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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Atomemissionsspektrometer mit einer induktiv gekoppelten Plasmaquelle
zur Lichtemission und betrifft insbesondere ein Spektrometer, in
welchem die erfasste Strahlung auswählbar ist, die von der Plasmaquelle axial
oder radial ausgesendet wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein üblicher Typ eines Spektrometers
für die Analyse
anorganischer Stoffe ist ein Atomemissionsspetrometer mit einer
induktiv angekoppelten Plasmaquelle („ICP") zur Lichtausstrahlung. Der induktiv angekoppelte
Plasmagenerator weist eine elektrische Induktionsspule auf, um eine
hohe Leistung mit hoher Frequenz bereitzustellen, um damit ein Gas
als ein Plasma anzuregen. Ein verdampftes Probenmaterial wird in
das Plasma eingeführt,
in welchem es in Atome dissoziiert wird, die in dem Plasma angeregt werden,
um Strahlung mit Spektrallinieneigenschaften der atomaren Elemente
in der Probe auszusenden. Ein Beispiel eines derartigen induzierten
Plasmasystems ist in der US-Patent-Anmeldung mit der Nr. 4,766,287
(Morrisroe et al) offenbart.
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Die Lichtstrahlung von dem ICP wird
in ein Detektorsystem weitergeleitet, das typischerweise einen Monochromator
oder einen Polychromator aufweist. Ein Monochromator leitet eine
auswählte
Wellenlänge
der Strahlung zu einem Detektor, wie dies im US-Patent 4,326,802
(Smith et al) dargestellt ist. Ein Polychromator teilt die Strahlung
in ein Band oder eine Vielzahl von Wellenlängen auf, die dann erfasst werden.
Ein Beispiel eines Präzisionspolychromators ist
ein Echelle-System mit gekreuzten Gittern, um eine zweidimensionale
Darstellung spektraler Linien zu erzeugen, wie dies im US-Patent
4,820,048 (Barnard) offenbart ist. Die Spekrallinien werden auf
einen Detektor fokussiert, der aus einem zweidimensionalen Festkörperladungstransferbauelement
aufgebaut ist, das Signale proportional zu der Intensität der entsprechenden
Linien ausgibt. Ein Computer verarbeitet die Signalinformation,
führt Korrekturen
hinsichtlich des Hintergrundes durch, wendet eine Kalibrierung an
und stellt die Ergebnisse in Form von Konzentrationen atomarer Elemente
in der Probe dar.
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Das ICP ist typischerweise so mit
dem Spektrometer verbunden, dass die radial von dem ICP ausgesandte
Strahlung in das Detektorsystem gelenkt wird, wie dies in dem zuvor
genannten US-Patent 4,326,802 dargestellt ist. In dem darin offenbarten
Beispiel empfängt
ein Spiegel die radiale Strahlung, wobei der Spiegel und dazugehörige Linsenkomponenten
eine justierbare Position in Längsrichtung
aufweisen, um die Lage der atomaren Emissionen zu optimieren.
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Das ICP wurde auch in Längsrichtung
montiert, um Strahlung entlang der zentralen Achse des ICP in das
Detektorsystem zu lenken. Eine radiale Emission wird in Hinblick
auf die analytische Genauigkeit bevorzugt, da die axiale Strahlung
eine größere Selbstabsorption
entlang des größeren Weglänge in dem
Plasmavolumen aufweist, und da eschemische Störungen in der axialen Strahlung
von der Randzone in dem Plasma gibt, in welcher das Probenmaterial
nicht maximal atomisiert ist. Die axiale Strahlung besitzt jedoch
einen längeren
Emissionsweg, der eine größere Empfindlichkeit
für geringe
Emissionspegel bietet. Daher ist die Längsanordnung des ICP häufig wünschenswert,
wenn geringe Pegel eines atomaren Elements in der Probe zu untersuchen sind.
In Fällen,
in denen Flexibilität
zum Auswählen zwischen
hoher Genauigkeit oder hoher Empfindlichkeit wünschenswert ist, ist es notwendig,
die Montageanordnung des ICP zu ändern,
das allerdings im Allgemeinen eine wenig praktikable Lösung für wiederholte
Messungen ist, oder es sind zwei Spektrometer zu verwenden, was
teuer ist.
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In einem Artikel von Nokomura et
al „Bewertung
eines axial und radial beobachteten induktiv angekoppelten Plasmas
unter Verwendung eines Echelle-Spektrometers mit Wellenlängenmodulation und
Beobachtung der zweiten Ableitung „Journal of Analytiacal Atomic-Spectroscopy", Juli 1994, Band
9, Seiten 751 bis 757, wird eine ICP-Spektrokopie für radiale
oder axiale Inspektion dargestellt, wobei eine Drehung der Quelle
angewendet wird, um zwei Emissionsrichtungen in den Detektor einzukoppeln.
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Für
das optische Schalten wurden diverse Systeme verwendet. Beispielsweise
offenbart das zuvor genannte US-Patent 4,326,802 die Verwendung
eines Spiegels, der mittels Drehung so positionierbar ist, um die
radiale Strahlung von dem ICP oder Licht aus einer Kalibrierquelle
zu wählen.
Das US-Patent 4, 622,468 (Stefanski et al) zeigt die Anwendung von
Strahlteilern und Schließvorrichtungen in
einem Fluoreszenzsystem mit einer Lichtquelle mit einer Halogenleuchte.
Ein konkaver Spiegel ist drehbar an einer parallel zu der zentra len
Achse versetzten Achse zum Schalten angeordnet, wie dies im US-Patent
4,261,683 (Wagner) offenbart ist. Zu anderen optischen Schaltern
gehören
drehende Periskope und Porro-Reflektoren, wie sie im US-Patent 5,005,934
(Curtiss) offenbart sind.
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Jedoch lehrt keine der vorhergehenden Schriften
das Auswählen
der radialen oder der axialen Strahlung des ICP. Daher ist es eine
Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Atomemissionsspektrometer
bereitzustellen mit der Fähigkeit,
entweder die radiale oder die axiale Strahlung eines ICP auszuwählen. Eine
weitere Aufgabe ist es, ein verbessertes ICP-Atomemissionsspektrometer
bereitzustellen mit einer Selektivität zwischen maximaler Genauigkeit und
maximaler Empfindlichkeit. Eine weitere Aufgabe ist es, ein derartiges
Spektrometer bereitzustellen, in welchem diese Auswahl einfach und
schnell durchführbar
ist.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Diese und weitere Aufgaben werden
mittels eines Atomemissionsspektrometers gelöst, das die Merkmale des Anspruches
1 aufweist.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Zeichnung eines konventionellen Atomemissionspektrometers mit
einem Teillängsausschnitt
eines induktiv angekoppelten Plasmagenerators, und ist ferner eine
schematische Zeichnung eines Systems zum Nachweisen von Lichtstrahlung und
einer zwischengeschalteten optischen Vorrichtung zum Lenken von
Strahlung von dem Generator zu dem System;
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2 ist
eine Zeichnung eines Atomemissionsspektrometers gemäß der Erfindung
mit einem Teillängssausschnitt
eines induktiv angekoppelten Plasmagenerators; ferner ist ein System
zum Erfassen von Lichtstrahlung und eine optische Vorrichtung zum
Lenken von Strahlung von dem Generator zum System schematisch dargestellt;
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3 ist
eine Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Atomemissionsspektrometers,
das ähnlich
zu jenem aus 2 ist,
wobei der Plasmagenerator eine unterschiedliche Orientierung aufweist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
schematisch ein konventionelles Atomemissionsspetrometer 10 zur
Verwendung mit der vorliegenden Erfindung. Ein Beispiel eines derartigen
Instruments ist das Modell Optima 3000 Spektrometer, das
von Perkin-Elmer-Corporation vertrieben wird. Drei wesentliche Komponenten
des Instruments sind ein induktiv angekoppelter Plasmagenerator 12,
der eine Lichtausstrahlung bewirkt, eine Detektoreinrichtung 14 zum
Erfassen der Strahlung in Bezug auf die spektrale Wellenlänge und
eine dazwischen angeordnete optische Vorrichtung 16, die
so ausgestaltet ist, um die Strahlung 18 entlang eines Weges 19 von
dem Plasmagenerator zu dem Detektorsystem zu lenken und zu bündeln.
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Der Induktionsplasmagenerator 12 („ICP") ist ein konventioneller
Generator oder ein anderer gewünschter
Typ, wobei eine Induktionsspule 20 zur Anregung eines Gases
zu einem Plasma 22 in einem Gebiet innerhalb oder geringfügig außerhalb
des Endes einer Quartzröhre 23 vorgesehen
ist. Der Generator umfasst einen Injektor 24 zum Einführen eines verdampften
Probenmaterials 26 in das Plasma. Das Material zerfällt in Atome,
die in dem Plasma angeregt werden, um somit Strahlung einschließlich von Spektrallinien
auszusenden, die für
die atomaren Elemente in der Probe charakteristisch sind. Ein Beispiel
eines derartigen ICP-Generators und einer dazugehörigen Hochfrequenzleistungsversorgung
sind in dem zuvor genannten US-Patent 4,766,287 offenbart, das hiermit
durch Bezugnahme mit eingeschlossen ist. Zum Zwecke dieser Erfindung
kann der Probeninjektor einstellbar sein, wie dies in dem zuletzt genannten
Patent dargelegt ist, oder dieser kann fixiert sein. Die Art des
Leistungsgenerators ist in diesem Zusammenhang nicht wichtig und
kann beispielsweise eine konventionelle Schaltung mit einem potentialfreien
Oszillator sein, dessen Frequenz an die LC-Schaltung angepasst ist,
die die ICP-Spule enthält.
Der ICP ist im Allgemeinen achsensymmetrisch mit Ausnahme der Spule 20.
Die Strahlung von dem Plasmagebiet wird in allen Richtungen einschließlich der
axialen Richtung 28 entlang der Längsachse 30 des Generators
und in radialer Richtung in einem Bereich von Richtungen, die im
Wesentlichen senkrecht zur Längsachse
sind einschließlich
der radialen Komponente 18, die mittels einer Öffnung 29 in
der Röhre 23 erfasst
wird, ausgestrahlt. Die nachzu weisende Lichtstrahlung liegt generell
im Bereich des infraroten, des sichtbaren und des ultravioletten
Bereichs.
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Die Detektoreinrichtung 14 umfasst
ein Detektorsystem 31, das ein beliebiges konventionelles oder
anderes System sein kann, das zum Zwecke der Spektrometrie verwendet
wird, wobei typischerweise ein Monochromator oder ein Polychromator enthalten
ist, dessen Details für
die vorliegende Erfindung nicht essenziell sind. Ein geeignetes
Beispiel ist das Präzisionspolychrometer
der zuvor genannten Optima 3000 Anlage mit einem Echelle-Gittersystem 33 (das
in 2 lediglich schematisch
gezeigt ist) mit gekreuzten Gittern (und/oder einem oder mehreren Prismen),
um eine zweidimensionale Darstellung von Spektrallinien so zu erzeugen,
wie es im Wesentlichen in dem zuvor genannten US-Patent 4,820,048, das
hiermit durch Bezugnahme mit eingeschlossen ist, offenbart ist.
Das Detektorsystem umfasst einen zweidimensionalen Festkörper-„CCD"-Detektor 37 oder
dergleichen, der Signale gemäß der Intensität der entsprechenden
Linien ausgibt. Ein Computer 32 verarbeitet die Signalinformation,
macht Korrekturen entsprechend dem Hintergrund und zeigt bei gleichzeitiger
Kalibrierung die Ergebnisse auf einem Monitor 34 und/oder
dem Drucker als Konzentrationen der atomaren Elemente in der Probe
an. Die optischen Dispersionselemente und der Detektor sind im Detail hierin
nicht gezeigt, da diese in dem zuvor genannten Patent erläutert sind
(hier und in den Ansprüchen
soll der Begriff „Detektoreinrichtung" eine Gruppe von Komponenten
zur Wellenlängenfilterung
oder Dispersion, einen oder mehrere Detektoren für die gefilterte oder gestreute
Strahlung, optische Elemente zum Reflektieren und Bündeln in
den entsprechenden Strahlengang und Mittel zum Verarbeiten und Darstellen
von Ergebnissen einschließen).
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Wie zuvor erläutert ist, leitet eine dazwischenliegend
angeordnete optische Vorrichtung 16 Strahlung von dem Plasma 22 zu
dem Detektorsystem 31. In einem konventionellen Spektrometer
(z. B. den zuvor benannten Perkin-Elmer Optima 3000-Spektrometer)
entspricht eine aus dem Plasma erfasste Strahlung einer radialen
Strahlung 18 entlang der optischen Weglänge 19 von einem ICP-Generator,
der unter rechtem Winkel orientiert ist (wie in 1 gezeigt ist), oder einer axialen Strahlung 28 von
einem axial ausgerichteten Generator (in 1 nicht gezeigt). In jedem Falle ist
ein Spiegel 36 unter ungefähr 45° in Bezug auf die Strahlung
orientiert. Der Spiegel reflektiert die Strahlung 39 zu
einem konkaven Spiegel 38, der ebenfalls unter 45° angeordnet ist
und zusammen mit dem Spiegel 36 die Strahlung als ein Bild
eines vorbestimmten Emissionspunktes 42 in der Plasmaquelle
in eine Öffnung 40 (ein
Schlitz der vertikal zur Zeichenebene in den vorliegenden Beispiel
steht), die am Eingang des Detektorssystems angeordnet ist, fokussiert.
Der Spiegel 36 kann eben sein, ist aber vorzugsweise konkav
und ist höchst
vorteilhafterweise ein konkaver Toroid, um das Fokussieren von den
horizontalen und vertikalen Ebenen (wobei die Zeichenebene horizontal
ist) anzugleichen. Des weiteren sollte der konkave Spiegel 38 aus
dem gleichen Grunde ein konkaver Toroid sein. Der „Emissionspunkt" 42 ist
eigentlich ein zentraler Punkt von Emissionszonen mit beschränkter Ausdehnung
in dem Plasma, die in den axialen und radialen Strahlengang einstrahlen.
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Aus Gründen der Genauigkeit kann der
Spiegel 36 einen Schrittmotor 44 zum Drehen des
Spiegels in kleinen Schritten um eine Achse 46 in oder
in der Nähe
der wirksame Ebene des Spiegels aufweisen, um einen Punkt der Strahlung
von dem Plasma auszurichten oder auszuwählen, der auf den Schlitz fokussiert
wird. Ein zweiter Motor (nicht gezeigt) ist vorgesehen, um den Spiegel
um eine senkrechte Achse für
die weitere Justierung zu drehen. Die Motoren werden vorteilhafterweise
durch den Computer 32 des Spektrometers gesteuert, um die
Signale zu optimieren, wobei dies automatisch oder durch Eingabe
eines Bedieners geschehen kann. In dem vorliegenden Beispiel beträgt die Orientierung
des ersten Spiegels 36 nominell 45° bei kleinen Korrekturen für die Justierung,
kann jedoch bei einem beliebigen anderen Winkel liegen, abhängig von
der relativen Lage des Plasmagenerators 12 und des konkaven Spiegels 38.
In einer weiteren Alternative kann der erste Spiegel mehr konkav
geformt sein, um auf den Schlitz zu fokussieren, wobei der Spiegel 38 eben
ist. Oder die konkaven Spiegel 36, 38 können durch
eine oder mehrere Linsen im optischen Strahlengang ersetzt werden.
Andere faltende Spiegel (nicht gezeigt) können nach Bedarf oder Wunsch
verwendet werden.
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Erfindungsgemäß (2) ist eine optische Vorrichtung 48 zwischen
dem Plasmagenerator 12 und der Detektoreinrichtung 14 so
angeordnet, um wahlweise entweder die axiale Strahlung 28 auf
der Längsachse 30 oder
einen Strahl der radialen Strahlung 18 entlang des radialen
Weges 19 von dem Generator zu dem Detektorsystem 31 zu
lenken. Diese Vorrichtung 48 ersetzt die dazwischenliegende
Optik 16 aus 1,
obwohl vorzugsweise die gleichen optischen Elemente (z. B. Spiegel 36, 38)
verwendet sind (wenn Komponenten und Elemente vorzugsweise gleich
sind wie in 1, so werden
dafür die
gleichen Bezugszeichen gewählt.)
Die axiale Strahlung 28 verläuft direkt von dem Plasma 22 zu
dem ersten Spiegel 36, der die Strahlung zum Spiegel 38 und dann
zu dem Schlitz reflektiert. Vorteil hafterweise ist der Spiegel 36 identisch
zu jenem in dem konventionellen Instrument (1) und ist mit einem Schrittmotor 44 gekoppelt,
um die in den Schlitz eingespeiste Strahlung auszurichten. Alternativ
kann jedoch der Spiegel mittels eines Knopfes oder einem Hebel manuell
gedreht werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der optischen Vorrichtung 48 ist ein zweiter Spiegel 50 seitlich
von dem Plasmagenerator 12 angeordnet, vorzugsweise unter
einer Orientierung von 45°,
um somit die radiale Strahlung 18 mittels der Öffnung 29 in
einen Strahlengang 52 parallel (oder zumindest im Wesentlichen
parallel) zu der Längsachse 30 und
im Wesentlichen in die Richtung des ersten Spiegels 36 (anders
als im umgekehrten Falle) zu reflektieren. Ein dritter Spiegel 54 ist
seitlich von der Längsachse
angeordnet, ebenso vorzugsweise unter einem Winkel von 45° und mit
dem gleichen Abstand und der radialen Richtung zu der Achse wie
der zweite Spiegel, um die Strahlung von dem zweiten Spiegel in
einen Strahlengang 56 auf einer Mittellinie 64 in
Richtung eines zentralen Punkts 58 in der Nähe (aber
nicht auf) der Längsachse 30 zwischen
dem Plasmagenerator und dem ersten Spiegel zu reflektieren. (In
den Beispielen hierin sind ebene Spiegel zur Reflektierung der Strahlung
verwendet, aber es können
auch Prismen, etwa rechtwinklige Prismen mit inneren reflektierenden
Oberflächen,
die im Wesentlichen äquivalent
z u den Spiegeln sind, ebenso als Reflektoren verwendet werden.)
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Ein vierter Spiegel 60 ist
benachbart zu der axialen Strahlung 28 so angeordnet, um
die radiale Strahlung in den Strahlengang 56 von dem dritten Spiegel 54 in
einen Strahlengang 62 in Richtung des ersten Spiegels 36 zu
reflektieren. Der zentrale Punkt 58 ist so definiert, dass
dieser auf dem Spiegel 60 liegt und wird bestimmt durch
das Schneiden der Mittellinien 64, 66 der radialen
Strahlung vor und nach dem vierten Spiegel. Der vierte Spiegel sollte
so nahe wie möglich
an dem durch die Apertur verlaufenden Strahl der axialen Strahlung 28 liegen,
ohne das der Spiegel wesentlich die axiale Strahlung stört, die
direkt zu dem ersten Spiegel 36 gelenkt wird. Um dies zu
erreichen, kann der Spiegel 60 außerhalb des durch die Apertur
laufenden axialen Strahls 28 liegen oder zumindest nicht
mehr als 10% davon herausschneiden. Der vierte Spiegel sollte ebenso
so nahe wie praktischer Weise möglich
ist an dem Plasmagenerator 12 liegen, ohne deutlich durch
diesen erhitzt zu werden, um den Winkel zu minimieren, wie nachfolgend
erläutert
ist.
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Eine angewinkelte Linie 66 ist
von dem Punkt 58 zu einem axialen Punkt 68 des
Schnittpunktes der Achsen 30 und des ersten Spiegels 36 definiert,
und diese Linie sollte unter einem minimalen Winkel A angeordnet
sein, ohne den Spiegel 60 zu stören. Wenn der vierte Spiegel
Strahlung von dem dritten Spiegel 54 über eine Linie 64,
die senkrecht zur Achse 30 steht, empfängt, ist der vierte Spiegel
nahezu 45° zu der
Achse geneigt, aber unter einem tatsächlichen Winkel, der eine Korrektur
für den
Versatz zu der Achse darstellt. Höchst vorteilhafterweise kreuzt
die Strahlung von dem dritten Spiegel die Längsachse 30, um den vierten
Spiegel zu erreichen und die optischen Achsen der axialen und radialen
Strahlungsgänge
der Strahlung zu dem Schlitz sollten vollständig in einer gemeinsamen Ebene
(die Zeichenebene) liegen. In einem breiteren Aspekt der Erfindung
können
die Strahlengänge
jedoch etwas davon abweichen und die 45° Orientierungen der Spiegel
sind nicht kritisch. Des weiteren können andere dazwischenliegende
faltende Spiegel nach Bedarf verwendet werden; beispielsweise kann
die Strahlung von einem der vorhergehenden Spiegel zu dem nächsten mittels
derartiger Spiegel gelenkt werden.
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Um die zweifache Auswahl zu erreichen, wird
der erste Spiegel um seine Achse 46 mittels des Motors 44 zu
einer der beiden Orientierungen beispielsweise durch Steuerung des
Computers 32 nach Bedienereingabe nach Bedarf gedreht.
In einer ersten Orientierung (gezeigte Position des Spiegels) reflektiert
der Spiegel die axiale Strahlung 30 von dem Plasma 22 in
das Detektorsystem 14, und in einer zweiten Orientierung 70 (gestrichelte
Linien) wird die radiale Strahlung entlang der Mittellinie 66 von dem
vierten Spiegel 60 in das Detektorsystem reflektiert. Die
Montage und die Steuerung für
den ersten Spiegel wird vorteilhafterweise in gleicher Weise für ein Spektrometer
verwendet, das bereits eine Justiereinrichtung ohne eine duale Auswahl
(1) aufweist, und die
beiden Orientierungen für
die Auswahl können
zur Justierung fein eingestellt werden.
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Der Winkel A des vierten Spiegels
zu der Achse 30 sollte im Wesentlichen so klein wie möglich und
vorzugsweise zwischen 1° und
10° und
vorzugsweise zwischen ungefähr
2° und 5° liegen,
um die Unterschiede in der optischen Weglänge und die optischen Aberrationen
zu minimieren und um einen kleinen Motorantriebsbereich auszunutzen,
der vorgesehen sein kann, um den ersten Spiegel zu justieren. Zum
Beispiel ist ein Winkel von 3.3° für die Linie zu
dem zentralen Punkt des vierten Spiegels praktikabel und sorgt für einen
Spiegeldrehwinkel B (die Hälfte
vom Winkel A) von lediglich 1.65°.
Dies wird in einfacher Weise mit einem Abstand von 30 cm zwischen
dem Plasmagenerator und dem ersten Spiegel und 8 cm zwischen dem
Generator und dem vierten Spiegel und einer Breite des Strahls der
axialen Strahlung von 1 cm an dem vierten Spiegel erreicht.
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Beispiele für andere Abmessungen sind 38 cm
zwischen dem konkaven ersten Spiegel 36 und dem konkaven
Spiegel 38 und 10 cm zwischen dem Spiegel 38 und
der Öffnung 40 (wobei
diese Abstände
zwischen den Mittellinien definiert sind). Der zweite und der dritte
Spiegel 50, 54 sind in praktischer Weise 8 cm
von der Längsachse
für eine
Plasmageneratorröhre 23,
die einen Durchmesser von 2 cm aufweist, angeordnet. Um den Emissionspunkt 42 auf
die Öffnung 40 zu
fokussieren, sind für
die vorgenannten Abmessungen die Krümmungsradien der Toroide in
jeweils der vertikalen Ebene und der horizontalen Ebene (wobei horizontal
in der Zeichenebene liegt) für
den Spiegel 36 45,23 cm und 56,88 cm und für den Spiegel 38 sind
diese 18.14 cm und 39.00 cm.
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Die axiale Strahlung besitzt eine
erste optische Weglänge,
die sich entlang der Achse von dem vorbestimmten Emissionspunkt 42 in
dem Plasma zu der Eingangsöffnung
(Schlitz) 40 erstreckt. Die radiale Strahlung besitzt eine
zweite Weglänge
von dem gleichen Punkt 42 zu der Öffnung über die dazwischenliegenden
Spiegel, wobei die zweite optische Weglänge größer als die erste ist. Die
Spiegel 36, 38 (oder Ersatzlinsen) bilden ein
gemeinsames Mittel zum Fokussieren entweder der axialen Strahlung oder
der radialen Strahlung auf den Schlitz. Der Unterschied zwischen
den optischen Weglängen
der axialen und der radialen Strahlung sollte kompensiert werden,
um eine Fokussierung des Punktes 42 in dem Plasma durch
jeden Strahlengang auf den Eingangsschlitz 40 des Detektorsystems 31 so
zu gewährleisten,
dass der Emissionspunkt und die Öffnung
konjugierte Brennpunkte sowohl für
die axiale Strahlung als auch die radiale Strahlung bilden. Dies wird
vorzugsweise erreicht, indem ein vierter Spiegel, der geringfügig konvex
ist, eingesetzt wird. Der Spiegel kann sphärisch konvex sein, besitzt
aber für
eine höhere
Genauigkeit eine torodiale Oberfläche mit einer Brennlänge, die
in der horizontalen Ebene (die Zeichenebene) länger ist und die als Quadratwurzel von
2 multipliziert mit der Brennlänge
in den vertikalen Ebenen berechnet wird, die so festgelegt ist,
um die geforderte optische Länge
für den
Brennpunkt zu ergeben. Für
die Abmessungen, die oben aufgeführt sind,
sind die Krümmungsradien
des Toroids für
den konvexen vierten Spiegel 60 152.9 mm und 419.7 mm.
Es können
andere Mittel zur Kompensierung angewendet werden, etwa kann einer
der anderen zwischengeschalteten Spiegel konvex sein oder es kann eine
konvexe Linse in den zweiten Strahlen gang eingeführt werden. Alternativ kann
die Brennpunktlänge der
axialen Strahlung mittels einer konkaven Linse zwischen dem Plasma 22 und
dem ersten Spiegel verkürzt
werden.
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Zusätzlich zur Bereitstellung für Mittel
zum Auswählen
der ersten oder der zweiten Orientierung ist der erste Spiegel vorteilhafterweise
weiter drehbar, um seine erste Orientierung auf der Achse 46 fein
abzustimmen, um damit die axiale Strahlung zu der Öffnung 40 auszurichten,
so dass der ausgewählte
Emissionspunkt auf (oder in wählbarer
Weise in der Nähe)
der Achse 30 liegt. Dies ist die gleiche Art der Einstellung,
wie für
das konventionelle Instrument (1).
In ähnlicher
Weise sollte die zweite Orientierung in feingestufter Weise möglich sein,
um eine Position von einem Bereich 74 entlang der Achse
des Emissionspunkts der Strahlung für die radiale Strahlung auszuwählen, wobei
der ausgewählte Punkt
an der Stelle liegt, an der das Probenmaterial in optimaler Weise
atomisiert und angeregt ist. Diese Einstellungen werden mittels
dem Motor 44 vorzugsweise durch Steuerung des Computers 32 erreicht, die
sowohl durch ein Programm mit Rückkopplung zur
Maximierung eines Detektorsignals oder mittels Eingabe eines Bedieners
erfolgen kann. Manuelle Einstellungen mittels einer Mikrometerschraube
oder ähnlichem
sind jedoch als Alternativen auch denkbar.
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Ein Spiegelgehäuse 76 ist mit Fenstern 80 aus
verschweißtem
Quartz oder ähnlichem
am Eingang für
die Strahlung vorgesehen, um Stickstoff oder ein anderes inertes
Gas zurückzuhalten,
um damit eine Absorption der Strahlung durch Sauerstoff in der zusätzlichen
optischen Weglänge
der radialen Strahlung zu minimieren. Das Gehäuse ist an einer Austrittsöffnung 81 mittels
einer hermetischen Dichtung 83 an dem Gehäuse 82 (oder
den Gehäusen) verbunden,
das alle anderen optischen Komponenten (einschließlich der
Spiegel 36, 38) enthält, die zum Detektorsystem 31 führen und
dieses bilden. Diese Gehäuse
sind mit Gas gefüllt,
etwa mit Stickstoff oder Argon, jedoch nicht mit Sauerstoff, um
eine Absorption der Strahlung zu vermeiden. Es kann ein kleiner
Belüftungsauslass
für das
Gas an den Eintrittsöffnungen 80 vorgesehen
sein. Eine Wärmeübertragung
von dem Plasmagas zu dem Gehäuse
wird mittels konventionell angebrachter flacher Düsen (nicht gezeigt,
wobei diese in der Zeichenebene angebracht sind) blockiert, um einen
Querlüfter
für Stickstoffgas
senkrecht zu der Achse 30 ungefähr 2 bis 3 cm von dem Ende
der Plasmaspule 20 entfernt bereitzustellen.
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Obwohl die vorhergehende Vorrichtung
auf der Grundlage der 2 eine
bevorzugte Ausführungsform
der zwischengeschalteten optischen Vorrichtung darstellt, können andere
Mittel zum selektiven Lenken der axialen Strahlung oder der radialen Strahlung
zu der Detektoreinrichtung vorgesehen sein.
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In einer weiteren alternativen Anordnung (3) sind die optischen Strahlgänge für die axiale und
die radiale Strahlung zu dem ersten Spiegel vertauscht. In einer
derartigen Anordnung wäre
der ICP 12 um 90° zu
der in 2 gezeigten Orientierung
gedreht, so dass der erste Spiegel 36 die radiale Strahlung 18 direkt
auf der radialen optischen Weglänge 19 empfängt und
die axiale Strahlung 28 unter einem Winkel zu dem ersten
Spiegel über
die Reflektoreinrichtung gelenkt wird. Diese ist in einer bevorzugten Ausführungsform
wiederum aus dem zweiten Spiegel 50, dem dritten Spiegel 54 und
dem vierten Spiegel 60 gebildet. Die Spiegel 50, 54 sind
vorzugsweise von der radialen optischen Wegstrecke gleich beabstandet,
wobei der vierte Spiegel 60 von der radialen Weglänge 19 so
beabstandet ist, dass dieser gerade außerhalb der radialen Strahlung 18 liegt.
Andere Komponenten und Funktionsweisen des Systems aus 3 sind identisch zu 2 und sind entsprechend
bezeichnet.
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Somit wird allgemein gesagt die axiale
Strahlung oder die radiale Strahlung als eine primäre Strahlung
auf einen linearen optischen Weg in vorbestimmter Weise gelenkt,
wobei der optische Wege die Längsachse
oder die radiale Weglänge
ist. Die andere (radiale oder axiale) Weglänge wird dann als ein Weg für die sekundäre Strahlung
festgelegt. Der erste Spiegel empfängt direkt die primäre Strahlung entlang
der optischen Weglänge.
Die Reflektoreinrichtung lenkt die sekundäre Strahlung zu dem ersten Spiegel
unter einem Winkel zu der Wegstrecke, wobei der Winkel vorzugsweise
so klein wie möglich
ist. In dem Aspekt aus 2 ist
die axiale Strahlung 28 die primäre Strahlung und die radiale
Strahlung 18 ist die sekundäre Strahlung. In dem Aspekt
aus 3 ist die radiale
Strahlung 18 die primäre
Strahlung und die axiale Strahlung 28 ist die sekundäre Strahlung. In
bevorzugten Ausführungsformen
jedes dieser Aspekte sind der zweite Spiegel 50 und der
dritte Spiegel 54 unter gleichem Abstand zu dem optischen Weg
angeordnet und der vierte Spiegel 60 ist von der Weglänge unter
einem kleinen Winkel versetzt.