原子发射光谱仪宽谱段高分辨率快速检测技术研究

发布时间：2020-05-28 05:51

【摘要】：原子发射光谱分析技术广泛应用于物理,生物,化学等各个领域,随着技术水平的进步,对原子发射光谱分析仪器灵敏度、测试范围、速度方面的要求进一步提高。但在光栅光谱仪中,高分辨率,宽光谱范围之间存在难以调和的矛盾,目前现有的原子发射光谱仪大多通过设置多块光栅以及多个单点探测器进行不同波长的探测,很难从根本上解决检测速度慢、光谱范围窄等问题,不能满足宽光谱高分辨快速检测的需求。为此开展原子发射光谱仪宽谱段高分辨率快速检测技术研究,可提升原子发射光谱仪的检测谱段范围和光谱分辨率,对化学元素分析和研究有重要意义和应用价值。论文针对原子发射光谱仪宽谱段和高分辨率及快速检测相制约的问题,以提高谱段范围、分辨率和检测速度为目标,开展高分辨率光谱仪光学系统初始结构设计方法、宽谱段扫描、快速检测和远距离传输等关键技术研究,提出宽谱段高分辨快速检测的原子发射光谱仪总体设计方案。着重优化设计光谱仪光学系统。基于原子发射光谱仪相关理论和光学像差理论,研究分析了影响光谱仪光谱分辨率、检测谱段范围和检测速度的因素。从光栅光谱仪基础理论和光学像差理论两个角度分析了影响光谱仪高分辨率的因素,并推导出光谱仪自身器件对光谱仪高分辨率的影响公式,采用像元分辨率匹配的方法,从光电探测器和视场光阑考虑,计算出光谱仪所需入射狭缝大小;采用角位移平台作为转动机构带动光栅旋转实现宽谱段的扫描;比较光电倍增管(PMT)和CCD的性能,选用CCD实现光谱仪的快速检测。在此基础上确定了宽谱段高分辨快速检测的原子发射光谱仪总体设计方案。为解决光谱仪中心波长和边缘波长不能同时达到高分辨率的问题,提出了一种光谱仪色散光学系统初始结构设计方法,利用该方法优化设计出一种原子发射光谱仪光栅色散光学系统,并对其进行了仿真,结果表明在全谱段200 nm-1000 nm范围内全视场子午方向RMS值均小于两个探测器像元尺寸32μm,在不同谱段光谱分辨率优于0.01 nm。基于物像双远心光学原理,设计出一种原子发射光谱仪前置光学系统,将原子发射光谱仪光源信号按放大倍率1:1传输到光谱仪入射狭缝内,实现了原子发射光谱仪光源信号的远距离(1400 mm)传输。
【图文】：

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使光谱仪探测技术朝着快速化、全谱化的方向发展。如美国瓦里 VARIAN VISTA 系列的全谱直读原子发射光谱仪采用 CCD 二维检测器围达到 167-785 nm。球顶级光学产品供应商法国 HORIBA JY 公司所生产的等离子体发射光光谱分辨率还是光谱范围性能上一直在国际上处于领先地位，如型号为t LT 的原子发射光谱仪谱段覆盖范围可以从 160 nm 到 800 nm，在紫外区分辨率小于 5 pm；可见光范围内的光谱分辨率小于 10 pm。且 JY 公司采用测器件，如图 1.1 所示，通过扫描机构带动光栅转动逐步实现波长扫描度高，最高可达 0.1 ppm，但是其一次只能对单一光谱通道进行测量，，复杂样品发射光谱探测时，探测谱段为紫外至近红外，且光谱分辨率要求测速度较慢，探测 1 nm 的波段范围需要进行数千步扫描。而国内中科等研究机构则主要研究将中阶梯光栅与面阵探测器配合，通过对光谱信散，同时在探测器像面上获得不同级次的不同谱段的光谱信号，只用一得从紫外至近红外宽谱段范围内的光谱信号，其结构原理如图 1.2 所示

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最高可达 0.1 ppm，但是其一次只能对单一光谱通道进行测量，复杂样品发射光谱探测时，探测谱段为紫外至近红外，且光谱分辨率要求测速度较慢，探测 1 nm 的波段范围需要进行数千步扫描。而国内中科等研究机构则主要研究将中阶梯光栅与面阵探测器配合，通过对光谱信散，同时在探测器像面上获得不同级次的不同谱段的光谱信号，只用一得从紫外至近红外宽谱段范围内的光谱信号，其结构原理如图 1.2 所示图 1.1 HORIBAJY 公司 PMT 原子发射发射光谱仪结构图
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH744.1

【参考文献】