电火花光谱仪工作原理

[align=center][b][color=#cc0000]直读光谱高压火花光源简介[/color][/b][/align][b][color=#cc0000]一、【前言】 直读光谱早期使用的激发光源主要是电弧光源，有直流电弧光源，交流电弧光源，因为火花激发温度高于电弧激发温度，而后发展到火花光源，如高压火花光源，高能预火花光源。随着激发光源技术水平的提高和改良，目前使用最多的激发光源主要还是技术成熟的高能预火花光源。 虽然目前直读光谱应用最多的是高能预火花光源，大家都比较熟悉，而电弧光源及高压火花光源应用的不多，但对于直读光谱激发光源的发展来讲，适当了解电弧光源及高压火花光源是很有必要的，电弧光源相对较为简单，也许大家已较为熟悉了，但对高压火花光源不一定很熟悉。 本文简单介绍一下直读光谱高压火花光源的功能作用、火花产生、基本原理、主要特点及技术要求等，让大家对高压火花光源的有一个初浅的认识。同时以美国热电Jarell-Ash直读光谱高压火花光源为例，就直读光谱的高压火花光源做一个简单的浅析，使大家对高压火花光源有更深的了解，希望能对直读光谱操作员及技术员有一定的帮助。二、【高压火花光源的功能作用】 对于直读光谱而言，由于被检测的样品种类繁多、形状各异、元素对象、浓度、蒸发及激发难易不同，对激发光源的要求也就各不相同。关键所分析的激发光源应能满足各种被分析样品的技术要求。 直读光谱的激发光源是硬件系统中一个极为重要的组成部件，它的作用是给被检测样品提供蒸发、原子化或激发的必要能量。在进行光谱分析时，样品元素的蒸发、原子化和激发过程几乎都是同时进行的，它们之间没有明显的时间界限，这一系列过程均直接影响谱线的发射以及光谱线的激发强度。三、【高压火花的产生】 电源电压经过可调电阻后进入升压变压器的初级线圈，使初级线圈上产生10000V以上的高电压，并向电容器充电。当电容器两极间的电压升高到分析间隙的击穿电压时储存在电容器中的电能立即向分析间隙放电，产生电火花。 由于高压火花放电时间极短，故在这一瞬间内通过分析间隙的电流密度很大（高达10000 ~ 50000A/cm2，因此弧焰瞬间温度很高，可达10000K以上，故激发能量大，可激发电离电位高的元素。 高压火花放电是一种电极间不连续气体放电，是一种电容放电。高压电火花通常使用10000V以上的高压，通过间隙放电，产生电火花。目前使用的高压火花放电是 12000V和较小电容量的高压火花光源。 由于电火花是以间歇方式进行工作的，平均电流密度并不高，所以电极头温度较低，且弧焰半径较小。这种光源主要用于易熔金属合金样品的分析及高含量元素的定量分析。四、【高压火花发生器基本原理】（1）交流电压经R及变压器 T 后，产生10～25kV的高压，然后通过扼流圈 D 向电容器 C 充电，达到 G （分析间隙）的击穿电压时，通过电感 L 向 G[i] [/i]放电，产生振荡性的火花放电。（图1）（2）同步电机转动续断器M，1、2为控制间隙 G1，3、4为控制间隙 G2，2, 3为钨电极，每转动180度，对接一次，转动频率(50转/s)，接通100次/s，保证每半周电流最大值瞬间放电一次。[/color][/b][align=center][b][color=#cc0000][img=,501,393]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909301213442430_2197_1841897_3.jpg!w501x393.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#cc0000]图1 高压火花发生器原理 [/color][/b][/align][b][color=#cc0000]五、【高压火花光源的主要特点】1、高压火花光源的主要优点：（1）放电瞬间能量很大，产生的温度高，激发能力强，某些难激发元素可被激发，且多为离子线。（2）放电间隔长，使得电极温度低，蒸发能力稍低，适于低熔点金属与合金的分析。（3）稳定性好，重现性好，适用定量分析。2、高压火花光源的主要缺点：（1）做较高含量分析没有问题，对低含量分析灵敏度较差。（2）由于高压连续放电易产生多次谐波，噪音和干扰相对较大。六、【高压火花光源的技术要求】 直读光谱的光源部件的选择是十分重要的。在选择直读光谱高压光源时应尽量满足下列要求：（1）高灵敏度，随着样品中元素浓度微小的变化，其检出信号有较大的变化；（2）低检出限，能对微量及痕量成分进行检测；（3）良好的稳定性，样品能稳定地蒸发、原子化和激发，使结果具有较高的精密度；（4）谱线强度与背景强度之比大（信噪比大）；（5）分析速度快，预燃时间短；（6）构造简单，安全、易操作；（7）自吸收效应小，校准曲线的线性范围宽。七、【美国热电Jarell-Ash直读光谱仪高压火花光源简介】 美国热电Jarell-Ash直读光谱仪是我国早期70年代末至80年代初引进的大型金属分析仪器，在冶金行业发挥了较大的作用，与之同时代的直读光谱仪还有美国贝尔德、英国希尔格、法国JY等直读光谱产品。这里简介一下Jarell-Ash直读光谱仪的高压火花光源，供大家分享。图2为美国热电Jarell-Ash直读光谱仪整机外观图，该仪器使用的就是高压火花光源。[/color][/b][align=center][b][color=#cc0000] [img=,500,383]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909301214529640_9061_1841897_3.jpg!w500x383.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#cc0000]图2美国Jarell-Ash直读光谱仪整机外观图[/color][/b][/align][b][color=#cc0000] Jarell-Ash直读光谱仪主要由，真空系统、光学室检测系统，电源及主机控制系统、火花（激发）台系统（图3）、高压火花（激发）光源系统、数据终端处理系统等几大部件组成。[/color][/b][align=center][b][color=#cc0000][img=,504,384]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909301216122560_1350_1841897_3.jpg!w504x384.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#cc0000]图3 Jarell-Ash直读光谱仪火花（激发）台结构图[/color][/b][/align][b][color=#cc0000] 这里主要重点介绍一下Jarell-Ash直读光谱仪的高压火花光源，该高压火花光源是一个独立的电子部件系统，由操作面板各功能选择开关控制（图4）。 [/color][/b][align=center][b][color=#cc0000][img=,500,383]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909301216493377_9564_1841897_3.jpg!w500x383.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#cc0000]图4 高压火花光源外观及操作控制面板[/color][/b][/align][b][color=#cc0000] Jarell-Ash直读光谱高压火花光源的电路原理框图见图5。[/color][/b][align=center][b][color=#cc0000][img=,504,379]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909301217169185_2027_1841897_3.jpg!w504x379.jpg[/img] [/color][/b][/align][align=center][b][color=#cc0000]图5 高压火花光源的电路原理框图[/color][/b][/align][b][color=#cc0000] 高压火花光源的高压火花是通过大功率升压变压器（高压升压线圈）直接升压至数千伏以上，经过高压二极管整流，限流电阻限流（图6）输出至样品激发台激发样品。[/color][/b][align=center][b][color=#cc0000][img=,500,361]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909301218009689_5050_1841897_3.jpg!w500x361.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#cc0000]图6 高压火花发生器高压升压线圈，限流电阻，高压二极管等器件[/color][/b][/align][b][color=#cc0000] Jarell-Ash直读光谱高压火花光源升压变压器初级线圈实际电路采用了大功率电子控制器件闸流管（图7），代替了同步转动（断续器）电机。[/color][/b][align=center][b][color=#cc0000][img=,500,375]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909301218408927_4169_1841897_3.jpg!w500x375.jpg[/img] [/color][/b][/align][align=center][b][color=#cc0000]图7 高压火花光源的关键器件闸流管[/color][/b][/align][b][color=#cc0000] 在RLC脉冲发生器触发电路控制作用下（图8），控制闸流管的导通与截止，产生高压高能火花放电，其放电频率最高可达400Hz。[/color][/b][align=center][b][color=#cc0000][img=,500,349]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909301219102087_278_1841897_3.jpg!w500x349.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#cc0000]图8 RLC脉冲发生器触发板闸流管触发控制板[/color][/b][/align][b][color=#cc0000] 高压火花放电时放电电流和放电能量受线路中电感及电容控制（图9），[/color][/b][align=center][b][color=#cc0000] [img=,500,375]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909301220019267_416_1841897_3.jpg!w500x375.jpg[/img][/color][/b][/align][align=center][b][color=#cc0000]图9 高压火花放电电感线圈[/color][/b][/align][b][color=#cc0000] 高压发生器输出的高压由于自身电压很高，放电间隙无需辅助高压引弧，自行产生放电火花，在放电能量作用下，火花台（图10）激发样品表面局部熔融均质化，以此获得发射光谱谱线。[/color][/b][align=center][b][color=#cc0000][img=,504,379]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909301220308039_5032_1841897_3.jpg!w504x379.jpg[/img] [/color][/b][/align][align=center][b][color=#cc0000]图10 Jarell-Ash直读光谱火花台结构[/color][/b][/align][b][color=#cc0000] 由于工作电压较高，在空载状态时，电感电路容易产生高次谐波导致高压过高，因此在工作间隙两端增加了高压保护放电间隙（图11）。[/color][/b][align=center][b][color=#cc0000][img=,500,389]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909301220576105_1327_1841897_3.jpg!w500x389.jpg[/img] [/color][/b][/align][align=center][b][color=#cc0000]图11 高压火花发生器高压保护放电间隙[/color][/b][/align][b][color=#cc0000] 通过功能选择，不同样品的能量通过仪表直观的显示出来（图12），在高能高压火花激发下产生发射光谱，经光学分光系统及电子信号采集检测系统，然后再经电路控制及数据处理，最后得到所要检测的分析结果。[/color][/b][align=center][b][color=#cc0000][img=,500,366]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/09/201909301221288377_830_1841897_3.jpg!w500x366.jpg[/img] [/color][/b][/align][align=center][b][color=#cc0000]图12 高压火花光源真空控制，功能选择及能量显示[/color][/b][/align][b][color=#cc0000]八、【小结】 金属和合金的光谱分析，在高压火花光源的作用下，物质由固态到气态是一个非常复杂的过程，这种过程表现在样品中各元素的谱线强度，并不在样品一经激发后立刻达到一个稳定不变的强度，而是必须经过一段时间后才能趋于稳定。这是由于样品中各元素的熔点有差异，表面各成分在放电时进入分析间隙的程度随着放电时间而发生变化。因此，在进行光谱定量分析时，必须等待分析元素的谱线强度达到稳定后的曝光时间才是最佳的，这样才能保证分析结果的准确度。 对不同的样品在不同的光源能量激发下，其曝光时间是不一样的，这主要取决于样品在火花放电时的蒸发程度，它不仅与光源的激发能量、放电气氛密切有关外，还与样品的组成、结构状态、夹杂物的种类、大小等密切相关。 由于高压火花光源的工作电压过高，连续放电产生的干扰较大，放电电流也相对较小温度不足，导致某些高熔点金属检测限及灵敏度不够理想。另外工作电压较高对器件的技术参数也要求较高，高压的不稳定也导致了高压火花光源的故障率较高，维护维修成本也随之较高。因此高压火花光源已基本被目前流行的低压高能预火花光源所替代。虽然高压火花光源已停产，但作为直读光谱技术人员对于了解直读光谱光源的发展历史及基本原理，还是有益无害的。 2019.9.30[/color][/b]