Az optikai emissziós spektrometria alapjai

Az optikai emissziós spektrometria alapjai

Az optikai emissziós spektrométer egy rendkívül összetett vizsgálógép, melynek alapelvét és technikai felépítését kevesen ismerik. Amennyiben Ön használ ilyen készüléket, vagy csak érdeklődik, kattintson és ismerje meg működését!

 

Az optikai emissziós spektrométeres vizsgálat elengedhetetlen a korszerű öntödék és hőkezelők számára, de ma már nagy számban használják általános minőségellenőrzésre is. Ehhez képest sok érdeklődő és akár felhasználó sincs tisztában a vizsgálat alapjaival. Ezen kívánunk segíteni alábbi hiánypótló cikkünkkel.

A spektroszkópia magyarul a színképelemzés tudománya az 1850-es évekig nyúlik vissza. Előtte, a 17. században Isaac Newton kezdett tudományosan foglalkozni azzal a felismeréssel, hogy egy megfelelő üvegen áteresztett fény a szivárvány színeiben jelenik meg a szoba falán. A 19. században Gustav Kirchhoff és Robert Bunsen jöttek rá, hogy ha egy lángba különböző sókat juttatnak, akkor a láng színe a bele injektált anyagokhoz képest változik. A különböző anyagok, kémiai elemek meghatározott karakterisztikájú fényt emittáltak, amelynek fő hullámhosszait az általuk fejlesztett spektrográffal meg tudták határozni.

 

Bunsen égő lángjaiÍgy alakult ki a színképelemzés tudománya. A spektrometria ma már nagyon széles tudományág, mivel nem csak a látható fény, hanem az elektromágneses sugárzások teljes tartományát is felöleli. Ennek csak egy kis szelete a gépiparban használt optikai emissziós spektrométeres vizsgálat, habár ez áll legközelebb Bunsen-ék spektrográfjához.

 

Az optikai emissziós spektrométerek szilárd halmazállapotú fémek kémiai összetételének pár másodperc alatt történő százalékos meghatározására szolgálnak. A vizsgált kémiai elemek mindegyikére jellemző több hullámhosszúságú fény is (spektrum vonal), azok atomszerkezeti tulajdonságaikból fakadóan. Ahogy első esetben a Bunsen-égő lángjában voltak láthatóak a különböző színek, hasonlóan a spektrométer is egy nagy energiájú és frekvenciájú szikrát közöl a vizsgálandó anyaggal. A közölt energia megváltoztatja az atomok szerkezetét. A középiskolai kémia órákról ismeretes, hogy elektronok keringenek különböző elektronpályákon az atommag körül.

Bohr féle atommodell az elektronpályákkalAz energia közlésekor az elektronok magasabb energiaszintű elektronpályára kényszerülnek ugrani. Viszont ezt a magasabb energiaszintet nem tudják megtartani, ezért visszaugranak eredeti állapotukra. Ahogy ez megtörténik, az elektron leadja magasabb energiáját, ami elektromágneses sugárzásban jelentkezik, ez sok esetben szemmel is látható fény. A kibocsátott fény hullámhossza a leadott energia mértékétől (vagyis az elektronpályák távolságától) függ, így egyértelműen meghatározza, hogy mely kémiai elemtől származik. Ez az adott elem ujjlenyomata.

 

Spektrométerrel vizsgált mintákA spektrométer ezt a jelenséget használja föl. A vizsgálathoz tehát szükség van energiaközlésre, fényre, fénybontó eszközre, valamint a felbontott fény regisztrálására és kiértékelésére. Az energia közlése általában egy wolfram elektródán keresztül történik, melynek gerjesztéséről modern, digitális elektronikai rendszer gondoskodik. Ez szükséges, mert anyagminőségtől függően különböző frekvenciákkal és áramerősségekkel kell a megfelelő ideig szikráztatni a vizsgált felületet. A szikráztatáskor anyagleválasztás történik, és az anyag plazma állapotba kerül. A pontos méréshez elengedhetetlen az Argon védőgázos közegben történő szikráztatás, mivel levegőn nem lehet előállítani ezt a plazma állapotot, valamint több elem is kiég, mint például a vas legmeghatározóbb ötvözője, a karbon. Egy mintán több mérést kell végezni, többek között az anyag inhomogenitása miatt.

 

A szikráztatáskor létrejövő fény egy optikai kábelen keresztül jut be a spektrométerbe, ahol egy homorú, prizmatikus felületre esik, ami azt felbontja alkotó színeire. Ennek felületén általában 1200 – 3600 holografikus barázda található mm-enként, amikről a fény a meghatározott hullámhosszokra bomlik, és a megfelelő irányba vetül.

 

CCD optikai rendszerEz a felbontott fény körívben elhelyezkedő érzékelőkre jut. A prizmát és az érzékelőket magába foglaló kört Rowland körnek nevezik. Minél nagyobb átmérőjű ez a kör, annál nagyobb lesz a spektrométer optikai felbontása, így többek között ettől is függ a készülék pontossága. A mobil spektrométerekben ez kisebb, kb. 300 mm, az asztaliakban nagyobb, kb. 400 mm átmérőjű rendszer található, míg a laboratóriumi berendezésekben ez 750 mm, vagy akár ennél is nagyobb lehet.

 

PMT optiku

A felbontott fény mérésére a mai spektrométerekben CCD (Charged Couple Device) lapkákat, vagy hagyományos fotoelektron sokszorozókat (Photomultiplier Tube) használnak. A fotoelektron sokszorozókat régebbi típusú, illetve laboratóriumi spektrométerekben használják. Ekkor a rendszerbe annyi ilyen csövet kell elhelyeznie a gyártónak, ahány elemet kíván vizsgálni a felhasználó, így ezeket az érzékelőket a Rowland körben a megfelelő helyeken kell elhelyezni, és egy szűk nyíláson keresztül érkezik rájuk az adott hullámhosszúságú fény. Ennek a rendszernek az előnye a nagyobb pontosság, míg hátránya a nagyobb méret, illetve az, hogy csak a kiválasztott elemek vizsgálhatóak egy meghatározott alapfémben.

 

Acél minta spektrum részleteA CCD lapkák előnye, hogy használatukkal a spektrométer optikai rendszere kisebb lehet, és nincs megkötés a vizsgált elemek számában, valamint a kalibrált, egy spektrométerrel vizsgálható alapfémek számában sem. A CCD rendszerrel az egész fényspektrum látható, és kielemezhető. Sok elem vizsgálata esetén problémát jelent a különböző elemekhez tartozó adott hullámhosszokon jelentkező csúcsok egymást fedése. Ezért szükség van nagy felbontású CCD elemekre, illetve megtalálni a legmegfelelőbb hullámhosszokat, amelyeken a legkönnyebben vizsgálható egy adott elem. Ma már léteznek kombinált optikai rendszerrel rendelkező laboratóriumi spektrométerek, melyek egyesítik a két technológia előnyeit.

 

A spektrométeres anyagösszetétel meghatározásnál problémát jelent, hogy a vizsgálandó elemekhez tartozó hullámhosszok csak kis részben vannak a látható fény spektrumában, nagyobb részben a nem látható ultraibolya (UV) vagy vákuum-ultraibolya (VUV) tartományokba esnek. Az emberi szem által látható fény nagyjából 400 – 750 nm hullámhosszúságon jelentkezik, az UV kb. 200 – 400 nm tartományban, míg a VUV kb. 120 – 200 nm között. A fontosabb mérendő elemek közül a Kén (S), Foszfor (P) és a Bór (B) elemek színképvonala esik az UV tartományba, míg az acélokban különlegesen nehezen vizsgálható elem, a Nitrogén (N) és Oxigén (O) esik a VUV tartományba.

Ezért általában az optikai rendszert egy vákuum-kamrában helyezik el asztali és laboratóriumi spektrométereknél.

 

Érdekesség, hogy a vákuum-kamra kiváltható az optikai elemek folyamatos Argonnal történő öblítésével, illetve fúvatásával. Így válnak alkalmassá pl. a mobil spektrométerek is S, P vagy akár N mérésére is, de ez az asztali spektrométereknél természetesen jelentősen megnöveli az Argon felhasználást. Sok esetben az optikai rendszert belső fűtéssel vagy hűtéssel stabilizálják az eredmények jobb reprodukálhatósága érdekében, de ez kiváltható megfelelő matematikai algoritmusokkal történő korrekcióval is.

 

Az érzékelők a felfogott fényt villamos jellé alakítják, melyet egy A/D átalakító digitális jellé formál. A számítógépes kiértékelő rendszer a gyártáskor bevitt kalibrációval hasonlítja össze a vizsgálatból érkező adatokat. Minden egyes spektrométert egyedileg kalibrál a gyártó hitelesített referencia anyagok (CRM-ek) segítségével. Ezen bevizsgált etalonok segítségével kalibrációs görbéket alakít ki. Egy görbe egy adott hullámhosszhoz tartozik úgy, hogy a vízszintes tengelyen az adott hullámhossz intenzitása szerepel, míg a függőleges tengelyen az elem koncentrációja. Minél nagyobb az érkező fény intenzitása, annál nagyobb koncentráció tartozik hozzá. Minden ilyen görbét több, akár 30 db hitelesített etalon bemérésével vesznek föl, és egy adott alapfémhez tartozó kalibrációban (mátrixban) minden elemhez több, akár 4-5 görbe is tartozik koncentrációtól függően. Így csak egy vas-alapú ötvözetek vizsgálatára felkészített spektrométer szoftvere is 80-100 ilyen kalibrációs görbét tartalmaz.

Spektrométer kalibrációs görbéje

 

A következő probléma itt adódik, hiszen a CRM etalonok hitelesített összetételi értékei sem egzaktak, hanem több akkreditált anyavizsgáló laboratórium mérési eredményeinek átlagai. Így sok esetben előfordul, hogy két azonos, hitelesített összetételű etalon mérési eredményei nem esnek egy pontba. Ezért a kalibrációs görbék az etalonok pontjaihoz fölvett közelítő görbék. Így megeshet, hogy egy hitelesített etalon spektrométeres vizsgálati eredményei nem felelnek meg a hitelesített értékeknek, miközben a készülék hibátlanul üzemel.

 

Minden optikai emissziós spektrométernél szükség van időszakosan a kalibráció utánállítására, amit rekalibrációnak nevezünk. Ezt a gyártó által biztosított, sorszámozott rekalibrációs etalonok segítségével lehet elvégezni, melyek gyakorlatilag a kalibráció részei, elvesztésük esetén mással nem helyettesíthetőek. A rekalibráció ezen etalonok mérésével jár. Ekkor a spektrométer szoftvere összeveti a kalibrációs görbékhez tartozó referencia pontok referencia fényintenzitását az aktuálisan mért, bejutó intenzitásokkal. Ezzel lehetséges kiküszöbölni a koszolódó, tompuló fényvezető kábelek és lencsék okozta analitikai változásokat. A rekalibráció odafigyelést igényel, a felhasználási körülményektől és a spektrométer típusától is függ elvégzésének szükséges sűrűsége.

 

Tehát a spektrométer egy pár másodpercig gerjesztett, vezérelt szikra fényéből kapott spektrum csúcsainak intenzitásából számított átlag értéket vet össze olyan kalibrációs görbékkel, melyek szintén különböző mérések átlagértékeiből számított közelítő pontokból áll. Ebből látható, hogy a mérés nagyon összetett matematikai-statisztikai számításokon alapul, és nem összehasonlítható pl.: egy egyszerű hosszmérési metódussal.

 

Pontosság és reprodukálhatóságÍgy jutunk el a spektrométeres vizsgálat mérési pontosságának megközelítéséhez. Alapvetően kétféle analitikai teljesítményről beszélhetünk. Egyik a pontosság (accuracy), ami a mérési eredmény eltérését jelzi a várt vagy hitelesített eredménytől, a másik pedig a reprodukálhatóság (precision, reproducibility), ami az eredmények egymás utáni szórását jelöli. A lehető legegzaktabb eredményekhez való hozzájutáshoz különösen fontos több, akár 5-10 mérést is végezni egymás után.

A pontosság a gyári kalibráción múlik, és egyedileg elállítható, vagy egy adott etalonhoz hozzáállítható. A reprodukálhatóságon egy adott spektrométernél nehéz javítani, de vannak lehetőségek, melyeket sokan alábecsülnek.

 

Ezek a következők:

     A vizsgált minta felületi előkészítése. Ez az egyik legmeghatározóbb emberi tényező. A pontos méréshez elengedhetetlenül szükséges a vizsgált felület síksága, felület megfelelő érdessége, valamint oxidáció-, zsír- és koszmentessége. Ebbe beletartozik a tiszta, megfelelő összetételű csiszolópapír használata is.

   A spektrométer optikai rendszerének karbantartása. A készülékekben található lencsék, ablakok és fénykábelek az idő múlásával mattulnak, és koszolódnak, így a megfelelő teljesítmény érdekében mindenképpen szükségszerű azok időszakos cseréje.

      Megfelelő argon védőgáz minőség.

 

A fentiek alapján látható, hogy az optikai emissziós spektrométer egy rendkívül összetett vizsgálógép, és csak sok tapasztalattal lehetséges igazán pontos és megbízható spektrométert gyártani. Ezen túl a pontos mérések elvégzéséhez is elengedhetetlen a felhasználói tapasztalat ugyanúgy, mint a vizsgálati eredmények megítéléséhez is.

 

A Grimas Kft. folyamatosan törekszik vevői legmagasabb szintű tájékoztatására és igényeik legmegfelelőbb kielégítésére a spektrométeres anyagvizsgálat területén is.

 

Kérdés esetén keressen minket bizalommal!

 

Üdvözlettel,

 

Kacsó Márton

szakterületi üzletkötő, gépészmérnök

GRIMAS Kft.