應用于ICP光譜儀的中階梯光柵光譜儀色散系統(tǒng)分析

(1.鋼鐵研究總院，北京 100081；2.鋼研納克檢測技術股份有限公司，北京 100094)

1 引言

電感耦合等離子體(ICP，inductively coupled plasma)原子發(fā)射光譜分析技術是材料領域中最為廣泛的光譜分析方法之一。電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀利用原子發(fā)射特征譜線所提供的信息進行元素分析，具有多元素同時、快速、直接測定的優(yōu)點，在冶金、石油化工、機械制造、金屬加工等工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮巨大作用[1,2]。在冶金分析領域，如鋼鐵、原材料、鈦合金中每次要求測定幾十至幾百個樣品，而且每個樣品需要同時分析幾十種低含量元素，因此對測試儀器的光譜范圍、光譜分辨率、靈敏度、檢出限要求十分嚴格。

ICP原子發(fā)射光譜儀以中階梯光柵光譜儀為分光模塊，具有波段范圍寬、分辨率高、靈敏度高等特點，現(xiàn)已成為原子發(fā)射光譜分析技術研究的重點。

中階梯光柵光譜儀以高色散的中階梯光柵為關鍵分光元件，搭配低色散的棱鏡進行交叉色散，在探測器像面上形成二維譜圖[3-6]，光束在棱鏡及中階梯光柵中的傳輸方式有多種，且各種傳輸方式各有優(yōu)劣。本文重點梳理國內外主流的ICP原子發(fā)射光譜儀的分光系統(tǒng)，詳細說明各原子發(fā)射光譜儀采用的色散系統(tǒng)的形式，并對比了三類色散系統(tǒng)各種的優(yōu)勢和不足，指出PGP色散系統(tǒng)是未來發(fā)展的主要方向。

2 中階梯光柵光譜儀發(fā)展現(xiàn)狀

不同于常規(guī)的光柵光譜儀，中階梯光柵光譜儀的光路結構緩解光譜儀焦距與光譜分辨率之間的矛盾關系，使小體積、高分辨率、高靈敏度、全譜瞬態(tài)直讀等特點集于一身，是當代光譜儀器的重要發(fā)展方向之一。

針對生產(chǎn)和實際測試分析的需求，中階梯光柵原子發(fā)射光譜儀對分光模塊的工作波段、光譜分辨率及體積均提出了更高的要求。目前，國內外多家科研機構或光譜儀器生產(chǎn)廠商均已研制成能夠制性能優(yōu)越的中階梯光柵光譜儀。美國熱電公司，美國利曼，美國鉑金埃爾默儀器公司、美國安捷倫、日本島津、德國耶拿等都相繼研制出以中階梯光柵光譜儀為分光模塊的ICP-OES。國內最具代表性的北京鋼研納克、杭州聚光科技和江蘇天瑞也均以推出以中階梯光柵光譜儀為分光模塊的ICP光譜儀。除此之外，國內外也有部分性能指標各異的商品化的中階梯光柵光譜儀。

3 色散系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

中階梯光柵光譜儀可以分為四部分，分別為準直系統(tǒng)，色散系統(tǒng)，聚焦系統(tǒng)和探測系統(tǒng)。準直系統(tǒng)將連續(xù)發(fā)散光轉換為連續(xù)平行光，連續(xù)平行光經(jīng)色散系統(tǒng)分光后，色散為不同波長的平行光束，不同波長的平行光束照射到聚焦系統(tǒng)，聚焦系統(tǒng)將不同波長的平行光聚焦至探測器的不同位置，實現(xiàn)二維數(shù)據(jù)信息的采集。

色散系統(tǒng)作為中階梯光柵光譜儀最重要的組成部分，對光譜儀的光譜分辨率起著至關重要的作用。依據(jù)光束在交叉色散中的傳輸順序，將色散系統(tǒng)分為三類，分別為棱鏡光柵(PG)色散系統(tǒng)、光柵棱鏡(GP)色散系統(tǒng)、棱鏡光柵棱鏡(PGP)色散系統(tǒng)。

3.1 棱鏡光柵色散系統(tǒng)

PG色散系統(tǒng)：準直光束的傳輸途徑為先經(jīng)過棱鏡進行X方向色散，后經(jīng)過中階梯光柵進行Y方向交叉色散。根據(jù)棱鏡在光路中的工作方式，PG色散系統(tǒng)包括兩種，分別為透射式PG色散系統(tǒng)和反射式PG色散系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 PG色散系統(tǒng)

圖1(a)為透射式PG色散系統(tǒng)，采用此種光路結構的ICP光譜儀以北京鋼研納克的Plasma2000和熱電(2004-IRIS/Intrepid Optical System)為代表儀器；圖1(b)為反射式PG色散系統(tǒng)，目前尚未商品化的產(chǎn)品采用此種光路結構。

3.2 光柵棱鏡色散系統(tǒng)

GP色散系統(tǒng)：準直光束先經(jīng)過中階梯光柵進行X方向色散，后經(jīng)過棱鏡進行Y方向交叉色散。根據(jù)棱鏡在光路中的工作方式，GP色散系統(tǒng)包括兩種，分別為透射式GP色散系統(tǒng)和反射式GP色散系統(tǒng)，如圖2所示．

圖2 GP色散系統(tǒng)

圖2(a)為透射式GP色散系統(tǒng)，圖2(b)為反射式GP色散系統(tǒng)，PE公司的PE optima8000是將波長范圍分為可見波段和紫外波段，分別采用透射式GP色散系統(tǒng)和反射式GP色散系統(tǒng)。島津9800、利曼prodigy7以及長春格瑞中階梯光柵光譜儀采用圖2(b)中所述色散系統(tǒng)。

3.3 棱鏡光柵棱鏡分光系統(tǒng)

PGP色散系統(tǒng)：準直光束為先經(jīng)過棱鏡進行X方向色散，后經(jīng)過中階梯光柵進行Y方向交叉色散，再次經(jīng)過棱鏡進行X方向的二次色散(圖3)。

圖3 PGP色散系統(tǒng)

采用PGP色散系統(tǒng)的商品化的產(chǎn)品有熱電ICAP 6000系列、ICAP 7000系列、安捷倫的700系列、鋼研納克Plasma3000、聚光科技ICP-5000以及天瑞ICP-3000。

4 發(fā)展趨勢分析

透射式PG色散系統(tǒng)和透射式GP色散系統(tǒng)，棱鏡和中階梯光柵之間的空間相對位置比較大，易于調試。反射式PG色散系統(tǒng)和反射式GP色散系統(tǒng)相比透射式色散系統(tǒng)，光路需要多折轉一次，在光路傳輸?shù)倪^程中，存在能量損失的問題，多一次折轉，對于光能量在系統(tǒng)中的傳輸效率就會降低。兩種PG色散系統(tǒng)的光束經(jīng)棱鏡X方向色散后，再次照射到中階梯光柵上，導致中階梯光柵的偏置角隨波長變化而變化，給譜圖數(shù)據(jù)庫的計算引入二次誤差。GP色散系統(tǒng)中光束經(jīng)中階梯光柵衍射后，光束經(jīng)棱鏡出射后的出射角較大，不利于儀器小型化的發(fā)展。PGP色散系統(tǒng)結構緊湊，同等性能指標，光學系統(tǒng)可以設計的更小，偏置角也可以設計的較小，像差容易控制，同時中階梯光柵的工作狀態(tài)更接近自準直出入射，系統(tǒng)的光能量傳輸能力更強。因此，該色散系統(tǒng)是未來中階梯光柵光譜儀的主流設計方法。

5 結束語

PGP色散系統(tǒng)基于本身在光路設計中的特點，在中階梯光柵光譜儀的設計和開發(fā)中有很大優(yōu)勢。本文通過對比三類色散系統(tǒng)的優(yōu)缺點，凸顯出PGP色散系統(tǒng)設計方法的優(yōu)越性，為中階梯光柵光譜儀的設計提供借鑒。