直讀光譜儀結構及組成

原子發射光譜分析過程主要分三步，即激發、色散和檢測，對應的儀器主要結構為：激發系統、色散系統、檢測系統和計算機控制與軟件系統。直讀光譜儀也不例外。以下作具體介紹。

一、激發系統

激發系統是直讀光譜儀中一個極為重要的組成部分，它的作用是給分析試樣提供蒸發、原子化或激發的能量。在光譜分析時，試樣經預燃后的蒸發、原子化和激發之間沒有明顯的界限，這些過程幾乎是同時進行的，而這一系列過程均直接影響譜線的發射以及光譜線的強度。樣品中各組分元素的蒸發、離解、激發、電離、譜線的發射及光譜線強度除了與試樣成分熔點、沸點、原子量、化學反應、化合物的解離能、元素的電離能、激發能、原子(離子)的能級等物理和化學性質有關以外，還跟所使用的光源特性密切相關，不同的激發光源對不同樣品和不同元素具有不同的蒸發行為和激發能量，因此要根據不同的分析對象，選擇與之相應的激發光源。

直讀光譜常見的激發光源有電弧光源、電火花光源、輝光放電光源等。本章僅介紹直讀光譜儀器中最常用的電火花激發光源。

電火花放電是通過兩電極間施加高電壓而產生間歇性的周期振蕩放電。其中一個電極由待測樣品組成，另一個電極一般由鎢棒(或銀棒)制成。

火花放電是一種電極間不連續的氣體放電，是一種電容放電，它是一個包含有電感L、電阻R和放電間隙線路上的電容器C放電所產生，也即存在RLC線路，其放電能量w為：

W = ? CV2

式中 C——電容器的容量；

V——電容器充電所達到電壓。

從上式可以看出，采用高電壓(12000V)和大電容(10～l000μf)都可以產生較大能量的火花放電。

典型的電火花持續時問在幾微秒數量級。電極問的空間為分析間隙，一般為3～6mm。根據發生器原理和特性，電火花有許多類型，按充電電壓的高低分為高壓火花(10~20kV)、中壓火花(500~1500V)、低壓火花(300~500V)。高壓火花能自身點火，而中、低壓火花則通過與火花頻率同步的外部高壓脈沖點火。當增加電壓時精度可獲改善，但檢出限受損。因此，低壓火花似乎是一個較好折中。近年來經過直讀光譜儀器設計者的不斷改進，常用的有可控波高壓火花光源、低壓火花高速光源和高能預火花光源。
由于紫外輻射能透過氬氣，并且氬氣不與電極發生反應，所以通常以氬氣替代空氣充滿火花電極臺，每放電一次，樣品就產生一個新斑點。經多次放電，可得到多次測量的平均值，從而可以提高分析信號的精密度。

高壓火花激發發出的主要是離子光譜，它的譜線較原子光譜簡單。由于放電穩定性好，適用于低熔點、易揮發物質或難激發元素和高含量元素的定量分析。但由于其電極頭溫度低，蒸發能力低，絕對靈敏度低，不適用于痕量分析。

二、 色散系統

色散系統是光譜儀器的核心，其作用是把不同波長的復合光進行色散變成單色光。根據色散元件的不同分為棱鏡色散系統和光柵色散系統，由于棱鏡材料受到來源、線色散率、分辨率等因素的限制，目前在定型的商品直讀光譜儀中已經不再使用，而均采用光柵作為它的色散系統。

光柵是排列在一個光學平面或門面上的許多等距、等寬相互平行的狹縫或刻槽。如果光線通過這些狹縫產生衍射和干涉現象，這一類光柵稱透視光柵；如果光線從一個鍍有金屬的光學表面的刻槽上反射產生衍射和干涉現象，這一類光柵稱反射光柵。在直讀光譜儀上使用的光柵均屬反射光柵。按光柵刻制方式的不同，可分為機刻光柵和全息光柵，按光線面形狀不同又可分為平面光柵和凹面光柵。

帕邢-龍格裝置是火花直讀光譜儀中應用得最廣泛的凹面光柵裝置，是以羅蘭圓為基礎的裝置，其光路特點是光源、狹縫與凹面光柵固定在羅蘭圓上，并在羅蘭圓上安排許多出口狹縫和相應的光電倍增管，一次記錄很寬的波長范圍。為了減少200～450nm波長范圍內的像散，通常采用27°左右的入射角。現代的儀器幾乎都采用0．75～1m的焦距，2400條／mm以上的光柵。以滿足0．3～0．4nm／mm的線色散率倒數。在帕邢-龍格裝置中，為了能測至450～800nm波長范圍的譜線，通常需另加一塊光柵，并以原級光柵的零級光為人射光進行色散。

三、檢測系統

檢測系統的核心部件是檢測器，常見的檢測器為PMT(光電倍增管)和固體檢測器。

(1) PMT PMT是一種真空光電器件，它的工作原理是建立在光電效應、二次電子發射和電子光學的理論上的，工作過程為：光子入射到光電陰極上產生光電子，光電子通過電子光學輸入系統進入倍增系統，電子得到倍增(增益可達106～107)，最后陽極把電子收集起來形成陽極電流或電壓。

選擇PMT時需從量子效率、放大倍數、靈敏度、光譜特性曲線和暗電流等幾方面來考慮。

(2) 固體檢測器 傳統的直讀光譜儀器是采用衍射光柵，將不同波長的光色散并成像在各個出射狹縫上，光電檢測器則安裝于出射狹縫后面。為了使光譜儀能裝上盡可能多的檢測器，儀器的分光系統必須將譜線盡量分開，也就是說單色器的焦距要足夠長。即使采用高刻線光柵的情況下，也需0．5～1．0m長的焦距，才有滿意的分辨率和裝上足夠多的檢測器。所有這些光學器件均需精確定位，誤差不得超過幾個微米；并且要求整個系統有很高的機械穩定性和熱穩定性。由于振動和溫度濕度等環境因素的變化，導致光學元件的微小形變，將使光路偏離定位，造成測量結果的波動。為減少這類影響，通常將光學系統安置在一塊長度至少0．5m以上的剛性合金基座上，且整個單色系統必須恒溫恒濕。這就是傳統光譜儀器龐大而笨重，使用條件要求高的原因。而且，由于傳統的光譜儀是使用多個獨立的光電倍增管和電路對被分析樣品中的元素進行測定，分析一個元素至少要預先設置一個通道。如果增加分析元素或改變分析材料類型就需要另外安裝更多的硬件，而光室中機構及部件又影響了譜線的精確定位，就需要重新調整狹縫和反射鏡，既增加投資又花費時間，很受限制。

隨著微電子技術的發展，固體檢測元件的使用和高配置計算機的引入，直讀光譜儀器進入全新的發展階段。國外已有很多廠家推出新型的直讀光譜儀，主要采用中階梯光柵分光系統與面陣式固體檢測器和采用特制全息光柵與線陣式固體檢測器相結合兩種方式，而且使光譜儀器從結構上和體積上發生了很大變化，出現了新型的全譜直讀光譜儀、小型臺式或便攜式的直讀光譜儀以及可用于現場分析的光譜儀，給發射光譜儀器的研制開拓了一個嶄新的發展前景。目前常用的固體檢測器有：CID，電荷注入式固體檢測器；SCD，分段式電荷耦合固體檢測器；CCD，電荷耦合固體檢測器。

由于一個檢測器可同時記錄幾千條譜線，在測定多種基體、多個元素時，不用增加任何硬件，僅用電路補償，在掃描圖中找到新增加的元素，就可進行分析。由于光室很小，所以無需真空泵，用充氬或氮氣就可以滿足如碳、磷、硫等紫外波長區元素的分析。另外由于減少了體積不會出現傳統光譜儀常遇到的位阻問題，離得很近的譜線也能同時使用，也無需選擇二級或更高譜級的譜線進行測量。這就極大地減小了儀器的體積和重量，使光譜儀器可以向全譜和小型輕便化發展。其性能與傳統的實驗室直讀光譜儀器差別不明顯，在大多數情況下可以滿足檢測需要。

這些儀器可以按照具體樣品和用戶的要求進一步制作工作曲線，以滿足特殊工藝或材質的要求。作為料場合金牌號鑒別、廢舊金屬分類、冶金生產過程中質量控制和金屬材料等級鑒別的一種有效工具，可以攜帶到需要做金屬鑒別或金屬分類的任何地方，適合于現場金屬分析，是一種新概念的金屬分析儀。