原子熒光光譜儀空心陰極燈燈電流、激發(fā)光強度及供電脈沖寬度的關系

李　可， 邢鐵增， 鄧艷龍， 竇　智， 周海濤， 施蘇利

(中國地質(zhì)科學院　地球物理地球化學勘查研究所，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)光強度及供電脈沖寬度的關系

李可， 邢鐵增， 鄧艷龍， 竇智， 周海濤， 施蘇利

(中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所，廊坊065000)

摘要：應用新型全自動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，儀器進行了同步采集激發(fā)光強度及主輔電流的實驗。根據(jù)實驗結果，分析和討論了空心陰極燈激發(fā)光強度、主輔電流及供電脈沖寬度之間的關系，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)。

關鍵詞：原子熒光光譜儀； 空心陰極燈； 燈電流； 激發(fā)光強度

0引言

原子熒光光譜法是用一定強度的激發(fā)光源照射待測元素的原子蒸氣時，產(chǎn)生一定強度的特征原子熒光光譜，測定原子熒光的強度即可求得樣品中待測元素的含量[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、線性范圍寬、分析速度快、可多元素同測等優(yōu)點，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，熒光強度與激發(fā)光源的發(fā)射強度成正比。目前原子熒光光譜儀中應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]對高效特種空心陰極燈的一些性能做了比較詳細地研究和分析；黃本立等[9]利用強短脈沖供電空心陰極燈作為原子熒光法光源進行了較為詳細地研究。 目前已有的文獻對于脈沖供電空心陰極燈工作電流(燈電流)與激發(fā)光強度關系的分析和研究不多。

這里利用中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所最新研制的全自動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)光強度及供電脈沖寬度之間的關系。

1實驗

1.1實驗儀器

分析測試使用的新型全自動雙通道原子熒光光譜儀，儀器負高壓的穩(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?？招年帢O燈供電脈沖調(diào)制信號的頻率為200 Hz (即信號周期T=5 ms)，脈沖寬度(t)和占空比(D=t：T)由計算機控制，t從3.2 us到2 496 us可靈活設置。實驗時儀器采用兩只空心陰極燈交替供電單一光電倍增管檢測原子熒光信號的雙道測量方式，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

用于實驗的空心陰極燈型號及生產(chǎn)廠家見表1，除Hg是單陰極燈，其他均為雙陰極燈。

表1　空心陰極燈型號及生產(chǎn)廠家

1.3實驗方法

將儀器調(diào)試在正常工作狀態(tài)，設置適當?shù)呢摳邏?-210 V)，在石英爐原子化器的爐口上部放置一個反射桿[10]?？招年帢O燈在不同脈沖信號(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一個間隔)條件下，儀器同步實時地采集主輔電流與激發(fā)光信號。

1.4燈電流實驗

實驗進行了空心陰極燈在不同脈沖信號(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一個間隔)時間域內(nèi)變化趨勢的測試，如圖2、圖3所示。

圖2　不同脈沖信號供電下主電流的曲線圖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　不同脈沖信號供電下輔電流的曲線圖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)光強度實驗

實驗進行了氫化物元素常用燈源(As燈、Sb燈)的激發(fā)光強度隨主輔電流(從20 mA～80 mA，10 mA一個間隔)在時間域內(nèi)變化趨勢的測試，如圖4、圖5所示。實驗進行了冷原子元素燈源(Hg燈)的激發(fā)光強度隨主電流(從20 mA～80 mA，10 mA一個間隔)在時間域內(nèi)變化趨勢的測試，如圖6所示。圖4～圖6的每個小圖中最上面的曲線是主輔電流80 mA時激發(fā)光強度在時間域內(nèi)變化趨勢，往下依次為主輔電流70 mA、60 mA、…、20 mA時激發(fā)光強度在時間域內(nèi)變化趨勢。

1.6激發(fā)光強度與供電脈沖寬度的實驗

實驗進行了空心陰極燈(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)光強度隨不同脈沖信號(占空比1∶30、1∶20、1∶10、1∶5)在時間域內(nèi)變化趨勢的測試，如圖7所示。圖7的每個小圖中最右面曲線是占空比1:5時激發(fā)光強度在一定工作電流(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，往左依次是占空比為1:10、1:20、1:30時激發(fā)光強度在一定工作電流(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。

圖4　As燈激發(fā)光強度隨主輔電流在時間域內(nèi)變化的曲線圖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)光強度隨主輔電流在時間域內(nèi)變化的曲線圖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)光強度隨主電流在時間域內(nèi)變化的曲線圖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)光強度隨不同脈沖供電在時間域內(nèi)變化的曲線圖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，而與空心陰極燈的種類與型號無關。

當空心陰極燈脈沖供電開通后，一定的延時(約30 us～65 us)燈電流開始迅速上升(即空心陰極燈開始點亮)，大約220 us～260 us的時間達到一個較為穩(wěn)定的工作電流，此時的燈電流最大。當脈沖供電關斷后，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亮狀態(tài))。

對于占空比1∶30、1∶20時，脈沖供電控制信號關斷時，燈電流仍處于上升期；當占空比1∶10、1∶5時，脈沖供電開通后經(jīng)過大約220 us～260 us的延時，達到較為穩(wěn)定的工作電流。此延時時間與閉環(huán)恒流源電路系統(tǒng)的濾波、消振及反饋性能有關。

2.2As燈、Sb燈激發(fā)光強度

從圖2～圖5可看出，激發(fā)光強度隨時間域的實測曲線的上升趨勢與燈電流隨時間的上升趨勢基本類似，只是由于燈電流的遲滯、激發(fā)光的延遲和余輝以及來自光電倍增管分布電容的影響，As燈和Sb燈的激發(fā)光強度相對于燈電流發(fā)生了一定的延時。

從圖4、圖5可看出，當空心陰極燈脈沖供電開通后，大約50 us～80 us的延時后激發(fā)光信號開始上升，經(jīng)過大約340 us～430 us(空心陰極燈從脈沖供電開啟直到發(fā)出穩(wěn)定且最大激發(fā)光強度所需的時間稱之為t穩(wěn)定)達到一個較穩(wěn)定的激發(fā)光強度，此時的激發(fā)光強度最大，t穩(wěn)定隨燈電流的增大而減小。只有當供電脈沖寬度的時間大于t穩(wěn)定，，空心陰極燈發(fā)出穩(wěn)定且最大的激發(fā)光強度。當脈沖供電占空比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，故當脈沖供電控制信號關斷時，激發(fā)光信號仍處于上升期，沒有達到最大值；當脈沖供電占空比1∶10(脈沖寬度500 us)、1∶5(脈沖寬度1 000 us)時，其脈沖寬度大于t穩(wěn)定，， 故可達到較穩(wěn)定且最大的激發(fā)光強度。當供電控制信號關斷后，激發(fā)光信號迅速下降，大約280 us～420 us回歸基線，此延時時間隨燈電流的增大而增長。

2.3Hg燈激發(fā)光強度

因Hg空心陰極燈結構與常規(guī)的空心陰極燈有所不同，得到的激發(fā)光強度相對其他空心陰極燈信號也不同[5]。從圖6可以看出，汞燈的曲線比較特殊。當空心陰極燈脈沖供電開通后，約45 us～70 us的延時后，激發(fā)光信號進入一個上升期，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)光強度。汞燈的這種反?，F(xiàn)象與Hg燈容易自吸有關[8]。

在脈沖供電控制信號關斷后，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)光信號逐漸下降并回歸基線。

2.4激發(fā)光強度與供電脈沖寬度的關系

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)光信號隨不同的供電脈沖信號在時間域內(nèi)實測曲線的趨勢是基本一致的，但激發(fā)光強度隨不同的供電脈沖信號而產(chǎn)生較大的差異。

對于As燈、Sb燈在主輔電流40 mA/40 mA條件下，當t穩(wěn)定=400 us時，發(fā)出穩(wěn)定且最大的激發(fā)光信號。當占空比1∶10、1∶5時，供電脈沖寬度的時間大于t穩(wěn)定，， 故可達到較穩(wěn)定且最大的激發(fā)光強度If；當脈沖供電占空比1∶30時，其發(fā)出的激發(fā)光強度大約只有60 %If；當脈沖供電占空比1∶20時，其發(fā)出的激發(fā)光強度約達到85 %If。

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

2.5激發(fā)光強度與燈電流的關系

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)光強度增強。理論上講，提高空心陰極燈的工作電流，即可增加激發(fā)光強度，這為提高儀器靈敏度提供了一個有效的途徑。

隨著燈電流的進一步增加，激發(fā)光強度反而減少，即空心陰極燈有著不同程度的發(fā)射譜線自蝕(自吸)現(xiàn)象，對于汞燈尤其明顯。As燈和Sb燈在占空比1∶5，主、輔電流大于70 mA時有一定的自吸現(xiàn)象，并隨著燈電流的增大越來越顯著。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結論

這里選擇原子熒光光譜分析常用元素As、Sb、Hg，進行了空心陰極燈激發(fā)光強度、主輔電流及供電脈沖寬度之間關系的研究。結果表明，用于原子熒光光譜分析的空心陰極燈激發(fā)光強度不僅與其性能有關，與燈電流大小有關，也與閉環(huán)恒流源供電系統(tǒng)的脈沖寬度有關。在實際應用中，空心陰極燈燈電流一般選擇30 mA～60 mA有較佳的信噪比。對于As、Sb元素，空心陰極燈供電脈沖寬度在340 us～430 us達到一個較穩(wěn)定的激發(fā)光強度；汞燈的曲線比較特殊，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性能提供了一個有效的方法，為實際分析測試時空心陰極燈主、輔電流及脈沖寬度的選擇提供參考依據(jù)。

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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

中圖分類號：P 632

文獻標志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.01.15

文章編號：1001-1749(2016)01-0103-05

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

基金項目:國土資源部地質(zhì)大調(diào)查項目(1212011120270)；基本科研業(yè)務費(AS2013P03)

收稿日期：2014-02-18改回日期：2014-12-20