因此，对于火花直读光谱仪的设计与研究有着巨大的现实意义。

1.2  研究的目的与手段

    本论文要研究的问题主要有下列四点：

（1）探讨光谱获取的方法以及光栅原理；

（2）对帕邢-龙格结构的光谱仪进行光学系统设计；

（3）对中阶梯光栅结构的光谱仪进行光学系统设计；

（4）进行火花直读光谱仪外围辅助系统的需求分析。

    因此决定采取的主要研究手段主要有以下几种：

（1）理论研究。查阅国内有关火花直读光谱仪的开发、设计等相关的理论资料，并参考有关学者在这一方面的研究成果，然后结合老师所给任务书要求的实际状况进行分析，形成相关理论体系。

（2）光学设计。进一步熟悉和巩固相关光学设计软件的操作与应用，在结合实际需求的前提下，利用软件分别完成帕邢-龙格结构以及中阶梯光栅结构光谱仪的设计。

（3）实际操作。对现有火花直读光谱仪进行实际操作以及细致观察和分析，从而更好地将理论与实际相结合。

（4）分析讨论。在设计过程中及时发现问题，并及时与老师讨论分析出解决方案，力争能够做出有所创新的成果。

1.3  本文所进行的主要工作

    本文首先总结和分析了火花直读光谱仪的相关理论与资料，并针对参数要求进行了需求分析。之后对分光系统提出了两种设计方案，针对各种情况对两种方案进行了比较并提出了改进意见，还对系统仿真进行了初步探究。另外还在此基础上，对整体系统的外围辅助设备进行了分析与初步设计。

 2  火花直读光谱仪相关理论概述与分析

2.1  光谱分析与光谱仪

2.1.1  光谱分析

    根据物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成和相对含量的方法叫光谱分析。其优点是灵敏、迅速。历史上曾通过光谱分析发现了许多新元素，如铷，铯，氦等。根据分析原理光谱分析可分为发射光谱分析与吸收光谱分析二种[26]；根据被测成分的形态可分为原子光谱分析与分子光谱分析。光谱分析的被测成分是原子的称为原子光谱,被测成分是分子的则称为分子光谱。本文所涉及的主要为发射原子光谱。

    发射光谱分析是根据被测原子或分子在激发状态下发射的特征光谱的强度计算其含量。

    吸收光谱是根据待测元素的特征光谱,通过样品蒸汽中待测元素的基态原子吸收被测元素的光谱后被减弱的强度计算其含量。它符合郎珀-比尔定律[17]:

A= -lgI/I0= -lgT = KCL (2-1)

    式中I为透射光强度，I0为发射光强度，T为透射比，L为光通过原子化器光程由于L是不变值所以A=KC。

任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成的，原子核外电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级，因此，一个原子核可以具有多种能级状态。能量最低的能级状态称为基态能级（E0=0），其余能级称为激发态能级，而能最低的激发态则称为第一激发态。正常情况下，原子处于基态，核外电子在各自能量最低的轨道上运动。如果将一定外界能量如光能提供给该基态原子，当外界光能量E恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差E时，该原子将吸收这一特征波长的光，外层电子由基态跃迁到相应的激发态。原来提供能量的光经分光后谱线中缺少了一些特征光谱线，因而产生原子吸收光谱。电子跃迁到较高能级以后处于激发态，但激发态电子是不稳定的，大约经过10-8秒以后，激发态电子将返回基态或其它较低能级，并将电子跃迁时所吸收的能量以光的形式释放出去，这个过程称原子发射光谱[1]。可见原子吸收光谱过程吸收辐射能量，而原子发射光谱过程则释放辐射能量。源[自[优尔^`论`文]网·www.youerw.com/