專利名稱：基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈輔助系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及原子熒光的分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及原子熒光的光路對準(zhǔn)和光源漂移校準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在原子熒光分析技術(shù)中，激發(fā)光源的強度和穩(wěn)定性直接決定了原子熒光光譜儀的分析靈敏度和重復(fù)性。激發(fā)光源的強度越高，分析靈敏度也就越高；激發(fā)光源的穩(wěn)定性越好，分析重復(fù)性也就越好?？招年帢O燈具有操作方便，靈敏度高、成本低、可以脈沖調(diào)制等優(yōu)點，是目前原子熒光在普遍使用的激發(fā)光源。
作為原子熒光的激發(fā)光源，空心陰極燈經(jīng)過透鏡成像后的光斑位置直接決定了分析靈敏度和重復(fù)性。當(dāng)光斑位置偏離觀測點(即原子化器的中心線和透鏡光軸的交匯點)時，原子熒光的分析靈敏度急劇下降。目前用于原子熒光空心陰極燈的對光系統(tǒng)一般均采用將入射光照射到某一個帶有刻度線的平面上，然后進(jìn)行目測的形式進(jìn)行對光，對光結(jié)束后需要手動移去對光裝置，因此對光的準(zhǔn)確度較差，且無法實現(xiàn)對光的自動化和數(shù)字化，從而會影響分析結(jié)果的靈敏度和重復(fù)性。對于需要頻繁更換空心陰極燈后的多次對光操作，根本無法保證多次對光之間光斑位置的一致性，因此長期測量結(jié)果的重復(fù)性也無法保證。目前在原子熒光空心陰極燈的對光系統(tǒng)方面，還未見有相關(guān)的報道及專利出現(xiàn)。由于空心陰極燈的發(fā)光強度直接決定了原子熒光分析的靈敏度和重復(fù)性，因此當(dāng)空心陰極燈的發(fā)光強度發(fā)生光源漂移時，原子熒光分析的靈敏度就會隨之發(fā)生光源漂移，因此分析結(jié)果的重復(fù)性也無法得到保證。專利號為ZL200320100040. 0的實用新型專利報道了一種用于原子熒光光譜儀的扣除光源漂移和脈動的裝置，在光源的光通過透鏡之前，將少部分光線直接照射到光源檢測器上或者通過光導(dǎo)纖維導(dǎo)到光源檢測器上，經(jīng)過放大和數(shù)據(jù)處理，同步監(jiān)控并扣除光線的光源漂移和脈動。然而，該裝置在光源輻射的光通過透鏡之前，將少部分光線直接照射到光源檢測器上或者通過光導(dǎo)纖維導(dǎo)到光源檢測器上的設(shè)計會損失一部分的光能量，在一定程度上影響了分析靈敏度，同時在光路系統(tǒng)上設(shè)置光纖或光源檢測器的設(shè)計會嚴(yán)重影響光源在原子化器上方觀測點的正常聚焦和成像，進(jìn)而影響原子熒光的正常產(chǎn)生，此外該裝置不能同時用于空心陰極燈光路的對準(zhǔn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述問題，提出了一種基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈輔助系統(tǒng)及方法，采用四象限探測器和透鏡首次實現(xiàn)了原子熒光空心陰極燈的高精度數(shù)字化光路對準(zhǔn)。此外利用四象限探測器的四個象限光電流之和的變化，控制系統(tǒng)實時調(diào)節(jié)燈電流，用于校準(zhǔn)空心陰極燈的光源漂移。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括一種基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈輔助系統(tǒng)，第一透鏡設(shè)置于空心陰極燈前方，使所述空心陰極燈發(fā)出的光線匯聚于第一透鏡后方的觀測點處，其特征在于在所述觀測點后方設(shè)有輔助透鏡與四象限探測器，所述輔助透鏡以及所述四象限探測器均與所述第一透鏡同軸設(shè)置，使匯聚于所述觀測點處的光線經(jīng)過所述輔助透鏡后在所述四象限探測器上形成光斑；所述四象限探測器再通過信號處理電路連接控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)還與所述空心陰極燈連接。所述信號處理電路包括依次連接的前置放大器、帶通濾波器、同步解調(diào)器與AD轉(zhuǎn)換器。所述同步解調(diào)器采用與空心陰極燈脈沖頻率和時間同步的調(diào)制方式。所述輔助透鏡為雙凸石英透鏡，其直徑為2 30mm，焦距為3 40mm ;所述四象限探測器與所述輔助透鏡之間的距離為3 80mm ;所述輔助透鏡與觀測點的距離為3 80mm。所述四象限探測器是將四個性能完全相同的光電管按照直角坐標(biāo)要求排列而成 的集成光電探測器件。所述四象限探測器的四個象限均為正方形，其邊長為f 10mm。所述四象限探測器的四個象限均為1/4圓形，其半徑為f 10mm。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括一種使用基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈輔助系統(tǒng)進(jìn)行光路對準(zhǔn)的方法，其特征在于所述四象限探測器接收到空心陰極燈的脈沖光源輻射后，所述四象限探測器的四個探測器所接收的光信號分別轉(zhuǎn)化為電流信號，然后被所述信號處理電路處理，被傳遞給所述控制系統(tǒng)；所述控制系統(tǒng)通過比較所述四個探測器產(chǎn)生的電流信號，得到光斑所處的位置；當(dāng)所述光斑的位置偏離四象限探測器的原點時，所述控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號給所述空心陰極燈，使空心陰極燈發(fā)出的光線向所述四象限探測器的原點偏移，直至所述四個探測器輸出的光電流均相同為止。當(dāng)空心陰極燈完成光路對準(zhǔn)后，所述控制系統(tǒng)實時監(jiān)測所述四象限探測器的四個探測器所探測到的四個象限的合并光電信號強度，然后通過比較所述合并光電信號強度隨時間變化的數(shù)值，計算出光源漂移的比例；所述控制系統(tǒng)根據(jù)該比例，對所述空心陰極燈的燈電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使所述合并光電信號強度保持不變。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案包括一種使用基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈輔助系統(tǒng)進(jìn)行光源漂移校準(zhǔn)的方法，其特征在于所述四象限探測器接收到空心陰極燈的脈沖光源輻射后，所述四象限探測器的四個探測器所接收的光信號分別轉(zhuǎn)化為電流信號，然后被所述信號處理電路處理，被傳遞給所述控制系統(tǒng)；所述控制系統(tǒng)實時監(jiān)測所述四象限探測器的四個探測器所探測到的四個象限的合并光電信號強度，然后通過比較所述合并光電信號強度隨時間變化的數(shù)值，計算出光源漂移的比例；所述控制系統(tǒng)根據(jù)該比例，對所述空心陰極燈的燈電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使所述合并光電信號強度保持不變。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明光路對準(zhǔn)精度高、重復(fù)性好，可以自動監(jiān)測及校準(zhǔn)光源漂移，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，自動化程度高，在原子熒光分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其是空心陰極燈自動對光及光源漂移校準(zhǔn)等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前
景


圖I為四象限探測器的平面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈光路對準(zhǔn)及光源漂移校準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。附圖標(biāo)記說明A_第一象限探測區(qū)；B_第二象限探測區(qū)；(第三象限探測區(qū)；D-第四象限探測區(qū)；1-空心陰極燈；11_燈電源；2_第一透鏡；3_原子化器；4_觀測點；5-第二透鏡；6_光電倍增管；7_輔助透鏡；8_四象限探測器；91_前置放大器；92_帶通濾波器；93-同步解調(diào)器；94-AD轉(zhuǎn)換器；95_控制系統(tǒng)。
具體實施例方式圖I為四象限探測器的平面結(jié)構(gòu)示意圖，其是將四個性能完全相同的光電管按照直角坐標(biāo)要求排列而成的集成光電探測器件，常用于激光制導(dǎo)或激光準(zhǔn)直中。每個象限中設(shè)有一個探測器(如，光電管)，當(dāng)聚焦的光斑照射在四個象限的原點上時，四個象限中的探測器接收的光強相同，輸出的光電流也相同。當(dāng)光線光斑的位置偏離四象限探測器的原點時，四個探測器輸出的光電流也就不相同，對四個探測器輸出的電流進(jìn)行差分處理，就可以得到光斑偏離中心的誤差信號。四象限探測器的光斑重心位置計算公式如下
「 n v t (Il+14) - (I2+I3)X=k—,~~~^
h十h十h+U「n '了 ! (I I+ !2) - (b+I#)Y=k------—
丨! +丨2+丨什丨4式中，X為光斑偏離原點的橫向偏移量；￥為光斑偏離原點的縱向偏移量；K為比例系數(shù)；11、12、13和14分別為第一、二、三和四象限A、B、C、D中探測器測量出的光電流。顯然，當(dāng)X、Y均為零時，就意味著聚焦的光斑照射在四個象限的原點上。如圖2所示，是基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈光路對準(zhǔn)及光源漂移校準(zhǔn)系統(tǒng)，第一透鏡2同軸地設(shè)置于空心陰極燈I前方，即，所述第一透鏡2的光軸與所述空心陰極燈I的中心線同軸設(shè)置，并使所述空心陰極燈I發(fā)出的光線匯聚于第一透鏡2后方的觀測點4處，在所述觀測點4下方設(shè)有原子化器3，在所述觀測點4上方又放置第二透鏡5與光電倍增管6，所述光電倍增管6、所述第二透鏡5與所述原子化器3同軸布置，即，所述光電倍增管6的中心線、所述第二透鏡5的光軸與所述原子化器3的中心線均同軸布置，當(dāng)位于觀測點4處的基態(tài)原子在空心陰極燈I的照射下產(chǎn)生微弱原子熒光信號，會經(jīng)過第二透鏡5成像在光電倍增管6的光陰極面上。如圖2所示，為了使所述空心陰極燈I發(fā)出的光線準(zhǔn)確匯聚于所述觀測點4處，本發(fā)明在所述觀測點4后方設(shè)有輔助透鏡7與四象限探測器8，所述輔助透鏡7以及所述四象限探測器8均與所述第一透鏡2同軸設(shè)置，使匯聚于所述觀測點4處的光線經(jīng)過所述輔助透鏡7后在所述四象限探測器8上形成光斑。所述四象限探測器8再通過信號處理電路(包括依序連接的前置放大器91、帶通濾波器92、同步解調(diào)器93與AD轉(zhuǎn)換器94)連接控制系統(tǒng)95，控制系統(tǒng)95再與所述空心陰極燈I連接。四象限探測器8接收到空心陰極燈I的脈沖光源輻射后，四個象限的四個探測器所接收的光信號轉(zhuǎn)化為微弱電流信號，被前置放大器91放大、濾波、同步解調(diào)和AD轉(zhuǎn)換后，以數(shù)字的形式顯示出來，被傳遞給所述控制系統(tǒng)95。所述控制系統(tǒng)95通過比較四個探測器產(chǎn)生的電流信號，即可得到光斑所處的位置。當(dāng)四個探測器產(chǎn)生的電流信號相同時，即認(rèn)為原子熒光空心陰極燈I的光路已經(jīng)被對準(zhǔn)。當(dāng)所述光斑的位置偏離四象限探測器8的原點時，四個探測器產(chǎn)生的電流信號也就不相同，所述控制系統(tǒng)95即可知道所述光斑的位置是否發(fā)生偏離、偏離方向以及偏離量，然后即可發(fā)出控制信號給所述空心陰極燈1，使空心陰極燈I發(fā)出的光線向所述四象限探測器8的原點偏移，直至四個探測器產(chǎn)生的電流信號均相同為止。當(dāng)空心陰極燈I完成光路對準(zhǔn)后，四象限探測器8在原子熒光采集數(shù)據(jù)的間隙實時監(jiān)測空心陰極燈I輻射光強度的變化。具體來說，所述控制系統(tǒng)95實時監(jiān)測所述四象限探測器8的四個探測器所探測到的四個象限的合并光電信號強度，然后通過比較所述合并光電信號強度隨時間變化的數(shù)值，計算出光源漂移的比例；并根據(jù)該比例，自動對所述空心陰極燈I的燈電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使所述合并光電信號強度保持不變，從而達(dá)到光源漂移校準(zhǔn)的目的。當(dāng)光源強度發(fā)生變化時，四象限探測器8探測到四個象限的合并信號發(fā)生變化，通過比較光源強度變化前后的數(shù)值，即可計算出光源漂移的比例。根據(jù)光源漂移的比例，控制系統(tǒng)95自動對空心陰極燈I的燈電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到光源漂移校準(zhǔn)的目的。在一個較佳的實施例中所述輔助透鏡7為雙凸石英透鏡,其直徑為2 30mm,焦距為3 40mm。所述四象限探測器8，響應(yīng)波長為20(Tll00nm。所述四象限探測器8的四個象限均為正方形，其邊長為f IOmm ;或者，所述四象限探測器8的四個象限均為1/4圓形，其半徑為f 10mm。所述同步解調(diào)器93采用與空心陰極燈I脈沖頻率和時間同步的調(diào)制方式。所述四象限探測器8與輔助透鏡7之間的距離為3 80mm，所述輔助透鏡7與觀測點4的距離為3 80mm。本發(fā)明在應(yīng)用于空心陰極燈I對光時，具體工作過程如下控制系統(tǒng)95通過燈電源11以既定的占度、占空比和燈電流點亮空心陰極燈I ;空心陰極燈I發(fā)射的光經(jīng)過第一透鏡2聚焦在原子化器3的上方的觀測點4上，進(jìn)行一次成像形成光斑；一次成像形成的光斑經(jīng)過輔助透鏡7的二次成像聚焦在四象限探測器8上；四象限探測器8的四個象限的光電管同時接收到來自空心陰極燈I的輻射，產(chǎn)生的微弱電流為前置放大器91所放大，然后依次經(jīng)過帶通濾波、同步解調(diào)和AD轉(zhuǎn)換，最終經(jīng)控制系統(tǒng)95計算出光斑偏離四象限原點的精確數(shù)值；其中，所述四象限探測器8的同步解調(diào)器93優(yōu)選采用與空心陰極燈I脈沖頻率和時間同步的調(diào)制方式；
根據(jù)計算出的偏移量，調(diào)節(jié)空心陰極燈I的位置，使空心陰極燈I的光斑向四象限原點移動，當(dāng)X和Y向的偏移量均為零，即四個象限光電流相同時，即認(rèn)為完成對光操作。本發(fā)明在應(yīng)用于空心陰極燈I光源強度光源漂移校準(zhǔn)時，具體工作過程如下在完成空心陰極燈I對光操作的前提下，控制系統(tǒng)95通過燈電源11以既定的占度、占空比和燈電流點亮空心陰極燈1，預(yù)熱30min后進(jìn)入光源漂移校準(zhǔn)狀態(tài)；空心陰極燈I發(fā)射的光經(jīng)過第一透鏡2聚焦在原子化器3的上方的觀測點4上，進(jìn)行一次成像形成光斑；一次成像形成的光斑經(jīng)過輔助透鏡7 二次成像聚焦在四象限探測器8上；四象限探測器8的四個象限的光電管同時接收到來自空心陰極燈I的輻射，產(chǎn)生的微弱電流為前置放大器91所放大，然后依次經(jīng)過帶通濾波、同步解調(diào)和AD轉(zhuǎn)換，最終經(jīng) 控制系統(tǒng)95計算出四個象限的合并光強度大小，即光源漂移校準(zhǔn)的基準(zhǔn)參考值；其中，所述四象限探測器8的同步解調(diào)器93優(yōu)選采用與空心陰極燈I脈沖頻率和時間同步的調(diào)制方式；當(dāng)空心陰極燈I發(fā)光強度發(fā)生光源漂移時，四象限探測器8探測到空心陰極燈I輻射的實際光強度大??；控制系統(tǒng)95將實時探測到的光強度值與基準(zhǔn)參考值進(jìn)行比較，計算其光源漂移量;控制系統(tǒng)95根據(jù)光源漂移量，實時調(diào)整燈電流的大小，使四象限探測器8的實際探測到的光強度值與基準(zhǔn)值相同，即達(dá)到實時校準(zhǔn)空心陰極燈I發(fā)光強度光源漂移的目的。本發(fā)明解決了傳統(tǒng)對光裝置和光源漂移校準(zhǔn)存在的精度差，光源利用效率低等問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，定位精度高，自動化程度高。以上說明對本發(fā)明而言只是說明性的，而非限制性的，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解，在不脫離權(quán)利要求所限定的精神和范圍的情況下，可作出許多修改、變化或等效，但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈輔助系統(tǒng)，第一透鏡設(shè)置于空心陰極燈前方，使所述空心陰極燈發(fā)出的光線匯聚于第一透鏡后方的觀測點處，其特征在于在所述觀測點后方設(shè)有輔助透鏡與四象限探測器，所述輔助透鏡以及所述四象限探測器均與所述第一透鏡同軸設(shè)置，使匯聚于所述觀測點處的光線經(jīng)過所述輔助透鏡后在所述四象限探測器上形成光斑；所述四象限探測器再通過信號處理電路連接控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)還與所述空心陰極燈連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈輔助系統(tǒng)，其特征在于所述信號處理電路包括依次連接的前置放大器、帶通濾波器、同步解調(diào)器與AD轉(zhuǎn)換器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈輔助系統(tǒng)，其特征在于所述同步解調(diào)器采用與空心陰極燈脈沖頻率和時間同步的調(diào)制方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈輔助系統(tǒng)，其特征在于所述輔助透鏡為雙凸石英透鏡，其直徑為2 30mm，焦距為3 40mm ;所述四象限探測器與所述輔助透鏡之間的距離為3 80mm ;所述輔助透鏡與觀測點的距離為3 80mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈輔助系統(tǒng)，其特征在于所述四象限探測器是將四個性能完全相同的光電管按照直角坐標(biāo)要求排列而成的集成光電探測器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈輔助系統(tǒng)，其特征在于所述四象限探測器的四個象限均為正方形，其邊長為f 10mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈輔助系統(tǒng)，其特征在于所述四象限探測器的四個象限均為1/4圓形，其半徑為f 10mm。
8.一種使用如權(quán)利要求I至6中任一項所述基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈輔助系統(tǒng)進(jìn)行光路對準(zhǔn)的方法，其特征在于 所述四象限探測器接收到空心陰極燈的脈沖光源輻射后，所述四象限探測器的四個探測器所接收的光信號分別轉(zhuǎn)化為電流信號，然后被所述信號處理電路處理，被傳遞給所述控制系統(tǒng)； 所述控制系統(tǒng)通過比較所述四個探測器產(chǎn)生的電流信號，得到光斑所處的位置；當(dāng)所述光斑的位置偏離四象限探測器的原點時，所述控制系統(tǒng)發(fā)出控制信號給所述空心陰極燈，使空心陰極燈發(fā)出的光線向所述四象限探測器的原點偏移，直至所述四個探測器輸出的光電流均相同為止。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述使用基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈輔助系統(tǒng)進(jìn)行光路對準(zhǔn)的方法，其特征在于當(dāng)空心陰極燈完成光路對準(zhǔn)后，所述控制系統(tǒng)實時監(jiān)測所述四象限探測器的四個探測器所探測到的四個象限的合并光電信號強度，然后通過比較所述合并光電信號強度隨時間變化的數(shù)值，計算出光源漂移的比例；所述控制系統(tǒng)根據(jù)該比例，對所述空心陰極燈的燈電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使所述合并光電信號強度保持不變。
10.一種使用如權(quán)利要求I至6中任一項所述基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈輔助系統(tǒng)進(jìn)行光源漂移校準(zhǔn)的方法，其特征在于 所述四象限探測器接收到空心陰極燈的脈沖光源輻射后，所述四象限探測器的四個探測器所接收的光信號分別轉(zhuǎn)化為電流信號，然后被所述信號處理電路處理，被傳遞給所述控制系統(tǒng)； 所述控制系統(tǒng)實時監(jiān)測所述四象限探測器的四個探測器所探測到的四個象限的合并光電信號強度，然后通過比較所述合并光電信號強度隨時間變化的數(shù)值，計算出光源漂移的比例； 所述控制系統(tǒng)根據(jù)該比例，對所述空心陰極燈的燈電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，使所述合并光電信號強度保持不變。
全文摘要
本發(fā)明提供一種基于四象限探測器的原子熒光空心陰極燈輔助系統(tǒng)及方法，所述輔助系統(tǒng)是在所述觀測點后方設(shè)有輔助透鏡與四象限探測器，使匯聚于所述觀測點處的光線經(jīng)過所述輔助透鏡后在所述四象限探測器上形成光斑；所述四象限探測器再通過信號處理電路連接控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)還與所述空心陰極燈連接；利用所述輔助系統(tǒng)，可以對原子熒光空心陰極燈系統(tǒng)進(jìn)行光路對準(zhǔn)與光源漂移校準(zhǔn)。本發(fā)明光路對準(zhǔn)精度高、重復(fù)性好，可以自動監(jiān)測及校準(zhǔn)光源漂移，在原子熒光分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其是空心陰極燈自動對光及光源漂移校準(zhǔn)等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。
文檔編號G01N21/64GK102866138SQ20121034020
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者梁敬, 陳璐, 王慶, 楊名名, 董芳, 侯愛霞, 張錦茂 申請人:北京瑞利分析儀器有限公司