便于用户操作使用，提高分析效率。以罗兰圆光路进行分光，PMT作为检测器，可以大幅度提高分析效率。

Description

电感耦合等离子体发射光谱仪

技术领域

本实用新型涉及光谱分析仪技术领域，具体地说是一种电感耦合等离子体发射光谱仪。

背景技术

传统ICP-OES光谱仪器采用带有匹配箱的射频源，如固态光源，一般都会加设有匹配箱，无奈增加了一定的体积和重量，其光源的稳定性也有待提高。体积和重量的增大，使整机不便于搬运和移动。

光谱仪的检测器大多使用CCD检测器，CCD的灵敏度、响应时间及线性范围都比较逊色，为了提高分析灵敏度及分析速度，还需要对检测器进行进一步的选型或优化改进。

此外，传统光谱仪结构及外观设计也存在不合理，操作逻辑也不便于操作者的使用，在此背景下，对仪器的结构及外观进行优化设计。

实用新型内容

本实用新型的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种电感耦合等离子体发射光谱仪。

本实用新型的技术方案是按以下方式实现的，本实用新型的电感耦合等离子体发射光谱仪，其结构包括支撑框架、福马轮，

在支撑框架的外表设置有分体式外壳盖板，支撑框架设置有上层舱、底层舱；支撑框架的底脚部配置有福马轮；

上层舱的右部设置为射频源配置腔；上层舱的左部设置为光室腔；

射频源配置腔内配置有射频源，射频源的外围设置有屏蔽罩，屏蔽罩固定连接在支撑框架上；

光室腔内配置有光室，射频源的左侧通过光源射入管连通光室，光室通过光室固定架固定连接在支撑框架上；

底层舱的右部近身端设置为与外界开放的操作室，底层舱的右部远身端设置为检测室；

底层舱的左部空间内设置有高压箱和检测箱；

底层舱的近身端外壳盖板上设置有控制器、氩气进样器和蠕动泵；

控制器和高压箱通过电线和信号线连接；

氩气进样器通过气体管路与射频源连接；

蠕动泵通过液体管路与射频源连接；

检测箱和光室配置连接。

该光谱仪以系统单元划分，其划分为：射频源、冷却系统、进样系统、分光系统、检测系统及控制单元；

(1)射频源：采用变频等离子体射频源，变频等离子体射频源的外围加设屏蔽罩；

(2)冷却系统：在变频等离子体射频源的一侧配置有风冷和/或液冷循环管路；

(3)进样系统：氩气进样器和蠕动泵构成进样系统；该光谱仪进样以液体为主，兼顾固体或粉末直接进样；在变频等离子体射频源顶部配置有固体或粉末进样管，操作室顶部设置有出样通道；

(4)分光系统：光室构成分光系统，光室采用罗兰圆光路分光系统；

光室设置为由上壳和下壳构成的分光腔，

变频等离子体射频源和光室的入射端之间连通的光源射入管接入光室的入射端，在光室的入射端的入射轴线上设置有透镜抽板，透镜抽板上配置有入射透镜，入射透镜下游的光室的入射端内腔设置有遮光筒，遮光筒出射端的轴线上配置有带有入缝的入缝电机；入缝电机采用伺服微动电机，使入射光线通过入缝投射到光栅上；

遮光筒的外围设置有遮光罩；

光栅设置在入射轴线的延长方向上的光室内腔一端；

光栅的反射方向的光室内壁上设置有零级挡板；

于零级挡板和遮光筒之间的光室内腔设置有罗兰圆底座，在罗兰圆底座上分布开设有出缝带，光室出缝带配置有光电倍增管，光电倍增管连通信号转换器，信号转换器与检测箱的主CPU控制器连接；

光栅的光路反射面接收从入射透镜、入缝透过的光线，并反射向零级挡板和/或罗兰圆底座上的出缝带；

入缝、光栅、罗兰圆底座共同设置与罗兰圆上；

(5)检测系统：光电倍增管和PMT光电倍增管检测器、检测箱构成检测系统；

在罗兰圆光谱上轨道上配置40个PMT光电倍增管，每一个PMT光电倍增管对应一个波长的谱线，能够同时检测40条特征谱线；

(6)控制单元：控制器、高压箱构成控制单元；

控制单元采中央处理单元ARM，控制单元实时响应外部计算机发来的指令，实现各种数据信息的处理；

控制单元还包括通讯单元、参数测控单元、状态检测单元；

通讯单元：采用以太网通信配置，将采集光谱数据、检测参数的数据通过以太网口连接并上传到计算机，进行存储、分析和局域网共享；

参数测控单元：匹配连接检测箱，主要包括温度、流量的数据采集和控制，实现光谱仪正常工作所达到的温度和测试条件；

状态检测单元：主要实现光谱仪整机各工作状态的检测，主要包括氩气状态、射频光源状态的状态检测。

中央处理单元ARM配置连接主CPU控制器；

主CPU控制器控制进样系统，按键模块的控制信号传递给主CPU控制器，分析软件匹配主CPU控制器硬件平台；

氩气模块通过双向信号通讯于主CPU控制器双向传输；

主CPU控制器控制射频源的光学系统和激发系统；

电源处理模块为主CPU控制器和射频源、光室、光电倍增管、高压箱、检测箱、控制器、氩气进样器、蠕动泵各硬件提供供电支持；

主CPU控制器控制温度系统；

光谱仪通讯单元的配置的以太网接口，用于数据的传输。

设计改进出缝带，将全元素特征波长集成在同一条出缝带上。即，采用全元素特征波长化学刻蚀狭缝的一条出缝带。

本实用新型与现有技术相比所产生的有益效果是：

本实用新型的电感耦合等离子体发射光谱仪，可用于冶金材料、土壤、地质、环境及核工业等领域中无机元素的准确定性及定量分析(如钢铁材料中的Si、Cu、Cr、Ni、B等元素含量)。本实用新型适用于实验室无机元素光谱化学分析检测。

本实用新型由于具有灵敏度高、多元素同时快速分析的优点，可以广泛应用于地质、冶金、生化、环境及核工业等领域。作为光源分析的ICP光源，目前使用27.12MHz或40.68MHz两种频率，功率在0.6～1.5kW之间，通过电磁感应产生的无极放电等离子体对样品进行去溶、激发及电离。

本实用新型在结构的优化设计上具有的特点是：

(1)采用高灵敏低噪声的PMT为检测器，一方面可以提高分析灵敏度，另一方面可以拓展信号线性响应范围。

(2)在罗兰圆光谱上轨道上可以放置40个PMT，可同时检测40条特征谱线。

(3)采用变频射频源，避免使用体积大、重量大的匹配箱，有利于减小整个仪器的体积及重量。

(4)对仪器的整体结构进行重新设计，结构紧凑，便于用户操作。

本实用新型的电感耦合等离子体发射光谱仪设计合理、结构简单、安全可靠、使用方便、易于维护，具有很好的推广使用价值。

附图说明

附图1是本实用新型的整机立体结构示意图；

附图2是本实用新型的整机立体结构示意图；

附图3是本实用新型的内部布局结构示意图；

附图4是本实用新型的支撑框架结构示意图；

附图5是本实用新型的光室结构示意图；

附图6是本实用新型的射频源结构示意图；

附图7是本实用新型的底层舱布局结构示意图；

附图8是本实用新型的射频源立体结构示意图；

附图9是本实用新型的射频源透视结构示意图；

附图10是本实用新型的蠕动泵结构示意图；

附图11是本实用新型的控制器结构示意图；

附图12是本实用新型的光室的分光系统示意图；

附图13是本实用新型的控制单元的结构示意图；

附图14是本实用新型的工作示意图。

附图中的标记分别表示：

1、支撑框架，2、分体式外壳盖板，3、上层舱，4、底层舱，5、福马轮，

6、射频源配置腔，7、光室腔，

8、射频源，9、屏蔽罩，

10、光室，11、光源射入管，12、光室固定架，

13、操作室，14、检测室，

15、高压箱，16、检测箱，

17、近身端外壳盖板，18、控制器，19、氩气进样器，20、蠕动泵，

21、冷却系统，22、进样系统，23、分光系统，24、检测系统，25、控制单元，

26、风冷和/或液冷循环管路，

27、固体或粉末进样管，28、出样通道，

29、透镜抽板，30、入射透镜，31、遮光筒，32、入缝，33、入缝电机，34、光栅，35、遮光罩，36、零级挡板，37、罗兰圆底座，38、出缝带，39、光电倍增管，40、信号转换器，

41、罗兰圆，

42、主CPU控制器，43、以太网口。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的电感耦合等离子体发射光谱仪作以下详细说明。

如附图所示，本实用新型的电感耦合等离子体发射光谱仪，其结构包括支撑框架1、福马轮5，

在支撑框架1的外表设置有分体式外壳盖板2，支撑框架1设置有上层舱3、底层舱4；支撑框架1的底脚部配置有福马轮5；

上层舱3的右部设置为射频源配置腔6；上层舱3的左部设置为光室腔7；

射频源配置腔6内配置有射频源8，射频源8的外围设置有屏蔽罩9，屏蔽罩9固定连接在支撑框架1上；

光室腔7内配置有光室10，射频源8的左侧通过光源射入管11连通光室10，光室10通过光室固定架12固定连接在支撑框架1上；

底层舱4的右部近身端设置为与外界开放的操作室13，底层舱4的右部远身端设置为检测室14；

底层舱4的左部空间内设置有高压箱15和检测箱16；

底层舱4的近身端外壳盖板17上设置有控制器18、氩气进样器19和蠕动泵20；

控制器18和高压箱15通过电线和信号线连接；

氩气进样器19通过气体管路与射频源8连接；

蠕动泵20通过液体管路与射频源8连接；

检测箱16和光室10配置连接。

本实用新型的电感耦合等离子体发射光谱仪，由于具有灵敏度高、多元素同时快速分析等优点，可以广泛应用于地质、冶金、生化、环境及核工业等领域。作为光源分析的ICP光源，目前使用27.12MHz或40.68MHz两种频率，功率在0.6～1.5kW之间，通过电磁感应产生的无极放电等离子体对样品进行去溶、激发及电离。此仪器主要由射频源8、冷却系统21、进样系统22、分光系统23、检测系统24及控制单元25等六部分组成。

本实用新型的工作原理：样品处理成溶液后，经蠕动泵进样，通过雾化器雾化成细小颗粒，在载气氩气的携带下进行高温等离子体光源，光源激发温度大约七八千度，在等离子体中样品被气化、激发及电离。依据元素的特征谱线进行定性及定量分析。进样的形式通常以液体为主，也可以固体或粉末直接进样的方式进行分析。分光系统可以采用单道顺序扫描或多道分光色散系统进行分光检测，色散后特征谱线通过PMT或CCD进行光强信号的测量。

传统ICP-OES光谱仪器采用带有匹配箱的射频源，导致仪器体积及重量较大，不便于搬运移动。与PMT检测器相比，CCD的灵敏度、响应时间及线性范围逊色于PMT，为了提高分析灵敏度及分析速度，本仪器光路采用罗兰圆光路进行分光，同时采用PMT作为检测器。此外，传统光谱仪器结构及外观设计不合理，不便于操作者的使用，在此背景下，对仪器的结构及外观进行了优化设计。

本实用新型仪器结构及外观设计特点在于美观大方，结构紧凑，便于用户操作使用，提高分析效率。与传统的固态光源相比较，该仪器使用变频等离子体源，避免使用匹配箱，一方面减小了仪器的体积及重量，另一方面，提高光源的稳定性。以罗兰圆光路进行分光，PMT作为检测器，可以大幅度提高分析效率。

本实用新型的系统单元：

(1)射频源8：采用变频等离子体射频源，变频等离子体射频源的外围加设屏蔽罩；有利于减小仪器的体积及重量；

(2)冷却系统21：在变频等离子体射频源的一侧配置有风冷和/或液冷循环管路26；

(3)进样系统22：氩气进样器和蠕动泵构成进样系统；该光谱仪进样以液体为主，兼顾固体或粉末直接进样；在变频等离子体射频源顶部配置有固体或粉末进样管27，操作室顶部设置有出样通道28；

(4)分光系统23：光室构成分光系统，光室采用罗兰圆光路分光系统；

光室设置为由上壳和下壳构成的分光腔，

变频等离子体射频源和光室的入射端之间连通的光源射入管11接入光室的入射端，在光室的入射端的入射轴线上设置有透镜抽板29，透镜抽板29上配置有入射透镜30，入射透镜30下游的光室的入射端内腔设置有遮光筒31，遮光筒31出射端的轴线上配置有带有入缝32的入缝电机33；入缝电机33采用伺服微动电机，使入射光线通过入缝投射到光栅34上；

遮光筒31的外围设置有遮光罩35；

光栅34设置在入射轴线的延长方向上的光室内腔一端；

光栅34的反射方向的光室内壁上设置有零级挡板36；

于零级挡板36和遮光筒31之间的光室内腔设置有罗兰圆底座37，在罗兰圆底座37上分布开设有出缝带38，光室出缝带配置有光电倍增管39，光电倍增管39连通信号转换器40，信号转换器40与检测箱的主CPU控制器42连接；

光栅的光路反射面接收从入射透镜、入缝透过的光线，并反射向零级挡板和/或罗兰圆底座上的出缝带；

入缝、光栅、罗兰圆底座共同设置与罗兰圆上；

(5)检测系统24：PMT光电倍增管检测器；

在罗兰圆光谱上轨道上可以放置40个PMT，可同时检测40条特征谱线；

根据PMT的应用可以得知：一个PMT管对应一个波长的谱线，所以一个元素至少要配一根管子，谱线是单一波长的接收，不能连续接收，选择分析谱线大大受限；仪器的机械装配复杂；仪器的尺寸庞大，不适合现场分析。

配置布局PMT检测，克服PMT应用上的弊端，实现并优化本光谱仪的紧凑的结构布局，方便实验室检测使用，使仪器便于搬运移动。可以设计改进出缝带，将全元素特征波长集成在同一条出缝带上，根据用户实际需求，选择对应谱线，如此，只需要调节光电倍增管位置即可(谱线选择受限解决，仪器装配复杂解决)。

本实用新型的仪器整机尺寸没有变化，定位为实验室用，而非现场检测分析；仪器外壳有福马轮，方便移动。

(6)控制单元：

控制部分采用ST公司的中央处理单元ARM，可以实时响应计算机发来的指令，实现各种数据信息的处理；且主要控制部分采用分体式插拔设计，对前期的测试和后期的维护检修都变得方便快捷。

高性能ARM和实时操作系统，对整机各状态进行实时检测，保证整机正常工作；能够完整的支持各模块的接口要求，最大限度的减少了对外部扩展芯片的使用。

通讯单元：采用以太网通信方式，将采集光谱数据、检测参数等数据高速上传到计算机，进行存储、分析和局域网共享。

参数测控单元：主要包括温度、流量的数据采集和控制，实现光谱仪正常工作所达到的温度和测试条件。

状态检测单元：主要实现光谱仪整机各工作状态的检测，主要包括氩气状态、光源状态等状态检测。

主CPU控制器控制进样系统，按键模块的控制信号传递给主CPU控制器，分析软件匹配主CPU控制器硬件平台；

氩气模块通过双向信号通讯于主CPU控制器双向传输；

主CPU控制器控制光学系统和激发系统；

电源处理模块为主CPU控制器和其他硬件提供供电支持；

主CPU控制器控制温度系统；

光谱仪配置有以太网口43，光谱仪分析系统控制和采样、数据处理系统。

本实用新型的电感耦合等离子体发射光谱仪，是多元素顺序测量的分析测试仪器。

该仪器由扫描分光器、射频发生器、试样引入系统、光电转换、控制系统、数据处理系统、分析操作软件组成。等离子体是在三重同心石英炬管中产生。

炬管内分别以切向通入氩气，炬管上部绕有紫铜负载线圈(内通冷却水)，当高频发生器产生的高频电流(工作频率40MHz，功率1KW左右)通过线圈时，其周围产生交变磁场，使少量氩气电离产生电子和离子，在磁场作用下加速运动与其它中性原子碰撞，产生更多的电子和离子，在炬管内形成涡流，在电火花作用下形成等离子炬，即等离子体，这种等离子体温度可达10000K以上。

待测水溶液经喷雾器形成气溶胶进入石英炬管中心通道。原子在受到外界能量的作用下电离，但处于激发态的原子十分不稳定，从较高能级跃迁到基态时，将释放出巨大能量，这种能量是以一定波长的电磁波的形式辐射出去。

不同元素产生不同的特征光谱。这些特征光谱通过透镜射到分光器中的光栅上，计算通过控制步进电机转动光栅，传动机构将分光后的待测元素特征谱线光强准确定位于出口狭缝处，光电倍增管将该谱线光强转变为电流，再经电路处理和V/F转换后，由计算机进行数据处理，最后由打印机打出分析结果。

工作原理：样品处理成溶液后，经蠕动泵进样，通过雾化器雾化成细小颗粒，在载气氩气的携带下进行高温等离子体光源，光源激发温度大约七八千度，在等离子体中样品被气化、激发及电离。依据元素的特征谱线进行定性及定量分析。

进样的形式通常以液体为主，也可以固体或粉末直接进样的方式进行分析。分光系统可以采用单道顺序扫描或多道分光色散系统进行分光检测，色散后特征谱线通过PMT或CCD进行光强信号的测量。

传统ICP-0ES光谱仪器采用带有匹配箱的射频源，导致仪器体积及重量较大，不便于搬运移动。与PMT检测器相比，CCD的灵敏度、响应时间及线性范围逊色于PMT，为了提高分析灵敏度及分析速度，本仪器光路采用罗兰圆光路进行分光，同时采用PMT作为检测器。

该仪器结构及外观设计特点在于美观大方，结构紧凑，便于用户操作使用，提高分析效率。

与传统的固态光源相比较，该仪器使用变频等离子体源，避免使用匹配箱，一方面减小了仪器的体积及重量，另一方面，提高光源的稳定性。以罗兰圆光路进行分光，PMT作为检测器，可以大幅度提高分析效率。

(1)针对目前仪器体积及重量较大等缺点，采用变频的等离子体源技术，优化仪器的空间与体积，使仪器便于搬运移动。

(2)仪器结构及外观重新优化设计后，便于分析操作者操作使用。

罗兰圆光栅分光室采用真空室或充气室。充气室在使用过程中需要非常高纯度的氩气，即氩气纯度要大于99.99％。光谱仪最经济的选择方式就是真空室，但现有的真空室结构复杂、体积庞大，使得抽真空时间较长，且分光精度低。

光电倍增管(PMT)是光子计数器件中的一个重要产品，它是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的光探测器件。可广泛应用于各种检测仪器设备中。光电倍增管由阴极收入射光子的能量并将其转换为电子，其转换效率随入射光的波长而变。

本仪器光路采用罗兰圆光路进行分光，同时采用PMT作为检测器。罗兰圆的分光结构，能将入射狭缝，光栅和出射狭缝同时聚焦在罗兰圆上。

Claims (4)

1.电感耦合等离子体发射光谱仪，其特征在于包括支撑框架、福马轮，

在支撑框架的外表设置有分体式外壳盖板，支撑框架设置有上层舱、底层舱；支撑框架的底脚部配置有福马轮；

上层舱的右部设置为射频源配置腔；上层舱的左部设置为光室腔；

射频源配置腔内配置有射频源，射频源的外围设置有屏蔽罩，屏蔽罩固定连接在支撑框架上；

光室腔内配置有光室，射频源的左侧通过光源射入管连通光室，光室通过光室固定架固定连接在支撑框架上；

底层舱的右部近身端设置为与外界开放的操作室，底层舱的右部远身端设置为检测室；

底层舱的左部空间内设置有高压箱和检测箱；

底层舱的近身端外壳盖板上设置有控制器、氩气进样器和蠕动泵；

控制器和高压箱通过电线和信号线连接；

氩气进样器通过气体管路与射频源连接；

蠕动泵通过液体管路与射频源连接；

检测箱和光室配置连接。

2.根据权利要求1所述的电感耦合等离子体发射光谱仪，其特征在于：该光谱仪以系统单元划分，其划分为：射频源、冷却系统、进样系统、分光系统、检测系统及控制单元；

（1）射频源：采用变频等离子体射频源，变频等离子体射频源的外围加设屏蔽罩；

（2）冷却系统：在变频等离子体射频源的一侧配置有风冷和/或液冷循环管路；

（3）进样系统：氩气进样器和蠕动泵构成进样系统；该光谱仪进样以液体为主，兼顾固体或粉末直接进样；在变频等离子体射频源顶部配置有固体或粉末进样管，操作室顶部设置有出样通道；

（4）分光系统：光室构成分光系统，光室采用罗兰圆光路分光系统；

光室设置为由上壳和下壳构成的分光腔，

变频等离子体射频源和光室的入射端之间连通的光源射入管接入光室的入射端，在光室的入射端的入射轴线上设置有透镜抽板，透镜抽板上配置有入射透镜，入射透镜下游的光室的入射端内腔设置有遮光筒，遮光筒出射端的轴线上配置有带有入缝的入缝电机；入缝电机采用伺服微动电机，使入射光线通过入缝投射到光栅上；

遮光筒的外围设置有遮光罩；

光栅设置在入射轴线的延长方向上的光室内腔一端；

光栅的反射方向的光室内壁上设置有零级挡板；

于零级挡板和遮光筒之间的光室内腔设置有罗兰圆底座，在罗兰圆底座上分布开设有出缝带，光室出缝带配置有光电倍增管，光电倍增管连通信号转换器，信号转换器与检测箱的主CPU控制器连接；

光栅的光路反射面接收从入射透镜、入缝透过的光线，并反射向零级挡板和/或罗兰圆底座上的出缝带；

入缝、光栅、罗兰圆底座共同设置与罗兰圆上；

（5）检测系统：光电倍增管和PMT光电倍增管检测器、检测箱构成检测系统；

在罗兰圆光谱上轨道上配置40个PMT光电倍增管，每一个PMT光电倍增管对应一个波长的谱线，能够同时检测40条特征谱线；

（6）控制单元：控制器、高压箱构成控制单元；

控制单元采中央处理单元ARM，控制单元实时响应外部计算机发来的指令，实现数据信息的处理；

控制单元还包括通讯单元、参数测控单元、状态检测单元；

通讯单元：采用以太网通信配置，将采集光谱数据、检测参数的数据通过以太网口连接并上传到计算机，进行存储、分析和局域网共享；

参数测控单元：匹配连接检测箱，主要包括温度、流量的数据采集和控制，实现光谱仪正常工作所达到的温度和测试条件；

状态检测单元：主要实现光谱仪整机各工作状态的检测，主要包括氩气状态、射频光源状态的状态检测。

3.根据权利要求2所述的电感耦合等离子体发射光谱仪，其特征在于：

中央处理单元ARM配置连接主CPU控制器；

主CPU控制器控制进样系统，按键模块的控制信号传递给主CPU控制器，

分析软件匹配主CPU控制器硬件平台；

氩气模块通过双向信号通讯于主CPU控制器双向传输；

主CPU控制器控制射频源的光学系统和激发系统；

电源处理模块为主CPU控制器和射频源、光室、光电倍增管、高压箱、检测箱、控制器、氩气进样器、蠕动泵各硬件提供供电支持；

主CPU控制器控制温度系统；

光谱仪通讯单元的配置的以太网接口，用于数据的传输。

4.根据权利要求2所述的电感耦合等离子体发射光谱仪，其特征在于：

所述出缝带采用全元素特征波长化学刻蚀狭缝的一条出缝带。

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