易于调节的光学发射光谱仪的制作方法

1.本发明涉及易于调节的光学发射光谱仪，并且涉及设置和操作这种光谱仪的方法。


背景技术：

2.电弧/火花或libs光学发射光谱仪(oes)是用于化学分析的装置，并且用于显示和测量化学物质的发射光谱。使用libs，样品材料被蒸发并由激光激发。利用电弧/火花，用于蒸发和激发的能量由电极和作为反电极工作的材料样品之间的电弧或一系列火花提供。在任一种情况下，从样品材料(一部分)产生等离子体。由等离子体发射的光被传输到oes的光学系统，在那里它被分解成其单独的光谱分量。包含在样品中的每种化学元素以几个特征波长(光谱线)发射，因此可以被识别。这样测量的光谱线的光强度对应于样品中相关元素的浓度。
3.由于几个原因，特别是为了保护等离子体免受环境空气的影响，激励通常发生在所谓的火花支架或等离子体支架中，该火花支架或等离子体支架被氩气吹扫。从等离子体进入光学系统的光路可以包括光纤。
4.然而，短于185nm的波长将被光纤和环境空气吸收，因此需要没有光纤的氩气净化的光路。这种光路仅包括光学窗口，透镜，反射镜等(如果有的话)，并且被称为“直视”。为了确保正确地直视等离子体，光学系统和等离子体支架需要彼此精确对准。
5.然而，施加到样品的能量在等离子体支架中产生一定量的热量。如果热量从等离子体支架传递到光学系统，则其不希望的热膨胀可能导致分辨率和性能的损失。因此，在光学系统和等离子体支架之间实现某种热绝缘是现有技术，例如提供某种间隙或在其间布置热绝缘材料，如尼龙。等离子体支架和光学系统之间的热绝缘还可以提供等离子体支架和光学系统之间的电绝缘，以防止对光学系统的电闪络。
6.机械连接不是刚性连接；相反，将等离子体支架和光学系统(或多或少)设计为单独可调节的独立单元，以获得彼此的适当对准。这种设计导致了这两个单元的复杂且关键的调节过程。为了实现oes的良好光学分辨率，必须仔细地执行单元的调节。使用真空或充有气体的光学腔来观察真空紫外(vuv)波长也使得接近光学系统和等离子体更加困难，使得调节更加复杂。
7.下面的对准过程将被应用于根据现有技术的光学发射光谱仪(oes):(a)将作为可自由调节的等离子体支架的等离子体支架的位置和取向相对于仪器壳体对准，例如利用垂直于壳体前部的等离子体支架板，(b)将光学或真空室对准在仪器壳体内，从而在光学系统和等离子体支架之间提供气密的机械连接，(c)在沿着光束路径的一些位置处，使用夹具或激光指针或等离子体的图像，将光学/真空室内部的光学系统相对于等离子体支架对准，和(d)将等离子体支架内部的可切换或可变的掩膜对准，以将等离子体的一些(热)部分针对光学系统屏蔽，以便能够仅观察等离子体的较冷部分中的原子光谱线，而不贡献来自等离子体的热部分的电离线。调节步骤(a)-(c)通常在视觉上进行，因此每个步骤的精度最好在
±
0.1mm左右。步骤(d)的遮蔽通常使用光谱线信号来调节，例如fe187,6nm的强度来调节。假定等离子体在没有掩膜的情况下是完全可见的，则调节该掩膜以提供光谱线的初始强度的25％的强度。该过程导致等离子体的热部分的遮蔽。一些等离子体支架采用永久遮蔽，其中等离子体支架和光学系统之间的适当对准变得特别关键。在其它系统中，掩膜可以是例如通过步进电机而可切换或可调节的，从而根据样品的基础材料(基质)来优化遮蔽。如果所讨论的光谱线对遮蔽敏感，则光学系统相对于等离子体支架的适当遮蔽和对准应确保测量的良好重复性以及良好的检测极限。
8.因此，希望有一种可用的光学发射光谱仪，其具有最小的调节工作并且还提供非常好的分辨率。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供一种具有最小调节工作并且还提供非常好的光学分辨率的光学发射光谱仪。
10.该目的通过一种光学发射光谱仪来实现，该光学发射光谱仪包括用于从样品材料产生发光等离子体的等离子体支架和用于测量由等离子体发射的光的光谱的光学系统，该光谱是样品材料的特征，其中该光学系统包括至少一个光入射孔径、用于将来自等离子体的光分成光谱的至少一个衍射光栅、以及检测器设置，检测器设置由出口孔和pmt探测器的组合或空间分辨率的固态检测器(如ccd或cmos线或面积传感器)组成，以测量光谱，其中所述等离子体支架和所述光学系统直接且固定地安装在彼此直接且固定地连接的相应的等离子体支架凸缘和光学系统凸缘上，并且其中所述光学发射光谱仪还包括分析单元，所述分析单元适于分析所测量的光谱，并且考虑到所述光学系统的热膨胀，补偿由从所述等离子体支架传递到所述光学系统的热量引起的所述光谱相对于所述检测器的漂移。
11.等离子体可以通过在两个相对电极之间点燃的放电来提供，其中电极之一是待分析的样品材料。火花或电弧原子发射光谱法用于分析固体样品中的金属元素。电弧或火花穿过样品，将其加热到高温以蒸发并激发其中的原子。被激发的样品原子发射特征波长的光，该光可以与衍射光栅一起被散射并且被定量地检测。定量火花分析可用于铸造和金属铸造设备的生产质量控制。
12.或者，可以通过激光诱导击穿光谱(libs)来提供等离子体，libs是一种使用高能激光脉冲作为激发源的原子发射光谱。通过雾化和激发样品材料来聚焦激光以形成等离子体。等离子体的形成仅在聚焦的激光达到光学击穿的特定阈值时开始，该阈值通常取决于环境和目标材料。libs利用光学发射光谱法，并且在这种程度上与电弧/火花发射光谱法非常相似。
13.要测量的发射线可以从红外光谱变化到紫外光谱。环境空气具有185nm的截止波长，吸收更短的波长。如果应当检测到更短的波长，则必须在无环境空气(例如在氩气气氛中)的情况下操作光学发射光谱仪，以便避免在光学系统中沿着从等离子体支架到检测器的光路的不期望的吸收。
14.普通光谱仪的性能，尤其是光谱分辨率，取决于光谱仪的设置和调节、所应用的光学部件、它们的布置以及用于这些部件和用于基板的材料。本发明避免了由于非最佳调节而导致的性能的任何降低，因为光学系统和等离子体支架的直接和固定连接提供了两个部
件相对于彼此的限定的和恒定的调节，排除了任何手动未对准。
15.等离子体支架和光学系统之间的直接和固定连接导致从等离子体支架到光学系统的热量传递，从而导致光学系统的温度升高和最终热膨胀。热膨胀导致发射线相对于检测器的热漂移。由于光学系统的预热是相对缓慢的过程，因此发生的发射线的漂移可以由安装在分析单元上并在分析单元上执行的分析软件来连续地补偿，分析单元包括执行软件的处理器和存储测量数据的数据存储器。通过分析单元的漂移补偿和直接并固定地连接到光学系统的等离子体避免了在使用期间的对准误差和对准漂移，这两者都导致了良好的光谱分辨率和随着时间的推移的稳健性能。此外，避免关键的和耗时的对准过程使得根据本发明的光学发射光谱仪能够更快和更容易地使用，与根据具有复杂和故障敏感对准过程的现有技术的装置相比，具有更好的光谱分辨率。
16.因此，根据本发明的光学发射光谱仪提供了一种具有最小调节工作并且还提供了非常好的分辨率的光学发射光谱仪。
17.在另一个实施例中，等离子体支架凸缘和光学系统凸缘包括将两个凸缘连接在一起的不可调节的安装装置。这些安装装置确保等离子体支架凸缘和光学系统凸缘朝向彼此容易和简单地(自)对准。此外，凸缘彼此相向的位置和距离由安装装置固定。在该实施例中使用的安装装置可以是螺钉，销等，也可以是卡扣连接。
18.在另一个优选实施例中，至少光学系统凸缘和在入射狭缝和检测器之间的光路内的光学部件由相同的材料制成。这产生了均匀的温度分布，并且可以防止不必要的材料磨损的温度波动。
19.该材料可以是金属，优选轻金属。
20.在另一个实施例中，等离子体支架凸缘由电绝缘材料制成。绝缘材料防止由等离子体的产生所引起的电流流经等离子体支架和等离子体支架凸缘，从而保护等离子体支架和连接到其上的所有部件。优选使用夹层材料，如千丝板(trespa)或resopal，或热稳定塑料，如聚酰胺(尼龙)或聚醚醚酮(peek)，或陶瓷材料作为电绝缘材料。
21.在另一个优选实施例中，等离子体支架凸缘和光学系统凸缘之间的连接作为刚性齿状连接(例如，hirth接头)来执行，以防止两个凸缘之间的不对准。齿状连接确保连接点相互啮合，从而一方面实现了所希望的容易和简单的对准，另一方面防止了不对准。因此，优选使用hirth接头，其可用于连接两个元件，并且其特征是在每个元件的端面上啮合在一起的锥形齿。
22.当在维护过程中需要将等离子体支架从光学系统上拆下时，刚性齿状连接是特别有利的。自调节装置将确保保护等离子体的精确的直视。
23.在另一个实施例中，等离子体支架包括光学掩膜，该光学掩膜固定地连接到光学系统或等离子体支架，并适当地布置在等离子体支架和光学系统之间的光路内，以对等离子体的至少热部分进行遮蔽。
24.在另一个优选实施例中，等离子体支架是具有包含(例如带正电的)电极的火花室的火花支架。样品材料封闭该火花室并用作反电极。火花的轴线被定义为样品表面和(例如带正电的)电极尖端之间的连接线。沿等离子体内的火花的轴线存在大的温度梯度。直视地连接到等离子体支架的光学系统的入射孔径可以平行于火花的轴线或垂直于火花的轴线定向。垂直取向减小了光谱仪系统的宽度，并且允许光学掩膜被放置在火花室和入射孔径
之间的光束路径中的任何位置，因为入射孔径相对于来自沿着火花轴线的方向的光束用作针孔照相机。等离子体的热部分位于样品表面附近。平行取向减小了光谱仪系统的高度，并迫使光学掩膜接近等离子体，以实现对等离子体的至少热区的急剧遮蔽。
25.在另一个实施例中，等离子体支架是激光诱导击穿光谱(libs)支架，其中激光聚焦作为目标材料的样品材料上以产生等离子体。
26.为了增加关于位置和时间的测量的灵活性并确保光学发射光谱仪的容易操作，优选光学发射光谱仪是移动装置。
27.此外，通过如上所述的设置和操作光学发射光谱仪的方法来实现该目的。因此，光学发射光谱仪包括直接固定地安装在等离子体支架凸缘上的等离子体支架和直接固定地安装在光学系统凸缘上的包括若干光学部件的光学系统。用于操作这些光学发射光谱仪的方法包括以下步骤
28.将所述等离子体支架凸缘与所述光学系统凸缘彼此直接固定连接；
29.从样品材料建立发光等离子体；
30.使用包括至少一个入射孔径和至少一个衍射光栅的光学系统产生由等离子体发射的光的光谱，所述光谱是样品材料的特征；
31.通过一个或多个检测器测量光谱；和
32.有分析单元分析所测量的光谱，并考虑所述光学系统的热膨胀，补偿可能由从所述等离子体支架传递到所述光学系统的热量所引起的所述光谱相对于所述检测的漂移。
33.在另一个实施例中，该方法还可以包括以下步骤：通过光学掩膜来遮蔽等离子体的至少热部分，该光学掩膜适于设置在等离子体支架和光学系统之间的光路内，并且根据光学系统相对于火花轴的取向而固定地连接到光学系统或等离子体支架。
34.上面列出的实施例可以单独使用或以任何组合使用，以提供根据本发明的装置和方法。
附图说明
35.本发明的这些和其它方面在下面的图示中详细示出。
36.图1：根据本发明的光学发射光谱仪的实施例的示意图，其中等离子体支架和光学系统对准但处于未安装状态；
37.图2：根据本发明的光学发射光谱仪的实施例的示意图，其中等离子体支架和光学系统彼此对准和安装；
38.图3：根据本发明的等离子体支架的示意图，等离子体支架作为，电弧/火花支架(a)，具有反射镜元件的libs支架(b)，和没有反射镜元件的libs支架(c)，和(d)滑动火花光谱仪；和
39.图4：根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
40.图1和图2示出了光学发射光谱仪1，其包括用于从样品材料建立发光等离子体的等离子体支架2、和用于测量由等离子体发射的光l的光谱的光学系统3，光l的光谱是样品材料的特征。光学系统3包括至少一个光入射孔径31、用于将来自等离子体a的光l衍射成光
谱的至少一个衍射光栅、以及用于测量光l的光谱的一个或多个检测器33。光学系统3的这些部件和相关的光学系统凸缘3b由相同的材料制成，为了承受温度，该材料是金属。等离子体支架2和等离子体支架凸缘2b也由同样也是金属的相同材料制成。另一方面，等离子体支架凸缘2b可以由trespa制成，以电绝缘等离子体支架2。然而，不排除等离子体支架凸缘2b由合适的塑料、陶瓷或resopal或其组合制成。光学发射光谱仪1还包括分析单元34，分析单元34适于分析测量的光谱，并且考虑到光学系统3的热膨胀，补偿可能由从等离子体支架2传递到光学系统3的热量所引起的光谱相对于检测器33的漂移。
41.为了安装在一起，等离子体支架2及其等离子体支架凸缘2b朝向光学系统3的光学系统凸缘3b对准。如图1所示的等离子体支架2包括连接喷嘴21，其固定地连接到等离子体支架2的等离子体支架凸缘2b。为了更好和更容易地将等离子体支架凸缘2b对准光学系统凸缘3b，光学系统凸缘3b提供导向装置4。在图1所示的实施例中，这些导向装置4是销。然而，这些导向装置4可以是导轨或类似装置。作为用于对准等离子体支架2和光学系统3的进一步的引导支撑，入射孔径31和连接喷嘴21具有互补的几何形状，使得连接喷嘴21可以插入到入射孔径31中。
42.在等离子体支架2安装到光学系统3的状态下，如图2所示，等离子体支架2和光学系统3分别直接和固定地安装在彼此直接和固定连接的等离子体支架凸缘2b和光学系统凸缘3b上。因此，用不可调节的安装装置5将等离子体支架凸缘2b安装到光学系统凸缘3b上，在该示例中，安装装置5是螺钉和销5的组合。代替螺钉，可以使用卡扣连接。
43.为了测量光学发射光谱仪1中的各个光谱分量，必须传输由等离子体支架2中产生的等离子体所发射的光。这里描述的光学发射光谱仪1假定了从样品材料(一部分)产生等离子体的两种可能性。等离子体支架2可以是电弧/火花支架2，参见图3a)和图3c)，或者是激光诱导击穿光谱libs支架2，参见图3a)。
44.图3a)示出了作为电弧/火花支架2的等离子体支架2，其中在两个电极22,23之间建立放电a以产生样品材料的电弧/火花等离子体。
45.反电极由样品材料23制成。电弧/火花as的轴线布置成基本上垂直于入射孔径31。这里，相对于该孔的方向的“入射孔径”意味着该孔的轴线。
46.然而，在图3a)的实施例中，也可以将电弧/火花as的轴线布置成平行于入射孔径31。所建立的电弧/火花a蒸发样品材料电极23，产生发射光l的等离子体，用于光学系统3中的光谱分析。
47.图3b)和图3c)各自示出了如在激光诱导击穿光谱(libs)中使用的等离子体支架2。在libs中，样品材料23被蒸发并由激光la激发。样品材料23布置在激光la下方的样品支架24上，使得激光la聚焦在作为目标材料的样品材料23上以产生等离子体。在图3b)的实施例中，所产生的等离子体分别由等离子体发射的光l反射然后被光学装置25聚焦，尤其是分别由等离子体支架2中的反射镜元件和聚焦透镜反射和聚焦，以将光l传输到光学系统3的入射孔径31。这允许光l的聚焦和精度的提高。在图3c)的实施例中，所产生的等离子体分别将由等离子体发射的光l直接传输到入射孔径31。该实施例更简单并且允许等离子体的空间遮蔽和尺寸的减小。
48.图3d)示出了示意性可视化的滑动火花光谱仪。电弧a在两个电极22之间点燃，并沿着设置在电极22之间的非导电样品23滑动，从而蒸发样品材料并将其转变为等离子体状
态。滑动火花等离子体发射样品材料的特征光谱线。可以将直射光光学器件安装成与火花支架自对准。
49.图4示出了如上所述的建立和操作光学发射光谱仪1的方法100。为此，直接和固定地安装在等离子体支架凸缘2b上的等离子体支架2和包括直接和固定地安装在光学系统凸缘3b上的多个光学装置32,33的光学系统3最初作为单独的部件提供，如图2所示。在将等离子体支架2连接到光学系统凸缘3b之后，如果入射孔径和火花的轴线被定向为彼此平行，则光学掩膜被适当地布置在等离子体支架2和光学系统3的光路内，并且被固定地连接到例如等离子体支架2以遮蔽等离子体的至少热部分。在第二步骤120中，建立从样品材料23发射等离子体的光l，从而利用包括至少一个入射孔径31和至少一个衍射光栅32的光学系统产生由等离子体发射的光l的光谱，该光谱是样品材料的特征。随后，在第三步骤130中，由光学系统3的一个或多个检测器33测量光l的光谱。在测量之后，执行第四步骤140，其中分析所测量的光l的光谱，并且通过分析单元来补偿可能由从等离子体支架2传递到光学系统3的热量所引起的光l的光谱相对于检测器33的漂移。在另一个实施例中，该方法还可以包括步骤150，通过光学掩膜遮蔽等离子体的至少一个热部分，该光学掩膜适于布置在等离子体支架2和光学系统3之间的光路内，并且根据光学系统3相对于火花as的轴线的取向而固定地连接到光学系统3或等离子体支架2。
50.参考数字列表
51.1根据本发明的光学发射光谱仪
52.2等离子体支架
53.2b等离子体支架凸缘
54.21连接喷嘴
55.22等离子体支架的电极
56.23样品材料
57.24样品支架
58.3光学系统
59.3b光学系统凸缘
60.31入射孔径，例如入射狭缝
61.32衍射光栅
62.33检测器设置
63.34控制单元
64.4导向装置
65.5安装装置
66.100用于建立和操作根据本发明的光学发射光谱仪的方法
67.110将等离子体支架凸缘和光学系统凸缘直接固定地连接在一起
68.120从样品材料建立(120)发光等离子体
69.130测量由等离子体发射的光的光谱
70.140分析测量的光谱并补偿光谱相对于检测器的漂移
71.150通过光学掩膜遮蔽等离子体的至少热部分
72.a弧线
73.as电弧/火花的轴线
74.la激光
75.l光