一、【前言】
众所周知，直读光谱仪通常由激发光源、分光系统、信号测量转换系统等三大部分组成。而激发光源又是极为重要的主要部件之一，激发光源的作用是为光谱分析样品时提供元素蒸发、原子化或激发所必须的能量。因为元素的蒸发、电离与激发光源的特性有着密切的联系，不同样品中各种元素的激发条件和蒸发能量是不同的。所以激发光源需要根据不同的分析对象选择具有相应的技术参数，这样才能使激发光源输出最佳的特性，激发光源作为直读光谱仪的关键部件发挥着其不可替代的作用。

ARL4460直读光谱采用了数字化CCS（电流控制光源）光源，能快速分析各种金属及合金样品。对于有大量金属分析需求的冶金冶炼、产品研发及质量控制等行业，无论是痕量元素，还是高浓度元素，都可精确、可靠的分析。因此在冶金行业、航空航天、科研院所、检测机构等众多领域中得到广泛的应用。本文针对ARL4460直读光谱CCS光源及故障对策做一些简单的介绍，希望对ARL4460直读光谱操作技术人员和维护工程师有所帮助，不足之处，敬请谅解。

二、【CCS光源简介】
1、CCS数字化光源
ARL4460直读光谱采用的CCS（Current Control Source）电流控制光源是一种专利技术的新型数字化光源，该技术采用了集成式数字技术直接控制激发电流，并通过数字化合成从而获得所需的放电波形，数字化光源摆脱了传统火花激发光源RLC电感电容模拟放电形式。ARL4460是ARL3460的升级型直读光谱，由于ARL4460采用CCS光源替代了ARL3460的Hi-Rep传统RLC放电光源。因此ARL4460直读光谱的性能优于ARL3460直读光谱。另外ARL4460采用了CCS和TRS（时间分辨技术）结合的综合技术，有效地提高了仪器的分析能力和性能。
2、CCS电流控制技术

CCS光源在激发放电周期过程中，激发峰值电流Ip及调制电流Im分别受控于计算机软件程序，根据不同的金属材料特征，拟用不同的激发条件，并控制激发电流波形，从而获得最佳的分析结果。CCS技术将长期积累的经验参数及数据，以优选方式整合成计算机的标准程序，对激发电流进行数字化控制，使不同基体中不同元素的激发状态得到最佳的控制。（见图一）

图一 CCS电流控制光源激发电流波形图

3、TRS（Time Resolved Spectroscopy）时间分辨技术

TRS技术选择入射光被积分的最佳时刻，即“时间窗口”，避开火花积分的初始高峰电流所产生的背景，选择紧随高峰电流之后稳定的具有最佳信噪比的调制电流阶段（即窗口）作为积分时间段，从而进一步降低了检测限，提高了灵敏度和分析精度。（见图二）

图二 TRS（时间分辨技术）控制原理波形图

三、【CCS光源激发台机械构件组成】

1、ARL4460激发台
ARL4460激发台与ARL3460激发台结构有所不同，它在ARL3460激发台的基础上做了一些改进，夹具增加了压簧使样品夹持更加牢靠，火花室结构的改善更加简洁，激发台板的活动锁扣非常便于清理操作，大大提高了操作人员的的工作效率。（见图三）

图三 ARL4460激发台实物图

2、激发台组成构造
ARL4460激发台组成构建系统由样品夹具、光路通道、测量快门电磁阀、透镜及加热线圈、火花台、碳化钨片、样品限位挡板、激发电极（火花室内）等组成。（见图四）

图四 ARL4460激发台组成构造

3、CCS光源部件组成
CCS光源系统安装在激发台下面的电子机柜内，由点火单元、散热风扇、CCS光源屏蔽箱、电路母板、激发光源电源板、激发光源控制板、光导纤维等部件组成（见图五）。

图五CCS光源部件组成

四、【CCS光源模块系统构成】
1、仪器控制系统
CCS光源是ARL4460 直读光谱的核心部件之一，CCS光源主要受控于ICS44（光源系统控制）单元，35KHz高频电源为CCS光源提供电力能源，高压电源为光电倍增管（PMT）提供负高压，低压电源为各功能电路板提供低电压电源，其系统控制原理框图详见图六。

图六 ARL4460 直读光谱系统控制原理图

2、激发台及光源单元
激发台及光源单元包含主电源（230V）、数据控制（总线）、冷却水管路、氩气通道、废气排放通道、高低压电源、激发光源控制、激发光源电源、点火板及放电电极等。其工作原理示意图如图七所示。

图七激发台及光源单元工作原理示意图

3、激发光源电源模块
CCS激发光源电源模块其工作原理是将外部来的35KHz、80V高频电源转换成350V和200V两路激发电源。一路输出0-250A峰值电流，供激发区域集中重熔之用，另一路输出0-30A调制电流，供维持分析间隙之间离子气氛之用，两路均为可编程数字控制电流。（见图八）

图八 CCS激发光源电源模块原理框图

4、激发光源控制模块
激发光源控制模块（ICS44）是CCS光源最为核心的控制系统，该电路系统包含总线通讯接口、微处理控制器、数据存储器、可编程逻辑控制器、阵列逻辑控制器、多基体选择控制器、数模转换器、模数转换器、输入滤波器、输出缓冲器等IC电路器件。（见图九）

图九激发光源控制模块原理框图

在ICS44指令的控制下点火板高压在分析间隙放电，产生电火花为引燃激发提供放电能量，CCS光源激发进入预燃状态（0-250A峰值电流），控制激发电流（0-30A调制电流）工作进入曝光阶段，放电电极产生的电火花激发样品，样品在高温等离子体火花作用下，蒸发电离产生相应元素谱线，光谱信号通过透镜和入射狭缝进入光学室，再经过反射光栅色散分光后，进入输出狭缝直达光电倍增管，进行信号采集及处理。

5、CCS光源安装结构
CCS光源单元为非独立箱体结构，采用板卡结构设计，紧体积凑，并安装在激发台下面的金属屏蔽箱（法拉第罩）内，这样既能有效的防止高频泄漏，又拥有很强的抗干扰能力。由于CCS光源单元紧靠激发台，连接线短，加上点火高压控制采用光导纤维隔离连接，所以其整体稳定性也大大提高。（见图十）

图十 CCS光源安装结构实物图

五、【CCS光源和TRS技术特点】
1、CCS为数字化光源
CCS光源在激发分析过程中，其峰值电流Ip及调制电流Im分别由各自独立的单元提供，由35kHz、80V电源转换的350V和200V在激发放电时可以提供0-250A的峰值电流Ip和0-30A的调制电流Im。其放电频率可达1-1000Hz。峰值电流Ip的上升速率可达20A/μs，即Ip从零升到250A仅需12.5μs，调制电流Im则可在15μs之内升到30A。
CCS光源是市场上较早推出的数字化光源，该光源针对每一种基体都由计算机控制的优化的分析参数，高度灵活的控制条件，适合各种分析电流波形。激发峰值电流及调制电流可达30-250A，频率最大为1000Hz，电流及时间参数均采用255级可编程控制（每级电流约为1A，每级时间约为4μs），提高电流和频率能显著的减小分析时间和有效的改善分析精度。（见图十一）

图十一 CCS光源可编程控制激发电流原理示意图

2、CCS光源可取代传统的模拟光源
Hi-rep高重复率光源采用的是RLC电路传统模拟光源，激发电流自然衰减无法控制。而CCS光源采用数字控制技术，输出最佳的光源条件，可编程任意控制调制电流衰减。与RLC电路传统模拟光源相比，CCS光源具有更强的电流密度，更合适的电流波形，更高的激发频率。故ARL4460直读光谱具有分析速度快、检出限低、精度高、稳定可靠等优点。（见图十二）

图十二 CCS数字化光源与RLC电路模拟光源电流波形对比

3、TRS窗口分析技术
TRS（时间分辨技术）技术最先应用于ARL直读光谱分析中，在分析样品激发时，基于分析元素和所选谱线，每次放电电流波形和“时间窗口分析”（即发射光被积分时段）与每个元素的分析灵敏度有极大的关系。根据放电时的电流波形，针对不同的谱线/背景比率，TRS选择最佳窗口位置，确定具有最佳信背比的调制电流阶段为积分时间段，从而获得最佳的检测灵敏度和分析精度。选择适当的TRS窗口可以避开放电初始阶段产生背景的高峰电流（即高背景的第一个电流峰）。
另外，由于TRS独特的数据采集功能，对某些元素而言，当分析谱线与干扰谱线之间存在各个谱线激发后产生的谱线光出现的时间阶段不一致时，TRS窗口可以明显地改进痕量元素校正曲线拟合的准确性。如果分析谱线与干扰谱线的点火电压有很大差别时，采用TRS窗口分析技术可以提高校正曲线的精度。（见图十三）

图十三 TRS时间分辨窗口分析原理图

4、CCS光源与TRS技术的俱佳匹配

CCS硬件技术与TRS软件技术的优化组合，提高了分析速度和改善检测限，尤其是对纯金属材料的分析（如高纯铜等）能达到极低的检测限，并在低含量段的分析精度和可靠性具有一定的优越性。直读光谱激发光源的数字化使光谱分析提高到了一个新的技术水平，并已成为当前直读光谱仪发展的主流趋势。

六、【CCS光源故障对策】
CCS光源具有良好的机械和电气特性，只要维护和保养好仪器，发生故障的概率是很小的，但在实际操作中常有一些报警信息提示，可根据报警信息的内容大致判断是否为CCS光源故障，以下为部分与CCS光源相关的报警信息及故障对策，仅供参考。
1、ACS（分析控制系统）、ICS（仪器控制系统）、CCS（激发光源系统）通讯故障。
1.1、【显示报警信息】：
“35 ALARM# ICS:Link ACS-ICS USART-1，checksum error”（ACS/ICS串行收发器1校验错误）
“36 ALARM# ICS:Illegal command received from ACS”（ACS收到非法指令）
“37 ALARM# ICS:Link ACS-ICS USART-1，transmission error ”（ACS/ICS串行收发器1传送错误）
【处理对策】：
▲检查电脑串口与主机串口连接线是否连接正常。
▲检查ICS的I/O端口设置是否正常。
1.2、【显示报警信息】：
“91. ALARM# ICS: No msg reply from CCS driver task ”（无CCS驱动器作业信息响应）
【处理对策】：
▲检查+5V Bitbus（位总线）是否正常。
▲检查激发单元组件是否正常。
1.3、【显示报警信息】：
“23.ALARM# ICS:Source not running”（光源未运行）
【处理对策】：
▲检查CCS光源系统母板保险丝F1是否正常。
▲检查低压电源是否正常。
2、仪器的参数配置和读取故障。
2.1 【显示报警信息】：
“39 ALARM# ICS:Undefined status parameters on ICS”（状态参数不明确）
“40 ALARM# ICS:Robot'breackdown' detected by ICS”（仪器运行崩溃）
【处理对策】：
▲检查仪器配置（与QA报告对比）是否正常。
2.2、【显示报警信息】：
“77 ALARM# Undefined 'general' parameters detected by ICS” （通用参数不明确）
“78 ALARM# ICS detected undefined configuration parameters ”（配置参数不明确）
【处理对策】：
▲从电脑终端给ICS传送参数，并读取状态参数进行检验。
3、安全开关不到位。
3.1【显示报警信息】：
“21.ALARM# ICS:Instrument safety circuit broken”（仪器安全保护电路中断）
【处理对策】：
▲插入或拔下激发台门安全开关，可听见CCS母板上RY1有吸合声。
如果异常，可检查VDE连接线及接插件是否正常。
3.2、 START启动按键（手动激发）无效。
【显示报警信息】：
“22.ALARM# ICS:Instrument STOP button pressed”（仪器停止按键未弹开）
【处理对策】：
▲使用电脑自动启动，如果能正常进行激发分析，检查按键开关及连线。
如果自动启动，有高压点火声，但无法激发分析（激发白点），检查CCS参数设置和CCS硬件系统。
4、高压点火无反应，样品无激发点。
4.1、【显示报警信息】：
“27 ALARM# ICS:No instrument START”（仪器未启动）
【处理对策】：
▲检查CCS母板保险丝F2是否烧断。
▲检查光导纤维激发时是否正常，有问题更换光导纤维。
▲检查点火板是否正常，若有故障维修或更换点火板。
4.2、【显示报警信息】：
“15.ALARM# ICS:CCS/DCU +350 Volt power supply out”（+350V异常）
“16.ALARM# ICS:CCS/DCU +200 Volt power supply out”（+200V异常）
【处理对策】：
▲检查激发光源电源 350 V、200 V上下限设置是否超限。
▲检查35KHz、80V高频电源输出是否正常。
5、系统联机故障
5.1、不能正常完成联机过程：
【处理对策】：
▲ 联机进度条停留在4%左右无法联机，可更换激发控制板的IC5、IC6（存储器，IC5—固件版本和节点地址，IC6—光源运行及位总线控制定位）。
5.2、可以正常完成联机过程，但CCS状态异常报警：
【处理对策】：
▲可更换激发控制板的IC5。
6、CCS光源不工作。
【处理对策】：
▲检查CCS功能。关闭激发台门，在终端模式下输入指令（FL20）。
如果激发异常，检查激发控制板是否正常。
7、在分析架上放置样品，样品检测不到位。
【处理对策】：
▲调整和更换压力传感组件
8、激发电源板冷却温度异常高。
【处理对策】：

▲检查或更换激发电源板。

七、【小结】
1、CCS光源在激发放电过程中，预燃电流波形为样品表面的微熔过程提供极大的“电流密度”，从而能在极短的时间内达到均匀状态。积分电流即为样品采集提供重现性极高的峰电流，也为激发合金元素和痕量元素提供具佳的调制电流。
2、在激发电流波形中，由于采用了TRS时间解析技术，电流波形和每次放电“时间窗口”（即发射光被积分时间段）决定了每个元素的分析灵敏度。选择适当的TRS窗口位置，即可以避开放电初始阶段产生背景的高峰电流，也可确定具有最佳信背比的调制电流阶段为种分时间段。当分析谱线与干扰谱线之间存在一定的激发电势差时可以明显地改进痕量元素校正曲线拟合的准确性。
3、CCS光源为分析样品的采集和激发提供了准确、稳定、连续的控制，通过对不同类型金属材料的分析研究积累，对各种适合不同合金类型的最佳激发条件归纳统计，从而获得最佳的分析灵敏度、精度及快速的分析时间。
4、CCS光源与传统光源相比，具有非常突出的优点。尤其在小样品及丝材分析方面，一般直读光谱仪分析丝材及不规则小样品，当试样直径小于5mm时，大多只做定性分析。而ARL4460能对直径在1mm以上的样品进行正确的定量分析，具有相当好的精度保证。
5、由于CCS光源取代了传统光源，作为仪器一个非常重要的硬件，在分析控制软件的支持下，它充分发挥着极其关键的作用。因此CCS光源与TRS技术的结合，配合厂家提供的工厂校正曲线和自诊断功能软件，使光谱分析技术带入了一个崭新的天地。除了能进行普通的常规分析，还可以很大限度地满足各种复杂分析的需求，这对直读光谱分析工作者来说也是一大福音。

2021.8.15