CCD光电直读光谱仪原理及技术

第一篇第一篇概况概况 国内外光电直读光谱仪的发展 光谱起源于 17 世纪，1666 年物理学家牛顿第一次进行了光的色散实验。他在暗室中引入一束太阳 光，让它通过棱镜，在棱镜后面的自屏上，看到了红、橙、黄、绿、兰、靛、紫七种颜色的光分散在不 同位置上——即形成一道彩虹。这种现象叫作光谱．这个实验就是光谱的起源，自牛顿以后，一直没有 引起人们的注意。到 1802 年英国化学家沃拉斯顿发现太阳光谱不是一道完美无缺的彩虹，而是被一些 黑线所割裂。 1814 年德国光学仪器专家夫琅和费研究太阳光谱中的黑斑的相对位置时．把那些主要黑线绘出光 谱图。 1826 年泰尔博特研究钠盐、钾盐在酒精灯上光谱时指出，发射光谱是化学分析的基础、钾盐的红 色光谱和钠盐的黄色光谱都是这个元素的特性。 到 1859 年克希霍夫和本生为了研究金属的光谱自己设计和制造了一种完善的分光装置，这个装置 就是世界上第一台实用的光谱仪器，研究火焰、电火花中各种金属的谱线，从而建立了光谱分析的初步 基础。 从 1860 年到 1907 年之间、用火焰和电火花放电发现碱金属元素铯Cs、1861 年又发现铷 Rb 和铊 Tl，1868 年又发现铟 In 和氦 He。1869 年又发现氮 N。1875~1907 年又相继发现镓 Ga，钾 K，铥 Tm， 镨 Pr，钋 Pe，钐 Sm，钇 y，镥 Lu 等。 1882 年，罗兰发明了凹面光栅，即是把划痕直接刻在凹球面上。凹面光栅实际上是光学仪器成象 系统元件的合为一体的高效元件， 它解决了当时棱镜光谱仪所遇到的不可克服的困难。 凹面光栅的问世 不仅简化了光谱仪器的结构，而且还提高了它的性能。 波耳的理论在光谱分析中起了作用，其对光谱的激发过程、光谱线强度等提出比较满意的解释。 从测定光谱线的绝对强度转到测量谱线的相对强度的应用， 使光谱分析方法从定性分析发展到定量 分析创造基础。从而使光谱分析方法逐渐走出实验室，在工业部门中应用了。 1928 年以后，由于光谱分析成了工业的分析方法，光谱仪器得到迅速的发展，一方面改善激发光 源的稳定性，另一方面提高光谱仪器本身性能。 最早的光源是火焰激发光谱；后来又发展应用简单的电弧和电火花为激发光源，在上世纪的三十、 四十年代改进采用控制的电弧和电火花为激发光源，提高了光谱分析的稳定性。工业生产的发晨，光谱 学的进步，促使光学仪器进一步得到改善，而后者又反作用于前者，促进了光谱学的发展和工业生产的 发展。 六十年代光电直读光谱仪，随着计算机技术的发展开始迅速发展。由于计算机技术的发展，电子技 术的发展，电子计算机的小型化及微处理机的出现和普及，成本降低等原因、于上世纪的七十年代光谱 仪器几乎 100％地采用计算机控制，这不仅提高了分析精度和速度，而且对分析结果的数据处理和分析 过程实现自动化控制。 解放后，我国的光谱仪器工业从无到有，由小到大，得到飞跃的发展，且具有一定的规模，与世界 先进技术竞争中求生存，社会商品竞赛中得到发展。 1958 年开始试制光谱仪器，生产了我国第一台中型石英摄谱仪，大型摄谱仪，单色仪等。中科院 光机所开始研究刻制光栅，59 年上海光学仪器厂，63 年北京光学仪器厂开始研究刻制光栅，63 年研制 光刻成功。1966—1968 年北京光学仪器厂和上海光学仪器厂先后研制成功中型平面光栅摄谱仪和一米 平面光栅摄谱仪及光电直读头。1971—1972 年由北京第二光学仪器厂研究成功国内第一台 WZG—200 平面光栅光量计，结束了我国不能生产光电直读光谱仪的历史。 八十年代以来，我国铸造行业开始引进光电直读光谱仪作为熔炼过程中化学成份控制的分析手段， 并逐步取代了我国传统的湿法化学分析法，至今已发展到中小企业也逐步采用光谱法配合作炉前分析。 国外引进的铸造生产线已配备了专用的光谱分析设备， 作为成套设备进入中国， 这是铸造行业对质量控 制要求越来越严的发展的必然结果， 也是光电光谱分析本身的优点决定了这一技术自1945 年问世以来， 历时五十六年而经久不衰之缘故。 众所周知，原子发射光谱分析所采用的原理是用电弧（或火花）的高温使样品中各元素从固态直 接气化并被激发而发射出各元素的特征波长，用光栅分光后，成为按波长排列的“光谱” ，这些元素的 特征光谱线通过出射狭缝，射入各自的光电倍增管，光信号变成电信号，经仪器的控制测量系统将电信 号积分并进行模/数转换，然后由计算机处理，并打印出各元素的百分含量。 从以上原理可以看出原子发射光谱分析，有其独特的、特别适合于配合炉前分析的优点，使其发 展成为金属冶炼和铸造行业必不可少的分析手段，其特点如下： 一、 炉中取的样品只要打磨掉表面氧化皮，固体样品即可放在样品台上激发，免去了化学分析钻 取试样的麻烦。对于铝及铜、锌等有色金属样品而言，可用小车床车去表面氧化皮即可。 二、 从样品激发到计算机报出元素分析含量只需20-30 秒钟，速度非常快，有利于缩短冶炼时间， 降低成本。特别是对那些容易烧损的元素，更便于控制其最后的成份。 三、 样品中所有要分析的元素（几个甚至十几个）可以一次同时分析出来，对于牌号复杂的产品， 要求分析元素愈多愈合算，经济效益好。 四、 分析精度非常高，可以有效控制产品的化学成份，保证它能符合国家标准的规格，甚至可将 合金成份控制到规格的中下限，以节省中间合金或铁合金的消耗。 五、 分析数据可以从计算机打印出来或存入软盘中，作为永久性记录。 总之， 从技术角度来看光电光谱分析， 可以说至今还没有比它能更有效的用于炉前快速分析的仪器， 具备了那么多的特点而能取代它。 所以世界上冶炼、铸造以及其他金属加工企业均竞相采用这类仪器成 为一种常规分析手段，从保证产品质量，从经济效益等方面，它是十分有利的分析工具。 九十年代以来，我国有一些知名企业，如：长春一汽、上海大众、无锡小天鹅等在引进国外铸造 生产线时均带有德国 OBLF 光谱仪作为炉前分析的专用设备。 德国 OBLF 公司生产光谱仪在德国已有三十年历史，用户遍布世界各地。 仪器型号有： 适用于单基体分析系统的有OBLF GS-1000 型（可分析氮元素） ，最多能设置32 个分析通道。适用 于多种基体的分析系统有OBLF QSN-750 型（最多可设置60 个分析通道）和QSG-750 型（最多能设置 60 个分析通道） ，可分析氮，以及酸溶性及酸不溶性铝和硼等。 仪器特点： 考虑到铸造行业现场环境，作如下设计： 一、 光学室具有防震装置，并有恒温装置。 光室温度为 35℃±0.2℃，全部器件都密封在真空室内，以保证其长期稳定性。即使在较差的 作业环境中，仪器也能正常工作。所有通道长期稳定性的结果表明了八小时之内有300 个测 量值（每十个取一平均值） ，则 30 个平均值中最高最低之值不超过原强度比值的2%。 二、 1000 型采用焦距为 500mm 的凹面光栅，750 型采用焦距为 750mm 的凹面光栅 根据分析样品选样光栅刻线，保证有足够的分辨率以满足复杂合金钢的分析。 三、 由于光谱仪处于日夜不停的工作状态，采用微机控制真空泵，既保证了足够的真空度亦保护 了真空泵，处于冷状态延长寿命，减少油蒸气。 四、 提高分析灵敏度及精确度