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图解微观看光路

夕阳

2011/11/11

原子吸收光谱（AAS）

近日我拆卸了一台老式的塞曼扣背景的原子吸收分光光度计，当在分解光学系统的过程中，我突然想到：这是一次多么难得的实体解剖机会啊！我想，可能大部分原吸的使用者均没有这样详细地看到过原吸内部的分光系统吧？于是用相机将整机的光学系统部分实拍下来，展现给大家欣赏！整机的外貌见图-1，2所示：

图-1 整机外貌

上图显示的是一款单石墨炉原子化器型的仪器，型号：170-70，是进入中国的第一台以塞曼方式扣除背景的原子吸收分析仪。单色器的光路系统是典型的分光结构。

图-2 主机外貌

这台仪器的石墨炉原子化器采用的是纵向加热，横向永久磁场塞曼裂变的模式。

图-3 灯室，偏光器和石墨炉排列俯视图

图-4 石墨炉细部图

右侧灯室中阴极灯发出的光线穿越聚焦镜，偏光器和石墨炉，呈现为三位一体的水平状态。聚焦镜的作用是保证处于散光状的阴极灯的光束被聚焦到最佳状态，这样可以使阴极灯的光束完全进入到石墨管腔中，增强信噪比。偏光器（也称光束分裂器或起偏器）采用的是洛匈棱镜；而带动起偏器旋转的是一只频率为50Hz的电机，也就是每秒旋转50圈。石墨炉采用的是横向磁场纵向交流电压加热的方式。加热电流最大400安培。

图-5 偏光器（洛匈棱镜）

当偏光器旋转后，就可以将阴极灯的发出的“各向异性”的光束，变为与磁场垂直（P⊥）和平行（P∥）的两种光束。按照塞曼校正背景的原理，样品和背景的信号吸收P∥光束而得出（A+B）的吸收值，而背景信号仅仅吸收P⊥光束而得出B的吸收值，然后两个吸收值做减法运算（A+B）-B，就可以得到真正干净的样品吸收值A啦！

偏光器外面装有一片旋转切光板，该板分为四等份区域，在其中一个对等区域中开有缝槽，它与光耦组成了一个学名叫做“切光器”的元件，其作用就是产生一个连续的同步脉冲识别信号。

那如何让仪器识别这两个光信号呢？于是就要通过这个切光器来判定了。由于这个切光器的切光板是随着偏光器同步旋转的，因此就可以时时的将上述的两个信号的信息反馈给计算机来进行处理啦。

图-6 光学系统结构俯视图

通过石墨炉的光信号就要进入光学系统啦！首先通过第一反射镜来到第二反射镜（为三角形），然后通过入口狭缝到达第三反射镜，再由第三反射镜反射到光栅进行衍射分光后就得到了一个所需要的待测元素的分析波长的单色光；最后这个取得的单色光再经过第三反射镜的二次反射，并进一步经过出口狭缝的筛选后达到检测器。

图-7 波长调节计数器

这个波长调节计数器为老式的手动调节器，目前仪器市场上已经很少见到了；但是在某些国产的原吸及老式进口仪器上仍然还有迹可循。
当手动旋转波长调节旋钮时，通过一系列的齿轮的变速传动，一方面由传动杆带动光栅的转动，另一方面使波长计数器做同步计数。
限位器的作用就是保证波长调整器工作在合理的范围内，既不能超越波长的最下限（短波长方向）也不能超越波长的最上限（长波长方向）。

图-8 第一反射镜

第一反射镜为平面式反射镜，其表面是通过真空镀铝处理的。由于该种反射镜表面不能涂有防腐材料，因此很娇气；当仪器环境的湿度，酸碱度长期过大时，镜子的表面就会发生老化现象，给人直观的视觉就是像生长了一层白色的膜一样。如果在这样的状态下使用仪器就会因反射率下降而造成检测信号的噪声加大。

图-9 狭缝传动机构

由于该仪器是固定型狭缝，因此狭缝的结构相对就比较简单。狭缝是刻在一块铜板上的，分为0.4 ，1.3， 2.6nm三档。狭缝的选择通过手动连杆带动传动齿轮来实现的。定位销的作用是保证狭缝在转动时，将预选的狭缝正确地固定在光路中。这种狭缝的特点是：出入两个狭缝在同一个传动机构上，这样可以保证更好的同步。目前此类型的狭缝仍然应用在许多的原子吸收分析仪上。

图-10 狭缝细部图

这就是狭缝的细部结构图。需要指出的是，上面的狭缝是入口狭缝，下面的是出口狭缝。

图-11 第三反射镜

第三反射镜的原理与构造与第一反射镜大致相同，所不同的是：它兼顾着两次反射任务。这块反射镜由于是安装在单色器的黑匣子里，因此可以较少的受到不良环境的侵害。

图-12 分光单元

这个单元是整个分光系统的关键部件。当手动调节波长时，传动杆带动图中的左侧传动齿轮的转动，于是丝杠随之转动，那么安装在丝杠上的挡块自然也会左右移动啦！

挡块在移动的过程中会接触到光栅的正弦臂杆的触球，于是一个丝杠的直线运动就会转换为一个光栅的弧的运动；这就完成了线性方程转换为正弦方程的过程。可以说这个发明到目前为止是解决所有分光仪器的创世之举。据说，这是多少人的智慧的结晶的结果。

图-13 正弦传动系统

图-14 光栅单元

关于光栅的分光原理和作用在这里就不多加赘述了，许多资料都有详细地介绍。这里需要特别指出的是：牵引弹簧的作用是保障正弦臂杆的触球紧密地贴紧丝杠上的挡块，以利做同步转换动作，有时这个弹簧的脱落和老化会造成光栅转动不正常。

图-15 机刻光栅

常用的光栅的种类有：机刻光栅，复制光栅和全息光栅三种。当然近期还出现了使用中阶梯光栅的仪器。影响光栅的分辨率的是光栅的“沟条”数量的多少。这个条数的物理意义是“在一个毫米平面宽的距离内刻有的条数”。条数越多，分辨率越强。这台仪器的条数是1800条/mm。一般而言，原吸使用的光栅的条数范围在1200~2400之间。

图-16 光栅平台

要想得到理想的光信号，必须要使光栅与出入口狭缝保持一个相对的水平位置；为此光栅的水平调整就凸显得非常重要了。

在光栅底座下面有一个光栅平台，这个平台就肩负着保障光栅水平状态的作用。由于平台中央有个钢珠做支点的作用，当光栅坐落在平台上时，就可以做前后左右的水平运动。然后通过四个水平调节螺丝的微调作用，就将光栅稳稳地固定在一个最佳的水平位置上了。

后记：

以上仅仅是170-70一款仪器的光路系统的介绍，并不能代表所有仪器的现状。之所以写下来，也就是起到一个抛砖引玉的作用，但是毕竟所有原吸仪器都有共性点吧。

版面中搞分析的版友可能占绝大多数，我想这些版友平时看多了分析方面的文章，今天换换口味也未尝不是一件好事！就好比吃惯了细粮，换一换粗粮还是有利于营养平衡的。

精
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wangjunyu

第1楼2011/11/11

应助工程师

写的太好了，相信平时大家很少有机会这么清楚的见到这些部件，这篇帖子可以当手动调节原吸的经典教材了。

0

wangjunyu

第2楼2011/11/11

应助工程师

安老师从您图4上看到，那个聚光镜。不知道聚光效果怎么样。我碰到过国产的原吸聚光镜看起来和它是一样的，可是聚光效果不好，光斑很大。

0

夕阳

第3楼2011/11/11

应助达人

谢谢楼上的鼓励！

0

夕阳

第4楼2011/11/11

应助达人

你说的是灯室的石英透镜吗？如是，你看到的是阴极灯内氖气的光斑，而不是元素的谱线啊！
元素的谱线聚焦以否只能通过透过率来判别的。

0

wangjunyu

第5楼2011/11/11

应助工程师

看起来那个仪器还是很小巧的，估计很皮实。

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guanshui

第6楼2011/11/11

谢谢专家的分享。我使用原吸那么久，连原吸的外壳都不敢拆那就更别说看过内部光路了。看了您的帖子可谓受益匪浅啊

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wangjunyu

第7楼2011/11/11

应助工程师

仔细看了图6似乎这个原吸的光学系统不是CT结构的。

0

ldgfive

第8楼2011/11/11

应助工程师

安老师好厉害

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tangtang

第9楼2011/11/11

很难得的机会，大开眼界。

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夕阳

第10楼2011/11/11

应助达人

回7楼的问话：什么叫做CT结构？能否给大家讲讲？

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