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2016重大科学仪器专项之“空心阴极灯”

2016-03-07 10:49
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  2月19日,科技部网站发布关于发布重大科学仪器设备开发专项2016年度指南的通知,本指南共设置了关键核心部件、高端通用科学仪器和专业重大科学仪器3类任务,下设10个重点方向。其中核心关键部件开发与应用中包括:源部件、探测器与传感器、分析分离与控制部件。而空心阴极灯项目列于源部件项目的第一位, 为原子吸收光谱仪和原子荧光光谱仪等仪器提供核心部件。据业内人士说,该考核指标稍高于进口产品的指标,对于目前国产空心阴极灯相关企业来说,具有一定难度,但是,是完全可以达到的。

  回顾历史,在上世纪60年代,中国已经研制出自己的空心阴极灯,与国外基本同时起步。如今,HCL国产厂商主要是有色金属研究院、曙光明、河北衡水宁强光源等,国外厂商主要有贺利氏、珀金埃尔默、安捷伦(原瓦里安)等。近年来,中国市场HCL年销售量约为10万支,其中国产产品占据了95%左右的市场份额。

  但是,在高端空心阴极灯方面,国产产品还存在一定差距。“与进口HCL比较,国产HCL在外观、一致性方面有一定的差距,但是,性能方面的差距非常之小,而长期稳定性已经完全没有问题。” 生产工艺或生产技术方面是否还存在一些难点?对此,有色院李中建说,“HCL生产过程中手工作业的比例较大,但是,我们已经在不断改进,尝试投入更多的自动化生产设备。在生产工艺上还需要继续提高,以克服一致性、噪音问题,以及整体的设计工艺。所以说,今年国家科学仪器重大专项支持的到来,对于促进国产HCL产业发展是一个非常好机遇。”

  空心阴极灯产品概况

  空心阴极灯(HCL)是原子吸收、原子荧光光谱仪必不可少的组成部分。原子荧光的灯和原子吸收的灯原理是一样的,但是结构上有一定的区别。

  原子吸收的空心阴极灯有单元素灯、多元素灯、高性能灯和多阴极灯。最常用的空心阴极灯由一个钨(W)棒阳极和含金属元素或其合金的空心圆柱杯阴极组成。两极之间充满低压的惰性气体(Ne或Ar气),密封在一种特性玻璃筒里,应用辉光放电和阴极溅射原理将HCL点亮。充Ne气的HCL呈橘红色,充Ar气的HCL呈浅蓝色。

  单元素灯阴极由1种金属元素或其合金构成。多元素灯阴极由2~7种金属元素合金或混合物构成;优点是可以在不换灯情况下连续测定多种元素,缩短预热时间和换灯的麻烦;缺点:比单元素发射强度弱,有些元素搭配不当会造成相互影响,并可能降低寿命。多阴极灯由一个阳极放置中间位置,其周围放置6种金属元素6个阴极。其原理与单元素(HCL)相同,其价格昂贵。

  高性能灯除了和普通HCL一样有1个阴极和1个阳极外,还增加了一对辅助电极。辅助电极间通过几百mA的低压直流电,使其产生电离的气体原子流,使从空心阴极溅射出来的金属原子与之碰撞后进一步激发,从而提高共振线的强度。这种灯光强度比普通HCL强几倍到几十倍,不产生谱线变宽,适用于As、Sb、Bi、Se、Ag、Cd、Pb或某些稀土元素。

  难以替代的空心阴极灯

  空心阴极灯是原子吸收、原子荧光光谱仪的关键核心部件,而原子吸收、原子荧光光谱仪的市场规模都相对较大,仪器生产商数量非常多。其中,原子吸收光谱仪器是现代分析检测实验室必备的重要检测手段,有着广泛的应用。据现有不甚完整的资料显示,近年来中国市场原子吸收光谱仪器年销售量约为5000多台。据初步统计,目前全国有AAS生产厂家达20家,国外在华厂商近10家。如普析通用、东西分析、上海光谱、北京海光、北京瑞利,岛津、珀金埃尔默、德国耶拿、安捷伦、赛默飞、日立等。

  而原子荧光光谱仪是我国少数具有自主知识产权、技术水平超过进口的分析仪器。目前国内外生产AFS的主要仪器厂商有10多家,有北京海光、北京吉天、北京瑞利、普析通用、廊坊开元、东西分析、金索坤、江苏天瑞、卓信博澳、欧罗拉等。近年来,原子荧光光谱仪每年销售量大致在2500~3000台。

  原子吸收、原子荧光光谱法是元素分析领域现行标准方法的主力军。现有各国颁布各类原子吸收光谱分析的标准共计2600多个,中国颁布的国家标准和行业标准近800个。原子荧光光谱法在各个领域中先后建立了相关的国家标准、行业标准和地方标准,截至2011年5月为止已建立的各项标准己达111项。正是这些标准的建立,有力推动了原子吸收、原子荧光光谱仪的推广和普及,现已成为众多实验室常规的分析仪。

  未来对HCL的需求与国家经济的发展状况息息相关。“目前,采购、使用原子吸收、原子荧光光谱仪的用户多是基层单位和工业企业。”对于基层单位和工业企业,日常检测的元素比较固定,且数量不多,对这样的用户原子吸收光谱仪器具有最好的性价比。而对于As、Hg等元素的检测,原子荧光具有ICP-MS都不具有的优势,方法简便、灵敏度高,并且在仪器价格和使用成本上具有很大的优势,适合地级市等小型实验室及检测中心的使用,符合中国经济发展的现状,是元素分析非常必要的补充仪器。

  由于原子吸收、原子荧光光谱仪在未来的不可替代性,这样大的一个‘用户群’也为HCL打下了坚实的基础,使得HCL也同样具有了不可替代性。可预见,未来20年内HCL行业都会平稳发展。
 

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