多微空心陰極光源和原子吸收光譜儀的製作方法

2023-12-03 00:48:46 2

專利名稱：多微空心陰極光源和原子吸收光譜儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種多微空心陰極光源，該光源可被用於多元素同時檢測吸收光譜法中，可同時多點光發射，還涉及應用該光源的ー種原子吸收光譜儀。
背景技術：
原子吸收光譜法是眾所周知的高精度定量測量樣品中所含微量金屬的方法。在原子吸收光譜法中，樣品在高溫下被原子化，含有原子化樣品的氣體受到光的輻照。樣品中所含微量金屬的吸收光譜由相應的吸收光譜測量。在原子吸收光譜法中，需要發射分析靶元素明線光譜的光源。當分析多個元素吋，需要發射元素的相應明線光譜的光源。專利文件I公開了作為光源提供這些元素明線光譜的多微空心陰極(multi-micro hollow cathode)光源。所述專利文件I中公開的光源具有堆疊在一起的陽極板、絕緣板和由銅或銅合金製成的陰極板；貫穿堆疊構型的多個通孔，每個孔具有Icm以 下的直徑；以及金屬板，在陰極板的通孔開ロ處提供所關注的明線光譜，由此提供多個金屬元素的相應明線光譜。換句話說，專利文件I中公開的光源是單點光源，該光源提供多種類型的對應於關注金屬元素的空心陰極放電。現有技術文獻專利文獻專利文獻I :日本專利申請特許公開(特開)No. 2007-257900發明概要發明要解決的問題然而，專利文件I中公開的多微空心陰極光源在控制由多個單點光源提供的空心陰極放電上遇到了困難。此外，為了提取光，專利文件I中公開的多微空心陰極光源須使用與單點光源相應的複雜光程，這需要一個麻煩且昂貴的生產過程，是有問題的。因而，本發明的目的在於提供ー種光源，該光源可提供多個元素特徵明線光譜，並且由ー個基於空心陰極放電的單一點光源形成。解決問題的手段在本發明的第一方面中，提供一個多微空心陰極光源，該光源通過在氣氛氣體中產生微空心等離子體而發光，其特徵在於所述光源包括由具有高二次電子發射係數的金屬形成的陰極板；絕緣板；設置為經由絕緣板與陰極板相対的陽極板；貫穿陰極板、絕緣板和陽極板的單孔，其具有Icm以下的直徑；多個含有元素的金屬片，其提供多個對應於所述元素的特徵明線光譜；以及氣氛氣體，其中陰極板具有多個由孔處放射狀連續延伸的槽，並且所述多個金屬片容納於槽中。每個金屬片的量可根據金屬片的材料而改變。同樣，每個金屬片的量也可容易地根據每片的厚度、每ー個槽容納的片數等等而改變。金屬片的厚度和數量可容易地通過調整相應槽的寬度而調節。每個槽可容納多個金屬片，金屬片可由相同的材料或相互不同的材料形成。一些槽可容納由相同材料形成的金屬片。通過調整每個金屬片的量，可控制所關注金屬元素的光譜強度。槽的構型圖案沒有特殊限制，只要槽由孔放射狀延伸即可。在一個示例性的構型中，四個槽由孔處呈十字形延伸。優選地，槽沿垂直於陰極板主表面方向穿透陰極板。在這個例子中，容納於槽中的金屬片沿孔的軸向的長度增加，暴露於孔內壁的金屬片部分的面積增加，由此金屬片的濺射效率提高，導致金屬元素的光譜強度增加。從另一方面，金屬片對槽的穿透在製作上容易。不優選提供過多的槽的數量和每個槽的過大的寬度，因為具有高二次電子發射係數的金屬暴露於孔內壁的面積減少，導致金屬片濺射效率降低。因此，槽的數量優選為約2個至約8個，每個槽的寬度優選為孔直徑的約0. I至約0. 9倍。孔優選具有Imm以下的直徑，因為等離子體可高密度地局限於孔中。該直徑對提供單點光源是有利的。本發明的光源設計為使用壓力為環境大氣壓或略低於環境大氣壓的氣氛氣體。為獲得寬發射(如，準分子(excimer))，光源還可在加壓條件下使用。通常，當氣氛氣體壓力增加，孔直徑可減小。考慮到使用光源的上述壓力，孔直徑優選為IOym以上。絕緣板中的孔直徑優選地略大於陰極板中的孔直徑或陽極板上的孔直徑。具體地說， 為了防止放電時絕緣板融化，絕緣板上的孔直徑優選地比陰極板上的孔直徑或陽極板上的孔直徑大100 u m至1000 u m。本發明使用的氣氛氣體優選為惰性氣體如He、Ne、Ar、Kr或Xe，其中特別優選He和Ne，因為可由金屬獲得高效二次電子發射。陰極板材料即具有二次電子發射係數的金屬的實例包括銅、銅合金、銀、銀合金、鑰、鑰合金、鎢及鎢合金中的至少一種。金屬優選地具有0.2以上，更優選地為1.0以上的二次電子發射係數。其中，從低成本(易於得到)及高二次電子發射係數和導熱係數的觀點考慮，優選銅或銅合金。同樣，陽極板也優選由銅或銅合金形成。本發明的第二方面涉及第一方面的多微空心陰極光源的一個具體實施方案，其中具有高二次電子發射係數的金屬是銅或銅合金。本發明的第三方面涉及第一或第二方面的多微空心陰極光源的一個具體實施方案，其中氣氛氣體為氦氣。本發明的第四方面涉及第一至第三方面的多微空心陰極光源的一個具體實施方案，其中孔具有Imm以下的直徑。在本發明的第五方面中，提供了同時檢測多個元素的原子吸收光譜儀，其特徵為包含第一至第四方面中所敘述的多微空心陰極光源。發明效果根據本發明，多個暴露於設置在陰極板中的孔的內壁的金屬片可被高效地同時濺射，由此可形成多個金屬元素的高密度等離子體。結果，可獲得多個所關注金屬元素相應的明線光譜。本發明所述的只有一個單孔的光源，用作單點光源。因而，可輕鬆建立應用光的光路構型。例如，通過使用本發明所述的光源，例如原子吸收光譜儀的設備可被低成本生產。因為放電在一個單孔中發生，所以可容易地控制放電。可通過調整容納在槽中的金屬片的數量或其他條件輕易地控制明線光譜的強度。


[圖I]實施方案I所述的多微空心陰極光源的構型示意圖。[圖2]電極板I的橫截面。[圖3]從陰極板11的方向觀察的電極板I的平面圖。[圖4]放射譜。[圖5]實施方案2所述的原子吸收光譜儀的結構示意圖。
具體實施例方式在下文中，將參照附圖描述本發明的實施方案。另外，實施方案不得被解釋為對本發明的限制。實施方案I 圖I是實施方案I的多微空心陰極光源的構型示意圖。多微空心陰極光源具有電極板I、外殼2、透鏡3以及電極板固定構件4。由玻璃製成的外殼2提供密封的、空心圓柱形空間。電極固定構件4置於外殼2的內部。在外殼2中，電極固定構件4適於固定電極板I以便使板面和圓筒軸對齊。外殼2中充入氦氣。外殼2在沿著圓筒軸向ー側具有透鏡3，以聚集外殼2中發射的光束以及輸出聚集光。外殼2可配置有管道系統，以便外殼中的氦氣可流通，並且可調節內部壓力。為提高發射強度，內部壓カ優選調為0. 01至0. I大氣壓。圖2為電極板I的結構的放大的橫截面。如圖2所示，電極板I由陰極板11、絕緣板12、陽極板13和金屬片14形成。絕緣板12夾在陰極板11和陽極板13之間。陰極板11和陽極板13由銅製成，並且絕緣板12由陶瓷材料製成。陰極板11和陽極板13分別經由電線與電源進行電連接。利用電源，陰極板11接地，陽極板13被施加正電壓。不必說，陽極板13可接地，而陰極板11可被施加負電壓。陰極板11具有Imm的厚度，而絕緣板12和陽極板13各自具有0. 3mm的厚度。陰極板11、絕緣板12和陽極板13均為具有直徑為2cm的圓形。陰極板11、絕緣板12和陽極板13的中心分別具有孔15a、15b和15c。孔15a至15c呈同心設置，以提供ー個貫穿通孔15。陰極板11中的孔15a和陽極板13中的孔15c各具有Imm的直徑，絕緣板12中的孔15b具有I. 2mm的直徑。絕緣板12中的孔15b的直徑調整為略大於陰極板11中的孔15a和陽極板13中的孔15c的直徑，以防止絕緣板12在放電時被融化。圖3為從陰極板11的方向觀察的電極板I的平面圖。如圖3所示，陰極板11配置有四個由孔15a十字形放射狀連續延伸的直線槽16。槽16貫穿陰極板11。每個槽16具有0. 2mm的寬度和6_的長度。四個由不同材料製成的金屬片嵌入並埋置在四個槽16中。四個金屬片14分別由Zn、Cd、Pb和Cr形成。姆個金屬片14呈厚度為0. 2mm的長方形(1mm X 5mm; 0下面將描述實施方案I中的多微空心陰極光源的發光原理。當向陰極板11和陽極板13間施加電壓時，外殼2中包含的氦氣被電離，從而在孔15中和開ロ附近產生等離子體。等離子體中的離子經電場被吸到陰極板11並導致與之相撞。通過離子的碰撞，形成陰極板11的銅離子和電子被解離出。這樣釋放出的電子，其被稱為二次電子，促進了原子的進ー步電離，有效地引發等離子體的產生。由於陰極板11由具有高二次電子發射係數的銅製成，因此可在孔15內和開ロ附近產生等離子體。孔15內產生的高密度等離子體有效地濺射暴露於孔15a內壁的四個金屬片14。結果產生了具有五種元素Zn、Cd、Pb、Cr (形成金屬片14的金屬元素)和Cu(陰極板11的材料)的高密度的等離子體。因此微空心陰極放電的發射光譜歸屬於Zn、Cd、Pb、Cr、Cu五種元素的特徵明線。如上文所描述，實施方案I的多微空心陰極光源雖然是基於微空心陰極放電的單點光源，卻可提供包含多個金屬元素的特徵明線光譜的光。圖4是發射光譜。在測量中，電流和內壓分別調節為25mA和0.05大氣壓。由光譜可清楚地看到，波長213nm、357nm、283. 3nm、324nm和228nm的特徵明線分別歸屬於Zn、Cr、Pb、Cu和Cd。換句話說，發現可由多微空心陰極光源獲得包含五種元素特徵明線的光。如光譜所示，Pb和Cr的特徵發射強度較低，與Zn、Cu和Cd相比，其明線相對較寬。然而，如果增加各個槽16的寬度，由Pb和Cr製成的金屬片14的量增加，或者每個金屬片14的厚度增加，Pb和Cr的特徵發射強度可得到增強，由此可獲得更清晰的明線。 實施方案2實施方案2是使用實施方案I中所述多微空心陰極光源的原子吸收光譜儀。如圖5所示，原子吸收光譜儀具有多微空心陰極光源100 (實施方案I)、準直鏡101、濺射裝置102、聚光透鏡103和光接收兀件陣列104。多微空心陰極光源100發射包含多個金屬兀素的特徵明線的光，其為測量的目標。濺射裝置102形成樣品的等離子體。由多微空心陰極光源100發射的包含多個金屬元素的特徵明線的光通過準直鏡101轉換成為平行光束，在濺射裝置102中的等離子體105被所述平行光束輻照。穿過等離子體105的平行光束通過聚光透鏡103聚集，會聚光到達光接受元件陣列104。結果，可檢出等離子體105中的多個金屬元素(檢測對象)。通過測量每個元素的原子吸收百分比，可同時確定金屬元素的密度。由於原子吸收光譜儀使用實施方案I的多微空心陰極光源100作為光源，因此只提供一個光軸。因此可通過非常簡單的方式建立起從光源到光接收元件陣列104的光路。從而，原子吸收光譜儀可小尺寸和低成本生產。在實施方案2中，樣品在高溫下通過濺射被原子化以形成等離子體。可替代地，也可使用在原子吸收光譜儀中常規使用的原子化技術如雷射燒蝕、火焰和電加熱法。工業應用本發明所述多微空心陰極光源可用於原子吸收光譜儀等儀器中。附圖標記描述I 電極板2 :外殼3 :透鏡4:電極板固定構件11:陰極板12 :絕緣板13:陽極板14 :金屬片15 :孔
16 :槽100 :多微空心陰極光源101 :準直鏡102 :濺射裝置
103 :聚光透鏡104:光接收元件陣列
權利要求
1.多微空心陰極光源，通過在氣氛氣體中產生微空心等離子體而發射光，其特徵為所述光源包含 陰極板，由具有高二次電子發射係數的金屬形成； 絕緣板； 陽極板，設置為經由所述絕緣板與所述陰極板相對置； 貫穿所述陰極板、所述絕緣板和所述陽極板的單孔，所述單孔具有Icm以下的直徑； 多個包含元素的金屬片，其提供多個所述元素的特徵明線光譜；和 氣氛氣體； 其中所述陰極板具有多個由所述孔放射狀連續延伸的槽，所述多個金屬片被容納在所述槽中。
2.根據權利要求I所述的多微空心陰極光源，其中所述具有高二次電子發射係數的金屬為銅或銅合金。
3.根據權利要求I或2所述的多微空心陰極光源，其中所述氣氛氣體為氦氣。
4.根據權利要求I至3所述的多微空心陰極光源，其中所述孔具有Imm以下的直徑。
5.用於同時分析多個元素的原子吸收光譜儀，其特徵為包含權利要求I至4中任一項所述的多微空心陰極光源。
全文摘要
本發明提供了一種多微空心陰極光源，該光源是一種單點光源。所述多微空心陰極光源配置有陰極板(11)、絕緣板(12)、陽極板(13)以及金屬片(14)。所述絕緣板(12)夾在陰極板(11)和陽極板(13)之間。所述陰極板(11)由銅製成。陰極板(11)、絕緣板(12)和陽極板(13)的中心分別具有孔(15a、15b和15c)。所述孔洞形成貫通孔(15)。如圖3所示，四個直線槽(16)在陰極板(11)上以孔(15a)為中心從孔(15a)處以十字形連續延伸開去。每個直線槽(16)均貫穿陰極板(11)。四個由彼此各不相同的材料製成的金屬片(14)嵌入並埋置在四個直線槽(16)中。
文檔編號G01N21/31GK102770938SQ201180010218
公開日2012年11月7日 申請日期2011年2月8日 優先權日2010年2月22日
發明者伊藤昌文, 加納浩之, 堀勝, 太田貴之, 山川晃司 申請人:Nu生態工程株式會社, 國立大學法人名古屋大學, 學校法人名城大學, 片桐工程株式會社