基于塞曼效應(yīng)的原子吸收光譜儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及分析儀器制造，并且能夠用于通過(guò)原子吸收光譜法來(lái)測(cè)定多種樣品中的化學(xué)元素的含量。所提出的發(fā)明要解決的問(wèn)題是提高光譜儀的傳輸性，減少由于自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量過(guò)程的分析時(shí)間，并且還消除由于在手動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償器期間操作人員的錯(cuò)誤動(dòng)作而造成的測(cè)量錯(cuò)誤的潛在源。所述的問(wèn)題通過(guò)基于塞曼效應(yīng)的原子吸收光譜儀來(lái)解決，并且該原子吸收光譜儀包括如下的光連接的元件：具有與正在測(cè)定的元素的諧振吸收相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的發(fā)射源、偏振器、光調(diào)制器、相位片、以及布置在恒定磁場(chǎng)中的原子化器；光連接的單色儀與輻射接收器；以及信號(hào)記錄和處理系統(tǒng)，其與輻射接收器電連接并且與光調(diào)制器同步；包括輻射轉(zhuǎn)換裝置，其光聯(lián)接到原子化器和單色儀，并且呈光聯(lián)接的第二偏振器和具有可變輪廓的光纖束的形式，其中光纖束的輸入端具有與輻射束的截面輪廓一致的形狀，而輸出端具有延伸的形狀，并且與單色儀的輸入孔對(duì)齊。
【專利說(shuō)明】基于塞曼效應(yīng)的原子吸收光譜儀
[0001]本發(fā)明涉及分析儀器制造業(yè)，并且能夠用于通過(guò)原子吸收光譜法來(lái)測(cè)定多種樣品中的化學(xué)元素。
[0002]在原子吸收光譜儀中，正在分析的樣品以原子蒸汽狀態(tài)傳送，由此，用于待測(cè)元素的發(fā)射源的束諧振，并且通過(guò)對(duì)發(fā)射的吸收值來(lái)確定樣品中的元素的含量。因此，均由正在測(cè)定的元素的原子(因此命名為“諧振”或“選擇性”吸收)以及由其它顆粒(因此命名為“背景”或“非選擇性”吸收)(將它們進(jìn)行區(qū)分是必要的)來(lái)執(zhí)行對(duì)發(fā)射的吸收。使用多個(gè)校正非選擇吸收的方法來(lái)完成，例如，基于塞曼效應(yīng)(Zeeman effect)的方法[I]。
[0003]選作原型的基于塞曼效應(yīng)的原子吸收光譜儀是已知的[2]。該裝置包括光連接元件:發(fā)射源，其具有與在樣品中測(cè)其含量的元素的諧振吸收相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)；第一偏振器、光調(diào)制器、第二偏振器、波片；原子化器，其位于恒定磁場(chǎng)中；消偏振器，其通過(guò)加入補(bǔ)償相位延遲來(lái)進(jìn)行束的消偏振；單色儀、檢測(cè)器以及信號(hào)記錄(registrat1n)和處理系統(tǒng)，該信號(hào)記錄和處理系統(tǒng)與檢測(cè)器電連接并且與光調(diào)制器同步。
[0004]在開(kāi)始分析之前，操作人員啟動(dòng)具有與在樣品中測(cè)其含量的元素的諧振吸收相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的發(fā)射源，并且針對(duì)待測(cè)元素的諧振波長(zhǎng)來(lái)設(shè)置單色儀。
[0005]來(lái)自發(fā)射源的、順序地穿過(guò)第一偏振器、光調(diào)制器、第二偏振器和波片的發(fā)射束，獲取對(duì)偏振狀態(tài)(以光調(diào)制器的頻率)與振幅(以光調(diào)制器的兩倍頻率)的調(diào)制。
[0006]另外，發(fā)射束被導(dǎo)向穿過(guò)原子化器，其中，操作人員注入待分析的樣品。樣品在原子化器內(nèi)降解為原子蒸汽狀態(tài)。因?yàn)樵谠踊鲀?nèi)產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，所以由于塞曼效應(yīng)，原子化后的樣品的云發(fā)生偏振(它以各種程度來(lái)吸收不同偏振的發(fā)射)。因此，穿過(guò)原子化器，調(diào)制針對(duì)偏振的發(fā)射將導(dǎo)致強(qiáng)度上的額外的調(diào)制。
[0007]單色儀傳送待測(cè)元素的諧振波長(zhǎng)的發(fā)射，用于由檢測(cè)器進(jìn)行隨后的記錄。另外，與光調(diào)制器同步的信號(hào)記錄和處理系統(tǒng)分離具有光調(diào)制器的振蕩頻率和兩倍頻率的諧波，并且測(cè)量它們的振幅。因?yàn)閬?lái)自檢測(cè)器的電信號(hào)取決于下落發(fā)射的偏振，所以為了測(cè)量的準(zhǔn)確性，在記錄之前對(duì)發(fā)射進(jìn)行消偏振是必須的。加入取決于待測(cè)元素的波長(zhǎng)的補(bǔ)償相位延遲的消偏振器，被應(yīng)用于為此目的的原型中。由操作人員手動(dòng)來(lái)進(jìn)行保證補(bǔ)償所需的相位延遲的消偏振器的調(diào)整。在調(diào)整消偏振器后，操作人員在原子化器內(nèi)注入樣品，進(jìn)行諧波振幅的測(cè)量，并且從它們測(cè)定與樣品中待測(cè)元素的質(zhì)量成正比的分析信號(hào)的值。
[0008]該原型特有兩個(gè)缺點(diǎn)。第一個(gè)存在于如下事實(shí):消偏振器在其調(diào)整時(shí)，當(dāng)從一個(gè)元素的測(cè)量轉(zhuǎn)換到其它元素的測(cè)量時(shí)，需要手動(dòng)調(diào)整，以保證發(fā)射的消偏振，取決于波長(zhǎng)。這要求操作人員動(dòng)作，并且因此增加分析時(shí)間，使自動(dòng)測(cè)量困難，并且操作人員的不正確動(dòng)作可能導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤。
[0009]原型的其它缺點(diǎn)是，與在單色儀的入口上的發(fā)射束具有圓形輪廓這個(gè)事實(shí)有關(guān)的、單色儀的入口狹縫上的發(fā)射損失更大，而狹縫本身具有延伸的形式。由于束輪廓與單色儀的入口狹縫不重合，所以僅小部分的發(fā)射進(jìn)入單色儀，并且在由檢測(cè)器記錄后形組分析信號(hào)。這種情況限制了光譜儀的亮度(luminosity)。
[0010]所提出的發(fā)明的任務(wù)是提高光譜儀的亮度，減少由于自動(dòng)測(cè)量過(guò)程的分析時(shí)間，并且消除由于在手動(dòng)調(diào)整補(bǔ)償器時(shí)操作人員的錯(cuò)誤動(dòng)作造成的測(cè)量錯(cuò)誤的潛在源。
[0011]通過(guò)引入發(fā)射轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)所制定的任務(wù)，該發(fā)射轉(zhuǎn)換器與原子化器和單色儀光學(xué)匹配(optically conjugated)，以與第二偏振器和具有可變輪廓的光導(dǎo)束光學(xué)匹配的形式來(lái)制造，并且入口端面具有與發(fā)射束截面的輪廓一致的形式，而出口端面具有延伸的形式，并且它與基于塞曼效應(yīng)的原子吸收光譜儀中的單色儀的入口狹縫相結(jié)合，該原子吸收光譜儀包括:與正在測(cè)定的元素的諧振吸收相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)光連接的發(fā)射源、偏振器、光調(diào)制器、波片、以及位于恒定磁場(chǎng)中的原子化器；與檢測(cè)器光連接的單色儀；信號(hào)記錄和處理系統(tǒng)，其與檢測(cè)器電連接并且與光調(diào)制器同步。
[0012]所提出的發(fā)明的技術(shù)效果(例如，增加光譜儀的亮度，減少由于自動(dòng)測(cè)量過(guò)程的分析時(shí)間，并且消除測(cè)量錯(cuò)誤的潛在源)由于如下規(guī)定的全部給定的信息，而可實(shí)現(xiàn)作為手動(dòng)調(diào)整消偏振器時(shí)操作人員的錯(cuò)誤動(dòng)作的結(jié)果:
[0013].導(dǎo)致用于分析測(cè)量所需的強(qiáng)度上的額外調(diào)制；
[0014].實(shí)現(xiàn)發(fā)射束與單色儀的入口狹縫的有效光學(xué)匹配；
[0015].在單色儀中在其輸入之前實(shí)現(xiàn)束的消偏振。
[0016]參照附圖來(lái)解釋所要求保護(hù)的發(fā)明，其中:
[0017]圖1是所提出的基于塞曼效應(yīng)的原子吸收光譜儀的圖。
[0018]圖2是發(fā)射轉(zhuǎn)換器的圖。
[0019]圖3是在基于塞曼效應(yīng)的原子吸收光譜儀中形組分析信號(hào)的圖。
[0020]基于塞曼效應(yīng)的原子吸收光譜儀的圖在圖1中示出。該光譜儀包括如下的光連接元件:具有與在樣品中測(cè)其含量的元素的諧振吸收相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的發(fā)射源1、偏振器2、光調(diào)制器3、波片4、以及位于由磁體6產(chǎn)生的磁場(chǎng)中的原子化器5 ;發(fā)射轉(zhuǎn)換器7，單色儀8和檢測(cè)器9 ;以及信號(hào)記錄和處理系統(tǒng)10，其與檢測(cè)器電連接并且與光調(diào)制器同步。
[0021]圖2示出的發(fā)射轉(zhuǎn)換器7的圖包括如下的光連接元件:第二偏振器11和光導(dǎo)束12。由于其入口端面放置在入口框架13(具有與發(fā)射束截面的輪廓一致的形式)內(nèi)，并且出口端面放置在延伸形式的出口框架14內(nèi)，因而以可變輪廓做出光導(dǎo)束12。光導(dǎo)束的出口端面與單色儀8的入口狹縫相結(jié)合。
[0022]例如，諧振發(fā)射源能夠是具有空心陰極的光譜燈或無(wú)電極的光譜燈。
[0023]能夠在基于塞曼效應(yīng)的原子吸收光譜儀中，使用類似于在原型或相似物中使用的元件，如偏振器2、光調(diào)制器3、波片4、單色儀8、檢測(cè)器9、以及信號(hào)記錄和處理系統(tǒng)10。
[0024]根據(jù)技術(shù)和結(jié)構(gòu)原因，第二偏振器能夠通過(guò)多種方式來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0025].作為單獨(dú)的裝置；
[0026].其能夠與光導(dǎo)束的入口框架在一個(gè)單元中相結(jié)合；
[0027]?或能夠通過(guò)在與下落發(fā)射束相關(guān)的布儒斯特角(Brewster angle)下對(duì)光導(dǎo)束進(jìn)行切割，來(lái)執(zhí)行偏振器的功能。
[0028]為了證實(shí)所提出的光譜儀的工作原理，我們將在圖3示出的通過(guò)其元件的傳送過(guò)程中，考慮發(fā)射束的偏振狀態(tài)的變化。來(lái)自諧振發(fā)射源I的發(fā)射傳送通過(guò)偏振器2，獲得偏振的狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)最高效率，推薦的是，在與選作報(bào)告系統(tǒng)的方向有關(guān)的45度下對(duì)偏振器進(jìn)行定向。
[0029]由于穿過(guò)光調(diào)制器，發(fā)射針對(duì)偏振發(fā)生調(diào)制(來(lái)自橢圓線性的束的偏振態(tài)的定期轉(zhuǎn)化，在此特定情況下，為圓形)，所以光調(diào)制器3進(jìn)行定期的相位延遲。例如，光調(diào)制器能夠以具有時(shí)間可變的相位延遲的波片的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于可變的機(jī)械壓力而執(zhí)行該相位延遲。
[0030]在光調(diào)制器之后，發(fā)射被傳送通過(guò)波片4，該玻片4的軸線被定向在平行于所選擇的方向，該所選擇的方向轉(zhuǎn)換圓形的線性偏振以及線性的圓形偏振。因此，穿過(guò)波片，發(fā)射束得到偏振狀態(tài)的調(diào)制，其特征在于，定期更改如下?tīng)顟B(tài):
[0031].平行于所選擇的方向的線性偏振(一個(gè)光調(diào)制器的振蕩周期一次)；
[0032]?垂直于所選擇的方向的線性偏振(一個(gè)光調(diào)制器的振蕩周期一次)；
[0033].圓形偏振(一個(gè)光調(diào)制器的振蕩周期兩次)。
[0034]由這樣的方法形成的發(fā)射被傳送通過(guò)原子化器5。事先在原子化器中注入樣品，并且樣品在原子化器內(nèi)實(shí)現(xiàn)的物理因素(例如，高溫、火焰或等離子作用)的作用下變成原子蒸汽的云。借助磁鐵6，在原子化器內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)。以磁力線平行于所選擇的方向的方式來(lái)定向磁體。
[0035]如上所述，發(fā)射束與磁場(chǎng)的電源線的相對(duì)定位，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)橫向塞曼效應(yīng)，包括針對(duì) -組分和σ -組分的數(shù)目發(fā)生吸收諧振線的分裂(塞曼效應(yīng))，并且-組分和σ -
組分吸收線性偏振的發(fā)射，相應(yīng)地，偏振的方向平行于或垂直于磁力線的方向。π -組分中的一個(gè)未相對(duì)于未分裂線的波長(zhǎng)移位(該線的波長(zhǎng)等于未分裂的吸收線的波長(zhǎng))，而σ -組分相對(duì)于未分裂線的波長(zhǎng)移位，并且該移位隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加而增加。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，σ -組分移位，并且發(fā)射的諧振吸收的移位效應(yīng)為此而減弱(在足夠強(qiáng)的磁場(chǎng)下，線的移位達(dá)到諧振吸收將停止實(shí)現(xiàn)這樣的程度)。同時(shí)，對(duì)于未移位的π -組分，將發(fā)生諧振吸收，而不管磁場(chǎng)強(qiáng)度。因?yàn)镴1-組分和σ -組分吸收具有不同偏振定向平面的發(fā)射，其將導(dǎo)致強(qiáng)度調(diào)制的出現(xiàn):在這些時(shí)間點(diǎn)中，當(dāng)發(fā)射偏振呈線性并且偏振的方向平行于電源磁力線的方向時(shí)，諧振發(fā)射被吸收線的π -組分所吸收。在偏振的方向垂直于電源磁力線的方向的時(shí)刻，諧振吸收減弱(或不存在)，因?yàn)棣?-組分相對(duì)于發(fā)射線移位，并且-組分不能吸收具有該偏振的發(fā)射。結(jié)果是，將觀察到具有光調(diào)制器的振蕩周期的發(fā)射強(qiáng)度的調(diào)制，如圖3示出。并且將通過(guò)取決于待測(cè)元素的濃度的發(fā)射強(qiáng)度和核吸收的值，來(lái)測(cè)定振蕩幅度。
[0036]穿過(guò)原子化器，發(fā)射進(jìn)入發(fā)射轉(zhuǎn)換器7。為了實(shí)現(xiàn)最大效率，推薦的是:在與選作報(bào)告系統(tǒng)的方向相關(guān)的45度角下，對(duì)作為發(fā)射轉(zhuǎn)換器的一部分的第二偏振器11進(jìn)行定向。
[0037]穿過(guò)第二偏振器11，光發(fā)射將在強(qiáng)度上得到附加的調(diào)制，當(dāng)偏振呈線性，在時(shí)間點(diǎn)上具有最小值；另外，當(dāng)偏振呈圓形，如圖3所示，即與光調(diào)制器的振蕩頻率相比具有兩倍頻率，在時(shí)間點(diǎn)上具有最大值。并且振蕩幅度將取決于發(fā)射強(qiáng)度和總吸收(選擇性和非選擇性)。
[0038]由于光導(dǎo)中的多個(gè)再反射，第二偏振器12之后的光導(dǎo)束11對(duì)發(fā)射束進(jìn)行消偏振，并且消偏振效應(yīng)并不取決于波長(zhǎng)，并且不需要操作人員的任何動(dòng)作。另外，光導(dǎo)束具有保證發(fā)射束與單色儀的入口狹縫之間的協(xié)調(diào)的形式。其可通過(guò)如下方式實(shí)現(xiàn):光導(dǎo)束的入口端面具有與發(fā)射束輪廓一致的圓形，并且出口端面具有延伸的形式，并且它與單色儀的入口狹縫相結(jié)合。因此，穿過(guò)發(fā)射轉(zhuǎn)換器7，發(fā)射束將針對(duì)具有如下的兩個(gè)諧波的強(qiáng)度發(fā)生調(diào)制:一個(gè)具有光調(diào)制器頻率，并且一個(gè)具有兩倍光調(diào)制器頻率且被消偏振。
[0039]由于在發(fā)射變換器中包括第二偏振器，所以出現(xiàn)為了實(shí)現(xiàn)第二偏振器的額外(與原型相比較)的構(gòu)造和技術(shù)可能性。即，第二偏振器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)為單獨(dú)的裝置(如在原型中)，而且，例如，能夠與光導(dǎo)束的框架在一個(gè)單元中相結(jié)合，另外，能夠通過(guò)在與下落發(fā)射束相關(guān)的布儒斯特角下對(duì)光導(dǎo)束進(jìn)行切割，來(lái)執(zhí)行第二偏振器的功能。
[0040]穿過(guò)發(fā)射轉(zhuǎn)換器，強(qiáng)度上被消偏振和調(diào)制的發(fā)射進(jìn)入單色儀8，該單色儀8分離靠近吸收諧振線的譜域。通過(guò)檢測(cè)器9來(lái)記錄由單色儀分離的發(fā)射。另外，借助與光調(diào)制器同步的信號(hào)記錄和處理系統(tǒng)10，分離來(lái)自具有光調(diào)制器的振蕩頻率和兩倍頻率的檢測(cè)器諧波的電信號(hào)，測(cè)量它們的振幅，并且找到與樣品中正被測(cè)量的元素的質(zhì)量成比例的分析信號(hào)的值。
[0041]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)使其本身處于如下的事實(shí):消偏振效應(yīng)并不取決于發(fā)射波長(zhǎng)(該波長(zhǎng)排除由操作人員等執(zhí)行任何動(dòng)作的需要)，允許自動(dòng)測(cè)量過(guò)程，減少分析時(shí)間并且排除操作人員錯(cuò)誤。此外，在入口端面和出口端面上形成具有不同截面的光導(dǎo)束，這允許進(jìn)行束輪廓和單色儀的入口狹縫的更全面的匹配，并且結(jié)果為提高基于塞曼效應(yīng)的原子吸收光譜儀的亮度。
[0042]參考文獻(xiàn):
[0043]1.PupyshevA.A.Atomic-absorpt1nspectralanalysis.MiTechnospheraj2009，784p.
[0044]2.GaneevA.A.，SholupovS.E.，SlyadnevN.M.Zeemanmodulat1npolarizat1nspectroscop yasopt1nofatomic - absorpt1nanalysis:possibilitiesandrestrict1ns.//Journalofanalyticalche mistry.1996.V.51，no8.P.855-864.
【權(quán)利要求】
1.一種基于塞曼效應(yīng)的原子吸收光譜儀，該基于塞曼效應(yīng)的原子吸收光譜儀包括:具有與待測(cè)元素的諧振吸收相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)的發(fā)射源、偏振器、光調(diào)制器、波片；位于恒定磁場(chǎng)中的光連接的原子化器；光連接的單色儀和檢測(cè)器；信號(hào)記錄和處理系統(tǒng)，該信號(hào)記錄和處理系統(tǒng)與所述檢測(cè)器電連接并且與所述光調(diào)制器同步， 其特征在于，發(fā)射轉(zhuǎn)換器以與第二偏振器和光導(dǎo)束光學(xué)匹配的形式做出，并且所述光導(dǎo)束的入口端面具有與發(fā)射束截面的輪廓一致的形式，并且出口端面具有延伸的形式，與所述單色儀的入口狹縫相結(jié)合，所述發(fā)射轉(zhuǎn)換器進(jìn)入到所述光譜儀中，并且所述發(fā)射轉(zhuǎn)換器與所述原子化器和所述單色儀光學(xué)匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中，由于將所述第二偏振器與所述光導(dǎo)束的入口端面的框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)結(jié)合，所以以統(tǒng)一單元的形式做出所述發(fā)射轉(zhuǎn)換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光譜儀，其中，通過(guò)在與發(fā)射束相關(guān)的布儒斯特角下對(duì)光導(dǎo)束的入口端面進(jìn)行切割，來(lái)執(zhí)行所述第二偏振器的功能。
【文檔編號(hào)】G01N21/71GK104520697SQ201380032132
【公開(kāi)日】2015年4月15日 申請(qǐng)日期:2013年5月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月18日
【發(fā)明者】亞歷山大·阿納托萊維齊·斯特羅加諾夫, O·V·葉夫謝耶夫, P·V·米諾維特斯 申請(qǐng)人:亞歷山大·阿納托萊維齊·斯特羅加諾夫, O·V·葉夫謝耶夫, P·V·米諾維特斯