原子熒光光譜儀空心陰極燈的供電方式

空心陰極燈的幾種供電方式

用于原子吸收儀器的空心陰極燈只要求這種光源能發出適當強 度的銳線譜線，儀器的靈敏度與其發射強度無關。而原子熒光儀器 在一定條件下其相對熒光強度（靈敏度）與激發光源的發光強度成 正比。因此，應用通常原子吸收儀器供電方式下的空心陰極燈不能 激發出足夠強的原子熒光信號。影響空心陰極燈輻射強度的最主要的一個參數是其工作電流。一般情況下，工作電流越大則輻射強度 越大，但燈的使用壽命越短，特別是這些能形成氫化物的低熔點易 揮發元素燈，燈電流過大會導致陰極變形、熔化或噴濺而無法使 用。為了使空心陰極燈既能激發出足夠強的發光強度，同時又能保 持一定的使用壽命，通常采用短脈沖大電流的供電方式。燈使用短 脈沖大電流工作，可有足夠長的脈沖間歇時間以保持低的平均工作電流，這樣既不會使陰極過熱和燒毀燈，同時又能增加峰值熒光強度和縮短總的信號觀察時間，提高儀器的信噪比。例如，在一恒定電流值祐條件下能連續發射光譜輻射通量或φ_λ0。（相當于熒光輻射強度 I_f0）的空心陰極燈在1 ：10占空比脈沖條件下工作，而且平均放電電流保持不變，則峰值燈電流 M 可提高到約10i₀。而燈的 峰值光譜輻射通量 φ_λpk 與峰值燈電流弟之間存在如下關系：

(1-1)

式中，n 通常在1?3范圍內，即燈的峰值光譜輻射通量 φ_λpk 至少 增加至10倍 φ_λ0 的。因此，如果激發光源線的寬度或自吸沒有顯著 增加，則峰值光譜輻射通量 φ_λpk 也可使峰值熒光強度 I_fpk 至少提高至10倍 I_f0。

空心陰極燈采用短脈沖大電流的供電方式，不僅能提高峰值熒光強度，更重要的是能大幅度提高儀器的信噪比，這是由于信號采集系統只有在激發脈沖開啟時才同步采樣，其余時間停止采樣，因此絕大部分噪聲可被抑制。以占空比的激發脈沖為例，由分析元素發射和原子化器的背景發射等引起的噪聲90%可被截止， 這就導致平均熒光信噪比的顯著提高。在最佳條件下，以相同的測量時間、相同的平均電流值，可推導出脈沖和連續工作的空心陰極燈的信噪比之比的表達式為：

（1-2）

式中 wp——脈沖寬度，S；

fp—— 脈沖的重復頻率，s^-1。

與公式(1-1) 一樣，n 通常在1?3范圍內。

以我國早期的原子熒光用空心陰極燈的激發脈沖為例，脈沖寬度為100μs，占空比為1 ：30，則脈沖激發的信噪比與連續激發相比，在平均電流相同的情況下，其改善倍數為：

當n=1時，倍數約為5；

當n=1.5時，倍數約為30；

當n=2時，倍數約為170。

可見，采用脈沖激發的空心陰極燈，根據不同的占空比和脈沖寬度(或脈沖頻率)，其信噪比可以成幾倍、幾十倍甚至幾百倍地提高。

下圖為 Baird 公司 AFS-2000型原子熒光光譜儀的空心陰極燈脈沖供電示意圖。

在測量過程中，儀器在給某一道的空心陰極燈提供一系列方波 脈沖以激發該道燈的能量的同時，其余道的燈則處于“關閉狀態”，這樣一道一道依次進行輪換測量。每道燈的“關閉”時間比“開 啟”'時間要長得多，因此其平均電流很小，不會引起陰極過熱。在 激發脈沖“關閉”的時間段里，有一約 0.5mA 的直流電流一直在 “預熱”燈，其作用一是為了加快空心陰極燈脈沖激發輻射的上升沿速度，另一方面是為了提高激發輻射的重現性。

下圖為我國早期的 XDY-2 型氫化物發生-無色散原子熒光光譜儀的空心陰極燈脈沖供電示意圖。

在原子吸收分光光譜儀中使用的空心陰極燈一般采用連續的短 脈沖大電流供電方法，即只要儀器加電，空心陰極燈就一直處于短脈沖大電流的激發狀態，以利于提高光源的穩定性。

如果這種供電方式用在原子熒光中，則空心陰極燈的使用壽命將會很短，主要原因是在原子熒光中為了提高光源的發光強度，所需的空心陰極燈的電流峰值要比原子吸收大很多。為了既能提高光源的輻射強度又能延長空心陰極燈的使用壽命，XDY-2型儀器采用短脈沖大電流間歇式供電方法，其工作過程為：原子熒光光譜儀在開機以后的其他 非采樣時間里，空心陰極燈只以小電流姑預熱，使燈發光穩定。 采樣時，短脈沖大電流 i₁ 疊加在 i₀ 上供電給空心陰極燈。在實際分析工作中，一個樣品的采樣時間(即空心陰極燈的點燈時間)只占整個樣品分析時間的三分之一，再加上儀器預熱等其他非樣品分 析時間，實際的點燈時間還不到儀器加電時間的三分之一，因此采用短脈沖大電流間歇式供電的空心陰極燈的使用壽命能比采用連續式短脈沖大電流電時至少提高三倍。

從公式(1-1)及其說明中可以看到，峰值熒光強度與峰值燈電 流之間存在著正比關系，即峰值燈電流越大，峰值熒光強度越強; 從公式(1-2)可以看到，脈沖寬度越窄，脈沖激發的熒光的信噪比越好。因此在保持一個低的平均電流且激發光源線的寬度或自吸沒有顯著增加的情況下，可以盡量提高燈的電流，降低脈沖寬度，以 此來提高儀器的信噪比。黃本立等曾經報道了空心陰極燈在短脈沖大電流(3級脈寬，電流10A)供電時的發射光譜特性，研究了空心陰極燈在該供電條件下激發的離子和原子熒 光光譜，并在脈沖頻率為220Hz，脈沖寬度為1.5/μs，峰值燈電流 為15A 的空心陰極燈的供電條件下，研究了 Ca 的原子熒光光譜， 估算了系統對 Ca 的檢出限，與其他相同測試條件下用原有常規脈沖空心陰極燈激發時所得的檢出限相比，改善了30-40倍。

空心陰極燈的工作電壓約為150?300V，不同的燈的工作電壓有所不同，其起輝電壓約為400?500V。由于空心陰極燈是一種特殊的低壓輝光放電燈，其輝光放電的強度與所加的電壓幾乎無關， 而與施加的電流成正比關系，因此其供電電源必須能供給穩定的電流。為提高其穩定性，一般采用恒流控制方式。如下圖所示為我國 XDY-2型儀器所采用的單陰極空心陰極燈的供電電源原理框圖。 由高壓電源、緩沖器、脈沖調制開關和恒流電路等部分組成。