【第十五届原创大赛】浅析ARL4460直读光谱火花台及电子控制系统（9月）
一、【序】
ARL4460直读光谱是应用较为广泛的直读光谱仪，该仪器非常适用于冶炼生产、金属检测、科技开发、冶金行业等的生产控制，质量管理和特殊分析研究。ARL4460直读光谱仪在常规金属和有色金属分析方面具独自的特色，仪器具有优越的稳定性，可以在较长时间连续分析情况下，基本不做仪器标准化。
ARL4460直读光谱仪以优异的性能在国内冶金行业及其他行业中占有一定的比例，用户基本都是以操作分析使用为主，他们大多对应用软件较为了解，对于样品分析检测来说是非常熟悉的，他们基本不参与仪器出故障的维修工作，由于有维护工程师进行专业维修，所以他们对直读光谱仪的硬件系统的了解通常都是很少的。
为了能让直读光谱仪操作者对仪器硬件系统有一定的的了解，本文针对ARL4460直读光谱火花台及电子控制系统，进行简单的介绍，让大家共同分享直读光谱仪的硬件知识，希望能对仪器分析操作者进一步了解直读光谱仪概况有所帮助，不足之处还望海涵！
二、【火花台系统构成】：
1、【激发台】
ARL4460直读光谱激发台的作用是将被检测样品放置到一个相对于光谱室里面光学部件可重现的位置，为了避免空气和样品表面之间的任何相互影响，放电被设计在氩气环境（无氧）的火花室中产生。因此，激发台形成封闭空间，氩气在其中保持畅通流动。
ARL4460直读光谱激发台见图1，激发台包括可拆卸样品分析台、冷却水管道、废气排气管道、可旋转样品固定夹及激发工作电气引线等。两者在机械结构上略有差异，但工作原理是一样的。ARL4460比ARL3460维护保养要方便一些。
图1 ARL4460直读光谱激发台
2、【火花室】
顾名思义，这是在电极和样品之间产生放电的地方, 也是产生等离子体的地方。氩气被注入火花室以保证得到的等离子体的质量，并避免被周围空气污染和氧化。
ARL 4460直读光谱仪火花室结构如图2所示。与ARL 3460 直读光谱仪火花室稍有不同，但原理是一样的。火花室包含基座、分析台、光通道、氩气通道、冷却水通道、石英绝缘杯、激发电极、圆柱隔热体、碳化钨片及密闭火花室等。样品在适当制备之后，固定在激发台的分析台上。这样用它来密封火花室，并将样品部分的分析表面呈现在电极上方。
火花室包含金属基座、分析台、光通道、氩气通道、冷却水管道、石英绝缘杯、激发电极、圆柱隔热体、碳化钨片及密闭火花室等。样品在适当制备之后，固定在激发台的分析台上。这样用它来密封火花室，并将样品部分的分析表面呈现在电极上方。
图2 ARL 4460直读光谱仪火花室结构示意图
3、【冷却单元】：
样品激发时会释放大量热量，使样品、分析台和火花室严重发热，因此仪器设计了一个密封循环冷却水路来冷却分析台及火花室室用，这个冷却系统由一个冷却水箱及一个冷却水泵一体化组成（图3），以及输送水路到分析台的软管构成。
图3 ARL3460直读光谱冷却水箱及冷却水泵
4、【粉尘过滤】：
样品被激发放电燃烧时会产生黑色粉尘（积碳），粉尘通过氩气管路带到废氩排出粉尘过滤器（图4，图5），日积月累粉尘过滤器就会被污染，这样就会大大减低过滤效果，从而使火花室氩气洁净度下降，严重时会影响仪器的分析检测效率及不稳定故障的发生，因此需要定期清理火花室残留的金属粉尘和粉尘过滤器。
图4 ARL4460直读光谱仪器背后的粉尘过滤器
图5 ARL4460直读光谱粉尘过滤器内部情况
5、【透镜】：
处于真空环境的光谱室和处于氩气环境的激发台之间用一个气密性的透镜分开，该透镜可以在不需要破坏光谱室内真空的情况下进行清洗。(图6、图7）
图6 ARL4460直读光谱透镜机构
图7 ARL4460直读光谱密封隔离透镜
6、【安全开关】：
安全回路开关起保护操作者和仪器的作用（图8），当激发台门被打开时，断开主电路回路，确保样品分析无法进行。这种安全回路设计必须符合国际标准CEI1010-1（测量，控制，实验室用途的电气设备的安全性要求 ）规定。
图8 ARL4460直读光谱安全开关
7、【电子快门】：
电子快门（图9）由电磁阀进行控制光信号的通断，为了避免光电倍增管被眩光致盲, 也为了阻止样品崩散出来的颗粒污染透镜，在第一阶段电子快门保持关闭，以隔离阻断光通道，在测量阶段时，电子快门通过电磁阀打开，以使激发火花获得更好的光信号。电子快门的通断时间取决于预燃和曝光的时间比，不同的金属或合金都对应有自己最佳的激发条件。
图9 ARL4460直读光谱电子快门
8、【样品夹具】：
样品夹具由压杆、弹簧、升降杆及激发点火电缆等组成，为了使火花室工作在无氧环境中，操作者平时应注意找一块样品始终盖住分析台激发孔，并用样品夹固定住，当进行分析需更换样品时，要求操作迅速，尽量减少空气进入火花室。
（图10）
图10 ARL4460样品夹具及样品盖住分析台激发孔实物图
为了避免空气对氩气管道的污染而降低氩气纯度，激发台供氩的氩气系统设计有一个待机状态，目的是将一小股冲纯净的氩气流始终在激发台和火花室侧面循环流通，即使仪器不进行分析时也是如此。待机期间氩气流量通常控制在大约 0.2 到 0.5 升/分钟。在激发样品期间，氩气流量会自动增大。待机时的流量和分析时的流量用限流器固定下来，不能改变。
三、【电子控制组件】
1、【电子柜】：
ARL直读光谱的电子部分主要有三个重要组件：
● 与计算机接口
● 控制仪器（光谱仪, 激发光源）
● 数据采集（PMT 检测器读取）
ARL直读光谱主要的电子控制系统被放在仪器左下侧的一个电子柜里（图11）。这个电子柜包含了所有计算机、光谱室和激发光源之间所必须的通讯电路，控制和接口卡使用了CMOS 技术。其工作原理是建立在与计算机相连的微处理器进行控制的基础之上。这个微处理器需用一块适配卡来管理各种读出谱线、火花台和光源信号。
图11 ARL4460 （ARL3460）直读光谱电子柜结构
在这个电子柜内安装的电路板（组件）有：
a、 ICS44 系统控制板（ARL3460为ICS34)，这是一块由两块电路板（双 ICS 板）构成的两层三面电路板组件（图12），这两块电路板分别为MMB88 微机板和适配板，这一组件是控制系统的核心部件，相当于仪器的大脑。
图12 ARL4460 直读光谱ICS44 系统控制板（双ICS 电路板组件）
b、 IVFC（强度电压-频率转换）板：该板是用于测量 PMT（光电倍增管） 信号的转换器和计数器板。一块板可控制 6 个通道，10个卡槽最多可安装 10 块IVFC板。（图13，图14）
图13 ARL4460直读光谱电子柜IVFC板安装图
图14 ARL4460直读光谱IVFC电路板（单板6 通道）
c、 真空描迹板： 这块电路板用于检测调节真空值和某一通道描迹读数（图15）。
图15 ARL4460直读光谱真空描迹板
两者读数是显示在仪器盖前面的模拟指示仪表上。 （图16）
图16 ARL4460直读光谱真空指示及描迹读数
d、 状态检测板：这快板用于监测仪器部分电路关键参数或电压状态，电气读数直接关系到仪器工作状态是否良好，并以报警信息显示在显示屏上。（图17）
图17 ARL4460直读光谱状态检测板
e、一块双衰减器控制板（可选购件），可以用于备用空插槽。（图18）
图18 ARL4460直读光谱双衰减器控制板备用空槽
f、低压电源（LVPS）： 该电源安放在电子柜的后面（图19）。低压电源由两个独立单元构成，一个为+24V 直流电源，另一个+5V和±15V直流电源。它是为仪器系统控制主线路（电子器件）供电的电源，但不包括激发光源和激发台供电的电源。
图19 ARL4460直读光谱低压电源（LVPS）（+24V、+5V、±15V直流电源）
g、负高压电源（HVPS）：该电源也被安放在电子柜的后面（金属网罩内）（图20）。输出-1000 V为光电倍增管阴极供电，输出-100 V为光电倍增管栅极供电，负高压通过衰减电路（电阻网络）连接至光学室各光电倍增管插座。（图21）
图20 ARL4460直读光谱负高压电源（HVPS）
图21 ARL4460直读光谱负高压发生器电路板（老款带+24V直流电源）
2、【光源】：
光源主要分成三部分:
1）高压部分：在样品和电极之间击穿气体放电. 这部分就是点火发生器.
2）低压部分：提供利用点火发生器的击穿放电蒸发少量样品需
要激发的能量。
3）控制部分：驱动光源和维持其正常功能。
ARL 4460直读光谱光源采用的是35 kHz 80V高频电源（图22），该高频电源为激发台下电子柜里的CCS（Current Controller Source ）电流控制光源供电（图23）。系统控制ICS 和CCS激发光源的通讯是通过内部 Bitbus 总线来实现的。
图22 ARL 4460直读光谱35 kHz 80V高频电源
图23 ARL 4460直读光谱CCS光源及控制板
ARL4460点火发生器电路板（图24）位于激发台下部金属屏蔽仓内，该电路板产生12kv点火高压击穿氩气产生电离。350V电源进行高能预激发，200V电源以较低能量激发维持电离气氛，并按照时间窗口进行光谱分析。
图24 ARL 4460直读光谱点火发生器电路板
3、【激发 】
激发由两个不同的部分组成:
1）光源（或者叫电火花发生器）
CCS光源在电极和样品表面间产生周期性电火花，通过电火花的作用，在样品上分离出电离原子放射出分析用的特征光谱。
CCS光源为数字化光源，放电电流及放电频率与HiRep光源（ARL3460）相比提高了一倍，增大的放电电流可以更好地消除金属材料的冶金效应，使基体达到熔质均匀化。
2）激发台
激发台的作用是放置样品到一个相对于光谱室里面光学部件可重现的位置。
施加到样品上的火花能量由光源提供。样品在常规气压下两极间加上高电压，达到击穿电压时，在两极尖端迅速放电产生电火花，从而达到样品电离所需的特征光谱。
独特的电流控制光源（CCS）可以控制放电电流波形（图25），电流是由 CCS 光源内两个独立的电流光源提供的，一个提供了调制（激发放电）电流-Im, 另一个提供了峰值电流- Ip. 放电可以在1 - 1000 Hz 的频率范围内重复。 电流波形按时间划分为255段（每段约4微秒），按电流划分为255段（每段约1A）。
图25 ARL4460直读光谱CCS光源控制激发放电电流波形示意图
激发放电电流波形由计算机控制，对每种金属可以分别选择。对峰电流、频率和电流波形的高度灵活的选择，使得所有分析数据得到优化。
峰值电流Ip及调制电流Im分别由各自独立的单元提供，由35kHz 80V电源提供的350VDC和200VDC，在激发放电时可以提供0-250A的峰值电流Ip和0-30A的调制电流Im。其放电频率可达1-1000Hz。峰值电流Ip的上升速率可达20A/μs,即Ip从零升到250A仅需12.5μs；调制电流则可在15μs之内升到30A。
4、【电子控制系统原理】
ARL 4460直读光谱激发电子控制系统有几大单元组成（图26），其核心是ICS44控制单元，系统通过内部总线将ICS44控制单元相联，ICS44控制单元控制指挥着从样品激发检测到数据采集处理整个系统，最终完成样品数据分析并打印出出结果报告。
图26 ARL4460直读光谱电子控制系统原理图
【火花台系统工作原理】：
对于 ARL 4460仪器，激发光源电源和激发光源控制组件安装在仪器右边的一个金属罩子内，也就是 CCS （Current Controller Source 电流控制光源）光源系统，点火发生器电路板安装在激发台分析室正下方的金属屏蔽仓内，CCS 光源系统与点火发生器通过一根光纤进行通联，这样就减少了电磁辐射的干扰。
对于ARL 3460 仪器，光源和激发台信号通过适配板上的模拟驱动器来传送。光源（Hi-Rep）在光源箱里有它自己的供电系统。
火花台外围系统还包含了氩气、冷却水、排气（粉尘排除）、散热风机、故障检测、安全保护及电缆衔接等系统。（图27）
图27 ARL4460直读光谱火花台及激发光源系统工作原理框图
四、【注意事项】：
ARL4460直读光谱CCS 光源在工作时由于高压放电产生电火花，因而，在火花台系统及激发单元的各个部位都会有危险电压。 为此生产厂将光源单元整体安装到仪器内部，并且将仪器外部安装防护外壳和面板，此时所有的危险电压都将被拒之门外。由此采取的安全措施保证了操作者的个人安全，从而阻止了任何对用户的意外事故，并使仪器达到现行的安全标准。
如果因检测或者故障排查的原因，需要带电激活光源单元，用户必须意识到由于危险电压存在的致命危险，此时必须采取恰当谨慎的操作行为。另外，还必须意识到，长时间操作之后，有些元件会变得很热，也是存在危险隐患！
有些组件或区域（在这些地方操作者用手工操作会接触到有危险的电压）必须要用安全接触器（“强力打开”断电保护器）保护起来，用它切断这些区域的电源。 在仪器的侧面、周围或内部区域，对于存在造成危害电压的组件，只能用安全的专业工具去接触。虽然电源是封闭或被保护起来的，电线是完全绝缘的，但在这些元器件周围仍可能还会有偶然的触电危险。当些组件在带电时，操作者不得用手或人体直接去接触，只能由专业维修工程师或经培训过的维修技师才能触及。对于有危害的组件或隐含有危害组件的地方，应该用危险标志标明。
五、【小结】
以上简单介绍了 ARL4460直读光谱火花台及电子控制系统，希望直读光谱操作者或技术人员能进一步了解ARL4460直读光谱火花台及电子控制硬件系统，同时对直读光谱仪的操作和维护有所帮助。当直读光谱仪发生故障时，可以对故障进行简单的分析和判断，及时进行安全操作和正确处理，以避免在使用直读光谱仪时发生更严重的故障。
ARL4460直读光谱厂家已为要分析的材料类型优化好了最佳分析条件，并给用户附带有一些预编程的分析条件供用户选择。这些光源分析条件可在 OXSAS 应用操作系统中的 Analytical Conditions（分析条件）对话框中对所选分析程序进行设定。其中一个或者更多的条件的选择在OXSAS 的 Analytical Conditions（分析条件）对话框定义。
ARL4460直读光谱的CCS光源在金属样品分析中，显示出其独特的优势，表现出良好的性能特征。虽然市场上直读光谱新品不断推出，但在众多直读光谱仪器中，ARL4460直读光谱仍不失为性能俱佳的直读光谱仪。
2022.9.1
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