AES-8000全譜交直流電弧發(fā)射光譜儀的研發(fā)與應(yīng)用

(北京北分瑞利分析儀器(集團)有限責(zé)任公司，北京市物質(zhì)成分分析儀器工程技術(shù)研究中心、北京市企業(yè)技術(shù)中心，北京 100095)

1 儀器研發(fā)背景

以電弧為激發(fā)光源的一米、兩米光柵攝譜儀，因其分析靈敏度高、無需化學(xué)消解、可直接對粉末樣品進行分析，雖然存在種種缺陷，至今仍然在很多行業(yè)廣泛應(yīng)用。全國范圍內(nèi)開展的地球化學(xué)調(diào)查項目，進一步促進了電弧發(fā)射光譜儀的應(yīng)用。在近幾年的地球化學(xué)調(diào)查項目的一系列規(guī)范[1-3]要求中，由于樣品消解損失等原因，銀、錫、硼3個元素指定使用電弧發(fā)射光譜法進行測定。但是以電弧為激發(fā)光源的攝譜法，需經(jīng)過攝譜、洗相、看譜、黑度測量等繁瑣的操作過程，而且在譜線測量過程中，相板質(zhì)量、洗相條件、黑度測量等因素都會影響測量的準(zhǔn)確度和精密度。針對這種現(xiàn)狀，北京北分瑞利分析儀器(集團)有限公司于2011年推出AES-7200地質(zhì)專用發(fā)射光譜儀，該儀器采用高靈敏度的光電倍增管作為檢測器，激發(fā)后即可獲得所有待測元素的分析結(jié)果，具有靈敏度高、分析速度快、操作簡單等特點，推出后在地質(zhì)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[4-7]。但AES-7200地質(zhì)專用發(fā)射光譜儀存在分析譜線固定、背景難以校正等缺點，只能滿足部分地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)規(guī)范要求。對于要求較高的地礦行業(yè)規(guī)范，如《DZ/T 0258—2014多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250000)》，則難以達到其要求。針對這種情況，在原有一米光柵攝譜儀、AES-7000系列電弧直讀光譜儀研發(fā)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，結(jié)合全新的CMOS檢測系統(tǒng)，北京北分瑞利分析儀器(集團)有限公司于2017年研制出AES-8000全譜交直流電弧發(fā)射光譜儀，該儀器集AES-7000系列的方便快捷及傳統(tǒng)攝譜儀全譜的優(yōu)點于一體，具有靈敏度高、分析速度快、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點，代表了以電弧為激發(fā)光源系列光譜儀的先進水平，其測試結(jié)果能夠滿足地質(zhì)行業(yè)規(guī)范要求。

2 儀器結(jié)構(gòu)及主要功能

2.1 儀器的結(jié)構(gòu)

儀器采用交直流電弧為激發(fā)光源，Ebert-Fastic光學(xué)系統(tǒng)分光，CMOS檢測器進行全譜接收的組合系統(tǒng)。該組合系統(tǒng)為國際、國內(nèi)首創(chuàng)，其示意圖見圖1。

圖1 儀器原理框圖A.變阻箱；B.交直流電弧發(fā)生器； C.電極室；D.分光系統(tǒng)；E.測控系統(tǒng)；F.計算機；1.激發(fā)光源；2.第一透鏡；3.光欄；4.第二透鏡；5.第三透鏡；6.入射狹縫；7.大反光鏡；8.平面光柵；9.平面反射鏡； 10.CMOS檢測器；11.采集系統(tǒng)

2.1.1 交直流電弧激發(fā)光源

針對現(xiàn)有電弧發(fā)生器器件老化的問題，對電路進行重新設(shè)計，使用新的電子元器件，減小了電弧發(fā)生器體積，實現(xiàn)了電弧發(fā)生器與儀器的一體化。設(shè)置了多重保護監(jiān)測功能，性能更加安全可靠。針對散熱不暢的問題，增加散熱系統(tǒng)，減少故障的發(fā)生，延長電弧發(fā)生器的使用壽命。

2.1.2 高效的光學(xué)成像系統(tǒng)

參照一米光柵攝譜儀經(jīng)典光路，重新設(shè)計出優(yōu)化的三透鏡光路和Ebert-Fastic光學(xué)系統(tǒng)。采用這種光路能有效去除雜散光，消除光暈及色差，減小背景，增強儀器的聚光能力，譜線成像質(zhì)量優(yōu)良，有利于提高儀器的線色散率及分辨率。該系統(tǒng)采用2400線/mm平面光柵，設(shè)計焦距600mm，線色散率達到0.64nm/mm，理論光譜分辨率達到0.0031nm(300nm)。

2.1.3高靈敏度線陣CMOS傳感器及高速采集系統(tǒng)

檢測系統(tǒng)采用紫外靈敏CMOS傳感器，其靈敏度1300V/(lx.s)，是普通CCD的5倍以上 。動態(tài)范圍寬，溫度漂移小；器件無需鍍膜，無膜層老化問題；無器件光譜增寬效應(yīng)。

基于FPGA技術(shù)的高速多CMOS同步采集系統(tǒng)，在實現(xiàn)全譜自動測量的同時，還實現(xiàn)了譜線位置動態(tài)校正、分子光譜背景動態(tài)扣除，有效抑制了平行樣品間的分析偏差。

2.2 儀器的主要功能

2.2.1 電極自動對準(zhǔn)

現(xiàn)有儀器的電極夾上下電極需要幾個方位調(diào)節(jié)對齊，多為手動調(diào)節(jié)，影響分析的速度。新設(shè)計的自動對準(zhǔn)電極夾，用戶只需在軟件中設(shè)置一定參數(shù)，電極自動運動到設(shè)置位置，激發(fā)完成后自動移開，簡化用戶操作，同時減少了電極對準(zhǔn)的人為誤差。

2.2.2 安全保護功能

2.2.2.1 冷卻水流監(jiān)控

水冷電極夾在冷卻循環(huán)水未開啟的情況下，不會激發(fā)樣品，以免電極夾被燒壞。

2.2.2.2 安全連鎖

激發(fā)室門未關(guān)閉或關(guān)閉不嚴(yán)的情況下，不會激發(fā)樣品。以保護操作人員的安全。

2.2.3 分析軟件

實時譜線自動校正技術(shù)，消除峰位漂移影響；重峰自動識別、分離算法，減小干擾譜線影響；自適應(yīng)背景校正及多種曲線擬合方式，有效提高分析準(zhǔn)確度和精密度；豐富的譜線信息，拓寬分析應(yīng)用領(lǐng)域，提高分析范圍；適合不同行業(yè)的專用軟件，適用不同用戶需求。

3 典型應(yīng)用

采用AES-8000全譜交直流發(fā)射光譜儀對地質(zhì)樣品中的Ag、Sn、B進行測定，其檢出限、準(zhǔn)確度和精密度均達到《DZ/T 0258—2014多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250000)》的要求。

3.1 檢出限

以合成硅酸鹽基體為空白連續(xù)測定12次，以3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差計算檢出限，Ag、Sn、B元素的檢出限見表1。

3.2 準(zhǔn)確度和精密度

對土壤、水系的國家一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進行準(zhǔn)確度和精密度測試，每個標(biāo)準(zhǔn)樣品連續(xù)測定12次，分別計算其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)。測定結(jié)果準(zhǔn)確度和精密度符合DZ/T 0258—2014規(guī)范要求。

表2 元素的準(zhǔn)確度和精密度

4 結(jié)論

AES-8000全譜交直流電弧發(fā)射光譜儀首次采用交直流電弧激發(fā)光源，Ebert-Fastic分光系統(tǒng)與高靈敏度CMOS檢測器相結(jié)合模式，具有測試靈敏度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點，解決了地球化學(xué)樣品中銀、錫、硼3元素測定難以達到《DZ/T 0258—2014多目標(biāo)區(qū)域地球化學(xué)調(diào)查規(guī)范(1∶250000)》要求的難題，為有色金屬、電子陶瓷等行業(yè)粉末樣品的分析提供了最佳解決方案及儀器設(shè)備。