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)光源的獨特優(yōu)勢，在地質(zhì)勘探、冶金分析、材料檢測等領(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 — 信號檢測 — 數(shù)據(jù)解析" 的連續(xù)流程展開，通過精準捕捉元素特征光譜實現(xiàn)定性與定量分析，整個系統(tǒng)的協(xié)同運作確保了分析結(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，其核心任務是通過直流電弧的高溫能量實現(xiàn)樣品的蒸發(fā)、原子化與激發(fā)，這一過程是產(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)生初始導電通道，隨后拉開 4~6mm 的分析間隙形成電弧；或通過高頻引弧裝置產(chǎn)生萬伏級高壓，直接擊穿電極間空氣電離形成放電通道。引弧后進入穩(wěn)定燃弧階段，陰極發(fā)射的高能熱電子高速轟擊陽極，在陽極表面形成熾熱的陽極斑，其溫度可達 3800K 以上，強大的熱效應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)境中進一步解離為原子，電弧中心 4000~7000K 的溫度場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，會在極短時間內(nèi)躍回基態(tài)或低能態(tài)，躍遷過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)定進行，為光譜產(chǎn)生提供持續(xù)能量。現(xiàn)代儀器常通過內(nèi)置穩(wěn)流電源與斯托伍德氣室優(yōu)化激發(fā)過程，前者提升放電穩(wěn)定性，后者可降低 CN 鍵帶來的光譜干擾。
分光系統(tǒng)又稱光學系統(tǒng)，其功能是將電弧產(chǎn)生的復合光分解為按波長有序排列的單色光，為后續(xù)檢測提供可識別的特征譜線。該系統(tǒng)通常由入射狹縫、準直物鏡、色散元件與聚焦光學組件構(gòu)成，核心在于色散元件對復合光的分離作用。
入射狹縫是光學系統(tǒng)的 “信號入口"，位于準直物鏡的焦平面上，其寬度直接決定進入系統(tǒng)的光通量與光譜分辨率 —— 窄縫可提升分辨率但降低光強，寬縫則反之，需根據(jù)分析需求精準調(diào)節(jié)。從狹縫進入的復合光經(jīng)準直物鏡處理后轉(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)中實現(xiàn)高分辨率，有效解決光譜級次重疊問題。
光柵通過光的衍射與干涉作用將復合光分解為不同波長的單色光，不同元素的特征譜線因波長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景，3600 線 /mm 的高刻線密度光柵則可滿足高分辨率檢測需求。分離后的單色光經(jīng)聚焦物鏡匯聚，形成按波長排列的光譜帶，最終投射至檢測系統(tǒng)的接收面上，完成從復合光到特征譜線的精準轉(zhuǎn)化。
檢測系統(tǒng)負責接收分光后的特征譜線，將光能信號轉(zhuǎn)化為可測量的電信號，其性能直接影響分析的靈敏度與準確度。根據(jù)儀器配置不同，檢測組件主要分為光電倍增管與固體成像檢測器兩類。
光電倍增管適用于傳統(tǒng)固定光路系統(tǒng)，采用 “一對一" 檢測模式：每個出射狹縫對應一個光電倍增管，僅捕捉特定波長的特征譜線。當單色光照射到光電倍增管的光敏陰極時，產(chǎn)生的光電子經(jīng)多級倍增極放大，形成可測量的電流信號，再通過積分電容儲存電荷，曝光結(jié)束后測量電容電壓值量化光強。這種方式靈敏度高，但檢測通道固定，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）等固體成像檢測器，配合全譜光學系統(tǒng)實現(xiàn)多譜線同時檢測。這類檢測器由大量光敏單元組成陣列，可同時接收整個光譜區(qū)間的光信號，將不同波長的光強轉(zhuǎn)化為對應的電荷信號，經(jīng) DSP（數(shù)字信號處理器）處理后轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。其優(yōu)勢在于全譜讀取能力，可實現(xiàn)譜圖疊加、差減等高級操作，且支持實時背景校正與內(nèi)標校正，大幅提升了復雜樣品分析的效率與準確性。
數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是直流電弧光譜儀的 “大腦"，通過軟件算法將檢測系統(tǒng)輸出的數(shù)字信號轉(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應關(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。軟件通過將實測光譜圖與標準譜線庫進行比對，識別出特定波長的特征譜線，即可確定樣品中所含元素種類。例如，檢測到波長為 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" 的延伸應用 —— 在一定條件下，元素特征譜線的強度與該元素在樣品中的含量呈正相關(guān)。通過測量特征譜線的相對強度（通常采用內(nèi)標法，選取樣品中含量穩(wěn)定的元素作為內(nèi)標，校正激發(fā)條件波動帶來的誤差），結(jié)合標準物質(zhì)繪制的濃度 - 強度校準曲線，即可計算出樣品中目標元素的準確含量?，F(xiàn)代軟件還具備自動扣除背景干擾、校正第三元素影響等功能，通過 PDA 技術(shù)篩選有效數(shù)據(jù)，修正儀器漂移帶來的偏差，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：陽極斑溫度高帶來的蒸發(fā)能力，使儀器具有高絕對靈敏度和低檢出限，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，且弧層較厚導致自吸現(xiàn)象明顯，定量分析的精密度受限。
基于這些特點，儀器在定性與半定量分析中應用廣泛，可對陶瓷、玻璃、難溶粉末、地質(zhì)原料等多種固體樣品直接分析，無需復雜消解處理。在冶金領(lǐng)域可用于礦石中低含量元素篩查，在環(huán)境檢測中可測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。對于高含量元素定量或要求高精度分析的場景，則需結(jié)合其他光源類型的光譜儀互補使用。
