原子发射光谱仪器通常包括三部分：激发光源、分光系统和检测系统。

一、激发光源

光源的作用是提供足够的能量使试样蒸发、原子化、激发、产生光谱。光源的特性在很大程度上影响着光谱分析的准确度、精密度和检出限。

发射光谱分析光源种类很多，目前常用的有直流电弧、交流电弧、电火花及电感耦合高频等离子体(ICP)。

（一）直流电弧

直流电弧的基本电路见图2－3。光源的弧焰温度一般可达4000~7000 K，激发能力较强。由于持续放电，电极头温度高达3800 K，蒸发能力强，试样进入分析间隙的量多，因此，分析的绝对灵敏度高。但是，放电的稳定性较差，定量分析的精密度不高。该激发光源适用于矿物和难挥发试样的定性、半定量及痕量元素的分析。

图2－3 直流电弧基本电路

E－直流电源，V－直流电压表，L－电感

（二）交流电弧光源

交流电弧的基本电路见图2－4。由于交流电弧是间歇性脉冲放电，电流密度比直流电弧大，因此，弧焰温度可达4000~8000 K，激发能力较强。但是，电极温度较低，其蒸发能力稍差。光源的稳定性较好，定量分析的精密度较高。该激发光源广泛应用于金属、合金中低含量元素的定量分析。

图2－4 交流电弧基本电路

E－交流电源，L1,L2－电感，B1,B2－变压器，C1－振荡电容，

C2－旁路电容，R1,R2－可变电阻，A－电流表，G－分析间隙，G’－放电盘

（三）高压火花

火花是指在至少两个电极间施加高压和相对较低的电流，并产生间歇性周期的振荡放电（图2－5）。其中一个电极由待测样品组成，另一个一般由钨制成。

火花不同于交流电弧。典型的火花持续时间在几微秒数量级，电极间的空间为分析间隙，约为3~6 mm，根据发生器原理和特性，火花有许多类型，按照使用电压的高低可分为：高压火花(10~20 kV)，中压火花(500~1500 V)和低压火花(300~500 V)。高压火花能自身点火，而中、低压火花则通过与火花频率同步的外部高压脉冲点火。当增加电压时精度可获改善，但检出限受损，因此，低压火花似乎是一个较好的折衷。

高压火花放电稳定性好。放电时间极短，瞬间通过分析间隙G的电流密度极大，弧焰温度可达1×104 K，激发能力强，激发产生的谱线主要是元素的离子线，适用于难激发元素的定量分析。由于放电间歇时间较长，电极温度较低，并且弧焰半径小，其蒸发能力差，因此，该光源适用于低熔点金属和合金的定量分析。但是，火花光源的光谱背景较大，分析的灵敏度不高，适用于高含量组分定量分析，不适于微量或痕量元素的测定。

图2－5 高压电容火花发生器

(a) 是稳定间隙控制的火花电路；(b)旋转间隙控制的火花电路

(b)

（四）电感耦合等离子体（ICP）

ICP光源是20世纪60年代研制的新型光源，由于它的性能优异，70年代迅速发展并获得广泛应用。ICP光源主要由高频发射器、等离子体炬管、感应管、供气系统和雾化系统组成。高频发射器的作用是产生高频电流。ICP炬管是由三层同心石英管组成。外层石英管内切向通入的Ar气为等离子体工作气或冷却气。中间层石英管内通入的Ar气为辅助气。内管又称喷管，以Ar气为载气，将试样气溶胶引入到ICP炬中。ICP炬实际上是ICP放电现象。其形成原理见图2－6。

等离子炬管是一个三层同心石英玻璃管。外层通入冷却气，中层气流起维持等离子体的作用，内层以载气输入试样气溶胶，试样多为溶液。

ICP发射光谱一般用于分析液体，也可用于分析固体。与其它光源相比，ICP光源具有以下突出优点：

1．激发温度高，一般在5000~8000 K，有利于难激发元素激发（等离子体光源中温度分布见图2－7）。

2．因为存在轴向分析通道，试样在ICP光源中停留时间长（约1 ms），对于试样的原子化、电离和激发十分有利。

3．ICP炬放电的稳定性很好，分析的精密度高，相对标准偏差在1%左右。

4．ICP自吸效应小，标准曲线的线性范围宽。

ICP－AES提供了一种快速、准确的手段，可以测定70多种，是化学实验室中最常用的分析手段之一。

ICP光源仍然存在一定的缺点，主要是仪器价格昂贵，等离子工作气体的费用较高，测定非金属元素时，灵敏度较低。

图2－6 ICP炬形成原理

图2－7 等离子体光源中温度分布

二、分光系统

常用的分光元件可分为两类：棱镜和光栅。棱镜是利用光的折射原理进行分光的，其色散率不均匀，即它随波长的增加而降低，而且其色散率和分辨率一般不如光栅，故近年生产的光谱仪多用光栅作为分光元件。

（一）棱镜分光系统

棱镜分光系统的光路见图2－8。由光源Q来的光经三透镜KI、KII、KIII照明系统聚焦在入射狭缝S上，入射的光由准光镜L1变成平行光束，投射到棱镜P上。波长短的光折射率大，波长长的光折射率小，经棱镜色散之后按波长顺序被分开，再由照明物镜L2分别将它们聚焦在感光板的乳剂面FF'上，便得到按波长顺序展开的光谱。得到的每一条谱线都是狭缝的像。棱镜光谱是零级光谱。

棱镜分光系统的光学特性可用色散率和分辨率来表征。

图2－8棱镜分光系统光路图

色散率：角色散率D是指两条波长相差dλ的谱线被分开的角度dθ，线色散率D1是指波长相差dλ的两条谱线在焦面上被分开的距离dl。常用的是倒线色散率dλ/dl，其意义是焦面上单位长度内容纳的波长数，单位是nm/mm。棱镜的线色散率随波长增加而减小。

分辨率：棱镜的理论分辨率可由下式计算：

（2－5）

式中Δλ是根据瑞利准则恰能分辨两条谱线的波长差，λ是两条谱线的平均波长。根据瑞利准则，恰能分辨是指等强度的两条谱线间，一条谱线的衍射最大强度（主最大）落在另一条谱线的第一最小强度上，当棱镜位于最小偏向角位置时， 对等腰棱镜，有

（2－6）

式中dn/dλ是棱镜材料的色散率，m’是棱镜的数目，b是棱镜底边长。与线色散率不同，理论分辨率与物镜焦距无关。

（二）光栅分光系统

光栅分为透射光栅和反射光栅，用得较多的是反射光栅。反射光栅又可分为平面反射光栅（或称闪耀光栅）和凹面反射光栅。光栅是一种多狭缝部件，光栅光谱的产生是多狭缝干涉和单狭缝衍射两者联合的结果。多狭缝干涉决定光谱线出现的位置，单狭缝衍射决定谱线的强度分布。图2－9是平面反射光栅的一段垂直于刻线的截面，它的色散作用可用光栅公式表示

（2－7）

式中：d为光栅常数(mm)，它是相邻两刻痕间的距离；θ和φ分别为入射角和衍射角；dsinθ为相邻入射光波1与2的光程差；dsinφ为相邻衍射光波1’与2’的光程差；d(sinθ + sinφ)为光波11’与光波22’的总光程差，即在φ方向衍射的两相邻光波的光程差。在式（2－7）中，加号表示衍射光和入射光在光栅法线的同侧，减号表示它们在光栅法线的异侧。整数n为光谱级次当n=0，即零级光谱，衍射角与波长无关，也就是说无分光作用。λ为入射光波长。

光栅的特性可以用色散率、分辨能力和闪耀特性来表征。当入射角θ不变时，光栅的角色散率可用光栅公式微分求得

（2－8）

式中dφ/dλ为衍射角对波长的变化率，也就是光栅的角色散率。当φ很小时且变化不大时，可以认为cosφ≈1。因此光栅的角色散率只决定于光栅常数d和光谱级次n，可以认为是常数，不随波长而变，这样的光谱称为“均排光谱”。这是光栅优于棱镜的一个方面。

图2－9 平面反射光栅的衍射

在实际工作中用线色散率dl/dλ表示。对于平面光栅，线色散率为

（2－9）

式中f为会聚透镜的焦距。由于cosφ≈1（θ≈6o），则

（2－10）

光栅的分辨能力是根据瑞利（Rayleigh）准则来确定。Rayleigh准则认为，等强度的两条谱线（I和II）中，一条（II）的衍射最大强度落在另一条（I）的第一最小强度上，这时，两衍射图样中间的光强度大约为中央最大的80％，而在这种情况下两谱线中央的最大距离是光学仪器能分辨的最小距离。光栅的分辨率R 等于光谱级次n与光栅刻痕总数N的乘积，即

（2－11）

例如，对于一块宽度为50 mm，刻痕数N为1200条mm-1的光栅，在第一级光谱中（即n=1），它的分辨率为

光栅的分辨率比棱镜大得多，这是光栅优于棱镜的又一方面。光栅的宽度越大，单位宽度的刻痕数越多，分辨率就越大。

闪耀特性，是将光栅刻痕刻成一定的形状（通常是三角形的槽线），使衍射的能量集中到某个衍射角附近。这种现象称为闪耀，辐射能量最大的波长称为闪耀波长。质量优良的光栅可以将约80％的辐射能量集中到所需要的波长范围内。

三、检测器

在原子发射光谱法中，常用的检测方法有照相法和光电检测法两种。前者用感光板而后者以光电倍增管或电荷耦合器件（CCD）作为接收与记录光谱的主要器件。

摄谱法是用感光板来记录光谱，将感光板置于摄谱仪焦面上，接受被分析试样的光谱的作用而感光，再经过显影、定影等过程后，制得光谱底片，其上有许多黑度不同的光谱线。然后用映谱仪观察谱线的位置及大致强度，进行光谱定性分析及半定量分析。采用测微光度计测量谱线的黑度，进行光谱定量分析。感光板在过去20多年间逐渐衰落，光电倍增管(PMT)已代替感光板作为检测器。

由于ICP光源的广泛使用，现在商品ICP光谱仪中光电直读光谱仪已占主要地位。光电倍增管是光电直读光谱仪器中应用的检测元件。其工作原理如图2－10所示。光电倍增管由两部分组成：将入射光子转化为电子的光阴极，增大电子数目的倍增极。

图2－10 光电倍增管工作原理图

光电倍增管的外壳由玻璃或石英制成，内部抽成真空。光阴极上涂有能发射电子的光敏物质，在阴极和阳极之间联有一系列次级电子发射极，即电子倍增极。阳极和阴极之间加以约1000 V的直流电压。在每两个相邻电极之间，都有50－100 V的电位差。当光照射在阴极上时，光敏物质发射的电子，首先被电场加速，落在第一个倍增极上，并击出二次电子。这些二次电子又被电场加速，落在第二个倍增极上，击出更多的二次电子，依此类推。由此可见，光电倍增管不仅起了光电转换作用，而且还起着电流放大作用。

光电倍增管具有波长区域宽（常用160~900 nm）、线性范围大、放电增益高及噪声低等很多优点。

具有这类检测装置的光谱仪称为光电直读光谱仪，利用光电测量方法直接测定光谱线强度。光电直读光谱仪的谱线接收器是由出射狭缝和光电倍增管等组成。每一个接收器可将谱线发射强度的光讯号转变为电讯号，输入到相应的测光读数系统中，最后给出读数。这种由一个出射狭缝到给出读数的一系列组件称为一个“道”。由于光道数的不同，光电直读光谱仪又分为单道和多道两种。多道仪器安装多个（可达70个）出射狭缝和光电倍增管，可接受多种元素的谱线（见图2－11）。

图2－11 多道扫描光谱仪示意图