德國斯派克ICP光譜儀常用的分光裝置結構分析及常見種類-華普通用
1 平面光柵光譜儀
與德國斯派克ICP光譜儀光源配用的平面光柵光譜儀有兩種，水平對稱成像的艾伯特-法斯梯（Ebert-Fastic）光學系統和切爾尼-特納（Czerny-Turner）系統。
（1）艾伯特-法斯梯平面光柵光譜儀 它是順序掃描型德國斯派克ICP光譜儀常用的一類分光裝置。這種裝置是1889年首先由Ebert（艾伯特）提出，1952年法斯梯加以發展。裝置的原理圖見圖1。它利用一塊大的凹面反射鏡的不同部位，作為準直鏡和物鏡。由于入射狹縫和出射狹縫對稱分布于光軸的兩側，使第一鏡面產生的像差可在很大程度為第二個鏡面所補償，彗星像差可以消除，但球差不能消除。這種裝置可在較寬的光譜范圍內獲得清晰而均勻的譜線。它結構緊湊，改變波長比較方便。
圖1 艾伯特-法斯梯平面光柵光譜儀
1-入射狹縫；2-出射狹縫；3-光電倍增管；4-凹面反射鏡；5-光柵
（2）切爾尼-特納平面光柵光譜儀 另一種德國斯派克ICP光譜儀光源常用的分光裝置是切爾尼-特納平面光柵分光裝置。這種裝置是1930年由Czerny-Turner（切爾尼-特納）提出的。它是艾伯特裝置的一種改型。它采用兩個凹面反射鏡，一個把入射狹縫來的光變化平行光反射到光柵，即起準直鏡的作用。另一塊反射鏡把光柵衍射的光譜聚焦到出射狹縫。由于像差得到補償，可以獲得較好的成像質量。這種裝置在ICP順序掃描光譜儀中得到廣泛的應用。
圖2中汞燈用于校準儀器波長；濾光片用于分開不同光譜級的重疊；三個光電倍增管光陰極靈敏區不同，分別用于不同波長區測量。
圖2 切爾尼-特納平面光柵光譜儀
1-ICP光源；2-汞燈；3-濾光片（分級用）；4-入射狹縫；5-準光鏡；6-平面光柵；7-聚光鏡；8-平面反射鏡；9-出射狹縫；10-光電倍增管
前面提到，ICP光源要求分光裝置具有高的分辨能力和寬的工作波長范圍。這兩個要求對分光裝置來說難于同時實現，但儀器又必須同時具有這兩項功能。光譜儀設計者通常用，兩種方法來實現這些要求。
第一種方法是采用不同的光譜級次，例如Atomscan2000型順序掃描光譜儀利用第一、二級光譜，分別工作于178～380nm（分辨率0.02nm）和380～780nm（分辨率0.04nm）。Light Ace公司的Integra XL ICP光譜儀則可采用4級光譜。Varian公司的Liberty-220 ICP光譜儀工作波段為160~940nm，分別由4級光譜來完成，可具有較高的分辨能力。參看表1的數據。
表1 Liberty-220的工作波段及分辨率
解決分辨率和工作波長范圍的另一途徑是在光路中并聯設置兩塊光柵分光器，高刻線密度的光柵用于高分辨率和較窄工作波長范圍；另一塊刻線密度較少的用于寬波長范圍。圖3是日立306型順序掃描德國斯派克ICP光譜儀的光路。它采用兩個切爾尼-特納分光器并聯，焦距0.75m。光柵刻線為3600線/mm的分光器具有0.007nm的分辨率和190～540nm工作波長范圍。第二個單色器采用1200線/mm光柵，分辨率0.02nm，但可在180～900nm的寬波段內工作。
圖3·日立306型順序掃描ICP光譜儀的光路
1-ICP光源；2-聚光鏡；3-半透射鏡；4-反射鏡；5-入射狹縫；6-準直鏡；7-平面光柵；
8-聚光鏡；9-出射狹縫；10-光電倍增管
為了降低雜散光和提高分辨能力，還可以將兩個分光器串聯成復式分光裝置。圖3-46所示為IL Plasma200型順序掃描ICP光譜儀的光路，采用兩個小型單色器串聯，一個焦距為330mm、另一個為165mm，第二個單色器以平方關系將雜散光降低。如第一個單色器雜散光為0.1%，則經過第二個單色器后雜散光降至0.0001%，這有利于提高譜線的信噪比。
2 凹面光柵光譜儀
在ICP光譜儀商品化初期至1980年以前，主要用凹面光柵光譜儀作為ICP光源的檢測器。凹面光柵ICP光譜儀稱多通道ICP光譜儀，如圖4所示。由ICP光源發出的光經聚光鏡和入射狹縫后射到光柵上，經光柵衍射后的單色光按波長不同分別經出射狹縫進入光電倍增管檢測器。光電倍增管和出射狹縫一般有約48個，個別儀器可裝多達70個出射狹縫。
圖4 多通道ICP光譜儀原理
1-ICP光源；2-聚光鏡；3-入射狹縫；4-凹面光柵；5-光電倍增管
凹面光柵光譜儀的特點是不需借助單獨的成像系統以形成光譜，不存在色差。也不用聚焦系統，使光的吸收和反射顯著降低。故可以用于真空紫外和近紅外。但其色散比較嚴重。由于空間的限制，可安裝的出射狹縫數量有限，限制了可測分析譜線數目和元素數目。此外，采用固定通道和狹縫，靈活性欠佳。近年此類儀器已逐漸退出ICP光譜領域。
3 中階梯光柵光譜儀
中階梯光柵光譜儀最初用于直流等離子體光源的檢測。20世紀90年代開始出現的固體檢測器（CCD、CID）多配用中階梯光柵光譜儀，因而使它成為ICP-AES領域應用漸多的分光器。圖5是典型的中階梯光柵光譜儀原理圖。由ICP發出的光經反射鏡進入狹縫后，經準直鏡成平行光后射至中階梯光柵上。分光后再經棱鏡分級和聚焦射到出射狹縫和檢測器上。由中階梯光柵光譜儀獲得的光譜與平面光柵光譜儀不同，它是由多級光譜組成的二維光譜。由圖6可以看出，從220～400nm，光譜分布在60～110光譜級，不同元素的分析線公布在不同光譜級。
圖5 中階梯光柵ICP光譜儀原理
圖6 二維光譜
4 順序掃描等離子體光譜儀的驅動裝置
ICP光源發射的譜線寬度一般在5~30pm。要準確測量譜線峰值強度必須具有高定位精度的光柵驅動機構。其定位精度不應低于lpm。可以滿足這一定位精度的驅動機構有許多種。如Baird的掃描單色器用步進馬達驅動和諧波齒輪傳動。德國斯派克ICP光譜儀用齒輪組傳動變速驅動光柵轉動。ICPS 1000則分兩步掃描，先用步進電機快速轉動光柵粗定位，然后出射狹縫作橫向位移，以達到0.0003nm的位移步長。下面介紹幾種有代表性的ICP單色器掃描驅動機構。
（1）螺桿傳動機構 如圖7所示。步進電機帶動螺桿轉動，通過連桿驅動光柵轉動。它是順序掃描等離子體光譜儀使用較多的光柵驅動機構。它的特點是波長的變化與步進電機的轉動成正比。
圖7 步進電機驅動-螺桿傳動機構
1-入射狹縫；2-準直鏡；3-光柵；4-聚光鏡；5-出射狹縫；6-反射鏡；7-光電倍增管；
8-螺桿；9-同步電機
（2）蝸輪蝸桿傳動機構 另一類常用的德國斯派克ICP光譜儀驅動機構是同步電機驅動蝸輪蝸桿傳動機構。如圖8所示。蝸輪與光柵臺固定在一起。利用同步電機帶動蝸桿經過蝸輪減速以驅動光柵。這種機構的特點是減速比大，結構緊湊。當采用2400線/mm光柵時，掃描的步距為0.0012nm；3600線/mm光柵的掃描步距為0.00077nm。定位精度可以達到0.001nm的要求。
圖8 步進電機驅動蝸輪蝸桿傳動機構
1-步進電機；2-蝸桿；3-蝸輪；4-光柵；5-聚光鏡；6-入射狹縫；7-準直鏡；
8-聚光反射鏡；9-出射狹縫；10-光電倍增管
（3）電磁驅動機構 電磁驅動機構又稱檢流計驅動機構，其原理如圖9所示。代替步進電機的是三個大型電流計6，電流計置于感應線圈8中，當運算放大器有電信號輸出時，電流計發生轉動，帶動光柵同步轉動，其準確轉動位移值由電磁轉換器5的反饋信號與計算機設置的波長信號相等時，轉子停止轉動。光柵可轉動16°（±8°），轉子（光柵）最小轉角為16°/218=0.00006°，其中218是D/A轉換16°的18bit。當采用1200線/mm光柵時，一級光譜掃描的步距是0.0018nm，二級光譜的步距是0.0009nm。它有極快的掃描速度，每秒可掃過2000nm，而步進電機驅動機械傳動裝置的掃描速約為40nm/s。
圖9 電磁光柵驅動裝置
1-計算機數據輸入；2-D/A轉換器；3-伺服放大器；4-位置反饋信號；5-電磁轉換器；
6-轉子；7-光柵；8-感應線圈