火花直讀光譜儀是一種基于原子發(fā)射光譜原理的高精度分析儀器，通過電火花激發(fā)樣品產(chǎn)生特征光譜，直接測定金屬及合金中多元素的含量。廣泛應用于冶金、鑄造、機械、汽車制造、航空航天、兵器、金屬加工等領域的生產(chǎn)工藝控制，爐前化驗，中心實驗室成品檢驗。儀器體積小、穩(wěn)定性好、檢測限低、分析速度快、運行成本低、操作維護方便，是控制產(chǎn)品質(zhì)量的理想選擇。
火花直讀光譜儀其結構主要包括以下幾個部分：
一、激發(fā)系統(tǒng)
激發(fā)源
激發(fā)源是火花直讀光譜儀的關鍵部件之一，常見的激發(fā)源有電火花和電弧兩種。電火花激發(fā)源通過在電極和樣品之間施加高電壓，產(chǎn)生電火花放電，使樣品表面蒸發(fā)和激發(fā)。這種激發(fā)方式能量較高，能夠激發(fā)樣品中的元素，使其發(fā)射出具有特定波長的光譜。電弧激發(fā)源則是在電極和樣品之間產(chǎn)生電弧放電，電弧溫度高，可以使樣品中的元素充分蒸發(fā)和激發(fā)，適用于一些難以激發(fā)的元素或者需要高靈敏度分析的情況。
激發(fā)源的性能直接影響分析結果的準確性和穩(wěn)定性。例如，激發(fā)能量的穩(wěn)定性決定了每次激發(fā)產(chǎn)生的光譜強度是否一致，從而影響元素的定量分析。激發(fā)頻率也是一個重要的參數(shù)，較高的激發(fā)頻率可以在短時間內(nèi)獲取足夠的光譜信號，提高分析速度。
電極
電極在激發(fā)過程中與樣品相對應，通過電極和樣品之間的放電來激發(fā)樣品。電極通常采用高純度的金屬材料制成，如鎢、銅等。鎢電極有良好的耐高溫性能和化學穩(wěn)定性，能夠在高強度的激發(fā)條件下保持良好的性能。不同的電極材料適用于不同類型的樣品和分析要求。
電極的形狀和尺寸也會影響激發(fā)效果。一般來說，電極的尖形狀和與樣品之間的距離需要精確控制，以確保穩(wěn)定的放電和良好的激發(fā)效果。例如，電極尖過于粗糙或者距離樣品太遠，都可能導致激發(fā)不穩(wěn)定，影響光譜信號的質(zhì)量。
二、光學系統(tǒng)
入射窗口
入射窗口位于光譜儀的前端，靠近樣品激發(fā)處。它的作用是讓激發(fā)樣品產(chǎn)生的光線進入光譜儀內(nèi)部，同時防止外界的灰塵、水汽等雜質(zhì)進入儀器內(nèi)部。入射窗口通常采用高質(zhì)量的光學石英材料制成，這種材料具有良好的透光性和化學穩(wěn)定性，在紫外到近紅外的波長范圍內(nèi)都有較高的透過率。
入射窗口的清潔程度對光譜分析非常重要。如果窗口上有污垢或者劃痕，會散射或吸收光線，導致光譜信號減弱或失真。因此，在使用一段時間后，需要對入射窗口進行清潔和維護。
光柵
光柵是光譜儀的核心分光元件。它利用光的衍射原理將復合光分解為不同波長的單色光。當光線照射到光柵上時，不同波長的光會在不同的角度發(fā)生衍射，從而實現(xiàn)光譜的分離。光柵的性能主要由其刻線密度（每毫米刻線數(shù)）決定，刻線密度越高，光譜的分辨率就越高。
對于不同類型的元素和分析要求，需要選擇合適刻線密度的光柵。例如，在分析復雜合金中的微量元素時，需要使用高刻線密度的光柵來提高光譜分辨率，以準確分離和檢測微量元素的光譜線。同時，光柵的質(zhì)量和安裝精度也會影響光譜的質(zhì)量和準確性。
透鏡和反射鏡
透鏡和反射鏡用于聚焦和引導光線。在光學系統(tǒng)中，透鏡可以將從入射窗口進入的發(fā)散光線聚焦成平行光，然后經(jīng)過光柵分光后再由反射鏡將不同波長的光引導到相應的檢測器上。這些光學元件的質(zhì)量和精度對光譜的清晰度和能量分布有重要影響。
高質(zhì)量的透鏡和反射鏡能夠減少光線的散射和失真，提高光譜信號的強度和信噪比。它們的光學鍍膜也很關鍵，合適的鍍膜可以增加特定波長范圍的光線反射率，從而提高儀器對某些元素的靈敏度。
三、檢測系統(tǒng)
光電倍增管（PMT）
光電倍增管是一種常用的光電檢測器，它具有高的靈敏度和快速的響應速度。當光子照射到光電倍增管的陰極上時，會釋放出光電子，這些光電子在電場的作用下被加速并倍增，最終在陽極上產(chǎn)生可測量的電流信號。光電倍增管對微弱的光譜信號有很好的放大作用，能夠檢測到極低強度的光線。
不同類型的光電倍增管適用于不同的波長范圍。在火花直讀光譜儀中，通常會根據(jù)需要分析的元素波長范圍配備多個光電倍增管，分別用于檢測不同波長區(qū)間的光譜信號。例如，對于紫外區(qū)的譜線，會使用對紫外光敏感的光電倍增管；對于可見光區(qū)和近紅外區(qū)的譜線，則使用相應的光電倍增管。
電荷耦合器件（CCD）檢測器
CCD檢測器是一種基于光電效應的固態(tài)檢測器。它具有許多優(yōu)點，如高集成度、寬光譜響應范圍和良好的線性度。CCD檢測器由大量的像素單元組成，每個像素單元都可以獨立地接收光子并轉(zhuǎn)換為電信號。當光線照射到CCD檢測器上時，光子在像素內(nèi)產(chǎn)生電荷，這些電荷在讀取過程中被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。
CCD檢測器的分辨率取決于其像素數(shù)量和像素尺寸。高分辨率的CCD檢測器可以提供更精細的光譜信息，有助于提高元素分析的準確性和分辨率。同時，CCD檢測器可以同時獲取一定波長范圍內(nèi)的光譜信號，提高了分析效率。
四、控制系統(tǒng)
電路控制模塊
電路控制模塊是火花直讀光譜儀的“大腦”，它負責控制儀器的各個部件按照設定的程序運行。這包括激發(fā)源的放電控制、光學系統(tǒng)的掃描控制、檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理等。電路控制模塊通過精確的時間序列控制和電壓、電流調(diào)節(jié)，確保儀器在最佳工作狀態(tài)下運行。
例如，在激發(fā)過程中，電路控制模塊需要精確控制激發(fā)源的放電時間和放電電壓，以保證樣品充分激發(fā)且光譜信號穩(wěn)定。同時，它還要根據(jù)預設的分析參數(shù)，控制光學系統(tǒng)的掃描范圍和速度，以及檢測系統(tǒng)的積分時間和增益等參數(shù)。
軟件控制平臺
軟件控制平臺是基于計算機的軟件系統(tǒng)，它提供了用戶與儀器交互的界面和數(shù)據(jù)分析、處理的功能。用戶可以通過軟件設置儀器的工作參數(shù)，如激發(fā)條件、分析元素、波長范圍等。軟件還可以對采集到的光譜數(shù)據(jù)進行預處理，包括背景扣除、光譜校準、峰值識別等操作。
此外，軟件還具備數(shù)據(jù)分析和定量計算的功能。它可以根據(jù)預先建立的校準曲線或者數(shù)學模型，將光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為元素的含量值。同時，軟件還可以對分析結果進行存儲、打印和輸出，方便用戶進行數(shù)據(jù)處理和管理。
