آشکارسازها در اسپکتروفتومتر زیرقرمز (FTIR)

دو نوع آشکارساز که در دستگاه های طیف سنج زیرقرمز استفاده می شوند، عبارتند از : (۱) آشکارسازهای فوتونی، مبتنی بر اثر رسانایی فوتونی برخی از نیمه هادی ها و (۲) آشکارسازهای حرارتی. در آشکارسازهای حرارتی، تابش زیرقرمز باعث ایجاد گرما و در نتیجه باعث برخی تغییرات فیزیکی مانند تغییر در مقاومت الکتریکی می شود. به طور کلی، آشکارسازهای فوتونی سریع تر و حساس تر از آشکارسازهای گرمایی هستند. اما عیب مهم آنها این است که در دامنه بسیار محدودی از طول موج ها عمل می کنند. زیرا انرژی فوتون باید به اندازه ای باشد،که بتواند الکترون ها را در نیمه هادی تحریک و از ترازهای پیوندی به ترازهای رسانایی منتقل کند. از طرف دیگر، آشکارسازهای گرمایی را می توان در محدودۀ وسیعی از طول موج ها استفاده کرد. در آشکارسازهای گرمایی فقط جذب فوتون لازم است و نیازی به نقل و انتقال الکترون در ترازهای کوانتومی نیست. به جز در نواحی زیرقرمز نزدیک (NIR) که در آن از سلول فوتوهدایتی مبتنی بر نیمه هادی ها استفاده می شود، دربیشتر نواحی زیرقرمز از آشکارسازهای گرمایی استفاده می شود. تعدادی از این آشکارسازها به طور مختصر در این قسمت شرح داده می شوند.

بلومترها: معمولاً یک بلومتر از لایه نازکی از هادی فلزی تشکیل شده است. وقتی تابش زیرقرمز به این آشکارساز برخورد کند، دمای آن تغییر می کند. چون مقاومت هادی فلزی با دما تغییر می کند، مقدار این تغییر به مقدار تابش برخورد کننده به بلومتر بستگی دارد. بلومتر یکی از بازوهای پل وتسون را تشکیل میدهد (شکل). در این پل، سه مورد از مقاومت های نشان داده شده مقاومت استاندارد هستند،که مقدار آن ها معلوم است و یکی مقاومت موجود در بلومتر است که پس از تعادل الکتریکی تعیین می شود. وقتی تابش زیر قرمز به بلومتر نمی رسد، پل در حالت تعادل است و درگالوانومتر جریانی مشاهده نمی شود. با برخورد تابش زیرقرمز به بلومتر، تعادل آن بهم می خورد و جریان در گالوانومتر (G) ایجاد می شود. مقدار جریان ایجاد شده به شدت تابش ورودی به بلومتر بستگی دارد. زمان پاسخ این آشکارساز میلی ثانیه است.

 

پل وتسون

 

ترموکوپل ها: یک ترموکوپل از جوش دادن دو سیم نیمه هادی با کارایی ترموالاستیک مختلف ساخته می شود. زمانی که محل اتصال این دو سیم در دمای مختلفی قرار بگیرد، بین دو محل اتصال یک اختلاف پتانسیل الکتریکی ایجاد می شود. در طیف سنج های زیر قرمز، یکی از اتصالات (که اتصال سرد نامیده می شود)، در دمای ثابت نگه داری شده و از برخورد تابش به آن جلوگیری می شود. اما اتصال دیگر (که اتصال گرم نامیده می شود)، در معرض تابش زیرقرمز قرار دارد و لذا دمای آن افزایش می یابد. اختلاف درجه حرارت بین این دو اتصال منجر به ایجاد اختلاف پتانسیل شده که به عنوان علامت تجزیه ای ثبت می شود. اغلب اوقات اتصالی که تابش به آن برخورد می کند، از جنس طلا یا پلاتین سیاه است که سیم های ظریفی شامل اتصال ترموالکتریک به آن لحیم شده است. به منظور جلوگیری از هر گونه افت انرژی، ترموکوپل درون محفظه ای از جنس استیل که دارای پنجره های NaCl یا KBr است، قرار داده می شود. زمان پاسخ این آشکارساز ۶ میلی ثانیه است.

ترمیستورها: ترمیستورها شامل مخلوط گداخته شده ای از اکسیدهای فلزی هستند،که ضریب گرمایی منفی از مقاومت الکتریکی نشان می دهند. این آشکارسازها نیز مانند آشکارسازهای بلومتر در مدار پل وتسون استفاده می شوند.

سلول گولی (Golay): این نوع آشکارساز در واقع یک دماسنج گازی حساس است و در تعداد زیادی از اسپکتروفتومترهای زیر قرمز تجارتی استفاده شده است. این آشکارساز از یک استوانه کوچک فلزی ساخته می شود که یک انتهای آن با یک صفحۀ فلزی ثابت بسته شده است و در انتهای دیگر آن یک دیافراگم فلزی انعطاف پذیر قرار دارد. در وسط صفحه فلزی ثابت پنجره ای از جنس KBr برای ورود تابش تعبیه می شود. درون این استوانه گاز زنون پر و درزگیری شده است. با ورود تابش زیرقرمز به درون این استوانه و برخورد آن به مولکول های گاز، انبساط گاز و در نتیجه افزایش حجم اتفاق می افتد که این اختلاف به عنوان علامت تجزیه ای ثبت می شود. این آشکارساز به آشکارساز پنوماتیک نیز معروف است.

آشکارسازهای گرماالکتریکی: یکی از جدیدترین آشکارسازهای طیف سنجی زیرقرمز که ساخت آنها در سالهای اخیر پیشرفت کرده است، آشکارسازهای گرما الکتریکی یا پیروالکتریک هستند. در این آشکارسازها از بلورهایی مانند تری گلیسین سولفات (TGS)، تری گلیسین سولفات دوتریم دار (DTGS)، لیتیم تانتالات و برخی مواد دیگر استفاده می شود. این بلورها، در طول محور حاصل از همراستایی گشتاورهای دوقطبی الکتریکی، قطبش الکتریکی درونی از خود نشان می دهند. در نتیجه، تغییرات در آرایش شبکه ای بلور که در اثر جذب تابش زیرقرمز ایجاد می شود، باعث تغییر در قطبش الکتریکی آنها می شود. اگر این بلور بین دو الکترود قرار داده شود، در مدار متصل کنندۀ دو الکترود، جریان الکتریکی به وجود می آید تا توازن توزیع بار الکتریکی مجدداً برقرار شود. آشکارسازهای گرما الکتریکی زمان پاسخ بسیار سریعی دارند و لذا در اسپکتروفتومترهای زیرقرمز تبدیل فوریه (FTIR) کاربرد زیادی دارند.

سلول فوتوهدایتی: این آشکارسازها، شامل لایه نازکی از یک نیمه هادی مانند سرب سولفید، سرب تلورید، ایندیم آنتیمونید و ژرمانیم آنتیمونید آغشته شده به مس یا جیوه است،که بر روی یک شیشۀ نارسانا پوشش داده شده و برای محافظت از هوا، در داخل یک محفظه قرار داده شده است. جذب فوتون با انرژی کافی توسط نیمه هادی باعث انتقال بعضی از الکترونها از تراز ظرفیت به تراز رسانا شده و در نتیجه مقاومت آن کاهش می یابد. این آشکارسازها نقطه توقف معینی در زیر قرمز دور (FIR) دارند. برای مثال، آشکارساز سرب سولفید به پرتوهایی با عددموج ۲۰۰۰ – ۱۰۰۰۰ cm-1 (طول موج ۱ الی μm3) حساس است و زمان پاسخ آن ۱۰میکروثانیه است.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.