BCEIA^99分析技术与仪器评议报告---- 现代原子发射光谱仪技术的发展

CID-电荷注入式固体检测器； SCD-分段式电荷耦合固体检测器； CCD-电荷耦合固体检测器； HDD-高动态范围(光电倍增管)检测器。 新型台式、便携式全谱直读光谱仪器 随着微电子技术的发展，固体检测元件的使用和高配置计算机的引入，发射光谱直读 仪器的全谱技术进入全新的发展阶段。本届展览会上已有很多厂家推出新型的全谱直 读光谱仪（表1），除了已经开发的采用中阶梯光栅分光系统与面阵式固体检测器的全 谱光谱仪外，采用特制全息光栅与线阵式固体检测器相结合，也可达到全谱直读的目 的，而且使光谱仪器从结构上和体积上发生了很大变化，出现了新型的全谱直读光谱 仪、小型台式或便携式的全谱直读仪器，可用于现场分析的光谱仪。给发射光谱仪器 的研制开拓了一个崭新的发展前景 传统的直读光谱仪器，一直采用光电倍增管（PMT）作为检测器，它是单一的检测元 件，检测一条谱线需要一个PMT检测器，设置为一个独立通道。由于其光电性能和体积 上的局限性，限制了发射光谱仪器向全谱直读和小型高效化的发展。CCD、CID等固体 检测器，作为光电元件具有暗电流小，灵敏度高，有较高的信噪比，很高的量子效 率，接近理想器件的理论极限值。且是个超小型和大规模集成的元件，可以制成线阵 式或面阵式的检测器，能同时记录成千上万条谱线，并大大缩短了分光系统的焦距， 使直读光谱仪的多元素同时测定功能大为提高，而仪器体积又可大为缩小，正在成为 PMT器件的换代产品。 由中阶梯光栅与棱镜色散系统产生的二维光谱，在焦平面上形成点状光谱，适合于采 用CCD、CID一类面阵式检测器，兼具光电法与摄谱法的优点，从而能最大限度地获取 光谱信息，便于进行光谱干扰和谱线强度空间分布同时测量，有利于多谱图校正技术 的采用，有效的消除光谱干扰，提高选择性和灵敏度。而且仪器的体积结构更为紧 凑。因此，采用新型检测器研制新一代光谱仪器已成为各大光谱仪器厂家的发展方 向。 传统的直读光谱仪器是采用衍射光栅，将不同波长的光色散并成像在各个出射狭缝 上，光电检测器则安装于出射狭缝后面。为了使光谱仪能装上尽可能多的检测器，仪 器的分光系统必须将谱线尽量分开，也就是说单色器的焦距要足够长。即使采用高刻 线光栅的情况下，也需0.5m至1.0m长的焦距，才有满意的分辨率和装上足够多的检测 器。所有这些光学器件均需精确定位，误差不得超过几个微米；并且要求整个系统有 很高的机械稳定性和热稳定性。由于振动和温度湿度等环境因素的变化，导致光学元 件的微小形变，将使光路偏离定位，造成测量结果的波动。为减少这类影响，通常将 光学系统安置在一块长度至少0.5m以上的刚性合金基座上，且整个单色系统必须恒温 恒湿。这就是传统光谱仪器庞大而笨重，使用条件要求高的原因。而且，由于传统的 光谱仪是使用多个独立的光电倍增管和电路对被分析样品中的元素进行测定，分析一 个元素至少要预先设置一个通道。如果增加分析元素或改变分析材料类型就需要另外 安装更多的硬件，而光室中机构及部件又影响了谱线的精确定位，就需要重新调整狭 缝和反射镜。既增加投资又花费时间，很受限制。 采用CCD等固体检测器作为光谱仪的检测器，则光的接收方式不同，仪器的结构发生了 重大变化：当分光系统仍采用传统的全息衍射光栅分光，检测器采用线阵式CCD固体检 测元件，光线经光栅色散后聚焦在探测单元的硅片表面，检测器将光信号转换成电信 号，便可经计算机进行快速高效处理得出分析结果。仪器结构的示意图如图1所示。 　 此时检测器是由上万个像素构成的线阵式CCD元件，每个像素仅为几个微米宽、面 积只有十几个平方微米的检测单元，对应于每个元素分析谱线的检测单元象素可以做 得很小，检测单元相隔也可以做得很近，组成的CCD板也很小，因此分光系统的焦距也 就可以大为缩短，要达到通常的分辨率，单色器的焦距只要15-30cm即可。这样分光 室便大大缩小。而且从根本上改变了传统光谱仪的机械定位方式。谱线与探测像素之 间的定位是通过软件实现，外界因素引起的谱线漂移，可通过软件的峰值和寻找功能 自动进行校正，并获得精确的测量结果。 由于一个CCD板可同时记录几千条谱线，在测定多种基体、多个元素时，不用增加任何 硬件，仅用电路补偿，在扫描图中找到新增加的元素，就可进行分析。由于光室很 小，所以无需真空泵，用充氩或氮气就可以满足如碳、磷、硫等紫外波长区元素的分 析。使用CCD可以做全谱接收，而不会出现传统光谱仪常遇到的位阻问题，离得很近的 谱线也能同时使用，也无需选择二级或更高谱级的谱线进行测量。这就极大地减小了 仪器的体积和重量，使光谱仪器可以向全谱和小型轻便化发展。 在本届展览会上已有几个厂家采用这种新技术，推出了新型台式以及便携式手提直读 光谱仪（如表2），具有全谱直读功能，轻便实用，可以满足生产现场分析的需要。 这些新型台式及便携式直读光谱仪均采用光栅分光－CCD检测器系统，光谱焦距仅在15 ～17cm，小型、轻便，具有全谱直读的分析功能，其性能不亚于传统的实验室直读光 谱仪器。这些仪器均具有：使用简单，操作容易，无需设置调整，无需用户校准，样 品不需处理，稳定可靠，使用成本低便于携带等特点。具有可直接显示分析结果和金 属类型、对／错鉴别，快速分类、黑色以及有色金属近似定量分析和等级鉴别，利用 预置的通用或特别工作曲线，可作单基体或多基体分析，可以按照具体样品和用户的 要求进一步制作工作曲线，以满足特殊工艺或材质的要求等功能。作为料场合金牌号 鉴别、废旧金属分类、冶金生产过程中质量控制和金属材料等级鉴别的一种有效工 具。可以携带到需要做可靠的金属鉴别或金属分类的任何地方，适合于现场金属分析 （如图2、3）。是一种全新概念的金属分析仪。利用 CCD 光学技术和现代微电子元 件推出的小型化全谱直读仪器，或便携式的现场光谱分析仪，提供性能价格比最好的 金属光谱分析仪器，将是解决冶金、机械等行业中金属材料现场分析的理想工具。也 是发射光谱分析仪器向多功能、高实用化的发展前景。 ABSTRACT New Model Desktop and Portable Spectrometers with Whole Spectrum Direct-reading Function There were four kinds of new model desktop and portable Spectrometers with whole spectrum direct-reading function exhibited on BCEIA^99. These spectrometers all apply grating dispersing - CCD detector system, with focus only 15 - 17cm and have whole spectrum direct- reading function. Although they are small-scale and light, their characteristics are not inferior to traditional laboratory direct- reading spectrometers. These spectrometers have the following functions: displaying analytical results and metal style directly, judging right or rough, quickly classifying,