用于原子吸收光谱仪的中阶梯光栅

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3.0 陈辉 2024-11-19 6 4 1.72MB 50 页 15积分

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摘要

原子吸收光谱法作为重要的仪器分析方法之一，对测定微量与痕量元素起着

重要的作用。原子吸收光谱仪以其操作简单、价格低廉、分析灵敏度高等优点曾

一度得到广泛的应用。但随着新技术的发展以及对测量要求的提高，以锐线光源

作为辐射光源、以普通闪耀光栅为分光元件的原子吸收光谱仪器已经不能满足多

元素同时测定以及高灵敏度的要求。本文对原子吸收光谱仪的分光和检测系统分

别做了研究。

文中以闪耀光栅为核心元件对光谱仪分光系统基本特性做了分析，同时结合

棱镜分光原理对系统的像差做了说明；然后对现有中阶梯光栅分光系统做了研

究，得出结论：中阶梯光栅是原子吸收光谱仪分光系统的理想分光元件。最终确

定采用中阶梯光栅和棱镜相结合的分光系统，由中阶梯光栅完成一次色散，再由

棱镜完成二次色散解决级次重叠的问题，从而达到对连续光谱二维分光的目的。

基于分光元件对原子吸收光谱仪特性的约束关系，本文重点对中阶梯光栅的

制备工艺进行了改进。实验结果表明，通过利用 PLC 控制光栅刻划机、在镀制基

坯铝膜前先镀一层几十纳米的铬（Cr）、刻划前在基坯表面加硅油以及改变调试

和刻划过程中的经验值等方法制得了基本满足分光系统需要的中阶梯光栅。最终

刻制出了 63.4°闪耀角，79 线/mm 和 600 线/mm 的中阶梯光栅。

对原子吸收光谱仪检测系统分析表明，固态检测器是理想的光电转换器件。

本文首先选择 S1722-02 型硅光二极管设计了基本的放大电路，并将其应用到现

有光谱仪器中。借助已有光谱仪用数据处理软件对锐线光源的光谱进行了处理，

现有软件可以满足图像三维处理能力。本文的研究内容为原子吸收光谱仪的进一

步发展提供了可行的技术方案。

关键词：原子吸收光谱仪中阶梯光栅二维分光固态检测器

ABSTRACT

Atomic absorption spectrometry plays an important role as one of important

instrument analysis methods in the testing of microelement and trace element. The

atomic absorption spectrometer (AAS) once has the wide application with its simple

operation, low cost, high sensitivity analysis of advantages. But along with the

development of new technology and the increase of measurement requirements, AAS

has not satisfied the simultaneous determination of many elements and the high

sensitivity requirement with sharp lines sources as radiation sources, ordinary blazed

grating as spectral components. The spectrometer and detection system of atomic

absorption spectrometer and detection system have been done research respectively in

this paper.

The basic characteristics of spectrophotometric are analyzed based on the blazed

grating which is the core element on the spectrometer system in this thesis, and the

aberration is illustrated combining with the prism spectrometer. Then the existing

echelle spectrometer system is researched and a conclusion is made that echelle is an

ideal spectral component in the spectral system of atomic absorption spectrometer.

The first order dispersion is finished by echelle, and prism solves the problem of

overlapping grades in the second order dispersion. Then, the 2D spectroscopy for

continuous light sources is finished.

Based on the constraint relations of spectral components for the characteristics of

atomic absorption spectrometer, this paper improves the preparation technology of

echelle. The experimental results show that some methods can meet the need of

echelle in the spectrophotometric system such as the use of PLC control grating score

machine, coated a layer of dozens of nano basal plating chromium on the blank

grating under aluminum layer, dropped the silicone oil in the surface before casting

and change the experience value in the process and debugging and curving. Finally,

the echelle with 63.4°blazing angle, 79 or 600 lines per millimeter is made.

The analysis result on the atomic absorption spectrometer shows that solid

detector is the ideal photoelectric devices. This paper selects S1722-02 type silicon

diode firstly, designs a basic amplifier circuit and uses it in the existing spectral

instruments. Using existing data processing software to processing the spectrum of

line source can meet the 3D image processing ability. This paper provides a feasible

technology solution for the further development of AAS.

Keywords: atomic absorption spectrometer, echelle, 2D spectroscopy,

solid detector

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 引言 ......................................................1

§1.2 国内外研究现状 ............................................2

§1.3 本课题主要研究内容 ........................................2

第二章原子吸收光谱仪分光系统 ...................................... 4

§2.1 原子吸收光谱法简介 ........................................4

§2.2 光谱仪分光系统基本特性 ....................................5

§2.2.1 工作范围 ............................................ 5

§2.2.2 色散 ................................................ 5

§2.2.3 分辨率 .............................................. 6

§2.3 棱镜分光原理 ..............................................7

§2.4 像差和成像系统 ............................................8

§2.5 中阶梯光栅分光系统研究 ....................................9

§2.6 本章小结 .................................................11

第三章分光系统核心元件--中阶梯光栅的研制 ......................... 13

§3.1 光栅理论基础 .............................................13

§3.1.1 光栅方程式 ......................................... 13

§3.1.2 光栅级数和自由光谱区域 ............................. 15

§3.1.3 分辨本领 ........................................... 16

§3.1.4 色散 ............................................... 17

§3.1.5 反射光栅的闪耀 ..................................... 18

§3.1.6 中阶梯光栅理论 ..................................... 20

§3.2 中阶梯光栅的制备 .........................................21

§3.2.1 传统制备工艺 ....................................... 21

§3.2.2 刻划工艺改进 ....................................... 23

§3.2.3 光栅基坯薄膜制备 ................................... 23

§3.2.4 光栅成品制作 ....................................... 24

§3.2.5 数据处理与分析 ..................................... 27

§3.3 本章小结 .................................................31

第四章检测系统 ................................................... 32

§4.1 光电转换器件 ............................................. 32

§4.1.1 光电转换器件特性 ................................... 32

§4.1.2 光电转换器件分类及对比 ............................. 33

§4.2 光电转换系统 .............................................35

§4.2.1 光电二极管基本原理 ................................. 35

§4.2.2 基本放大电路 ....................................... 36

§4.3 采样数据处理 .............................................37

§4.4 本章小结 .................................................39

第五章结论与展望 ................................................. 40

参考文献 .......................................................... 42

在读期间公开发表论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 46

致谢 .............................................................. 47

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摘要：

摘要原子吸收光谱法作为重要的仪器分析方法之一，对测定微量与痕量元素起着重要的作用。原子吸收光谱仪以其操作简单、价格低廉、分析灵敏度高等优点曾一度得到广泛的应用。但随着新技术的发展以及对测量要求的提高，以锐线光源作为辐射光源、以普通闪耀光栅为分光元件的原子吸收光谱仪器已经不能满足多元素同时测定以及高灵敏度的要求。本文对原子吸收光谱仪的分光和检测系统分别做了研究。文中以闪耀光栅为核心元件对光谱仪分光系统基本特性做了分析，同时结合棱镜分光原理对系统的像差做了说明；然后对现有中阶梯光栅分光系统做了研究，得出结论：中阶梯光栅是原子吸收光谱仪分光系统的理想分光元件。最终确定采用中阶梯光栅和棱镜相结合的分光...

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