直读光谱仪基础知识

2021-08-03

直读光谱仪,又称光电直读光谱仪,称为直读的原因是相对于摄谱仪和早期的发射光谱仪而言,是由光电检测器(如光电倍增管)代替了眼睛和感光板。由于在20世纪70年代以前计算机技术还没有得到应用,所有的光电转换出来的电信号都用数码管读数,然后在对数转换纸上绘出曲线并求出含量值。计算机技术应用于光谱仪后,数据的处理大多由计算机完成,可以直接计算出含量,所以比较形象地称之为“直接可以读出结果”,简称为直读光潜仪,这个名称一直沿用至今。在国外没有“直读”这个概念,这从各个国外品牌的仪器的英文名称可以看出,Thermo ARL公司的直读光谱仪称为(Spark) Optical emission,Ametek Spectro公司的直读光谱仪称为Metal analyzres,OBLF公司的直读光谱仪称为Spark spectrometry (Spark OES),Oxford Instrumnets公司的直读光谱仪称为Optcal emission spectroscopy(OES),Shimadzu公司的直渎光谱仪称为Optical emission spectrometers等。

一、发展简史和进展

最早的直读光谱仪产生在第二次世界大战末期,战争中建造了大量的飞机,而飞机用特殊钢、铝镁合金等金属材料的湿法检测工作的繁琐分析,迫使一些人着手于研究多条光谱线同时测定的光谱仪,并于1944年美国应用实验室(ARL)研制成第一台光电直读光谱仪的样机,1956年该公司直读光谱仪中使用真空技术,可同时测定金属元素和C、P、S等非金属元素。随着计算机、电子技术的发展,到20世纪70年代直读光谱仪几乎100%采用计算机控制,这不仅提高了分析精度和速度,而且对分析结果的数据处理和分析过程控制实现了自动化。80年代后期,以美国BAIRD公司为代表的国外多个公司的光电直读光谱仪相继进入我国的分析仪器市场。

20世纪90年代初,冶金系统已成功用上全自动直读光谱仪。所谓全自动,是将光谱仪及其附属设备,如切样机、磨样机、机械手等安装在同一个大箱子内,组成一个移动式光谱实验室。此种全自动光谱仪多放置在炼钢炉旁。工作时,只需人工将样品置于一个专用窗口的抽屉内。以后的全部分析过程无需人工干预,全由计算机的预定程序自动完成。
目前商品化的仪器主要是固定多道式光电直读光谱仪,一般采用高刻线的光栅或中阶梯光栅与棱镜交叉色散两种方法来提高仪器的色散率及分辨率。进入2l世纪以来仪器的数字控制技术已取代模拟控制技术,固体检测器(如CCD、CID)有取代PMT的趋势也越来越明显,使仪器向小型化、精密化发展。

二、分类

直读光谱仪按照不同系统的不同特征可以有多种划分方法:按样品的激发方式仪器可以分为电火花、电弧和辉光放电三种类型,应用较为广泛的是电火花光源的仪器,本章仅介绍这类仪器;按检测器的种类,可以分为光电倍增管(PMT)和固体检测器;根据使用波长的范围不同,町分为真空型和非真空型直读光谱仪;根据仪器结构的不同,又可分为同时型多道直读光谱仪和扫描型单道直读光谱仪;按仪器的大小可以分为固定式和便携式等。

三、特点

直读光谱仪具有以下特点。

① 自动化程度高、选择性好、操作简单、分析速度快,可同时进行多元素定量分析。从炉中取的样品只要打磨掉表面氧化层,固体样品即可放在样品台上激发,免去了化学分析钻取试样的麻烦。对于铝及铜、锌等有色金属样品而言,可用小车床车铣去表面氧化层即可。从预燃样品到得到最终的分析结果仅需20~30s,速度非常快,有利于冶炼控制,降低成本。特别是对那些容易烧损的元素,更便于控制其最后的成分。样品中所有分析元素(几个甚至十几个)可以一次同时分析出来。

② 元素测试范围宽。由于PMT或半导体检测器对信号的放大能力很强,对于强度不同的谱线可以选用不同的放大倍率的PMT或固体检测器(在使用不同谱线的情况下相差4个数量级,比如普碳钢中的铬含量一般为万分之一水平,而不锈钢中的铬含量在l0%以上)。因此可以采用同一分析条件对样品中含量相差悬殊的很多元素从高含量到痕量可同时进行测定。

③ 分析精度高,能有效控制产品的化学成分,可将昂贵的合金成分控制到产品规格的中下限,以节省相应合金的消耗。

④ 检测限低。直读光谱法的灵敏度与光源性质、仪器状态、试样组成及元素性质等均有关。一般对固体金属、合金采用火花源时,检出限可达0.1~10μg/g,对C、S、P等非金属元素也具有较好的检出限。

⑤ 在某些条件下,可测定元素的存在方式,如测定钢铁中酸溶铝、酸不溶铝等。

⑥ 测量范围广,几乎所有金属材料都可以检测,柃测的基体有铁基、铝基、铜基、镍基、钴基、钛基、镁基、锌基、铅基、锡基、金基、银基、铂基、钯基、钌基等。

不足之处在于,直读光谱分析仍是一种相对的分析方法,试样组成、结构状态、激发条件等难以完全控制,一般需用一套基体成分基本相同的标准样品进行匹配,有些情况下标准样品的获得几乎是不可能的,因此使直读的分析应用受到一定限制;对元素的价态测量无能为力,有待于与其它分析方法配用;它是一种表面分析仪器,仅能分析金属表面1mm以内的样品,适合于均相样品检测对元素含量分布不均的样品(如偏析),若需得到能够代表样品的检测结果只能在样品的前处理方面变通,比方说样品钻屑后在保护气氛下重新熔融制成均匀性试样等,往往用在样品前处理上的时间远远大于检测的时间。因为有上述一些缺点,在大多数情况下它不是一种仲裁分析方法,一旦贸易双方对货物的品质有疑义,需要采取其它方法来获得最终的结果。

但是,从技术角度来看直读光谱分析,可以说至今还没有比它能更有效地用于炉前快速分析的仪器,所以世界上冶炼、铸造以及其它金属加工企业均大量采用这类仪器,以保证产品质量,提高经济效益。

直读光谱仪广泛应用于铸造、钢铁、金属回收和冶炼、军工、航天航空、电力、化工、高等院校、质检等材料分析单位。


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