一.分光系统

复合光经色散元件分光后，得到一条按波长顺序排列的光谱，能将复合光束分解为单色光，并进行观测记录的设备称为光谱仪。无论是单道扫描型，还是多通道固定狭缝型或全谱直读型，任何光谱仪通常都要满足以下条件：

1)有适当的波长范围和波长选择；

2）能从被检测的辐射源的特定区域里采集尽可能多的光。

为达到这两个目标，系统必须具备以下器件：①入射狭缝，将整个辐射光谱限定为与狭缝尺寸相同的窄带辐射；②准直器，将发散光转变为一束平行光；③色散元件，将谱线分开以找到所需的分析线；④聚焦元件，使被色散的分析线能量聚集在出射狭缝；⑤出射狭缝，使所需谱线与其他干扰线分离（全谱直读型仪器无需出射狭缝）。在ICP-AES光谱仪的分光系统中，采用的色散元件几乎全都是光栅。不同类型的光谱仪所采用的分光系统是有很大区别的。

1．艾伯特平面光栅分光系统与切尔尼-特纳分光系统

单道扫描型ICP-AES一般采用这两种光学装置。艾伯特平面光栅分光系统即垂直对称式光路装置，入射与出射狭缝分别位于光栅的两侧，并用单个凹形球面镜作为准直与聚焦的元件。从位于球面镜焦面下的狭缝进入的光线投射到准直镜的下半部，并被发射到光栅上。经光栅衍射后的光束投射到准直镜的上半部并聚焦在出射狭缝处，结构如图4-15所示。由于这两次反射均发生在轴外，所以无像差。此外，由于入射与衍射光束利用反射镜的不同部分，所以不会产生严重的散射光。将光栅绕着单色仪的轴转动，即可进行波长扫描以及选择特定的谱线。

图4-15艾伯特平面光栅分光系统光路图

在切尔尼-特纳（Czerny-Turnt,C-T）分光系统中，用两个较小的凹面反射镜以取代艾伯特装置中所使用的单个反射镜，其光学特性与艾伯特装置相似。C-T分光系统对于线性波长或线性波数的扫描较为理想。

2.帕邢-龙格凹面光栅分光系统

罗兰（Rowland)指出，在曲率半径为R的凹面反射光栅的主截面上（即通过光栅中心而垂直于光栅刻线的平面），存在一个直径为R的圆。当狭缝和光栅都在这个圆上时，这个圆就是狭缝衍像焦点的轨迹。这个圆称为罗兰圆，此时凹面光栅同时起到准直与聚焦的作用。

帕邢-龙格（Paschen-Range)凹面光栅分光系统是以罗兰圆为基础的装置，其光路特点是光源、狭缝与凹面光栅固定在罗兰圆上，并在罗兰圆上安排许多出口狭缝和相应的光电倍增管，可以一次记录很宽的波长范围。结构如图4-l6所示。为了减小200～450nm波长范围内的像散，通常采用27^o左右的入射角。现代的仪器几乎都采用0.75～1m的焦距、2400条／mm以上的光栅，以满足0.3～0.4nm/mm的倒数线色散率。在帕邢-龙格分光系统中，为了能测定450～800nm波长范围的谱线，通常需另加一块光栅，并以原级光栅的零级光为入射光进行色散。帕邢-龙格凹面光栅分光系统已广泛应用于火花光电直读和多通道固定狭缝型ICP光谱仪。

图4-16帕邢-龙格凹面光栅分光系统

3．中阶梯光栅分光系统

由于中阶梯光栅经交叉色散后能给出面积较大、兼有较大波长范围和高分辨率及高色散率的二维光谱。因此，自20世纪70年代初，人们就开始研究用成像器件作为二维光电检测器，到了20世纪90年代，固态二维成像器件（CID和CCD）的性能有了很大的进展，中阶梯光栅光谱仪配用固态检测器的原子发射光谱仪才得到迅速发展。目前，全谱直读光谱仪均采用中阶梯光栅分光系统，其分光系统通常以中阶梯光栅结合棱镜实现二维交叉色散，光路结构如图4-17所示。

图4-17中阶梯光栅分光系统

1-准直镜；2-中阶梯光栅；3-棱镜；4-聚焦镜

二.检测器

检测器是光电光谱仪接收系统的核心部分，主要是利用光电效应将不同波长的光辐射转化成光电流信号，即检测器能够将光信号转化为便于检测的电信号。目前可应用于光电光谱仪的光电转换元件有以下两类：光电倍增管及固态成像器件。

1．光电倍增管

当光电倍增管中的光敏材料收到光辐射时，发射的电子进入真空或气体中，并产生电流，这种效应称外光电效应。光电倍增管就是利用外光电效应将待测谱线的光强转换为光电流，光电流由积分电容累积，其电压与入射光的光强成正比，测量积分电容器上的电压，可获得相应的谱线强度的信息。

2．固态成像器件

目前，成功应用于ICP-AES的固态成像器件主要是电荷注入式检测器(CID)、电荷耦合式检测器(CCD)，这两种检测器均由以半导体硅片为基材的光敏元件制成，属于多元阵列式焦平面检测器。

CCD检测器和CID检测器不是以光电流或光电压为检测信号，而是以电荷为信号。这类检测器由紧密排列的金属-氧化物-半导体（MOS)电容器（通常称为像素）组成，当原子光谱入射的时候，光子在其中引发电荷，这些电荷被收集在像素中。光线越强，电荷也会越多，可以通过测定电荷来判断光谱线的强度。20世纪90年代，这两种检测器成功应用于商品仪器上。两种检测器各有所长，也各自都有问题。

CCD检测器的最大问题是其溢流现象。当某一光谱线过强时，光子产生的电荷不但使与其波长对应的像素被充满，多余的电荷还会溢流入相邻波长的像素，从而导致该像素及其相邻像素的电荷数被损坏，无法正确计数，且溢流的电荷需要比较长的时间才能消失。CID则不存在电荷溢流问题。当光谱线入射生成电荷后，电荷被储存在像素中。测量过程直接在每个像素内进行，测量完毕后，电荷仍然保持在每个像素中，属于非破坏型读出，但CID检测器数据读出速度低于CCD检测器，其读数噪声水平也高于CCD检测器。