ARL3460直读光谱仪Hi-Rep高重复率光源浅析
一、【前言】
总所周知，光电直读光谱仪（或火花直读光谱仪）《简称直读光谱仪》可以分析金属材料及合金材料里的众多元素，但它离不开激发光源，激发光源（简称光源）是直读光谱仪必备的重要部件之一。直读光谱仪的激发光源有多种类型，最早的激发光源是火焰，后来又发展为应用简单的电弧和电火花为激发光源，随着工业生产的进步、光谱仪器的发展以及科学技术的水平不断提高，前辈们经过多年的探索和经验的累积，最后采用改进的可控电弧和电火花作为激发光源，从而提高了直读光谱分析的稳定性，并形成直读光谱主流产品的首选光源。目前市面上的直读光谱产品主要用的是高能预火花（或高能预燃型）激发光源。高能预火花激发光源具有稳定的能量释放在氩气环境中激发样品，确保激发样品电火花高稳定率输出，以满足各种不同材料的激发要求。
ARL3460直读光谱仪（图1）采用的是Hi-Rep（High Repetitionrate source）高重复率光源（简称Hi-Rep光源），本质上归属于厂家特别设计的一种高能预火花激发光源。由于ARL3460直读光谱仪具有优良的技术品质和性能，在市场上拥有不少用户，因此ARL3460直读光谱仪Hi-Rep光源也具有一定的代表性。本人根据多年接触ARL3460直读光谱仪的实践和经验，通过对直读光谱激发光源工作原理的学习，对ARL3460直读光谱仪Hi-Rep光源的部件组成和工作原理，略有一些粗浅的了解。对此下面简单的对ARL3460直读光谱仪Hi-Rep光源系统进行了简单的叙述，通过浅析解直读光谱激发光源的工作原理，希望能对从事直读光谱工作人员提高自身的业务能力和综合素质有帮助作用，也可供分析操作及维护维修直读光谱仪技术人员参考。此文仅为根据个人的经验和理解对ARL3460直读光谱Hi-Rep光源进行扼要的介绍，必然存在不足之处，望大家给予谅解和补充。
图1 ARL3460直读光谱仪外观图
二、【Hi-Rep光源的结构组件】：
ARL3460直读光谱仪Hi-Rep光源安装在主机右下侧的机柜内部（图2），光源上部充分留足空间，通过机内工作的散热风机，将光源工作时产生的热量循环散发出去。
图2 ARL3460直读光谱仪Hi-Rep光源外观图
Hi-Rep光源内部按元件功能布局（图3），主要有主电源变压器、交流接触器、大功率IGBT控制模块（晶体管）、低压大容量电解电容、大功率限流电阻、电火花充放电电容、电火花充放电电感、高压点火供电电源、低压供电电源、高重复率时钟脉冲发生器（板）、安全保护电路板、激发逻辑控制器（板）等元件或部件，其内部结构紧凑，器件分布合理，连接走线清晰，给维修带来不少便利。
图3 ARL3460直读光谱仪Hi-Rep光源内部布局图.
Hi-Rep光源面板结构相当简洁，左侧为光源的电源开关（图4），也即光源的开关断路器（工作电流 6A）。
图4 ARL3460直读光谱仪Hi-Rep光源面板实物图
右侧为四块可插拔控制电路硬刷电路板。（图5）它们从左到右依次是（低压）电源板、脉冲发生器板、（安全保护）条件选择器板、逻辑控制板。
图5 ARL3460直读光谱仪Hi-Rep光源控制电路板布局图
Hi—Rep 光源背面结构（图6）主要有：230V 交流电源接口、控制信号接口、高压信号连接电缆、安全装置接口、电压输出接口（用于放电电压检查）、电流输出接口（用于放电电流检查）、提示标牌（安全布线说明）。
图6 ARL3460直读光谱仪Hi-Rep光源背面结构图
三、【Hi-Rep光源的功能特点】：
直读光谱仪使用激发光源的目的是在激发电极和被分析的样品之间产生电火花。电火花所带的能量从样品上激发出原子，并发射出被测元素的光谱（线），也就是提供分析用的“发射光谱”。由于样品种类繁多、形状各异、元素对象、浓度、蒸发及激发难易不同，对光源的要求也各不相同。
同样，ARL 3460直读光谱仪分析时，激发台（图7）内样品分析面和对分析电极之间产生一个低压放电火花（或电弧）实现元素分析，火花能量必须由光源提供。ARL 3460 直读光谱仪器里面的光源被称为Hi-Rep高重复率光源，它的基本原理是基于传统的RLC 放电型的，其重复（激发）频率是可调的，最高可达到 400 Hz。光源的激发频率越高，直读光谱仪对基体的适应性越广，比如高温合金分析，高激发频率的优势就显露出来。
图7 ARL 3460 直读光谱仪激发台
Hi-Rep高重复率光源（高能预火花光源）具有如下特点：
1、该光源为单向低压火花光源，只传递单一方向的脉冲，最高频率为400Hz。
2、该光源能提供单向放电或振荡放电，单向放电只激发样品，对电极本身不激发，避免了对样品分析的影响。
3、该光源具备高能预火花能力，可以克服某些样品因冶金组织的差异（既不均质）而引起的基体效应。采用高能预火花能使不均质样品（如灰铸铁）在局部区域表面即激发点范围内进行充分熔化而均质化，提高样品分析结果的准确性。
4、该光源重复率高，激发点小，因此单位面积上的能量密度高，有利于元素的充分激发和缩短预熔所需的时间，这样提高了分析精度和速度，结果重现性好，而且适合难熔金属材料的激发。
5、该光源有多种预熔条件和多种积分条件可供选择，有利于分析不同性质的各种材料。
6、随着电子技术的提高，光源朝着模块化发展，采用固态电路结构，结构更加小巧。
四、【Hi-Rep光源的工作原理】
ARL3460直读光谱仪是一个完整的体系，虽然Hi-Rep光源自身是独立的，但也仅为系统的一个重要部件，它必须与整个仪器分析系统相连接，否则无法工作。光源与系统的连接详见图8。
图8 ARL3460直读光谱仪工作系统方框图
金属样品与电极之间进行火花（或电弧）放电，对由此产生的光谱进行光电测定，进行所含元素的定量检测。分析样品在光源激发时产生的光谱，通过聚光透镜由入射狭缝导向衍射光栅上，经过衍射光栅色散分光后，再进入出射狭缝，通过反光镜（或无反光镜），将光谱中所需的谱线射入光学室光电倍增管的光靶上。光电倍增管将光谱转化成电流，经过信号采集、积分放大及（电流）强度电压频率转换器（ICFV）转换成数字信号，再经过光源强度控制系统（ICS34B）及辅助系统（描迹和真空）配合处理，最后通过电脑软件综合分析处理，得到所需元素定量分析的结果（图9）。光源的控制是可调的，对于不同的分析任务，可以通过软件调整对应的光源条件。
图9 ARL3460直读光谱仪工作原理方框图
Hi-Rep光源电路系统主要分成四个部分，高压点火系统部分，低压供电（驱动）系统部分，重复频率发生器及光源控制部分，安全保护及逻辑控制部分（图10）。
图10 ARL3460直读光谱仪Hi-Rep光源电气原理框图
1、高压点火系统部分（图11）：
高压点火系统部分也就是激发火花点火器。主要由主电源变压器一次电压（20VAC）、二极管整流桥、二次升压变压器（6～12KV）、二次高压整流桥、辅助电极放电间隙、限流电阻、IGBT晶体管等电路及元器件组成。主电源电压经过二次升压整流，通过辅助电极间隙放电，再次升压将样品和电极之间的气体击穿，形成高压点火放电。高压点火系统主要工作在预燃阶段，点火工作由IGBT晶体管控制电路执行。
图11 Hi-Rep光源高压点火系统部分电路原理框图
2、低压供电系统部分（图12）：
低压供电系统的目的是提供激发分析时的工作电压，供给利用高压点火电路击穿放电蒸发少量样品需要激发的能量。该系统主要工作在积分和曝光检测阶段。
图12 Hi-Rep光源低压供电系统部分电路原理框图
低压供电系统主要由主变压器初级电压（550VAC）、低压整流桥、IGBT电流控制晶体管、储能续流二极管、RLC充放电电阻电感及电容（1uF×3，图13）、激发能量控制继电器（或接触器）等组成。此低压供电电路提供的能量大约是高压点火电路提供能量的50 倍。因此可提供大电流工作以保证样品激发时能充分熔化。由于工作电压不高，减小了电路及元素的干扰，所以提高了火花（或电弧）的稳定性，同时确保分析样品结果的可靠性和准确性。
图13 Hi-Rep光源RLC 充放电电容（1uF×3）
3、重复频率发生器及光源控制部分（图14）：
重复频率发生器及光源控制电路主要由（同步）脉冲发生器、重复频率发生器、电压比较器（RLC充放电）、IGBT控制电路、高压点火驱动电路、激发光源控制电路等组成。时钟脉冲发生器及光源控制电路的作用，是驱动光源和控制激发，维持其分析样品的正常功能。Hi-Rep光源是一种经典的RLC 放电光源，根据选择RLC的值，火花的持续时间在大约70us 和 1 ms 之间变化。对于50 Hz 的电源，光源每秒能够产生 200 或 400 个火花，即重复频率为200 Hz或400 Hz，这两种操作频率的选择是可编程的。
图14 Hi-Rep光源高重复率频率发生器及光源控制电路原理框图
4、安全保护及逻辑控制部分（图15）：
安全保护及逻辑控制系统由主电源输入、安全控制电路、（重复频率脉冲）时序检测器、过压及（火花台）短路保护电路，低压电源电路、光源运行状态安全保护电路、逻辑控制电路等组成。
安全控制电路是通过对高压点火电路、过压检测电路、火花台电极与样品短路检测电路及光源运行状态电路的检测，当判断电路出现异常时，立即启动安全保护，执行安全控制。
低压电源（±15V，5V）给安全保护电路及逻辑控制电路提供工作电源。
逻辑控制电路受控于操作程序，通过电脑应用软件，选择各种分析参数执行激发任务，并控制光源的激发状态。
图15 Hi-Rep光源光源控制及安全保护电路原理框图
由于光源含有高压电路，在激发时会产生放电火花，另外由于光源激发工作时，高压放电火花或电弧是很难稳定的，工作电流受样品影响也会产生不稳定因素，外部供电电网不稳定也会导致光源内部电路不稳定，正因诸多因素，所以必须设置安全保护电路，以确保光源正常的运行状态。同时对分析操作人员在工作时，存在高压放电，也具有一定的危险性，高压的安全保护电路也是对人身的安全保障。
四、【Hi-Rep光源的注意要点】：
由于Hi-Rep 光源在工作时会产生火花，在光源部件的不同位置都存在危险电压。所以光源部件必须整体安装到仪器里面，并将光源外壳面板盖住，确保危险电压将不会碰到，以阻止任何对操作人员的意外事故。另外，还必须意识到，光源长时间操作之后，有些元件会变得很热，操作时必须采取恰当谨慎的行为来避免。
在操作直读光谱仪时，应随时根据激发条件和参数，注意光源的工作状态，观察仪器的各种安全保护指示，一旦光源出现不激发或其他异常故障时，在通常情况下操作人员不要直接去碰触光源部件，请及时联系售后服务人员或专业工程师进行处理和维修。如果是测试或者故障排查的原因，需要带电打开光源部件，操作者必须意识到由于危险电压存在的致命的危险。
光源在出厂时已经提供了为所分析材料预先编好程序的分析条件，这些条件与光源已达到最佳的参数匹配。所以操作人员尽量不要轻易改变光源激发条件和分析参数。在操作程序里，QC/QA 校正报告中可以查询出各种已编成程序的光源条件。在WINOE 软件配置手册中解释了一个或多个条件的选择程序。关于更详细的技术说明可以在电子部分的手册中找到。不过这种说明是专业维修工程师使用的。
五、【Hi-Rep光源的维修举例】：
【例一】：
【故障现象】：ARL3460直读光谱仪一台，出现不激发现象，电脑程序点击“启动”与仪器按键直接“启动”均无法激发，但能听见仪器内有继电器“滴答”吸合声。
【分析与检查】：从继电器“滴答”吸合声来判断，电脑程序执行是正常的，直接按仪器启动按键内部工作也正常，故障可能在激发光源。
检查激发光源，打开机盖检查直流工作电压，当检测高压供电电源时无20V直流电压，沿电路查找发现保险丝（4A）熔断（图16）。由于是电源保险丝熔断，说明电路可能存在严重漏电或短路，维修必须谨慎进行。
图16 Hi-Rep光源高压供电电压保险丝
【维修与处理】：在更换保险丝之前，仔细检查了相关电路和元器件，未发现有元件损坏和短路现象，再打开火花台发现内部及外围有很厚的积碳沉积（图17），怀疑是积碳受潮导致严重漏电，使高压点火电路负载加重，最后烧坏保险丝。将火花台及外围清理干净，并用电吹风去潮，检查一切正常无异常后，更换备用保险丝，重新启动可以激发了，电脑和手动均可启动，仪器恢复正常工作，就此故障排除。
图17 ARL3460直读光谱仪火花台外围积碳沉积
【例二】：
【故障现象】：一台ARL3460直读光谱仪，因为使用年限较久，经常发生激发不正常，导致分析结果异常，用户自行清理了火花台多次，仍无法稳定工作。
【分析与检查】：光谱仪能激发正常分析，说明仪器的主电路系统是正常的，火花室内已经被清理干净，氩气、冷却水、透镜以及排气系统都应该没有问题。考虑到该仪器常年工作在南方潮湿环境中，重点怀疑某处应受潮，可能存在漏电现象，干扰了光源激发，尤其是有高压部分的部件是重点检查对象。
顺着光源高压点火电路检查各个部件，当打开辅助间隙放电腔，发现内部已被严重污染，这说明辅助电极放电时，受潮降低了绝缘并产生了锈蚀，锈蚀污物溅射到腔内壁上（图18），当天气干燥时辅助电极放电影响不大，激发正常，当天气下雨潮湿时，绝缘降低辅助电极放电异常或高压爬电，严重干扰了正常的样品激发，最后导致分析数据紊乱。
【维修与处理】：由于辅助间隙放电腔是密封的，所以一般不太会被怀疑，容易被忽视。进行辅助电极腔的清理，先用棉花蘸酒精擦洗辅助极腔，结果发现电极腔内部放电残留物沉积较厚，于是用细砂纸将内壁打磨直到清理掉残留物，再用稀盐酸浸泡一段时间，充分化解掉锈蚀残留物。再用酒精清洗后晾干，最后用电吹风吹干辅助极腔内壁及外围。安装还原辅助电极，盖上密封端盖。开机运行结果恢复正常激发，经过光谱仪氩气冲洗排尽空气，正式激发检测数据恢复正常。
图18 辅助放电腔内受潮锈蚀被污染
六、【小结】
以上简单介绍了ARL3460直读光谱仪Hi-Rep光源的一些基本特点和原理简述，由于Hi-Rep光源的实际电路是相当复杂繁琐的，其电路原理分析需要专业性很强的知识支撑，对于非专业的技术人员来说不要随意触碰和维修光源，否则可能会造成光源的故障扩大，甚至会损坏光源。根据多年的实践和经验总结，总体来说，Hi-Rep光源的稳定性和可靠性是相当不错的。
没有一种万能的光源能同时满足各种分析对象的要求，Hi-Rep光源也不例外，而直读光谱仪分析的误差，主要来源于光源部分，因此，光源的选择十分重要。在选择光源时应尽量满足下列要求：
1、高灵敏度，对于样品中元素浓度微小的变化，检出信号会有较大的变化，高灵敏度可以提高检测元素的分辨率。
2、低检出限，这个参数代表了直读光谱仪对微量及痕量成分进行检测极限。
3、重复稳定性，光源能稳定地激发，样品能稳定地蒸发和原子化，检测结果具有较高的可靠性。
4、高信噪比，谱线强度与背景强度之比大，可大大提高检测数据精密度。
5、高能预火花，预燃时间短，分析速度快。
6、稳定的火花（或电弧），自吸收效应小，校准曲线的线性范围宽。
7、先进的晶体管技术，构造简单，安全可靠、操作简便。
随着直读光谱仪激发光源技术的发展，产品也在更新换代，光源正在由电子模拟型向数字化（固体）光源方向发展，体积更加紧凑小巧。目前有不少CCD检测器型直读光谱仪的激发光源已经实现了数字化控制技术，这就进一步提高了直读光谱激发光源的可控性和精确性。光源技术的发展也使直读光谱仪的性能进一步得到了改善，同时也促进了光谱仪器和光谱学科的发展。
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