關于直讀光譜儀的那些事兒

直讀光譜的介紹篇

1、原子發射光譜儀由哪幾部分構成？

原子發射光譜儀器一般由激發光源、色散系統和檢測系統組成。 
激發光源——提供試樣蒸發，原子化，激發的能量； 
色散系統——將光源產生的復合光按波長順序分開； 
檢測系統——檢測并記錄光譜。 
根據所檢測到的特征譜線的波長和強度來測定物質的元素組成和含量。 

2、直讀光譜儀有哪些種類？

直讀光譜儀可以有不同的劃分方法。 
根據光柵所處的環境不同，可分為真空型和非真空型直讀光譜儀，其中非真空型直讀光譜儀又可分為空氣型直讀光譜儀（無法測定真空紫外波段的C、P、S、As等元素含量）和充惰性氣體型直讀光譜儀（可以測定真空紫外元素）； 
根據儀器的結構不同，又可分為多道直讀光譜儀和全譜直讀光譜儀，其中前者多采用光電倍增管作為檢測器，后者多采用陣列檢測器（如CCD）。 
隨著CCD技術的不斷發展，直讀光譜儀開始朝小型化、全譜型方向發展。小型化儀器功耗小，占用空間小且易于維護；全譜直讀光譜儀能夠獲得全波段范圍內的光譜，滿足多基體分析要求，譜線選擇靈活，可以有效扣除光譜干擾，分析更準確，而多道直讀光譜儀只能檢測有限數量的光譜，很難做到這一點。 

直讀光譜的選擇篇

（斯派克直讀光譜儀）

1、全譜型光譜儀和多道型光譜儀各有什么特點？

全譜型光譜儀具有以下特點：

1）全譜檢測，能夠獲得紫外至可見的所有譜線，可根據需求來選擇分析譜線，易于實現多基體的分析； 
2）能根據元素的含量范圍和基體種類選擇優的分析譜線，實現更準確的測量； 
3）易于擴展升級，用戶若需增加新基體或新元素的分析，只需添加相應分析程序，無需改變儀器硬件； 
4）譜線信息豐富，結合扣背景、譜線分離等先進的算法，可以準確扣除各種光譜干擾； 
5）儀器校準方便快捷，只需通過智能校準算法，即可實現光譜校正，無任何運動部件； 

多道光譜儀的主要特點：

1）多采用PMT檢測器，具有噪聲低、動態范圍大的優點，特別適合高純金屬的分析； 
2）數據讀出速度快，可實現光譜時域解析（TRS）、單火花評估等功能，從而滿足酸溶物和夾雜物等特殊分析需求； 
3）定制化生產，通道選擇出廠前已配置完成，升級困難。 
4）受到PMT體積和安裝空間的限制，元素配置的通道有限，在分析不同含量范圍和基體種類的樣品時，往往采用同一分析譜線，不能實現佳的分析效果； 
5）測量的是出縫寬度內的整體光強，這種方法無法消除背景和光譜干擾。 

2、實現真空紫外波段測量的手段有哪些？

在直讀光譜儀的實際應用中，如C、P、S、As等元素的佳光譜線均在真空紫外波段，而空氣中的氧及水蒸氣等會對這些譜線產生強烈的吸收，使光譜強度急劇減弱，影響元素測量，所以應當將光室中的空氣除去。 
目前主流市場上主要有兩種方式可以實現真空紫外波段元素的測量：光室抽真空或充惰性氣體（如氬氣、氮氣等）。 
抽真空型的直讀光譜儀需要用額外的真空泵，存在油蒸汽污染嚴重、噪聲大等環境問題。同時，功耗高、真空穩定速度慢，儀器需長期開機，浪費嚴重。 
光室充惰性氣體能實現真空紫外探測能力的同時，還具有穩定時間短，無噪聲等優點，且能避免由于真空系統造成的光室變形、儀器漂移和環境污染等問題。目前，市場主流光譜儀多采用CCD傳感器作為檢測裝置，光室體積可做到很小，更有利于惰性氣體環境建立，從而得到更好的紫外元素分析效果，且該項技術已經過十多年市場驗證，穩定可靠。 

直讀光譜的安裝篇

（直讀光譜儀）

1、直讀光譜儀的安裝須滿足什么條件？

環境要求：

（1）光譜儀應置于的工作空間，附近應無有害、易燃及腐蝕性的氣體，不要與化學分析放在一起。 
（2）保證至少十平方米以上空間。 
（3）工作溫度：（10～30）℃，因儀器工作需要恒溫條件，室溫波動要盡量小，室內需要安裝空調。 
（4）存儲溫度：（0～45）℃。 
（5）環境相對濕度：（20～80）％，對于潮濕地區，需配備一臺除濕機。 

放置位置要求：

（1）光譜儀應該放置在一個平整、穩定的位置，不應該有震動。 
（2）光譜儀的背面與墻之間應該留有適當的距離以方便安裝與維護。 

電源要求：

（220±20）V AC，50Hz，保護性接地的單相電源。電源的PE接地必須可靠，以保證儀器正常工作和避免人體觸電。如果不能保證PE可靠接地，請為儀器提供一條地線。
為保證儀器的正常使用，請為儀器配備一臺（1~2）KVA（視接負載量而定）的單相220V 交流參數穩壓器。

氬氣要求：

（1）氬氣純度≥99.999%； 
（2）氬氣入口壓力：0.5MPa； 

標準樣品：

準備適合自己產品類型的標準樣品或內控樣品。 

2、地線和電源的質量為什么會影響檢測結果？

光源產生的電磁輻射被屏蔽罩吸收并隨地線釋放，假如接地不良，這些干擾電壓就會影響各弱電回路的地電位，從而造成控制系統誤動作，模擬信號失真，分析精度差等問題。所以經常維護地線是十分必要的。一般要求零線和地線之間的電壓小于2V，大不能超過5V。 
光電直讀光譜儀基于光電轉換原理，若電源電壓不穩會造成激發光源的能量波動，采集信號異常等問題，因此直讀光譜儀使用過程中一般要配有穩壓器。另外，由于大功率電器會影響電網的穩定性，從而影響直讀光譜儀的測量精度，而強輻射的電器也會通過空間電磁場干擾數據的采集，引起測量誤差，因此直讀光譜儀還應避免與大功率、強輻射電器同時使用。 

3、溫度對光譜儀有什么影響？

直讀光譜儀屬于精密測量儀器，光學系統微小的變化（如結構件的熱脹冷縮等）即會引起很大的測量誤差，因此光譜儀在設計時會對光學系統進行恒溫控制。但即使如此，外界溫度的變化仍會影響恒溫系統的熱平衡狀態，引起測量誤差，因此為了保證測量結果的精密度，應盡可能減小使用過程中環境溫度的波動，大不應超過5℃。 
另外，大多數光譜儀廠家對儀器的使用溫度都有嚴格的限制，一般在10-30℃之間。首先是因為儀器在工廠校準時的溫度在20℃左右，10-30℃內使用可以獲得較好的測量精度，其次儀器的部件及設計在10-30℃范圍內具有更高的可靠性，超出該溫度范圍使用，會引起可靠性下降，嚴重的還會引起儀器故障；另外，光譜儀一般把光室的溫度控制在34~38℃之間的某個溫度點（不同型號儀器恒溫溫度不同），為了確保光譜儀的恒溫控制正常工作，儀器使用的環境溫度必須與光譜儀恒溫溫度有一定的溫差，因此要求儀器使用環境溫度低于30℃。 
因此，直讀光譜儀在使用過程中應嚴格控制環境溫度，配備足夠功率的空調系統。 

直讀光譜的驗收篇

1、光電直讀光譜儀的驗收指標有哪些？

直讀光譜儀的驗收指標可參考《JJG768-2005 發射光譜儀檢定規程》，主要的是直讀光譜儀的重復性和穩定性。
其中，重復性反應儀器的基本性能及誤差影響，是主要的驗收指標。重復性良好，說明數據波動較小，具備準確測定的能力。如果數據重復性不好，數據之間相差較大，就無法確定哪一個數據更可靠，也就無法完成準確的測量。 
穩定性是測量儀器保持其計量特性隨時間恒定的能力，衡量儀器一段時間內測量結果的波動性，決定了儀器的校準周期，穩定性好可以適當延長校準時間，降低儀器的使用成本。 
很多人在驗收過程中，僅關注準確度，這種認識是片面的。直讀光譜儀的定量方法屬于參照法，即需要一系列的標樣來制定工作曲線作為參照標準，再通過對比待測元素的強度，計算出元素含量。由于標樣和實際樣品存在差異，測量結果勢必有一定的偏差，但這種偏差可以通過控樣來修正。因此，測量結果的準確度除了與儀器有關外，還與控樣的質量有密切的關系，只有重復性和穩定性才直接體現儀器性能的好壞。 

直讀光譜的耗材選擇篇

1、為什么光譜儀激發樣品時需要高純氬氣保護？

（1）氬氣的電離電位較低，易于形成等離子區； 
（2）氬氣為惰性氣體，不會與樣品金屬蒸氣反應； 
（3）氬氣能夠傳輸真空紫外光譜（并非真空下的光譜，而是波長在10-200nm之間的光譜），如C、P、S等，不會影響紫外及真空紫外區域元素的測定； 
（4）氬氣為原子狀態氣體，譜線簡單，不宜形成譜線干擾； 
（5）氬氣的背景輻射低； 

自行檢查氬氣的質量比較困難，一般而言，首先是看氬氣供應商的資質，其次，為保證氬氣純度，可配置氬氣凈化器。若要對氬氣檢驗，須采購特定的氬氣純度測定儀。 
當然還有一種簡單方法，因直讀光譜儀對氬氣的純度要求很高，可以用直讀光譜儀試用下，若能夠正常激發，打出來的點無異常，且數據穩定，一般來說就可正常使用。為避免出現霧狀白點，建議配置氬氣凈化器。 

2、如何選擇控樣？

使用控樣的思想就好比天平的砝碼調節?？貥幽軌驕p少曲線漂移，儀器波動，樣品冶煉和加工工藝等帶來的差異，建議測定樣品時一定要使用控樣校正。 
控樣應該是一個與分析試樣的冶金過程和物理狀態一致的標準樣品，其各元素含量應當準確可靠、成分均勻、外觀無氣孔、沙眼、裂紋等物理缺陷，并且各元素含量應位于校準曲線含量范圍之內，盡可能與分析樣品的含量接近?！缎Ｕ龢藰釉诠怆娭弊x法中的分析研究和運用》（張存貴郝艷峰）一文報道：通過實驗對比發現，用自己熔煉的校正樣品分析比用市場上采購來的樣品分析準確性更好，因而建議有實力的廠家，好是把自己的產品熔煉后重新定值作控樣。 

直讀光譜的樣品要求篇

1、光電直讀光譜儀分析時對被檢測樣品有什么要求？應該如何制樣？

為了獲得準確的分析結果，要求樣品： 
（1）不能有沙眼、小孔、偏析等缺陷； 
（2）樣品表面必須平整，可以*蓋住激發孔隙； 
（3）樣品表面必須清潔、不得污染，不能帶有其他物質，也不能用手摸； 

制樣要求：一般情況下，鋁、銅等有色金屬基體的試樣需要車或銑，鐵、鎳等黑色金屬基體的試樣可以磨制（鑄態試樣需要先切割）。要求磨制后的樣品表面平整潔凈、紋路清晰、溫度適宜。另外，不同基體的樣品盡量不要在同一砂紙制樣。 

其中鑄鐵必須白口化后才能分析，白口化時應注意以下幾點： 

1）一般多用樣模澆鑄，樣模盡量取直徑35-40mm，厚6-8mm，這樣試樣冷卻快，白口好，待鐵水澆后30秒左右取出，開水澆再冷水冷。 
2）不要澆鑄過快，避免偏析； 
3）盡量選取砂模，減少縮孔和夾雜。 

2、激發部位的選擇：試樣制備好后在什么地方激發合適？

一般選在距離試樣中心三分之二的圓周部位。（請參閱《分析化學實驗室手冊》） 
如鋼鐵試樣在模具中凝固以后會形成三個晶區即精細粒區、柱狀晶區和等軸晶區。試樣外層是精細粒區，該區域晶粒雜亂且區域較?。ㄒ话阒挥袃扇撩祝?；試樣中心區域是等軸晶區，就晶體本身來說較適合光譜分析，但是該區域多縮孔、砂眼、夾雜等缺陷；所以距離試樣中心三分之二的圓周是理想的分析區域，該區域多為柱狀晶，宏觀偏析也較小，適合光譜分析。（關于宏觀偏析和微觀偏析還和易偏析元素含量有關?？梢詤㈤喴苯鹣嚓P書籍。） 
另外，鑄態試樣凝固時間越短越有利于分析，以避免偏析的出現。 

3、線材、棒材能不能用直讀光譜儀分析？

可以，但必須使用特殊的小樣品夾具。為滿足分析結果的要求，不同的樣品需要配備不同種類的夾具。目前很多廠家的儀器可以進行小樣品的測定，如Spectro廠家。 

直讀光譜的測試篇

1、怎樣選擇合適的分析譜線？

元素的分析線多為其靈敏線，應選擇自吸小、展寬較小、無其他元素干擾等特點的譜線。對于不同的基體，同一元素的分析線可能不同；即使同一基體的同一元素，在低含量段和高含量段的分析線也會不同。多道式光譜儀受PMT排布的限制，一般多只能測量60多條譜線，在譜線的選擇上很難根據基體、含量和干擾情況做優化的配置，如Si的分析線一般只提供一條；而全譜型光譜儀一次采集即可獲得上萬條譜線，譜線選擇更為靈活。如，在低合金鋼中，Si的分析線選288.16，可以使探測限更低；在不銹鋼中Si288.16干擾嚴重，Si251.16更適合；在鋁硅鑄造合金中，Si的含量較高，Si390.55更合適。 

注意：同一元素在不同基體中的佳分析線可能不一致，一般按照《分析化學實驗室手冊》或相關國家標準上的推薦來設置，若推薦譜線不合適，可選擇火花強度適宜，無自吸和自蝕的銳線。 

2、如何對譜線進行校正？

由于外界環境變化、儀器設施改動和時間累積等原因，譜線會發生漂移，此時可利用光譜校正標樣對儀器進行校正，光譜校正標樣屬于儀器的配套產品，在使用過程中應當節約，盡量不要用作其他用途。當光譜校正標樣使用完以后，請聯系儀器維護工程師，不建議自行購買。一般校正的方法如下： 

全譜型：只需激發單塊標樣，即可通過軟件算法自動完成所有譜線的校正。 

多道型：通過描跡完成校正，校正時需激發一組標樣才能完成所有通道的校正，如果儀器各通道的漂移不一致，單純的描跡無法完成校正，需要通過調整出射狹縫位置或折射鏡角度，來校正譜線的變化，此操作需要專業的維修工程師才能完成。 

3、為什么要扣除光譜背景？

若標準樣品和被測樣品的背景不一致時，容易引起測量誤差；背景強度過大時，嚴重影響低含量元素的測定，同時造成儀器檢出限過高。因而，扣除背景有利于提高分析結果的穩定性和準確度，提升儀器靈敏度和檢出限。 
多道型直讀光譜儀測量的是各通道出縫寬度內的光強累加值，無法區分背景強度和譜線強度，測量精度受到背景強度的影響。 
全譜型直讀光譜儀可以獲得每條譜線的輪廓信息，因此可結合背景校正技術，正確區分背景和譜線，有效提高測量精度。 

4、直讀光譜儀在什么情況下必須做標準化？

儀器正常使用的情況下，需要定期（一般為一周）做標準化。若測試數據穩定，可適當延長標準化周期。但有如下情況之一，儀器必須做標準化，否則可能會影響測試精密度。 

（1）光譜校正后。 
（2）儀器移動后。因實驗室或廠址更改，可能需要對直讀光譜儀進行轉移，為保證測試的精密度，轉移后需要重新進行標準化操作。 
（3）清洗透鏡后。長時間使用會導致透鏡變臟，在清洗透鏡后需要對儀器重新做標準化。 
（4）清理激發臺或更換電極后，建議客戶重新做標準化。 

5、如何選擇控樣？

使用控樣的思想就好比天平的砝碼調節?？貥幽軌驕p少曲線漂移，儀器波動，樣品冶煉和加工工藝等帶來的差異，建議測定樣品時一定要使用控樣校正。 
控樣應該是一個與分析試樣的冶金過程和物理狀態一致的標準樣品，其各元素含量應當準確可靠、成分均勻、外觀無氣孔、沙眼、裂紋等物理缺陷，并且各元素含量應位于校準曲線含量范圍之內，盡可能與分析樣品的含量接近?！缎Ｕ龢藰釉诠怆娭弊x法中的分析研究和運用》（張存貴郝艷峰）一文報道：通過實驗對比發現，用自己熔煉的校正樣品分析比用市場上采購來的樣品分析準確性更好，因而建議有實力的廠家，好是把自己的產品熔煉后重新定值作控樣。 

6、光譜儀定性和定量計算原理是什么？

光譜儀是指能夠將光源發射出來的具有各種波長的復色光按照波長順序展開，并通過檢測器測量不同波長光譜強度的儀器。利用光譜儀獲得的元素特征波長信息可以定性判斷樣品中是否含有該元素；通過元素特征譜線的強度可以定量計算該元素含量，即利用一系列標樣制定工作曲線，對比待測試樣和工作曲線坐標上的強度，得到待測試樣的含量。 

直讀光譜的維護篇

1、光電直讀光譜儀多長時間維護一次？

各直讀光譜儀廠家的儀器特點不同，因而其維護保養時間也是不一樣的。為保證儀器的正常運行，延長儀器的使用壽命，廠家建議客戶根據不同的情況，按如下提示進行定期的部件維護和保養。如果需要整機的維護和保養，請聯系相關的廠家，他們會為客戶提供完整的解決方案，以解決客戶的需求。

（光電直讀光譜儀多長時間維護一次）

注：實際清理時間根據客戶的使用頻率而定，表中2、3、4、5項給出的是小檢查周期，若儀器性能良好，適時檢查即可，并不一定需要清理。 

2、激發臺多久需要清理一次？

針對不同的基體，清理周期有所不同，如Al基一般在激發700-800次需要清理，Fe基在1200次左右。直讀光譜儀可根據客戶的使用頻率，提醒客戶及時清理激發臺。 

直讀光譜的數據處理篇

1、直讀光譜儀器的誤差來源有哪些？

1)系統誤差也叫可測誤差，一般包括儀器的本身波動；樣品的給定值和實際值存在一定的偏差（標準樣品的元素定值方法可能和實際檢測方法不一致，這樣檢測結果會有方法上的差異；同一種方法的檢測結果也存在一定的波動）；待測樣品和系列標樣之間存在成分的差異，可能導致在蒸發、解離過程中的誤差，如背景強度的差別和基體蒸發的差異等。 
2)偶然誤差是一種無規律性的誤差，如試樣不均勻；檢測時周圍的溫濕度、電源電壓等的變化；樣品本身的成分差異等。 
3)過失誤差是指分析人員工作中的操作失誤所得到的結果，可以避免。如制樣不準確，樣品前處理不符合要求，控樣和待測試樣存在制樣偏差，選擇了錯誤的分析程序等。 

2、儀器測定結果偏差較大，分析結果不穩定該如何處理？

1）檢查分析方法是否正確，如分析模型、分析程序等； 
2）儀器本身穩定：檢查儀器光室溫度、內部環境溫度、氬氣壓力是否滿足分析要求； 
3）激發控樣：若控樣分析結果良好，說明儀器性能不存在問題，待測樣品可能存在偏析、縮孔、裂紋等缺陷； 
4）控樣結果也存在較大問題時，應當標準化； 
5）清理火花臺，擦拭透鏡或平鏡，清理排污通道，更換氬氣等，然后重新校準曲線； 
6）外界條件符合要求：室溫、濕度在規定范圍內；電源電壓穩定；周圍無大功率、強輻射電器運作；地線連接良好等； 
7）對部分基體中的特別元素需要延長儀器穩定時間。 
若還存在問題，請聯系相關廠家工程師。 

3、使用過程中發現C、P、S數據變化，而其他元素正常該怎么處理？

C、P、S的特征譜線在真空紫外區，只有在真空或惰性氣體環境下才能準確測定。C、P、S的測量性能變差，往往與光傳輸效率下降有關。常規的處理方法如下： 

充氬儀器：延長光室吹掃時間，清理紫外光室透鏡，清理火花臺，校正光譜，標準化。 
真空儀器：觀察真空是否泄漏，清理火花臺，清理光室透鏡，重新描跡，標準化。