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ICP-AES讲座:13. 全谱直读光谱仪(1)
传统的发射光谱直读仪器是采用衍射光栅,将不同波长的光色散并成像在各个出射狭缝上,光电倍增管(PMT)则安装于出射狭缝后面。为了使光谱仪能装上尽可能多的检测器,仪器的分光系统必须将谱线尽量分开,也就是说单色器的焦距要足够长,最初的达3.2m。即使采用高刻线光栅,也需0.5m至1.0m长的焦距,才有满意的分辨率和装上足够多的检测器。而且,所有这些光学器件均需精确定位,误差不得超过几个微米;并且要求整个系统有很高的机械稳定性和热稳定性。由于振动和温湿度变化等环境因素导致光学元件的微小形变,将使光路偏离定位,造成测量结果波动。为减少这类影响,通常将光学系统架置在一块长度至少为0.5m以上的刚性合金基座上,整个单色系统必须恒温恒湿。这就是传统光谱仪庞大而笨重,使用条件要求高的原因。而且,由于传统的光谱仪是使用多个独立的PMT和电路测定被分析元素,分析一个元素至少要预先设置一个通道。新型分光系统和固体检测器的出现改变了这一局面。
① 二维光谱的产生。当仅仅使用光栅进行分光时,产生的是一维光谱,在焦平面上形成线状光谱;中阶梯光栅与棱镜组合的色散系统,可产生二维光谱,即棱镜产生的一维线状光谱又被中阶梯光栅分光一次,在焦平面上形成二维的点状光谱。
② 固体检测器。目前已被采用的固体检测器主要有:
CCD(Charge-Coupled Detector),电荷耦合检测器。 二维检测器,每个CCD检测器包含2500个像素,将22个CCD检测器环形排列于罗兰园上,可同时分析120-800nm波长范围的谱线。
CID(Charge-Injection Detector),电荷注入式检测器,二维阵列,28×28mm的芯片共有512×512(262,144)个检测单元,覆盖167-1050nm波长范围;
SCD(Subsection Charge-Coupled Detector)分段式电荷耦合检测器,面阵检测器,面积:13×19mm,有6000个感光点,有5000条谱线可供选择;
CCD、CID等固体检测器,作为光电元件具有暗电流小、灵敏度高、信噪比较高的特点,具有很高的量子效率,接近理想器件的理论极限值。而且是超小型的、大规模集成的元件,可以制成线阵式和面阵式的检测器,能同时记录成千上万条谱线,并大大缩短了分光系统的焦距,使直读光谱仪的多元素同时测定功能大为提高,而仪器体积又可大为缩小,焦距可缩短到0.4m以下,正在成为PMT器件的换代产品。
中阶梯光栅与棱镜组合的色散系统采用CCD、CID一类面阵式检测器,就组成了全谱(可以覆盖全波长范围)直读光谱仪,兼具光电法与摄谱法的优点,从而能更大限度地获取光谱信息,便于进行光谱干扰和谱线强度空间分布同时测量,有利于多谱图校正技术的采用,有效地消除光谱干扰,提高选择性和灵敏度。而且仪器的体积结构更为紧凑。
图12 全谱直读光谱仪光学系统
Figure 12 Optical system of a whole spectra direct-reading spectrometer
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