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原子吸收光谱（AAS）

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主题：【第十三届原创】形形色色的阴极灯架

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夕阳

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6月一等奖

在原子吸收光谱仪中光源是一个很重要的部分，它工作状态的好坏，直接影响着样品测试的灵敏度和信噪比；由于目前绝大多数的原子吸收光谱仪的光源还是以空心阴极灯为主，因此全面了解一下有关阴极灯的灯架的结构、特点和优缺点就显得尤为重要了。为此，本文针对几款具有代表型的阴极灯架的结构和特点进行剖析。

图-1 阴极灯的光路示意图

为了便于分析，图-1 给出了一款阴极灯与火焰原子化器（燃烧器）和无火焰原子化器（石墨炉）串联式的光路结构示意图。从上图不难看出，要想得到准确的分析结果，首先阴极灯的光束必须正确地通过火焰原子化器的火焰中和无火焰原子化器的石墨管的管腔中。为了达到这个目的，首先就要要求阴极灯的阴极与灯的玻壳（外壳）最好形成一个同心圆，这是因为仪器灯室的灯架一般均是按照仪器光轴的设计要求，已经预先设计好了灯架的尺寸和角度，其目的就是为了保证阴极灯安装后，其灯光束能正确地通过原子化器实现与光轴完美的拟合，以达到最佳吸收信号和最小的背景吸收的效果。

此外阴极灯的光束如果能与仪器设计的光轴充分地实现拟合，其光束就能正确地照射到光电倍增管光窗的有效区域，从而得到最大吸收信号和最佳的信噪比。

图-2 阴极灯截面示意图

从图-2 可以看出，阴极灯的阴极和灯的玻壳的圆心均处于平面坐标的原点上，这就形成了同心圆的状态，如此，阴极灯发出的光束必然也会与灯的玻壳形成同心圆的状态。

如果阴极灯的阴极与玻壳没有形成同心圆状态，这就会使阴极灯发出的光束中心点偏离仪器设计的光轴，那么阴极灯的光束就有可能没有完全进入到火焰原子化器中基态原子最密集的空间，致使检测灵敏度下降和噪声加大。如果是石墨炉，还可能造成假的吸收背景或者出现负值的可能。图-3就是两种阴极灯同心圆的对比图：

图-3 两种同心圆阴极灯的对比

在这里要特别强调的是：上面所说的“同心圆”不单单是泛指阴极与玻壳表征上的同心圆，而是实际上形成的物理性同心圆。因为阴极灯发出的光束与阴极和阳极之间的激发区域有着密不可分的因素，所以阴极灯的设计和制作工艺就是一个非常讲究的专门技术领域了，在这里就不多做赘述了。

俗话说“好马配好鞍”，即便是阴极灯的同心圆状态再良好，但是也要安装在灯架上才能实施真正的光轴的拟合，何况还有许多同心圆并不是绝对良好的阴极灯呢？为此，下面着重介绍几款阴极灯架的结构和特点，以飨版友。

（1）单灯平台式固定型灯架

这类型灯架一般是设计在早期或者是当前某些简易的仪器上。请看下面图-4和

图-5两款仪器的灯架的照片：

图-4 北分瑞利灯架（台）

图-5 日立早期170型灯架（台）

上述两款灯架的结构特点是：这种灯架只能安装一只阴极灯，没有预热第二只阴极灯的功能；同时该灯架不能做上下左右二维方式的调整；但是阴极灯安装后可以进行前后移动的微调，已达到最佳聚焦位置，同时对于同心圆不良的阴极灯也可以做有限地自旋转微调，以使灯光束尽量与光轴达到最佳拟合的目的。由于这种灯架微调的范围有限，加之灯架本身是固定不可调整的，所以还是将此类该灯架定性为固定型。

（2）单灯平台式可调型灯架

为了克服简易仪器的固定灯架不能进行上下左右移动调整的弊端，于是具有二维调整功能的灯架问世了。所谓的二维方式调整，其实就是将位于X、Y平面坐标轴心的阴极灯光束与仪器光轴的拟合过程；这个过程见图-6所示：

图-6 阴极灯二维光轴拟合调整示意图

从图-6可以看出，橙色的阴极灯光束和蓝色的仪器光轴均处于二维坐标系的黑色的轴心上，因为仪器的光轴是固定的，所以要想达到二者充分地拟合，只能调整阴极灯的灯架上下左右的位置才能达到最佳的拟合。

例如图-7的日立180型原吸就是这样类型的仪器；该仪器的灯架有两个调整旋钮，一个是左右调整用的X轴旋钮，另一个是上下调整用的Y轴旋钮。

图-7 日立180型灯架

结构特点：由于该灯架采用了二维调整方式，这就大大的方便和简化了灯光束与光轴的拟合过程。同时针对同心圆稍有差异的阴极灯而言，调整起来也是有着很大的动态范围的。这种看似自动化程度不高的手动操作灯架，在当今看来仍不失为一种简单易行、行之有效的手段。

缺点：最多只能预热两只灯，对于多元素连续分析还是略显不足。

（3）八灯平台式半固定型灯架

鉴于上述灯架预热灯数不多的缺陷，另一种可以安装预热的八灯平台半固定型灯架则应运而生了；其代表机型就是安捷伦AA280机型的灯架。见图-8所示：

图-8 安捷伦AA280型灯架

结构特点：该灯架是从AA240机型演变而来的，可以同时预热八只灯，如此，在多元素分析时，便可以大大缩短阴极灯的切换时间。八只灯呈弧形状垂直排列在平台上，通过软件控制光源镜的选择可以让选定的阴极灯快速进入光路中。尽管这种灯座看似是固定型的，且阴极灯本身也不可做自身旋转调节，但是在每一个灯座的后面均有两个手动微调旋钮，其作用就是让阴极灯做小范围的平面旋转微调，已达到类似二维调整的效果，由于该灯架不能完成自动微调只能实施手动微调，所以称这种灯架为半固定型灯架。这种可调灯座见图-9所示：

图-9 安捷伦AA280可微调灯座

缺点：由于这种灯座在做平面微调时需要手动反复调整才能做到与光轴拟合成为最佳状态；另外每次更换灯后均要再做一次微调，故比较麻烦。

（4）水平旋转微调型灯架

为了既能适应多元素分析又能实现自动微调的需求，一种水平旋转微调型灯架问世了。这种灯架一般可以安装N只阴极灯，阴极灯安装在可以旋转的灯架的圆形轨道上，通过灯架驱动步进电机的旋转进行阴极灯的切换，每两只灯之间的夹角等于360°÷N。这类旋转型灯架的结构原理见图-10所示：

图-10 水平旋转微调型8灯架示意图

从图-10可以看出，8只阴极灯是安装在灯架的外围圆形运行轨迹上的，其中黑色圆圈代表的是八只阴极灯的位置，蓝色圆圈代表仪器的光轴，橙色的圆圈代表的是工作阴极灯的光束。当仪器在初始化时，被选中的阴极灯会随着灯架旋转到轨迹的某一个角度的切点的位置，这个切点的位置也就是灯光束与光轴的拟合点。如果阴极灯的同心圆的状态良好的话，灯架驱动电机会根据仪器检测到的光能量强弱反馈信号，命令灯架沿着运动轨迹做小弧度的微调，以求得最佳的灯位置。此外，有的仪器针对这种旋转灯架还可以利用软件实施手动微调，以达到阴极灯光束与仪器的光轴实现最佳拟合的目的。这类灯架请参看下面的实体照片：

图-11普析990旋转固定型的8灯架

图-11是这种类型的阴极灯架的代表。该灯架的工作原理与图-10是一样的，只不过灯光束与光轴的拟合切点不是在圆弧的90°垂直位置，而是在圆弧的135°的位置，也就是图-11中1号灯的设定位置。当预选的阴极灯转到设定的位置后，仪器会根据阴极灯发出的特征谱线的强弱，自动实施与切点为中心的左右的小弧度微调；如果仪器自动微调效果不十分理想时，还可以利用手动【正转】【反转】调整软件来实现人工的最佳拟合。该手动微调软件功能界面见图-12所示：

图-12 普析阴极灯手动微调界面

但是该灯架也有一个缺憾，那就是由于该阴极灯的灯座是固定型的，因此一旦阴极灯插入到灯仓后由于受到固定灯座的限制而不能做自旋转微调，也就是说对于一些同心圆不是十分良好的阴极灯而言，则不能将阴极灯光束的中心点完整地调回到旋转轨迹与光轴切点的位置上，所以该类型仪器对于阴极灯的同心圆状态要求是很高的。鉴于此，另一种可以使阴极灯做自旋转的水平旋转灯架就问世了。见图-13所示：

图-13 海光920旋转可调型8灯架

通过图-13可以看出，该灯架的工作原理与前面的图-12相差无几，不同之处在于这种灯架的灯光束与光轴的拟合切点不在圆弧的135°处，而是在45°位置。尤其值得一提的是：该阴极灯架采用一种新型的独特的滑环式供电结构，因此灯架不但可以做360°的无限循环转动，而且不会造成电源连线相互缠绕在一起的后果，加之该仪器可以同时预热8只灯，如此就大大地节省了灯架的往返切换时间。另外，由于该灯座是拔插式的并且电源供给采用的是软线连接的方式，因此安插在上面的阴极灯本身也可以随意做360°的自旋转微调，这就保证了阴极灯光束的中心点与光轴切点的充分拟合；同时阴极灯还可以沿着光轴的方向做前后微调，以取得最佳聚焦的灯位置。这无疑对于阴极灯的同心圆状态的选择范围就放宽了。该仪器的手动微调软件界面见图-14所示（备注：界面中的【灯位加】和【灯位减】就相当于灯架的正反转动）：

图-14 海光920型灯架手动微调界面

（5）垂直旋转微调型灯架
这类灯架实质上与前面的水平旋转微调型灯架的切换和调整方式没有本质上的区别，只是将灯架由水平方向改为垂直方向了；因此，阴极灯发出的光束不是与仪器的光轴直接产生拟合，而是要通过一个凹面光源反射镜来实现与光轴的拟合。这种灯光路的设计如图-15所示：

图-15 垂直灯光路示意图

这种垂直灯光路设计的目的主要特点是：由于光路中增添了一块凹面光源反射镜，于是就能将阴极灯发出的较为散射的光束形成相对聚焦的状态去与仪器光轴实施拟合，无形中提高了阴极灯的光能量的利用效率，如此的设计无疑的可以提高仪器的信噪比（S/N）。同时，正是因为这类灯架的设计特点，所以在仪器初始化自检时，仪器通过检测到的光信号的强度大小而实施小弧度的自动微调，便可一次性地完成阴极灯光束与仪器光轴的拟合到位，无需再实施人为的手动拟合。这类灯架的代表机型如下所示：

图-16岛津6880型8灯架

图-17 耶拿ZEEnit700P型6灯架

图-18 热电3500型6灯架

不过上面这三种灯架都有一个共同的缺陷，那就是由于这些灯座均是固定型的，因此安装在灯座上的阴极灯本身不能做自旋转微调。为了让阴极灯的光束与仪器的光轴实现充分地拟合，所以对于阴极灯的同心圆的状态要求是比较严格的，这也就是为何该类仪器厂家要求尽量使用原装阴极灯的缘由所在。而对于那些同心圆状态不良的非原装品的阴极灯而言，由于本身不能做自旋转，所以灯光束就不能完整地调整到切点的位置。

为了克服上述灯架拟合的缺陷，有的仪器便将灯座改为可拔插式的，如此便可实现自旋转的微调目的了。如图-19就是这种灯架的实际案例：

图-19日立ZA3000型灯架

从图-19可以看出，由于该仪器采用了非固定可拔插式阴极灯座并且电源是通过软线供给的，故阴极灯座可以实施手动360°的自旋转，如此就达到了与光轴的切点实施最佳拟合的目的了。从另外一个角度看，这样的设计也可以放宽了对阴极灯的选择范围。

（6）平行并列固定型灯架

这种类似火箭炮的平行并列灯架到目前为止似乎是PE的专利，目前还未看到其他仪器厂家有如此的设计，如图-20 所示：

图-20 几款PE机型的灯架

下面以PE800原吸为例，介绍一下灯光路的机构与特点。图-21是PE800型的灯架外观图，图-22是PE800灯光路示意图，图-23是灯光路实体图：

图-21 PE800型灯架外观图

图-22 PE800型原吸的灯光路示意图

图-23 PE800型原吸的灯光路实体图

从上面三张图可以看出，该平行固定灯架分为上下两层，可以安装8只阴极灯；上层灯仓从左到右的排列顺序为1, 3, 5, 7；下层灯仓的排列顺序为2, 4, 6, 8；于是按照灯架上下两层灯仓的对位关系则可视为分为四组，即：1,2号灯位为一组；以此类推3,4号，5,6号，7,8号位为其他三组。

从图-22可以看出，移动光源镜E1完成的是对四组阴极灯的选定，而俯仰角凹面镜T1完成的是对每组灯仓里上下阴极灯的选定。也就是说，光源镜E1和凹面镜T1二者相结合完成了对待测阴极灯的选择，并可根据光能量的强弱进行微调。

待测阴极灯发出的光束经过移动光源镜E1反射到俯仰角可调凹面镜T1上实施聚焦，最后与光轴相拟合。

该类型的灯架一般使用的都是PE公司生产的编码阴极灯，并且可以同时预热四只阴极灯供连续测试之用。为了扩大非原装灯的使用范围，该灯架增加了转接线，以便适应国产灯的使用。这种国产灯扩展应用实例见图-24所示：

图-24 国产阴极灯扩展应用实例

结束语：

（1）写此文的目的主要是想开辟一种新的写作思路，以原子吸收光谱仪上的某一个部分来展现不同仪器厂家的各自的设计风采。

（2）由于本人掌握的素材有限，上面仅仅介绍了部分国内、外仪器厂家生产的灯架的结构和特点，鉴于有些仪器厂家的灯架结构与本文有所雷同，故在此就不做过多的赘述了。

（3）由于本人对各类型仪器掌握的信息量多少不一样，所以介绍的篇幅量也不一样。

（4）由于本人不是专门搞仪器设计的，所以对许多仪器灯架的介绍和剖析，只是从照片资料上分析得出的，故文中难免有谬误之处，望版友海涵指正。