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光源作為原子發(fā)射光譜儀主要部件之一，是決定光譜分析靈敏度和準(zhǔn)確度的重要因素，它分為電弧光源、火花光源以及近年發(fā)展的電感耦合等離子體光源和輝光放電光源。各光源的原理和特點(diǎn)又是什么呢?
原子發(fā)射光譜儀由光源、分光系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)四個(gè)部分組成。而光源是光譜儀檢測(cè)主要的部分之一，光源的作用是提供樣品蒸發(fā)和激發(fā)所需的能量。它先把樣品中的組分蒸發(fā)、離解成氣態(tài)原子，然后再使原子的外層電子激發(fā)產(chǎn)生光輻射。光源是決定光譜分析靈敏度和準(zhǔn)確度的重要因素，它分為電弧光源、火花光源以及近年發(fā)展的電感耦合等離子體光源和輝光放電光源。
一、激發(fā)光源
1.原子發(fā)射光譜對(duì)激發(fā)光源的要求
(1)光源應(yīng)具有足夠的激發(fā)容量，利于樣品的蒸發(fā)、原子化和激發(fā)，對(duì)樣品基體成分的變化影響要小。
(2)光源的靈敏度要高，具有足夠的亮度，對(duì)元素濃度的微小變化在線狀光譜的強(qiáng)度上應(yīng)有明顯的變化，利于痕量分析。
(3)光源對(duì)樣品的蒸發(fā)原子化和激發(fā)能力有足夠的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性，以保證分析的精密度和準(zhǔn)確度。
(4)光源本身的本底譜線要簡(jiǎn)單，背景發(fā)射強(qiáng)度弱，背景信號(hào)要小，對(duì)樣品譜線的自吸效應(yīng)要小，分析的線性范圍要寬。
(5)光源設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作、調(diào)試、維修方便等。
二、電弧光源
電弧是較大電流通過(guò)兩個(gè)電極之間的一種氣體放電現(xiàn)象，所產(chǎn)生的弧光具有很大的能量。若把樣品引入弧光中，就可使樣品蒸發(fā)、離解，并進(jìn)而使原子激發(fā)而發(fā)射出線狀光譜。它可分為直流電弧和交流電弧。
1.直流電弧直流電弧發(fā)生器及直流電弧如圖1所示。電源可用直流發(fā)電機(jī)或?qū)⒔涣麟娬骱蠊╇姡妷簽?20～380V、電流為5～30A，可變電阻R用于調(diào)節(jié)電流的大小，電感L用來(lái)減小電流的波動(dòng)。
圖1 直流電弧發(fā)生器和直流電弧
E-直流電源;V-直流電壓表;L-電感;R-可變電阻;A-直流電流表;I-陽(yáng)極;2-樣品槽;3-電弧柱;4-電弧火焰;5-陰極
帶有凹槽的石墨棒陽(yáng)極，可放置樣品粉末，其與帶有截面的圓錐形石墨陰極之間的分析間隙約為4～6mm。點(diǎn)燃直流電弧后，兩電極間弧柱溫度達(dá)4000～7000K，電極溫度達(dá)3000～4000K。在弧焰中樣品蒸發(fā)、離解成原子、離子、電子，粒子間碰撞使它們激發(fā)，從而輻射出光譜線。
直流電弧光源的弧焰溫度高，可使70種以上的元素激發(fā)，適用于難熔、難揮發(fā)物質(zhì)的分析，測(cè)定的靈敏度高、背景小，適用于定性分析和低含量雜質(zhì)的測(cè)定。因弧焰不穩(wěn)定易發(fā)生譜線自吸現(xiàn)象，使分析精密度、再現(xiàn)性差。陽(yáng)極溫度高不適用于定量分析及低熔點(diǎn)元素分析。
2.交流電弧交流電弧發(fā)生器由交流電源供電。常用110～120V低壓交流電弧，其設(shè)備簡(jiǎn)單、操作安全。用高頻引燃裝置點(diǎn)火，交流電弧放電具有脈沖性，弧柱溫度比直流電弧高，穩(wěn)定性好，可用于定性分析和定量分析，有利于提高準(zhǔn)確度。其不足之處是蒸發(fā)能力低于直流電弧，檢出靈敏度低于直流電弧。
單純的電弧光源至今仍保留在地質(zhì)試樣、粉末和氧化物樣品中的雜質(zhì)元素分析中。
三、火花光源
高壓火花發(fā)生器可產(chǎn)生10～25kV的高壓，然后對(duì)電容器充電，當(dāng)充電電壓可以擊穿由試樣電極和碳電極構(gòu)成的分析間隙時(shí)，就產(chǎn)生火花放電。放電以后，又會(huì)重新充電、放電，反復(fù)進(jìn)行。
火花光源的放電電路見(jiàn)圖2。它由放電電容C、電阻R、電感圈L和放電分析間隙G組成。
圖2 火花光源的放電電路
1-碳電極;2-試樣電極
當(dāng)電極被擊穿時(shí)產(chǎn)生的火花在電極間產(chǎn)生數(shù)條細(xì)小彎曲的放電通道，短時(shí)間釋放大量能量，放電的電流密度達(dá)105～106A/cm2，使樣品呈現(xiàn)一股發(fā)光蒸氣噴射出來(lái)，噴射速度約105cm/s，稱為焰炬。每次放電都在電極表面的不同位置產(chǎn)生新的導(dǎo)電通道，單個(gè)火花直徑約0.2mm，當(dāng)曝光數(shù)十秒時(shí)，可發(fā)生幾千次擊穿，由于每次擊穿的面積小，時(shí)間短，使電極灼熱并不顯著。
高壓火花放電的平均電流比電弧電流小，約為十分之幾安培，但在起始的放電脈沖期間，瞬時(shí)電流可超過(guò)1000A，此電流由一條窄的僅包含極小一部分電極表面積的光柱來(lái)輸送，此光柱溫度可達(dá)10000～40000K。雖然火花光源的平均電極溫度比電弧光源溫度低許多，但在瞬時(shí)光柱中的能量卻是電弧光源的幾倍，因此高壓火花光源中的離子光譜線要比電弧光源中明顯。此種光源的特點(diǎn)是放電穩(wěn)定性好，分析結(jié)果重現(xiàn)性好，適于做定量分析。缺點(diǎn)是放電間隔時(shí)間長(zhǎng)，電極溫度較低，對(duì)試樣蒸發(fā)能力差，適于低熔點(diǎn)、組成均勻的金屬或合金樣品的分析。由于靈敏度低，背景大，不宜做痕量元素分析。
四、等離子體光源
電感耦合等離子體(inductively coupled plasma, ICP)光源它由高頻發(fā)生器、等離子體炬管和霧化器組成，為現(xiàn)代原子發(fā)射光譜儀中廣泛使用的新型光源。
1.高頻發(fā)生器高頻發(fā)生器在工業(yè)上稱射頻(radio frequency,RF)發(fā)生器，在ICP光源中稱高頻電源或等離子體電源，它通過(guò)工作線圈向等離子體輸送能量，是ICP火焰的能源。高頻發(fā)生器有兩種類型，即自激式和它激式，它們都能滿足ICP分析的需求。
自激式高頻發(fā)生器由整流穩(wěn)壓電源、振蕩回路和大功率電子管放大器三部分組成，提供40.68MHz高頻振蕩電場(chǎng)。它的電路簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，具有自動(dòng)補(bǔ)償、白身調(diào)節(jié)作用是目前儀器廠商廣泛使用的技術(shù)。
它激式高頻發(fā)生器是由石英晶體振蕩器、倍頻、激勵(lì)、功放和匹配五部分組成，它采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)頻率振蕩器6.87MHz工作，經(jīng)4～6倍的倍頻電路處理，產(chǎn)生27.12MHz或40.68MHz的工作頻率，經(jīng)激勵(lì)、放大，由匹配箱和同軸電纜輸送到ICP負(fù)載上，此種發(fā)生器頻率穩(wěn)定性高、耦合效率高，功率輸出易于自動(dòng)控制，但其電路比較復(fù)雜，易發(fā)生故障，因而應(yīng)用廠商較少。
現(xiàn)在被廣大廠商廣泛采用的是固態(tài)高頻發(fā)生器，它是由一組固態(tài)場(chǎng)效應(yīng)管束代替自激式高頻發(fā)生器中的大功率電子管，以獲得大功率高頻能量的輸出。它具有體積小，輸出功率穩(wěn)定、耐用、抗震、抗干擾能力強(qiáng)，已成為新一代ICP光譜儀使用的主流產(chǎn)品，使用壽命已大干5000h。
高頻發(fā)生器產(chǎn)生的頻率和它的正向功率(系指在ICP燃炬負(fù)載線圈上獲得的功率)是兩個(gè)重要的性能指標(biāo)，二者有緊密的相關(guān)性。
高頻發(fā)生器產(chǎn)生的振蕩頻率和它的正向功率呈反比關(guān)系，如使用5MHz頻率，維持ICP放電的功率為5～6 kW;使用9MHz，功率為3kW;使用21 MHz，功率為1.5kW，因而提高振蕩頻率;可使ICP放電所需的功率降低，并進(jìn)而降低激發(fā)時(shí)的溫度和電流密度，還會(huì)降低冷卻氬氣的消耗量，振蕩頻率的穩(wěn)定性應(yīng)≤0.1%。
高頻發(fā)生器的功率應(yīng)>1.6kW，當(dāng)輸出功率為300～500W時(shí)，能維持ICP火焰燃燒，但不穩(wěn)定，不能進(jìn)行樣品分析工作，當(dāng)輸出功率>800W時(shí)，ICP火焰才能保持穩(wěn)定，才可進(jìn)行樣品分析，輸出功率的穩(wěn)定性應(yīng)≤0.1%，它直接影響分析的檢出限和分析數(shù)據(jù)的精密度。
2011年美國(guó)PE公司在Optima 8000系列儀器上，采用平行鋁板作為高頻感耦元件，稱為平板等離子體。其在射頻發(fā)生器上用兩塊平行放置的鋁板，取代傳統(tǒng)的螺旋銅管感應(yīng)線圈，構(gòu)成電感耦合等離子體炬，可降低氬氣消耗在10L/min以下，并且平行鋁板不需用水冷卻，當(dāng)?shù)入x子體冷卻氣只有8L/min，等離子體炬焰仍然穩(wěn)定，使操作成本大大降低，并有良好的穩(wěn)定性和分析性能。
2.等離子體炬管高頻發(fā)生器通過(guò)用水冷卻的空心管狀銅線圈圍繞在石英等離子體炬管的上部，可輻射頻率為幾十兆赫的高頻交變電磁場(chǎng)。等離子體炬管由三層同心圓的石英玻璃管組成，工作氬氣攜帶經(jīng)適當(dāng)方法霧化后的樣品氣溶膠，從等離子體矩管的中心管進(jìn)入等離子體火焰的中央處，中心管的個(gè)外層同心管以切線的方向通入冷卻用的氬氣，它可抬高等離子體火焰、減少炭粒沉積，起到既可穩(wěn)定等離子體炬焰，又能冷卻中心進(jìn)樣石英管管壁的雙重保護(hù)作用。中心管的第二個(gè)外層同心管通入能點(diǎn)燃等離子體火焰的輔助氬氣。開(kāi)始時(shí)由于炬管內(nèi)沒(méi)有導(dǎo)電粒子，不能產(chǎn)生等離子體炬焰，可用電子槍點(diǎn)火產(chǎn)生電火花，會(huì)觸發(fā)少量工作氬氣電離產(chǎn)生導(dǎo)電粒子，其可在高頻交變電磁場(chǎng)作用下高速運(yùn)動(dòng)，再碰撞其它氬原子，使之迅速大量電離，形成“雪崩”式放電，電離的Ar+在垂直于磁場(chǎng)方向的截面上形成閉合環(huán)形路徑的渦流，即在高頻感應(yīng)線圈內(nèi)形成電感耦合電流，這股高頻感應(yīng)電流產(chǎn)生的高溫又再次將氬氣加熱、電離，而在石英炬管上口形成一個(gè)火炬狀的穩(wěn)定等離子體炬焰，此炬焰的外層電流密度大，溫度高，試樣在此炬焰中蒸發(fā)、原子化并進(jìn)行電離，再激發(fā)而呈現(xiàn)輻射光譜。
電感耦合等離子體光源結(jié)構(gòu)示意圖，見(jiàn)圖3。
圖3 電感耦合等離子體光源
1-等離子體炬焰;2-高頻線圈;3-三個(gè)同心石英管;4-輔助氬氣;5-冷卻氬氣(冷卻中心炬管);6-工作氬氣及樣品入口(由霧化室進(jìn)入)
(1)等離子體炬焰的穩(wěn)定曲線理想的ICP炬管應(yīng)易點(diǎn)燃，節(jié)省工作氬氣并且炬焰穩(wěn)定。通用ICP炬管的不足之處是氬氣消耗量大，降低冷卻氬氣流量又會(huì)燒毀ICP炬管。為了降低氬氣的消耗量，必須保持高頻輸入的正向功率與等離子體消耗能量之間的平衡，才能使ICP炬焰穩(wěn)定。等離子體輸入的正向功率，一般為1 kW，消耗能量包括工作氣流和冷卻氣流帶走的能量、熱輻射和光輻射散失的能量，試樣和溶劑蒸發(fā)、氣化和激發(fā)消耗的能量，炬管壁傳導(dǎo)和熱輻射能量。當(dāng)這些消耗能量的總和大于高頻輸入的正向功率時(shí)，會(huì)使等離子體炬焰熄滅，而高頻輸入的正向功率過(guò)大又會(huì)燒毀等離子體炬管，對(duì)每一支ICP石英炬管都有保持ICP炬焰穩(wěn)定的曲線，對(duì)直徑22 mm的ICP炬管的等離子體炬焰的穩(wěn)定曲線如圖4所示。
圖4 ICP炬焰穩(wěn)定曲線
(2)等離子體炬焰中，三股氬氣的作用
①工作氬氣也稱載氣或樣品霧化氣，此股氬氣經(jīng)霧化器，使樣品溶液轉(zhuǎn)化成粒徑只有1～10um的氣溶膠，并將樣品氣溶膠引入到ICP炬焰中還起到不斷清洗霧化器的作用，它的流量約為0.4～1.0L/min，其壓力約為15～45psi(1psi=6894.76Pa)。
②冷卻氬氣它沿中心炬管的切線方向引入，主要起冷卻作用，保護(hù)中心炬管免被高溫熔化，冷卻等離子體炬焰的外表面并與中心炬管的管壁保持一定距離，保護(hù)中心炬管頂端溫度不會(huì)發(fā)生過(guò)熱。其流量一般為10～20L/min，新型炬管此流量可降至8L/min。
③輔助氬氣它從三個(gè)同心石英管的外層通入，其作用是點(diǎn)燃等離子體火炬，也起到保護(hù)中心炬管和中間石英管的頂端不被燒熔，并減少樣品氣溶膠夾帶的鹽分過(guò)多沉積在中心炬管的頂端，其流量為0.1～1.5L/min。
冷卻氣和輔助氣都可起到提升ICP火焰高度，實(shí)現(xiàn)變換高度來(lái)觀測(cè)ICP火焰的作用。
(3)等離子體炬焰的觀測(cè)方式
①垂直觀測(cè)又稱徑向觀測(cè)或側(cè)視觀測(cè)。此時(shí)觀測(cè)方向垂直于ICP炬焰，能夠觀測(cè)火焰氣流方向的所有信號(hào)，是常用的觀測(cè)方式，適用于任何基體試液，并有較小的基體效應(yīng)和干擾效應(yīng)，此時(shí)，可以觀察到電感耦合等離子體的炬焰分為焰心區(qū)、內(nèi)焰區(qū)和尾焰區(qū)三個(gè)部分，如圖5所示。各個(gè)區(qū)域的溫度不同，功能也不相同。
圖5 ICP焰炬觀測(cè)區(qū)間
1-Ar氣導(dǎo)入?yún)^(qū);2-預(yù)熱區(qū);3-ICP焰心;4-ICP內(nèi)焰;5-ICP尾焰;6-電感線圈;7-在電感線圈上方進(jìn)行觀測(cè)的高度
ICP的焰心區(qū)呈白熾狀不透明，是高頻電流形成的渦電流區(qū)，溫度高達(dá)10000K，試樣氣溶膠通過(guò)該區(qū)時(shí)被預(yù)熱、蒸發(fā)，停留約2ms。
ICP的內(nèi)焰區(qū)在焰心上方，在電感線圈上方約10～20mm，呈淺藍(lán)色半透明狀，溫度約6000～8000K，試樣中的原子在該區(qū)被激發(fā)，龜離并產(chǎn)生光輻射，試樣停留約1 ms，比在電弧光源和高壓火花光源中的停留時(shí)間(約10-3～10-2 ms)長(zhǎng)，利于原子的離解和激發(fā)。
ICP的尾焰區(qū)在內(nèi)焰的上方，呈無(wú)色透明狀，溫度約6000K，僅能激發(fā)低能態(tài)原子的試樣。
②水平觀測(cè)又稱軸向觀測(cè)或端視觀測(cè)。此時(shí)水平放置ICP炬管，火焰氣流方向與觀測(cè)方向呈水平重合，由于整個(gè)火焰各個(gè)部分的光都可被采集，靈敏度高。缺點(diǎn)是基體效應(yīng)高，電離干擾大，炬管易積炭和積鹽而沾污，適用于水質(zhì)分析。
此時(shí)由于尾焰溫度低可能會(huì)產(chǎn)生自吸和分子光譜，導(dǎo)致測(cè)量偏差加大，為此應(yīng)采用尾焰消除技術(shù)(如壓縮空氣切割技術(shù)、冷錐技術(shù)或加長(zhǎng)炬管)，以消除分子復(fù)合光譜干擾、降低基體效應(yīng)，以提高靈敏度，擴(kuò)展線性動(dòng)態(tài)范圍。
③雙向觀測(cè)即在水平觀測(cè)基礎(chǔ)上，增加一套側(cè)向觀測(cè)光路，就可實(shí)現(xiàn)水平/垂直雙向觀測(cè)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)全部元素的水平觀測(cè)及垂直觀測(cè)，也可實(shí)現(xiàn)部分元素的水平測(cè)量或垂直測(cè)量。此時(shí)為實(shí)現(xiàn)垂直觀測(cè)，會(huì)在炬管上開(kāi)口，而導(dǎo)致縮短炬管使用壽命，此時(shí)會(huì)降低分析速度，增加了分析消耗。
3.霧化器霧化器可將試樣溶液霧化后轉(zhuǎn)化成氣溶膠，并被工作氬氣攜帶進(jìn)入等離子體炬中。
現(xiàn)在廣泛使用玻璃同心霧化器，又稱邁哈德(Meinhard)霧化器，其構(gòu)造如圖6(a)所示。
圖6 玻璃同心霧化器結(jié)構(gòu)示意圖
(a)霧化器的雙流體結(jié)構(gòu);(b)喇叭口形霧化器結(jié)構(gòu)(防止鹽類在噴口處沉積);(c)霧化器噴口的A、C、K型的結(jié)構(gòu);1-液體樣品入口;2-噴霧氣體入口;3-噴液毛細(xì)管;4-氣溶膠噴口;5-玻璃外殼
玻璃同心霧化的雙流體結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)通道，噴液毛細(xì)管(中心管)和外管之間的縫隙為0.01～0.35mm，毛細(xì)管氣溶膠噴口的孔徑約為0.15～0.20mm，毛細(xì)管壁厚為0.15～0.10mm。其噴霧原理是當(dāng)噴霧氣體(載氣)通入霧化器后，在毛細(xì)管噴口形成負(fù)壓而自動(dòng)提升液體樣品，將溶液粉碎成細(xì)小液滴，并載帶微小液滴從噴口噴出氣溶膠。
為防止液體鹽類在噴口處沉積，可將噴口制成喇叭口形，使出口保持濕潤(rùn)，而不易堵塞[見(jiàn)圖6(b)]。
由于加工方法不同，氣溶膠噴口的形狀有三種，即A、C、K型[見(jiàn)圖6(c)]。A型為平口型(標(biāo)準(zhǔn)型)，噴口內(nèi)管和外管在同平面上，噴口端面磨平。C型為縮口型，中心管比外管縮進(jìn)0.5mm，且中心管被拋光。K型與C型相同，但中心管未被拋光。A型噴口霧化效率高，C型和K型，耐鹽能力強(qiáng)，不易堵塞。
霧化器的進(jìn)樣效率是指進(jìn)入等離子體焰炬的氣溶膠量與被提升試液量的比值。當(dāng)增加載氣壓力時(shí)，會(huì)增加試液的提升量，但進(jìn)樣效率會(huì)降低，這點(diǎn)由霧化器的結(jié)構(gòu)決定的，因此使用霧化器時(shí)，應(yīng)確定進(jìn)樣效率適當(dāng)值時(shí)，所對(duì)應(yīng)載氣的壓力和流量。過(guò)度增加試液提升量，會(huì)增加大液滴的數(shù)量使廢液量增加，易造成噴口阻塞，反而使進(jìn)樣效率下降。
在PE公司Optima系列儀器上還配備了eNeb霧化器。
eNeb霧化器的機(jī)理為：采用兩個(gè)均勻微米級(jí)細(xì)孔的有機(jī)薄膜，不需高壓霧化氣流，僅在膜片的兩端加以高頻電場(chǎng)，在激烈振蕩的電場(chǎng)作用下，從薄膜的微孔處不斷噴射出大小一致的液滴，形成而均勻細(xì)小的氣溶膠，直接進(jìn)入等離子炬。其霧化效率可得到提高。氣溶膠噴頭的膜片，采用耐腐蝕的高分子Kapton材料薄膜制成，經(jīng)激光打孔形成10um以下的均勻密集微孔，孔徑和形狀可保持嚴(yán)格的一致性，使得形成的氣溶膠顆粒具有很好的一致性，并且粒徑可控制在不超過(guò)10um的很窄范圍內(nèi)，從而使其霧化效率得到很好的提高。進(jìn)樣的精密度和長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性良好。
4.電感耦合等離子體光源的特性
(1)此光源的工作溫度高于其它光源，等離子體炬表面層溫度可達(dá)10000K以上，在中心管通道溫度也達(dá)6000～8000K，在分析區(qū)內(nèi)有大量具有高能量的Ar+等離子，它們通過(guò)碰撞極有利于試樣的蒸發(fā)、激發(fā)、電離，有利于難激發(fā)元素的測(cè)定，可測(cè)70多種元素，具有高靈敏度和低的檢測(cè)限，適用于微量及痕量元素分析。
(2)此光源不使用電極，可避免由電極污染帶來(lái)的干擾。因使用氬氣作為工作氣體，產(chǎn)生的光譜背景千擾低、光源穩(wěn)定性良好，可使分析結(jié)果獲得高精密度(標(biāo)準(zhǔn)偏差為1%～2%左右)和準(zhǔn)確度，定量分析的線性范圍可達(dá)4～6個(gè)數(shù)量級(jí)。
由于電感耦合等離子體光源具有良好的分析性能和廣泛的應(yīng)用范圍，在近二十年受到廣泛重視，發(fā)展迅速。
此光源使用氮?dú)獍l(fā)生器從空氣中提取氮?dú)猓鳛楫a(chǎn)生等離子體的氣源，而不使用昂貴的氬氣。它不使用高頻發(fā)生器的電場(chǎng)作為等離子體炬的能源，而是使用大功率1000W工業(yè)級(jí)磁控管產(chǎn)生的電磁場(chǎng)作為N2等離子體炬的能源。這種使用磁場(chǎng)而非電場(chǎng)來(lái)耦合微波能量并激發(fā)N2等離子體的技術(shù)，大大降低了發(fā)射光源的成本，原子化溫度達(dá)5000℃，并具有即開(kāi)即用、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。
此光源使用的炬管，可隨時(shí)拆卸，安裝時(shí)可實(shí)現(xiàn)炬管的快速定位和與氣源的連接，保證了定位精度和快速啟動(dòng)。
此光源使用One Neb通用霧化器(見(jiàn)圖7)，采用惰性材料制作，耐有機(jī)溶劑和強(qiáng)酸，其特殊的防阻塞設(shè)計(jì)使其成為高鹽、高固體溶解濃度樣品溶液進(jìn)行霧化的選擇。
圖7 One Neb通用霧化器
1-試液樣品入口;2-霧化N2入口;3-四氟乙烯噴液毛細(xì)管;4-氣溶膠噴口;5-聚乙烯外殼
五、輝光放電光源
輝光放電(glow discharge, GD)可用作原子發(fā)射光譜的激發(fā)光源，它具有較高的穩(wěn)定性，能直接用于固體樣品的成分分析和逐層分析。
輝光放電有直流放電(DC)模式，可用于金屬等導(dǎo)體分析，射頻放電(RF)模式可用于所有固體樣品(導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體)的分析。
輝光放電光源，基本上都是格里姆(Grimm)型，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。
此光源中，陽(yáng)極空心圓筒伸入環(huán)形陰極中，它們之間為聚四氟乙烯絕緣體。兩個(gè)電極間的距離和陽(yáng)極圓筒下端面與陰極試樣之間的距離皆為0.2 mm。光源內(nèi)部抽真空至10Pa后，充入壓力約100～1000Pa的低壓放電氣體氬，然后在兩電極間施加500～1500V直流電壓;陽(yáng)極接地保持零電位，陰極施加負(fù)高壓。使光源內(nèi)氬氣被激發(fā)、離解成Ar+和電子，在兩電極間形成Ar+等離子體。在電場(chǎng)作用下Ar+與陰極樣品碰撞，在樣品表面的原子，獲得可以克服晶格束縛的5～15eV的能量，并以中性原子逸出表面，其再與Ar+和自由電子產(chǎn)生一系列的碰撞，會(huì)被激發(fā)電離、產(chǎn)生二次電子發(fā)射，從而在負(fù)輝區(qū)產(chǎn)生樣品特征的發(fā)射光譜。負(fù)輝區(qū)主要構(gòu)成陰極的金屬原子的濺射和光輻射，它產(chǎn)生大的電流密度和電子動(dòng)能，會(huì)使揮發(fā)出的氣態(tài)原子強(qiáng)烈電離，并激發(fā)出光輻射(見(jiàn)圖9)。
圖8 格里姆輝光放電光源結(jié)構(gòu)示意圖
1-石英窗;2-陽(yáng)極;3-環(huán)形陰極;4-絕緣體;5-放電氣體(Ar)入口;6-放電氣體出口;7-樣品;8-負(fù)輝區(qū)
圖9 格里姆放電光源放電負(fù)輝區(qū)放大圖
輝光放電光源，除使用直流電壓供電分析金屬導(dǎo)體外，還可在兩電極間施加具有一定頻率的射頻電壓，此時(shí)樣品可交替作為陰極或陽(yáng)極，其表面輪流受到正離子和電子的碰撞，增大了樣品原子被撞擊的頻率，提高了樣品原子化和被激發(fā)離子化效率，它可直接分析導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體樣品。
輝光放電過(guò)程，樣品原子被不斷地逐層剝離，隨濺射過(guò)程的進(jìn)行，光譜信息反映的化學(xué)組成，由表面到里層所發(fā)生的變化，可用于深度分析。
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