اسپکترومتر (کوانتومتر)

امروزه بهره مندی از دستگاه آنالیز فلزات تحت نام اسپکترومتر نشر نوری روی کار آمده و کار کردن با آن بسیار راحت‌تر  به صرفه‌تر است، بیش از ۵۰ سال از فن آوری طراحی و ساخت نسل اول دستگاه آنالیز کیفی فلزات تحت نام اسپکترومترهای لامپی)طیف سنج نشری PMPTube ( سپری گردیده است که سالها بعددر دهه هشتاد میلادی تکنولوژی نوین تراشه نیمه هادی ها برای اسپکترو مترهای جدید تحت نام CCD ارائه گردید.

نگرشی کوتاه به اسپکترومترهای نشر نوری

Optical Emission Spectrometer-OES   برای صنایع ذوب و ریخته گری به لحاظ ماهیت آنالیز سریع ، قابل اعتماد ، و صحت وتکرار پذیری آن اجتناب ناپذیر است.

 از این دستگاه برای آنالیز فلزات و آلیاژها از قبیل ، فولاد ، چدن ، آلیاژهای غیر آهنی  همچون آلومینیوم ، مس ( برنز ، برنج و غیره ) آلیاژهای منگنز ، روی ، ازت در فولاد ، فسفر در آلومینیوم ، آنالیز مقادیر بسیار کم کربن ، عناصری چون ( Te)Tellarium , (La )Lanthanum, (Se)Selenium  و غیره برای آنالیز بامحدوده  ۵۰ppm    تا  ۱۰ppm استفاده می شود.

نکاتی از دستگاه اسپکترومتر

کلیه  اسپکترومترهای نشر نوری  از ۳   قسمت اصلی  به شرح زیر  تشکیل یافته است.

۱-منبع تغذیه الکتریکی برای تحریک اتم ها در نمونه فلزی و انتشار نور برای هر نمونه، این تخلیه الکتریکی باعث ایجاد گرما و ایجاد بخار در سطح نمونه و تحریک اتم های فلز و نشرطیف هر عنصربصورت مشخص در هر فلز می شود.  دو نوع تخلیه الکتریکی یکی بصورت قوس( مشابه  نور لامپ) ودوم جرقه که در چندین مرحله  ( ولتاژ الکترود را قطع و وصل می کند) انجام می شود  .

۲- نور ساطع شده از تولید جرقه در نمونه فلزی با  Grating  مواجه شده و طیف دریافتی  را بر مبنای طول موج جدا کرده  و به آشکار ساز  CCD  منتقل می کندکه شدت نور را برای هر طول موج اندازه می گیرد. شدت نور اندازه گیری شده متناسب با غلظت هر عنصر نمونه است.

۳- پردازشگر شدت مقدار طول موج  اندازه گیری شده را دریافت و این اطلاعات را از طریق کالیبراسیون از قبل تعریف شده برمبنای منحنی بهینه جهت تعیین غلظت عناصر، پردازش می کند و نتیجه آنالیز بطور واضح شفاف در رایانه  ظاهر می شود ونتیجه آنالیز  در فعالیت های  ذوب، ریخته گری و آلیاژ سازی  مورد استفاده  قرار می گیرد.

معرفی آشکار سازهای Charge Coupled Device (CCD)

تراشه های CCD (Charge Coupled Device) بطور همزمان تمام طیف ایجاد شده را تشخیص

می دهد و شدت هر طول موج را تعیین می کند. برای تولید جرقه، نمونه در مقر جرقه (Spark Stand) قرار می گیرد. با ایجاد جرقه،  سوختگی در سطح نمونه ایجاد می شود. چنانچه سوختگی در سطح نمونه ضعیف باشد که علت اصلی آن آماده سازی نمونه فلزی ضعیف و مشکل نا همواری سطح  نمونه است که باید اصلاح شود..

معرفی PHOTO MULTI PLIER TUBE (PMT)

در اثر برخورد یک فوتون به کاتد یک الکترون از کاتد ساطع شده و به اولین صفحه Dynode  برخورد کرده و ۲ الکترون جدید در اثر این برخورد از داینود ساطع شده و در نهایت پس از برخورد الکترون ها به صفحات مقابل هم Dynode  تعدادشان تا ۹ برابر افزایش پیدا می کنند.

در دستگاه های دارای PMT ، هر عنصر با یک آشکارساز برای شناسایی خود و در برخی موارد بیش از یک آشکارساز برای پوشش دادن طول موج های مختلف و محدوده آن نیازمند است .

برای تغییرات در اسپکترومترهای PMT  نیازمند افزودن سخت افزار الکترونیکی و اپتیک ، برای هر عنصر یا محدوده اضافی و براساس کالیبراسیون است که هزینه های زیادی در مقایسه آشکار سازهای CCD  در پی خواهد داشت  .

فواید استفاده از آشکار ساز CCD

۱- در دستگاه هایی که از آشکار ساز CCD  استفاده می کنند می توان بهترین طیف نوری تولید شده برای هر عنصر را استفاده کرد .

۲- برای اندازه گیری یک عنصر تعداد زیادی خطوط می تواند استفاده شود. در دتکتور های CCD  کل محدوده کالیبراسیون کاملا پوشش داده می شود و می تواند بیشتر از یک طیف در یک محدوده معین برای هر عنصر استفاده شود و در نهایت میانگین طیف های مختلف نشان داده شده و در نتیجه باعث تکرارپذیری و صحت و دقت بهتری را ایجاد می کند.

۳- بر اساس درخواست مشتری می توان به نرم افزار دستگاه اسپکترومتر لاین یا عنصر جدید اضافه کرد که این می تواند همزمان با تولید اسپکترومتر بوده یا پس از تولید در محل کارخانه خریدار اضافه شود.

۴- یک پایه کامل می تواند در محل سایت یا کارخانه خریدار به دستگاه اسپکترومتر اضافه شود.

۵- CCD  ها پروفایل اتوماتیک دارند و این بدین معنی است که در وقت صرفه جویی می شود. 

۶- هزینه تمام شده کمی دارد و ارزان است.

۷- دارای سایز کوچک و وزن کم برای اندازه گیری همه عناصر می باشد.

۸- ولتاژ بالا نیاز ندارد و قادر است با باتری کار کند.

۹- با تغییرات دما سازگار است.

۱۰– معایب CCD  نظیر حساسیت به نور فرا بنفش و محدوده داینامیک تحریک الکترون از طریق اعمال پوشش دهی (covering) خاص و الگوریتمهای ریاضی قابل حل است .

۱۱-  فن آوری چیپس های CCD هر روز در حال پیشرفت است ،به عبارتی فن آوری CCD  تکنولوژی در حال پیشرفت است.

۱۲- CCD دارای نسبت قیمت به کاربری،  بهینه تر است.

۱۳- ظرفیت افزودن پایه آلیاژی را در آینده پس از استفاده طولانی دارا می باشد.

نظری اجمالی به اسپکترومتر های ARUN Technology ساخت انگلستان

بیش از ۵۰ سال از فن آوری طراحی و ساخت نسل اول دستگاه آنالیز کیفی فلزات تحت نام اسپکترومترهای لامپی)طیف سنج نشری PMPTube ( سپری گردیده است که سالها بعددر دهه هشتاد میلادی تکنولوژی نوین تراشه نیمه هادی ها برای اسپکترو مترهای جدید تحت نام CCD و به دنبال آن حسگرهای جدید CMOS ارائه گردید.
کلیه صنایع ذوب، ریخته گری و فولاد و آلیاژهای فولاد، چدن، مس وآلومینیوم و سایر فلزات غیرآهنی و قطعات مرتبط با آنها ارتباط تنگاتنگی با این فن آوری داشته، از این رو امکان دست یابی بهینه به فرآورده های استاندارد محلی و جهانی بدون بهره گیری از اسپکترومتر(کوانتومتر) میسر نمی باشد و امروزه اسپکترومتر(کوانتومتر) نیاز غیر قابل اجتناب برای کنترل کیفی در صنایع ذوب و ریخته گری می باشد .
 
به عنوان مثال در یک صنعت تولید کننده فولاد که روزانه حجم بالایی از مذاب و آلیاژ تولید می کند نمی تواند مذاب را مدت زیادی (در کوره نگهدارنده ) نگه داشت تا نمونه به یک آزمایشگاه اسپکترومتری (کوانتومتری) ارسال و نتیجه ارسال شود. لذا ضروری است سریعاً و ترجیحاً از روش ارسال سریع نمونه از طریق شبکه اتوماتیک لوله های خلاء به آزمایشگاه آنالیزارسال و بلا فاصله پس از آنالیز اسپکترو متری نتیجه از همان طر یق سریعا به خط مذاب وآلیاژسازی عودت تا براساس آن در صد عناصر آلیاژ اصلاح گردد.
ذکر جزئیات و اصول اسپکترو متری (کوانتومتری) از قبیل سیستم نوری(اپتیک)، دتکتورها یا همان حسگرهای CCD و نیز حسگرهای جدید CMOS در این مقاله نمی گنجد لیکن مشخصه های برجسته و مشترک چهار اسپکترو متر نسل نو شرکت ARUN TECHNOLOGY ساخت انگلستان به شرح زیر است:
 
(ARTUS 10 ، ARTUS 8، Merlin4، CALIBUS (LIBS) )
شامل بهینه سازی سیستم نوری (اپتیک) و حسگر CCD و کاهش مصرف گاز آرگون می باشد ضمن اینکه مزیت های اسپکترومتر های نسل قبل نیز فراموش نگردیده و بهره گیری از تکنولوژی پیشرفته، اسپکترومترهای شرکت ARUN TECHNOLOGY ساخت انگلستان را در جایگاه بهترین اسپکترومترهای جهان قرار داده است.
جهت بازدید از وبسایت رسمی شرکت آرون روی لینک زیر کلیک کنید

“OKB Spectr” ساخت روسیه

شرکت “OKB Spectr” روسیه در سال ۱۹۸۹ به نام گروه طراحی تجهیزات طیفی LOMO که بزرگترین و صاحب نام ترین شرکت در سیستم مکانیکی و اپتیکی است .فعالیت اصلی این شرکت ساخت دستگاه های طیف سنجی ( آنالیز ) است . از سال ۲۰۰۳ شرکت OKB در روسیه شروع به تولید و طراحی انواع اسپکترومتر، اسپکتروفوتومتر ، اسپکترومتر روغن و اسپکترو متر خاک نموده است . امروزه با بهره گیری از تکنولوژی مطمئن و به روز ، تغییرات جدیدی را در اسپکترومترهای DFS و MFS ( که شامل این مدل ها می باشد (MFS-12, DFS-71, DFS-500 ایجاد کرده است . از تجهیزات اسپکترومتری این شرکت می توان به مدلهای ) DFS500-D اسپکترومتر رومیزی ( DFS500 , مدل ثابت و DFS500-V ( اسپکترومتر ثابت و پرتابل هم زمان) اشاره کرد .

سیستم اپتیک

سیستم اپتیک همان Paschen-Runge ۵۰۰ میلیمتری تثبیت شده می باشد. به منظور حصول اطمینان از ثبات مکانی اسپکتروم، تمام طیف عناصر در جایگاه ثابتی نصب شده است. سنسورهای آشکارساز این دستگاه CCD های خطی می باشند، خصوصاً که بدون نقاط کور تعبیه شده اند و این توانایی را برای ثبت شدت طول موج های آنالیز درکل محدوه طیف ها دارامی باشد.

در مقایسه با اندازه گیری خطوط طیف مجزا که از لامپهای تیوبی استفاده می شود، وسنسورهای CCD عملا قابلیت های نامحدودی را برای آنالیز فلز و انواع آلیاژها فراهم می نماید. برای عناصری با طول موج کوتاه مانند گوگرد، فسفر و کربن، منشور مرکب با آرگون یا N2 با مصرف گاز به طور متوسط ۰.۰۵ L/min شسته می گردد. در مقایسه با سیستم خلاء ، شستشوی منشور مرکب با گاز‌آرگون ارزانتر و بسیار کم مصرف تر است، درحالی که بسیار قابل اعتمادتر است و مشخصات یک دستگاه اسپکترومترمشابه را فراهم می سازد.

محل استقرار نمونه

ساختارمکان استقرار نمونه به علت کاهش مصرف گاز آرگون بهینه شده است. حذف درب فوقانی و طرزکارآسان نگهدارنده نمونه، آنالیز نمونه های با اشکال و اندازه های مختلف را ممکن ساخته است. آداپتورهای مخصوصی برای آنالیز میله های نازک (با ضخامت کم) و انواع سیم قابل تامین هستند. تمیز کردن محفظه جرقه آسان است و نیازی به باز کردن قطعات نیست. سیستم مداربسته خنک کننده آب، حرارت ناشی از محل استقرارنمونه ازبین می برد.
منبع تحریک
رایانه جمع وجورولتاژ کم منبع جرقه را کنترل می کند. تخلیه جریان زیاد و موجی شکل به مثابه دوام ریتم و تکرار نرخ هادر محدوده گسترده ای تنظیم شده، آنچه باعث آنالیز فلزات و آلیاژهای مختلف میشود.
کنترل کامل کامپیوتر ژنراتور این اجازه رامی دهدکه :
 انتخاب بهینه پارامترهای تحریک کننده.
 سویچ تغییر حالت های مختلف تخلیه در موقعیت آنالیز (یک نفرمی تواند تا ۵ حالت مختلف را که شامل پیش جرقه با قدرت بالا استفاده کند).
 عملکرد تخلیه مضاعف .
 تنظیم خودکار منبع تغذیه پارامترها برای هربرنامه آنالیز.
تمام این ویژگی ها صحت وسقم آنالیز و عملکرد خوب یک اسپکترومتر را بهبود می بخشد.

بازخوانی سیستم
بازخوانی سیستم باعث شرایط ذیل می گردد.

کنترل اسپکترومتر، تست و نشانگرهای برای اندازه گیری آنالیز. ما در این اسپکترومتر ازجدیدترین قطعات الکترونیکی استفاده می کنیم، بنابراین باعث کاهش ابعاد، توان مصرفی و حرارت می گردد. با توجه به سرعت بالا خروجی USB، تمام ۴۰۰۰۰ داده های طیف مختلف کاملاً بلافاصله به رایانه منتقل می شوند. 

نرم افزار WinCCD
WinCCD نرم افزاری قدرتمند که برای پردازش داده ها طراحی شده است وکنترل سخت افزاری دراسپکترومتر جدیدنشری بر اساس سنسورهای چند کاناله CCDرا انجام می دهد. WinCCD شامل اطلاعات متعدد طیفی ابزاردقیق مشخصات آنالیز، که پیش از این در نرم افزار WinQuant توسعه یافته است.

تواناییهای گسترده کارا ومنعطفWinCCD دستگاه اسپکترومترعالی را بوجود آورده است که با عملکرد مناسب درانجام هم آنالیزبا کیفیت و هم کمیت دقیق نائل گشته است.
WinCCD 
نرم افزار انحصاری ما است، که بر روی ویندوز ۹۸ و بیشتر نسخه های اخیر اجرا می شود.

این نرم افزار به منظور تحقق نیاز مشتری بطور مداوم بهبود یافته و اصلاح شده، توابع جدید اضافه شده است. WinCCD این امکان رادارد تا عملیات بصورت خودکار، که بسیار مفید برای پردازش ارسال داده ها می باشد، انجام گردد. این شامل خطوط طیفی گسترده پایگاه داده ها و طیف های متعدد نمونه می باشد.

نرم افزار WinCCDبه موارد ذیل راشامل می شود:

  • ثبت طیفهای نشری درکل محدوده طیف اسپکترومتر.
    انجام تست آنالیزکیفی نمونه های ناشناخته.
     انتخاب مناسب ترین آنالیز و خطوط مرجع.
     بررسی طیفهای تداخلی با پس زمینه و خطوط به هم نزدیک.
     کنترل منحنی کالیبراسیون در حالت نرمال و ثبت کالیبراسیون ها، بررسی اثرات تداخل در عناصر و کاهش مقدار پایه فلزات درآلیاژهای مقادیربالا.
    ویژگی های متمایز 
    WinCCD عبارتند از :
     توانایی کاربری آسان وساده بطوریکه امکان کارکردن با برنامه بدون هیچ گونه آموزش میسرمی باشد.
     امکان استفاده ازچند خطوط طیفی برای یک عنصر با تعویض اتوماتیک از یک خط به دیگری.
     چند منحنی کالیبراسیون برای الگوریتم تصحیح، بنابراین کاربر می تواند مناسبترین را انتخاب کند.
  • کنترل خودکار آنالیز درموقعیت خط طیف و کالیبره نمودن مجدد اتوماتیک (در صورت لزوم).

اسپکترومتر قابل اعتماد ، پایدار و چند منظوره برای آنالیز فلزات

 DFS – 500 اسپکترومتری مناسب که با استفاده از نرم افزار WinCCD به آسانی کار می کند. سیستم اپتیکال پایدار، کامپیوتریکه منبع تحریک راکنترل و عملا خطوط نامحدود آنالیزبادقت خوب و ثبات طولانی مدت رابرای اندازه گیری آنالیز شما بوجود می آورد.

 

X