XGY-2020A型原子熒光光譜儀的研制

李 可, 張 勤

(中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000)

0 引言

原子熒光光譜分析(AFS)，自1964年美國佛羅里達州立大學Winefordner和英國倫敦帝國學院的West兩個教授研究小組合作完成以來，已有四十余年的歷程，有了很大的發展。它是繼原子發射光譜分析(AES)和原子吸收光譜分析(AAS)之后，發展起來的一種新的痕量超痕量元素分析方法[1-4]。

中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，作為我國最早開展氣體發生-原子熒光光譜方法研究和儀器研制的單位之一，先后開發生產了多種型號的原子熒光光譜儀，最具代表性的是曾獲得BCEIA金獎和地礦部科技進步三等獎的XGY-1011A型原子熒光光譜儀，相比其他同類儀器，具有管路少、分析速度快、靈敏度高、穩定性好、方便靈活、不易沾污、故障率低、維護方便等特點，在用戶中享有盛譽。限于當時科學技術水平等因素，該儀器存在著單通道測量、自動化程度低的不足。

有鑒于此，筆者在保持XGY-1011A型原子熒光光譜儀優勢的基礎上，應用新型電子、計算機等技術，成功研制了XGY-2020A型全自動雙通道氣體發生-原子熒光光譜儀(以下簡稱儀器)。該儀器采用資源豐富的新一代信號處理器作為主控制系統，6通道高速差分ADS8364同步采集雙通道熒光信號和工作參數，進行相應的數據運算處理，提升了新型原子熒光光譜儀的自動化水平和技術性能。

1 儀器簡介

新型儀器如圖1所示，其原理如圖2所示，主要模塊與部件功能見表1。

2 硬件系統

2.1 主控系統

新型儀器采用模塊化、數字化、程序化的設計方式，基于高性能信號處器TMS320LF2407A作為主控系統(圖3)的核心，根據上位機PC機應用軟件的控制指令，軟硬件相結合合理有序地控制儀器各模塊的運行，實時采集雙道熒光信號及工作參數，并傳送上位機。整個系統具有結構簡單、集成度高、功耗低、運算速度快、性能穩定、適應性強等特點。

表1 儀器主要模塊功能簡介

圖1 XGY-2020A型氣體發生-原子熒光光譜儀Fig.1 XGY-2020A atomic fluorescence spectrometer

圖2 XGY-2020A型氣體發生-原子熒光光譜儀原理框圖Fig.2 The block diagram of XGY-2020A AFS

圖3 主控系統原理圖Fig.3 Block diagram of main control system

圖4 信號采集系統原理圖Fig.4 Block diagram of signal acquisition system

2.2 信號采集系統

信號采集系統(圖4)是在主控系統控制下，以ADS8364模數轉換電路對前端模擬信號進行實時采集，采用實時自動扣背景等技術實現雙光源四通道測量測試技術。同時針對熒光弱信號易受外界干擾，采用了抗干擾光電檢測技術消除電磁干擾，信號傳輸時采用差分方式提高測量信噪比，具有結構簡單、集成度高、實時性好、抗干擾能力強等特點[5]。

圖5 空心陰極燈供電原理框圖Fig.5 Schematic diagram of HCL

圖6 新型爐溫控制原理框圖Fig.6 Block diagram of temperature control

2.3 空心陰極燈恒流源脈沖調制供電

為了保證激發光源的發射強度、光譜純度、光的穩定性和低的發射噪聲，筆者研制了新型可變脈沖寬度的高精度雙組份恒流源為空心陰極燈供電(專利號：ZL 2014 2 0638309.9)。根據不同的激發光源采用可變脈沖寬度方式進行信號調制，可將每一光源調整至最佳的工作狀態，這樣既可以得到高穩定度的工作電流，保證它既有最大的瞬時激發功率，增大空心陰極燈的激發光強度，且平均電流較小；既提高了儀器測定的靈敏度，又延長了空心陰極燈的使用壽命，提升了儀器的技術性能[6]。

2.4 自動升降原子化器

新型儀器采用石英管凸出式自動升降原子化器(專利號：ZL201420636060.8)，其在主控系統程序控制下，實現原子化器自動升降(調節精度達到0.01 mm)，以達到最佳的激發和熒光觀察高度，較傳統手動調整方式更方便、更精細準確。石英管頂端凸出到原子化器外殼上表面，從而減少了測定時氫火焰對原子化器和石英管內溫度的影響，提升了儀器的技術性能。此外，拆卸和更換石英管更快捷方便。

2.5 新型爐溫控制技術

針對氣態氫化物熱穩定性差的特性，筆者研制了一種數字化高精度新型爐溫控制系統(專利號：ZL201420636014.8)，原理如圖6所示。在主控系統程序化控制下，采用可變占空比的爐溫閉環自動控制技術實現原子化器的預加熱溫度，相比其他爐溫控制方式，具有電路結構簡單、調試方便、成本低、溫升快(每升高100℃的時間<2 min)，波動小(±1℃)，穩定快(從開始升溫到穩定的時間<5 min)，范圍寬(0℃～1 000℃)，溫控準確等特點，在原子熒光光譜儀上取得了較好的使用效果[7]。

圖7 DSP程序流程圖Fig.7 Flow chart of DSP Program

圖8 PC機應用軟件流程圖Fig.8 Flow chart of PC application software

3 軟件系統

新型儀器基于高性能信號處理器開發研制的全自動分析儀器，其所有工作任務的完成，均是基于程序化軟件系統來實現的。軟件系統包括主控系統信號處理器DSP程序和上位機PC機應用軟件。兩者相結合，使儀器的自動化程度顯著提升。

圖9 PC機應用軟件界面Fig.9 PC software interface

3.1 主控系統DSP程序

主控系統信號處理器DSP是整個儀器的核心，DSP程序則是其中樞大腦，儀器所有的操作運行均是基于DSP程序來控制實現的。DSP程序的開發和調試是以TI公司提供的功能強大的CCS(Code Composer Studio)為集成研發環境[8]。

其根據上位機PC機應用軟件設定的操作指令，配置儀器的工作參數，控制儀器各模塊協調、有序、實時地運行，并進行雙通道熒光信號和各種工作參數的實時采集、存儲和發送上位機(圖7)。

3.2 PC機應用軟件

PC機應用軟件基于Windows環境下可視化程序開發[9](圖8)。軟件采用中文界面(圖9)，界面友好、易于操作，用戶對儀器的所有運行均在此應用軟件下設置操作完成的。用戶根據工作需要，設定操作任務和配置相應的工作參數，確認無誤后，啟動軟件測量測試。PC機應用軟件通過計算機向儀器主控系統發送控制指令碼，儀器主控系統DSP程序根據接收到的指令碼完成相應的操作任務，然后PC機應用軟件讀取儀器上傳的雙道熒光信號和各種工作參數，并根據用戶需要進行相應的數據存儲、處理、顯示和打印等功能。

4 結論

應用新型電子、計算機等技術研制成功的XGY-2020A型全自動雙通道氣體發生-原子熒光光譜儀，提升了新型原子熒光光譜儀的自動化水平和技術性能,使具有完全自主知識產權的氣體發生-原子熒光光譜儀技術創新又上新臺階。該儀器的研制成功，將為各類樣品中汞、砷、銻、硒、鍺等痕量超痕量元素的分析測試提供強有力的技術支持，可廣泛應用于地質、環境科學、生命科學、食品衛生、材料科學等眾多領域。