اساس کار اسپکترومتر

اسپکترومتر برای اندازه‌گیری طول‌موج به کار می‌رود. معمولا این دستگاه به منظور شناسایی مواد در آنالیز طیف‌سنجی مورد استفاده قرار می‌گیرد. نتیجه به دست آمده از طیف‌گیری، شدت را به عنوان تابعی از طول موج در نمایش‌گر نشان می‌دهد. شرکت تکسان اسپکترومتر را در چندین مدل‌ متنوع و در بازه‌های طول موجی مختلف با توجه به نیاز مخاطبان، تولید می‌کند.

در ادامه قصد داریم اجزای اسپکترومتر را مورد مطالعه قرار دهیم.

اجزای تشکیل دهنده اسپکترومتر

طیف سنج نوری از چهار جز اصلی تشکیل شده است (شکل ۲). این المان‌ها عبارتند از:

1. شکاف
2. المان‌های اپتیکی
3. المان پاشنده
4. آشکارساز

در این بخش از مقاله به بررسی هر یک از این المان‌ها می‌پردازیم.

شکاف

شکاف وضوح طیفی و میزان نور ورودی به اسپکترومتر را کنترل می‌کند. هرچه عرض شکاف بیشتر باشد،‌ وضوح طیفی در سیستم کاهش می‌یابد (و بر عکس). به همین دلیل اندازه شکاف باید بهینه باشد. معمولا اندازه شکاف در اسپکترومترها ۱۰، ۲۵، ۵۰، ۱۰۰ و ۲۰۰ میکرومتر است.

به دلیل اندازه کوچک شکاف، این المان باید با دقت بسیار زیادی در مسیر نوری قرار گیرد. در غیر این صورت نور به درستی با المان‌ها برخورد نمی‌کند. این کار موجب اتلاف نور می‌شود. علاوه بر این کالیبراسیون طیف سنج نیز به هم می‌ریزد. هم‌چنین قطر کابل فیبر نوری باید متناسب با عرض شکاف باشد. اگر قطر فیبر کوچک‌تر باشد، ممکن است نور با زاویه مناسبی وارد اسپکترومتر نشود. در این صورت طیف سنج دچار خطا می‌شود. اگر هم که قطر فیبر بزرگتر باشد، همه نور وارد دستگاه نمی‌شود و قستی از اطلاعات از بین می‌رود. بنابراین انتخاب و تعویض شکاف همیشه توسط کارشناسان صورت می‌گیرد.

المان‌های اپتیکی

المان‌های اپتیکی در اسپکترومتر شامل آینه‌ و لنز می‌شود.

از لنزها برای متمرکز کردن نور استفاده می‌شود. لنزهای ساده، ارزان هستند. اما مشکل این نوع از لنزها این است که دارای ابیراهی رنگی هستند. یعنی طول موج های مختلف دقیقا در یک نقطه از فضا متمرکز نمی‌شوند. با این حال با طراحی دقیق می‌توان این ابیراهی را اصلاح کرد. لنزهای آکروماتیک (Achromatic) که از ترکیب چند لنز ساخته می‌شوند به حل این مشکل پرداخته‌اند. این لنزها شیشه‌های مختلف‌ با ضریب شکست‌های متفاوتی دارند. ترکیب این‌ها موجب از بین رفتن ابیراهی رنگی می‌شود. این نوع لنزها عملکرد بسیار خوبی دارند اما قیمت آن‌ها بسیار گران است.

المان اپتیکی دیگری که در ساختمان اسپکترومتر به کار می‌رود، آینه است. آینه‌ها نور را به سمت اجزای دیگر هدایت می‌کنند. در اسپکترومترها از آینه‌های مقعر برای موازی کردن نور استفاده می‌شود. این ابزارها وضوح طیفی را بهبود می‌بخشند. اما از طرف دیگر شدت نور را کاهش می‌دهند. به طور کلی در المان‌های اپتیکی ۱۰-۵ درصد نور، از طریق جذب و یا بازتاب از بین می‌رود. بنابراین در طراحی اسپکترومترها از المان‌های نوری کمتری استفاده می‌شود. در ساخت اسپکترومترهای تیدا نیز برای جلوگیری از جذب نور به تعداد بهینه از این المان‌‌ها استفاده شده است.

المان‌های پاشنده

المان‌های پاشنده، طول‌موج‌های مختلف نور را در زوایای مختلفی پراکنده می‌کنند. دامنه طول‌موج و وضوح طیفی توسط این ابزار تعیین می‌شود. زوایای پراکندگی در منشور به دما حساس هستند. با تغییر دما ضریب شکست نیز تغییر می‌کند. زوایای پراکندگی هم به ضریب شکست وابسته هستند. به این ترتیب زوایای پراکندگی نیز دچار تغییر می‌شوند. در گذشته از منشور در ساخت اسپکترومترها استفاده می‌شد. اما امروزه بنابه دلایل ذکر شده از توری‌‌های پراش به جای منشور استفاده می‌کنند. توری‌ها دو نوع هستند: توری هولوگرافی و توری رولد (ruled). این ابزارها از شیشه ساخته شده‌اند و روی آن‌ها شیارهای بسیار باریکی حک شده است. در توری‌های رولد این شیارها به صورت مکانیکی ایجاد می‌شوند. از این‌رو ساخت آن‌ها ارزان و ساده است. اما این توری‌ها نورهای سرگردان (stray light) زیادی در دستگاه ایجاد می‌کنند. به همین دلیل از توری‌های هولوگرافی برای به حداقل رساندن این مشکل استفاده می‌شود.

توری‌های هولوگرافی طی یک فرایند لیتوگرافی تولید می‌شوند. بستر این توری توسط یک ماده حساس به نور (Photoresist) لایه نشانی می‌شود. پس از آن بستر در معرض تابش دو پرتوی لیزر قرار می‌گیرد. نور لیزرها یک طرح تداخلی ایجاد می‌کنند. شیارها از طریق این طرح‌های تداخلی به وجود می‌آیند. پس از این فرآیند سطح بستر با یک ماده بازتابنده لایه نشانی (coat) می‌شود. فرم و فاصله شیارها در این توری‌ها بسیار یکنواخت است. به همین دلیل نورهای سرگردان کمتری نسبت به توری‌های رولد تولید می‌کنند. توری‌های هولوگرافی گران هستند. این توری‌ها نور را در محدوده فروسرخ جذب می‌کنند. بنابراین اگر قصد طیف‌گیری در ناحیه مادون قرمز وجود داشته باشد، معمولا توری‌های رولد انتخاب مناسب‌تری هستند.

در این توری‌ها طول‌موج‌های مختلف بعد از پراکندگی هم‌پوشانی دارند (شکل ۳). برای رفع این مشکل از توری‌های مقعر استفاده می‌‌کنند.

آشکارساز

آشکارساز نوری دستگاهی است که انرژی نوری را جذب کرده و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. در ساخت اسپکترومترها از آشکارسازهای CCD‌ استفاده می‌شود. این ابزارها از جنس سیلیکون ساخته می‌شوند. CCDها بر اساس اثر فوتوالکتریک کار می کنند. به این صورت که فوتون‌ها با سطح صفحه سیلیکونی برخورد می‌کنند. از این طریق الکترون آزاد می شود. برای جمع کردن بارهای آزاد شده، خازن‌های ویفری به این صفحات سیلیکونی متصل می‌شود. نور ورودی توسط شاتر کنترل می‌گردد. با باز شدن شاتر، نور بر سطح سیلیکونی می‌تابد. تا زمانی که شاتر باز است الکترون‌های بیشتری از سطح سیلیکون آزاد می‌شوند. با بسته شدن شاتر این فرایند خاتمه می‌یابد. ولتاژ خازن نشان دهنده تعداد الکترو‌هایی است که توسط خازن جمع گردیده‌اند. این اطلاعات در مراحل بعدی به کامپیوتر منتقل می‌شوند. کل این فرایند در یک پیکسل رخ می‌دهد. CCDها از هزاران پیکسل به صورت آرایه ای تشکیل شده اند. این آشکارسازها برای اندازه‌گیری نورهای کم شدت بسیار مناسب هستند.

تا این قسمت اجزای سازنده اسپکترومتر را بررسی کردیم. در بخش بعدی به اساس کار اسپکترومتر می‌پردازیم.

اساس کار اسپکترومتر

اسپکترومتر برای تجزیه و تحلیل نور مورد استفاده قرار می‌گیرد. نوری که وارد اسپکترومتر می‌شود ممکن است نور ناشی از یک منبع نور باشد. علاوه بر آن به وسیله این دستگاه می‌توان میزان نور جذبی یا عبوری از یک محلول را نیز اندازه‌گیری کرد. به طور کلی هر طیف نور توسط طیف سنج به اجزای تشکیل دهنده خود تجزیه می‌شود. اساس کار این دستگاه به این شکل است که نور از طریق شکاف وارد اسپکترومتر می‌شود. سپس نور توسط آینه مقعر به سمت یک عنصر پراکنده هدایت می‌شود. توری، اجزای طیفی نور را در زاویه‌های متفاوتی پراکنده می‌کند. بعد از آن نور پراکنده شده توسط آینه مقعر دوم بر روی آشکارساز متمرکز می‌شود. در آشکارساز، فوتون‌ها به الکترون‌ تبدیل شده و طی فرآیندی این الکترون‌ها به صورت کدهای دیجیتالی نمایان می‌گردند. در نهایت داده‌ها به عنوان تابعی از طول موج در محدوده طیفی مشخص رسم می‌شوند.

انواع اسپکترومترها در مدل‌های مختلفی به بازار عرضه می‌شوند. اسپکترومتر برای کاربردهای عمومی، اسپکترومتر خنک سازی شده (کولد یا cooled)، اسپکترومتر تریگ دار و اسپکترومتر با قدرت تفکیک بالا از پرکاربردترین طیف سنج ‌ها هستند. تکسان اولین و تنها شرکت ایرانی است که ۱۶ مدل مختلف اسپکترومتر را تولید می‌کند.

جمع‌بندی

اسپکترومتر نور ورودی به دستگاه را مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌دهد. طیف ‌سنج شامل چهار جز‌ اصلی است که این المان‌ها عبارتند از: شکاف، المان‌های اپتیکی، المان پاشنده و آشکارساز. نور ابتدا از طریق شکاف وارد اسپکترومتر می‌شود. شکاف، نور ورودی و وضوح طیفی را کنترل می‌کند. سپس نور توسط آینه مقعر به سمت توری هدایت می‌شود. توری هولوگرافی، نور را به اجزای سازنده‌اش تجزیه می‌کند. معمولا در ساخت اسپکترومتر از توری‌های رولد استفاده نمی‌شود. زیرا نور سرگردان زیادی به سیستم وارد می‌کند. پس از آن نور توسط آینه مقعر دوم و لنزها روی آشکارساز متمرکز می‌شود. آشکارساز، انرژی نور را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. سپس طی فرایندی طیف در صفحه نمایشگر به عنوان تابعی از طول موج نشان داده می‌شود. اسپکترومترها در انواع گوناگونی تولید می‌شوند. با کلیک در این قسمت می‌توانید ویدئوی مربوط به این دستگاه را مشاهده کنید.