直流电弧光谱仪作为原子发射光谱分析技术中的经典仪器，凭借直流电弧激发光源的独特优势，在地质勘探、冶金分析、材料检测等领域占据重要地位。其核心工作逻辑围绕 “样品激发 — 光谱分光 — 信号检测 — 数据解析" 的连续流程展开，通过精准捕捉元素特征光谱实现定性与定量分析，整个系统的协同运作确保了分析结果的专业性与可靠性。
激发系统是直流电弧光谱仪的能量供给中枢，其核心任务是通过直流电弧的高温能量实现样品的蒸发、原子化与激发，这一过程是产生元素特征光谱的基础。该系统通常由直流电源、石墨电极与引弧装置构成，电源输出电压一般为 150~380V，工作电流维持在 5~30A 的稳定范围。
样品激发的启动依赖引弧操作，通常采用电极接触短路或高频高压击穿两种方式：将装有固体样品的下电极与上电极短暂接触，通电后电极受热产生初始导电通道，随后拉开 4~6mm 的分析间隙形成电弧；或通过高频引弧装置产生万伏级高压，直接击穿电极间空气电离形成放电通道。引弧后进入稳定燃弧阶段，阴极发射的高能热电子高速轰击阳极，在阳极表面形成炽热的阳极斑，其温度可达 3800K 以上，强大的热效应使下电极凹槽中的样品迅速蒸发为气态分子。
气态分子在电弧高温环境中进一步解离为原子，电弧中心 4000~7000K 的温度场为原子提供了充足能量，使其外层电子从基态跃迁至高能激发态。由于激发态电子极不稳定，会在极短时间内跃回基态或低能态，跃迁过程中释放的能量以光辐射形式呈现，形成代表该元素特征的发射光谱。这一过程中，电子、原子与离子间的持续碰撞维持了等离子体状态，确保电弧放电稳定进行，为光谱产生提供持续能量。现代仪器常通过内置稳流电源与斯托伍德气室优化激发过程，前者提升放电稳定性，后者可降低 CN 键带来的光谱干扰。
分光系统又称光学系统，其功能是将电弧产生的复合光分解为按波长有序排列的单色光，为后续检测提供可识别的特征谱线。该系统通常由入射狭缝、准直物镜、色散元件与聚焦光学组件构成，核心在于色散元件对复合光的分离作用。
入射狭缝是光学系统的 “信号入口"，位于准直物镜的焦平面上，其宽度直接决定进入系统的光通量与光谱分辨率 —— 窄缝可提升分辨率但降低光强，宽缝则反之，需根据分析需求精准调节。从狭缝进入的复合光经准直物镜处理后转化为平行光束，垂直投射至色散元件。常用的色散元件为光栅，传统仪器多采用平面光栅，现代设备则多配备中阶梯光栅，配合交叉色散技术可在小型化结构中实现高分辨率，有效解决光谱级次重叠问题。
光栅通过光的衍射与干涉作用将复合光分解为不同波长的单色光，不同元素的特征谱线因波长差异被分离至不同空间位置。根据分析需求可选择不同刻线密度的光栅：300 线 /mm 的光栅适用于低分辨率、宽光谱范围的分析场景，3600 线 /mm 的高刻线密度光栅则可满足高分辨率检测需求。分离后的单色光经聚焦物镜汇聚，形成按波长排列的光谱带，最终投射至检测系统的接收面上，完成从复合光到特征谱线的精准转化。
检测系统负责接收分光后的特征谱线，将光能信号转化为可测量的电信号，其性能直接影响分析的灵敏度与准确度。根据仪器配置不同，检测组件主要分为光电倍增管与固体成像检测器两类。
光电倍增管适用于传统固定光路系统，采用 “一对一" 检测模式：每个出射狭缝对应一个光电倍增管，仅捕捉特定波长的特征谱线。当单色光照射到光电倍增管的光敏阴极时，产生的光电子经多级倍增极放大，形成可测量的电流信号，再通过积分电容储存电荷，曝光结束后测量电容电压值量化光强。这种方式灵敏度高，但检测通道固定，灵活性较差。
现代仪器更广泛采用 CCD（电荷耦合器件）或 CID（电荷注入器件）等固体成像检测器，配合全谱光学系统实现多谱线同时检测。这类检测器由大量光敏单元组成阵列，可同时接收整个光谱区间的光信号，将不同波长的光强转化为对应的电荷信号，经 DSP（数字信号处理器）处理后转化为数字信号。其优势在于全谱读取能力，可实现谱图叠加、差减等高级操作，且支持实时背景校正与内标校正，大幅提升了复杂样品分析的效率与准确性。
数据处理系统是直流电弧光谱仪的 “大脑"，通过软件算法将检测系统输出的数字信号转化为明确的元素定性与定量结果，核心依赖光谱特征与元素属性的对应关系。
定性分析基于元素特征谱线的性 —— 每种元素都有其特定的特征谱线组。软件通过将实测光谱图与标准谱线库进行比对，识别出特定波长的特征谱线，即可确定样品中所含元素种类。例如，检测到波长为 589.0nm 与 589.6nm 的谱线组，可判定样品中存在钠元素。
定量分析则依据 “朗伯 - 比尔定律" 的延伸应用 —— 在一定条件下，元素特征谱线的强度与该元素在样品中的含量呈正相关。通过测量特征谱线的相对强度（通常采用内标法，选取样品中含量稳定的元素作为内标，校正激发条件波动带来的误差），结合标准物质绘制的浓度 - 强度校准曲线，即可计算出样品中目标元素的准确含量。现代软件还具备自动扣除背景干扰、校正第三元素影响等功能，通过 PDA 技术筛选有效数据，修正仪器漂移带来的偏差，确保定量结果的可靠性。
直流电弧光谱仪的技术特性由其激发光源决定：阳极斑温度高带来的蒸发能力，使仪器具有高绝对灵敏度和低检出限，特别适合痕量元素分析；但弧焰稳定性较差，易发生漂移，且弧层较厚导致自吸现象明显，定量分析的精密度受限。
基于这些特点，仪器在定性与半定量分析中应用广泛，可对陶瓷、玻璃、难溶粉末、地质原料等多种固体样品直接分析，无需复杂消解处理。在冶金领域可用于矿石中低含量元素筛查，在环境检测中可测定土壤中的重金属痕量成分，在核工业中可分析核原料中的杂质元素。对于高含量元素定量或要求高精度分析的场景，则需结合其他光源类型的光谱仪互补使用。
