光譜基本原理-第六版

1、光譜儀操作說(shuō)明書(shū)（第五版） 北京納克分析儀器有限公司Beijing NCS Analytical Instrument Co.Ltd.2006-2-10第一部分：光電光譜分析原理及儀器介紹一、 光譜分析基本知識(shí) 1、光譜 光譜是按照波長(zhǎng)(或頻率)順序排列的電磁輻射?？梢?jiàn)光、無(wú)線電波、微波、紅外線、紫外線、X射線、射線和宇宙射線等都是電磁輻射。其中紫外線、可見(jiàn)光和紅外線統(tǒng)稱為光學(xué)光譜。一般所謂“光譜”僅指光學(xué)光譜而言。電磁波按波長(zhǎng)可分為不同區(qū)域：輻射區(qū)域波長(zhǎng)范圍躍遷類型射線區(qū)5140pm核能級(jí)躍遷X射線區(qū)10-310nm內(nèi)層電子能級(jí)躍遷遠(yuǎn)紫外區(qū)近紫外區(qū)可 見(jiàn) 區(qū)10200nm200380nm38

2、0780nm原子及分子外層電子能級(jí)躍遷近紅外區(qū)中紅外區(qū)0.783µm330µm分子振動(dòng)能級(jí)躍遷遠(yuǎn)紅外區(qū)30300µm分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷微 波 區(qū)射 頻 區(qū)0.3mm1m11000m電子自旋和核自旋能級(jí)躍遷注：1m（米）=103mm（毫米）=106um（微米）=109nm（納米）=1012pm（皮米） 2、光譜分析的基本原理光譜分析是根據(jù)物質(zhì)的特征光譜研究物質(zhì)的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和存在狀態(tài)的科學(xué)。自然界中存在的不同物質(zhì)都是由不同元素的原子所組成，而原子都包含著一個(gè)結(jié)構(gòu)緊密的原子核，核外圍繞著不斷運(yùn)動(dòng)的電子。每個(gè)電子處在一定的能級(jí)上，具有一定的能量。在正常的情況下，樣子處于

3、穩(wěn)定狀態(tài)，它的能量是最低的，這種狀態(tài)稱為基態(tài)。但當(dāng)原子受到外界能量（如熱能、電能等）的作用時(shí)，原子由于與高速運(yùn)動(dòng)的氣態(tài)粒子和電子相互碰撞而獲得了能量，使原子中外層的電子從基態(tài)躍遷到更高的能級(jí)上，處在這種狀態(tài)的原子稱激發(fā)態(tài)。這種將原子中的一個(gè)外層電子從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)所需的能量稱為激發(fā)電位，通常以電子伏特來(lái)度量。當(dāng)外加的能量足夠大時(shí)，可以把原子中的電子從基態(tài)躍遷至無(wú)限遠(yuǎn)處，也即脫離原子核的束縛力，使原子成為離子，這種過(guò)程稱為電離。處于激發(fā)態(tài)的原子是十分不穩(wěn)定的，在極短的時(shí)間內(nèi)約（10-3S）便躍遷至基態(tài)或其他較低的能級(jí)上，此過(guò)程中，將釋放出多余的能量，這種能量以一定波長(zhǎng)的電磁波的形式輻射出去，其

4、輻射的能量可用下式表示： 式中E2、E1分別為高能級(jí)、低能級(jí)的能量，通常以電子伏特為單位; c為光在真空中的速度，等于2.997×1010cm·s-1，h為普朗克常數(shù)（6.6256×1034J·S）；及分別為所發(fā)射電磁波的頻率及波長(zhǎng)。 從上式可見(jiàn)，每一條所發(fā)射的譜線的波長(zhǎng)，取決于躍遷前后兩個(gè)能級(jí)之差。由于原子的能級(jí)很多，原子在被激發(fā)后，其外層電子可有不同的躍遷，但這些躍遷應(yīng)遵循一定的規(guī)則，因此對(duì)特定元素的原子可產(chǎn)生一系列不同波長(zhǎng)的特征光譜線（或光譜線組），這些譜線按一定的順序排列，并保持一定的強(qiáng)度比例。原子的各個(gè)能級(jí)是不連續(xù)的（量子化）。電子的躍遷也是不

5、連續(xù)的這就是原子光譜是線狀光譜的根本原因。光譜分析就是從識(shí)別這些元素的特征光譜來(lái)鑒別元素的存在（定性分析），而這些光譜線的強(qiáng)度又與試樣中該元素的含量有關(guān)，因此又可利用這些譜線的強(qiáng)度來(lái)測(cè)定元素的含量（定量分析）這就是發(fā)射光譜分析的基本依據(jù)。根據(jù)前述可見(jiàn)發(fā)射光譜分析的過(guò)程可進(jìn)行如下：使試樣在外界能量的作用下轉(zhuǎn)變成氣態(tài)原子，并使氣態(tài)原子的外層電子激發(fā)至高能態(tài)。當(dāng)從較高的能級(jí)躍遷倒較低的能級(jí)時(shí)，原子將釋放出多余的能量而發(fā)射出特征譜線。對(duì)所產(chǎn)生的輻射經(jīng)過(guò)攝譜儀器進(jìn)行色散分光，按波長(zhǎng)順序記錄在感光板上，就可呈現(xiàn)出有規(guī)則的譜線條，即光譜圖。然后根據(jù)所得光譜圖進(jìn)行定性或定量分析。光譜分析法一般可分為發(fā)射光譜法

6、、吸收光譜法、X射線熒光光譜法、紅外和拉曼光譜法。 3、原子發(fā)射光譜分析 光電直讀光譜儀屬于發(fā)射光譜分析范疇的原子發(fā)射光譜分析。 原子發(fā)射光譜分析是根據(jù)自由原子(或離子)被激發(fā)后，外層電子輻射躍遷所發(fā)射的特征輻射 (特征光譜)來(lái)研究物質(zhì)化學(xué)組成的方法。二、光電光譜定量分析基本原理 1、譜線強(qiáng)度與試樣濃度的關(guān)系 光譜定量分析，主要是根據(jù)樣品光譜中分析元素的譜線強(qiáng)度來(lái)確定元素的濃度。元素的譜線強(qiáng)度與該元素在試樣中濃度的相互關(guān)系，可用如下經(jīng)驗(yàn)公式即賽伯羅馬金公式來(lái)表示： I=ACb 式中I是譜線強(qiáng)度，C是分析元素的濃度，A是與試樣的蒸發(fā)、激發(fā)過(guò)程和試樣組成等有關(guān)的一個(gè)參數(shù)，常數(shù)b的大小則與譜線的自吸

7、收有關(guān)。 2、內(nèi)標(biāo)法和分析線對(duì) 由于試樣的蒸發(fā)、激發(fā)條件以及試樣組成的任何變化，使參數(shù)A發(fā)生變化，均會(huì)直接影響譜線強(qiáng)度，這種變化往往很難避免，所以在實(shí)際光譜分析時(shí)，常選用一條比較譜線，用分析 線與比較線強(qiáng)度比進(jìn)行光譜定量分析，以抵償這些難以控制的變化因素A的影響，所采用的比較線稱內(nèi)標(biāo)線，提供這種比較線的元素稱為內(nèi)標(biāo)元素。 在光譜定量分析中，內(nèi)標(biāo)元素的含量變化不大，它可以是試樣中的基本成份，也可以是以一定的含量加入試樣中的外加元素。這種按分析線強(qiáng)度比進(jìn)行光譜定量分析的方法稱內(nèi)標(biāo)法；所選用的分析線與內(nèi)標(biāo)線的組合叫做分析線對(duì)。 如果分別以a、r，表示分析線、內(nèi)標(biāo)線，則： 分析線強(qiáng)度 Ia=AaCab

8、a 內(nèi)標(biāo)線強(qiáng)度 Ir=ArCrbr 當(dāng)內(nèi)標(biāo)元素Cr 固定時(shí)，即Ir=A0 ，由此分析線對(duì)的強(qiáng)度比為: 令 K=Aa/A0,C=Ca,b=ba 則 R=KCb 在一定的濃度范圍內(nèi)，K、b與濃度無(wú)關(guān)，此式即為內(nèi)標(biāo)法定量分析的基本公式。 但是并不是任何元素均可作內(nèi)標(biāo)，任何一對(duì)譜線均可作分析線對(duì)，為了使K值是一個(gè)常數(shù)， 對(duì)于內(nèi)標(biāo)元素、內(nèi)標(biāo)線和分析線的選擇必須具備下列條件： (1) 分析線對(duì)應(yīng)具有相同或相近的激發(fā)電位和電離電位，以減小放電溫度(激發(fā)溫度)的改變對(duì)分析線對(duì)相對(duì)強(qiáng)度因離解度激發(fā)效率及電離度的變化所引起的影響； (2) 內(nèi)標(biāo)元素與分析元素應(yīng)具有相接近的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、化學(xué)活性及相近的原子量，以減小

9、電極溫度(蒸發(fā)溫度)的改變對(duì)分析線對(duì)相對(duì)強(qiáng)度因重熔、濺射、蒸發(fā)、擴(kuò)散等變化所引起的影響；(3) 內(nèi)標(biāo)元素的含量，不隨分析元素的含量變化而改變，在鋼鐵分析中常采用基體元素鐵作為內(nèi)標(biāo)；在制作光譜分析標(biāo)準(zhǔn)樣品成分設(shè)計(jì)時(shí)，往往使內(nèi)標(biāo)元素含量基體保持一致，以減少基體效應(yīng)的影響；(4) 分析線及內(nèi)標(biāo)線自吸收要小，一般內(nèi)標(biāo)線常選用共振線，其自吸收系數(shù)b=1，對(duì)分析線的選擇在低含量時(shí)可選用共振線外，在高含量時(shí)，可選用自吸收系數(shù)b接近1的非共振線；(5) 分析線和內(nèi)標(biāo)線附近背景應(yīng)盡量小，且無(wú)干擾元素存在，以提高信噪比。實(shí)際上，上述條件很難同時(shí)滿足，而且多數(shù)情況下也無(wú)需同時(shí)滿足，例如在鋼鐵及純物質(zhì)中少量成份測(cè)定時(shí)

10、，由于比較容易達(dá)到穩(wěn)定的激發(fā)條件，因而在分析線對(duì)中，即使二者的激發(fā)電位和電離電位相差較大，仍能得到滿意的效果。 3、光電光譜定量關(guān)系式 光電光譜分析中，試樣經(jīng)光源激發(fā)以后所輻射的光，經(jīng)入射狹縫到色散系統(tǒng)光柵，經(jīng)過(guò)分光以后各單色光被聚焦在焦面上形成光譜，在焦面上放置若干個(gè)出射狹縫，將分析元素的特定 波長(zhǎng)引出，分別投射到光電倍增管等接受器上，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，由積分電容儲(chǔ)存，當(dāng)曝光終止時(shí)，由測(cè)量系統(tǒng)逐個(gè)測(cè)量積分電容上的電壓，根據(jù)所測(cè)電壓值的大小來(lái)確定元素的含量。 試樣的激發(fā)過(guò)程中，其光譜線的強(qiáng)度是不穩(wěn)定的，因此從接受器輸出的光電流的瞬時(shí)強(qiáng)度也會(huì)有波動(dòng)，因此常把輸出的光電流向積分電容器充電的方法來(lái)

11、測(cè)量譜線的平均強(qiáng)度。 若積分電容為C，光電流為i，V是經(jīng)過(guò)積分時(shí)間T后在積分電容器上所達(dá)到的電壓，則 式中i為平均光電流，可以看出積分電容器上的電壓V正比于平均光電流i和曝光時(shí)間T，反比于積分電容器的電容量。在實(shí)際工作中，C和T均為常數(shù)，其中平均光電流i正比于譜線強(qiáng)度，為此測(cè)量了積分電容器的電壓，就可對(duì)應(yīng)地求出試樣中元素的含量。4.光電光譜定量分析方法 在光電光譜定量分析時(shí)，由于分析條件的影響，公式中的K值和b值僅適用于同類型的樣品，不同類型的樣品，其K值和b值會(huì)發(fā)生變化，因此必須在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)制作校準(zhǔn)曲線，從而確定樣品中元素的含量C。（1） 標(biāo)準(zhǔn)試樣法 此方法是在每次分析樣品前激發(fā)一系

12、列標(biāo)準(zhǔn)樣品（嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，應(yīng)采用與待測(cè)樣品有相同的冶煉歷程和晶體結(jié)構(gòu)的標(biāo)樣，實(shí)際上這種匹配很難做到）制作校準(zhǔn)曲線。譜線強(qiáng)度與分析物濃度的關(guān)系，可按冪函數(shù)展開(kāi)：曲線擬合成功后，存儲(chǔ)。隨后分析待測(cè)樣品，并將各元素的強(qiáng)度值I代入上式，計(jì)算出待測(cè)元素的含量。 標(biāo)準(zhǔn)試樣法雖然能保持分析條件的完全一致，分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，但每次分析都需激發(fā)一系列標(biāo)準(zhǔn)樣品，重新繪制校準(zhǔn)曲線，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，標(biāo)樣損耗也大，為此光電光譜分析時(shí)常采用持久曲線法。（2）、持久曲線法 持久曲線法是預(yù)先用標(biāo)準(zhǔn)試樣法制作持久校準(zhǔn)曲線，每次分析時(shí)僅激發(fā)分析試樣，從持久曲線上求含量。 由于溫度、濕度、氬氣壓力、振動(dòng)等變化，會(huì)使譜線產(chǎn)生位移、透鏡污染

13、、電極沾污、電源波動(dòng)等均會(huì)使校準(zhǔn)曲線發(fā)生平移或移動(dòng) 。為此在實(shí)際分析過(guò)程中，每天（每班）必須用標(biāo)準(zhǔn)化樣品對(duì)校準(zhǔn)曲線的漂移進(jìn)行修正，即所謂校準(zhǔn)曲線標(biāo)準(zhǔn)化。 標(biāo)準(zhǔn)化有兩點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化和單點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化：兩點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化是選取兩個(gè)含量分別在校準(zhǔn)曲線上限和下限附近的標(biāo)準(zhǔn)樣品，分別激發(fā)求出其光強(qiáng)Ru、Rl，則有：兩式相減 式中Ru0、Rl0分別為原持久曲線上限和下限附近含量所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)值，、為曲線的飄移系數(shù)，表示曲線斜率的變化，表示曲線的平移量。 對(duì)單點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)化來(lái)說(shuō)，僅選取一個(gè)含量在上限附近的標(biāo)準(zhǔn)樣品，在激發(fā)時(shí)所測(cè)得的光強(qiáng)R,其在原校準(zhǔn)曲線上所對(duì)應(yīng)的原始基準(zhǔn)為R0則校正因子為：這種標(biāo)準(zhǔn)化方法僅能校正原校準(zhǔn)曲線的平移。 在實(shí)

14、際工作中，由于分析試樣和標(biāo)樣的冶金過(guò)程和某些物理狀態(tài)的差異，常使分析結(jié)果存在一定的偏差，這就需要用控制試樣來(lái)校正。（3）、控制試樣法 控制試樣是一個(gè)與分析試樣的冶金過(guò)程和物理狀態(tài)相一致的標(biāo)準(zhǔn)樣品，其各元素含量應(yīng)準(zhǔn)確可靠、成分分布均勻、外觀無(wú)氣孔、沙眼、裂紋等物理缺陷，并且各元素含量應(yīng)位于校準(zhǔn)曲線含量范圍之內(nèi)，盡可能與分析樣品的含量接近。 在日常分析時(shí)，用與待測(cè)試樣同樣的工作條件，將控制試樣與待測(cè)試樣一起分析，設(shè)控制試樣的讀數(shù)為R控，其對(duì)應(yīng)的含量為C控，待測(cè)試樣的讀數(shù)為R待，則其對(duì)應(yīng)的含量為： C待=R待+C控-R控至此我們得到了待測(cè)樣品的確切含量。5、光電光譜分析的誤差(1)誤差產(chǎn)生的原因：a

15、. 人 ：技術(shù)水平、熟練程度；b. 設(shè)備：光源的穩(wěn)定、分光計(jì)的精度、氬氣純度；c. 試樣：均勻性、組織結(jié)構(gòu)；d. 標(biāo)樣：標(biāo)準(zhǔn)值的可靠性、均勻性；e. 分析方法：校正曲線的擬合程度；f. 環(huán)境：溫度、濕度。（2） 偶然誤差產(chǎn)生的原因：a. 樣品成分的不均勻；b. 光源的不穩(wěn)定；c. 室溫、氬氣壓力的波動(dòng)。（3） 系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因：a. 第三元素的干擾；b. 組織結(jié)構(gòu)； c.曲線漂移。三、 光譜分析儀器光電光譜儀基本上由以下四部分組成：光源系統(tǒng)、色散系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。光源系統(tǒng)使試樣激發(fā)發(fā)光，色散系統(tǒng)將復(fù)合光色散成各元素的譜線，檢測(cè)系統(tǒng)用光電法來(lái)測(cè)量各元素的譜線強(qiáng)度，控制與數(shù)據(jù)處

16、理系統(tǒng)將信號(hào)換算成為元素百分含量表示出來(lái)。本說(shuō)明書(shū)主要講解前三部分內(nèi)容。光 源 系 統(tǒng)光源對(duì)試樣具有兩個(gè)作用過(guò)程。首先，把試樣中的組分蒸發(fā)離解為氣態(tài)原子，然后使這些氣態(tài)原子激發(fā)，使之產(chǎn)生特征光譜。因此光源的主要作用是對(duì)試樣的蒸發(fā)和激發(fā)提供所需的能量。最常用的光源有直流電弧、交流電弧、電火花、激光光源、電感耦合等離子體（ICP）焰炬等等。1、直流電弧直流電弧發(fā)生器的基本電路如下圖所示，利用直流電作為激發(fā)能源。常用電壓為150380V，電流為530A?？勺冸娮栌靡苑€(wěn)定和調(diào)節(jié)電流的大小，電感用來(lái)減小電流的波動(dòng)。直流電弧發(fā)生器示意圖直流電弧的優(yōu)點(diǎn)：檢出限低試樣蒸發(fā)量大，分析痕量元素；譜線亮度強(qiáng)分析難揮

17、發(fā)元素；樣品組織結(jié)構(gòu)影響小直流電弧的缺點(diǎn)：穩(wěn)定性差；對(duì)樣品破壞較大，不適合薄樣分析。2、火花光源火花光源的優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性高脈沖放電；放電參數(shù)R、L、C可調(diào)；火花光源的缺點(diǎn)：檢出限沒(méi)有直流電弧低。放電參數(shù)對(duì)火花放電的影響每次放電的能量：A=CU2/2光譜硬度：激發(fā)溫度的大小 L增加的影響譜線強(qiáng)度減弱，放電速度減慢，火花變軟，電極固定位置重復(fù)擊穿率高； C增加的影響增強(qiáng)譜線強(qiáng)度，放電速度減慢，火花硬度不變； R增加的影響譜線強(qiáng)度減弱，放電速度減慢，火花變軟，電極固定位置重復(fù)擊穿率低。激發(fā)光源性能評(píng)價(jià) 穩(wěn) 定 性分析結(jié)果的精密度； 檢 出 限痕量元素的分析；分析速度分析時(shí)序時(shí)間短；結(jié)構(gòu)合理安全，易操作

18、。色 散 系 統(tǒng)色散系統(tǒng)的主要器件是光譜儀。光譜儀是利用色散元件和光學(xué)系統(tǒng)將光源發(fā)射的復(fù)合光按波長(zhǎng)排列，并用適當(dāng)?shù)慕邮芷鹘邮詹煌ㄩL(zhǎng)的光輻射的儀器，按原理可分為兩類：棱鏡光譜儀和光柵光譜儀。1、棱鏡光譜儀這類儀器根據(jù)光的折射率隨波長(zhǎng)改變而改變的原理，將復(fù)合光經(jīng)過(guò)棱鏡后，把各種不同波長(zhǎng)的光相互分開(kāi)，并依次排列成按波長(zhǎng)分布的光。2、光柵攝譜儀 光柵攝譜儀應(yīng)用衍射光柵作為色散元件，利用光的衍射現(xiàn)象進(jìn)行分光，光柵可以用于由幾十埃到幾百微米的整個(gè)光學(xué)譜域。光柵是由許多平行，且是等距離分開(kāi)的槽溝刻畫(huà)在玻璃表面，或者是一層金屬涂鍍?cè)诓ＡП砻妫ǔ６际褂娩X金屬。一般光柵的刻線數(shù)為9004500條/毫米，由激光

19、制造的光柵可達(dá)到6000條/毫米。光柵攝譜儀的性能也可以從色散率、分辨率、集光本領(lǐng)三個(gè)方面加以分析。 色散率 指把不同波長(zhǎng)的光分散開(kāi)的能力，一般用線色散率dl/d表示。其中d指兩條波長(zhǎng)之差，dl為屏幕上分開(kāi)的距離。線色散率大小隨著每毫米光柵線數(shù)目增多而增大。其次，線色散率隨光柵衍射的級(jí)次m增加而增大。光柵攝譜儀線色散率幾乎不隨波長(zhǎng)改變而改變，近似為一常數(shù)。因此，光柵攝譜儀所攝光譜是勻排光譜。 分辨率R 指攝譜儀的光學(xué)系統(tǒng)能夠正確分辨出緊鄰兩條譜線的能力。一般常用兩條可以分辨開(kāi)的光譜線波長(zhǎng)的平均值與其波長(zhǎng)差d之比值來(lái)表示，即式中 N光柵總刻線數(shù) m光譜級(jí)數(shù) 集光本領(lǐng) 指攝譜儀的光學(xué)系統(tǒng)傳遞輻射的

20、能力，一般大型攝譜儀的集光本領(lǐng)較中型攝譜儀為弱。光柵的衍射方程式?jīng)Q定在垂直于線槽的平面中光譜極大的位置，即式中是光線在光柵上的入射角；是衍射角；m是光譜級(jí)次，m=0、±1、±2、±3、；是波長(zhǎng)；d是光柵常數(shù)。所以，d、一定，不同的對(duì)應(yīng)不同的m色散原理。檢 測(cè) 系 統(tǒng) 檢測(cè)器的作用是將單色器分出的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，常用光電倍增管作檢測(cè)器。1、光電倍增管 光電倍增管（PMT）是一種具有極高靈度和超快時(shí)間響應(yīng)的光探測(cè)器件。典型的光電倍增管如下圖所示，是在真空管中，包括光電發(fā)射陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極和電子收集極（陽(yáng)極）的器件。 光電倍增管示意圖原理外加負(fù)高

21、壓到陰極K，經(jīng)過(guò)一系列電阻（R1R5）使電壓依次均勻發(fā)布在各打拿極上，這樣就能發(fā)生光電倍增作用。當(dāng)分光后的光照射到K上，K向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場(chǎng)進(jìn)入倍增系統(tǒng)，通過(guò)進(jìn)一步的二次發(fā)射得到倍增放大。放大后的電子被陽(yáng)極收集作為信號(hào)輸出。如圖 因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，光電倍增管在可以探測(cè)到紫外、可見(jiàn)和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測(cè)器件中具有極高的靈敏度和極低的噪聲。光電倍增管還有快速響應(yīng)、大面積陰極等特點(diǎn)。 光電倍增管按結(jié)構(gòu)分為端窗型和側(cè)窗型倍增管如圖，它們都有一個(gè)光陰極。 側(cè)窗式 端窗式 側(cè)窗型光電倍增管價(jià)格較便宜，并在分光光度計(jì)和通常的光度測(cè)定方面有廣泛的應(yīng)用。大部分的側(cè)窗型

22、光電倍增管使用了不透明光陰極(反射式光陰極)和環(huán)形聚焦型電子倍增極結(jié)構(gòu)，這使在較低的工作電壓下具有較高的靈敏度。端窗型光電倍增管在其入射窗的內(nèi)表面上沉積了半透明光陰極（透過(guò)式光陰極），使其具有優(yōu)于側(cè)窗型的均勻性，其特點(diǎn)還包括它擁有從幾十平方毫米到幾百平方厘米的光陰極。PMT的暗電流 暗電流是在工作狀態(tài)下，陰極沒(méi)有光照射陽(yáng)極輸出的電流，暗電流小于107109A。產(chǎn)生原因：（1）歐姆漏阻；（2）熱電子發(fā)射；（3）殘余氣體的離子發(fā)射；（4）玻璃閃爍。PMT在使用時(shí)應(yīng)注意其疲勞效應(yīng)，即剛開(kāi)始時(shí)，靈敏度下降，過(guò)一段時(shí)間之后趨向穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)間使用則又下降，而且疲勞程度隨輻射光強(qiáng)和外加電壓而加大。因此，要設(shè)法

23、遮擋非信號(hào)光，并盡可能不要使用過(guò)高的增益，以保持光電倍增管的良好的工作特性。2、電感耦合器件CCD(Charge Coupled Device)原理：當(dāng)輻射能照射到光敏元（像素，MOS單元），在光子作用下產(chǎn)生電子空穴對(duì)，其中光生電子被勢(shì)阱所收集、存貯、轉(zhuǎn)移。特點(diǎn)：1. 量子效率高；2. 暗電流??；3. 體積小，多道測(cè)定。儀器結(jié)構(gòu)示意圖第二部分 MetalLab 操作指導(dǎo)光譜儀操作說(shuō)明（一）一、基本操作概述測(cè)樣前的準(zhǔn)備工作1.制樣 全部待激發(fā)樣品（包括分析試樣、標(biāo)準(zhǔn)化樣品、類型標(biāo)準(zhǔn)化樣品等）必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理并保持潔凈，才能在光譜儀上測(cè)量。一般樣品制備方式如下： 鋼樣：在砂輪或磨盤上制備。通常粒度為

24、3660目，磨料為 Al2O3 、SiO2、ZrO2 。磨料及粘結(jié)劑可能影響分析結(jié)果。進(jìn)行酸溶鋁分析時(shí)不要用Al2O3砂紙。 鑄鐵樣：可以在砂紙或磨盤上制備，但通常“白口化”（阻止C的石墨化）以后樣品非常硬，許多人用砂輪制備。 有色金屬樣：Al、Cu、Pb、Zn、Mg等最好在高速車床上制備。 當(dāng)分析小樣品時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間激發(fā)會(huì)使樣品很熱，因此應(yīng)準(zhǔn)備一塊 大樣品放在上面以散熱。光譜儀操作說(shuō)明（二）開(kāi)機(jī)1、 閉合供電開(kāi)關(guān)，打開(kāi)穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)，待輸出220V穩(wěn)定后，按下交流接觸器的綠色開(kāi)關(guān)，向光譜儀供電。2、 開(kāi)啟真空泵電源，待運(yùn)行12分鐘后，打開(kāi)泵的手動(dòng)隔離閥即紅色扳手由水平到垂直位置。3、 啟動(dòng)光譜儀的主

25、開(kāi)關(guān)（MAINS）和光源開(kāi)關(guān)（SPARK/ELECTRA）。4、 壓下負(fù)高壓（H.V.）按鈕，其下方指示燈亮（個(gè)別儀器沒(méi)有指示燈）。5、 確保將其他所有的開(kāi)關(guān)都打開(kāi)，其他開(kāi)關(guān)根據(jù)儀器型號(hào)的不同而有所區(qū)別，具體情況由現(xiàn)場(chǎng)安裝工程師做詳細(xì)說(shuō)明。6、 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，顯示器、打印機(jī)。7、 接通高純氬，鋼瓶主閥全部打開(kāi)，分壓表供氬壓力0.250.3MPa。關(guān)機(jī)1、 點(diǎn)擊“EXIT”退出分析屏幕，返回主菜單。2、 點(diǎn)擊“exit”或按F10鍵回到Windows窗口。3、 關(guān)閉計(jì)算機(jī)、顯示器、打印機(jī)。4、 關(guān)閉負(fù)高壓開(kāi)關(guān)，其指示燈熄滅，關(guān)閉光源開(kāi)關(guān)（SPARK）和光譜儀開(kāi)關(guān)（MAINS）。5、 將泵的手動(dòng)隔離

26、閥關(guān)閉，即紅色扳手由垂直到水平位置，再關(guān)掉真空泵電源。6、 關(guān)閉其他的開(kāi)關(guān)（具體情況由現(xiàn)場(chǎng)安裝工程師做詳細(xì)說(shuō)明）。7、 關(guān)斷光譜儀供電電源即壓下接觸器紅色按扭，關(guān)閉穩(wěn)壓器，斷開(kāi)供電開(kāi)關(guān)。8、 關(guān)閉氬氣源。關(guān)機(jī)說(shuō)明1 每天都工作的情況下，不必關(guān)閉真空泵和主電源開(kāi)關(guān)（MAIN），以保持儀器的穩(wěn)定性。2 長(zhǎng)期休息的情況下，關(guān)閉主電源開(kāi)關(guān)（MAIN），關(guān)上泵和真空室的隔離閥后關(guān)閉真空泵。 上述情況下，關(guān)閉計(jì)算機(jī)、光源（SPARK）和氬氣，并在火花臺(tái)上放一樣品防止污染電極。操 作 簡(jiǎn) 要狀 態(tài)1234567臨 時(shí) 停 用··短 期 停 用···長(zhǎng) 期 停

27、 用······完 全 停 用·······1 關(guān)閉光源（SPARK）2 關(guān)閉氬氣3 關(guān)閉外圍設(shè)備和計(jì)算機(jī)4 關(guān)閉主電源開(kāi)關(guān)（MAIN）5 關(guān)閉真空閥6 關(guān)閉真空泵7 切斷所有電源電源中斷，必須關(guān)機(jī)！注：儀器上按鈕開(kāi)關(guān)顏色和位置的設(shè)置可能隨機(jī)有變化，以實(shí)際情況為準(zhǔn)。光譜儀操作說(shuō)明（三）一、 待儀器穩(wěn)定后，按如下步驟作：1、 雙擊電腦屏幕上的分析軟件圖標(biāo)，軟件主菜單屏幕上將出現(xiàn)以下提示信息：2、 點(diǎn)擊,如果出現(xiàn)以下提示：3、 點(diǎn)擊之后，將光譜儀與電腦連接的USB線拔下

28、后重新插入。4、 然后重新進(jìn)入分析軟件，再次出現(xiàn)以下提示：5、 點(diǎn)擊,將出現(xiàn)以下對(duì)話框：點(diǎn)擊，等待（如果未等到下一個(gè)對(duì)話框出現(xiàn)，就進(jìn)行下一步操作將出現(xiàn)程序錯(cuò)誤），將出現(xiàn)下一個(gè)對(duì)話框：注：如果未等到下一個(gè)對(duì)話框出現(xiàn)，就進(jìn)行下一步操作將出現(xiàn)錯(cuò)誤！如果未出現(xiàn)步驟5中提到的對(duì)話框，則只需等待鏈接完畢再進(jìn)行以下操作即可。6、 在主菜單屏幕下，點(diǎn)擊分析圖標(biāo)（Analysis）或按F2鍵，進(jìn)入分析窗口，自動(dòng)彈出“分析程序”（Analysis Program）對(duì)話框，用鼠標(biāo)左鍵選擇分析程序，分析程序的轉(zhuǎn)換也可點(diǎn)擊屏幕左上方的“程序選擇”按鈕。7、 激發(fā)樣品，通過(guò)流量計(jì)下方的黑色的旋鈕將氬氣流量調(diào)到8-10升。

29、8、 空燒樣品，激發(fā)45次直至結(jié)果穩(wěn)定。二、 標(biāo)準(zhǔn)化（校正分析工作曲線）1、 在分析屏幕中，點(diǎn)擊菜單“Standardization”在彈出的菜單中點(diǎn)擊“Global F8”進(jìn)入“標(biāo)準(zhǔn)化”屏幕，也可按下F8鍵，或點(diǎn)擊“標(biāo)準(zhǔn)化”圖標(biāo)（左側(cè)數(shù)第八個(gè)圖標(biāo)）進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化屏幕。2、 激發(fā)屏幕上提示所選擇的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化樣品，激發(fā)23次結(jié)果良好后，點(diǎn)擊選擇下一個(gè)樣品的圖標(biāo)按鈕 ，選擇下一個(gè)樣品，并激發(fā)該樣品。3、 標(biāo)準(zhǔn)化樣品全部激發(fā)完成后，點(diǎn)擊屏幕上方左側(cè)第一個(gè)圖標(biāo)。出現(xiàn)“標(biāo)準(zhǔn)化元素選擇”對(duì)話框。選擇“全選”（All the items）點(diǎn)擊對(duì)話框中的“Standardize”分析工作曲線校正（標(biāo)準(zhǔn)化）即完成

30、并自動(dòng)返回分析屏幕。三、 類型標(biāo)準(zhǔn)化（控制樣分析）1、 在分析屏幕中，點(diǎn)擊菜單“Standardization”在彈出的菜單中點(diǎn)擊“Mini Standardization”,也可按下F7鍵或點(diǎn)擊“類型標(biāo)準(zhǔn)化”圖標(biāo)（左側(cè)數(shù)第七個(gè)圖標(biāo)）。2、 此時(shí)彈出“Select a standard”（選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣）對(duì)話框，在此選擇要使用的標(biāo)準(zhǔn)樣品（控制樣品）屏幕轉(zhuǎn)換到類型標(biāo)準(zhǔn)化窗口。3、 點(diǎn)擊菜單“Standardization”中的“Option”，在出現(xiàn)的對(duì)話框中選中“c% real”和“Offset”，如下圖，點(diǎn)擊“OK”。其它項(xiàng)不能進(jìn)行任何改動(dòng)或選擇。4、 激發(fā)該項(xiàng)選擇的控制樣品23次，結(jié)果良好

31、后，點(diǎn)擊屏幕上方左側(cè)第一個(gè)圖標(biāo)，出現(xiàn)“Standardization Elements”標(biāo)準(zhǔn)元素選擇對(duì)話框，選擇要標(biāo)準(zhǔn)化的元素，（標(biāo)樣中有化學(xué)成份的元素）選中的元素呈蘭色，點(diǎn)擊選擇“Selected items”再點(diǎn)擊對(duì)話框中的“Standardize”，類型標(biāo)準(zhǔn)化即完成并自動(dòng)返回分析屏幕。四、 樣品分析1、 在分析窗口輸入分析樣品名稱，及操作者（小于20個(gè)字符）。2、 激發(fā)樣品23次。3、 如果需要打印分析結(jié)果則點(diǎn)擊打印圖標(biāo)（分析屏幕左側(cè)數(shù)第四個(gè)圖標(biāo)）。4、 點(diǎn)擊屏幕上方左側(cè)第一個(gè)圖標(biāo)開(kāi)始下一個(gè)樣品分析。此時(shí)出現(xiàn)是否存貯當(dāng)前分析結(jié)果（Do you want save current anal

32、ysis?）若存貯點(diǎn)擊“YES”否則點(diǎn)擊“NO”。5、 輸入第二個(gè)樣品的名稱、操作者，以下分析樣品依此類推。附：一、 分析結(jié)果的保存與查詢1、 保存樣品分析后，點(diǎn)擊菜單“Analysis”（分析）中的“Save F3”（保存），或點(diǎn)圖標(biāo)出現(xiàn)“Sample analysis”對(duì)話框，在“Sample”中寫入樣品名稱，Operator中可寫操作者姓名，點(diǎn)“Store”(儲(chǔ)存)。2、 查詢?cè)诜治龃翱谥悬c(diǎn)擊菜單“Analysis”中的“Open”（打開(kāi)）或點(diǎn)圖標(biāo)。出現(xiàn)“Analysis query” 對(duì)話框，點(diǎn)“Query”(查詢)出現(xiàn)“Analysis”對(duì)話框，選擇要查詢的結(jié)果，點(diǎn)擊“Open”。注

33、:若要?jiǎng)h除保存的某個(gè)結(jié)果，也在此“Analysis”對(duì)話框中選擇“Delete”（刪除）。二、 類型標(biāo)準(zhǔn)化樣品的添加1、 在分析窗口點(diǎn)擊菜單“Database”中的“Standards”,出現(xiàn)“Standard samples”對(duì)話框。點(diǎn)擊“New”(新建)，出現(xiàn)“New standard”對(duì)話框，在“Name”（名稱）中輸入樣品名稱，在左側(cè)欄中輸入元素符號(hào)(Elem)和含量（），點(diǎn)擊“OK”。回到“Standard samples”對(duì)話框，點(diǎn)擊“OK”。2、 標(biāo)準(zhǔn)化完成后，在分析窗口激發(fā)要添加的樣品一次后，點(diǎn)擊菜單“Standardization”中的“Add Standardization

34、 Sample” ，出現(xiàn)“添加標(biāo)準(zhǔn)樣品”對(duì)話框，在樣品欄中選擇該樣品，然后點(diǎn)“OK”，該樣品自動(dòng)加入類型標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)樣品欄中。注意：一旦該欄中增加此標(biāo)樣，則該標(biāo)樣即不可抹消。三 打印選項(xiàng)分析窗口中點(diǎn)“Analysis”中“Print options”出現(xiàn)一對(duì)話框。在要打印的項(xiàng)目前打上 然后先好后點(diǎn)“OK”。All the measures 各項(xiàng)分析結(jié)果Average 平均值 A.S.D. 絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差R.S.D.% 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Data and time for each spark 各次激發(fā)時(shí)的日期和時(shí)間Print analysis after storing 存儲(chǔ)后打印四 分析元素的顯示。點(diǎn)

35、擊菜單“Configuration”（設(shè)置）中“Elements Layout ”(元素排列),出現(xiàn)一對(duì)話框, 左鍵雙擊所要選擇的元素,出現(xiàn)該元素對(duì)話框：Decimals 小數(shù)點(diǎn)后顯示位數(shù)。Priority 優(yōu)先級(jí)常用的元素優(yōu)先級(jí)為1，不常用的為2，最不常用的為3，以此類推，數(shù)大的優(yōu)先級(jí)包含數(shù)小的。修改后點(diǎn)“Save”保存。在分析窗口中，選項(xiàng)可改變顯示的元素。五、合金牌號(hào)此功能用于控制元素的含量范圍，可使用戶更直觀的判斷產(chǎn)品的是否合格。1、 點(diǎn)菜單“Database”中“Alloys”（合金）出現(xiàn)“Alloys Database”（合金庫(kù)）對(duì)話框。2、 點(diǎn)擊“Class”（級(jí)別），出現(xiàn)“All

36、oys Classes”對(duì)話框，點(diǎn)擊“New”輸入級(jí)別（一般以單位名稱命名），例如“NCS”按回車鍵，回到“Alloy classes”對(duì)話框，點(diǎn)“OK”，回到“Alloy Database”對(duì)話框。3、 點(diǎn)擊“New”創(chuàng)建合金牌號(hào)，出現(xiàn)“New Alloy”對(duì)話框，在“Name”中輸入合金名稱，如“45#”；在“Norm”中選“USER”（用戶）或其他標(biāo)準(zhǔn)，在“Elem”的一列中輸入元素符號(hào)，在“Range”（范圍）“Min”(最小值)、Max(最大值)中的兩列輸入范圍值，輸完點(diǎn)“OK”。4、 點(diǎn)菜單“Alloy”中“Norm”，出現(xiàn)一對(duì)話框，在“Select a class”中選擇剛建的級(jí)

37、別（class），如“NCS”，點(diǎn)OK。5、點(diǎn)菜單“alloy”中“select”或屏幕右上角 圖標(biāo)，出現(xiàn) “Ref. Alloy”對(duì)話框，選擇合金牌號(hào)，如“45#”，點(diǎn)OK.此時(shí)，分析屏幕右側(cè)出現(xiàn)合金所要求的高低限，當(dāng)所測(cè)值在范圍內(nèi)時(shí)顯示黑色，低于最小值時(shí)顯蘭色，高于最大值時(shí)顯紅色。六、光學(xué)系統(tǒng)描跡步驟1、光學(xué)系統(tǒng)描跡的必要性入射狹縫是分光系統(tǒng)的重要組成部分，由于環(huán)境的溫度、濕度及震動(dòng)的影響，引起入射狹縫的漂移，直接影響光譜儀的照度和分辨率。入射狹縫一般為20微米左右，通常安裝在一個(gè)帶有螺桿的驅(qū)動(dòng)裝置上，轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪帶動(dòng)螺桿移動(dòng)，可將確定入射狹縫的中心位置。2、光學(xué)系統(tǒng)描跡的原理 隨著鼓輪的轉(zhuǎn)動(dòng)

38、，檢測(cè)器記錄下選定通道的光強(qiáng)，光強(qiáng)呈鐘形分布。為定位更準(zhǔn)確，本儀器不是直接找光強(qiáng)的最大值(Point1)，而是選定距離最大值等距離的兩點(diǎn)（Point3、Point4），然后計(jì)算平均值，確定入射狹縫的中心位置（Point6）。Fig. 5.1 鐘形圖（描跡）3、光學(xué)系統(tǒng)描跡步驟l 在光譜儀的主界面，點(diǎn)擊F5 或圖標(biāo) l 進(jìn)入描跡窗口。l 在Channel對(duì)話框中選定通道與元素（Fe基一般對(duì)C 1931，F(xiàn)e 2714進(jìn)行描跡，其他通道不能隨意進(jìn)行描跡）。l 記下鼓輪原始值（以便與以后的描跡值進(jìn)行比較），松開(kāi)鼓輪下方開(kāi)關(guān)。 l 將一樣品（C含量稍高，大于1）置于火花臺(tái)上，點(diǎn)擊屏幕上的START。l

39、 待刻度盤指針到達(dá)最大值穩(wěn)定不動(dòng)后，點(diǎn)擊屏幕上的，然后反時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，直至指針到達(dá)第一格左右。l 然后順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，直到指針至某一特定位置（該位置用戶可以自己選定，小于最大強(qiáng)度即可，越接近最大強(qiáng)度越好）, 停止轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，記錄此時(shí)描跡輪上的讀數(shù)。l 繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，指針會(huì)到達(dá)最大強(qiáng)度處，繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，指針會(huì)自動(dòng)往回?cái)[，直至指針回?cái)[至第一次選定的讀數(shù)位置,停止轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，點(diǎn)擊屏幕上的STOP，記錄此時(shí)鼓輪的數(shù)值。l 將兩次描跡輪的讀數(shù)分別輸入Box1和Box2。l 光譜儀將自動(dòng)計(jì)算平均值，這個(gè)值就是最后的描跡值。l 將鼓輪位置固定在最后的描跡值：先逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，直至讀數(shù)小于平均值至少5

40、0個(gè)左右（為了克服鼓輪的機(jī)械誤差），再順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪，直至讀數(shù)等于平均值，鎖定鼓輪下方開(kāi)關(guān)。北京納克分析儀器有限公司意大利G .N. R.光譜儀公司用戶維修手冊(cè) 本手冊(cè)針對(duì)儀器型號(hào)MetalLab75/80J、F20 本手冊(cè)涉及以上型號(hào)儀器的軟件、硬件簡(jiǎn)單故障排除以及用戶自檢流程，望用戶購(gòu)買儀器后仔細(xì)閱讀本手冊(cè)，并在儀器出現(xiàn)故障時(shí)根據(jù)故障現(xiàn)象查閱解決方法 北京納克分析儀器有限公司技術(shù)服務(wù)中心Telax：01062183415一、 注意事項(xiàng)1.若實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常性斷電，請(qǐng)?jiān)跓o(wú)人看管情況下關(guān)閉真空泵閥門，拔掉USB插頭，關(guān)斷計(jì)算機(jī)電源。2.未經(jīng)工程師許可不得擅自打開(kāi)儀器外殼。3.本儀器使用純度為99.999%的高純氬氣，如達(dá)不到要求應(yīng)加裝氬氣凈化機(jī)。4.本儀器所使用的放電過(guò)濾器屬于基本耗材，須30工作日更換一個(gè)。5.儀器所使用真空泵潤(rùn)滑油應(yīng)一年更換一次。6.本儀器需配備3KW-5KW的磁飽和式穩(wěn)壓電源（推薦廣州羅定的鐵塔牌穩(wěn)壓電源）并加裝交流接觸器。7.本儀器正常工作室溫度為20-25攝氏度，濕度小于70%。8.加裝氮通道儀器所使用的氟化鎂透鏡禁用透鏡紙清理，需要每三天用無(wú)水乙醇浸泡30分鐘