原子荧光光谱仪空心阴极灯灯电流、激发光强度及供电脉冲宽度的关系

李　可， 邢铁增， 邓艳龙， 窦　智， 周海涛， 施苏利

(中国地质科学院　地球物理地球化学勘查研究所，廊坊　065000)



原子荧光光谱仪空心阴极灯灯电流、激发光强度及供电脉冲宽度的关系

李可， 邢铁增， 邓艳龙， 窦智， 周海涛， 施苏利

(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊065000)

摘要：应用新型全自动双通道原子荧光光谱仪，选择原子荧光光谱分析常用元素As、Sb、Hg，其空心阴极灯在不同供电脉冲与灯电流下，仪器进行了同步采集激发光强度及主辅电流的实验。根据实验结果，分析和讨论了空心阴极灯激发光强度、主辅电流及供电脉冲宽度之间的关系，为原子荧光光谱分析灯电流及脉冲宽度的选择提供参考依据。

关键词：原子荧光光谱仪； 空心阴极灯； 灯电流； 激发光强度

0引言

原子荧光光谱法是用一定强度的激发光源照射待测元素的原子蒸气时，产生一定强度的特征原子荧光光谱，测定原子荧光的强度即可求得样品中待测元素的含量[1-3]。与其他光谱法相比具有灵敏度高、重现性好、光谱干扰少、线性范围宽、分析速度快、可多元素同测等优点，已成为地质、冶金、环保、商检、医疗卫生、水质分析等部门常用的一种痕量分析方法[4]。

激发光源是原子荧光光谱仪的主要组成部分，在一定条件下，荧光强度与激发光源的发射强度成正比。目前原子荧光光谱仪中应用最广泛的一种激发光源是空心阴极灯，为了使空心阴极灯既能发出足够的发光强度，又能保持一定的使用寿命，通常采用短脉冲大电流的供电方式[5]。

张锦茂等[6-8]对高效特种空心阴极灯的一些性能做了比较详细地研究和分析；黄本立等[9]利用强短脉冲供电空心阴极灯作为原子荧光法光源进行了较为详细地研究。 目前已有的文献对于脉冲供电空心阴极灯工作电流(灯电流)与激发光强度关系的分析和研究不多。

这里利用中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所最新研制的全自动双通道原子荧光光谱仪，选择荧光光谱分析常用元素As、Sb、Hg，研究和分析了其空心阴极灯主辅电流、激发光强度及供电脉冲宽度之间的关系。

1实验

1.1实验仪器

分析测试使用的新型全自动双通道原子荧光光谱仪，仪器负高压的稳定度优于±0.01%；灯电流的稳定度优于±0.1%；检测系统的稳定度优于±0.5%。

1.2空心阴极灯

空心阴极灯[6-9](HCL)采用可调脉冲宽度恒流源为其供电，其原理如图1所示。空心阴极灯供电脉冲调制信号的频率为200 Hz (即信号周期T=5 ms)，脉冲宽度(t)和占空比(D=t：T)由计算机控制，t从3.2 us到2 496 us可灵活设置。实验时仪器采用两只空心阴极灯交替供电单一光电倍增管检测原子荧光信号的双道测量方式，空心阴极灯供电脉冲宽度选择为167 us(D=1∶30)、250 us(D=1∶20)、500 us(D=1∶10)、1 000 us(D=1∶5)。

图1　空心阴极灯供电原理框图Fig．1　The circuit schematic diagram of HCL

用于实验的空心阴极灯型号及生产厂家见表1，除Hg是单阴极灯，其他均为双阴极灯。

表1　空心阴极灯型号及生产厂家

1.3实验方法

将仪器调试在正常工作状态，设置适当的负高压(-210 V)，在石英炉原子化器的炉口上部放置一个反射杆[10]。空心阴极灯在不同脉冲信号(占空比分别为1∶30、1∶20、1∶10、1∶5)供电下，不同灯电流(从20 mA～80 mA，10 mA一个间隔)条件下，仪器同步实时地采集主辅电流与激发光信号。

1.4灯电流实验

实验进行了空心阴极灯在不同脉冲信号(占空比分别为1∶30、1∶20、1∶10、1∶5)供电下，灯电流(从20 mA～80 mA，10 mA一个间隔)时间域内变化趋势的测试，如图2、图3所示。

图2　不同脉冲信号供电下主电流的曲线图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

图3　不同脉冲信号供电下辅电流的曲线图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激发光强度实验

实验进行了氢化物元素常用灯源(As灯、Sb灯)的激发光强度随主辅电流(从20 mA～80 mA，10 mA一个间隔)在时间域内变化趋势的测试，如图4、图5所示。实验进行了冷原子元素灯源(Hg灯)的激发光强度随主电流(从20 mA～80 mA，10 mA一个间隔)在时间域内变化趋势的测试，如图6所示。图4～图6的每个小图中最上面的曲线是主辅电流80 mA时激发光强度在时间域内变化趋势，往下依次为主辅电流70 mA、60 mA、…、20 mA时激发光强度在时间域内变化趋势。

1.6激发光强度与供电脉冲宽度的实验

实验进行了空心阴极灯(As灯、Sb灯和Hg灯)在一定的工作电流(As、Sb灯主辅电流40 mA/40 mA,Hg灯主电流40 mA)条件下激发光强度随不同脉冲信号(占空比1∶30、1∶20、1∶10、1∶5)在时间域内变化趋势的测试，如图7所示。图7的每个小图中最右面曲线是占空比1:5时激发光强度在一定工作电流(As、Sb灯主辅电流40 mA/40 mA，Hg灯主电流40 mA)条件下的变化趋势，往左依次是占空比为1:10、1:20、1:30时激发光强度在一定工作电流(As、Sb灯主辅电流40 mA/40 mA，Hg灯主电流40 mA)条件下的变化趋势。

图4　As灯激发光强度随主辅电流在时间域内变化的曲线图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

图5　Sb灯激发光强度随主辅电流在时间域内变化的曲线图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

图6　Hg灯激发光强度随主电流在时间域内变化的曲线图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

图7　空心阴极灯激发光强度随不同脉冲供电在时间域内变化的曲线图Fig．7　Exciting light intensity curve of HCL with different duty ratio(a)As灯;(b)Sb灯;(c)Hg灯

2分析与讨论

2.1灯电流

从图2、图3可看出，空心阴极灯采用脉冲调制闭环恒流源供电系统，可获得稳定的灯电流。在一定条件下，灯电流只与脉冲调制闭环恒流源电路性能有关，而与空心阴极灯的种类与型号无关。

当空心阴极灯脉冲供电开通后，一定的延时(约30 us～65 us)灯电流开始迅速上升(即空心阴极灯开始点亮)，大约220 us～260 us的时间达到一个较为稳定的工作电流，此时的灯电流最大。当脉冲供电关断后，灯电流迅速下降到底火状态(即空心阴极灯小电流维持的点亮状态)。

对于占空比1∶30、1∶20时，脉冲供电控制信号关断时，灯电流仍处于上升期；当占空比1∶10、1∶5时，脉冲供电开通后经过大约220 us～260 us的延时，达到较为稳定的工作电流。此延时时间与闭环恒流源电路系统的滤波、消振及反馈性能有关。

2.2As灯、Sb灯激发光强度

从图2～图5可看出，激发光强度随时间域的实测曲线的上升趋势与灯电流随时间的上升趋势基本类似，只是由于灯电流的迟滞、激发光的延迟和余辉以及来自光电倍增管分布电容的影响，As灯和Sb灯的激发光强度相对于灯电流发生了一定的延时。

从图4、图5可看出，当空心阴极灯脉冲供电开通后，大约50 us～80 us的延时后激发光信号开始上升，经过大约340 us～430 us(空心阴极灯从脉冲供电开启直到发出稳定且最大激发光强度所需的时间称之为t稳定)达到一个较稳定的激发光强度，此时的激发光强度最大，t稳定随灯电流的增大而减小。只有当供电脉冲宽度的时间大于t稳定，，空心阴极灯发出稳定且最大的激发光强度。当脉冲供电占空比1∶30(脉冲宽度167 us)、1:20(脉冲宽度250 us)的脉冲宽度均小于t稳定，故当脉冲供电控制信号关断时，激发光信号仍处于上升期，没有达到最大值；当脉冲供电占空比1∶10(脉冲宽度500 us)、1∶5(脉冲宽度1 000 us)时，其脉冲宽度大于t稳定，， 故可达到较稳定且最大的激发光强度。当供电控制信号关断后，激发光信号迅速下降，大约280 us～420 us回归基线，此延时时间随灯电流的增大而增长。

2.3Hg灯激发光强度

因Hg空心阴极灯结构与常规的空心阴极灯有所不同，得到的激发光强度相对其他空心阴极灯信号也不同[5]。从图6可以看出，汞灯的曲线比较特殊。当空心阴极灯脉冲供电开通后，约45 us～70 us的延时后，激发光信号进入一个上升期，约在 140 us～200 us出现极大值。出现极大值后迅速下降，其后维持在一定的激发光强度。汞灯的这种反常现象与Hg灯容易自吸有关[8]。

在脉冲供电控制信号关断后，Hg灯与其他空心阴极灯一样，受光源辐射余辉的影响，激发光信号逐渐下降并回归基线。

2.4激发光强度与供电脉冲宽度的关系

从图7可看出，在一定条件下，同一空心阴极灯在相同的灯电流条件下，产生的激发光信号随不同的供电脉冲信号在时间域内实测曲线的趋势是基本一致的，但激发光强度随不同的供电脉冲信号而产生较大的差异。

对于As灯、Sb灯在主辅电流40 mA/40 mA条件下，当t稳定=400 us时，发出稳定且最大的激发光信号。当占空比1∶10、1∶5时，供电脉冲宽度的时间大于t稳定，， 故可达到较稳定且最大的激发光强度If；当脉冲供电占空比1∶30时，其发出的激发光强度大约只有60 %If；当脉冲供电占空比1∶20时，其发出的激发光强度约达到85 %If。

对于Hg灯在主电流40 mA条件下，约在 160 us(t峰)出现极大值。当供电脉冲宽度低于或高于此峰值时间(t峰)，激发光强度均有不同程度的降低；偏离t峰越大，激发光强度越小。

2.5激发光强度与灯电流的关系

从图4～图6中可看出，在一定条件下，随着空心阴极灯灯电流的增大而激发光强度增强。理论上讲，提高空心阴极灯的工作电流，即可增加激发光强度，这为提高仪器灵敏度提供了一个有效的途径。

随着灯电流的进一步增加，激发光强度反而减少，即空心阴极灯有着不同程度的发射谱线自蚀(自吸)现象，对于汞灯尤其明显。As灯和Sb灯在占空比1∶5，主、辅电流大于70 mA时有一定的自吸现象，并随着灯电流的增大越来越显著。Hg灯在不同的工作电流下，约在140 us～200 us出现极大值，其后均有较明显的自吸现象。

3结论

这里选择原子荧光光谱分析常用元素As、Sb、Hg，进行了空心阴极灯激发光强度、主辅电流及供电脉冲宽度之间关系的研究。结果表明，用于原子荧光光谱分析的空心阴极灯激发光强度不仅与其性能有关，与灯电流大小有关，也与闭环恒流源供电系统的脉冲宽度有关。在实际应用中，空心阴极灯灯电流一般选择30 mA～60 mA有较佳的信噪比。对于As、Sb元素，空心阴极灯供电脉冲宽度在340 us～430 us达到一个较稳定的激发光强度；汞灯的曲线比较特殊，供电脉冲宽度约在 140 us～200 us出现极大值。这为提高原子荧光光谱仪的技术性能提供了一个有效的方法，为实际分析测试时空心阴极灯主、辅电流及脉冲宽度的选择提供参考依据。

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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

中图分类号：P 632

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1001-1749.2016.01.15

文章编号：1001-1749(2016)01-0103-05

作者简介：李可(1978-)，男，副教授，主要从事分析仪器的开发和生产工作，E-mail：like@igge.cn。

基金项目:国土资源部地质大调查项目(1212011120270)；基本科研业务费(AS2013P03)

收稿日期：2014-02-18改回日期：2014-12-20