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空心陰極燈和氘燈的性能和操作 

發布時間:2017/12/11

空心陰極燈
 空心陰極燈主要用來提供被測元素的銳線光譜。用于原子吸收光譜的空心陰極燈發射的光譜必須足夠純凈、噪音低,輻射強度達到線性校正要求。
 當空心陰極燈通過內部的低壓氣體在兩個電極之間產生放電現象時,陰極會受到大量電子、加速沖向電極表面的帶電氣體離子(也就是充入氣體的離子)的轟擊。這些離子的能量非常強,以至于可以促使陰極材料的原子從表面脫離或“濺射”進入等離子區。濺射的離子在此處還會與其它高能的物質相互碰撞。碰撞的結果導致能量轉移,金屬原子躍遷至激發態。由于激發態不穩定,原子會自發回到基態,同時發射出特定波長的共振線。很多元素都具有多條共振線供分析使用。
 為了發揮燈的最優性能,必須仔細選擇一切設計參數。
 空心陰極燈的設計特點
 1. 陰極
 陰極是由被分析元素或含有被分析元素的物質制成。如果金屬在空氣中穩定并具有高熔點,則陰極材料一般使用純金屬(如銀)。如果金屬本身比較脆,則一般使用燒結的金屬粉末(如錳、鎢)。如果金屬本身在空氣中比較活潑,或具有較高的相對蒸汽壓,則一般使用金屬的氧化物或鹵化物(如鎘、鈉)。粉末技術也應用于制造含有多種被分析金屬的多元素燈。
 陰極的直徑也是非常重要的,因為燈的發射強度取決于電流密度。
 2. 封入的氣體
 封入的氣體必須是單分子氣體以避免分子震動光譜,因而一般使用惰性的稀有氣體。封入氣體一般使用氖氣或氬氣,氖氣是最好的選擇。這是由于其具有更高的電離電位以便具有更高的發射強度。氬氣只用于氖氣的發射線與被測元素的發射線非常接近的情況下。用于氦氣的質量數較低不僅造成其濺射效應明顯較小,而且還會因其氣體快速耗盡造成燈的壽命縮短。
 封入的低壓氣體耗盡是由于燈的表面材料吸收造成的。當封入的氣體壓力低于規定值時則無法持續放電,此時燈的壽命即達到終點。雖然燈仍然能點亮,但已經不能發射出被測元素的共振線了。
 3. 陽極
 陽極即為一種簡單的能提供放電轟擊電壓的普通電極。陽極材料一般使用鋯,因為它是一種“吸氣劑”。這種特點會在下面“5 處理”章節進行解釋。
 4. 封套
 電極通常使用含有石英或特種硼硅酸鹽玻璃制成的光路窗的玻璃進行封套的。光路窗的材料由元素燈的發射線決定的。由于大多數元素的發射線都低于300納米,此時必須使用石英材料。高于此波長的一般使用硼硅酸鹽玻璃。
 5. 處理
 處理步驟是制造高性能燈的關鍵。處理的主要目的就是去除污染進行純化。
 處理的步驟主要包括抽真空并在燈的外部保持一個適宜的高溫。
 處理步驟可以使極性反轉,以便鋯陽極轉變為陰極。對于雜質氣體氧氣和氫氣鋯電極是一種良好的“吸氣劑”,因此使用此電極能請除掉雜質氣體。在放電時會有一層鋯停留在燈的封套上。
 在靠近陽極附近會有一層黑色膜。這層活性膜能夠吸收掉雜質氣體,使燈中的氣體純化。直至最后純凈的氣體充滿整個燈,然后進行封閉。處理完的燈仍需進行幾小時的測試。
 空心陰極燈的操作
 主要有兩個參數影響分析結果。分別是:
 (a) 空心陰極燈的電流,影響發射強度。
 (b) 控制光譜線的儀器上的光譜帶寬(狹縫)
 為了便于用戶選擇這兩個參數,瓦里安為用戶提供了每個燈的推薦操作條件。然而在特定情況下為了獲得較好的分析結果,就必須對提供的操作條件進行小幅的改變。操作條件的選擇取決于對于處于檢出限附近的分析樣品要獲得最好的精密度,還是在較大濃度范圍內滿足線性關系。
 1. 燈電流
 增加燈電流的效果就是增加燈的發射強度。
 燈的發射強度影響的是測定的分析信號中的基線噪音(吸收)的大小。基線的穩定是確保獲得良好精密度和檢出限的關鍵。
 由于基線噪音的大小與燈的發射強度成反比,因此燈的發射強度越大,基線噪音越小。
 表面上看唯一值得注意的是設定的電流必須小于燈的額定電流。但事實上并不是這么簡單的。
 當操作電流超過推薦電流較多之后,就會發生自吸現象造成發射線變寬。由于陰極前部的原子云吸收了本身陰極發射的共振線,這就好比將原來的發射線倒置。
 發射線的失真導致靈敏度的降低。
 這種失真還會影響曲線的線性,以線性非常好的鎘元素為例。需要注意的是這個例子是采用線性非常好的元素來進行的。某些其他元素的這種現象就不明顯甚至沒有。
 過高的燈電流會加速濺射效應,縮短燈的壽命。對于鋯揮發性元素燈更加明顯。
 對于測定的樣品濃度接近檢出限(此時基線噪聲非常重要)時推薦采用較高的燈電流。對于某些元素增加燈電流引起的靈敏度損失并不明顯。
 另一方面,較低的燈電流有利于曲線的線性并擴展測定范圍,但這必須以犧牲基線噪聲為代價。
 很明顯折衷的選擇既能以高信噪比獲得較好的靈敏度,又能兼顧元素燈的壽命。瓦里安用戶手冊針對每一種元素燈都有推薦參數供選擇。
 2. 燈強度
 每個空心陰極燈的每條分析線都有與原子吸收光譜儀的信噪比相關的特征強度。分析線的強度越大,信噪比越高。不同元素燈的噪聲水平差異較大是很正常的。例如銀元素燈在328.1nm處的噪聲要明顯小于鐵元素燈在248.3nm處的噪聲。
 值得注意的是光電倍增管的光電陰極的性能也是影響噪聲的原因之一。瓦里安所用的光電倍增管在較大波長范圍內都有很高的響應。
 3. 光譜帶寬
 光譜帶寬影響的是分析線的光譜分離能力。光譜帶寬的大小由臨近分析線的情況決定。
 從圖八中對銻燈進行光譜掃描發現,如果使用最強的217.6nm,則光譜帶寬就必須小于0.3nm以便避開217.9nm的干擾線。通過研究光譜帶寬和分析溶液吸收信號的變化圖就能決定最優的光譜帶寬大小。
 4. 預熱時間
 空心陰極燈信號的穩定是非常重要的。普通的空心陰極燈在打開之后需要一段預熱時間,以便燈達到平衡狀態輸出穩定。
 對于單光束儀器預熱是非常重要的。對于單光束儀器(SpectrAA-110)而言,改變燈的發射強度就會影響儀器的基線,也就是說,基線的漂移就是燈的漂移。因此在測定之前必須對等進行充分的預熱。對于大多數的元素燈預熱10分鐘即可。而As,P,Tl和Cu/Zn多元素燈則需要更長的時間預熱。
 對于雙光束儀器,儀器會通過連續比較參比光束的強度來補償樣品光束。對于使用在50和60赫茲頻率下的儀器,樣品光束和參比光束每隔20或16毫秒進行一次比較。
 對于雙光束儀器,預熱的效果并不明顯。然而在進行樣品的精確分析時,需要進行一小段預熱時間。這是因為在預熱階段燈的發射線輪廓會有所改變,并對結果產生較小的影響。對于雙光束儀器,必須經常進行零點的校正。
 需要注意的是雖然塞曼式原子吸收只有一條光路,但在分析樣品時卻是真正的雙光路儀器。
 5. 多元素燈
 多元素燈最多可由六種不同元素組成。這些元素通過合金粉末制成陰極。這類燈使用方便,但也有自身的局限性。
 并不是所有的多元素混合物都可以使用,因為某些元素的發射線太接近以至于相互干擾。多元素燈使用條件一般與單元素燈不同,需要用戶仔細摸索。得益于校正曲線的線性優勢,單元素燈的分析結果一般要優于多元素燈。但相比之下多元素燈的應用范圍則是其優點。
 氘燈
 氘燈是一種連續輻射光源用于校正非原子或背景吸收。此光源是一個充滿氘的放電燈,發射強烈的連續光譜范圍從190到400nm。此區域就是原子吸收經常使用和背景吸收頻繁發生光譜范圍。使用雙原子分子氘是因為其能夠產生連續的發射光譜帶。氘燈在結構和操作方面和空心陰極燈是有區別的(圖10)。此燈集成一個加熱的電子發射陰極、金屬陽極和兩極之間的限制孔。工作時使用數百毫安的電流激發氘氣。電流穿過小孔在特定區域形成高度激發,產生高強度發射線。使用合適的窗體材料,以便發射線穿過后到達光譜儀的光路系統。
 為了獲得優良的背景校正效果,氘燈的光路和能量必須與空心陰極燈相匹配。氘燈和空心陰極燈的光路匹配是非常重要的。如果匹配不完全,則兩點測定的原子密度會有差異,產生錯誤的結果。為了平衡氘燈和空心陰極燈的能量,就需要依照兩者的相互強度升高或降低空心陰極燈的電流。瓦里安的儀器在氘燈前安裝有衰減器(某些型號為自動),可以降低其發射強度達到與空心陰極燈平衡。如果連續光源能量仍然過強,就需要減小光譜帶寬。這是因為連續光源的能量隨著光譜帶寬的變大而增加,反之原子光譜發射線的能量則隨著光譜帶寬的增加而變小。同樣的,當空心陰極燈的能量超過氘燈,就可以適當的增大光譜帶寬。通過這些方法就能達到兩者的平衡。
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