Le système dispersif collecte la lumière émise par le plasma et sépare les différentes longueurs d'onde afin de permettre leur mesure à des fins d'analyse qualitative et quantitative. La collecte de la lumière doit être effectuée avec la plus grande efficacité possible pour garantir la sensibilité des mesures. Le système doit permettre des mesures dans la plage de 160 à 800 nm, et jusqu'à 120 nm pour certaines applications spécifiques.
Types typiques de systèmes dispersifs pour ICP-OES : système dispersif Czemy-Turner.
Plusieurs systèmes dispersifs peuvent être utilisés dans l'ICP-OES : on trouve des optiques Czerny-Turner, Paschen-Runge et Echelle.
Czerny-Turner. Dans ce montage optique, le système dispersif est constitué de deux miroirs de collimation et d'un réseau (ou de systèmes à double réseau montés sur une tourelle). La lumière collectée par le plasma à travers la lentille du système de collimation d'entrée est réfléchie par le miroir d'entrée et les longueurs d'onde sont séparées par le réseau (généralement un réseau haute densité, typiquement de 2 400 à 4 320 g/mm). Le second miroir focalise la lumière sur le détecteur. Les composants optiques sont réduits au minimum afin d'améliorer l'efficacité de la transmission lumineuse. L'optique Czerny-Turner offre une résolution constante sur l'ensemble du spectre mesuré.
La rotation du réseau permet de couvrir toute la gamme spectrale et assure une couverture complète des longueurs d'onde, permettant ainsi d'accéder à toutes les longueurs d'onde et de les mesurer. Le déplacement du réseau peut être assuré par une barre sinusoïdale ou un système d'entraînement direct, ce qui augmente la vitesse de déplacement et améliore la répétabilité du positionnement.
Types typiques de systèmes dispersifs pour ICP-OES : système dispersif Paschen-Runge.
L'optique Paschen-Runge utilise un réseau concave pour séparer les longueurs d'onde. Ce réseau sert également de système de collimation. Des réseaux haute densité sont utilisés, généralement de 2 400 à 4 343 g/mm. La lumière est collectée dans le plasma par une lentille et dispersée par le réseau, en position fixe. La lumière dispersée est focalisée sur un cercle, le cercle de Rowland, où sont placés tous les détecteurs. Plusieurs détecteurs doivent être utilisés pour mesurer les signaux. L'optique Paschen-Runge offre une résolution constante sur le spectre mesuré, mais ne permet pas une couverture complète des longueurs d'onde en raison des positions relatives de la fente d'entrée et de la lumière diffractée.
L'optique échelle utilise un réseau d'échelle, un réseau de faible densité, généralement compris entre 50 et 100 g/mm. Un système est nécessaire avant ou après le réseau pour séparer les différents ordres qui se chevauchent. Cette dispersion d'ordre peut être réalisée à l'aide d'un prisme ou de disperseurs plus spécifiques. Les composants optiques peuvent être fixes ou mobiles selon la conception de l'instrument. La lumière est dispersée selon une figure bidimensionnelle appelée échellogramme, et la détection doit ensuite être effectuée sur cette figure.
Gamme spectrale en fonction de la densité de trait du réseau
Plus la densité des sillons est élevée, meilleure est la résolution. La résolution est la capacité du système dispersif à séparer deux pics étroits. Elle est généralement exprimée par la largeur totale à mi-hauteur du pic. Une résolution élevée permet d'obtenir des performances élevées pour les matrices contenant de nombreux éléments ou émettant de nombreuses raies sur l'ensemble du spectre.
Gamme spectrale en fonction de la densité de trait du réseau
La densité des traits définit également la plage de longueurs d'onde accessible. Plus la densité est importante, moins la plage de longueurs d'onde est large.
Lorsqu'un réseau diffracte la lumière, il suit une règle simple qui est : sinα+sinβ=knλ avec α l'angle d'incidence, β l'angle de diffraction, k l'ordre, n la densité de traits et λ la longueur d'onde.
Pour un réseau donné (n fixé), une position donnée du réseau (α et β fixés), plusieurs longueurs d'onde λ peuvent être observées : λ au 1er ordre, λ/2 au 2ème ordre, λ/3 au 3ème ordre…
Pour éviter tout problème, des filtres d'ordre sont utilisés dans les spectromètres. Pour une longueur d'onde donnée (λ fixé), un réseau donné (n fixé) et un angle d'incidence donné (α), une longueur d'onde donnée peut être observée à différents angles de diffraction β. L'ordre influence la résolution du système et peut contribuer à l'améliorer. En général, les premier et deuxième ordres sont utilisés uniquement, car l'intensité lumineuse diminue avec l'ordre.
La longueur focale d'un instrument a une influence sur la résolution et sur la quantité de lumière qui atteint le détecteur. Plus la distance focale augmente, meilleure est la résolution, mais moins de lumière atteint le détecteur. En pratique, les spectromètres ICP-OES peuvent utiliser une longueur focale allant jusqu'à 1 mètre pour améliorer la résolution sans sacrifier les limites de détection. Les spectromètres ICP-OES de HORIBA sont équipés d'optiques d'une longueur focale de 1 mètre qui garantissent des applications exigeantes et un débit de lumière élevé.
La stabilité de l'instrument peut être affectée par le mouvement de l'optique si la répétabilité du mouvement n'est pas bonne. Les progrès récents de la mécanique permettent d'améliorer considérablement la répétabilité de la position et donc la stabilité. En outre, l'utilisation d'une ligne de référence qui permet de vérifier la position avant toute acquisition contribue à obtenir une excellente répétabilité et donc une excellente stabilité de l'optique. Les spectromètres ICP-OES de HORIBA utilisent un système d'entraînement direct de haute précision pour les mouvements du réseau et une ligne de référence pour vérifier la position pratique par rapport à la position théorique.
