應用于ICP光譜儀的中階梯光柵光譜儀色散系統分析

(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射光譜儀利用原子發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、直接測定的優點，在冶金、石油化工、機械制造、金屬加工等工業生產中發揮巨大作用[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，現已成為原子發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劣。本文重點梳理國內外主流的ICP原子發射光譜儀的分光系統，詳細說明各原子發射光譜儀采用的色散系統的形式，并對比了三類色散系統各種的優勢和不足，指出PGP色散系統是未來發展的主要方向。

2 中階梯光柵光譜儀發展現狀

不同于常規的光柵光譜儀，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、全譜瞬態直讀等特點集于一身，是當代光譜儀器的重要發展方向之一。

針對生產和實際測試分析的需求，中階梯光柵原子發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廠商均已研制成能夠制性能優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 色散系統發展現狀

中階梯光柵光譜儀可以分為四部分，分別為準直系統，色散系統，聚焦系統和探測系統。準直系統將連續發散光轉換為連續平行光，連續平行光經色散系統分光后，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，聚焦系統將不同波長的平行光聚焦至探測器的不同位置，實現二維數據信息的采集。

色散系統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。依據光束在交叉色散中的傳輸順序，將色散系統分為三類，分別為棱鏡光柵(PG)色散系統、光柵棱鏡(GP)色散系統、棱鏡光柵棱鏡(PGP)色散系統。

3.1 棱鏡光柵色散系統

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

圖1 PG色散系統

圖1(a)為透射式PG色散系統，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，目前尚未商品化的產品采用此種光路結構。

3.2 光柵棱鏡色散系統

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

圖2 GP色散系統

圖2(a)為透射式GP色散系統，圖2(b)為反射式GP色散系統，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色散系統和反射式GP色散系統。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。

3.3 棱鏡光柵棱鏡分光系統

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

圖3 PGP色散系統

采用PGP色散系統的商品化的產品有熱電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 發展趨勢分析

透射式PG色散系統和透射式GP色散系統，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色散系統和反射式GP色散系統相比透射式色散系統，光路需要多折轉一次，在光路傳輸的過程中，存在能量損失的問題，多一次折轉，對于光能量在系統中的傳輸效率就會降低。兩種PG色散系統的光束經棱鏡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，給譜圖數據庫的計算引入二次誤差。GP色散系統中光束經中階梯光柵衍射后，光束經棱鏡出射后的出射角較大，不利于儀器小型化的發展。PGP色散系統結構緊湊，同等性能指標，光學系統可以設計的更小，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更接近自準直出入射，系統的光能量傳輸能力更強。因此，該色散系統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中有很大優勢。本文通過對比三類色散系統的優缺點，凸顯出PGP色散系統設計方法的優越性，為中階梯光柵光譜儀的設計提供借鑒。