AES-8000全谱交直流电弧发射光谱仪的研发与应用

(北京北分瑞利分析仪器(集团)有限责任公司，北京市物质成分分析仪器工程技术研究中心、北京市企业技术中心，北京 100095)

1 仪器研发背景

以电弧为激发光源的一米、两米光栅摄谱仪，因其分析灵敏度高、无需化学消解、可直接对粉末样品进行分析，虽然存在种种缺陷，至今仍然在很多行业广泛应用。全国范围内开展的地球化学调查项目，进一步促进了电弧发射光谱仪的应用。在近几年的地球化学调查项目的一系列规范[1-3]要求中，由于样品消解损失等原因，银、锡、硼3个元素指定使用电弧发射光谱法进行测定。但是以电弧为激发光源的摄谱法，需经过摄谱、洗相、看谱、黑度测量等繁琐的操作过程，而且在谱线测量过程中，相板质量、洗相条件、黑度测量等因素都会影响测量的准确度和精密度。针对这种现状，北京北分瑞利分析仪器(集团)有限公司于2011年推出AES-7200地质专用发射光谱仪，该仪器采用高灵敏度的光电倍增管作为检测器，激发后即可获得所有待测元素的分析结果，具有灵敏度高、分析速度快、操作简单等特点，推出后在地质行业中得到广泛应用[4-7]。但AES-7200地质专用发射光谱仪存在分析谱线固定、背景难以校正等缺点，只能满足部分地质矿产行业规范要求。对于要求较高的地矿行业规范，如《DZ/T 0258—2014多目标区域地球化学调查规范(1∶250000)》，则难以达到其要求。针对这种情况，在原有一米光栅摄谱仪、AES-7000系列电弧直读光谱仪研发经验基础上，结合全新的CMOS检测系统，北京北分瑞利分析仪器(集团)有限公司于2017年研制出AES-8000全谱交直流电弧发射光谱仪，该仪器集AES-7000系列的方便快捷及传统摄谱仪全谱的优点于一体，具有灵敏度高、分析速度快、应用范围广等优点，代表了以电弧为激发光源系列光谱仪的先进水平，其测试结果能够满足地质行业规范要求。

2 仪器结构及主要功能

2.1 仪器的结构

仪器采用交直流电弧为激发光源，Ebert-Fastic光学系统分光，CMOS检测器进行全谱接收的组合系统。该组合系统为国际、国内首创，其示意图见图1。

图1 仪器原理框图A.变阻箱；B.交直流电弧发生器； C.电极室；D.分光系统；E.测控系统；F.计算机；1.激发光源；2.第一透镜；3.光栏；4.第二透镜；5.第三透镜；6.入射狭缝；7.大反光镜；8.平面光栅；9.平面反射镜； 10.CMOS检测器；11.采集系统

2.1.1 交直流电弧激发光源

针对现有电弧发生器器件老化的问题，对电路进行重新设计，使用新的电子元器件，减小了电弧发生器体积，实现了电弧发生器与仪器的一体化。设置了多重保护监测功能，性能更加安全可靠。针对散热不畅的问题，增加散热系统，减少故障的发生，延长电弧发生器的使用寿命。

2.1.2 高效的光学成像系统

参照一米光栅摄谱仪经典光路，重新设计出优化的三透镜光路和Ebert-Fastic光学系统。采用这种光路能有效去除杂散光，消除光晕及色差，减小背景，增强仪器的聚光能力，谱线成像质量优良，有利于提高仪器的线色散率及分辨率。该系统采用2400线/mm平面光栅，设计焦距600mm，线色散率达到0.64nm/mm，理论光谱分辨率达到0.0031nm(300nm)。

2.1.3高灵敏度线阵CMOS传感器及高速采集系统

检测系统采用紫外灵敏CMOS传感器，其灵敏度1300V/(lx.s)，是普通CCD的5倍以上 。动态范围宽，温度漂移小；器件无需镀膜，无膜层老化问题；无器件光谱增宽效应。

基于FPGA技术的高速多CMOS同步采集系统，在实现全谱自动测量的同时，还实现了谱线位置动态校正、分子光谱背景动态扣除，有效抑制了平行样品间的分析偏差。

2.2 仪器的主要功能

2.2.1 电极自动对准

现有仪器的电极夹上下电极需要几个方位调节对齐，多为手动调节，影响分析的速度。新设计的自动对准电极夹，用户只需在软件中设置一定参数，电极自动运动到设置位置，激发完成后自动移开，简化用户操作，同时减少了电极对准的人为误差。

2.2.2 安全保护功能

2.2.2.1 冷却水流监控

水冷电极夹在冷却循环水未开启的情况下，不会激发样品，以免电极夹被烧坏。

2.2.2.2 安全连锁

激发室门未关闭或关闭不严的情况下，不会激发样品。以保护操作人员的安全。

2.2.3 分析软件

实时谱线自动校正技术，消除峰位漂移影响；重峰自动识别、分离算法，减小干扰谱线影响；自适应背景校正及多种曲线拟合方式，有效提高分析准确度和精密度；丰富的谱线信息，拓宽分析应用领域，提高分析范围；适合不同行业的专用软件，适用不同用户需求。

3 典型应用

采用AES-8000全谱交直流发射光谱仪对地质样品中的Ag、Sn、B进行测定，其检出限、准确度和精密度均达到《DZ/T 0258—2014多目标区域地球化学调查规范(1∶250000)》的要求。

3.1 检出限

以合成硅酸盐基体为空白连续测定12次，以3倍标准偏差计算检出限，Ag、Sn、B元素的检出限见表1。

3.2 准确度和精密度

对土壤、水系的国家一级标准物质进行准确度和精密度测试，每个标准样品连续测定12次，分别计算其相对标准偏差(RSD)。测定结果准确度和精密度符合DZ/T 0258—2014规范要求。

表2 元素的准确度和精密度

4 结论

AES-8000全谱交直流电弧发射光谱仪首次采用交直流电弧激发光源，Ebert-Fastic分光系统与高灵敏度CMOS检测器相结合模式，具有测试灵敏度高，稳定性好的优点，解决了地球化学样品中银、锡、硼3元素测定难以达到《DZ/T 0258—2014多目标区域地球化学调查规范(1∶250000)》要求的难题，为有色金属、电子陶瓷等行业粉末样品的分析提供了最佳解决方案及仪器设备。