1 平面光柵光譜儀

與德國(guó)斯派克ICP光譜儀光源配用的平面光柵光譜儀有兩種，水平對(duì)稱(chēng)成像的艾伯特-法斯梯（Ebert-Fastic）光學(xué)系統(tǒng)和切爾尼-特納（Czerny-Turner）系統(tǒng)。

（1）艾伯特-法斯梯平面光柵光譜儀 它是順序掃描型德國(guó)斯派克ICP光譜儀常用的一類(lèi)分光裝置。這種裝置是1889年首先由Ebert（艾伯特）提出，1952年法斯梯加以發(fā)展。裝置的原理圖見(jiàn)圖1。它利用一塊大的凹面反射鏡的不同部位，作為準(zhǔn)直鏡和物鏡。由于入射狹縫和出射狹縫對(duì)稱(chēng)分布于光軸的兩側(cè)，使第一鏡面產(chǎn)生的像差可在很大程度為第二個(gè)鏡面所補(bǔ)償，彗星像差可以消除，但球差不能消除。這種裝置可在較寬的光譜范圍內(nèi)獲得清晰而均勻的譜線(xiàn)。它結(jié)構(gòu)緊湊，改變波長(zhǎng)比較方便。

圖1 艾伯特-法斯梯平面光柵光譜儀

1-入射狹縫；2-出射狹縫；3-光電倍增管；4-凹面反射鏡；5-光柵

（2）切爾尼-特納平面光柵光譜儀 另一種德國(guó)斯派克ICP光譜儀光源常用的分光裝置是切爾尼-特納平面光柵分光裝置。這種裝置是1930年由Czerny-Turner（切爾尼-特納）提出的。它是艾伯特裝置的一種改型。它采用兩個(gè)凹面反射鏡，一個(gè)把入射狹縫來(lái)的光變化平行光反射到光柵，即起準(zhǔn)直鏡的作用。另一塊反射鏡把光柵衍射的光譜聚焦到出射狹縫。由于像差得到補(bǔ)償，可以獲得較好的成像質(zhì)量。這種裝置在ICP順序掃描光譜儀中得到廣泛的應(yīng)用。

圖2中汞燈用于校準(zhǔn)儀器波長(zhǎng)；濾光片用于分開(kāi)不同光譜級(jí)的重疊；三個(gè)光電倍增管光陰極靈敏區(qū)不同，分別用于不同波長(zhǎng)區(qū)測(cè)量。

圖2 切爾尼-特納平面光柵光譜儀

1-ICP光源；2-汞燈；3-濾光片（分級(jí)用）；4-入射狹縫；5-準(zhǔn)光鏡；6-平面光柵；7-聚光鏡；8-平面反射鏡；9-出射狹縫；10-光電倍增管

前面提到，ICP光源要求分光裝置具有高的分辨能力和寬的工作波長(zhǎng)范圍。這兩個(gè)要求對(duì)分光裝置來(lái)說(shuō)難于同時(shí)實(shí)現(xiàn)，但儀器又必須同時(shí)具有這兩項(xiàng)功能。光譜儀設(shè)計(jì)者通常用，兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)這些要求。

第一種方法是采用不同的光譜級(jí)次，例如Atomscan2000型順序掃描光譜儀利用第一、二級(jí)光譜，分別工作于178～380nm（分辨率0.02nm）和380～780nm（分辨率0.04nm）。Light Ace公司的Integra XL ICP光譜儀則可采用4級(jí)光譜。Varian公司的Liberty-220 ICP光譜儀工作波段為160~940nm，分別由4級(jí)光譜來(lái)完成，可具有較高的分辨能力。參看表1的數(shù)據(jù)。

表1 Liberty-220的工作波段及分辨率

解決分辨率和工作波長(zhǎng)范圍的另一途徑是在光路中并聯(lián)設(shè)置兩塊光柵分光器，高刻線(xiàn)密度的光柵用于高分辨率和較窄工作波長(zhǎng)范圍；另一塊刻線(xiàn)密度較少的用于寬波長(zhǎng)范圍。圖3是日立306型順序掃描德國(guó)斯派克ICP光譜儀的光路。它采用兩個(gè)切爾尼-特納分光器并聯(lián)，焦距0.75m。光柵刻線(xiàn)為3600線(xiàn)/mm的分光器具有0.007nm的分辨率和190～540nm工作波長(zhǎng)范圍。第二個(gè)單色器采用1200線(xiàn)/mm光柵，分辨率0.02nm，但可在180～900nm的寬波段內(nèi)工作。

圖3·日立306型順序掃描ICP光譜儀的光路

1-ICP光源；2-聚光鏡；3-半透射鏡；4-反射鏡；5-入射狹縫；6-準(zhǔn)直鏡；7-平面光柵；

8-聚光鏡；9-出射狹縫；10-光電倍增管

為了降低雜散光和提高分辨能力，還可以將兩個(gè)分光器串聯(lián)成復(fù)式分光裝置。圖3-46所示為IL Plasma200型順序掃描ICP光譜儀的光路，采用兩個(gè)小型單色器串聯(lián)，一個(gè)焦距為330mm、另一個(gè)為165mm，第二個(gè)單色器以平方關(guān)系將雜散光降低。如第一個(gè)單色器雜散光為0.1%，則經(jīng)過(guò)第二個(gè)單色器后雜散光降至0.0001%，這有利于提高譜線(xiàn)的信噪比。

2 凹面光柵光譜儀

在ICP光譜儀商品化初期至1980年以前，主要用凹面光柵光譜儀作為ICP光源的檢測(cè)器。凹面光柵ICP光譜儀稱(chēng)多通道ICP光譜儀，如圖4所示。由ICP光源發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡和入射狹縫后射到光柵上，經(jīng)光柵衍射后的單色光按波長(zhǎng)不同分別經(jīng)出射狹縫進(jìn)入光電倍增管檢測(cè)器。光電倍增管和出射狹縫一般有約48個(gè)，個(gè)別儀器可裝多達(dá)70個(gè)出射狹縫。

圖4 多通道ICP光譜儀原理

1-ICP光源；2-聚光鏡；3-入射狹縫；4-凹面光柵；5-光電倍增管

凹面光柵光譜儀的特點(diǎn)是不需借助單獨(dú)的成像系統(tǒng)以形成光譜，不存在色差。也不用聚焦系統(tǒng)，使光的吸收和反射顯著降低。故可以用于真空紫外和近紅外。但其色散比較嚴(yán)重。由于空間的限制，可安裝的出射狹縫數(shù)量有限，限制了可測(cè)分析譜線(xiàn)數(shù)目和元素?cái)?shù)目。此外，采用固定通道和狹縫，靈活性欠佳。近年此類(lèi)儀器已逐漸退出ICP光譜領(lǐng)域。

3 中階梯光柵光譜儀

中階梯光柵光譜儀最初用于直流等離子體光源的檢測(cè)。20世紀(jì)90年代開(kāi)始出現(xiàn)的固體檢測(cè)器（CCD、CID）多配用中階梯光柵光譜儀，因而使它成為ICP-AES領(lǐng)域應(yīng)用漸多的分光器。圖5是典型的中階梯光柵光譜儀原理圖。由ICP發(fā)出的光經(jīng)反射鏡進(jìn)入狹縫后，經(jīng)準(zhǔn)直鏡成平行光后射至中階梯光柵上。分光后再經(jīng)棱鏡分級(jí)和聚焦射到出射狹縫和檢測(cè)器上。由中階梯光柵光譜儀獲得的光譜與平面光柵光譜儀不同，它是由多級(jí)光譜組成的二維光譜。由圖6可以看出，從220～400nm，光譜分布在60～110光譜級(jí)，不同元素的分析線(xiàn)公布在不同光譜級(jí)。

圖5 中階梯光柵ICP光譜儀原理

圖6 二維光譜

4 順序掃描等離子體光譜儀的驅(qū)動(dòng)裝置

ICP光源發(fā)射的譜線(xiàn)寬度一般在5~30pm。要準(zhǔn)確測(cè)量譜線(xiàn)峰值強(qiáng)度必須具有高定位精度的光柵驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其定位精度不應(yīng)低于lpm。可以滿(mǎn)足這一定位精度的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有許多種。如Baird的掃描單色器用步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和諧波齒輪傳動(dòng)。德國(guó)斯派克ICP光譜儀用齒輪組傳動(dòng)變速驅(qū)動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)。ICPS 1000則分兩步掃描，先用步進(jìn)電機(jī)快速轉(zhuǎn)動(dòng)光柵粗定位，然后出射狹縫作橫向位移，以達(dá)到0.0003nm的位移步長(zhǎng)。下面介紹幾種有代表性的ICP單色器掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

（1）螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 如圖7所示。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)連桿驅(qū)動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)。它是順序掃描等離子體光譜儀使用較多的光柵驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。它的特點(diǎn)是波長(zhǎng)的變化與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)成正比。

圖7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)-螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

1-入射狹縫；2-準(zhǔn)直鏡；3-光柵；4-聚光鏡；5-出射狹縫；6-反射鏡；7-光電倍增管；

8-螺桿；9-同步電機(jī)

（2）蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 另一類(lèi)常用的德國(guó)斯派克ICP光譜儀驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。如圖8所示。蝸輪與光柵臺(tái)固定在一起。利用同步電機(jī)帶動(dòng)蝸桿經(jīng)過(guò)蝸輪減速以驅(qū)動(dòng)光柵。這種機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是減速比大，結(jié)構(gòu)緊湊。當(dāng)采用2400線(xiàn)/mm光柵時(shí)，掃描的步距為0.0012nm；3600線(xiàn)/mm光柵的掃描步距為0.00077nm。定位精度可以達(dá)到0.001nm的要求。

圖8 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

1-步進(jìn)電機(jī)；2-蝸桿；3-蝸輪；4-光柵；5-聚光鏡；6-入射狹縫；7-準(zhǔn)直鏡；

8-聚光反射鏡；9-出射狹縫；10-光電倍增管

（3）電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 電磁驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)又稱(chēng)檢流計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其原理如圖9所示。代替步進(jìn)電機(jī)的是三個(gè)大型電流計(jì)6，電流計(jì)置于感應(yīng)線(xiàn)圈8中，當(dāng)運(yùn)算放大器有電信號(hào)輸出時(shí)，電流計(jì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)光柵同步轉(zhuǎn)動(dòng)，其準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動(dòng)位移值由電磁轉(zhuǎn)換器5的反饋信號(hào)與計(jì)算機(jī)設(shè)置的波長(zhǎng)信號(hào)相等時(shí)，轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)。光柵可轉(zhuǎn)動(dòng)16°（±8°），轉(zhuǎn)子（光柵）最小轉(zhuǎn)角為16°/218=0.00006°，其中218是D/A轉(zhuǎn)換16°的18bit。當(dāng)采用1200線(xiàn)/mm光柵時(shí)，一級(jí)光譜掃描的步距是0.0018nm，二級(jí)光譜的步距是0.0009nm。它有極快的掃描速度，每秒可掃過(guò)2000nm，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)裝置的掃描速約為40nm/s。

圖9 電磁光柵驅(qū)動(dòng)裝置

1-計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)輸入；2-D/A轉(zhuǎn)換器；3-伺服放大器；4-位置反饋信號(hào)；5-電磁轉(zhuǎn)換器；

6-轉(zhuǎn)子；7-光柵；8-感應(yīng)線(xiàn)圈