國(guó)內(nèi)外光電直讀光譜儀的發(fā)展

    光譜起源于17世紀(jì)，1666年物理學(xué)家牛頓**次進(jìn)行了光的色散實(shí)驗(yàn)。他在暗室中引入一束太陽(yáng)光，讓它通過(guò)棱鏡，在棱鏡后面的自屏上，看到了紅、橙、黃、綠、蘭、靛、紫七種顏色的光分散在不同位置上——即形成一道彩虹。這種現(xiàn)象叫作光譜．這個(gè)實(shí)驗(yàn)就是光譜的起源，自牛頓以后，一直沒(méi)有引起人們的注意。到1802年英國(guó)化學(xué)家沃拉斯頓發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)光譜不是一道**無(wú)缺的彩虹，而是被一些黑線所割裂。

    1814年德國(guó)光學(xué)儀器專(zhuān)家夫瑯和費(fèi)研究太陽(yáng)光譜中的黑斑的相對(duì)位置時(shí)．把那些主要黑線繪出光譜圖。

    1826年泰爾博特研究鈉鹽、鉀鹽在酒精燈上光譜時(shí)指出，發(fā)射光譜是化學(xué)分析的基礎(chǔ)、鉀鹽的紅色光譜和鈉鹽的黃色光譜都是這個(gè)元素的特性。

    到1859年克希霍夫和本生為了研究金屬的光譜自己設(shè)計(jì)和制造了一種完善的分光裝置，這個(gè)裝置就是世界上**臺(tái)實(shí)用的光譜儀器，研究火焰、電火花中各種金屬的譜線，從而建立了光譜分析的初步基礎(chǔ)。

    從1860年到1907年之間、用火焰和電火花放電發(fā)現(xiàn)堿金屬元素銫Cs、1861年又發(fā)現(xiàn)銣Rb和鉈Tl，1868年又發(fā)現(xiàn)銦In和氦He。1869年又發(fā)現(xiàn)氮N。1875~1907年又相繼發(fā)現(xiàn)鎵Ga，鉀K，銩Tm，鐠Pr，釙Pe，釤Sm，釔y，镥Lu等。

    1882年，羅蘭發(fā)明了凹面光柵，即是把劃痕直接刻在凹球面上。凹面光柵實(shí)際上是光學(xué)儀器成象系統(tǒng)元件的合為一體的高效元件，它解決了當(dāng)時(shí)棱鏡光譜儀所遇到的不可克服的困難。凹面光柵的問(wèn)世不僅簡(jiǎn)化了光譜儀器的結(jié)構(gòu)，而且還提高了它的性能。

    波耳的理論在光譜分析中起了作用，其對(duì)光譜的激發(fā)過(guò)程、光譜線強(qiáng)度等提出比較滿(mǎn)意的解釋。

    從測(cè)定光譜線的**強(qiáng)度轉(zhuǎn)到測(cè)量譜線的相對(duì)強(qiáng)度的應(yīng)用，使光譜分析方法從定性分析發(fā)展到定量分析創(chuàng)造基礎(chǔ)。從而使光譜分析方法逐漸走出實(shí)驗(yàn)室，在工業(yè)部門(mén)中應(yīng)用了。

    1928年以后，由于光譜分析成了工業(yè)的分析方法，光譜儀器得到迅速的發(fā)展，一方面改善激發(fā)光源的穩(wěn)定性，另一方面提高光譜儀器本身性能。

    *早的光源是火焰激發(fā)光譜；后來(lái)又發(fā)展應(yīng)用簡(jiǎn)單的電弧和電火花為激發(fā)光源，在上世紀(jì)的三十、四十年代改進(jìn)采用控制的電弧和電火花為激發(fā)光源，提高了光譜分析的穩(wěn)定性。工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)晨，光譜學(xué)的進(jìn)步，促使光學(xué)儀器進(jìn)一步得到改善，而后者又反作用于前者，促進(jìn)了光譜學(xué)的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。

    六十年代光電直讀光譜儀，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展開(kāi)始迅速發(fā)展。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)的小型化及微處理機(jī)的出現(xiàn)和普及，成本降低等原因、于上世紀(jì)的七十年代光譜儀器幾乎100％地采用計(jì)算機(jī)控制，這不僅提高了分析精度和速度，而且對(duì)分析結(jié)果的數(shù)據(jù)處理和分析過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

    解放后，我國(guó)的光譜儀器工業(yè)從無(wú)到有，由小到大，得到飛躍的發(fā)展，且具有一定的規(guī)模，與世界先進(jìn)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中求生存，社會(huì)商品競(jìng)賽中得到發(fā)展。

    1958年開(kāi)始試制光譜儀器，生產(chǎn)了我國(guó)**臺(tái)中型石英攝譜儀，大型攝譜儀，單色儀等。中科院光機(jī)所開(kāi)始研究刻制光柵，59年上海光學(xué)儀器廠，63年北京光學(xué)儀器廠開(kāi)始研究刻制光柵，63年研制光刻成功。1966—1968年北京光學(xué)儀器廠和上海光學(xué)儀器廠先后研制成功中型平面光柵攝譜儀和一米平面光柵攝譜儀及光電直讀頭。1971—1972年由北京**光學(xué)儀器廠研究成功國(guó)內(nèi)**臺(tái)WZG—200平面光柵光量計(jì)，結(jié)束了我國(guó)不能生產(chǎn)光電直讀光譜儀的歷史。

    八十年代以來(lái)，我國(guó)鑄造行業(yè)開(kāi)始引進(jìn)光電直讀光譜儀作為熔煉過(guò)程中化學(xué)成份控制的分析手段，并逐步取代了我國(guó)傳統(tǒng)的濕法化學(xué)分析法，至今已發(fā)展到中小企業(yè)也逐步采用光譜法配合作爐前分析。國(guó)外引進(jìn)的鑄造生產(chǎn)線已配備了專(zhuān)用的光譜分析設(shè)備，作為成套設(shè)備進(jìn)入中國(guó)，這是鑄造行業(yè)對(duì)質(zhì)量控制要求越來(lái)越嚴(yán)的發(fā)展的必然結(jié)果，也是光電光譜分析本身的優(yōu)點(diǎn)決定了這一技術(shù)自1945年問(wèn)世以來(lái)，歷時(shí)五十六年而經(jīng)久不衰之緣故。

眾所周知，原子發(fā)射光譜分析所采用的原理是用電弧（或火花）的高溫使樣品中各元素從固態(tài)直接氣化并被激發(fā)而發(fā)射出各元素的特征波長(zhǎng)，用光柵分光后，成為按波長(zhǎng)排列的“光譜”，這些元素的特征光譜線通過(guò)出射狹縫，射入各自的光電倍增管，光信號(hào)變成電信號(hào)，經(jīng)儀器的控制測(cè)量系統(tǒng)將電信號(hào)積分并進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，然后由計(jì)算機(jī)處理，并打印出各元素的百分含量。

從以上原理可以看出原子發(fā)射光譜分析，有其獨(dú)特的、特別適合于配合爐前分析的優(yōu)點(diǎn)，使其發(fā)展成為金屬冶煉和鑄造行業(yè)必不可少的分析手段，其特點(diǎn)如下：

一、 爐中取的樣品只要打磨掉表面氧化皮，固體樣品即可放在樣品臺(tái)上激發(fā)，免去了化學(xué)分析鉆取試樣的麻煩。對(duì)于鋁及銅、鋅等有色金屬樣品而言，可用小車(chē)床車(chē)去表面氧化皮即可。

二、 從樣品激發(fā)到計(jì)算機(jī)報(bào)出元素分析含量只需20-30秒鐘，速度非常快，有利于縮短冶煉時(shí)間，降低成本。特別是對(duì)那些容易燒損的元素，更便于控制其*后的成份。

三、 樣品中所有要分析的元素（幾個(gè)甚至十幾個(gè)）可以一次同時(shí)分析出來(lái)，對(duì)于牌號(hào)復(fù)雜的產(chǎn)品，要求分析元素愈多**算，經(jīng)濟(jì)效益好。

四、 分析精度非常高，可以有效控制產(chǎn)品的化學(xué)成份，保證它能符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格，甚至可將合金成份控制到規(guī)格的中下限，以節(jié)省中間合金或鐵合金的消耗。

五、 分析數(shù)據(jù)可以從計(jì)算機(jī)打印出來(lái)或存入軟盤(pán)中，作為長(zhǎng)久性記錄。

總之，從技術(shù)角度來(lái)看光電光譜分析，可以說(shuō)至今還沒(méi)有比它能更有效的用于爐前快速分析的儀器，具備了那么多的特點(diǎn)而能取代它。所以世界上冶煉、鑄造以及其他金屬加工企業(yè)均競(jìng)相采用這類(lèi)儀器成為一種常規(guī)分析手段，從保證產(chǎn)品質(zhì)量，從經(jīng)濟(jì)效益等方面，它是十分有利的分析工具。

九十年代以來(lái)，我國(guó)有一些知名企業(yè)，如：長(zhǎng)春一汽、上海大眾、無(wú)錫小天鵝等在引進(jìn)國(guó)外鑄造生產(chǎn)線時(shí)均帶有德國(guó)OBLF光譜儀作為爐前分析的專(zhuān)用設(shè)備。

    德國(guó)OBLF公司生產(chǎn)光譜儀在德國(guó)已有三十年歷史，用戶(hù)遍布世界各地。

儀器型號(hào)有：

    適用于單基體分析系統(tǒng)的有OBLF GS-1000型（可分析氮元素），*多能設(shè)置32個(gè)分析通道。適用于多種基體的分析系統(tǒng)有OBLF QSN-750型（*多可設(shè)置60個(gè)分析通道）和QSG-750型（*多能設(shè)置60個(gè)分析通道），可分析氮，以及酸溶性及酸不溶性鋁和硼等。

儀器特點(diǎn)：

考慮到鑄造行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，作如下設(shè)計(jì)：

一、 光學(xué)室具有防震裝置，并有恒溫裝置。

光室溫度為35℃±0.2℃，全部器件都密封在真空室內(nèi)，以保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定性。即使在較差的作業(yè)環(huán)境中，儀器也能正常工作。所有通道長(zhǎng)期穩(wěn)定性的結(jié)果表明了八小時(shí)之內(nèi)有300個(gè)測(cè)量值（每十個(gè)取一平均值），則30個(gè)平均值中*高*低之值不超過(guò)原強(qiáng)度比值的2%。

二、 1000型采用焦距為500mm的凹面光柵，750型采用焦距為750mm的凹面光柵

根據(jù)分析樣品選樣光柵刻線，保證有足夠的分辨率以滿(mǎn)足復(fù)雜合金鋼的分析。

三、 由于光譜儀處于日夜不停的工作狀態(tài)，采用微機(jī)控制真空泵，既保證了足夠的真空度亦保護(hù)了真空泵，處于冷狀態(tài)延長(zhǎng)壽命，減少油蒸氣。

四、 提高分析靈敏度及**度方面，在光路上采用直射式提高光強(qiáng)，并采用脈沖放電激發(fā)光源，放電頻率可達(dá)1000赫茲及單火花技術(shù)，可大大提高信噪比及激發(fā)的穩(wěn)定性，從而有非常良好的分析精度。

五、 性能良好的光譜儀軟件，使儀器全部自動(dòng)化并可進(jìn)行背景校正、干擾元素校正、基體校正等，旨在保證分析的正確度。

OBLF光譜儀由于具備了以上各種特點(diǎn)，使得儀器完全能滿(mǎn)足鑄造行業(yè)爐前快速分析的要求，故現(xiàn)在在廣大鑄造、冶金、機(jī)械等行業(yè)廣泛使用。