AES-8000全譜交直流電弧發射光譜儀的研發與應用

(北京北分瑞利分析儀器(集團)有限責任公司，北京市物質成分分析儀器工程技術研究中心、北京市企業技術中心，北京 100095)

1 儀器研發背景

以電弧為激發光源的一米、兩米光柵攝譜儀，因其分析靈敏度高、無需化學消解、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廣泛應用。全國范圍內開展的地球化學調查項目，進一步促進了電弧發射光譜儀的應用。在近幾年的地球化學調查項目的一系列規范[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射光譜法進行測定。但是以電弧為激發光源的攝譜法，需經過攝譜、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，相板質量、洗相條件、黑度測量等因素都會影響測量的準確度和精密度。針對這種現狀，北京北分瑞利分析儀器(集團)有限公司于2011年推出AES-7200地質專用發射光譜儀，該儀器采用高靈敏度的光電倍增管作為檢測器，激發后即可獲得所有待測元素的分析結果，具有靈敏度高、分析速度快、操作簡單等特點，推出后在地質行業中得到廣泛應用[4-7]。但AES-7200地質專用發射光譜儀存在分析譜線固定、背景難以校正等缺點，只能滿足部分地質礦產行業規范要求。對于要求較高的地礦行業規范，如《DZ/T 0258—2014多目標區域地球化學調查規范(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經驗基礎上，結合全新的CMOS檢測系統，北京北分瑞利分析儀器(集團)有限公司于2017年研制出AES-8000全譜交直流電弧發射光譜儀，該儀器集AES-7000系列的方便快捷及傳統攝譜儀全譜的優點于一體，具有靈敏度高、分析速度快、應用范圍廣等優點，代表了以電弧為激發光源系列光譜儀的先進水平，其測試結果能夠滿足地質行業規范要求。

2 儀器結構及主要功能

2.1 儀器的結構

儀器采用交直流電弧為激發光源，Ebert-Fastic光學系統分光，CMOS檢測器進行全譜接收的組合系統。該組合系統為國際、國內首創，其示意圖見圖1。

圖1 儀器原理框圖A.變阻箱；B.交直流電弧發生器； C.電極室；D.分光系統；E.測控系統；F.計算機；1.激發光源；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

2.1.1 交直流電弧激發光源

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

2.1.2 高效的光學成像系統

參照一米光柵攝譜儀經典光路，重新設計出優化的三透鏡光路和Ebert-Fastic光學系統。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，譜線成像質量優良，有利于提高儀器的線色散率及分辨率。該系統采用2400線/mm平面光柵，設計焦距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

檢測系統采用紫外靈敏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。

基于FPGA技術的高速多CMOS同步采集系統，在實現全譜自動測量的同時，還實現了譜線位置動態校正、分子光譜背景動態扣除，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

現有儀器的電極夾上下電極需要幾個方位調節對齊，多為手動調節，影響分析的速度。新設計的自動對準電極夾，用戶只需在軟件中設置一定參數，電極自動運動到設置位置，激發完成后自動移開，簡化用戶操作，同時減少了電極對準的人為誤差。

2.2.2 安全保護功能

2.2.2.1 冷卻水流監控

水冷電極夾在冷卻循環水未開啟的情況下，不會激發樣品，以免電極夾被燒壞。

2.2.2.2 安全連鎖

激發室門未關閉或關閉不嚴的情況下，不會激發樣品。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，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；自適應背景校正及多種曲線擬合方式，有效提高分析準確度和精密度；豐富的譜線信息，拓寬分析應用領域，提高分析范圍；適合不同行業的專用軟件，適用不同用戶需求。

3 典型應用

采用AES-8000全譜交直流發射光譜儀對地質樣品中的Ag、Sn、B進行測定，其檢出限、準確度和精密度均達到《DZ/T 0258—2014多目標區域地球化學調查規范(1∶250000)》的要求。

3.1 檢出限

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

3.2 準確度和精密度

對土壤、水系的國家一級標準物質進行準確度和精密度測試，每個標準樣品連續測定12次，分別計算其相對標準偏差(RSD)。測定結果準確度和精密度符合DZ/T 0258—2014規范要求。

表2 元素的準確度和精密度

4 結論

AES-8000全譜交直流電弧發射光譜儀首次采用交直流電弧激發光源，Ebert-Fastic分光系統與高靈敏度CMOS檢測器相結合模式，具有測試靈敏度高，穩定性好的優點，解決了地球化學樣品中銀、錫、硼3元素測定難以達到《DZ/T 0258—2014多目標區域地球化學調查規范(1∶250000)》要求的難題，為有色金屬、電子陶瓷等行業粉末樣品的分析提供了最佳解決方案及儀器設備。