专利名称：基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯辅助系统及方法
技术领域：
本发明涉及原子荧光的分析技术领域，尤其是涉及原子荧光的光路对准和光源漂移校准技术领域。
背景技术：
在原子荧光分析技术中，激发光源的强度和稳定性直接决定了原子荧光光谱仪的分析灵敏度和重复性。激发光源的强度越高，分析灵敏度也就越高；激发光源的稳定性越好，分析重复性也就越好。空心阴极灯具有操作方便，灵敏度高、成本低、可以脉冲调制等优点，是目前原子荧光在普遍使用的激发光源。
作为原子荧光的激发光源，空心阴极灯经过透镜成像后的光斑位置直接决定了分析灵敏度和重复性。当光斑位置偏离观测点(即原子化器的中心线和透镜光轴的交汇点)时，原子荧光的分析灵敏度急剧下降。目前用于原子荧光空心阴极灯的对光系统一般均采用将入射光照射到某一个带有刻度线的平面上，然后进行目测的形式进行对光，对光结束后需要手动移去对光装置，因此对光的准确度较差，且无法实现对光的自动化和数字化，从而会影响分析结果的灵敏度和重复性。对于需要频繁更换空心阴极灯后的多次对光操作，根本无法保证多次对光之间光斑位置的一致性，因此长期测量结果的重复性也无法保证。目前在原子荧光空心阴极灯的对光系统方面，还未见有相关的报道及专利出现。由于空心阴极灯的发光强度直接决定了原子荧光分析的灵敏度和重复性，因此当空心阴极灯的发光强度发生光源漂移时，原子荧光分析的灵敏度就会随之发生光源漂移，因此分析结果的重复性也无法得到保证。专利号为ZL200320100040. 0的实用新型专利报道了一种用于原子荧光光谱仪的扣除光源漂移和脉动的装置，在光源的光通过透镜之前，将少部分光线直接照射到光源检测器上或者通过光导纤维导到光源检测器上，经过放大和数据处理，同步监控并扣除光线的光源漂移和脉动。然而，该装置在光源辐射的光通过透镜之前，将少部分光线直接照射到光源检测器上或者通过光导纤维导到光源检测器上的设计会损失一部分的光能量，在一定程度上影响了分析灵敏度，同时在光路系统上设置光纤或光源检测器的设计会严重影响光源在原子化器上方观测点的正常聚焦和成像，进而影响原子荧光的正常产生，此外该装置不能同时用于空心阴极灯光路的对准。
发明内容
本发明针对上述问题，提出了一种基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯辅助系统及方法，采用四象限探测器和透镜首次实现了原子荧光空心阴极灯的高精度数字化光路对准。此外利用四象限探测器的四个象限光电流之和的变化，控制系统实时调节灯电流，用于校准空心阴极灯的光源漂移。为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括一种基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯辅助系统，第一透镜设置于空心阴极灯前方，使所述空心阴极灯发出的光线汇聚于第一透镜后方的观测点处，其特征在于在所述观测点后方设有辅助透镜与四象限探测器，所述辅助透镜以及所述四象限探测器均与所述第一透镜同轴设置，使汇聚于所述观测点处的光线经过所述辅助透镜后在所述四象限探测器上形成光斑；所述四象限探测器再通过信号处理电路连接控制系统，所述控制系统还与所述空心阴极灯连接。所述信号处理电路包括依次连接的前置放大器、带通滤波器、同步解调器与AD转换器。所述同步解调器采用与空心阴极灯脉冲频率和时间同步的调制方式。所述辅助透镜为双凸石英透镜，其直径为2 30mm，焦距为3 40mm ;所述四象限探测器与所述辅助透镜之间的距离为3 80mm ;所述辅助透镜与观测点的距离为3 80mm。所述四象限探测器是将四个性能完全相同的光电管按照直角坐标要求排列而成 的集成光电探测器件。所述四象限探测器的四个象限均为正方形，其边长为f 10mm。所述四象限探测器的四个象限均为1/4圆形，其半径为f 10mm。为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括一种使用基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯辅助系统进行光路对准的方法，其特征在于所述四象限探测器接收到空心阴极灯的脉冲光源辐射后，所述四象限探测器的四个探测器所接收的光信号分别转化为电流信号，然后被所述信号处理电路处理，被传递给所述控制系统；所述控制系统通过比较所述四个探测器产生的电流信号，得到光斑所处的位置；当所述光斑的位置偏离四象限探测器的原点时，所述控制系统发出控制信号给所述空心阴极灯，使空心阴极灯发出的光线向所述四象限探测器的原点偏移，直至所述四个探测器输出的光电流均相同为止。当空心阴极灯完成光路对准后，所述控制系统实时监测所述四象限探测器的四个探测器所探测到的四个象限的合并光电信号强度，然后通过比较所述合并光电信号强度随时间变化的数值，计算出光源漂移的比例；所述控制系统根据该比例，对所述空心阴极灯的灯电流进行调节，使所述合并光电信号强度保持不变。为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括一种使用基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯辅助系统进行光源漂移校准的方法，其特征在于所述四象限探测器接收到空心阴极灯的脉冲光源辐射后，所述四象限探测器的四个探测器所接收的光信号分别转化为电流信号，然后被所述信号处理电路处理，被传递给所述控制系统；所述控制系统实时监测所述四象限探测器的四个探测器所探测到的四个象限的合并光电信号强度，然后通过比较所述合并光电信号强度随时间变化的数值，计算出光源漂移的比例；所述控制系统根据该比例，对所述空心阴极灯的灯电流进行调节，使所述合并光电信号强度保持不变。
与现有技术相比较，本发明具有的有益效果是本发明光路对准精度高、重复性好，可以自动监测及校准光源漂移，其系统结构简单，定位精度高，自动化程度高，在原子荧光分析技术领域，尤其是空心阴极灯自动对光及光源漂移校准等领域具有较好的应用前
景
图I为四象限探测器的平面结构示意图；图2为基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯光路对准及光源漂移校准系统的结构原理图。附图标记说明A_第一象限探测区；B_第二象限探测区；(第三象限探测区；D-第四象限探测区；1-空心阴极灯；11_灯电源；2_第一透镜；3_原子化器；4_观测点；5-第二透镜；6_光电倍增管；7_辅助透镜；8_四象限探测器；91_前置放大器；92_带通滤波器；93-同步解调器；94-AD转换器；95_控制系统。
具体实施例方式图I为四象限探测器的平面结构示意图，其是将四个性能完全相同的光电管按照直角坐标要求排列而成的集成光电探测器件，常用于激光制导或激光准直中。每个象限中设有一个探测器(如，光电管)，当聚焦的光斑照射在四个象限的原点上时，四个象限中的探测器接收的光强相同，输出的光电流也相同。当光线光斑的位置偏离四象限探测器的原点时，四个探测器输出的光电流也就不相同，对四个探测器输出的电流进行差分处理，就可以得到光斑偏离中心的误差信号。四象限探测器的光斑重心位置计算公式如下
「 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为光斑偏离原点的横向偏移量；￥为光斑偏离原点的纵向偏移量；K为比例系数；11、12、13和14分别为第一、二、三和四象限A、B、C、D中探测器测量出的光电流。显然，当X、Y均为零时，就意味着聚焦的光斑照射在四个象限的原点上。如图2所示，是基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯光路对准及光源漂移校准系统，第一透镜2同轴地设置于空心阴极灯I前方，即，所述第一透镜2的光轴与所述空心阴极灯I的中心线同轴设置，并使所述空心阴极灯I发出的光线汇聚于第一透镜2后方的观测点4处，在所述观测点4下方设有原子化器3，在所述观测点4上方又放置第二透镜5与光电倍增管6，所述光电倍增管6、所述第二透镜5与所述原子化器3同轴布置，即，所述光电倍增管6的中心线、所述第二透镜5的光轴与所述原子化器3的中心线均同轴布置，当位于观测点4处的基态原子在空心阴极灯I的照射下产生微弱原子荧光信号，会经过第二透镜5成像在光电倍增管6的光阴极面上。如图2所示，为了使所述空心阴极灯I发出的光线准确汇聚于所述观测点4处，本发明在所述观测点4后方设有辅助透镜7与四象限探测器8，所述辅助透镜7以及所述四象限探测器8均与所述第一透镜2同轴设置，使汇聚于所述观测点4处的光线经过所述辅助透镜7后在所述四象限探测器8上形成光斑。所述四象限探测器8再通过信号处理电路(包括依序连接的前置放大器91、带通滤波器92、同步解调器93与AD转换器94)连接控制系统95，控制系统95再与所述空心阴极灯I连接。四象限探测器8接收到空心阴极灯I的脉冲光源辐射后，四个象限的四个探测器所接收的光信号转化为微弱电流信号，被前置放大器91放大、滤波、同步解调和AD转换后，以数字的形式显示出来，被传递给所述控制系统95。所述控制系统95通过比较四个探测器产生的电流信号，即可得到光斑所处的位置。当四个探测器产生的电流信号相同时，即认为原子荧光空心阴极灯I的光路已经被对准。当所述光斑的位置偏离四象限探测器8的原点时，四个探测器产生的电流信号也就不相同，所述控制系统95即可知道所述光斑的位置是否发生偏离、偏离方向以及偏离量，然后即可发出控制信号给所述空心阴极灯1，使空心阴极灯I发出的光线向所述四象限探测器8的原点偏移，直至四个探测器产生的电流信号均相同为止。当空心阴极灯I完成光路对准后，四象限探测器8在原子荧光采集数据的间隙实时监测空心阴极灯I辐射光强度的变化。具体来说，所述控制系统95实时监测所述四象限探测器8的四个探测器所探测到的四个象限的合并光电信号强度，然后通过比较所述合并光电信号强度随时间变化的数值，计算出光源漂移的比例；并根据该比例，自动对所述空心阴极灯I的灯电流进行调节，使所述合并光电信号强度保持不变，从而达到光源漂移校准的目的。当光源强度发生变化时，四象限探测器8探测到四个象限的合并信号发生变化，通过比较光源强度变化前后的数值，即可计算出光源漂移的比例。根据光源漂移的比例，控制系统95自动对空心阴极灯I的灯电流进行调节，从而达到光源漂移校准的目的。在一个较佳的实施例中所述辅助透镜7为双凸石英透镜,其直径为2 30mm,焦距为3 40mm。所述四象限探测器8，响应波长为20(Tll00nm。所述四象限探测器8的四个象限均为正方形，其边长为f IOmm ;或者，所述四象限探测器8的四个象限均为1/4圆形，其半径为f 10mm。所述同步解调器93采用与空心阴极灯I脉冲频率和时间同步的调制方式。所述四象限探测器8与辅助透镜7之间的距离为3 80mm，所述辅助透镜7与观测点4的距离为3 80mm。本发明在应用于空心阴极灯I对光时，具体工作过程如下控制系统95通过灯电源11以既定的占度、占空比和灯电流点亮空心阴极灯I ;空心阴极灯I发射的光经过第一透镜2聚焦在原子化器3的上方的观测点4上，进行一次成像形成光斑；一次成像形成的光斑经过辅助透镜7的二次成像聚焦在四象限探测器8上；四象限探测器8的四个象限的光电管同时接收到来自空心阴极灯I的辐射，产生的微弱电流为前置放大器91所放大，然后依次经过带通滤波、同步解调和AD转换，最终经控制系统95计算出光斑偏离四象限原点的精确数值；其中，所述四象限探测器8的同步解调器93优选采用与空心阴极灯I脉冲频率和时间同步的调制方式；
根据计算出的偏移量，调节空心阴极灯I的位置，使空心阴极灯I的光斑向四象限原点移动，当X和Y向的偏移量均为零，即四个象限光电流相同时，即认为完成对光操作。本发明在应用于空心阴极灯I光源强度光源漂移校准时，具体工作过程如下在完成空心阴极灯I对光操作的前提下，控制系统95通过灯电源11以既定的占度、占空比和灯电流点亮空心阴极灯1，预热30min后进入光源漂移校准状态；空心阴极灯I发射的光经过第一透镜2聚焦在原子化器3的上方的观测点4上，进行一次成像形成光斑；一次成像形成的光斑经过辅助透镜7 二次成像聚焦在四象限探测器8上；四象限探测器8的四个象限的光电管同时接收到来自空心阴极灯I的辐射，产生的微弱电流为前置放大器91所放大，然后依次经过带通滤波、同步解调和AD转换，最终经 控制系统95计算出四个象限的合并光强度大�。垂庠雌菩Ｗ嫉幕疾慰贾担黄渲校鏊南笙尢讲馄�8的同步解调器93优选采用与空心阴极灯I脉冲频率和时间同步的调制方式；当空心阴极灯I发光强度发生光源漂移时，四象限探测器8探测到空心阴极灯I辐射的实际光强度大�。豢刂葡低�95将实时探测到的光强度值与基准参考值进行比较，计算其光源漂移量;控制系统95根据光源漂移量，实时调整灯电流的大�。顾南笙尢讲馄�8的实际探测到的光强度值与基准值相同，即达到实时校准空心阴极灯I发光强度光源漂移的目的。本发明解决了传统对光装置和光源漂移校准存在的精度差，光源利用效率低等问题，系统结构简单，定位精度高，自动化程度高。以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯辅助系统，第一透镜设置于空心阴极灯前方，使所述空心阴极灯发出的光线汇聚于第一透镜后方的观测点处，其特征在于在所述观测点后方设有辅助透镜与四象限探测器，所述辅助透镜以及所述四象限探测器均与所述第一透镜同轴设置，使汇聚于所述观测点处的光线经过所述辅助透镜后在所述四象限探测器上形成光斑；所述四象限探测器再通过信号处理电路连接控制系统，所述控制系统还与所述空心阴极灯连接。
2.根据权利要求I所述的基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯辅助系统，其特征在于所述信号处理电路包括依次连接的前置放大器、带通滤波器、同步解调器与AD转换器。
3.根据权利要求2所述的基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯辅助系统，其特征在于所述同步解调器采用与空心阴极灯脉冲频率和时间同步的调制方式。
4.根据权利要求I所述的基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯辅助系统，其特征在于所述辅助透镜为双凸石英透镜，其直径为2 30mm，焦距为3 40mm ;所述四象限探测器与所述辅助透镜之间的距离为3 80mm ;所述辅助透镜与观测点的距离为3 80mm。
5.根据权利要求I所述的基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯辅助系统，其特征在于所述四象限探测器是将四个性能完全相同的光电管按照直角坐标要求排列而成的集成光电探测器件。
6.根据权利要求5所述的基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯辅助系统，其特征在于所述四象限探测器的四个象限均为正方形，其边长为f 10mm。
7.根据权利要求5所述的基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯辅助系统，其特征在于所述四象限探测器的四个象限均为1/4圆形，其半径为f 10mm。
8.一种使用如权利要求I至6中任一项所述基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯辅助系统进行光路对准的方法，其特征在于 所述四象限探测器接收到空心阴极灯的脉冲光源辐射后，所述四象限探测器的四个探测器所接收的光信号分别转化为电流信号，然后被所述信号处理电路处理，被传递给所述控制系统； 所述控制系统通过比较所述四个探测器产生的电流信号，得到光斑所处的位置；当所述光斑的位置偏离四象限探测器的原点时，所述控制系统发出控制信号给所述空心阴极灯，使空心阴极灯发出的光线向所述四象限探测器的原点偏移，直至所述四个探测器输出的光电流均相同为止。
9.根据权利要求8所述使用基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯辅助系统进行光路对准的方法，其特征在于当空心阴极灯完成光路对准后，所述控制系统实时监测所述四象限探测器的四个探测器所探测到的四个象限的合并光电信号强度，然后通过比较所述合并光电信号强度随时间变化的数值，计算出光源漂移的比例；所述控制系统根据该比例，对所述空心阴极灯的灯电流进行调节，使所述合并光电信号强度保持不变。
10.一种使用如权利要求I至6中任一项所述基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯辅助系统进行光源漂移校准的方法，其特征在于 所述四象限探测器接收到空心阴极灯的脉冲光源辐射后，所述四象限探测器的四个探测器所接收的光信号分别转化为电流信号，然后被所述信号处理电路处理，被传递给所述控制系统； 所述控制系统实时监测所述四象限探测器的四个探测器所探测到的四个象限的合并光电信号强度，然后通过比较所述合并光电信号强度随时间变化的数值，计算出光源漂移的比例； 所述控制系统根据该比例，对所述空心阴极灯的灯电流进行调节，使所述合并光电信号强度保持不变。
全文摘要
本发明提供一种基于四象限探测器的原子荧光空心阴极灯辅助系统及方法，所述辅助系统是在所述观测点后方设有辅助透镜与四象限探测器，使汇聚于所述观测点处的光线经过所述辅助透镜后在所述四象限探测器上形成光斑；所述四象限探测器再通过信号处理电路连接控制系统，所述控制系统还与所述空心阴极灯连接；利用所述辅助系统，可以对原子荧光空心阴极灯系统进行光路对准与光源漂移校准。本发明光路对准精度高、重复性好，可以自动监测及校准光源漂移，在原子荧光分析技术领域，尤其是空心阴极灯自动对光及光源漂移校准等领域具有较好的应用前景。
文档编号G01N21/64GK102866138SQ20121034020
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月13日 优先权日2012年9月13日
发明者梁敬, 陈璐, 王庆, 杨名名, 董芳, 侯爱霞, 张锦茂 申请人:北京瑞利分析仪器有限公司
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