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摘 要：为提高原子荧光仪中激发光源的瞬间激发强度及其光谱稳定性，提出一种基于VMOS管稳流原理的双通道脉冲高压稳流电路设计方法，即采用由VMOS管和放大器组成的电流闭环负反馈电路来维持峰值电流稳定，从而实现激发光源激发强度的稳定。设计稳流控制信号处理电路、闭环稳流电路、稳流闭锁电路及高压供电电路。在驱动不同阻抗元素灯及供电电压在150～250 V波动时，工作电流波动幅度均在±0.4%以内；输出电流可在0～160 mA数字设置，与设置电流线性相关度为0.998 7。测试结果表明：该设计的电流稳流效果较好，能满足不同元素灯及不同强度工作电流的驱动要求。
关键词：激发光源；脉冲高压稳流；闭环稳流；电流闭锁；数字设置
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）07-0078-05
Abstract： To enhance the instantaneous excitation intensity and the spectral stability of excitation light source in atomic fluorescence spectrometer， a dual-channel pulse high voltage current stabilization circuit design method based on VMOS tube current stabilization principle was proposed. A closed loop negative feedback circuit consisting of a VMOS tube and an amplifier was used to maintain the peak current stability， so as to achieve the stability of excitation light source’s intensity. Constant-current control signal processing circuit， closed-loop current stabilization circuit， constant-current lock out circuit and high-voltage power supply circuit were designed. The working current amplitude was within ±0.4% when driving lamps with different impedance elements or the power supply voltage ranges between 150 V and 250 V， the output current could be digital settings within 0-160 mA and the linear correlation between output current and setting current was 0.998 7. Test results show that the current stabilization effect of the design is excellent and the design can meet the drive demand of the different element lamps and different working current intensity.
Keywords： excitation light source； pulse high voltage current stabilization； closed-loop current stabilization； current blocking； digital settings
0 引 言
氢化物发生-原子荧光仪（hydrogen generation-atomic fluorescence spectrometer，HG-AFS）[1]是基于蒸气相待测元素的基态原子受激发光源辐照后，根据激发出特征谱线的辐射强度来确定元素含量的一种痕量光谱分析方法[2-4]，具有灵敏度高、测定速度快、能多元素同时测定等特点[5]，目前广泛应用于食品安全、环境检测、地质、冶金、卫生等行业和部门[6]。HG-AFS由自动进样器、氢化物发生器、原子化器、激发光源、光电倍增管、信号检测及处理电路[7]等组成。激发光源是其重要组成部分，不同的元素需要特定波长的激发光源輻照才能激发特征谱线，而空心阴极灯（hollow cathode lamp，HCL）是目前应用最广泛的一种激发光源[8]。
HCL阴极发射特征谱线强度是决定HG-AFS检出限的重要参数，而提高其发射谱线强度最简单、有效的技术手段就是提高HCL工作电流，但也会提高仪器本底噪声及缩短灯的使用寿命。相比于以往的直流供电、宽脉冲供电及新型毫秒脉冲供电方式[9]，采用脉冲宽度更窄、峰值电流更大的大电流微秒脉冲，能进一步提高HCL的特征谱线发射强度，有效延长灯的使用寿命，因而这种供电方式受到了持续的关注与研究[10-11]。目前，针对这种供电方式的理论研究已经比较完善，但是工程设计鲜有提及，因此结合实际项目需要，在此提出一种双通道脉冲高压稳流电路设计方法。
1 HCL工作电流分析
HCL工作电流决定了灯的特征谱线发射强度及其光谱稳定性，也直接影响着灯的使用寿命以及吸收灵敏度和仪器检出限的好坏。在一定条件下，灯电流大则特征谱线发射强度大，但会缩短灯的使用寿命、降低吸收灵敏度；灯电流过小，特征谱线发射强度太弱，仪器信噪比降低，影响检出限。为兼顾特征谱线发射强度及灯使用寿命这两个互斥的参数，本设计采用脉冲宽度更窄、峰值电流更大的大电流微秒脉冲脉冲供电方式。 微秒脉冲为占空比一定的低频矩形波，在HCL允许的平均工作电流范围内，大幅提高瞬间峰值工作电流[12]。本文采用占空比5%的矩形电流，设计阴极灯瞬间峰值电流为160 mA（平均工作电流也仅为8 mA）。一方面，大幅提高特征谱线发射强度，延长HCL使用寿命；另一方面，有效避免持续辐照激发的重复谱线，提高HG-AFS的信噪比[13]。图1为阴极灯供电电流波形，脉冲频率为300 Hz。电流平顶部分应保持稳定，以保证激发光源的光谱稳定，进而保证检测到电信号的稳定可靠，这一点由稳流电路完成。
4 结束语
本文以实际需要为出发点，设计了驱动原子荧光分析仪激发光源-空心阴极灯的双通道脉冲高压稳流电路，改善了传统稳流电路对脉冲电流的稳流效果，保证了仪器在测量时激发光源的高度稳定，减少了激发光源的背景噪声，提高了仪器的信噪比。本设计能满足多种HCL的电流驱动需求，输出电流可在0～160 mA内按需设置，具有稳流能力强、输出线性度好的特点。采用本设计对元素（砷、铅、镉、汞）的实际测量表明，电路性能满足仪器要求，可供仪器相关部件的工程设计参考。
参考文献
[1] FEATHRSTONE A M， BOULT P R， O’GRADY B V， et al. A shipboard method for arsenic speciation using semi-auto
mated hydridegeneration atomic fluorescence spectroscopy[J]. Analytica Chimica Acta，2000，409（1）：215-226.
[2] 吴廷照，刘纪琳. 空心阴极灯的原理、特性及使用[J]. 分析实验室，1983，6（6）：99-109.
[3] 原子荧光光度计：JJG 939-2009[S]. 北京：中国计量出版社，2010.
[4] 邓勃，迟锡增，刘明钟，等. 应用原子吸收与原子荧光光谱分析[M]. 北京：化学工业出版社，2003.
[5] 李刚，胡斯宪，陈琳玲. 原子荧光光谱分析技术的创新与发展[J]. 岩矿测试，2013，32（3）：358-376.
[6] 张锦茂，董芳. 蒸气发生-原子荧光光谱法在我国的进展及其在食品、环保分析领域中的应用[J]. 光谱仪器与分析，2003，53（1）：15-35.
[7] 张锦茂，梁敬，董芳. 中国30多年来原子荧光光谱仪器的发展与应用[J]. 中国无机分析化学，2013，3（4）：1-10.
[8] 李可，邢铁增，邓艳龙，等. 原子荧光光谱仪空心阴极灯灯电流、激发光强度及供电脉冲宽度的关系[J]. 物探化探计算技术，2016，38（1）：103-107.
[9] 黄跃，李可，赵志华，等. 应用于原子荧光光谱分析的空心阴极灯灯电流与激发光强度关系的实验[J]. 岩矿测试，2006，25（4）：384-386.
[10] 弓振斌，杨芃原，林躍河，等. 强短脉冲供电时空心阴极灯的放电特性研究[J]. 高等学校化学学报，1995，16（7）：1037-1039.
[11] 张绍雨，弓振斌，黄本立. 碱土金属的强短脉冲供电空心阴极灯激发常规炬管电感耦合等离子体离子荧光光谱初步研究[J]. 光谱学与光谱分析，2006，26（2）：331-333.
[12] 张硕. 氢化物发生原子荧光光谱分析中的微秒脉冲供电空心阴极灯激发光源[J]. 光谱学与光谱分析，2015，35（9）：2412-2414.
[13] 李昌厚. 原子吸收分光光度计仪器及应用[M]. 北京：科学出版社，2006：36-40.
[14] 奚大顺. 电子技术随笔[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2015：17-24.（编辑：商丹丹）
关键词：激发光源；脉冲高压稳流；闭环稳流；电流闭锁；数字设置
文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2017）07-0078-05
Abstract： To enhance the instantaneous excitation intensity and the spectral stability of excitation light source in atomic fluorescence spectrometer， a dual-channel pulse high voltage current stabilization circuit design method based on VMOS tube current stabilization principle was proposed. A closed loop negative feedback circuit consisting of a VMOS tube and an amplifier was used to maintain the peak current stability， so as to achieve the stability of excitation light source’s intensity. Constant-current control signal processing circuit， closed-loop current stabilization circuit， constant-current lock out circuit and high-voltage power supply circuit were designed. The working current amplitude was within ±0.4% when driving lamps with different impedance elements or the power supply voltage ranges between 150 V and 250 V， the output current could be digital settings within 0-160 mA and the linear correlation between output current and setting current was 0.998 7. Test results show that the current stabilization effect of the design is excellent and the design can meet the drive demand of the different element lamps and different working current intensity.
Keywords： excitation light source； pulse high voltage current stabilization； closed-loop current stabilization； current blocking； digital settings
0 引 言
氢化物发生-原子荧光仪（hydrogen generation-atomic fluorescence spectrometer，HG-AFS）[1]是基于蒸气相待测元素的基态原子受激发光源辐照后，根据激发出特征谱线的辐射强度来确定元素含量的一种痕量光谱分析方法[2-4]，具有灵敏度高、测定速度快、能多元素同时测定等特点[5]，目前广泛应用于食品安全、环境检测、地质、冶金、卫生等行业和部门[6]。HG-AFS由自动进样器、氢化物发生器、原子化器、激发光源、光电倍增管、信号检测及处理电路[7]等组成。激发光源是其重要组成部分，不同的元素需要特定波长的激发光源輻照才能激发特征谱线，而空心阴极灯（hollow cathode lamp，HCL）是目前应用最广泛的一种激发光源[8]。
HCL阴极发射特征谱线强度是决定HG-AFS检出限的重要参数，而提高其发射谱线强度最简单、有效的技术手段就是提高HCL工作电流，但也会提高仪器本底噪声及缩短灯的使用寿命。相比于以往的直流供电、宽脉冲供电及新型毫秒脉冲供电方式[9]，采用脉冲宽度更窄、峰值电流更大的大电流微秒脉冲，能进一步提高HCL的特征谱线发射强度，有效延长灯的使用寿命，因而这种供电方式受到了持续的关注与研究[10-11]。目前，针对这种供电方式的理论研究已经比较完善，但是工程设计鲜有提及，因此结合实际项目需要，在此提出一种双通道脉冲高压稳流电路设计方法。
1 HCL工作电流分析
HCL工作电流决定了灯的特征谱线发射强度及其光谱稳定性，也直接影响着灯的使用寿命以及吸收灵敏度和仪器检出限的好坏。在一定条件下，灯电流大则特征谱线发射强度大，但会缩短灯的使用寿命、降低吸收灵敏度；灯电流过小，特征谱线发射强度太弱，仪器信噪比降低，影响检出限。为兼顾特征谱线发射强度及灯使用寿命这两个互斥的参数，本设计采用脉冲宽度更窄、峰值电流更大的大电流微秒脉冲脉冲供电方式。 微秒脉冲为占空比一定的低频矩形波，在HCL允许的平均工作电流范围内，大幅提高瞬间峰值工作电流[12]。本文采用占空比5%的矩形电流，设计阴极灯瞬间峰值电流为160 mA（平均工作电流也仅为8 mA）。一方面，大幅提高特征谱线发射强度，延长HCL使用寿命；另一方面，有效避免持续辐照激发的重复谱线，提高HG-AFS的信噪比[13]。图1为阴极灯供电电流波形，脉冲频率为300 Hz。电流平顶部分应保持稳定，以保证激发光源的光谱稳定，进而保证检测到电信号的稳定可靠，这一点由稳流电路完成。
4 结束语
本文以实际需要为出发点，设计了驱动原子荧光分析仪激发光源-空心阴极灯的双通道脉冲高压稳流电路，改善了传统稳流电路对脉冲电流的稳流效果，保证了仪器在测量时激发光源的高度稳定，减少了激发光源的背景噪声，提高了仪器的信噪比。本设计能满足多种HCL的电流驱动需求，输出电流可在0～160 mA内按需设置，具有稳流能力强、输出线性度好的特点。采用本设计对元素（砷、铅、镉、汞）的实际测量表明，电路性能满足仪器要求，可供仪器相关部件的工程设计参考。
参考文献
[1] FEATHRSTONE A M， BOULT P R， O’GRADY B V， et al. A shipboard method for arsenic speciation using semi-auto
mated hydridegeneration atomic fluorescence spectroscopy[J]. Analytica Chimica Acta，2000，409（1）：215-226.
[2] 吴廷照，刘纪琳. 空心阴极灯的原理、特性及使用[J]. 分析实验室，1983，6（6）：99-109.
[3] 原子荧光光度计：JJG 939-2009[S]. 北京：中国计量出版社，2010.
[4] 邓勃，迟锡增，刘明钟，等. 应用原子吸收与原子荧光光谱分析[M]. 北京：化学工业出版社，2003.
[5] 李刚，胡斯宪，陈琳玲. 原子荧光光谱分析技术的创新与发展[J]. 岩矿测试，2013，32（3）：358-376.
[6] 张锦茂，董芳. 蒸气发生-原子荧光光谱法在我国的进展及其在食品、环保分析领域中的应用[J]. 光谱仪器与分析，2003，53（1）：15-35.
[7] 张锦茂，梁敬，董芳. 中国30多年来原子荧光光谱仪器的发展与应用[J]. 中国无机分析化学，2013，3（4）：1-10.
[8] 李可，邢铁增，邓艳龙，等. 原子荧光光谱仪空心阴极灯灯电流、激发光强度及供电脉冲宽度的关系[J]. 物探化探计算技术，2016，38（1）：103-107.
[9] 黄跃，李可，赵志华，等. 应用于原子荧光光谱分析的空心阴极灯灯电流与激发光强度关系的实验[J]. 岩矿测试，2006，25（4）：384-386.
[10] 弓振斌，杨芃原，林躍河，等. 强短脉冲供电时空心阴极灯的放电特性研究[J]. 高等学校化学学报，1995，16（7）：1037-1039.
[11] 张绍雨，弓振斌，黄本立. 碱土金属的强短脉冲供电空心阴极灯激发常规炬管电感耦合等离子体离子荧光光谱初步研究[J]. 光谱学与光谱分析，2006，26（2）：331-333.
[12] 张硕. 氢化物发生原子荧光光谱分析中的微秒脉冲供电空心阴极灯激发光源[J]. 光谱学与光谱分析，2015，35（9）：2412-2414.
[13] 李昌厚. 原子吸收分光光度计仪器及应用[M]. 北京：科学出版社，2006：36-40.
[14] 奚大顺. 电子技术随笔[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2015：17-24.（编辑：商丹丹）