光電直讀光譜儀是指套用光電轉換接收方法作多元素同時分析的發射光譜儀器。由於電感耦合高頻電漿光源的廣泛使用，使光電直讀光譜儀在光譜儀中占有主要地位。
基本介紹
- 中文名：光電直讀光譜儀
- 外文名：photoelectric direct-reading spectrograph
- 組成：光源部分、聚光部分等
- 特點：分析速度快，分析結果可靠等
- 套用：工業分析等
- 學科：機械工程
發展,組成,特點,選取,
發展
光譜起源於17世紀，1666年物理學家Newton第一次進行了光的色散實驗。他在暗室中引入一束太陽光，讓它通過稜鏡，在稜鏡後面的白屏上，看到了紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫7種顏色的光分散在不同位置上，這種現象被稱作光譜。到1802年英國化學家Wollaston發現太陽光譜不是一道完美無缺的彩虹，而是被一些黑線所割裂。1814年德國光學儀器專家Fraunhofer研究太陽光譜中的黑斑的相對位置時，採用狹縫裝置改進光譜的成像質量把那些主要黑線繪出光譜圖。1825年Talbot研究鈉鹽、鉀鹽在酒精燈上的光譜時指出，鉀鹽的紅色光譜和鈉鹽的黃色光譜都是這個元素的特性。到1859年Kirchoff和Bunsen為了研究金屬的光譜，他們設計和製造了一種完善的分光裝置，這個裝置就是世界上第一台實用的光譜儀器，可研究火焰、電火花中各種金屬的譜線，從而建立了光譜分析的初步基礎。
從測定光譜線的絕對強度轉到測量譜線的相對強度，為光譜分析方法從定性分析發展到定量分析奠定了基礎，從而使光譜分析方法逐漸走出實驗室，在工業部門中得以套用。1928年以後，由於光譜分析成了工業的分析方法，光譜儀器得到了迅速發展，在改善激發光源的穩定性和提高光譜儀器本身性能方面得到了進步。
最早的激發光源是火焰，後來又發展為套用簡單的電弧和電火花為激發光源，在20世紀的三四十年代，採用改進的可控電弧和電火花為激發光源，提高了光譜分析的穩定性。工業生產的發展、光譜學的進步，促使光學儀器進一步得到改善，而後者又反作用於前者，促進了光譜學的發展和工業生產的發展。
20世紀60年代，隨著計算機和電子技術的發展，光電直讀光譜儀開始迅速發展。20世紀的70年代光譜儀器幾乎100%地採用計算機控制，這不僅提高了分析精度和速度，而且實現了對分析結果的數據處理和分析過程自動化控制。
光電直讀光譜分析是用電弧（或火花）的高溫使樣品中各元素從固態直接氣化並被激發而發射出各元素的特徵波長，用光柵分光後，成為按波長排列的光譜，這些元素的特徵光譜線通過出射狹縫，射入各自的光電倍增管，光信號變成電信號，經儀器的控制測量系統將電信號積分並進行模/數轉換，然後由計算機處理，並列印出各元素的百分含量。
從技術角度而言，可以說如今還沒有比直讀光譜能更有效地用於爐前快速分析的儀器。所以世界上冶煉、鑄造以及其他金屬加工企業均採用這類儀器，而使之成為了一種常規分析手段。
組成
光電直讀光譜儀由光源部分、聚光部分、分光部分和測光部分所組成。光源部分使試樣激發發光；聚光部分是把發出的光聚集起來導入分光部分；分光部分是將光色散成各元素的譜線；測光部分是用光電法測量各元素的譜線強度，並指示、記錄下來，或是將其測光讀數換算成為元素質量分數表示出來。
1．光源發生器
光電光譜分析使用的光源發生器有火花發生器、電弧發生器和低壓電容放電發生器等。
2．光源的電極架部分
用於裝載塊狀試樣、棒狀試樣和對電極。塊狀電極架一般能裝直徑20mm以上的平面試樣，有的使用各種樣品夾具能兼用於裝棒狀試樣、小型試樣和薄板試樣。在真空光電光譜儀中，光源電極架具有使用氬氣氣氛的結構，氬氣流量可以用流量計和自動閥來調節控制。
3．聚光裝置
由聚光鏡系統組成，其作用是把光源的光聚集起來，並使之射入分光系統。對於該系統一般要求能充分利用光源發出的光輻射，得到大的光強；同時要充分發揮儀器功能，達到應有的分辨能力。通常使用單透鏡成像法、三透鏡中間成像法和圓柱面透鏡成像法，使光源發出的光成像於準直鏡。
4．分光器
是由入射狹縫、分光元件和出射狹縫系統組成，進入入射系統的光，經分光元件分光，由出射狹縫系統選擇各元素的譜線。由於鐵的譜線很多，凶此最好用大色散的分光元件。分光器根據其內部是在真空下還是在非真空下使用，可分為真空型和非真空型兩大類。
5．測光裝置
由光電倍增管、積分單元、記錄器或指示器等組成。內標線和分析線的光電倍增管將各自接收的從出射狹縫來的光，使之變成電流，再分別向積分電容充電。
6．真空型光電光譜儀的真空系統
由於硫、磷、碳、氮等元素的靈敏線位於200nm以下波段範圍內，而這些波段的輻射將被空氣吸收，因此，必須將光電光譜儀的光學系統置於真空之中，才能進行這些元素的分析。為此測定硫、磷、碳等元素時，必須使用真空光電光譜儀。真空光電光譜儀除一般光電光譜儀的裝置外，還需增加真空系統和控制氣氛兩個裝置。
特點
在工業生產中，由於光電直讀光譜儀分析費用節省，分析速度快，分析結果可靠，已被廣泛採用。它具有以下優點。
(1)用光電直讀光譜儀做分析，可使用的譜線波長範圍較寬。這個範圍由光電倍增管的性能決定。例如，用石英窗孔的PMT，加上光譜儀的光學系統置於真空中，可用的波長可短至150nm。這就可能利用位於波段中的譜線來分析。
(2)校準曲線範圍寬。由於PMT對信號的放大能力很大，對於強弱不同的譜線所用的PMT可用不同的放大倍數。相差可達10000倍。因此，光電法可用同一分析條件對樣品中許多元素進行分析。雖然含量範圍相差懸殊的很多元素從高含量到低含量都可同時分析。
(3)攝譜法的感光板及測光方面引入的誤差一般在l%以上。而光電直讀光譜儀的測光誤差可降至0.2%以下。具有很高的準確度。有利於樣品中高含量元素的分析，而且準確。
(4)光電直讀光譜儀分析速度快，一般收到樣品2～3min內即可同時對鋼中20多個合金元素進行測量，控制冶煉工藝，加速煉鋼過程，是節能減排的一種有效手段。
光電直讀光譜儀分析的缺陷有以下幾點。
(1)由於使用出射狹縫，因此不能利用波長相近的譜線。
(2)由於使用出射狹縫，PMT接收譜線的同時，還接收背景(採用BKG 175．7nm背景通道，可扣除背景的影響)。
(3)出射狹縫的位置固定，分析的元素受到限制，對分析任務的變化需更改通道，選擇另外的出射狹縫。
(4)由於背景的存在，對痕量元素的分析有些困難。
(5)它不是一個獨立的方法，而是要依靠化學分析。要求化學分析提供光譜的標準樣品的準確含量，校對光譜的分析結果。
選取
光電直讀光譜儀一般是由製造廠家根據用戶的分析任務在出廠前調整好的。儀器上的通道數量、分析元素的含量範圍、分析線和內標線的選擇等，調整好以後，都是固定的。選擇儀器應注意以下事項：
(1)光源發生器的選擇
為進行多種樣品和元素的分析，需要各種發生器。同時測定多種元素時，根據測定範圍選一種激發方法。
火花光源比較適合於同時測定多種元素，如金屬中的合金成分和雜質元素的定量分析。電弧光源適用於測定樣品中的痕量成分。低壓電容放電光源使電路參數變化達到從電弧到火花階段性變化，可用於多目的的分析。
(2)分光計的選擇
一般是根據分析元素及其測定範圍、鄰近譜線對分析線影響的程度等因素，考慮色散率、測定波長範圍和亮度來選定。
(3)分析線的選擇
分析元素和內標元素的譜線應選擇受其他元素譜線及帶光譜等影響小、信噪比大的譜線。
