為何金屬分光儀需要使用氬氣?

發佈:2016-08-07, 週日

火花放電分光儀 (Spark OES),又稱為火花直讀光譜儀,是用來分析檢測金屬合金成分的重要設備,它能夠分析出鐵系金屬合金與非鐵金屬合金中,金屬基質與其他元素的百分比。金屬分光儀利用火花放電的能量,將金屬表面的合金成分融熔激發為離子化的電漿,然後將電漿中的原子與離子,通過光譜儀的測試並分析光譜。由於每種元素在特定的幾個波長位置,都有其特徵峰值。透過分析這些特徵峰值的波長位置與強度,便能分析出合金成分元素的百分比,進而得知樣品的金屬牌號 (Grade)。有些分光儀,甚至針對某幾種元素,使用專屬的光電倍增管 (PMT) 針對性地精密偵測特定元素,如勢動科技代理的 GNR S9 Atlantis Spark OES 亞特藍提斯頂級金屬分光儀。

分光儀使用氬氣的理由

在火花放電的過程中,一般會使用氬氣做為保護氣體,來噴刷 (flush) 包圍火花所及範圍的金屬表面,這樣才能讓光譜儀讀到各個元素正確的成分比例。使用氬氣主要的原因是其惰性氣體的特性。在高能量火花激發金屬表面,產生電漿的過程中,惰性氣體本身不會與電漿中的元素反應,並同時隔離周遭的空氣中的元素,這樣才得以精準偵測那些特徵峰值在波長 200 nm 以下的元素,如,碳、氮、硫、磷。

以下是金屬分光儀需採用高純度氬氣做為保護氣體的主要理由:

  1. 氬氣屬於惰性氣體,在分光儀放電過程中,不會與合金成分產生反應
  2. 在火花放電過程,噴刷金屬表面以隔離周遭空氣,避免偵測到空氣中的元素
  3. 讓光譜儀能夠正確分析特徵峰值在波長 200 nm 以下的元素,如,碳、磷、硫、氮
  4. 金屬合金元素成分中,不需要知道氬元素
  5. 氬氣的價格相對便宜,基本上,氬氣 < 氦氣 < 氖氣 < 氪氣或氙氣

三種惰性氣體常見用途

氦氣:超低溫冷卻、氣相沈積、氣球、潛水服填充。

氖氣:霓虹燈或水銀燈填充、雷射光(氦氖雷射)、電漿研究。

氬氣:金屬焊接、金屬分光儀。

分光儀為何不使用便宜的氮氣來噴刷金屬表面?

部分合金中有氮成分,且需要被分析(如,釩氮合金),因此不能使用氮氣。而且氮氣在高溫下會與金屬反應(如,氮化鎂),造成殘留。

分光儀使用氬氣的原因,是不是跟氬焊的原理一樣?

不太相同。氬焊一樣採用氬氣做為焊接時的保護氣體,但氬焊採用氬氣的原因,主要是避免避免焊接部位,接觸空氣產生氧化作用。而分光光度計則是要隔離空氣中的其他元素成分(如,碳元素、硫元素、氮元素)

為何有些分光儀的氬氣消耗量相對較大?

氬氣在火花放電過程中,做為保護氣體。因此有些分光儀,會將光學室(光譜儀內部光線處理的部份)同樣以氬氣填充,同樣會消耗氬氣。但如同 GNR 的 Spark OES 合金分析儀,具備特殊技術的填充設計,能夠大幅降低光學室的氬氣消耗量。

氬氣噴刷金屬表面,是不是越強越好?

不見得。因為太強烈的噴刷,其氣流反而會捲進部分空氣。GNR 分光儀中的氬氣噴刷,出廠前已經過精密調校,控制最佳壓力來噴刷金屬表面。