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专利名称：多微空心阴极光源和原子吸收光谱仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多微空心阴极光源，该光源可被用于多元素同时检测吸收光谱法中，可同时多点光发射，还涉及应用该光源的ー种原子吸收光谱仪。
背景技术：
原子吸收光谱法是众所周知的高精度定量测量样品中所含微量金属的方法。在原子吸收光谱法中，样品在高温下被原子化，含有原子化样品的气体受到光的辐照。样品中所含微量金属的吸收光谱由相应的吸收光谱測量。在原子吸收光谱法中，需要发射分析靶元素明线光谱的光源。当分析多个元素吋，需要发射元素的相应明线光谱的光源。专利文件I公开了作为光源提供这些元素明线光谱的多微空心阴极(multi-micro hollow cathode)光源。所述专利文件I中公开的光源具有堆叠在一起的阳极板、绝缘板和由铜或铜合金制成的阴极板；贯穿堆叠构型的多个通孔，每个孔具有Icm以 下的直径；以及金属板，在阴极板的通孔开ロ处提供所关注的明线光谱，由此提供多个金属元素的相应明线光谱。换句话说，专利文件I中公开的光源是单点光源，该光源提供多种类型的对应于关注金属元素的空心阴极放电。现有技术文献专利文献专利文献I :日本专利申请特许公开(特开)No. 2007-257900发明概要发明要解决的问题然而，专利文件I中公开的多微空心阴极光源在控制由多个单点光源提供的空心阴极放电上遇到了困难。此外，为了提取光，专利文件I中公开的多微空心阴极光源须使用与单点光源相应的复杂光程，这需要一个麻烦且昂贵的生产过程，是有问题的。因而，本发明的目的在于提供ー种光源，该光源可提供多个元素特征明线光谱，并且由ー个基于空心阴极放电的单一点光源形成。解决问题的手段在本发明的第一方面中，提供一个多微空心阴极光源，该光源通过在气氛气体中产生微空心等离子体而发光，其特征在于所述光源包括由具有高二次电子发射系数的金属形成的阴极板；绝缘板；设置为经由绝缘板与阴极板相対的阳极板；贯穿阴极板、绝缘板和阳极板的单孔，其具有Icm以下的直径；多个含有元素的金属片，其提供多个对应于所述元素的特征明线光谱；以及气氛气体，其中阴极板具有多个由孔处放射状连续延伸的槽，并且所述多个金属片容纳于槽中。每个金属片的量可根据金属片的材料而改变。同样，每个金属片的量也可容易地根据每片的厚度、每ー个槽容纳的片数等等而改变。金属片的厚度和数量可容易地通过调整相应槽的宽度而调节。每个槽可容纳多个金属片，金属片可由相同的材料或相互不同的材料形成。一些槽可容纳由相同材料形成的金属片。通过调整每个金属片的量，可控制所关注金属元素的光谱强度。槽的构型图案没有特殊限制，只要槽由孔放射状延伸即可。在一个示例性的构型中，四个槽由孔处呈十字形延伸。优选地，槽沿垂直于阴极板主表面方向穿透阴极板。在这个例子中，容纳于槽中的金属片沿孔的轴向的长度增加，暴露于孔内壁的金属片部分的面积增加，由此金属片的溅射效率提高，导致金属元素的光谱强度增加。从另一方面，金属片对槽的穿透在制作上容易。不优选提供过多的槽的数量和每个槽的过大的宽度，因为具有高二次电子发射系数的金属暴露于孔内壁的面积减少，导致金属片溅射效率降低。因此，槽的数量优选为约2个至约8个，每个槽的宽度优选为孔直径的约0. I至约0. 9倍。孔优选具有Imm以下的直径，因为等离子体可高密度地局限于孔中。该直径对提供单点光源是有利的。本发明的光源设计为使用压力为环境大气压或略低于环境大气压的气氛气体。为获得宽发射(如，准分子(excimer))，光源还可在加压条件下使用。通常，当气氛气体压力增加，孔直径可减小。考虑到使用光源的上述压力，孔直径优选为IOym以上。绝缘板中的孔直径优选地略大于阴极板中的孔直径或阳极板上的孔直径。具体地说， 为了防止放电时绝缘板融化，绝缘板上的孔直径优选地比阴极板上的孔直径或阳极板上的孔直径大100 u m至1000 u m。本发明使用的气氛气体优选为惰性气体如He、Ne、Ar、Kr或Xe，其中特别优选He和Ne，因为可由金属获得高效二次电子发射。阴极板材料即具有二次电子发射系数的金属的实例包括铜、铜合金、银、银合金、钥、钥合金、钨及钨合金中的至少一种。金属优选地具有0.2以上，更优选地为1.0以上的二次电子发射系数。其中，从低成本(易于得到)及高二次电子发射系数和导热系数的观点考虑，优选铜或铜合金。同样，阳极板也优选由铜或铜合金形成。本发明的第二方面涉及第一方面的多微空心阴极光源的一个具体实施方案，其中具有高二次电子发射系数的金属是铜或铜合金。本发明的第三方面涉及第一或第二方面的多微空心阴极光源的一个具体实施方案，其中气氛气体为氦气。本发明的第四方面涉及第一至第三方面的多微空心阴极光源的一个具体实施方案，其中孔具有Imm以下的直径。在本发明的第五方面中，提供了同时检测多个元素的原子吸收光谱仪，其特征为包含第一至第四方面中所叙述的多微空心阴极光源。发明效果根据本发明，多个暴露于设置在阴极板中的孔的内壁的金属片可被高效地同时溅射，由此可形成多个金属元素的高密度等离子体。结果，可获得多个所关注金属元素相应的明线光谱。本发明所述的只有一个单孔的光源，用作单点光源。因而，可轻松建立应用光的光路构型。例如，通过使用本发明所述的光源，例如原子吸收光谱仪的设备可被低成本生产。因为放电在一个单孔中发生，所以可容易地控制放电。可通过调整容纳在槽中的金属片的数量或其他条件轻易地控制明线光谱的强度。


[图I]实施方案I所述的多微空心阴极光源的构型示意图。[图2]电极板I的横截面。[图3]从阴极板11的方向观察的电极板I的平面图。[图4]放射谱。[图5]实施方案2所述的原子吸收光谱仪的结构示意图。
具体实施例方式在下文中，将參照附图描述本发明的实施方案。另外，实施方案不得被解释为对本发明的限制。实施方案I 图I是实施方案I的多微空心阴极光源的构型示意图。多微空心阴极光源具有电极板I、外壳2、透镜3以及电极板固定构件4。由玻璃制成的外壳2提供密封的、空心圆柱形空间。电极固定构件4置于外壳2的内部。在外壳2中，电极固定构件4适于固定电极板I以便使板面和圆筒轴对齐。外壳2中充入氦气。外壳2在沿着圆筒轴向ー侧具有透镜3，以聚集外壳2中发射的光束以及输出聚集光。外壳2可配置有管道系统，以便外壳中的氦气可流通，并且可调节内部压力。为提高发射强度，内部压カ优选调为0. 01至0. I大气压。图2为电极板I的结构的放大的横截面。如图2所示，电极板I由阴极板11、绝缘板12、阳极板13和金属片14形成。绝缘板12夹在阴极板11和阳极板13之间。阴极板11和阳极板13由铜制成，并且绝缘板12由陶瓷材料制成。阴极板11和阳极板13分别经由电线与电源进行电连接。利用电源，阴极板11接地，阳极板13被施加正电压。不必说，阳极板13可接地，而阴极板11可被施加负电压。阴极板11具有Imm的厚度，而绝缘板12和阳极板13各自具有0. 3mm的厚度。阴极板11、绝缘板12和阳极板13均为具有直径为2cm的圆形。阴极板11、绝缘板12和阳极板13的中心分别具有孔15a、15b和15c。孔15a至15c呈同心设置，以提供ー个贯穿通孔15。阴极板11中的孔15a和阳极板13中的孔15c各具有Imm的直径，绝缘板12中的孔15b具有I. 2mm的直径。绝缘板12中的孔15b的直径调整为略大于阴极板11中的孔15a和阳极板13中的孔15c的直径，以防止绝缘板12在放电时被融化。图3为从阴极板11的方向观察的电极板I的平面图。如图3所示，阴极板11配置有四个由孔15a十字形放射状连续延伸的直线槽16。槽16贯穿阴极板11。每个槽16具有0. 2mm的宽度和6_的长度。四个由不同材料制成的金属片嵌入并埋置在四个槽16中。四个金属片14分别由Zn、Cd、Pb和Cr形成。姆个金属片14呈厚度为0. 2mm的长方形(1mm X 5mm; 0下面将描述实施方案I中的多微空心阴极光源的发光原理。当向阴极板11和阳极板13间施加电压时，外壳2中包含的氦气被电离，从而在孔15中和开ロ附近产生等离子体。等离子体中的离子经电场被吸到阴极板11并导致与之相撞。通过离子的碰撞，形成阴极板11的铜离子和电子被解离出。这样释放出的电子，其被称为二次电子，促进了原子的进ー步电离，有效地引发等离子体的产生。由于阴极板11由具有高二次电子发射系数的铜制成，因此可在孔15内和开ロ附近产生等离子体。孔15内产生的高密度等离子体有效地溅射暴露于孔15a内壁的四个金属片14。结果产生了具有五种元素Zn、Cd、Pb、Cr (形成金属片14的金属元素)和Cu(阴极板11的材料)的高密度的等离子体。因此微空心阴极放电的发射光谱归属于Zn、Cd、Pb、Cr、Cu五种元素的特征明线。如上文所描述，实施方案I的多微空心阴极光源虽然是基于微空心阴极放电的单点光源，却可提供包含多个金属元素的特征明线光谱的光。图4是发射光谱。在测量中，电流和内压分别调节为25mA和0.05大气压。由光谱可清楚地看到，波长213nm、357nm、283. 3nm、324nm和228nm的特征明线分别归属于Zn、Cr、Pb、Cu和Cd。换句话说，发现可由多微空心阴极光源获得包含五种元素特征明线的光。如光谱所示，Pb和Cr的特征发射强度较低，与Zn、Cu和Cd相比，其明线相对较宽。然而，如果增加各个槽16的宽度，由Pb和Cr制成的金属片14的量增加，或者每个金属片14的厚度增加，Pb和Cr的特征发射强度可得到增强，由此可获得更清晰的明线。 实施方案2实施方案2是使用实施方案I中所述多微空心阴极光源的原子吸收光谱仪。如图5所示，原子吸收光谱仪具有多微空心阴极光源100 (实施方案I)、准直镜101、溅射装置102、聚光透镜103和光接收兀件阵列104。多微空心阴极光源100发射包含多个金属兀素的特征明线的光，其为测量的目标。溅射装置102形成样品的等离子体。由多微空心阴极光源100发射的包含多个金属元素的特征明线的光通过准直镜101转换成为平行光束，在溅射装置102中的等离子体105被所述平行光束辐照。穿过等离子体105的平行光束通过聚光透镜103聚集，会聚光到达光接受元件阵列104。结果，可检出等离子体105中的多个金属元素(检测对象)。通过测量每个元素的原子吸收百分比，可同时确定金属元素的密度。由于原子吸收光谱仪使用实施方案I的多微空心阴极光源100作为光源，因此只提供一个光轴。因此可通过非常简单的方式建立起从光源到光接收元件阵列104的光路。从而，原子吸收光谱仪可小尺寸和低成本生产。在实施方案2中，样品在高温下通过溅射被原子化以形成等离子体。可替代地，也可使用在原子吸收光谱仪中常规使用的原子化技术如激光烧蚀、火焰和电加热法。工业应用本发明所述多微空心阴极光源可用于原子吸收光谱仪等仪器中。附图标记描述I 电极板2 :外壳3 :透镜4:电极板固定构件11:阴极板12 :绝缘板13:阳极板14 :金属片15 :孔
16 :槽100 :多微空心阴极光源101 :准直镜102 :溅射装置
103 :聚光透镜104:光接收元件阵列
权利要求
1.多微空心阴极光源，通过在气氛气体中产生微空心等离子体而发射光，其特征为所述光源包含 阴极板，由具有高二次电子发射系数的金属形成； 绝缘板； 阳极板，设置为经由所述绝缘板与所述阴极板相对置； 贯穿所述阴极板、所述绝缘板和所述阳极板的单孔，所述单孔具有Icm以下的直径； 多个包含元素的金属片，其提供多个所述元素的特征明线光谱；和 气氛气体； 其中所述阴极板具有多个由所述孔放射状连续延伸的槽，所述多个金属片被容纳在所述槽中。
2.根据权利要求I所述的多微空心阴极光源，其中所述具有高二次电子发射系数的金属为铜或铜合金。
3.根据权利要求I或2所述的多微空心阴极光源，其中所述气氛气体为氦气。
4.根据权利要求I至3所述的多微空心阴极光源，其中所述孔具有Imm以下的直径。
5.用于同时分析多个元素的原子吸收光谱仪，其特征为包含权利要求I至4中任一项所述的多微空心阴极光源。
全文摘要
本发明提供了一种多微空心阴极光源，该光源是一种单点光源。所述多微空心阴极光源配置有阴极板(11)、绝缘板(12)、阳极板(13)以及金属片(14)。所述绝缘板(12)夹在阴极板(11)和阳极板(13)之间。所述阴极板(11)由铜制成。阴极板(11)、绝缘板(12)和阳极板(13)的中心分别具有孔(15a、15b和15c)。所述孔洞形成贯通孔(15)。如图3所示，四个直线槽(16)在阴极板(11)上以孔(15a)为中心从孔(15a)处以十字形连续延伸开去。每个直线槽(16)均贯穿阴极板(11)。四个由彼此各不相同的材料制成的金属片(14)嵌入并埋置在四个直线槽(16)中。
文档编号G01N21/31GK102770938SQ201180010218
公开日2012年11月7日 申请日期2011年2月8日 优先权日2010年2月22日
发明者伊藤昌文, 加纳浩之, 堀胜, 太田贵之, 山川晃司 申请人:Nu生态工程株式会社, 国立大学法人名古屋大学, 学校法人名城大学, 片桐工程株式会社