原子荧光光谱仪--空心阴极灯的供电方式

空心阴极灯的几种供电方式

用于原子吸收仪器的空心阴极灯只要求这种光源能发出适当强 度的锐线谱线，仪器的灵敏度与其发射强度无关。而原子荧光仪器 在一定条件下其相对荧光强度（灵敏度）与激发光源的发光强度成 正比。因此，应用通常原子吸收仪器供电方式下的空心阴极灯不能 激发出足够强的原子荧光信号。影响空心阴极灯辐射强度的最主要的一个参数是其工作电流。一般情况下，工作电流越大则辐射强度 越大，但灯的使用寿命越短，特别是这些能形成氢化物的低熔点易 挥发元素灯，灯电流过大会导致阴极变形、熔化或喷溅而无法使 用。为了使空心阴极灯既能激发出足够强的发光强度，同时又能保 持一定的使用寿命，通常采用短脉冲大电流的供电方式。灯使用短 脉冲大电流工作，可有足够长的脉冲间歇时间以保持低的平均工作电流，这样既不会使阴极过热和烧毁灯，同时又能增加峰值荧光强度和缩短总的信号观察时间，提高仪器的信噪比。例如，在一恒定电流值祐条件下能连续发射光谱辐射通量或φ_λ0。（相当于荧光辐射强度 I_f0）的空心阴极灯在1 ：10占空比脉冲条件下工作，而且平均放电电流保持不变，则峰值灯电流 M 可提高到约10i₀。而灯的 峰值光谱辐射通量 φ_λpk 与峰值灯电流弟之间存在如下关系：

(1-1)

式中，n 通常在1〜3范围内，即灯的峰值光谱辐射通量 φ_λpk 至少 增加至10倍 φ_λ0 的。因此，如果激发光源线的宽度或自吸没有显著 增加，则峰值光谱辐射通量 φ_λpk 也可使峰值荧光强度 I_fpk 至少提高至10倍 I_f0。

空心阴极灯采用短脉冲大电流的供电方式，不仅能提高峰值荧光强度，更重要的是能大幅度提高仪器的信噪比，这是由于信号采集系统只有在激发脉冲开启时才同步采样，其余时间停止采样，因此绝大部分噪声可被抑制。以占空比的激发脉冲为例，由分析元素发射和原子化器的背景发射等引起的噪声90%可被截止， 这就导致平均荧光信噪比的显著提高。在最佳条件下，以相同的测量时间、相同的平均电流值，可推导出脉冲和连续工作的空心阴极灯的信噪比之比的表达式为：

（1-2）

式中 wp——脉冲宽度，S；

fp—— 脉冲的重复频率，s^-1。

与公式(1-1) 一样，n 通常在1〜3范围内。

以我国早期的原子荧光用空心阴极灯的激发脉冲为例，脉冲宽度为100μs，占空比为1 ：30，则脉冲激发的信噪比与连续激发相比，在平均电流相同的情况下，其改善倍数为：

当n=1时，倍数约为5；

当n=1.5时，倍数约为30；

当n=2时，倍数约为170。

可见，采用脉冲激发的空心阴极灯，根据不同的占空比和脉冲宽度(或脉冲频率)，其信噪比可以成几倍、几十倍甚至几百倍地提高。

下图为 Baird 公司 AFS-2000型原子荧光光谱仪的空心阴极灯脉冲供电示意图。

在测量过程中，仪器在给某一道的空心阴极灯提供一系列方波 脉冲以激发该道灯的能量的同时，其余道的灯则处于“关闭状态”，这样一道一道依次进行轮换测量。每道灯的“关闭”时间比“开 启”'时间要长得多，因此其平均电流很小，不会引起阴极过热。在 激发脉冲“关闭”的时间段里，有一约 0.5mA 的直流电流一直在 “预热”灯，其作用一是为了加快空心阴极灯脉冲激发辐射的上升沿速度，另一方面是为了提高激发辐射的重现性。

下图为我国早期的 XDY-2 型氢化物发生-无色散原子荧光光谱仪的空心阴极灯脉冲供电示意图。

在原子吸收分光光谱仪中使用的空心阴极灯一般采用连续的短 脉冲大电流供电方法，即只要仪器加电，空心阴极灯就一直处于短脉冲大电流的激发状态，以利于提高光源的稳定性。

如果这种供电方式用在原子荧光中，则空心阴极灯的使用寿命将会很短，主要原因是在原子荧光中为了提高光源的发光强度，所需的空心阴极灯的电流峰值要比原子吸收大很多。为了既能提高光源的辐射强度又能延长空心阴极灯的使用寿命，XDY-2型仪器采用短脉冲大电流间歇式供电方法，其工作过程为：原子荧光光谱仪在开机以后的其他 非采样时间里，空心阴极灯只以小电流姑预热，使灯发光稳定。 采样时，短脉冲大电流 i₁ 叠加在 i₀ 上供电给空心阴极灯。在实际分析工作中，一个样品的采样时间(即空心阴极灯的点灯时间)只占整个样品分析时间的三分之一，再加上仪器预热等其他非样品分 析时间，实际的点灯时间还不到仪器加电时间的三分之一，因此采用短脉冲大电流间歇式供电的空心阴极灯的使用寿命能比采用连续式短脉冲大电流电时至少提高三倍。

从公式(1-1)及其说明中可以看到，峰值荧光强度与峰值灯电 流之间存在着正比关系，即峰值灯电流越大，峰值荧光强度越强; 从公式(1-2)可以看到，脉冲宽度越窄，脉冲激发的荧光的信噪比越好。因此在保持一个低的平均电流且激发光源线的宽度或自吸没有显著增加的情况下，可以尽量提高灯的电流，降低脉冲宽度，以 此来提高仪器的信噪比。黄本立等曾经报道了空心阴极灯在短脉冲大电流(3级脉宽，电流10A)供电时的发射光谱特性，研究了空心阴极灯在该供电条件下激发的离子和原子荧 光光谱，并在脉冲频率为220Hz，脉冲宽度为1.5/μs，峰值灯电流 为15A 的空心阴极灯的供电条件下，研究了 Ca 的原子荧光光谱， 估算了系统对 Ca 的检出限，与其他相同测试条件下用原有常规脉冲空心阴极灯激发时所得的检出限相比，改善了30-40倍。

空心阴极灯的工作电压约为150〜300V，不同的灯的工作电压有所不同，其起辉电压约为400〜500V。由于空心阴极灯是一种特殊的低压辉光放电灯，其辉光放电的强度与所加的电压几乎无关， 而与施加的电流成正比关系，因此其供电电源必须能供给稳定的电流。为提高其稳定性，一般采用恒流控制方式。如下图所示为我国 XDY-2型仪器所采用的单阴极空心阴极灯的供电电源原理框图。 由高压电源、缓冲器、脉冲调制开关和恒流电路等部分组成。