李　可， 邢鐵增， 鄧艷龍， 竇　智， 周海濤， 施蘇利

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院　地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊　065000)

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原子熒光光譜儀空心陰極燈燈電流、激發(fā)光強(qiáng)度及供電脈沖寬度的關(guān)系

李可， 邢鐵增， 鄧艷龍， 竇智， 周海濤， 施蘇利

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊065000)

摘要：應(yīng)用新型全自動(dòng)雙通道原子熒光光譜儀，選擇原子熒光光譜分析常用元素As、Sb、Hg，其空心陰極燈在不同供電脈沖與燈電流下，儀器進(jìn)行了同步采集激發(fā)光強(qiáng)度及主輔電流的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析和討論了空心陰極燈激發(fā)光強(qiáng)度、主輔電流及供電脈沖寬度之間的關(guān)系，為原子熒光光譜分析燈電流及脈沖寬度的選擇提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：原子熒光光譜儀； 空心陰極燈； 燈電流； 激發(fā)光強(qiáng)度

0引言

原子熒光光譜法是用一定強(qiáng)度的激發(fā)光源照射待測(cè)元素的原子蒸氣時(shí)，產(chǎn)生一定強(qiáng)度的特征原子熒光光譜，測(cè)定原子熒光的強(qiáng)度即可求得樣品中待測(cè)元素的含量[1-3]。與其他光譜法相比具有靈敏度高、重現(xiàn)性好、光譜干擾少、線(xiàn)性范圍寬、分析速度快、可多元素同測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，已成為地質(zhì)、冶金、環(huán)保、商檢、醫(yī)療衛(wèi)生、水質(zhì)分析等部門(mén)常用的一種痕量分析方法[4]。

激發(fā)光源是原子熒光光譜儀的主要組成部分，在一定條件下，熒光強(qiáng)度與激發(fā)光源的發(fā)射強(qiáng)度成正比。目前原子熒光光譜儀中應(yīng)用最廣泛的一種激發(fā)光源是空心陰極燈，為了使空心陰極燈既能發(fā)出足夠的發(fā)光強(qiáng)度，又能保持一定的使用壽命，通常采用短脈沖大電流的供電方式[5]。

張錦茂等[6-8]對(duì)高效特種空心陰極燈的一些性能做了比較詳細(xì)地研究和分析；黃本立等[9]利用強(qiáng)短脈沖供電空心陰極燈作為原子熒光法光源進(jìn)行了較為詳細(xì)地研究。 目前已有的文獻(xiàn)對(duì)于脈沖供電空心陰極燈工作電流(燈電流)與激發(fā)光強(qiáng)度關(guān)系的分析和研究不多。

這里利用中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所最新研制的全自動(dòng)雙通道原子熒光光譜儀，選擇熒光光譜分析常用元素As、Sb、Hg，研究和分析了其空心陰極燈主輔電流、激發(fā)光強(qiáng)度及供電脈沖寬度之間的關(guān)系。

1實(shí)驗(yàn)

1.1實(shí)驗(yàn)儀器

分析測(cè)試使用的新型全自動(dòng)雙通道原子熒光光譜儀，儀器負(fù)高壓的穩(wěn)定度優(yōu)于±0.01%；燈電流的穩(wěn)定度優(yōu)于±0.1%；檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定度優(yōu)于±0.5%。

1.2空心陰極燈

空心陰極燈[6-9](HCL)采用可調(diào)脈沖寬度恒流源為其供電，其原理如圖1所示。空心陰極燈供電脈沖調(diào)制信號(hào)的頻率為200 Hz (即信號(hào)周期T=5 ms)，脈沖寬度(t)和占空比(D=t：T)由計(jì)算機(jī)控制，t從3.2 us到2 496 us可靈活設(shè)置。實(shí)驗(yàn)時(shí)儀器采用兩只空心陰極燈交替供電單一光電倍增管檢測(cè)原子熒光信號(hào)的雙道測(cè)量方式，空心陰極燈供電脈沖寬度選擇為167 us(D=1∶30)、250 us(D=1∶20)、500 us(D=1∶10)、1 000 us(D=1∶5)。

圖1　空心陰極燈供電原理框圖Fig．1　The circuit schematic diagram of HCL

用于實(shí)驗(yàn)的空心陰極燈型號(hào)及生產(chǎn)廠(chǎng)家見(jiàn)表1，除Hg是單陰極燈，其他均為雙陰極燈。

表1　空心陰極燈型號(hào)及生產(chǎn)廠(chǎng)家

1.3實(shí)驗(yàn)方法

將儀器調(diào)試在正常工作狀態(tài)，設(shè)置適當(dāng)?shù)呢?fù)高壓(-210 V)，在石英爐原子化器的爐口上部放置一個(gè)反射桿[10]?？招年帢O燈在不同脈沖信號(hào)(占空比分別為1∶30、1∶20、1∶10、1∶5)供電下，不同燈電流(從20 mA～80 mA，10 mA一個(gè)間隔)條件下，儀器同步實(shí)時(shí)地采集主輔電流與激發(fā)光信號(hào)。

1.4燈電流實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了空心陰極燈在不同脈沖信號(hào)(占空比分別為1∶30、1∶20、1∶10、1∶5)供電下，燈電流(從20 mA～80 mA，10 mA一個(gè)間隔)時(shí)間域內(nèi)變化趨勢(shì)的測(cè)試，如圖2、圖3所示。

圖2　不同脈沖信號(hào)供電下主電流的曲線(xiàn)圖Fig．2　Main current curve with different duty ratio(a)占空比1∶30；(b)占空比1∶20；(c)占空比1∶10；(d)占空比1∶5

圖3　不同脈沖信號(hào)供電下輔電流的曲線(xiàn)圖Fig．3　Auxiliary current curve with different duty ratio(a)占空比1∶30；(b)占空比1∶20；(c)占空比1∶10；(d)占空比1∶5

1.5激發(fā)光強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了氫化物元素常用燈源(As燈、Sb燈)的激發(fā)光強(qiáng)度隨主輔電流(從20 mA～80 mA，10 mA一個(gè)間隔)在時(shí)間域內(nèi)變化趨勢(shì)的測(cè)試，如圖4、圖5所示。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了冷原子元素?zé)粼?Hg燈)的激發(fā)光強(qiáng)度隨主電流(從20 mA～80 mA，10 mA一個(gè)間隔)在時(shí)間域內(nèi)變化趨勢(shì)的測(cè)試，如圖6所示。圖4～圖6的每個(gè)小圖中最上面的曲線(xiàn)是主輔電流80 mA時(shí)激發(fā)光強(qiáng)度在時(shí)間域內(nèi)變化趨勢(shì)，往下依次為主輔電流70 mA、60 mA、…、20 mA時(shí)激發(fā)光強(qiáng)度在時(shí)間域內(nèi)變化趨勢(shì)。

1.6激發(fā)光強(qiáng)度與供電脈沖寬度的實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了空心陰極燈(As燈、Sb燈和Hg燈)在一定的工作電流(As、Sb燈主輔電流40 mA/40 mA,Hg燈主電流40 mA)條件下激發(fā)光強(qiáng)度隨不同脈沖信號(hào)(占空比1∶30、1∶20、1∶10、1∶5)在時(shí)間域內(nèi)變化趨勢(shì)的測(cè)試，如圖7所示。圖7的每個(gè)小圖中最右面曲線(xiàn)是占空比1:5時(shí)激發(fā)光強(qiáng)度在一定工作電流(As、Sb燈主輔電流40 mA/40 mA，Hg燈主電流40 mA)條件下的變化趨勢(shì)，往左依次是占空比為1:10、1:20、1:30時(shí)激發(fā)光強(qiáng)度在一定工作電流(As、Sb燈主輔電流40 mA/40 mA，Hg燈主電流40 mA)條件下的變化趨勢(shì)。

圖4　As燈激發(fā)光強(qiáng)度隨主輔電流在時(shí)間域內(nèi)變化的曲線(xiàn)圖Fig．4　Exciting light intensity curve of As HCL with different duty ratio(a)占空比1:30；(b)占空比1:20；(c)占空比1:10；(d)占空比1:5

圖5　Sb燈激發(fā)光強(qiáng)度隨主輔電流在時(shí)間域內(nèi)變化的曲線(xiàn)圖Fig．5　Exciting light intensity curve of Sb HCL with different duty ratio(a)占空比1:30；(b)占空比1:20；(c)占空比1:10；(d)占空比1:5

圖6　Hg燈激發(fā)光強(qiáng)度隨主電流在時(shí)間域內(nèi)變化的曲線(xiàn)圖Fig．6　Exciting light intensity curve of Hg HCL with different duty ratio(a)占空比1:30；(b)占空比1:20；(c)占空比1:10；(d)占空比1:5

圖7　空心陰極燈激發(fā)光強(qiáng)度隨不同脈沖供電在時(shí)間域內(nèi)變化的曲線(xiàn)圖Fig．7　Exciting light intensity curve of HCL with different duty ratio(a)As燈;(b)Sb燈;(c)Hg燈

2分析與討論

2.1燈電流

從圖2、圖3可看出，空心陰極燈采用脈沖調(diào)制閉環(huán)恒流源供電系統(tǒng)，可獲得穩(wěn)定的燈電流。在一定條件下，燈電流只與脈沖調(diào)制閉環(huán)恒流源電路性能有關(guān)，而與空心陰極燈的種類(lèi)與型號(hào)無(wú)關(guān)。

當(dāng)空心陰極燈脈沖供電開(kāi)通后，一定的延時(shí)(約30 us～65 us)燈電流開(kāi)始迅速上升(即空心陰極燈開(kāi)始點(diǎn)亮)，大約220 us～260 us的時(shí)間達(dá)到一個(gè)較為穩(wěn)定的工作電流，此時(shí)的燈電流最大。當(dāng)脈沖供電關(guān)斷后，燈電流迅速下降到底火狀態(tài)(即空心陰極燈小電流維持的點(diǎn)亮狀態(tài))。

對(duì)于占空比1∶30、1∶20時(shí)，脈沖供電控制信號(hào)關(guān)斷時(shí)，燈電流仍處于上升期；當(dāng)占空比1∶10、1∶5時(shí)，脈沖供電開(kāi)通后經(jīng)過(guò)大約220 us～260 us的延時(shí)，達(dá)到較為穩(wěn)定的工作電流。此延時(shí)時(shí)間與閉環(huán)恒流源電路系統(tǒng)的濾波、消振及反饋性能有關(guān)。

2.2As燈、Sb燈激發(fā)光強(qiáng)度

從圖2～圖5可看出，激發(fā)光強(qiáng)度隨時(shí)間域的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)的上升趨勢(shì)與燈電流隨時(shí)間的上升趨勢(shì)基本類(lèi)似，只是由于燈電流的遲滯、激發(fā)光的延遲和余輝以及來(lái)自光電倍增管分布電容的影響，As燈和Sb燈的激發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)于燈電流發(fā)生了一定的延時(shí)。

從圖4、圖5可看出，當(dāng)空心陰極燈脈沖供電開(kāi)通后，大約50 us～80 us的延時(shí)后激發(fā)光信號(hào)開(kāi)始上升，經(jīng)過(guò)大約340 us～430 us(空心陰極燈從脈沖供電開(kāi)啟直到發(fā)出穩(wěn)定且最大激發(fā)光強(qiáng)度所需的時(shí)間稱(chēng)之為t穩(wěn)定)達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的激發(fā)光強(qiáng)度，此時(shí)的激發(fā)光強(qiáng)度最大，t穩(wěn)定隨燈電流的增大而減小。只有當(dāng)供電脈沖寬度的時(shí)間大于t穩(wěn)定，，空心陰極燈發(fā)出穩(wěn)定且最大的激發(fā)光強(qiáng)度。當(dāng)脈沖供電占空比1∶30(脈沖寬度167 us)、1:20(脈沖寬度250 us)的脈沖寬度均小于t穩(wěn)定，故當(dāng)脈沖供電控制信號(hào)關(guān)斷時(shí)，激發(fā)光信號(hào)仍處于上升期，沒(méi)有達(dá)到最大值；當(dāng)脈沖供電占空比1∶10(脈沖寬度500 us)、1∶5(脈沖寬度1 000 us)時(shí)，其脈沖寬度大于t穩(wěn)定，， 故可達(dá)到較穩(wěn)定且最大的激發(fā)光強(qiáng)度。當(dāng)供電控制信號(hào)關(guān)斷后，激發(fā)光信號(hào)迅速下降，大約280 us～420 us回歸基線(xiàn)，此延時(shí)時(shí)間隨燈電流的增大而增長(zhǎng)。

2.3Hg燈激發(fā)光強(qiáng)度

因Hg空心陰極燈結(jié)構(gòu)與常規(guī)的空心陰極燈有所不同，得到的激發(fā)光強(qiáng)度相對(duì)其他空心陰極燈信號(hào)也不同[5]。從圖6可以看出，汞燈的曲線(xiàn)比較特殊。當(dāng)空心陰極燈脈沖供電開(kāi)通后，約45 us～70 us的延時(shí)后，激發(fā)光信號(hào)進(jìn)入一個(gè)上升期，約在 140 us～200 us出現(xiàn)極大值。出現(xiàn)極大值后迅速下降，其后維持在一定的激發(fā)光強(qiáng)度。汞燈的這種反常現(xiàn)象與Hg燈容易自吸有關(guān)[8]。

在脈沖供電控制信號(hào)關(guān)斷后，Hg燈與其他空心陰極燈一樣，受光源輻射余輝的影響，激發(fā)光信號(hào)逐漸下降并回歸基線(xiàn)。

2.4激發(fā)光強(qiáng)度與供電脈沖寬度的關(guān)系

從圖7可看出，在一定條件下，同一空心陰極燈在相同的燈電流條件下，產(chǎn)生的激發(fā)光信號(hào)隨不同的供電脈沖信號(hào)在時(shí)間域內(nèi)實(shí)測(cè)曲線(xiàn)的趨勢(shì)是基本一致的，但激發(fā)光強(qiáng)度隨不同的供電脈沖信號(hào)而產(chǎn)生較大的差異。

對(duì)于A(yíng)s燈、Sb燈在主輔電流40 mA/40 mA條件下，當(dāng)t穩(wěn)定=400 us時(shí)，發(fā)出穩(wěn)定且最大的激發(fā)光信號(hào)。當(dāng)占空比1∶10、1∶5時(shí)，供電脈沖寬度的時(shí)間大于t穩(wěn)定，， 故可達(dá)到較穩(wěn)定且最大的激發(fā)光強(qiáng)度If；當(dāng)脈沖供電占空比1∶30時(shí)，其發(fā)出的激發(fā)光強(qiáng)度大約只有60 %If；當(dāng)脈沖供電占空比1∶20時(shí)，其發(fā)出的激發(fā)光強(qiáng)度約達(dá)到85 %If。

對(duì)于Hg燈在主電流40 mA條件下，約在 160 us(t峰)出現(xiàn)極大值。當(dāng)供電脈沖寬度低于或高于此峰值時(shí)間(t峰)，激發(fā)光強(qiáng)度均有不同程度的降低；偏離t峰越大，激發(fā)光強(qiáng)度越小。

2.5激發(fā)光強(qiáng)度與燈電流的關(guān)系

從圖4～圖6中可看出，在一定條件下，隨著空心陰極燈燈電流的增大而激發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)。理論上講，提高空心陰極燈的工作電流，即可增加激發(fā)光強(qiáng)度，這為提高儀器靈敏度提供了一個(gè)有效的途徑。

隨著燈電流的進(jìn)一步增加，激發(fā)光強(qiáng)度反而減少，即空心陰極燈有著不同程度的發(fā)射譜線(xiàn)自蝕(自吸)現(xiàn)象，對(duì)于汞燈尤其明顯。As燈和Sb燈在占空比1∶5，主、輔電流大于70 mA時(shí)有一定的自吸現(xiàn)象，并隨著燈電流的增大越來(lái)越顯著。Hg燈在不同的工作電流下，約在140 us～200 us出現(xiàn)極大值，其后均有較明顯的自吸現(xiàn)象。

3結(jié)論

這里選擇原子熒光光譜分析常用元素As、Sb、Hg，進(jìn)行了空心陰極燈激發(fā)光強(qiáng)度、主輔電流及供電脈沖寬度之間關(guān)系的研究。結(jié)果表明，用于原子熒光光譜分析的空心陰極燈激發(fā)光強(qiáng)度不僅與其性能有關(guān)，與燈電流大小有關(guān)，也與閉環(huán)恒流源供電系統(tǒng)的脈沖寬度有關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，空心陰極燈燈電流一般選擇30 mA～60 mA有較佳的信噪比。對(duì)于A(yíng)s、Sb元素，空心陰極燈供電脈沖寬度在340 us～430 us達(dá)到一個(gè)較穩(wěn)定的激發(fā)光強(qiáng)度；汞燈的曲線(xiàn)比較特殊，供電脈沖寬度約在 140 us～200 us出現(xiàn)極大值。這為提高原子熒光光譜儀的技術(shù)性能提供了一個(gè)有效的方法，為實(shí)際分析測(cè)試時(shí)空心陰極燈主、輔電流及脈沖寬度的選擇提供參考依據(jù)。

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General Administration of Quality Supervision,Inspection and Quarantine of the People's Republic of China GB/T 21191-2007.Atomic Fluorescence Spectrometer [S]. Beijing: China Standard Press，2008.(In Chinese)

The relationship between lamp current of hollow cathode lamp and exciting light intensity in atomic fluorescence spectrometer

LI Ke， XING Tie-zeng， DENG Yan-long， DOU Zhi， ZHOU Hai-tao， SHI Su-li

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration，CAGS，Langfang065000，China)

Abstract:The test has been conducted for application of a new type of automate double channel atomic fluorescence spectrometer, exciting light intensity and main-auxiliary current of As, Sb and Hg hollow cathode lamp in different pulse power supply and different current was collected synchronously. It is analysis and discussion on the relationship between exciting light intensity，main and auxiliary current and hollow cathode lamp current so as to provide a reference for choosing the lamp current and impulse duration correctly.

Key words:atomic fluorescence spectrometer； hollow cathode lamp； lamp current； exciting light intensity

中圖分類(lèi)號(hào)：P 632

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.01.15

文章編號(hào)：1001-1749(2016)01-0103-05

作者簡(jiǎn)介：李可(1978-)，男，副教授，主要從事分析儀器的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)工作，E-mail：like@igge.cn。

基金項(xiàng)目:國(guó)土資源部地質(zhì)大調(diào)查項(xiàng)目(1212011120270)；基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(AS2013P03)

收稿日期：2014-02-18改回日期：2014-12-20