輝光放電分析儀GDOS

1、光譜分析儀(Optical Emission Spectrometer, OES)一、實驗?zāi)康模翰t解光譜分析儀的構(gòu)造及原理，並檢測金屬塊材 (Bulk) 樣品的化學(xué)組成 (Chemical Composition)，藉由取得成分元素濃度百分比，以判定分析樣品的材料編碼。二、儀器使用 OXFORD 公司型號為 Foundry-Master XPert 的光譜分光儀。圖一、 OXFORD Foundry-Master X Pert OES三、原理光譜分析儀 (Optical Emission Spectrometer ，OES）即是以火花放電 (spark) 將原子之電子激發(fā)到能量較高的軌域，當(dāng)電

2、子再返回到原軌域時，以轉(zhuǎn)換為相對射線釋放出其能量差，射線可以使用波長來區(qū)分，因每一元素原子序及結(jié)構(gòu)不同，所獲得射線種類及其光譜亦不同。光譜分析儀中所使用射線之波長介於 170 nm 到 800 nm，約有五萬多條光譜供選擇。將試樣激發(fā)收集到特定原子發(fā)射光譜線 ，利用電荷耦合元件感應(yīng)此光譜線，並將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，再以電腦系統(tǒng)計算出待測物元素濃度百分比，即可用以對照並判斷金屬編碼。發(fā)射光譜的基本原理，由量子化學(xué)理論可知，每一元素均具有特定的電子能階，各元素的電子能階高低因其原子量不同而異，在常溫時，各元素的原子均位於最低能階狀態(tài)，稱為基態(tài)。但溫度升高或受到外部能量刺激時，原子可由基態(tài)被提昇至激

3、發(fā)態(tài)，由於激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，且停留時間甚短，而很快回到基態(tài)，並放出相當(dāng)於此能階差的光譜線。因此，將原子由基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)是發(fā)射光譜的基本條件，而量測這發(fā)射光譜及其強度的技術(shù)是光譜分析儀的基本原理。 OES 即是以火花放電將元素的原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)，對其特定原子發(fā)射光譜線解析，再以電荷耦合元件 (Charge-Coupled Device， CCD)感應(yīng)此光1譜，並將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，電腦系統(tǒng)計算出待測物之濃度百分比。實驗使用的 Foundry-Master XPert 的光譜分光儀具有激發(fā)光源、光學(xué)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等三部分，如圖二所示。電荷耦合元件圖二、 分光儀 (OES)基本結(jié)構(gòu)。1.激

4、發(fā)光源：在分析樣品時，將樣品放置在激發(fā)檯的激發(fā)槽口，本機器之槽口為直徑10mm 圓形開口，所以試片大小必須大於此直徑，以完全遮住後再充入超高氬氣體至3.5bar。首先Ar 原子先在此電擊鎢棒激發(fā)下游離成Ar 離子，接著又受電場環(huán)境作用下獲得動能，加速撞擊樣品，將樣品表面原子態(tài)的元素打出表面，而此被打出的原子又受其他運動的 Ar 離子撞擊，獲得其一部分的動能，使原子產(chǎn)生能階耀遷，由基態(tài)被激發(fā)到激發(fā)源，因激發(fā)態(tài)原子很不穩(wěn)定，在很短的時間內(nèi)又從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，在此同時放出該原子能階差的特性光譜。而此放電過程是自動、隨機的，發(fā)生在樣品上一限定區(qū)域內(nèi)，且是很穩(wěn)定、可重複的放電條件。2. 光學(xué)系統(tǒng)：光學(xué)系

5、統(tǒng)是 OES 非常重要的組件之一，它直接影響光譜的解析度，及分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與精密度 。構(gòu)成的主要特性有入出口狹縫 、光柵（ Grating）、材質(zhì)、焦距長度（Focus Length）及電荷耦合元件 (Charge-coupled Device， CCD)：(1)入口狹縫：狹縫寬度直接影響光譜的解析度及強度，當(dāng)寬度增加時，解析度會降低，訊號強度增加；寬度減少時，解析度增加，訊號強度減少，所以兩者間必須取折衷條件。(2)光柵：發(fā)射出來的光譜線 ，完全由光柵以光的繞射原理將欲分析的光譜分離出來。(3)材質(zhì)：使用在光學(xué)系統(tǒng)的材料一般均選用膨脹係數(shù)較低的金屬，表面並塗上抗反光材料，以降低因環(huán)境溫度變

6、化及金屬反光所產(chǎn)生的干擾。2(4)聚焦長度：當(dāng)聚焦長度越長時，光譜的解析度越好。但受環(huán)境溫度的影響也越敏感。(5)電荷耦合元件：是一種集成電路，上有許多排列整齊的電容能感應(yīng)光線，並將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。經(jīng)由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。3. 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：應(yīng)用電腦科技快速精確分析的特點，透過視窗圖形式操作軟體之設(shè)計，將電的信號累積經(jīng)電子電路系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為一數(shù)值，此數(shù)值稱為強度，亦即樣品激發(fā)之光譜有多少光，即產(chǎn)生多少強度，再將強度數(shù)值傳輸至電腦，計算出待測物之濃度百分比資料。但分析樣品必須為機器內(nèi)已建立檢量線，所能分析之金屬及其合金。本系OES 共建有 20 條檢量線，

7、求檢測數(shù)據(jù)之精確，需先瞭解試片大略的成分，以選擇適當(dāng)?shù)臋z量線。(如下表所示 )。表一、本系合金種類鐵基合金鋁基銅基鎂基鈦基OES 已建立檢量線一覽表檢量線適用合金種類細項備註FE_000OrientationFE_100Low alloy steelFE_150Free cutting steelFE_200CastFE_250High Cast alloyFE_300Cr-/Ni-SteelFE_400Tool SteelFE_500Mn-steelAl _000Al-GlobalAl _100Low alloy aluminumAl _200Al-Cu alloysAl _300Al-Mg

8、 alloysAl _400Al-Si alloysAl _450Al-Si-Cu alloysAl _500Al-Zn alloysCu _000Cu-GlobalCu _200Cu-Zn alloysCu _300Cu-Sn-Pb alloysMg _000Mg-GlobalTi _000Ti -Global3四、實驗步驟1. 因為分光儀機激發(fā)平臺的開口直徑為 10mm，分析樣品必需蓋住該開口，所以樣品製備必須注意最小需大於該開口，但為增加分析點以取平均的需求，所以樣品大小最好在該開口面積 5 倍以上面積。因為激發(fā)腔內(nèi)為正壓，而非抽真空得到的負壓 ，試片 不必經(jīng)過拋光， 測試之樣品表面需經(jīng)

9、過 120 之砂紙研磨過 。2. 儀器操作，首先逆時針轉(zhuǎn)開 99.995 純度的超高氬氣瓶主閥，以調(diào)壓閥調(diào)整氬氣壓力保持在 3.5bar、打開電腦主機、打開分光儀激發(fā)臺右側(cè)旋扭開關(guān)，旋扭向右轉(zhuǎn)至其上紅色燈亮。圖三、 (a)氣瓶， (b)分光儀 (OES)主機的激發(fā)臺及開關(guān)旋扭。3. 從電腦螢?zāi)簧宵c選 WASLAB 打開程式，再點選 Analysis。4. 根據(jù)檢測塊材種類，就 Fe、 Al 、Cu、Mg 、Ti 五種大類點選其一種後，即出現(xiàn)該合金所有建好的檢量線，點選合適的檢量線再按 OK 即可。若知道材料之細部分類，例如 : 鐵類之鑄鐵，即可點選 FE_200 檢測；若材料未知其細部分類，點

10、選 FE_000 按下 OK 後即可測量。 並請先確認該檢量線的上次再校正日期。5. 電腦螢?zāi)伙@示相對於檢量線的分析操作指示、元素種類及樣品編號等，樣品編號輸入步驟為對表格中 sample 位置，快速點兩下即可輸入材料名稱，輸入完按 OK。6. 樣品需放置在分光儀 (OES)主機的激發(fā)臺上，所以首先需取下激發(fā)檯槽口的金屬蓋板，確認所用激發(fā)鎢棒之適用合金種類，及檢視 該激發(fā)鎢棒是否固定好，激發(fā)檯內(nèi)的激發(fā)鎢棒未固定妥當(dāng)將影響分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及設(shè)備使用壽命。7. 將樣品塊材放置在分光儀之激發(fā)槽口，並將激發(fā)檯左側(cè)樣品壓桿拉起壓住樣品，電腦螢?zāi)恢蟹降募t色線即會消失，此時可以滑鼠移動游標(biāo)到螢?zāi)蛔笊辖堑腟TA

11、RT 按下，或是按下分光儀綠色按鈕，即可進行量測，量測時間約 30 秒後數(shù)據(jù)自動呈現(xiàn)在畫面，分析過表面會有挖除之白色區(qū)域。8. 下一次量測重複上述步驟。量測三點以上後，可刪除異常數(shù)據(jù)，在取得三組以上可靠有效數(shù)據(jù)，可按下 RSD 做標(biāo)準(zhǔn)差的分析。按下 print 鍵，即可列印樣品之分析結(jié)果；或按下 store 鍵，即可儲存數(shù)據(jù)。9. 每做完一塊材料需換下一塊時，請用小鋼刷和小毛刷環(huán)繞電極棒之周圍，以及利用試4鏡紙將載臺清理乾淨(jìng)，避免汙染下一塊材料成分之?dāng)?shù)據(jù)。10. 按下 new 鍵，即可換下一塊同種材料樣品，輸入新編號繼續(xù)測量作業(yè)。若為不同種材料樣品，請按 exit 離開軟體，重新選擇材料種類及

12、合適檢量線。11. 關(guān)機流程：(1) 將分光儀前方之開關(guān)轉(zhuǎn)置中間，即呈燈暗，關(guān)閉分光儀。(2) 順時針轉(zhuǎn)緊 Ar 氣瓶主閥，關(guān)閉氣瓶。(3) 關(guān)閉電腦。(4) 將金屬蓋片蓋在載臺激發(fā)槽口上方，以保護激發(fā)臺內(nèi)電極棒等元件。五、金屬材料的編碼及實驗樣品種類1. 金屬材料的分類及編碼，主要以添加的合金元素種類及其含量而異。常用鐵基合金列表如表二，常用鋁基合金則如表三所列。2. 未知樣品有三塊，就所得數(shù)據(jù)分析及判定其合金編碼，並簡述其可能應(yīng)用領(lǐng)域。3. 可以對分析金屬進行砂輪研磨的火花試驗，進行粗略比對。六、問題與討論1. 分析樣品的厚度可不可以小於 1mm？試片表面狀態(tài)有何要求，為何？2. 檢量線選

13、擇對 OES 分析有何重要性，為何？3. 比較掃瞄式電子顯微鏡配合能量分散光譜 (SEM-EDS)分析之標(biāo)的物及其波長，與OES 分析儀的差異。4. 判讀合金編碼的參考依據(jù)的來源有那些？各有何優(yōu)缺點？參考資料1. OXFORD 公司 Foundry-Master XPert 的光譜分光儀技術(shù)手冊。2. ASM, Metals Handbook, Vol. 1, Properties and Selection: Iron, Steels, and High-Performance Alloys, 10th Edition, ASM International, USA, 1990.3. ASM

14、,Metals Handbook, Vol. 2. Properties and Selection: Nonferrous AlloysandthSpecial-Purpose Materials, 10 Edition, ASM International, USA, 1990.5表二、常用鐵基合金編碼及化學(xué)成分材料名稱CJIS SPCC0.12JIS SS41JIS S45C0.42-0.48SAE11440.40-0.48SUM24L0.15AISI 10650.60-0.68SNCM2200.17-0.23(8620)SNCM4200.17-0.23(SNCM23)SNCM6160.

15、13-0.20(SNCM26)SiMnPSCr0.500.0400.0450.0500.0500.15-0.30.60- 0.2050.900.0300.0351.35-0.040.24-1.650.330.85-0.04-0.26-1.150.090.350.200.50-0.400.800.0500.0500.15-0.60-0.0300.0350.35-0.60.350.9550.15-0.40-0.0300.0300.35-0.60.350.7050.15-0.80-1.40-1.80.351.200.030.040NiMo0.200.35-0.15-0.30.7501.55-0.15

16、-0.32.0002.80-0.40-0.63.200建議備註檢量線FE_100FE_100 0.30 FE_100CuFE_1000.10-0.3FE_1005 PbFE_100FE_100FE_100FE_100SCM4150.13-0.18(舊 SCM21)0.1-0.2 (鑄)0.15-0.6-0.0.35850.0350.9-1.20.030.15-0.30FE_100SCM4400.38-0.43SUP10(AISI 6150)0.47-0.5550BV300.27-0.33SAE521001.001.10SUS4200.15JIS SK7(DIN0.60-0.701.2344）J

17、IS SK50.80-0.90AISI S10.40-0.55(SKD68)AISI S20.40-0.55AISI S2-10.65-0.70AISI S70.45-0.55SKD610.32-0.42(H13)AISI M20.78-1.050.15-0.60-0.90-1.20.350.850.0300.03000.15-0.70-0.90-1.20.401.100.0350.03500.010.7-1.00.030.030.30-0.500.20.40.200.0300.0301.201.4501.0012.00-11.000.0400.0304.000.35 0.200.500.03

18、00.0300.35 0.300.500.0300.0300.15-0.10-0.15-1.00-1.81.200.401.3V0.90-0.30-1.200.501.0-1.20.55- 0.200.700.0250.0150.20-0.20-3.00-3.51.000.9000.80-4.50-5.51.200.500.0300.03000.20-0.15-3.75-4.50.450.400.0300.0300 0.15-0.30.2500.250.250.25 0.50.30 0.30-0.60.300 0.451.30-1.8 01.00-1.501.75-4.50-5.52.20V0FE_1000.10-0.2FE_1000 VFE_100FE_300FE_300FE_400 0.25 FE_400Cu1.5-3.0FE_400W 0.5 VFE_400 FE_4000.20V0.2-0.3FE_4