直读光谱仪方法介绍-上海材料所

SPECTRO直读光谱分析仪—金属化学成分最快捷最实用的分析手段德国斯派克分析仪器公司上海代表处直读光谱仪内容介绍一.直读光谱仪分析技术的基本原理及直读光谱仪的基本结构二.直读光谱仪分析技术的分析对象，用途及特点三.直读光谱仪分析方法及应用直读光谱仪内容介绍直读光谱仪分析技术的基本原理及直读光谱仪基本结构介绍：以现今最先进的德国斯派克分析仪器公司最新型号的SPECTROMAXx直读光谱仪为例说明最新一代直读光谱仪SPECTROLAB(通道+全谱型）SPECTROMAXx（全谱型）最新一代全谱型立式直读光谱仪

SPECTROMAXx第6代外观最新一代全谱型台式直读光谱仪

SPECTROMAXx第6代外观原子发射光谱介绍BasicsoftheSpectralAnalysis直读光谱仪定义及原理基本原理介绍：属原子发射光谱分析范畴，具体通俗可表述为：通过将熔融冷却后的金属块状样品直接放置于仪器激发台上，光源通过电极对样品放电提供激发能量，使之激发产生原子发射光谱，通过采光--分光--检测等过程得到每个元素的原子特征分析光谱线，进行定性和定量分析，最后通过计算机数据处理后直接读出每个元素在该材料中的准确含量，将该原子发射光谱分析方法简称为--直读光谱，将这类检测仪器叫作直读光谱仪。直读光谱仪工作原理1。发光2。采光3。分光5.数据处理4。检测直读光谱分析的五个基本过程直读光谱仪的基本结构1。发光（激发）系统2。采光系统3。分光系统5.数据处理系统4。检测系统直读光谱分析仪的五个基本系统SPECTROMAXx直读光谱仪的基本原理及结构最新等离子激发光源DDD1－紫外光学系统全息等离子光栅3600刻线/mm140/160-230

nm2－可见光学系统全息等离子光栅2400刻线/mm230-670

nm计算机控制数据处理样品1。样品被激发后产生光谱线—发光2。采光3。分光4。检测5.数据处理直读光谱仪的基本原理及结构一.发光（激发）系统：

由光源及样品台组成—其目的是让样品中的待测元素的原子发出各自的特征原子发射光谱线

1.光源的作用：提供样品激发所需的能量

2.样品台的作用：提供样品激发所需要的平台及条件—能承载样品，能保证样品激发在氩气氛围中进行，使样品激发产生的光谱线能量不损失。BasicsofOESSubstance(i.e.materialtocheck)consistsofdifferentchemicalelements.

物质是由不同的化学元素组成的Thechemicalelementsconsistofatoms.

不同的化学元素是由不同的原子组成的BasicsofOESWith

发射光谱(OES)

OpticalEmissionSpectroscopy

usinganelectricaldischarge,theatomsareexcitedtoreleaseradiation.

Theradiation,intheformoflight,issplitintoitswavelengthsandthelightintensityofspectrallinesismeasured.BasicsofOES

ModeloftheAtom原子模型:

ANucleusconsistsofProtons(+)andNeutrons(0).TheNucleusissurroundedbyElectrons(-)onorbits.原子由原子核和围绕原子核旋转的电子组成，原子核由质子和中子组成。BasicsofOESWithOpticalEmissionSpectroscopy原子发射光谱产生原理:

-energyissuppliedtotheatom原子吸收原子激发能

-electronsmovedfromgroundstatetoanexcitedstate

电子由基态跃迁到激发态

EnergySupply提供能量BasicsofOES-Theelectronscannotstayinthisexcitedstate

激发态是不稳定态，电子不能总是处在激发态-Theyreturntotheirinitialorbit

电子会自觉地由激发态回到基态-Theygiveupenergyintheformoflight

在回到基态的过程中以光的形式释放能量

Radiation=Light广的产生BasicsofOES

AtomicSpectraPlanck´slaw普朗克定律::DE=hv=hc/l

DE = energybetweentwostates

h = 6.6256x10-27ergsec v = frequency c = lightspeed l = wavelengthBasicsofOES

Wavelengths/Wavelengthranges:Units单位 1nm = 10-9m 1Å = 10-10m 1pm = 10-12mRanges范围

红外光区Infrared: >800nm

可见光区Visible: 400-800nm

紫外光区UV: 200-400nm

远紫外光区VUV: <200nm

BasicsofOES

Electromagneticspectrum电磁波光谱图Gamma X-Rays UltraVisibleSpectrum InfraredRadioWaves Rays Violet (Microwave,TV,Radio)

0.01nm 1nm 200nm400-700nm1mm 1meter1kmBasicsofOESDependingonthepossibleelectronshiftsforanelementvariousspectrallinesariseatdifferentwavelengths

TheanalysisofchemicalelementsusingOpticalEmissionSpectroscopyworksatawavelengthrangebetween化学元素分析最常用的原子发射光谱线范围：

120-800nm直读光谱仪工作原理及结构总结1.光源—通过电极对样品在氩气氛围中放电让样品中的待测元素的原子发出各自的特征原子发射光谱，如C193nm,P178nm,S180nm等

光源的作用：提供样品激发所需的能量理想的光源：应能根据不同样品的激发特点提供相应的激发能量，使不同样品在同一台仪器上都能得到最佳的激发效果

SPECTROMAXx最新数字化光源设计—优化激发效果DDD全数字化等离子光源设计 -适合各种金属材料分析 --优化激发效果全新真正数字化光源NewPlasmaGenerator直读光谱仪工作原理及结构总结

2.样品台样品台的作用：提供样品激发所需要的平台及条件—能承载样品，能保证样品激发在氩气氛围中进行，使样品激发产生的光谱线能量不损失。理想的样品台：能适合各种不同大小形状的样品分析，氩气消耗量小，冷却效果好，故障率低，容易清理，日常维护保养方便UV光室充满氩气标准样品标准样品激发示意图样品台示意图SPECTROMAXx样品激发台开放式样品台设计对尺寸无特殊要求样品，一般样品直径大于14mm即可，同时可选配三种小样品夹具完成小样品分析难题易于更换和维护的火花台设计优化的氩气冲洗路线，使氩气节省50％可移动式紫外光室入射窗，日常清洗方便电极座下巧妙设计散热片，使火花台无需循环水冷却废氩经2次粉尘吸附装置后排放，环保健康SPECTROMAXx样品夹适合各种试样的夹持上下左右均可移动左右2边均可调节操作灵活方便SPECTROMAXx火花台腔–优化的冲氩路线SPECTROMAXx可移动式紫外光室入射窗小样品夹具

线材分析夹具

(3–10mm直径)线材分析夹具

(0.8–3mm直径)薄片分析夹具

(0.1–1mm厚度)小试样家具组直读光谱仪的基本原理及结构二.采光（导光）系统：

由采光透镜及导光媒介组成—其目的是让原子发射光谱线均采集到光学系统中 采光透镜的作用：采集所有原子发射光谱线

导光媒介的作用：提供所有光谱线所需的传光导光的条件和载体—如光导纤维UV光室光导

纤维传统采光方式-直射式UV光室可调节遮光板mask(2个位置)直射式+光导纤维采光导光相结合直射式采光和光导纤维采光导光-优化采光效果直读光谱仪的基本原理及结构三.分光（光学）系统：

由入射狭缝，光栅，出射狭缝及罗兰圆组成—其目的是让采集到的一束复合光通过光学系统的分光作用后变成单色光，找到每个元素的特征分析谱线 光栅的作用：分光--使复合光变成单色光

罗兰圆的作用：是一个经典的分光结构，能将入射狭缝，光栅和出射狭缝同时聚焦在罗兰圆上。SPECTROMAXx分光系统创新设计的空气光室波长范围230-670nm配置有多块高分辩率CCD检测器优秀的分析精度,稳定性和耐用性完美的整体光室有效防护外界灰尘和冲击Paschen-RungePolychromatorwithCCDDetectorsProductHighlightsOptic创新设计的远紫外光室最宽波长范围:140–230nm配置有多块高分辨率CCD检测器完美的整体光室,各光学部件均得到有效防护整个光室仅350ml体积，氩气消耗量小直读光谱仪的基本原理及结构总结分光（光学）系统：在一台仪器中如分光波段为120-800nm是否有必要设置2个以上光学系统来完成整个波段的分光，如需要应如何设置？直读光谱仪的基本原理及结构总结远紫外光的分光特点：波长短，能量高，要求光栅具有极强的分光能力，故应选择高刻线光栅如3600条/mm进行分光，且为了减少紫外光能量损失，应选择对远紫外光吸收小的材料作光栅；可见光的分光特点：波长居中，能量居中，要求光栅具有较强的分光能力，故应选择中刻线光栅2400条/mm进行分光，且对光栅材质无特殊要求；不同刻线的光栅的最佳分光波段直读光谱仪的基本原理及结构四.检测（光学）系统：

由检测器及信号输出系统组成—其目的是让光信号转换成数字信号，进而输出到数据处理系统。 检测器的作用：将光信号转换成数字信号检测器的分类：A.通道型检测器—光电倍增管PMTB.全谱型检测器—固体检测器如CCD,CID等通道型光谱仪结构示意图光栅入射狭缝带PMTsHgCrNi出射狭缝MoSPECTROMAXx的CCD检测技术

--最新一代CCD检测器特点无需超低温冷却,避免结霜,省时,省气每个子阵有带有数字信号处理器的读出系统，并联设计,同时采集处理数据测量一级光谱，能量强，积分时间短罗兰圆上CCD线性错层排列的特殊设计,避免了“光晕”现象扩展到8个数量级动态线性范围全谱分析仅需3秒!!市场上分析速度最快的CCD仪器

远紫外波段区域的检测条件

氧气和水分会吸收远紫外区谱线光强,

→降低透光率，灵敏度解决办法：真空系统：由于真空泵油扩散至光学系统，降低仪器灵敏度氮气或氩气冲洗光学系统：需要光学系统很小，否则气体消耗量大

密闭充氮或氩气光学系统(专利技术)--SPECTRO

用ICAL标样进行仪器初始化时的全谱谱图直读光谱仪的基本原理及结构五.数据处理（读出）系统：

由信号读出系统及数据处理系统（计算机）组成—其目的是让采集到的数字信号转化成每个元素的化学含量 信号读出系统的作用：将光信号转化成光强值

计算机数据处理系统的作用：将每个元素的某条特征光谱线强度转化成该元素的化学含量读出系统显著缩短分析时间:一次激发同时完成所有元素的分析在2ms内完成所有CCDs的读数(以前为100ms)每个CCD均为独立控制

WindowsXP操作软件--界面相当友好仪器故障及状态实时在线显示系统直读光谱仪的基本原理及结构总结最新全数字化等离子激发光源DDD1－紫外光学系统全息等离子光栅3600刻线/mm140-230

nm2－可见光学系统全息等离子光栅2400刻线/mm230-670

nm计算机控制数据处理样品1。样品被激发后产生光谱线—发光2。采光3。分光4。检测5.数据处理直读光谱仪内容介绍二.直读光谱仪分析技术的对象，用途及特点：分析对象：金属材料（铁/铝/铜/镁/钛/镍/钴/铅/锡/锌等10种不同类型的基体材料）主要用途：原材料分析，炉前快速分析，成品分析分析特点：A.多元素同时快速分析—可在30秒钟内同时分析包括C,P,S,N,Hg,Pb,Sn,Cd,Cr,Ni,Mo,Ti,V,W,Al,Cu,Mn,Si,Co,Nb,B,As,Sb,Bi,Mg,Zn,Zr,Ca,Ce,La等在内的几乎所有金属材料中关心的元素分析；B.样品制备简单，黑色样品如钢铁只需用40-60目沙轮或沙带纸磨平即可，有色样品只需用小车床或铣刀铣平即可；C.样品尺寸大小无特殊要求，适应面广，可分析大到30公斤的样品，对于丝状，棒状或薄片样品可采用相应的小试样夹具分析；D.对环境要求低，适合于炉前复杂环境及中心实验室原材料和成品分析。直读光谱仪内容介绍二.直读光谱仪分析技术的其他特点：高灵敏度(检出限在1ug/L级)高精密度(1%的含量相对标准偏差<1%)线性工作范围宽(4-6个数量级)厂家可预制工作曲线，建立分析方法，现场培训操作简单，维护保养方便，消耗成本低可实现全自动分析至今最实用最快捷的金属成分分析手段，尤其适合金属炉前成份分析SPECTRO人性化的设计理念主要体现以下8个方面快速分析：标准检测时间25秒结果准确：各种先进的分析检测技术综合运用的结果降低成本：氩气消耗量减少50%，其他运行也很低操作方便：软件界面友好，易学易懂维护方便：5000次激发免清理，抽屉式光室设计适合样品范围广：开放式火花台设计，可移动的样品夹适多各种形状的大样品分析，选配各种小样品夹具解决小样品分析难题(直径>0.8mm细丝，厚度>0.1mm薄片)针对炉前及实验室各种复杂环境专门设计，抗振动，灰尘，电磁干扰能力强。稳定性好故障率低，使用寿命长SPECTROMAXxCCD系列光谱仪的特点1.仪器适用范围广，最多可配置10种分析基体

Fe,Al,Cu,Mg,Zn,Ti,Ni,Pb,Sn,Co。2,ICAL智能再校正，一个标样，自动完成仪器的描迹校正。3，升级容易，不需对仪器硬件进行调整，只需对仪器软件进行升级。4，日常使用花费少（标样，氩气，无真空系统）。5，操作简便，XP对话式操作软件，自动监控仪器状态。直读光谱仪内容介绍三.直读光谱仪分析方法介绍：1.样品制备方法2.定量工作曲线建立方法3.仪器校正方法4.产品质量控制方法直读光谱仪内容介绍三.直读光谱仪分析方法：1.样品制备方法：黑色样品如钢铁只需用40-60目沙轮或沙带纸磨平即可，有色样品只需用小车床或铣刀铣平即可注意：直读光谱仪对样品的要求：

1.表面无污染

2.表面完整，无缺陷（包括裂纹，缩孔，沙眼）

3.表面元素分布均匀直读光谱仪内容介绍三.直读光谱仪分析方法：2.定量工作曲线建立方法：厂家预制持久工作曲线（斯派克）用户现场制作工作曲线（岛津）定量分析软件--德国斯派克预制工作曲线

钢中碳元素工作曲线(0.001-1.4%)1.401.201.000.800.600.400.20200040006000800010000强度

C/Fe浓度C[%]直读光谱仪内容介绍三.直读光谱仪分析方法：3.仪器飘移校正方法：传统通道型仪器飘移校正方法最新全谱型仪器漂移校正方法ICAL与传统校正方法的区别传统通道型仪器漂移校正方法:第一步先作仪器光谱线位置漂移校正－－苗迹

第二步针对每个分析基体按步骤分析再校正样,典型的为4-5个标样实现对工作曲线进行再校正最新全谱型仪器漂移校正方法（ICAL）:合二为一只需一个标准样品(随主机带)对现全谱图与原始全谱图进行对照，使之完全重合，从而实现所有元素的工作曲线在一次校正中完成IntelligentCalibrationAndLogicICAL

ICAL进行仪器初始化ICAL标样原始谱图和校正前谱图比较实测光谱强度及谱峰的结果(scan)光谱强度及谱峰的希望值(scan)利用ICAL谱图峰位进行描迹光学系统描迹完成.

利用ICAL谱图峰高差异计算校正系数完成对整个仪器系统的初始化计算ICAL的校正系数完成对光学系统的描迹同时完成对仪器的其他组件的再校正ICAL智能逻辑再校正:同时一步完成仪器光学系统的描迹和仪器整体再校正ICAL智能逻辑再校正的优势减少仪器准备时间仅需测定一个ICAL校正样与传统校正方法相比,ICAL校正方法可明显节约时间:ICAL=1/基体个数节约费用在需更时,只需更换一个ICAL校正样,而不需采购传统的高低标再校准样品(每种基体约为4-5个)提高分析结果的可信度实时对仪器整体进行监控灵活增加分析材料的工作曲线(只需升级软件,不需进行硬件的变化)操作简便ICAL–时间就是金钱配置5个分析基体无ICAL功能带ICAL功能每个分析基体测量4-5再校正标样

所需时间:

1分钟/样5分钟/基体25分钟用于调整分析程序

最少需30分钟另加加上描迹时间只需测量单个ICAL

标样(铝基中若需量Na,K二元素:需测量二个ICAL标样)

时间要求:

对所有基体只需5分钟

最多需5分钟直读光谱仪内容介绍三.直读光谱仪分析方法：4.产品质量控制方法：类型标准化或控制式样法即用某个牌号的国际或国内标准样品对仪器进行单点成分校正，自动形成校正系数，然后在检测同牌号样品时仪器会自动乘上该校正系数从而使所分析的数据准确可靠，有效的克服了系统和偶然误差。直读光谱仪内容介绍三.直读光谱仪的应用：已被广泛应用于金属原材料分析，炉前成分快速分析，成品分析等过程质量控制中，可以很好的帮助客户控制采购成本，提高炉前质量控制水平，降低废品率和能耗，提高成品品牌效应SPECTROMAXxFe基材料分析程序元素铁基通用程序中低合金钢酸溶物分析易切削钢铸铁不锈钢工具钢高锰钢高铬铸铁

%%%%%%%%%C0.0015-4.30.0015-1.40.0015-1.40.0015-1.41.4-4.30.0015-2.50.0015-1.60.0015-1.61.4-3.6Si1.0-5.51.4-5.51.4-5.51.3-5.51.0-3.51.8-4.2

Si0.0015-1.20.0015-1.60.0015-1.60.0015-1.60.0015-1.20.0015-2.00.0015-2.10.0015-1.60.0015-1.7Mn1.8-19.6

1.0-4.11.6-15.2

0.1-19.6

Mn0.001-2.10.001-2.30.001-2.30.001-2.30.001-1.20.001-1.80.001-1.5

0.001-2.1P0.0005-2.40.0005-0.130.0005-0.130.0005-0.10.0005-2.40.0005-0.080.001-0.050.0005-0.10.0005-0.41S0.0005-0.350.0005-0.10.0005-0.10.01-0.430.0005-0.230.0005-0.350.0005-0.040.0005-0.0630.0005-0.09Cr0.1-2.00.1-8.30.1-8.30.0015-8.30.25-1.20.001-2.00.0015-2.00.1-4.0

Cr1.8-32.1

1.0-9.11.8-32.11.8-11.6

10.0-32.1Cr0.001-0.150.0005-0.150.0005-0.15

0.0005-0.27

0.0005-0.2

Ni0.0025-4.50.0025-1.60.0025-1.60.0025-1.60.0025-2.00.0025-4.50.003-1.40.0025-1.60.003-2.6Ni4.0-43.41.4-5.51.4-5.51.4-5.51.8-7.24.0-43.4

1.4-3.82.3-16.5Mo0.5-9.50.4-2.40.4-2.40.4-2.40.4-2.20.5-6.10.0015-9.50.5-2.10.0015-3.8Mo0.001-0.550.001-0.50.001-0.50.001-0.50.001-0.50.001-0.55

0.001-0.6

Al0.22-2.10.12-2.00.12-2.00.12-2.0

0.22-2.1

Al0.001-0.270.0005-0.160.0005-0.160.0005-0.160.0005-0.10.0005-0.270.0005-0.130.0005-0.4

Cu0.0005-0.30.0005-0.250.0005-0.250.0005-0.250.0005-0.250.0005-0.350.0005-0.350.0005-0.530.0005-0.2Cu0.2-8.10.2-1.20.2-1.20.2-1.20.2-2.50.3-6.2

0.15-1.3Co0.0015-1.1

0.002-1.00.0015-0.35

Co

0.001-2.10.001-2.10.001-2.10.001-0.2

0.001-0.36Co0.9-17.9

0.9-17.90.3-10.1

Ti0.0005-3.20.0005-0.820.0005-0.82

0.0005-0.450.0005-3.20.0005-0.021

Nb0.004-3.0

0.001-0.450.004-3.0

0.003-0.051V0.001-1.10.001-0.820.001-0.820.001-0.820.001-0.620.001-0.30.001-4.60.001-0.34V0.9-10.0

0.25-10.0

W0.007-20.50.007-3.10.007-3.10.007-3.10.007-0.130.007-6.10.007-20.5

Pb0.002-0.110.002-0.0250.002-0.0250.01-0.340.002-0.060.002-0.11

Mg0.0005-0.025

0.0004-0.02

Mg0.015-0.23

0.015-0.12

B0.0002-0.10.0002-0.0140.0002-0.014

0.0002-0.10.00