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 50 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  50ppm    تا  10ppm استفاده می شود.

نکاتی از دستگاه اسپکترومتر

کلیه  اسپکترومترهای نشر نوری  از 3   قسمت اصلی  به شرح زیر  تشکیل یافته است.

1-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  .

2- 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.

3- 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 2 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 9 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

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

2- 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.

3- 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.

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

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

6- هزینه تمام شده کمی دارد و ارزان است.

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

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

9- با تغییرات دما سازگار است.

10– 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 .

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

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

13- 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 50 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

CALIBUS

MERLIN 4

ARTUS 8

ARTUS 10

“OKB Spectr” ساخت روسیه

شرکت “OKB Spectr” روسیه در سال 1989 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 2003 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 500 ميليمتري تثبيت شده می باشد. به منظور حصول اطمینان از ثبات مكاني اسپكتروم، تمام طيف عناصر در جايگاه ثابتي نصب شده است. سنسورهاي آشكارساز اين دستگاه CCD هاي خطی مي باشند، خصوصاً كه بدون نقاط کور تعبيه شده اند و اين توانايي را براي ثبت شدت طول موج هاي آناليز دركل محدوه طيف ها دارامي باشد.

در مقايسه با اندازه گيري خطوط طيف مجزا كه از لامپهاي تيوبي استفاده مي شود، وسنسورهاي CCD عملا قابلیت های نامحدودي را برای آناليز فلز و انواع آلياژها فراهم مي نمايد. برای عناصري با طول موج کوتاه مانند گوگرد، فسفر و كربن، منشور مركب با آرگون یا N2 با مصرف گاز به طور متوسط 0.05 L/min شسته مي گردد. در مقایسه با سيستم خلاء ، شستشوي منشور مركب با گاز‌آرگون ارزانتر و بسیار كم مصرف تر است، درحالی که بسيار قابل اعتمادتر است و مشخصات يك دستگاه اسپكترومترمشابه را فراهم مي سازد.

محل استقرار نمونه

ساختارمكان استقرار نمونه به علت کاهش مصرف گاز آرگون بهینه شده است. حذف درب فوقاني و طرزكارآسان نگهدارنده نمونه، آناليز نمونه های با اشکال و اندازه هاي مختلف را ممكن ساخته است. آداپتورهای مخصوصي برای آناليز میله های نازک (با ضخامت كم) و انواع سیم قابل تامين هستند. تمیز کردن محفظه جرقه آسان است و نیازی به باز كردن قطعات نیست. سيستم مداربسته خنك كننده آب، حرارت ناشي از محل استقرارنمونه ازبين مي برد.
منبع تحریک
رايانه جمع وجورولتاژ کم منبع جرقه را كنترل مي كند. تخلیه جريان زياد و موجي شکل به مثابه دوام ريتم و تکرار نرخ هادر محدوده گسترده ای تنظیم شده، آنچه باعث آناليز فلزات و آلیاژهای مختلف ميشود.
کنترل کامل کامپیوتر ژنراتور اين اجازه رامی دهدكه :
• انتخاب بهینه پارامترهاي تحريك كننده.
• سويچ تغییر حالت های مختلف تخلیه در موقعيت آناليز (يك نفرمي تواند تا 5 حالت مختلف را كه شامل پيش جرقه با قدرت بالا استفاده كند).
• عملكرد تخليه مضاعف .
• تنظيم خودكار منبع تغذيه پارامترها براي هربرنامه آناليز.
تمام این ویژگی ها صحت وسقم آناليز و عملکرد خوب يك اسپكترومتر را بهبود مي بخشد.

بازخوانی سیستم
بازخوانی سیستم باعث شرايط ذيل مي گردد.

کنترل اسپكترومتر، تست و نشانگرهاي براي اندازه گيري آناليز. ما در اين اسپکترومتر ازجديدترين قطعات الکترونیکی استفاده مي كنيم، بنابراین باعث کاهش ابعاد، توان مصرفی و حرارت مي گردد. با توجه به سرعت بالا خروجي USB، تمام 40000 داده های طیف مختلف كاملاً بلافاصله به رايانه منتقل مي شوند. 

نرم افزار WinCCD
WinCCD نرم افزاري قدرتمند كه برای پردازش داده ها طراحی شده است وکنترل سخت افزاری دراسپکترومتر جديدنشري بر اساس سنسورهاي چند كاناله CCDرا انجام مي دهد. WinCCD شامل اطلاعات متعدد طیفی ابزاردقيق مشخصات آناليز، كه پیش از این در نرم افزار WinQuant توسعه يافته است.

تواناييهاي گسترده كارا ومنعطفWinCCD دستگاه اسپكترومترعالی را بوجود آورده است که با عملكرد مناسب درانجام هم آناليزبا كيفيت و هم كميت دقیق نائل گشته است.
WinCCD نرم افزار انحصاری ما است، که بر روی ویندوز 98 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 اين امكان رادارد تا عملیات بصورت خودكار، كه بسیار مفید برای پردازش ارسال داده ها مي باشد، انجام گردد. این شامل خطوط طیفی گسترده پایگاه داده ها و طیف های متعدد نمونه مي باشد.

نرم افزار WinCCDبه موارد ذيل راشامل مي شود:

  • ثبت طیفهاي نشري دركل محدوده طیف اسپكترومتر.
    •انجام تست آناليزکیفی نمونه هاي ناشناخته.
    • انتخاب مناسب ترین آناليز و خطوط مرجع.
    • بررسي طیفهاي تداخلي با پس زمینه و خطوط به هم نزديك.
    • كنترل منحنی کالیبراسیون در حالت نرمال و ثبت كاليبراسيون ها، بررسي اثرات تداخل در عناصر و کاهش مقدار پایه فلزات درآلیاژهای مقاديربالا.
    ویژگی های متمایز     WinCCD عبارتند از :
    • توانايي کاربری آسان وساده بطوريكه امکان کاركردن با برنامه بدون هیچ گونه آموزش ميسرمي باشد.
    • امکان استفاده ازچند خطوط طيفي برای يك عنصر با تعویض اتوماتیک از یک خط به دیگری.
    • چند منحنی کالیبراسیون براي الگوریتم تصحیح، بنابراین کاربر می تواند مناسبترين را انتخاب کند.
  • کنترل خودکار آناليز درموقعیت خط طیف و كاليبره نمودن مجدد اتوماتیک (در صورت لزوم).

اسپكترومتر قابل اعتماد ، پايدار و چند منظوره برای آناليز فلزات

 DFS – 500 اسپكترومتري مناسب كه با استفاده از نرم افزار WinCCD به آساني كار مي كند. سیستم اپتيكال پایدار، کامپیوتريكه منبع تحریک راکنترل و عملا خطوط نامحدود آناليزبادقت خوب و ثبات طولاني مدت رابراي اندازه گيري آناليز شما بوجود مي آورد.

 

1

DFS -100

2

DFS -500 , DFS-500v