主题:【第十一届原创】【第十一届原创大赛】浅谈描迹在直读光谱中的作用

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wccd
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分析者端木凯旋队发表于:2018/09/30 19:55:33 楼主 管理 分享 倒序浏览 只看楼主 回复
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浅谈描迹在直读光谱中的作用




【前言】


    直读光谱仪在金属分析领域呈现出了不俗的表现,并在冶金工业得到了广泛的应用,因此获得了广大用户的好评。但直读光谱的操作并不是每个人都熟悉的,对仪器的一些操作和分析原理也并不是都能深刻理解的,因此对直读光谱操作新手及技术人员来说,不断学习专业知识和提高业务水平,是必不可少的,掌握了必须的知识和技能,对个人今后的发展前途也是非常有帮助的。


    直读光谱仪(PMT检测器)分析中的描迹操作是必不可少的,为什么要进行描迹操作?描迹操作基于什么原理?如何进行直读光谱的描迹操作?如何深入理解和深刻理解直读光谱的描迹操作?这都是直读光谱仪分析人员所面临的问题。本文就直读光谱分析操作中的“狭缝描迹”(简称描迹)进行了简单的介绍,希望能对直读光谱操作技术人员及操作新手对直读光谱描迹操作有所帮助。若有不足之处,敬请批评指正。
1、【直读光谱分析中描迹操作是必不可少的。】:


    直读光谱仪参数的维护及仪器的保养对检测结果的影响是非常重要的,而其中描迹操作也是不可缺少的。直读光谱仪在出厂前,都已通过生产厂工程师进行了精心调整和严格的考核。但在卖给用户进行长途运输的过程中,难免会受到颠簸和震动,这样就可能引起元素谱线与狭缝的位置产生一些微小变化。在安装调试直读光谱时必须进行全面的检查和考核。在直读光谱恒温系统经N小时工作后,分光室内的温度逐渐达到平衡状态下,来完成直读光谱的检查与考核。如果在安装调试直读光谱及仪器发生严重光学漂移时不及时维护,进行必要的描迹操作,就会严重影响分析测试数据的准确性和真实性。因此在检查核准及维护维修的过程中描迹操作是必不可少的。


    虽然直读光谱仪具有非常好的稳定性,但受环境温湿度的急剧变化、振动等因素的影响,光路中狭缝位置会发生微小的变化。当数据不稳定时,尤其是在刚做完标准化即漂移校正后α(Alpha)、β(Beta)系数值(ARL直读光谱)严重超标或者几小时之内很快又漂移的情况下,β值是一个接近零的正数或负数;α值是一个接近1的正数,在0.5—3.0之间是可以接受的,如果α、β系数值超出或偏离有效值范围时,就需要进行狭缝描迹操作了,否则分析测试数据就无法保证其准确性。因此需要根据其情况定期进行描迹操作,描迹操作所用样品要求被检测的元素含量适中。一般情况下狭缝描迹后再进行标准化。
2、【为什么要进行描迹操作?】:
    首先要认识直读光谱仪的一个重要参数,即出射狭缝的一致性。如果出射狭缝的一致性很好,就意味着每个元素通道都对准了出射狭缝。也就是直读光谱的检测光路是良好的。


    为什么要进行直读光谱光学系统的描迹操作?因为直读光谱随着使用时间的推移和环境变化(如温度,湿度,震动等),会导致仪器的光路出现一些细微的变化,若入射狭缝发生了轻微位移,光路就会不直而产生偏光。由于环境的温度、湿度及震动的影响,引起入射狭缝的细微漂移,导致光路在出射狭缝无法获得一致性,其结果就会直接影响直读光谱仪激发光的强度和检测信号的分辨率。所以为了修正这个细微变化给分析带来的不利影响,分析操作者须结合直读光谱仪的实际使用情况,定期进行描迹操作,使其恢复到出厂原始位置,以保证分析测试数据的准确真实。


3、【描迹操作基于什么原理?】:


    实际上描迹是光学系统的校准。描迹的作用是让相应波长的光,以最大限度的通过出射狭缝及反光镜(折射镜)到达光电倍增管的光电接收器件。直读光谱仪在出厂前所有的出射狭缝都相对基体元素位置是固定的,因无法移动出射狭缝的位置,就只能以调整入射光照到光栅位置来实现光路校正,一般是通过机械装置调节入射狭缝来完成的。


    入射狭缝是直读光谱分光系统的重要组成部分,入射狭缝的宽度一般为20微米左右,通常安装在一个带有螺杆(游标)的驱动装置上,转动鼓轮带动螺杆移动,可将确定入射狭缝的中心位置。一般基于罗兰圆的直读系统的光源和出射狭缝是固定的,描迹就是经过调整入射狭缝的位置,使光路中所设置的元素通道内每一条谱线都能够被测定。



    从字面上理解“描迹”就是瞄准光路的轨迹,即光路沿着特定的轨迹达到所需的目的。有些人把描迹也称为“中心定位或狭缝定位”,实际上就是调整入射狭缝的位置,也就是使用基体谱线做中心定位。简单的理解,就是校准仪器机械误差的,校准检测器和罗兰圆的位置,使其恢复到出厂设置。直读光谱仪描迹原理详见图1(以ARL直读光谱为例)。



图1  ARL直读光谱仪描迹原理示意图


    火花台激发发射的光,经过透镜—→入射狭缝—→光栅—→出射狭缝—→反光镜(或折射镜)—→光电倍增管(PMT)。其中入射狭缝是可调的,其他都是固定的(出厂前已经调好并固定紧的),游标拨盘(鼓轮)的数值代表入射狭缝的相对位置,通过调节游标拨盘来校正入射狭缝出厂前的相对位置。
    所有出射狭缝都刻在一条钢带上,以前直读光谱仪的描迹过程就是精调这条钢带的位置来校正光路。现代的直读光谱仪使用的是独特的前光路设计,出射狭缝(钢带)固定不动,只需适当调节光路前端入射狭缝的位置即可获得光路的校准。


4、【如何深入了解和深刻理解直读光谱的描迹?】:


    从原理上理解描迹这个术语,可以解释为“光路准直或光路校正”。描迹的实质就是寻找原工厂已经确定的初始谱线位置,通过在光路入射狭缝的某一段的范围附近,以扫描方法调整输入狭缝机械装置,来确认已知谱线的位置。描迹(光路准直)的目的就是让光谱的谱线对准它相对的位置。注意描迹并不是校正光路本身的准确性,而是恢复到出厂时原来的准确性,前题是在标准化没有问题的情况下。


    入射光源是直线的,出射狭缝固定在一个罗兰圆曲面上,描迹就是使每个通道元素谱线(入射光)有效的照射在这个曲面上,通过入射狭缝位置在光源附近调整,使其在某位置上能使入射光源直接并完全通过入射狭缝,这个位置就是所谓的光最大强度通过入射狭缝最佳点。



    通过描迹可以得到一个参与描迹元素的描迹曲线图(图2,以ARL直读光谱为例),从这个图中可以看出描迹曲线的结果是否达到仪器真正的“光路准直”。转动描迹游标拨盘(鼓轮),检测器记录下选定通道的光强,光强呈钟形分布。为定位更准确,不是直接找光强的最大值(Point1),而是选定距离最大值等距离的两点(Point3、Point4),然后计算平均值,确定入射狭缝的中心位置(Point6)。此中心位置为入射狭缝的最佳相对位置,也是靠近出厂位置的最佳原始点。


    采用描迹的方法扫描各元素分析线的峰值位置,与某一基准谱线(一般为内标元素的谱线)的峰值位置进行比较。所有出射狭缝都被机械定位到与入射狭缝的相一致的单一位置上. 由于分析和机械原因,所有元素并不需要相同的位置精度. 作为一般原则,所有出射狭缝被安装在平均位置±1刻度分度。描迹操作可由熟练掌握了检测分析的操作者进行。当两者之差大于±5刻度分度时,已超出描迹的有效范围,此时需重新调整光路,光路调整工作需要由仪器制造厂的有经验的技术人员进行。




图2  ARL直读光谱描迹曲线图





    直读光谱仪描迹是通过入射狭缝的水平位移,达到入射角度的变化,从而达到出射光谱水平位移的目的。通过描迹操作确定元素谱线波峰的位置是否正确。


    一般描迹分为人工(手动)描迹和自动(积分)描迹,人工描迹也称直接(狭缝)定位(DirectProfile),自动描迹也称积分定位(Integratedprofile)。这两种方法,可由分析操作者根据实际情况具体来选择。一般情况下选用积分定位,仪器自动描迹,由软件自动控制步进马达转动,然后由马达带动入射狭缝装置移动,进而达到描迹的目的。直接定位需要人工手动调节游标拨盘与测试软件相配合来完成。对于不熟悉的分析人员和新手,操作上有难度,此描迹操作只适合于非常熟练的操作人员或经过工程师培训的操作人员。总之必须按直读光谱仪操作手册介绍的方法进行严格操作。


5、【如何进行直读光谱的描迹操作?几个典型直读光谱仪的描迹操作例子】:


    直读光谱仪在使用一段时间后,由于各种外界因素的影响,光路会发生偏移,使光电倍增管接收到的光强信号有所损失,通过描迹操作调整光路中的入射狭缝位置,对仪器的光学系统进行校正,使光电倍增管接收到最大的光强信号,来弥补环境中温度、湿度、震动等因素对仪器光路造成的损失。这样有利于直读光谱仪工作的稳定性。


    在直读光谱分操作中,描迹操作是一项直读光谱分析检测的基本操作,作为直读光谱分析操作人员,应该学习并掌握直读光谱的描迹操作,这也是直读光谱分析操作人员所必备的业务技能。


    下面是几个典型直读光谱仪的描迹操作简单的例子,关于描迹操作在各自直读光谱仪操作手册中有更详细的解释,在此不再赘述。


例一、【德国布鲁克Q8直读光谱仪描迹操作】


1、进入Qmatrix软件,选择描迹方法,名称是”PRF-XXX”,如图3。




图3  德国布鲁克Q8直读光谱描迹名称选择





2、打开火花台后面、仪器前面的小门,记录下描迹鼓轮的读数,将其记录下来,如图4红圆圈标记处。




图4  德国布鲁克Q8直读光谱描迹鼓轮读数记录





3、将数据显示格式调整为总强度(Gross Intensities)图5。




图5  德国布鲁克Q8直读光谱描迹总强度显示选择






4、将描迹用的标样(一般Fe基的是RN19)放到火花台上,准备测量。


5、将描迹鼓轮上的黑色锁紧开关向上抬起,以保证鼓轮能够正常转动。如图6中红圆圈中标记。




图6  德国布鲁克Q8直读光谱描迹鼓轮解锁






6、逆时针将描迹鼓轮上的刻度慢慢拧小300个单位,最好以整百数为好,(如:原来读数830,可以退到500)。
7、测量指定的标准化样品。
8、将描迹鼓轮顺时针转50个单位,再激发样品。
9、重复第8步,直到描迹刻度读数比最初的读数高300个单位左右,大约激发13点。


10、用鼠标点击左下角的完成测量按钮,如图7中红圆圈标记处。




图7  德国布鲁克Q8直读光谱描迹测量按钮选择





11、然后弹出保存对话框,选择图8红圆圈中标记的,将描迹数据保存成Excel格式,文件名一般为:RN19XXX##,第一是描迹样品名称,第二是描迹起点数,第三是步距(在此步距是50),如:RN1980050。




图8  德国布鲁克Q8直读光谱描迹数据保存选择





12、按照图9标示打开ProfileViewer。




图9  德国布鲁克Q8直读光谱描迹菜单路径选择





13、会弹出一个打开文件对话框(如图10),选中刚才存的文件,点击”打开”,弹出描迹图形。




图10  德国布鲁克Q8直读光谱描迹文件打开选择





14、如图11,在Startposition中输入刚才描迹的起始点,点击“OK”后,弹出另一图形。




图11  德国布鲁克Q8直读光谱描迹起始点选择





15、如图12,在Schrittweite中输入刚才描迹的步距,如:50,点击OK后弹出另一图形。




图12  德国布鲁克Q8直读光谱描迹步距选择





16、点击图形(图13)下端的Selectall再点击Calcuteall再点击showresult,将出现下一页的图形。




图13  德国布鲁克Q8直读光谱描迹图形显示



17、用鼠标移动红箭头指的蓝长框,以保证所有的通道都显示绿色,记下此时的数值(红圆圈中标记的)。(图14)




图14  德国布鲁克Q8直读光谱描迹通道显示






18.将描迹鼓轮固定到刚才的数值。注意:先将鼓轮逆时针转到小于刚才数值的位置,然后再顺时针慢慢转到刚才的数值位置。要保证顺时针固定描迹鼓轮。
19.将描迹鼓轮的黑色锁紧开关向下按,锁紧描迹鼓轮,关上火花台后的光路门。


20.进行全面标准化,类型标准化。


例二、【德国斯派克M8直读光谱仪描迹操作】



1. 根据所测量元素范围确定分析通道,如P、S,再根据分析通道确定所在光室( 可以在程序开发窗口中的分析通道参数菜单Analytical channelParameter 查找,例如:P、S是在第一光室 ) ;
2. 在分析测量窗口,选择一个分析程序,如Fe-10,反复点击键盘右上角的“-”将显示模式转换成绝对强度方式Raw intensity;
3. 激发标准化样品RE12和RN19各两点并打印( 这样可以留下描迹前的原始数据 ) ;
4. 打开右侧面板,找到所要描迹的光室(由上而下为 1,2,3 光室),可以看到描迹轮,记录原始位置;


5. 先要给描迹轮解锁(黑色小条,往上扳)然后原来的数值上逆时针旋转200刻度值(注:第一光室旋转200刻度值,第二、三光室旋转100刻度值;比如:若第一光室原来为600,先倒转至300,再转回倒400刻度,这样可以避免机械误差 ) ,开始激发第二点,以后逆时针每转25格激发一次(注:第一光室逆时针每转50格激发一次,第二、三光室逆时针每转25格激发一次),直到P、S的强度值由低到高又降低为止( 第一光室看C、P、S,第二光室看Si 、Mn,第三光室看Mo、Cr1、Ni1)最高强度所对应的刻度位置即所要寻找的位置。将描迹轮刻度转回到最高强度所对应的刻度位置即可。



描迹轮刻度与强度的对应关系模拟值表:
描迹轮对应刻度值:
400450500550600650700750
P对应强度值:
1200013000150001600017000180001750017000
说明描迹最佳位置为600

6.再激发一次样品,以确认描迹前后是否有区别,描迹后一定要重新做标准化。


描迹的作用:通过描迹,确定波峰的位置是否正确。


例三、【日本岛津直读光谱仪描迹操作】



1、准备——描迹
    光源代码:2      元素:FE287.2    衰减值 :(29 )
2、在原描迹位置上减15(取整数 )(如上次描迹位置为462,就调整到445)
(图15)


图 15  岛津直读光谱仪描迹参数选择





3、点击“激发”稳定后点“标记”,每次上调描迹位置5并标记一次。(图16

图16  岛津直读光谱仪描迹激发标记选择



图 17  岛津直读光谱仪描迹图形显示






4、在波回到原始位置点停止;(图17)
5、在峰值下面找出一点输入P1值,计算出P2值并输入,按回车计算峰值;(图18)


6、手动把描迹位置调整到峰值位置,“激发”确认峰值位置是否正确;




图18  岛津直读光谱仪描迹峰值位置选择





7、如果正确无误,描迹结束。


例四、【ARL4460直读光谱OXSAS描迹操作】



1、狭缝定位(描迹)


    ThermoScientific的直读光谱仪是非常稳定的仪器,迹线漂移很慢,但受环境因素的影响,如温度的急剧变化,振动等等,描迹位置会发生微小的变化。因此需要用户根据自己的情况定期进行描迹检查。描迹检查元素通道出射狭缝与入射狭缝的相对机械位置,入射狭缝是用户仪器上所设置的全部元素(通道)所共用的。入射狭缝的位置由扫描刻度盘的刻度来给出。要求描迹检查所选样品中被检查的元素含量适中。
    ARL4460直读光谱狭缝定位有直接描迹(RunOEProfile)和积分描迹(Integratedprofile)两种方法,一般情况下选用积分描迹(Integratedprofile)。
1.1 在OXSAS主界面下点击Tools(工具)-CheckOptions(光学检查)-IntegrationProfile(积分描迹)。

1.2在描迹界面中:
    点击Name(名称)下拉菜单,选择描迹用的分析方法:如PROFILE。
    点击SampleID(样品名称),选择样品标识SID:点击SAMPLEID,输入样品名称和描迹名称,如图19 所示。




图19  ARL4460直读光谱OXSAS描迹界面显示






    在START(起始位置)文本框输入起始位置,建议从平均位置(QA报告)减去10个刻度来作为起始刻度。如平均位置为100,起始刻度输入100-10=90,即从90的刻度开始扫描。
    在END(结束位置)文本框输入终止位置,建议从平均位置(QA报告)加16个刻度来作为终止刻度。如平均位置为100,起始刻度输入100+16=116,即到116的刻度结束描记。
    在STEP(步长)文本框输入步长,一般设为2,即每步扫描刻度盘顺时针旋转的刻度为2。
    选择需要描迹的元素通道,容易受影响的且低含量的元素如:Al,Pb,S,Ca,N,O,等一般不选择为描记元素。
    设置完毕以后,将样品放到激发台上,关好激发台门。将扫描刻度盘定位在起始刻度90上。为补偿螺旋的游隙,建议补偿20个刻度左右,即先反时针方向将刻度盘转到70左右,然后再顺时针方向定位于90的刻度。(起始位置不一定必须是90,每台仪器可以有所不同,需要灵活设置!这里举例设置为90)。


    点击测量下一步Measurenextstep(测量下一步)开始描迹。



1.3  开始描迹,激发试样。

    第一次激发完成后更换激发点。单击Measurenextstep(测量下一步)按钮,继续测量,直到所有被选元素的描迹最佳位置出现,点击Peak(峰值),选择Showhalfpeakposition(显示半峰高位置)显示最佳位置平均值。例如平均位置为97.9。(因本文所取的图片是脱机时得到的图片,因此每一步的测量得到的元素绝对强度不代表真实值。)







图20  ARL4460直读光谱OXSAS描迹曲线显示






点击File(文件)-Save(保存),保存当前描迹文件。


点击File(文件)-Open(打开)按钮,可以查看以前保存的或当前正在做的描迹的图形(图20)。


6、【CCD检测器直读光谱有描迹操作吗?】:


    从原理上讲,CCD检测器直读光谱不会有描迹功能的,因为CCD是扫描检测(无需校准光路),而非PMT的单点检测(需要校准光路)。对于(CCD或CID)固态检测器来说,它们只是像素校正。对CCD检测器直读光谱仪而言,称之为波长校准。例如斯派克 CCD全谱直读光谱仪中所谓的波长校正叫做ICAL(智能逻辑校正或智能逻辑标准化技术)。


    CCD检测器直读光谱仪的波长校正和PMT检测器直读光谱仪的描迹功能作用基本是相同的,最终都要是达到元素波长的校正,但CCD直读光谱仪是通过应用软件自动完成校正,PMT直读光谱仪描迹需要电机带动入射狭缝或者手工转游标拨盘去调整光路准直。


    从概念上讲,光路描迹与像素校准是两个概念,一个是机械调节的物理原理,一个是电子学+电光学原理。它们的区别是PMT描迹是某元素的波长校准,记录的是对应元素波长(强度),CCD是二维面积上的像素校准,记录的是像素(波长)位置。所以说PMT直读光谱仪需要描迹来校正狭缝(光路),CCD的直读光谱是像素校正,也没有描迹操作之说。


    但对于那些PMT与CCD组合的直读光谱仪而言,虽然也有描迹一说,但也只是针对PMT而言的,当然PMT的描迹与CCD的像素校正都最终是谱线匹配校正。
【小结】:


    直读光谱仪应安装在通风良好、环境干燥、温度适宜、无振动、无电磁干扰实验室,尽量不要移动或搬动直读光谱仪。如果万不得已必须要搬动直读光谱仪(如搬迁),由于直读光谱仪会受到震动的影响,入射狭缝的位置很能会发生轻微的变化。因此在搬迁完成后,待仪器工作稳定一段时间必须要进行描迹操作,以确定入射狭缝的位置,使入射光最大强度通过,保证分析的准确度。描迹不需要经常操作,一般每个月或更长时间进行一次描迹操作,如果数据不稳定可以一周一次,数据稳定的话可以一月一次或几月一次,也可以半年一次或一年一次。


    有些分析操作人员常常抱怨仪器的分析数据总是不尽人意,然而他们并不明白直读光谱仪的分析数据与操作人员本身操作及仪器的工作状态有着十分密切的关系,他们虽然会操作仪器,但对仪器分析的原理远远了解不够。直读光谱检测不能只是简单的在电脑上按几个按键和打印结果报告,作为仪器分析人员不但要学会仪器的操作,还要对仪器分析操作原理有更进一步的认识和操作技能更熟练。尤其是像直读光谱仪中常用的标准化、类标准化、控样校正、暗电流检测、灯曝光检测以及光路校正的描迹操作要能熟练的掌握,另外还应能熟练的掌握火花台、激发室、放电电极、透镜、储水器、过滤网(罐、桶)、氩气通道及排气通道的清理操作,只有这样才能成为真正的直读光谱的分析高手。
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谢谢老师的无私奉献,祝国庆快乐
谢谢!也祝各位坛友、版友国庆节快乐!
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2018/12/4 17:04:03 Last edit by wccd
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给王老师赞一个,快放假了,还在认真写原创,内容太翔实了,图文并茂
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给王老师赞一个,快放假了,还在认真写原创,内容太翔实了,图文并茂
谢团长夸奖!
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求教,ARL3460描迹一直是直线没有完整峰形!是什么问题…
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求教,ARL3460描迹一直是直线没有完整峰形!是什么问题…
你这个像没有检测到信号,按F7看看仪器参数是否都符合要求。
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原文由 wccd(wccd) 发表: 你这个像没有检测到信号,按F7看看仪器参数是否都符合要求。
仪器状态正常…
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原文由 Insm_3cbd12da(Insm_3cbd12da) 发表:
仪器状态正常…


做个灯曝光看看数据如何?有数据说明检测系统没问题,可查看电子快门。如果灯曝光无数据需要查看积分放大系统了。
如果你的描迹鼓轮偏离的太多,也会出现无信号现象,所以通常情况下不要随意调节描迹鼓轮。
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2018/10/20 8:31:48 Last edit by wccd
Insm_3cbd12da
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原文由 wccd(wccd) 发表: 做个灯曝光看看数据如何?有数据说明检测系统没问题,可查看电子快门。如果灯曝光无数据需要查看积分放大系统了。如果你的描迹鼓轮偏离的太多,也会出现无信号现象,所以通常情况下不要随意调节描迹鼓轮。
额,谢谢,已解决…
Insm_3cbd12da
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老师,我问个问题,就是描迹过后,做标准化,高低标样中都有个别值跟初始设定值差别很大(比如说Al40/Si2),是什么原因?

还有描迹结果的好坏(就是说谱图形状啥的,峰值这类的)怎么判断?

然后样品的制备, 铣床和车床,会不会对测试结果有影响?

完全新手,实验室只有我和机器,无人指导,不知道问的问题是不是很尴尬,真心求教!另外有没有相关书推荐。