原子发射光谱法:11 光谱仪-(2)光栅摄谱仪 图8为国产WSP-1型平面光栅摄谱仪光路图。由光源B发射的光经三透镜照明系统L后到狭缝S上,再经反射镜P折向凹面反射镜M下方的准光镜O1上,经O1反射以平行光束照射到光栅G上,经光栅色散后,按波长顺序分开。不同波长的光由凹面反射镜上方的物镜02,聚焦于感光板F上,得到按波长顺序展开的光谱。转动光栅台D,可同时改变光栅的入射角和衍射角,便可获得所需的波长范围和改变光谱级数。
图8 平面光栅摄谱仪光路图
Figure 8 Schematic diagram of plane grating spectrograph
B—光源;L—照明系统;S—狭缝;P—反射镜;M—凹面反射镜;
O1—准光镜;O2—投影物镜;G—光栅;D—光栅台;F—相板
光栅摄谱仪所用光栅多为平面反射光栅,并是闪耀光栅。
光栅的特性可用色散率、分辨能力和闪耀特性来表征。当人射角α不变时,光栅的角色散率可用光栅公式微分求得
式中,dθ/dλ为衍射角对波长的变化率,也就是光栅的角色散率。当θ很小时且变化不大时,可以认为cosθ≈l。因此,光栅的角色散率只决定于光栅常数d和光谱级次n,可以认为是常数,不随波长而变,这样的光谱称为“匀排光谱”。这是光栅优于棱镜的一个方面。
在实际工作中用线色散率dl/dλ表示。对于平面光栅,线色散率为
式中,f为会聚透镜的焦距。
光栅的分辨率R等于光谱级次n与光栅刻痕总数N的乘积,即
例如,对于一块宽度为50mm,刻痕数N为1200条/mm的光栅,在第一级光谱中(即n=1),它的分辨率为
R=nN=l×50 mm × l200/mm =6×l04
可见,光栅的分辨率比棱镜高得多,这是光栅优于棱镜的又一方面,光栅的宽度越大,单位宽度的刻痕数越多,分辨率就越大。
闪耀特性,是将光栅刻痕刻成一定的形状(通常是三角形的槽线),使衍射的能量集中到某个衍射角附近。这种现象称为闪耀,辐射能量最大的波长称为闪耀波长。如图9所示,每一个小反射面与光栅平面的夹角β保持一定,以控制每一小反射面对光的反射方向,使光能集中在所需要的一级光谱上,这种光栅称为闪耀光栅。当α=θ=β时,在衍射角θ的方向上可得到最大的相对光强,β角称为闪耀角。质量优良的光栅可以将约80%的辐射能量集中到所需要的波长范围内。
图9 平面闪耀光栅 图10 中阶梯光栅
Figure 9 Plane flare grating Figure 10 Echelle grating
目前中阶梯光栅(Echelle光栅)已相当多地用于商品仪器,这是一种具有精密刻制的宽平刻痕的特殊衍射光栅(见图10)。艺与普通的闪耀平面光栅相似,区别在于光栅每一阶梯的宽度是其高度的几倍,阶梯之间的距离是欲色散波长的10~200倍,闪耀角大。
中阶梯光栅的线色散率,在入射光与衍射角之间的夹角很小时,可用下式计算
普通光栅是靠增大焦距f提高色散率,而中阶梯光栅是通过增大闪耀角β(60o~70o),利用高光谱级次n(40~120级)来提高线色散率的。
中阶梯光栅的分辨率,在入射光与衍射光之间的夹角很小时,R=λ/Δλ=2Nd sinβ/λ=nN, 中阶梯光栅是通过增大闪耀角β,光栅常数d和光谱级次n来提高分辨率。中阶梯光栅的集光本领,因使用高级次光谱,要求在任一级色散辐射时,光栅角度变化相当小,所有波长都在或接近在最合适的闪耀角测量,而且物镜焦距短,因而获得最大的光能量。由于中阶梯光栅具有很高的色散率、分辨率和集光本领,使用光谱区广,它在降低发射光谱检出限,谱线轮廓、多元素同时测定等方面都是很有用的。
光栅摄谱仪的优点是:(1)适用的波长范围广;(2)具有较大的线色散率和分辨率, 且色散率仅决定于光栅刻线条数而与光栅材料无关;(3)线色散率与分辨率大小基本上与波长无关。其不足之处是光栅会产生罗兰鬼线以及多级衍射线间的重叠而出现谱线干扰。