ОЭС – это надежный и широко распространенный метод анализа, который используется для определения элементного состава широкого спектра металлов.
Типы образцов, которые можно тестировать с помощью ОЭС, относятся образцы из расплавленного вещества, первичного и вторичного металлопроизводства, а также из металлообрабатывающих отраслей, например, трубы, болты, стержни, провода, плиты и многое другое.
Часть электромагнитного спектра, используемого в ОЭС, включает видимый спектр и часть ультрафиолетового спектра. Что касается длины волны, она составляет от нанометров до приблизительно 800 нанометров.
ОЭС может анализировать широкий диапазон элементов от Лития до Урана в твердых металлических образцах, работая с обширным диапазоном концентраций, очень высокой достоверностью, высокой точностью и низкими пределами обнаружения.
Элементы и концентрации, определяемые Оптико-эмиссионными спектрометрами, зависят от тестируемого материала и типа используемого спектрометра.
Как же работает оптическая эмиссионная спектроскопия?
Все оптико-эмиссионные спектрометры содержат три главных компонента.
Первым является электрический источник возбуждения атомов внутри металлического образца, чтобы они излучали характерный свет или оптические эмиссионные линии.
Для этого необходимо, чтобы небольшая часть образца нагрелась до нескольких тысяч градусов по Цельсию. Это достигается с помощью электрического высоковольтного источника в спектрометре через электрод.
Разница в электрическом потенциале между образцом и электродом производит электрический разряд. Этот разряд проходит через образец, нагревает и испаряет материал на поверхности, возбуждая атомы материала, который затем излучает характерные для элемента эмиссионные линии.
Можно произвести две формы электрического разряда: либо Дугу, работающую по принципу «вкл-выкл» и напоминающую удар молнии, либо искру – серию множества разрядов, при которой включается и выключается напряжение электрода. Эти два режима работы используются в зависимости от измеряемого элемента и необходимой точности.
Второй компонент – это оптическая система.
Свет, множественные оптические эмиссионные линии из испаренного образца (плазмы) пропускаются в спектрометр. Дифракционная решетка в спектрометре разделяет входящий свет на специфические для элемента длины волны, а соответствующий детектор измеряет интенсивность света для каждой длины волны.
Измеренная интенсивность пропорциональна концентрации элемента в образце.
Третий компонент – это компьютерная система.
Компьютерная система получает измеренные интенсивности и обрабатывает эти данные с помощью заранее определенной калибровки для расчета концентрации элементов.
Пользовательский интерфейс обеспечивает минимальное участие оператора, четко отображая результаты, которые можно распечатать или сохранить на будущее.
Итак, как мы генерируем специфические для элемента оптические эмиссионные линии из металлического образца?
Когда энергия электрического разряда взаимодействует с атомом, происходит выброс некоторых электронов во внешних оболочках атома.
Электроны внешней оболочки менее плотно связаны с ядром атома, потому что они находятся дальше от ядра. Таким образом они требуют меньше энергии для выброса.
Выброшенные электроны создают вакантное место, делая атом неустойчивым. Чтобы восстановить стабильность, электроны с более высоких орбиталей, удаленных от ядра, падают вниз, заполняя вакантное место.
Избыточная энергия, высвобождаемая при движении электронов между двумя энергетическими уровнями или оболочками, излучается в виде специфического для элемента света или оптической эмиссии.
Каждый элемент излучает ряд спектральных линий, соответствующих разным переходам электронов между разными энергетическими уровнями или оболочками. Каждый переход создает определенную оптическую эмиссионную линию с фиксированной длиной волны или энергией излучения.
Характерный свет, излучаемый атомами в образце, передается в оптическую систему, где он с помощью высокотехнологичной решетки разделяется на спектральные длины волн.
Эта решетка содержит до 3600 штрихов на миллиметр.
Затем отдельные пиковые сигналы спектральной линии собираются детекторами и обрабатываются для получения спектра, показывающего пиковые интенсивности света в сопоставлении с длинами волн.
Таким образом, ОЭС обеспечивает информацию качественного характера об измеренном образце. Однако ОЭС также является количественным методом. Как мы видим, пиковая длина волны идентифицирует элемент, а пиковая площадь или интенсивность указывают на его количество в образце.
Затем анализатор использует эту информацию для того чтобы высчитать элементный состав образца на основе калибровки с сертифицированным стандартным образцом.
Весь процесс, от нажатия кнопки старта или пускового механизма до получения результатов анализа, может занять всего 3 секунды или до 30 секунд для полного и точного количественного анализа. Все зависит от используемого оборудования, диапазона измеряемых элементов и концентраций этих элементов.
ОЭС обладает множеством преимуществ по сравнению с другими методами анализа. Это быстрый и относительно простой в использовании метод, с помощью которого можно измерять широкий диапазон элементов и концентраций во множестве различных видов материалов. В том числе он подходит для измерения таких важных элементов как Углерод, Сера, Фосфор, Бор и Азот.
Он весьма точен при измерении следовых элементов и примесей, а также достаточно недорогой по сравнению с другими методами.