直流電弧光譜儀作為原子發(fā)射光譜分析技術(shù)中的經(jīng)典儀器，憑借直流電弧激發(fā)光源的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在地質(zhì)勘探、冶金分析、材料檢測(cè)等領(lǐng)域占據(jù)重要地位。其核心工作邏輯圍繞 “樣品激發(fā) — 光譜分光 — 信號(hào)檢測(cè) — 數(shù)據(jù)解析" 的連續(xù)流程展開(kāi)，通過(guò)精準(zhǔn)捕捉元素特征光譜實(shí)現(xiàn)定性與定量分析，整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作確保了分析結(jié)果的專業(yè)性與可靠性。
激發(fā)系統(tǒng)是直流電弧光譜儀的能量供給中樞，其核心任務(wù)是通過(guò)直流電弧的高溫能量實(shí)現(xiàn)樣品的蒸發(fā)、原子化與激發(fā)，這一過(guò)程是產(chǎn)生元素特征光譜的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)通常由直流電源、石墨電極與引弧裝置構(gòu)成，電源輸出電壓一般為 150~380V，工作電流維持在 5~30A 的穩(wěn)定范圍。
樣品激發(fā)的啟動(dòng)依賴引弧操作，通常采用電極接觸短路或高頻高壓擊穿兩種方式：將裝有固體樣品的下電極與上電極短暫接觸，通電后電極受熱產(chǎn)生初始導(dǎo)電通道，隨后拉開(kāi) 4~6mm 的分析間隙形成電弧；或通過(guò)高頻引弧裝置產(chǎn)生萬(wàn)伏級(jí)高壓，直接擊穿電極間空氣電離形成放電通道。引弧后進(jìn)入穩(wěn)定燃弧階段，陰極發(fā)射的高能熱電子高速轟擊陽(yáng)極，在陽(yáng)極表面形成熾熱的陽(yáng)極斑，其溫度可達(dá) 3800K 以上，強(qiáng)大的熱效應(yīng)使下電極凹槽中的樣品迅速蒸發(fā)為氣態(tài)分子。
氣態(tài)分子在電弧高溫環(huán)境中進(jìn)一步解離為原子，電弧中心 4000~7000K 的溫度場(chǎng)為原子提供了充足能量，使其外層電子從基態(tài)躍遷至高能激發(fā)態(tài)。由于激發(fā)態(tài)電子極不穩(wěn)定，會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)躍回基態(tài)或低能態(tài)，躍遷過(guò)程中釋放的能量以光輻射形式呈現(xiàn)，形成代表該元素特征的發(fā)射光譜。這一過(guò)程中，電子、原子與離子間的持續(xù)碰撞維持了等離子體狀態(tài)，確保電弧放電穩(wěn)定進(jìn)行，為光譜產(chǎn)生提供持續(xù)能量。現(xiàn)代儀器常通過(guò)內(nèi)置穩(wěn)流電源與斯托伍德氣室優(yōu)化激發(fā)過(guò)程，前者提升放電穩(wěn)定性，后者可降低 CN 鍵帶來(lái)的光譜干擾。
分光系統(tǒng)又稱光學(xué)系統(tǒng)，其功能是將電弧產(chǎn)生的復(fù)合光分解為按波長(zhǎng)有序排列的單色光，為后續(xù)檢測(cè)提供可識(shí)別的特征譜線。該系統(tǒng)通常由入射狹縫、準(zhǔn)直物鏡、色散元件與聚焦光學(xué)組件構(gòu)成，核心在于色散元件對(duì)復(fù)合光的分離作用。
入射狹縫是光學(xué)系統(tǒng)的 “信號(hào)入口"，位于準(zhǔn)直物鏡的焦平面上，其寬度直接決定進(jìn)入系統(tǒng)的光通量與光譜分辨率 —— 窄縫可提升分辨率但降低光強(qiáng)，寬縫則反之，需根據(jù)分析需求精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。從狹縫進(jìn)入的復(fù)合光經(jīng)準(zhǔn)直物鏡處理后轉(zhuǎn)化為平行光束，垂直投射至色散元件。常用的色散元件為光柵，傳統(tǒng)儀器多采用平面光柵，現(xiàn)代設(shè)備則多配備中階梯光柵，配合交叉色散技術(shù)可在小型化結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)高分辨率，有效解決光譜級(jí)次重疊問(wèn)題。
光柵通過(guò)光的衍射與干涉作用將復(fù)合光分解為不同波長(zhǎng)的單色光，不同元素的特征譜線因波長(zhǎng)差異被分離至不同空間位置。根據(jù)分析需求可選擇不同刻線密度的光柵：300 線 /mm 的光柵適用于低分辨率、寬光譜范圍的分析場(chǎng)景，3600 線 /mm 的高刻線密度光柵則可滿足高分辨率檢測(cè)需求。分離后的單色光經(jīng)聚焦物鏡匯聚，形成按波長(zhǎng)排列的光譜帶，最終投射至檢測(cè)系統(tǒng)的接收面上，完成從復(fù)合光到特征譜線的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化。
檢測(cè)系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收分光后的特征譜線，將光能信號(hào)轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電信號(hào)，其性能直接影響分析的靈敏度與準(zhǔn)確度。根據(jù)儀器配置不同，檢測(cè)組件主要分為光電倍增管與固體成像檢測(cè)器兩類。
光電倍增管適用于傳統(tǒng)固定光路系統(tǒng)，采用 “一對(duì)一" 檢測(cè)模式：每個(gè)出射狹縫對(duì)應(yīng)一個(gè)光電倍增管，僅捕捉特定波長(zhǎng)的特征譜線。當(dāng)單色光照射到光電倍增管的光敏陰極時(shí)，產(chǎn)生的光電子經(jīng)多級(jí)倍增極放大，形成可測(cè)量的電流信號(hào)，再通過(guò)積分電容儲(chǔ)存電荷，曝光結(jié)束后測(cè)量電容電壓值量化光強(qiáng)。這種方式靈敏度高，但檢測(cè)通道固定，靈活性較差。
現(xiàn)代儀器更廣泛采用 CCD（電荷耦合器件）或 CID（電荷注入器件）等固體成像檢測(cè)器，配合全譜光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多譜線同時(shí)檢測(cè)。這類檢測(cè)器由大量光敏單元組成陣列，可同時(shí)接收整個(gè)光譜區(qū)間的光信號(hào)，將不同波長(zhǎng)的光強(qiáng)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的電荷信號(hào)，經(jīng) DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）處理后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。其優(yōu)勢(shì)在于全譜讀取能力，可實(shí)現(xiàn)譜圖疊加、差減等高級(jí)操作，且支持實(shí)時(shí)背景校正與內(nèi)標(biāo)校正，大幅提升了復(fù)雜樣品分析的效率與準(zhǔn)確性。
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是直流電弧光譜儀的 “大腦"，通過(guò)軟件算法將檢測(cè)系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為明確的元素定性與定量結(jié)果，核心依賴光譜特征與元素屬性的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
定性分析基于元素特征譜線的性 —— 每種元素都有其特定的特征譜線組。軟件通過(guò)將實(shí)測(cè)光譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜線庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，識(shí)別出特定波長(zhǎng)的特征譜線，即可確定樣品中所含元素種類。例如，檢測(cè)到波長(zhǎng)為 589.0nm 與 589.6nm 的譜線組，可判定樣品中存在鈉元素。
定量分析則依據(jù) “朗伯 - 比爾定律" 的延伸應(yīng)用 —— 在一定條件下，元素特征譜線的強(qiáng)度與該元素在樣品中的含量呈正相關(guān)。通過(guò)測(cè)量特征譜線的相對(duì)強(qiáng)度（通常采用內(nèi)標(biāo)法，選取樣品中含量穩(wěn)定的元素作為內(nèi)標(biāo)，校正激發(fā)條件波動(dòng)帶來(lái)的誤差），結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)繪制的濃度 - 強(qiáng)度校準(zhǔn)曲線，即可計(jì)算出樣品中目標(biāo)元素的準(zhǔn)確含量。現(xiàn)代軟件還具備自動(dòng)扣除背景干擾、校正第三元素影響等功能，通過(guò) PDA 技術(shù)篩選有效數(shù)據(jù)，修正儀器漂移帶來(lái)的偏差，確保定量結(jié)果的可靠性。
直流電弧光譜儀的技術(shù)特性由其激發(fā)光源決定：陽(yáng)極斑溫度高帶來(lái)的蒸發(fā)能力，使儀器具有高絕對(duì)靈敏度和低檢出限，特別適合痕量元素分析；但弧焰穩(wěn)定性較差，易發(fā)生漂移，且弧層較厚導(dǎo)致自吸現(xiàn)象明顯，定量分析的精密度受限。
基于這些特點(diǎn)，儀器在定性與半定量分析中應(yīng)用廣泛，可對(duì)陶瓷、玻璃、難溶粉末、地質(zhì)原料等多種固體樣品直接分析，無(wú)需復(fù)雜消解處理。在冶金領(lǐng)域可用于礦石中低含量元素篩查，在環(huán)境檢測(cè)中可測(cè)定土壤中的重金屬痕量成分，在核工業(yè)中可分析核原料中的雜質(zhì)元素。對(duì)于高含量元素定量或要求高精度分析的場(chǎng)景，則需結(jié)合其他光源類型的光譜儀互補(bǔ)使用。
