苏州费马 GNR全谱直读光谱仪 S5

S5 GNR全谱直读光谱仪

S5是GNR最 经典的一款全谱直读光谱仪，采用了全谱直读光谱中最 长的500mm焦距分光室，既能够检测最 多的元素，也能够精确地分析诸如 Sb、Ni、Bi、As等特殊元素。

产品优势

同级别直读光谱仪中最 稳定的精度

为了获得最 佳的检测精度，GNR研发团队通过几十年的技术积累，采用了多种行业最 领 先的技术来达到这一目的。

a. 采用全自动波长实时校准

由于温度的变化及仪器环境的震动等原因，谱线会发生水平方向的漂移，这同样会导致含量的忽高忽低，因而影响测样结果的稳定性。波长实时校准可以在每次激发预燃烧时精确计算每个待测元素的每条谱线的最 新像素点，确保准确检测元素的谱线位置，从而达到最 稳定的测样精度。

图1. 全自动波长实时校准效果图（双击图片显示动态图）

b. 分辨率最 高的CMOS检测器

GNR采用了CMOS作为最 新款直读光谱仪的检测器，相比较之前的CCD，在元器件性能上有如下的性能提升：

首先这两款元器件（CMOS和CCD）采用了想类似的芯片封装，在结构上除了CMOS是24针脚，CCD是22针脚以外，其他几乎完全一致。因此直读光谱仪的分光室几乎延续了之前的设计，没有大的改动。而GNR经典的CCD直读光谱仪S1,S5等系列之所以广受欢迎，设计精密的分光室是其中重要的因素。CMOS在结构上同CCD的一致性，也保证了GNR经典的分光设计得到了完整地延续。也因此，新款的CMOS直读光谱仪在外形设计上与经典的CCD直读光谱仪完全一致。

另外GNR采用了阵列CMOS，单个CMOS检测具有4096个像素点，每个像素点尺寸为7*200um。相比较，之前采用的是3648像素，单个像素点是8*200um。因此可以看到，这款新型的CMOS具有了更高的像素。另外单个像素点相对CCD缩小了1um。在仪器分光焦面上，检测相同宽度的焦面df，CMOS投入了更多的像素来检测，相对于CCD，分辨率提高了将近40%。

以下图谱线为例：图A是检测该谱线CMOS投入的像素，图中一条竖格代表一个像素，图B是检测该谱线CCD投入的像素。

我们选择CMOS作为检测器的另一大原因是CMOS更广的动态范围。第 一点是感光灵敏度的提升。这款CMOS的感光灵敏度是650V/(lx·s)，而相对CCD灵敏度是160 V/(lx·s)，也就是说在相同亮度光照射下，CMOS的输出信号强度大约是CCD的4倍。由于直读光谱仪需要检测的元素几乎全是杂质元素，因此检测对象的光信号普遍较弱，而光电的转换实质上是模拟信号转换成数字信号，这不仅对AD器件的要求，也对低电平信号的处理要求非常严格。从硬件上的布线不受到互相干扰，到信号处理方式是否合理正确，都局限了CCD直读光谱仪检测结果的精 准度。而CMOS感光灵敏度的提升大大降低了读出系统的设计难度和出错度。

此外，CMOS的暗电流典型电压是0.1mV，相对于CCD的2mV降低到了仅仅5%。由于暗电流几乎决定了检测器的背景强度，也即是检测器能够检测的元素最 低含量，因此CMOS的这个特性极大得降低了GNR直读光谱仪的检出限。在产品特性上，实现了各个型号的性能下沉，比如S1采用了CMOS之后就能检测一些之前CCD S5才能检测的元素或者含量范围。当然，S5也开始达到了之前CCD S5的分析性能。对于用户来说，满足检测需求的仪器选择范围更加宽广了。

然而，在单位时间饱和亮度上，CMOS和CCD性能几乎一致。这个参数表示了检测器检测最 强光的能力。而根据仪器检测数据表明，CMOS在高含量元素的检测性能方面与CCD几乎是一致的。

最 后，CMOS相对于CCD的一个重要特性就是动态范围。这是饱和输出电压与暗电流电压之比，表达的是检测器在其检测范围内，可用多少刻度来表征这个检测范围。对于检测器来说，检测到的最 低光强度即是暗电流，检测到的最 强光是饱和电压所对应的光，在这个最 弱光到最 强光之间，不同的检测器有不同数量的刻度，对于CCD来说，用300个刻度来表征最 弱光到最 强光，而这款CMOS的刻度达到了20000。因此在检测同样的样品时，CCD无法捕捉到的光的波动，对于CMOS来说却能够很灵敏得输出波动值，在配合上性能足够的读出系统后，元素的精度就能够得到极大得提高。

c. 激发光源芯片式电阻设计

GNR根据不同的元素，设置不同火花电阻设计，可以使得火花的放电非常稳定，这样CMOS检测到的光强度不会出现烛光似的跳动，而是如日光灯一样的高亮度的稳定光。

图5. 光源板上芯片式电阻

图6. 软件设置电阻值

应用最广泛的直读光谱仪

GNR在直读光谱仪领域累积了超过70年的应用经验，研发了各种仪器配件来满足多种多样的检测需求。在中国，GNR也投入了超过30年的精力，在与中国制造业共同进步的同时，也在第 一线了解并掌握中国制造业对直读光谱仪应用的需求，并根据中国用户的要求开发了多种检测方法。

a. 大样品检测：开放式火花台设计

GNR全线型号都配置了开放式火花台，这就使得一些大型样品的检测不需要切割，直接摆放在样品台上即可检测，方便用户的使用。

b. 小样品检测：全套小样品适配器

GNR提供小样品适配器用于一些特殊样品分析，比如线材、弹簧等。由于采用独特的平面检测法，GNR小样品适配器即使在氩气泄露的环境下依然可以获得正常样品的检测结果，尤其是C, P, S等紫外区元素的精 准度达到了正常检测的水平。

图8. 小样品适配器及现场检测图

c. 可调节火花参数，用于特殊样品检测

有些特殊样品由于材料成分特别，需要使用专门的火花参数来激发样品，以获得最 佳的分析效果，GNR火花光源采用数字电路设计，可以根据需求调整电压、频率、电容、电感、电阻值等。比如非晶合金的检测需要特殊的能量，GNR工程师根据样品的特殊性，设计了专门为非晶合金用的火花参数，检测结果达到了标样水平。

图9. 非晶合金激发效果图

d. 元素谱线最 多的直读光谱仪

自从1942年成立以来，GNR始终专注于光谱仪行业，超过70的行业经验使得GNR累计了直读光谱仪行业中最 丰富的元素谱线，这是一代代GNR工程师的贡献。今天的直读光谱仪收益于前人的工作，我们可以提供多达441条元素谱线，远远地超越了直读光谱仪同行。基于丰富的元素谱线库，GNR直读光谱仪用户不会受到任何元素间谱线干扰问题，可以获得非常准确的检测结果。

图10. GNR软件谱线表

实用的软件

GNR软件研发的基础来自于全球超过10000家直读光谱仪用户，用户的反馈信息构成了GNR软件的功能，这些功能不仅仅是为了仪器检测，也考虑到了用户报告编辑的方便性。

a. 中文版软件

GNR中国工程师服务团队翻译了直读光谱仪操作软件MetaLab。由于日常工作就是培训用户操作仪器，解决仪器使用中产生的问题，所以中国工程师团队非常熟悉中国用户的用词习惯，这也使得GNR操作软件的中文版非常贴近中国用户的使用习惯。

图11. GNR中文版软件

b. 结果输出格式

为了测样后的报告编辑，用户经常需要复制黏贴测样结果，GNR直读光谱的测样结果可以用Microsoft Excel或者WPS Excel打开、编辑并保存。除此以外，测样报告也可以PDF格式保存并输出。

售后服务成本低

GNR直读光谱仪自从1942年诞生以来一直坚持独立研发、制造，并伴随着意大利工业而发展出自己独特的产品研发理念及制造思想。在一些直读光谱仪核心部件上始终坚持意大利本土生产的思想，确保了GNR直读光谱仪用户在售后成本上享受最 低付出的回报。

a. 无光纤设计

光纤因为会造成光信号衰减，因此在高端光电倍增管直读光谱仪中一直摒弃光纤的使用，而采用了全透镜设计。GNR的产品设计思想是从上至下，首先研发旗舰级的高端直读光谱仪，再根据具体应用需求研发不同级别的直读光谱仪。而无光纤设计思想体现在了GNR全线直读光谱仪上，这不仅是为了获得更精确的测样结果，也是为了减少用户两三年一次的光纤更换成本，进一步提高GNR直读光谱仪的性价比。

图12. GNR直读光谱仪透镜示例图

b. 小直径电极设计

常规电极由于直径过大，因此在激发过程中沉积了样品的粉尘，即使经过电极刷的清洁仍旧留有非常多的残余，因此在更换基体时通常建议更换电极，以确保测样的准确性，这在纯物质的检测中非常重要，因此多基体用户需要同时使用多根电极并备用一定数量的电极。而GNR采用了小直径电极设计，直径只有常规直径的1/5，大大减少电极头粉尘的沉积，经过国内超过2000家用户的使用，即使更换基体也无需更换电极，用户只需配备少量备用电极即可正常工作。

图13. GNR小直径电极

c. 全电路系统意大利制造

自从上世纪80年代以来，GNR全球仪器的销量逐年增加，为了同时满足仪器制造的需求和仪器用户的质量保证，GNR在意大利米兰投资建设了一家电子工厂，专注于GNR旗下仪器设备所用电路系统的制造。历经30多年的生产经营积累，五年以上GNR直读光谱仪电路故障率几乎为零，十年以上GNR直读光谱仪电路故障率仅为1%-3%，而中国存在着非常多的15年以上GNR直读光谱仪用户。意大利制造电路系统保障了GNR直读光谱仪的质量。

S5直读光谱仪配置

1. 光学系统

2. 元素谱线

3. 控制、采集和读出系统

4. 火花源

5. 火花台

6. 软件

7. 控制中心：电脑

8. 尺寸

9. 电源

10. 其他