СПЕКТРОМЕТР И СПОСОБ СПЕКТРОСКОПИИ

Область техники, к которой относится настоящее изобретение

Изобретение относится к спектрометру, в частности, кроме прочего, к спектрометру для оптической эмиссионной спектроскопии.

Предшествующий уровень техники

Оптическая эмиссионная спектроскопия (OES) представляет собой методику элементного анализа проб, также известную как атомная эмиссионная спектроскопия (AES). В OES используется интенсивность света на определенной длине волны, излученной пробой, на которую воздействует, например, пламя, плазма, дуга или искра, для определения количества элементов в пробе. Свет излучается возбужденными атомами и ионами элементов пробы во время переходов из возбужденного состояния в состояние с меньшей энергией. Каждый элемент излучает свет с характеристиками линейчатых спектров электронной структуры, которые также называются спектральными линиями. За счет разделения и определения спектральных линий OES может обеспечивать качественное и количественное определение элементного состава пробы. Спектрометр согласно настоящему изобретению, в частности, подходит для так называемой искровой OES, которую используют, например, при анализе твердых металлических проб. При искровой OES, например, для быстрого превращения в пар твердой пробы и возбуждения элементов в превращенной в пар пробе, используют электрический разряд, например конденсированную дугу или искру. Спектрометр для искровой OES содержит искровой штатив или камеру для абляции материала проб и возбуждения элементов в пробе для излучения света, оптическую систему для разложения излученного света в линейчатые спектры вследствие дисперсии и систему определения для определения интенсивности рассеянного света. Более того, спектрометр, как правило, содержит систему обработки и хранения данных для обработки и хранения сигналов от системы определения, например, представляющих интенсивность света. Для составления достаточных данных для определения состава обычно используют последовательность воспламеняющих искр, и результирующие данные, созданные воспламеняющими искрами, накапливаются для обработки.

Известным типом оптической системы спектрометра для OES является спектрометр с плоским полем, в котором рассеянный свет отображается по существу линейно на одном или нескольких приемниках во всем рассматриваемом спектральном диапазоне. Таким образом, обеспечивается применение плоского приемника, как правило, прибора с зарядовой связью (ПЗС). Спектрометр с плоским полем особенно подходит для применения с линейным ПЗС-приемником. Могут быть выполнены двойные или тройные спектрометры с плоским полем, в которых могут использоваться две или три отдельные решетки, на каждую из которых от пробы падает свет и проходит через соответствующую входную щель в них. Каждая отдельная решетка создает отдельный спектр в отличном спектральном диапазоне на соответствующем ей приемнике. Поэтому такие двойные или тройные спектрометры с плоским полем более объемные, чем одинарные спектрометры с плоским полем, поскольку для них, соответственно, необходимо две или три входных щели, две или три решетки или два или три приемника. В таких системах для каждой входной щели необходим собственный угол обзора плазмы пробы, который необходимо регулировать.

Компактный двойной спектрометр с плоским полем раскрыт в документе WO 2011/098726. В этом документе вместо применения одной входной щели для одной решетки и отдельного приемника описан спектрометр с плоским полем, который содержит только одну входную щель, но две дифракционные решетки и один приемник с множеством линеек фотоприемников. Один приемник, таким образом, представляет собой матричный приемник. Каждая решетка дифрагирует часть света, падающего через входную щель, при этом каждая решетка образует спектр на отдельной линейке матричного приемника. Таким образом, получают двойной спектрометр с плоским полем, который является очень компактным и имеет низкую стоимость, при этом он охватывает относительно широкий спектральный диапазон. Настоящее изобретение, в частности, кроме прочего, применимо к компактному двойному спектрометру с плоским полем, раскрытому в документе WO 2011/098726. К тому же, как в спектрометре с плоским полем, раскрытом в документе WO 2011/098726, так и в настоящем изобретении можно применять более двух решеток. Например, компактный спектрометр с плоским полем, раскрытый в документе WO 2011/098726, содержит четыре дифракционных решетки, на каждую из которых свет падает через одну входную щель.

Проблемой для OES, которую не удается устранить с помощью спектрометра, раскрытого в документе WO 2011/098726, является спектральная помеха. В этом случае спектральная линия, рассматриваемая аналитически, интерферирует с другой спектральной линией с похожей или такой же длиной волны, что и у линии, рассматриваемой аналитически. Таким образом, частичное или полное наложение спектральных линий означает, что извлечь информацию из линии, рассматриваемой аналитически, будет сложно.

Другой проблемой оптической системы для искровой OES является передача к решеткам и приемнику максимального количества света, который аналитически нужен, и/или для уменьшения высокого фона энергии возбуждения, которая излучается возле поверхности пробы. Другой проблемой является постоянное освещение решетки для получения постоянной разрешающей способности.

С учетом этого было реализовано настоящее изобретение.

Краткое описание сущности изобретения

Согласно настоящему изобретению предоставлен спектрометр, содержащий: одну входную щель; тороидальное зеркало для направления анализируемого света через одну входную щель; несколько дифракционных решеток для дифрагирования света, направленного через входную щель зеркалом, при этом несколько дифракционных решеток одновременно освещены светом; и по меньшей мере один матричный приемник для определения дифрагированного света от нескольких дифракционных решеток.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставлен способ спектроскопии, включающий: направление анализируемого света через входную щель с помощью тороидального зеркала; одновременное освещение нескольких дифракционных решеток светом, направленным через входную щель, при этом каждая дифракционная решетка дифрагирует часть света; и определение дифрагированного света.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставлен искровой оптико-эмиссионный спектрометр, содержащий: искровой источник для образования индуцируемой искровым разрядом эмиссии анализируемого света от пробы; одну входную щель; тороидальное зеркало для направления света через одну входную щель; несколько дифракционных решеток для дифрагирования света, направленного через входную щель зеркалом, при этом несколько дифракционных решеток одновременно освещены; и по меньшей мере один матричный приемник для определения дифрагированного света от нескольких дифракционных решеток, при этом зеркало предназначено для направления света через входную щель, так что свет из разных областей в искровом источнике пространственно разделен на отображении света на решетках, при этом первая дифракционная решетка предпочтительно освещена светом из первой области искрового источника и одновременно вторая дифракционная решетка предпочтительно освещена светом из второй области искрового источника.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставлен способ искровой оптической эмиссионной спектрометрии, включающий: направление индуцируемой искровым разрядом эмиссии анализируемого света от искрового источника через входную щель с помощью тороидального зеркала; одновременное освещение нескольких дифракционных решеток светом, направленным через входную щель, при этом каждая дифракционная решетка дифрагирует часть света; и определение дифрагированного света от нескольких дифракционных решеток с помощью по меньшей мере одного матричного приемника; при этом зеркало направляет свет через входную щель, так что свет из разных областей в искровом источнике пространственно разделен на отображении света на решетках, при этом первая дифракционная решетка предпочтительно освещена светом из первой области искрового источника и одновременно вторая дифракционная решетка предпочтительно освещена светом из второй области искрового источника.

Подробное описание настоящего изобретения

Настоящее изобретение предпочтительно представляет собой оптический спектрометр с плоским полем. Следовательно, оптическая система спектрометра содержит установку плоского поля входной щели, решетку и по меньшей мере один приемник. Более предпочтительно, спектрометр является оптическим эмиссионным спектрометром, а способ является оптической эмиссионной спектроскопией. Настоящее изобретение характеризуется, в частности, предпочтительным применением - искрового оптико-эмиссионного спектрометра.

Преимущественно, применение тороидального зеркала обеспечивает эффективное освещение обеих решеток, в частности, одновременно. Разные области в источнике света могут быть пространственно разделены на отображении, формируемом на решетках, что, как было обнаружено, полезно при аналитических исследованиях. В конструкции из уровня техники для преимущественного собирания света из данной области плазмы разные телесные углы обзора были связаны с отдельными оптическим системами. В настоящем изобретении, например, за счет применения одного телесного угла обзора источника первая дифракционная решетка может быть преимущественно освещена светом из первой области источника света по сравнению со второй решеткой, а вторая решетка может быть преимущественно освещена светом из второй области источника света по сравнению с первой решеткой. При применении искрового оптико-эмиссионного спектрометра такой вариант обеспечивает на решетках значительное пространственное разделение света из разных областей или точек искрового источника света. Например, первая дифракционная решетка может быть преимущественно освещена светом из первой области искрового источника света по сравнению со второй решеткой, и вторая решетка может быть преимущественно освещена светом из второй области искрового источника света по сравнению с первой решеткой. Таким образом, обеспечивается дополнительное преимущество, которое позволяет устранить определенные спектральные помехи, т.е. уменьшить их, поскольку смешивание спектральной информации, собранной каждой решеткой, не такое сильное. Например, две спектральные линии от двух различных элементов могут иметь похожую или одинаковую длину волны, тем самым вызывая обычную спектральную помеху. Однако если события возбуждения, приводящие к эмиссии этих спектральных линий, происходят в разных областях искрового источника света (например, за счет распределения температуры в плазме искрового разряда), в этом случае настоящее изобретение позволяет уменьшить величину спектральной помехи. Следовательно, оптическая схема согласно настоящему изобретению с тороидальным зеркалом действует как своего рода геометрический фильтр света от искрового источника.

В настоящем изобретении только одно тороидальное зеркало применяется для эффективного освещения двух или более решеток вместо требуемых двух или более зеркал, или линз, или оптических волокон. Предпочтительно тороидальное зеркало расположено перед входной щелью для собирания анализируемого света непосредственно от искрового источника без какой-либо промежуточной оптической системы. Другими словами, тороидальное зеркало предпочтительно расположено перед входной щелью, при этом между источником и тороидальным зеркалом нет зеркал или линз и также предпочтительно между тороидальным зеркалом и входной щелью нет зеркал или линз. Согласно предпочтительным вариантам осуществления тороидальное зеркало является одним (т.е. единственным) зеркалом в спектрометре. Более того, предпочтительно в спектрометре не используются линзы, т.е. линзы предпочтительно не используются на оптическом пути света между источником и приемником. Одно тороидальное зеркало обеспечивает отображение искрового источника на нескольких решетках и разрешение некоторых спектральных помех.

Предпочтительно предоставлена только одна входная щель. Настоящее изобретение благоприятно обеспечивает ахроматическое освещение нескольких дифракционных решеток через одну входную щель. До настоящего времени в OES спектрометрах для фокусировки света, излучаемого пробой, через одну или несколько входных щелей на одну или несколько решеток, как правило, применяли линзы или сферические зеркала. В настоящем изобретении, напротив, используется одно тороидальное зеркало для отражения анализируемого света на одну входную щель. Было обнаружено, что асферическое тороидальное зеркало более эффективно для одновременного освещения двух или более дифракционных решеток через одну щель, т.е. с меньшей потерей света. Общая эллиптическая форма светового отображения, создаваемого тороидальным зеркалом, больше соответствует, например, геометрической конфигурации двух установленных дифракционных решеток, в частности двух вертикально установленных решеток. Вертикальное положение решеток позволяет выполнять наблюдение характерных зон плазмы искрового разряда (в искровом источнике), относящихся к тепловому распределению в плазме искрового разряда.

Дифракционные решетки предназначены для получения и дифрагирования света, направленного через входную щель зеркалом. Дифракционные решетки предпочтительно предназначены для установки плоского поля, т.е. для создания отображения плоского поля по меньшей мере на одном матричном приемнике. Несколько дифракционных решеток представляют собой предпочтительно две, три или четыре решетки, более предпочтительно две решетки. Таким образом, согласно наиболее предпочтительному варианту осуществления с двумя решетками спектрометр содержит двойной спектрограф, в частности двойной спектрограф с плоским полем.

Решетки являются предпочтительно голографическими решетками. Решетки являются предпочтительно решетками с коррекцией аберраций в плоском поле для формирования отображений. Решетки предпочтительно обеспечивают высокую эффективность дифракции первого порядка.

Решетки предпочтительно установлены раздельно, т.е. независимо. Решетки предпочтительно установлены смежно друг с другом и более предпочтительно установлены близко друг к другу. Решетки предпочтительно установлены по существу на одинаковом расстоянии относительно друг друга от входной щели. Решетки аналогично предпочтительно установлены по существу на одинаковом расстоянии относительно друг друга по меньшей мере от одного приемника. Каждая дифракционная решетка дифрагирует разную часть света, падающую через входную щель.

В вариантах осуществления с двумя дифракционными решетками решетки предпочтительно установлены вертикально относительно друг друга. В целом центры источника света, тороидального зеркала и входной щели находятся в плоскости, называемой горизонтальной плоскостью. В таком контексте термин «вертикальный» означает перпендикулярный к этой горизонтальной плоскости. «Вертикальный» также предпочтительно означает направление удлинения входной щели. «Вертикальный» в данном контексте также предпочтительно означает направление оси тороидального зеркала с меньшим радиусом кривизны (тороидальное зеркало s имеет две ортогональные оси с меньшим и большим радиусами кривизны соответственно). Согласно вариантам осуществления, при которых спектрометр предназначен для искровой OES, «вертикально установленный» также предпочтительно означает установленный по существу в направлении линии между электродом и пробой в искровой камере искрового оптико-эмиссионного спектрометра.

Предпочтительно каждая решетка образует спектр по меньшей мере на одном приемнике в отличном спектральном диапазоне относительно одной или нескольких других решеток. Таким образом, для создания спектра, охватывающего широкий спектральный диапазон, можно объединять несколько спектров в различных спектральных диапазонах. Следовательно, настоящее изобретение обеспечивает непрерывное охватывание заданного спектрального диапазона в нескольких частях заданного разрешения. Такие системы решеток описаны в документе WO 2011/098726.

Спектрометр предпочтительно охватывает по меньшей мере диапазон от 147 до 418 нм, т.е. несколько решеток вместе обеспечивают непрерывное охватывание этого спектрального диапазона. Например, одна решетка может обеспечивать дифрагированный свет для определения по спектральному диапазону 147-238 нм, а другая решетка может обеспечивать дифрагированный свет для определения по спектральному диапазону 230-418 нм. Таким образом, каждая решетка предназначена для покрытия характерной длины волны. Соответственно, по меньшей мере один матричный приемник предназначен для непрерывного определения света по более широкому спектральному диапазону. Эти особенные диапазоны, в частности, применимы в случае, когда спектрометр является искровым оптико-эмиссионным спектрометром.

По меньшей мере один приемник для определения дифрагированного света является предпочтительно матрицей фотоприемников. Предпочтительно каждая решетка образует спектр на отдельной подматрице фотоприемников в матрице. Более предпочтительно матрица фотоприемников содержит несколько отдельных линеек фотоприемников (т.е. таким образом, каждая линейка образует подматрицу фотоприемников). Более предпочтительно согласно таким вариантам осуществления, когда каждая дифракционная решетка дифрагирует часть света, падающего через входную щель, каждая решетка образует спектр на отдельной линейке фотоприемников. Предпочтительно для избегания падения спектра от одной решетки на матрицу или линейку фотоприемников, предназначенных для определения спектра от другой решетки, между таким подматрицами или линейками фотоприемников обеспечен зазор. Зазор может содержать пространство или одну или несколько промежуточных линеек фотоприемников, не используемых для определения. Предпочтительно согласно предпочтительному варианту осуществления с двумя вертикально установленными дифракционными решетками верхняя дифракционная решетка образует спектр на верхней линейке фотоприемников, а нижняя дифракционная решетка образует спектр на нижней линейке фотоприемников. Такие системы определения описаны в документе WO 2011/098726.

Подходящая матрица фотоприемников может содержать, например, один ПЗС или другой тип многомерного пиксельного приемника. Предпочтительно матрица фотоприемников содержит один ПЗС из нескольких линеек для определения дифрагированных спектров от решеток на разных линейках пиксельных приемников (пикселей) ПЗС. Пример такого приемника может содержать, например, один ПЗС с тремя линейками для определения дифрагированных спектров от двух решеток на верхней и нижней линейках пикселей, при этом средняя линейка пикселей обеспечивает соответствующий зазор для избегания падения спектра от одной решетки на линейку пикселей, предназначенную для определения спектра от другой решетки.

Должно быть понятно, что для определения характерных спектральных линий в дополнение к матричному приемнику, который определяет спектр, могут быть предоставлены один, два или более так называемых фиксированных каналов определения. Каждый такой фиксированный канал определения предпочтительно создан его собственным выделенным приемником, например фотоэлектронным умножителем (РМТ), и предоставлен для определения линейной характеристики нескольких рассматриваемых элементов.

Тороидальное зеркало является асферическим зеркалом, при этом каждая кривизна двух ортогональных осей (горизонтальной и вертикальной) отличается, что является преимуществом настоящего изобретения. Тороидальное зеркало предпочтительно направляет свет во входную щель для создания растянутого или размытого фокуса, например, напоминающего в целом эллиптическую форму. Это является отличием от уровня техники, при котором создается пятно или круглый фокус. Тороидальное зеркало имеет два фокусных расстояния; поэтому отображение на щели является размытым или зашифрованным отображением объекта. Тороидальное зеркало за счет своей асферичности является более эффективным для одновременного освещения двух или более дифракционных решеток через одну щель, т.е. с меньшим расходом света. Предпочтительно тороидальное зеркало обеспечивает равномерное освещение нескольких решеток. В целом эллиптическая форма светового отображения, созданного тороидальным зеркалом, больше совпадает, например, с геометрической конфигурацией двух установленных дифракционных решеток, в частности двух вертикально установленных решеток. Эллиптическая форма светового отображения является предпочтительно растянутой (т.е. имеет длинную ось) в вертикальном направлении, т.е. в направлении вертикальной установки решеток. Световое отображение на входной щели и/или решетках также предпочтительно имеет в целом эллиптическую форму, как описано выше.

Согласно некоторым вариантам осуществления тороидальное зеркало имеет горизонтальный радиус кривизны R_h в горизонтальной оптической плоскости, образованной центром источника света, центром тороидального зеркала и центром входной щели, кривизна которой образует фокусное расстояние зеркала в горизонтальной плоскости, и имеет вертикальный радиус кривизны R_v в вертикальной плоскости, перпендикулярной горизонтальной плоскости, кривизна которой образует фокусное расстояние зеркала в вертикальной плоскости. Предпочтительно R_h и R_v являются такими, при которых фокусное расстояние в вертикальной плоскости меньше фокусного расстояния в горизонтальной плоскости. Предпочтительно фокусное расстояние зеркала в горизонтальной оптической плоскости по существу равно или предпочтительно меньше расстояния от светового источника до центра зеркала. Отображение света, отраженного зеркалом, будет иметь эллиптическую форму. В случае вертикально установленных решеток длина эллиптического отображения света на решетках предпочтительно направлена вдоль вертикального направления для достаточного освещения обеих решеток. Ширина эллиптического отображения на решетках в таком случае предпочтительно направлена в горизонтальной плоскости для достаточного повторного освещения обеих решеток.

Зеркало предпочтительно установлено с возможностью наклона в одном или двух, предпочтительно двух, из горизонтального и вертикального направлений для регулировки степени выравнивания. Предпочтительно, чтобы центр зеркала по существу совпадал с оптической осью спектрометра.

Преимущественно, как было установлено, тороидальное зеркало обеспечивает пространственное разделение света из разных областей в источнике света на свет, освещающий решетки. Например, первая дифракционная решетка может быть преимущественно освещена светом из первой области источника света по сравнению со второй решеткой, а вторая решетка может быть преимущественно освещена светом из второй области источника света по сравнению с первой решеткой. Это, в частности, применимо, когда спектрометр является искровым оптико-эмиссионным спектрометром, при этом свет излучается искровым источником. Тороидальное зеркало направляет свет из разных областей или точек искрового источника таким образом, что он пространственно разделен в значительной степени на решетках. Как было обнаружено, таким образом уменьшается некоторая спектральная помеха в дифрагированном свете, поскольку полное смешивание спектральной информации в свете, освещающем каждую решетку, отсутствует. Вместо этого на каждую решетку может падать свет, выходящий преимущественно из другой области источника света. Таким образом, если события возбуждения, которые приводят к эмиссии интерферирующих спектральных линий, происходят в разных областях источника света, то настоящее изобретение может обеспечивать снижение степени спектральной помехи в выделенном дифрагированном свете. Предпочтительно таким способом уменьшают одну или несколько спектральных помех. Спектральная помеха представляет собой интерференцию двух или более спектральных линий от разных элементов, т.е. когда две или более спектральных линий по меньшей мере частично накладываются друг на друга.

Тороидальное зеркало предпочтительно предоставлено для отклонения света на приблизительно 90 градусов к входной щели, например для отклонения света, излученного пробой, под углом приблизительно 90 градусов к входной щели.

Факультативно можно использовать диафрагму для лучей в точке в световом пути (например, непосредственно перед или предпочтительно непосредственно после входной щели) для уменьшения телесного угла света, пропускаемого к решеткам.

Анализируемый свет исходит от светового источника, который может содержать анализируемую пробу, например пробу, подвергаемую возбуждению для инициирования излучения ею света в случае оптической эмиссионной спектроскопии. Таким образом, спектрометр дополнительно содержит световой источник для создания анализируемого света. Анализируемый свет в целом может быть любым светом от аналитической пробы, несущим информацию о составе пробы. Свет может передаваться, отражаться или излучаться пробой.

Предпочтительно анализируемый свет представляет собой эмиссию пробы, которая была подвержена, например, действию пламени, плазмы, дуги или искры для обеспечения возбуждения атомов элементов, присутствующих в пробе, и эмиссии ими света с характерными длинами волн. Более предпочтительно свет представляет собой индуцируемую дуговым или искровым разрядом эмиссию. Проба представляет собой, как правило, металлическую пробу. Согласно таким вариантам осуществления с индуцируемой дуговым или искровым разрядом эмиссией световой источник, следовательно, содержит плазму искрового разряда, из которой анализируемый свет излучается возбужденными элементами. Такая плазма искрового разряда, как правило, находится в небольшом объеме, не превышающем приблизительно 3 мм³. Согласно таким вариантам осуществления спектрометр предпочтительно содержит искровой источник для создания анализируемой пробой индуцируемой дугой или искрой оптической эмиссии света, т.е. плазма создается искровым источником, который содержит возбуждаемые элементы, и плазма излучает анализируемый свет. Искровой источник может быть расположен на расстоянии от зеркала, которое по существу равно фокусному расстоянию зеркала. Искровой источник может находиться в фиксированном положении относительно зеркала. Согласно другим вариантам осуществления, например, в портативных спектрометрах искровой источник может быть портативным, например переносным. Такие переносные искровые источники, часто называемые искровыми пистолетами, как известно, для работы необходимо прижимать к анализируемой пробе. Свет от плазмы искрового разряда в искровом пистолете может передаваться в спектрометр от плазмы через одно или несколько гибких оптических волокон. Конец одного или нескольких оптических волокон, из которого испускается свет, предпочтительно заканчивается по существу там, где находилась бы плазма искрового разряда, если бы она располагалась в фиксированном положении, например на расстоянии от зеркала, которое по существу равно фокусному расстоянию зеркала. Таким образом, оптическое волокно находится в спектрометре в качестве отображаемого светового источника вместо самой плазмы.

В световом пути при необходимости, например для еще большего уменьшения возникновения спектральной помехи или уменьшения спектрального фона, можно использовать одну или несколько систем оптического маскирования, например физические диафрагмы для лучей, которые обеспечивают блокирование света. Системы маскирования основаны на уменьшении количества света, испускаемого одной или несколькими конкретными областями источника света, например одной или несколькими областями плазмы искрового разряда. Таким образом дополнительно усиливается эффект уменьшения спектральной помехи, обеспечиваемый степенью пространственного разделения света из разных областей источника света, за счет применения тороидального зеркала. Можно применять одну или несколько систем маскирования. Одна или несколько систем маскирования могут быть расположены как перед, так и после (или и перед, и после) тороидального зеркала. Системы оптического маскирования при необходимости могут быть неподвижными в световом пути или подвижными в световом пути и за его пределами.

Спектрометр согласно настоящему изобретению особенно подходит для OES, в частности искровой OES, но может применяться в других типах спектроскопии, когда необходимо, чтобы оптическая конфигурация обладала несколькими дифракционными решетками, освещаемыми через одну и ту же входную щель. Примеры могут включать оптическую эмиссионную спектроскопию с индуктивно-связанной плазмой (ICP-OES), обычно для анализа жидких проб, оптическую эмиссионную спектрометрию с дугой постоянного тока (DC-Arc OES) для любых типов твердых или порошковых проб и спектроскопию с дугой постоянного тока с вращающимся электродом для анализа жидких проб.

Краткое описание графических материалов

На фиг. 1 схематически показана оптическая схема части искрового оптико-эмиссионного спектрометра с плоским полем согласно настоящему изобретению.

На фиг. 2 схематически показано тороидальное зеркало, примененное в настоящем изобретении, с указанными радиусами кривизны.

На фиг. 3 схематически более подробно показана конфигурация входной оптики варианта осуществления спектрометра согласно настоящему изобретению.

На фиг. 4 показано распределение освещения в положении щели согласно варианту осуществления спектрометра в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 5 показано распределение освещения в положении полевой диафрагмы согласно варианту осуществления спектрометра в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 6 показано распределение освещения на двух решетках согласно варианту осуществления спектрометра в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 7 схематически показан геометрический выбор отображенных участков от плазмы искрового разряда и построение их отображения на двух решетках согласно варианту осуществления спектрометра в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 8А и 8В показаны спектры спектральной линии мышьяка, полученные без маскирования и с маскированием, соответственно, согласно варианту осуществления искрового оптико-эмиссионного спектрометра в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание вариантов осуществления настоящего изобретения

Далее настоящее изобретение будет боле подробно описано с помощью неограничивающих примеров и со ссылками на прилагаемые графические материалы.

На фиг. 1 схематически показана оптическая схема части искрового оптико-эмиссионного спектрометра с плоским полем согласно настоящему изобретению. Искровой источник расположен в положении 2 и обеспечивает свет для проведения анализа известным способом. В искровом источнике электрическая искра образуется между электродом и поверхностью твердой пробы, установленной напротив электрода. Искра быстро испаряет часть поверхности пробы и образует плазму возбужденных элементов. Плазма излучает свет 6 с длинами волн, характерными для элементов.

Излученный свет 6 от искрового источника отражается под углом 90 градусов посредством входной оптики, содержащей тороидальное зеркало, установленное в положении 4, и тем самым направляется через одну основную входную щель, находящуюся в положении 8. Применение только одной входной щели, только одного угла обзора источника света и пробы является необходимым, таким образом, способствуя компактности конструкции. Тороидальное зеркало более подробно описано ниже со ссылкой на фиг. 2. Преимущество применения зеркала заключается в том, что фокусное расстояние является постоянным по сравнению с известными оптическими системами, в которых применяют фокусирующие линзы, которые всегда имеют хроматический характер в результате зависимости показателя преломления от длины волны и, следовательно, имеют фокусное расстояние, которое зависит от длины волны. Тороидальное зеркало применяют для устранения сферических аберраций по сравнению со сферическими зеркалами. Согласно этому варианту осуществления применение зеркала обеспечивает существенный изгиб света от источника к решеткам, в отличие от расположения источника и решеток по существу на одной линии. Согласно этому варианту осуществления изгиб составляет приблизительно 90 градусов, хотя согласно другим вариантам осуществления он может не составлять 90 градусов. Следовательно, применение зеркала, необходимого для создания эллиптического распределения освещения, устраняет прямую линию взгляда между источником и решетками.

Свет проходит через входную щель в положении 8, и факультативная полевая диафрагма, находящаяся в положении 20, может обеспечивать уменьшение телесного угла света. Далее свет освещает две голографические дифракционные решетки 10 и 12, установленные вертикально смежно друг с другом в установке плоского поля. Таким образом, решетки, входная щель и приемник образуют узел плоского поля. Решетки являются решетками с коррекцией аберрации в плоском поле и отображающими решетками, которые предназначены для высокоэффективной дифракции первого порядка. Решетки дифрагируют свет и таким образом рассеивают свет посредством дисперсии на спектральные линии. Свет дифрагирует к одному матричному приемнику 14, который является ПЗС с тремя линейками согласно этому варианту осуществления. Две крайние линейки ПЗС используют для определения. Каждая решетка 10 и 12 дифрагирует свет на разные определяющие линейки фотоприемников (пиксели) приемника. Верхняя решетка 10 дифрагирует часть света, так что отображение спектра в диапазоне 147-238 нм образуется на первой линейке (верхняя линейка) 14а ПЗС с тремя линейками. Нижняя решетка 12 дифрагирует часть света таким образом, что отображение спектра в диапазоне 230-418 нм образуется на третьей линейке (нижняя линейка) 14b ПЗС с тремя линейками. Вторая (средняя) линейка ПЗС не используется для определения согласно этому варианту осуществления, но вместо этого обеспечивает зазор между определяющими линейками для предотвращения интерференции между спектрами. Компактность конструкции спектрометра вдобавок к применению одной входной щели дополнительно обеспечена применением двух вертикально установленных дифракционных решеток и одного ПЗС для определения спектров от каждой решетки на отдельной линейке приемника. Расположение решеток и приемника после входной щели было описано в документе WO 2011/098726. В настоящем изобретении можно применять любую из решеток и определяющих компоновок, раскрытых в документе WO 2011/098726. Содержимое документа WO 2011/098726 включено в настоящий документ во всей полноте посредством ссылки.

В описываемой заявке на искровой оптико-эмиссионный спектрометр искровой источник входная оптика (зеркало и щель) и компоненты спектрографа (решетки и приемник) продувают аргоном для образования аргоновой плазмы и для обеспечения прозрачности светового пути для УФ-излучения. Искровой источник содержит штатив для проб, также известный как Petrey table, который предпочтительно наклонен на 12 градусов относительно оптической оси системы для обеспечения достаточного обзора поверхности пробы. В целом можно использовать наклон от 1,5 до 20 градусов. Оптическая ось находится в горизонтальной плоскости, как описано в настоящем документе.

Два радиуса кривизны тороидального зеркала входной оптики определяются следующим образом. Горизонтальный радиус кривизны R_h выбирают таким образом, чтобы фокусное расстояние зеркала в горизонтальной оптической плоскости, определенной центром искрового или плазменного источника, центром тороидального зеркала и центром входной щели, было намеренно короче расстояния от плазмы искрового разряда до центра зеркала. Это обеспечивает увеличение объекта источника. Вертикальной радиус кривизны R_v выбирают таким образом, чтобы фокусное расстояние зеркала в вертикальной плоскости (т.е. перпендикулярно к горизонтальной плоскости) было меньше фокусного расстояния в горизонтальной плоскости и обеспечивало освещение обеих дифракционных решеток, т.е. полностью в их вертикальном направлении. Отображение света, отраженного зеркалом, таким образом, получается размытым, эллиптическим, а не круглым. Растягивание отображения света на решетках направлено вдоль вертикального направления для достаточного освещения обеих решеток. Ширина отображения на решетках ориентирована в горизонтальной плоскости для достаточного освещения обеих решеток. Тороидальное зеркало 4′ показано на фиг. 2 с указанными радиусами кривизны R_h и R_v и с частью поверхности соответствующего тора, показанного в иллюстративных целях. В представленном варианте осуществления R_h составляет 285 мм, a R_v составляет 115 мм. Фокусные расстояния b и с в горизонтальной и вертикальной плоскостях, соответственно, составляют 169 мм и 120,5 мм. Расстояние а от искрового источника до центра зеркала составляет 250 мм.

Входная оптика спектрометра с указанными размерами a, b и с дополнительно схематически показана на фиг. 3. На части фиг. 3 слева показано фокусирующее тороидальное зеркало 4′ в горизонтальной плоскости с фокусным расстоянием b, а на части фигуры справа показано фокусирующее тороидальное зеркало в вертикальной плоскости с меньшим фокусным расстоянием с. Искровой источник показан в положении 2 вместе с точками фокусировки в горизонтальном (f_h) и вертикальном (f_v) направлении. Положение входной щели показано линией s. Щель расположена после (ниже от) вертикального фокуса f_v и перед горизонтальным фокусом f_h, так что распределение освещения в положении щели несколько размыто, как показано на увеличенном изображении на фиг. 4, где щель показана вертикальной линией 40. Распределение освещения в положении 20 полевой диафрагмы растянуто, как показано растянутым размытым участком 42 на фиг. 5. На фиг. 5 круглая форма представляет апертуры полевой диафрагмы, через которые будет проходить часть света для освещения двух в целом круглых решеток 10 и 12. На фиг. 6 показано распределение освещения на двух решетках 10 и 12. За счет распределения освещения, растянутого в вертикальном направлении, настоящее изобретение обеспечивает более эффективное освещение решеток, установленных вертикально, т.е. с меньшим расходом света по сравнению со сферическим распределением освещения.

Конструкция согласно настоящему изобретению обеспечивает преимущественное освещение верхней решетки светом, излучаемым верхней частью плазмы искрового разряда, т.е. областью, направленной к поверхности пробы, и преимущественное освещение нижней решетки светом, излучаемым нижней частью плазмы, т.е. областью, направленной к электроду. Этот признак, совместно с диапазонами длин волн, позволяет определять лучшую линейку для искровой оптической эмиссионной спектроскопии. В искровой OES свет с большей энергией (с более короткой длиной волны), включая спектральные линии вакуумного УФ, преимущественно излучается ближе к поверхности пробы, а свет с меньшей энергией (с большей длиной волны) преимущественно излучается ближе к поверхности электрода.

Такой признак геометрического выбора отображенных участков от плазмы искрового разряда показан на фиг. 7, где схематически показано построение отображения на двух решетках 10 и 12 и соответствие отображенным участкам от плазмы искрового разряда. Слева на фигуре схематически показан искровой штатив, где поверхность 50 пробы направлена к рабочему концу электрода 60. Электрод имеет продольную ось 62. Оптическая ось спектрометра обозначена линией 54. Над оптической осью 54 в верхней части плазмы, ближайшей к поверхности пробы, показаны две отображенные точки, m₁ и n₁. Точки m₁ и n₁ находятся на 1 мм выше оптической оси и расположены на расстоянии 1 мм с каждой стороны от продольной оси электрода. Благодаря тороидальному зеркалу точки m₁ и n₁ в плазме отображаются преимущественно на верхней решетке 10, как показано справа на фиг.7. Распределения освещения на верхней решетке точек m₁ и n₁ от плазмы обозначены вертикальными растянутыми линиями m₂ и n₂, соответственно. Пунктирные линии на фигуре показывают соответствие между точками m₁ и n₁ и их линиями распределения m₂ и n₂ на верхней решетке. Аналогично под оптической осью 54 в нижней части плазмы, ближайшей к электроду, показаны две отображенные точки p₁ и q₁. Точки p₁ и q₁ находятся на 1 мм ниже оптической оси и расположены на расстоянии 1 мм с каждой стороны от продольной оси электрода. Благодаря тороидальному зеркалу точки p₁ и q₁ в плазме отображаются преимущественно на нижней решетке 12, как показано справа на фигуре. Распределения освещения на нижней решетке точек p₁ и q₁ от плазмы обозначены вертикальными растянутыми линиями p₂ и q₂, соответственно. Пунктирные линии показывают соответствие между точками p₁ и q₁ и их линиями распределения p₂ и q₂ на нижней решетке.

Такой геометрический выбор отображенных точек в плазме для освещения преимущественно одной или другой решетки может обеспечивать уменьшение определенных спектральных помех. Возле поверхности пробы плазма разряда горячее, чем в других местах на искровом штативе, и обеспечивает ионизацию элементов и возбуждение линий ионной эмиссии, для чего необходима высокая энергия возбуждения. Напротив, линии атомного перехода с относительно низкими энергиями возбуждения по сравнению с линиями ионной эмиссии излучаются преимущественно в относительно более холодном центре разрядного зазора между пробой и электродом, расположенным возле оптической оси спектрометра.

Согласно некоторым вариантам осуществления эффективность разделения интерферирующих линий можно дополнительно усилить применением оптических масок. Согласно одному варианту осуществления спектральные линии, направленные, например, к верхней решетке от ближней поверхности пробы, могут быть факультативно замаскированы механической маской, расположенной в пути света от ближней поверхности пробы до зеркала, обеспечивая уменьшение спектральных линий ионной эмиссии и, следовательно, уменьшение сложности спектра и потенциальных интерференций в эмиссионном спектре. На фиг. 8А (спектр, полученный без маскирования) и 8В (спектр, полученный с маскированием) показан такой пример эффекта маскирования поверхности пробы. На фиг. 8А и 8В показана часть искрового эмиссионного спектра от контрольной пробы из стали RN19 (с содержанием 600 ppm As), показанная сплошной кривой линией, и соответствующая часть искрового эмиссионного спектра от пробы из чистого железа, показанная пунктирной кривой линией. В этом конкретном случае, как показано на фиг. 8А, линия мышьяка (As) 197,2624 нм от контрольной пробы из RN19 интерферирует с линией железа (Fe) 197,224 нм. Линия As 197,2624 представляет собой линию атомного перехода с энергией возбуждения 6,28 эВ и излучается преимущественно в центре разрядного зазора, расположенного рядом с оптической осью, а линия Fe 197,224 нм представляет собой линию ионного перехода с энергией возбуждения 17,86 эВ, которая излучается рядом с поверхностью пробы. За счет маскирования поверхности пробы сигнал от линии Fe существенно снижается, и линию As можно определить с большей чувствительностью, как показано на фиг. 8В.

Как было выше указано, преимущество тороидального зеркала обеспечивает эллиптическое распределение освещения для одновременного освещения обеих решеток с высокой эффективностью. Напротив, в случае сферического зеркала или линзы наибольшая интенсивность света находится на оси, проходящей через центр зеркала или линзы. Размер пятна в случае линзы будет зависеть от длины волны в результате зависимости показателя преломления от длины волны.

В качестве варианта конструкции спектрометра, описанной выше, вместо плазмы искрового разряда, зафиксированной в положении по существу на фокусном расстоянии от зеркала, плазму искрового разряда можно заменить в этом положении концами одного или нескольких оптических волокон, где одно или несколько оптических волокон предназначены для сбора и передачи света к спектрометру от плазмы искрового разряда, расположенной удаленно от спектрометра. Такое расположение оптических волокон, как правило, применяют в портативных инструментах для искровой OES, когда их применяют для передачи света от портативного искрового штатива, таких как, например, известные переносные искровые штативы, имеющие форму пистолета и управляемые прижатием искрового пистолета к анализируемому материалу.

С учетом приведенного выше описания понятно, что настоящее изобретение предоставляет усовершенствованный спектрометр и способ спектроскопии.

Если в контексте четко не указано обратное, формы множественного числа, используемые в настоящем документе, определяют термины, также подразумевающие формы единственного числа, и наоборот.

Любые этапы способа, описанные в настоящем документе, могут быть осуществлены в любом порядке, если не указано другое или если контекстом четко не определено другое.

Во всем описании и формуле изобретения слова "содержать", "включая", "имеющий", "заключать" и подобные и их варианты, например "содержащий", "содержит" и т.д., означают "включающий, кроме прочего" и не предназначены для исключения (и не исключают) другие компоненты.

Применение в настоящем документе примеров или выражений, указывающих на примеры (включая "к примеру", "такой как", "например" и аналогичные фразы), предназначено только для лучшего описания настоящего изобретения и не указывает на ограничение объема настоящего изобретения, если не указано другое. Никакие выражения в описании не должны рассматриваться как такие, которые указывают на какие-либо незаявленные элементы, необходимые для практического осуществления настоящего изобретения.

Следует понимать, что изменения приведенных выше вариантов осуществления настоящего изобретения, которые могут быть выполнены, подпадают под объем настоящего изобретения. Каждый признак, раскрытый в описании, если не указано другое, может быть заменен альтернативным признаком, имеющим такое же, эквивалентное или аналогичное назначение. Таким образом, если не указано другое, каждый раскрытый признак представляет собой только один пример из общего ряда эквивалентных или аналогичных признаков.

Все признаки, раскрытые в настоящем описании, могут быть объединены в любых сочетаниях, кроме сочетаний, где по меньшей мере некоторые из этих признаков и/или этапов являются взаимоисключающими. В частности, предпочтительные признаки настоящего изобретения применимы во всех аспектах настоящего изобретения и могут быть использованы в любых сочетаниях. Аналогично признаки, описанные в несущественных сочетаниях, можно применять по отдельности (не в сочетании).

Следует понимать, что многие из описанных выше признаков, в частности из предпочтительных вариантов осуществления, являются оригинальными сами по себе, а не только как часть варианта осуществления настоящего изобретения. Эти признаки могут испрашивать защиту отдельно, дополнительно или в качестве альтернативы к заявляемому изобретению.