应用于ICP光谱仪的中阶梯光栅光谱仪色散系统分析

(1.钢铁研究总院，北京 100081；2.钢研纳克检测技术股份有限公司，北京 100094)

1 引言

电感耦合等离子体(ICP，inductively coupled plasma)原子发射光谱分析技术是材料领域中最为广泛的光谱分析方法之一。电感耦合等离子体原子发射光谱仪利用原子发射特征谱线所提供的信息进行元素分析，具有多元素同时、快速、直接测定的优点，在冶金、石油化工、机械制造、金属加工等工业生产中发挥巨大作用[1,2]。在冶金分析领域，如钢铁、原材料、钛合金中每次要求测定几十至几百个样品，而且每个样品需要同时分析几十种低含量元素，因此对测试仪器的光谱范围、光谱分辨率、灵敏度、检出限要求十分严格。

ICP原子发射光谱仪以中阶梯光栅光谱仪为分光模块，具有波段范围宽、分辨率高、灵敏度高等特点，现已成为原子发射光谱分析技术研究的重点。

中阶梯光栅光谱仪以高色散的中阶梯光栅为关键分光元件，搭配低色散的棱镜进行交叉色散，在探测器像面上形成二维谱图[3-6]，光束在棱镜及中阶梯光栅中的传输方式有多种，且各种传输方式各有优劣。本文重点梳理国内外主流的ICP原子发射光谱仪的分光系统，详细说明各原子发射光谱仪采用的色散系统的形式，并对比了三类色散系统各种的优势和不足，指出PGP色散系统是未来发展的主要方向。

2 中阶梯光栅光谱仪发展现状

不同于常规的光栅光谱仪，中阶梯光栅光谱仪的光路结构缓解光谱仪焦距与光谱分辨率之间的矛盾关系，使小体积、高分辨率、高灵敏度、全谱瞬态直读等特点集于一身，是当代光谱仪器的重要发展方向之一。

针对生产和实际测试分析的需求，中阶梯光栅原子发射光谱仪对分光模块的工作波段、光谱分辨率及体积均提出了更高的要求。目前，国内外多家科研机构或光谱仪器生产厂商均已研制成能够制性能优越的中阶梯光栅光谱仪。美国热电公司，美国利曼，美国铂金埃尔默仪器公司、美国安捷伦、日本岛津、德国耶拿等都相继研制出以中阶梯光栅光谱仪为分光模块的ICP-OES。国内最具代表性的北京钢研纳克、杭州聚光科技和江苏天瑞也均以推出以中阶梯光栅光谱仪为分光模块的ICP光谱仪。除此之外，国内外也有部分性能指标各异的商品化的中阶梯光栅光谱仪。

3 色散系统发展现状

中阶梯光栅光谱仪可以分为四部分，分别为准直系统，色散系统，聚焦系统和探测系统。准直系统将连续发散光转换为连续平行光，连续平行光经色散系统分光后，色散为不同波长的平行光束，不同波长的平行光束照射到聚焦系统，聚焦系统将不同波长的平行光聚焦至探测器的不同位置，实现二维数据信息的采集。

色散系统作为中阶梯光栅光谱仪最重要的组成部分，对光谱仪的光谱分辨率起着至关重要的作用。依据光束在交叉色散中的传输顺序，将色散系统分为三类，分别为棱镜光栅(PG)色散系统、光栅棱镜(GP)色散系统、棱镜光栅棱镜(PGP)色散系统。

3.1 棱镜光栅色散系统

PG色散系统：准直光束的传输途径为先经过棱镜进行X方向色散，后经过中阶梯光栅进行Y方向交叉色散。根据棱镜在光路中的工作方式，PG色散系统包括两种，分别为透射式PG色散系统和反射式PG色散系统，如图1所示。

图1 PG色散系统

图1(a)为透射式PG色散系统，采用此种光路结构的ICP光谱仪以北京钢研纳克的Plasma2000和热电(2004-IRIS/Intrepid Optical System)为代表仪器；图1(b)为反射式PG色散系统，目前尚未商品化的产品采用此种光路结构。

3.2 光栅棱镜色散系统

GP色散系统：准直光束先经过中阶梯光栅进行X方向色散，后经过棱镜进行Y方向交叉色散。根据棱镜在光路中的工作方式，GP色散系统包括两种，分别为透射式GP色散系统和反射式GP色散系统，如图2所示．

图2 GP色散系统

图2(a)为透射式GP色散系统，图2(b)为反射式GP色散系统，PE公司的PE optima8000是将波长范围分为可见波段和紫外波段，分别采用透射式GP色散系统和反射式GP色散系统。岛津9800、利曼prodigy7以及长春格瑞中阶梯光栅光谱仪采用图2(b)中所述色散系统。

3.3 棱镜光栅棱镜分光系统

PGP色散系统：准直光束为先经过棱镜进行X方向色散，后经过中阶梯光栅进行Y方向交叉色散，再次经过棱镜进行X方向的二次色散(图3)。

图3 PGP色散系统

采用PGP色散系统的商品化的产品有热电ICAP 6000系列、ICAP 7000系列、安捷伦的700系列、钢研纳克Plasma3000、聚光科技ICP-5000以及天瑞ICP-3000。

4 发展趋势分析

透射式PG色散系统和透射式GP色散系统，棱镜和中阶梯光栅之间的空间相对位置比较大，易于调试。反射式PG色散系统和反射式GP色散系统相比透射式色散系统，光路需要多折转一次，在光路传输的过程中，存在能量损失的问题，多一次折转，对于光能量在系统中的传输效率就会降低。两种PG色散系统的光束经棱镜X方向色散后，再次照射到中阶梯光栅上，导致中阶梯光栅的偏置角随波长变化而变化，给谱图数据库的计算引入二次误差。GP色散系统中光束经中阶梯光栅衍射后，光束经棱镜出射后的出射角较大，不利于仪器小型化的发展。PGP色散系统结构紧凑，同等性能指标，光学系统可以设计的更小，偏置角也可以设计的较小，像差容易控制，同时中阶梯光栅的工作状态更接近自准直出入射，系统的光能量传输能力更强。因此，该色散系统是未来中阶梯光栅光谱仪的主流设计方法。

5 结束语

PGP色散系统基于本身在光路设计中的特点，在中阶梯光栅光谱仪的设计和开发中有很大优势。本文通过对比三类色散系统的优缺点，凸显出PGP色散系统设计方法的优越性，为中阶梯光栅光谱仪的设计提供借鉴。