电弧激发与中阶梯光栅分光相结合的全谱直读原子发射光谱仪制造技术

本发明专利技术涉及一种电弧激发与中阶梯光栅分光相结合的全谱直读原子发射光谱仪，包括电弧发生器、激发电极、准直透镜、光谱收集器、光纤、入射针孔、准直球面镜、中阶梯光栅、色散棱镜、聚焦球面镜、柱透镜和探测器，其中，受电弧激发形成等离子体的样品位于准直透镜焦点处，发射光谱经准直透镜后转换为平行光束，由光谱收集器耦合进入光纤，光纤另一端转接入射针孔，入射针孔的发射光作为点光源，发射光经准直球面镜反射后再次成为平行光束，此平行光束经中阶梯光栅进行衍射分光；中阶梯光栅衍射分光后再采用色散棱镜进行二次色散；二次色散后的光束经聚焦球面镜实现光束汇聚，之后利用柱透镜校正像差，最后成像于探测器表面。最后成像于探测器表面。最后成像于探测器表面。

【技术实现步骤摘要】
电弧激发与中阶梯光栅分光相结合的全谱直读原子发射光谱仪


[0001]本专利技术属于原子发射光谱分析测试仪器领域，特别是一种电弧激发与中阶梯光栅分光相结合的全谱直读原子发射光谱仪。

技术介绍

[0002]原子发射光谱技术是利用原子或离子外层电子跃迁辐射得到的发射光谱来研究物质组成和含量的一项重要技术，随着电子技术、激光技术和计算机技术的引入，原子发射光谱技术呈现出多样化的趋势，其中，采用电弧作为激发源的电弧原子发射光谱技术作为一种相对传统但性能更加稳定、可靠的分析技术，因其环境适应性强、对样品要求低、性能可靠、操作简单等特点，成为目前航天、军事、化工等领域元素分析检测广泛采用的主流技术。
[0003]但是，为实现多元素同时检测，目前市面上基于电弧激发的直读型原子发射光谱仪大多采用传统的基于凹面光栅色散的光学结构，其缺点在于：一方面，为实现宽波段和高分辨，其系统焦距往往较大，而罗兰圆内部几乎没有任何结构或装置，造成了极大的空间浪费，空间利用率低下，仪器体积庞大且笨重，难以满足现场测试需求；另一方面，其采用多个线阵CCD传感器接收光谱，CCD器件本身的制造工艺和特性决定了其通道一致性难以得到保证，且多个线阵CCD拼接布局十分困难。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种小型化、宽波段、高分辨的全谱直读原子发射光谱仪，技术方案如下：
[0005]一种电弧激发与中阶梯光栅分光相结合的全谱直读原子发射光谱仪，包括电弧发生器、激发电极、准直透镜、光谱收集器、光纤、入射针孔、准直球面镜、中阶梯光栅、色散棱镜、聚焦球面镜、柱透镜和探测器，其中，电弧发生器，用于在两个激发电极之间产生高温电弧，受电弧激发形成等离子体的样品位于准直透镜焦点处，发射光谱经准直透镜后转换为平行光束，由光谱收集器耦合进入光纤，光纤另一端转接入射针孔，入射针孔的发射光作为点光源，发射光经准直球面镜反射后再次成为平行光束，此平行光束经中阶梯光栅进行衍射分光；中阶梯光栅衍射分光后再采用色散棱镜进行二次色散，且二次色散方向与中阶梯光栅色散方向垂直，形成交叉色散结构；二次色散后的光束经聚焦球面镜实现光束汇聚，之后利用柱透镜校正像差，最后成像于探测器表面。
[0006]其中，色散棱镜的工作面为透射面和反射面，两面的夹角——棱镜顶角为A
p
，入射光相对透射面以角度i
p
入射，在透射面发生第一次折射，在反射面发生镜面反射，再经透射面发生第二次折射，以折射角β出射；色散棱镜的反射面与中阶梯光栅色散方向垂直。
[0007]根据不同被测样品，选择交流电弧或直流电弧作为电弧发生器1，入射针孔6也可替换为入射狭缝，探测器12可选用CCD或CMOS图像传感器。
附图说明
[0008]图1示出本专利技术中电弧激发与中阶梯光栅分光相结合的全谱直读原子发射光谱仪。1为交流或直流电弧发生器、2为激发电极、3为准直透镜、4为光谱收集器、5为光纤、6为入射针孔、7为准直球面镜、8为中阶梯光栅、9为色散棱镜、10为聚焦球面镜、11为柱透镜、12为探测器。
[0009]图2为本专利技术的全谱直读原子发射光谱仪的两次色散光路原理图。该光路中的距离参数包括：
①
入射针孔与准直球面镜中心距离d1；
②
准直球面镜中心与中阶梯光栅中心距离d2；
③
中阶梯光栅中心与色散棱镜中心距离d3；
④
色散棱镜中心与聚焦球面镜中心距离d4；
⑤
聚焦球面镜中心与平面镜中心距离d5；
⑥
平面镜中心与传感器像面中心距离d6。该光路中的角度参数包括：
①
准直球面镜偏转角ω1；
②
中阶梯光栅偏转角γ；
③
色散棱镜入射角i
p
；
④
色散棱镜出射角β；
⑤
聚焦球面镜偏转角ω2；
⑥
平面镜偏转角ω3。
[0010]图3为中阶梯光栅分光原理图。
[0011]图4为色散棱镜模型。13为透射面，14为反射面。
具体实施方式
[0012]下面将结合附图和实施例对本专利技术作进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例方式仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术的保护范围。
[0013]为克服现有技术的不足，本专利技术提供一种电弧激发与中阶梯光栅分光相结合的全谱直读原子发射光谱仪。
[0014]本专利技术的电弧激发与中阶梯光栅分光相结合的全谱直读原子发射光谱仪，主要包括交流或直流电弧发生器1、激发电极2、准直透镜3、光谱收集器4、光纤5、入射针孔6、准直球面镜7、中阶梯光栅8、色散棱镜9、聚焦球面镜10、柱透镜11、探测器12。
[0015]首先，在交流或直流电弧发生器1驱动下，在两个激发电极2中间产生高温电弧，电弧激发样品形成等离子体，等离子体位于准直透镜3焦点处，其发射光谱经准直透镜3后转换为平行光束，由光谱收集器4耦合进入光纤5，光纤5另一端转接入射针孔6，入射针孔6作为光谱仪的点光源，其发射光经准直球面镜7反射后再次成为平行光束，光束经中阶梯光栅8进行衍射分光。由于中阶梯光栅8衍射存在级次重叠，采用另一个辅助色散元件
‑
色散棱镜9进行二次色散，且二次色散方向与中阶梯光栅8色散方向垂直，形成交叉色散结构，该过程如图2所示。然后光束经聚焦球面镜10实现光束汇聚，然后利用柱透镜11校正像差，最后成像于探测器12表面。
[0016]与常规光栅不同，由于中阶梯光栅8工作在斜入射的情况下，其色散情况不仅仅发生在主截面以内(入射光线与主截面呈一定的夹角)，如图4所示，满足光栅衍射方程
[0017]mλ＝d(sini+sinθ)cosγ
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(1)
[0018]式中，m为光谱级次，λ为波长，d为中阶梯光栅常数，i和θ分别为入射角和衍射角，γ为入射光线与主截面的夹角(偏转角)。推导得到中阶梯光栅衍射角计算公式
[0019][0020]在色散棱镜9中，具体结构如图3所示。其工作面为透射面和反射面，两面的夹角——棱镜顶角为A
p
，入射光相对透射面以角度i
p
入射，在透射面发生第一次折射，在反射
面发生镜面反射，再经透射面发生第二次折射，以折射角β出射。根据折射定律和几何关系，可推导出射角度β与波长λ的关系为
[0021][0022]式中，n(λ)为透镜折射率。
[0023]需要注意的是，本专利技术可根据不同被测样品，选择交流电弧或直流电弧作为电弧发生器1，入射针孔6也可替换为入射狭缝，探测器12可选用CCD或CMOS图像传感器。
[0024]相比传统的直读型光谱仪，本专利技术公开的电弧激发与中阶梯光栅分光相结合的全谱直读原子发射光谱仪融合了电弧激发和中阶梯光栅分光的优点，其优势在于：由于采用电弧激发方式，光源的环境适应性强、对样品要求低、性能可靠、操作简本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电弧激发与中阶梯光栅分光相结合的全谱直读原子发射光谱仪，包括电弧发生器、激发电极、准直透镜、光谱收集器、光纤、入射针孔、准直球面镜、中阶梯光栅、色散棱镜、聚焦球面镜、柱透镜和探测器，其中，电弧发生器，用于在两个激发电极之间产生高温电弧，受电弧激发形成等离子体的样品位于准直透镜焦点处，发射光谱经准直透镜后转换为平行光束，由光谱收集器耦合进入光纤，光纤另一端转接入射针孔，入射针孔的发射光作为点光源，发射光经准直球面镜反射后再次成为平行光束，此平行光束经中阶梯光栅进行衍射分光；中阶梯光栅衍射分光后再采用色散棱...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅骁，陈斌，闫钰，黄锦幡，曹卓然，段发阶，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：