تكرنگ سازها (2)
تكرنگ ساز يك وسيلۀ نوري است كه براي تفكيك يك شعاع تابشي با درجۀ خلوص طيفي بالا در هر طول موج از طيف تابشي منبع پيوسته مورد استفاده قرار مي گيرد . اجزاي اصلي يك تكرنگ كننده، شكافها و عامل پخش كننده است.تشعشع حاصل از منبع بر روي شكاف ورودي متمركز شدهوسپس بوسيلۀ لنزها يا آينه ها موازي مي گردند، طوري كه شعاع موازي بر روي عامل پخش كننده كه منشور يا شبكۀ پراش است،تابانده مي شود .باچرخش مكانيكي منشور يا شبكه ،قسمتهاي مختلفي از طيف حاصل از عامل پخش كننده روي شكاف خروجي متمركز
مي شود و سپس با عبور از مسير نوري به نمونه برخورد مي كند . وقتي كه شعاع نور از مرز مشترك بين دو محيط مختلف از قبيل هوا و شيشه عبور مي كند ، خميدگي در شعاع نور اتفاق ميافتد كه شكست(1) ناميده ميشود. مقدار خميدگي ، به ضريب شكست شيشه بستگي دارد؛ اين ضريب شكست با طول موج نور تغيير مي كند؛ نور آبي بيشتر از نور قرمز شكسته مي شود
( چنانكه در شكل 1-3 ديده مي شود). نتيجۀ تغيير ضريب شكست با طول موج اين است كه منشور قادر است شعاع نور سفيد را به طيف آن كه از رنگهاي مختلفي تشكيل شده است، پخش كرده و بتوان آنها را بطور مجزا تشخيص داد. تشعشع مادون قرمز و ماوراء بنفش نيز به همان روش پخش مي شوند، ولي در مورد آنها كلمات نور و رنگ هر دو خاصيت قدرت پخش كنندگي و شفافيت در منطقۀ طول موج مورد نظر ، همراه با چند عامل ديگر در نظر گرفته شوند. اسپكتروفوتومترهايي كه عمدتا منطقۀ طيفي مرئي را تحت پوشش قرار مي دهند، داراي منشورهاي شيشه اي هستند در حالي كه دستگاههايي كه مناطق طيفي ماوراء بنفش و مادون قرمز نزديك و همچنين منطقۀ مرئي را پوشش مي دهند ، منشور كوارتزي دارنند . اسپكتروفوتومتر مادون قرمز معمولا داراي منشورهاي از نوع نمك كوهي ( كلريد سديم) هستند .
خلوص طيفي تشعشع خروجي از تكرنگ ساز بستگي به قدرت پخش كنندگي منشور و عرض شكاف خروجي دارد. شخص در اولين نگاه ممكن است در نظر بگيرد كه تكرنگي مي تواند به طور كامل توسط صرفا كاهش عرض شكاف به مقدار كافي حاصل شود ولي اين طور نيست . سر انجام شكاف آن قدر باريكتر مي شود كه اثرات پخش كنندگي در لبه هاي آن باعث كاهش توان تشعشع مي گردد و افزايش در خلوص طيفي مشاهده نمي شود ( اين حد پخش كنندگي راي لي(2) ناميده مي شود) ، در واقع قبل از اينكه اين حد در يك تك رنگ ساز فرا برسد، شكاف باريك انرژي كافي را براي فعال سازي دتكتور عبور نمي دهد . با تكرنگ ساز هاي از نوع منشور ، يك عرض شكاف مشخص ، درجۀ يكساني از تكرنگي را در سراسر طيف بدست نمي دهد ؛ وابستگي خاصيت پخش كنندگي منشور به طول موج طوري است كه طول موجها در يك طيف بطور يكنواخت پخش
نمي شوند. پراكنندگي براي طول موجهاي كوتاهتر بيشتر است ، بنابراين شكافهاي پنتر مي توانند براي دستيابي به همان درجۀ خلوص طيفي شكافهاي باريكتر در مورد طول موجهاي بلند تر مورد استفاده قرار گيرند.
شكل 1-4 شكل طرح گونه سيستم نوري اسپكتروفوتومتر تك شعاعي ويژه اي را با منشور كوارتزي نشان مي دهد. پشت منشور با يك سطح منعكس كننده فلزيپوشيده شده است طوري كه تشعشع دو بار از ميان عامل تفكيك كننده عبور ميكند؛ اين عمل نه تنها باعث افزايش پراكندگي مي شود ، بلكه يك آرايش هندسي مناسبتري است .
يه شبكه پراش ( انعكاسي ) توسط خط كشي روي سطح فلزي صيقلي از قبيل آلومينيم ساخته مي شود كه تعداد زيادي خطوط موازي رسم مي گردد. براي منطقۀ مادون قرمز حدود 1500 تا 2500 خط در اينچ وجود دارد ، براي مناطق ماوراء بنفش و مرئي حدود 15000 تا 30000 خط در اينچ در نظر گرفته مي شود . وقتي كه نور از اين سطح انعكاس داده مي شود نور برخورد كرده به قسمتهاي خط كشي شده توسط عمل پراكندگي پخش مي شود ؛ قسمتهاي خط كشي نشده نور را به طور منظم منعكس مي كنند . بنابراين قسمتهايخط كشي شده و خط كشي نشده به عنوان منابع نوري مجزا عمل مي كند ؛ همپوشاني موجهاي حاصل از اين منابع يك الگوي تداخل را تشكيل مي دهند كه نتيجۀ آن پراكندگي نور منعكس شده به طول موجهاي اجزا آن است .
ماشينهاي خط كشي خطوط بايد طوري ساخته شوند كه توانايي انجام حركات ريز را داشته باشند و شبكه هاي اوليۀ گرانقيمت هستند. شبكه هاي ارزانتر و مورد استفادۀ وسيعتر شبكه هاي المثني (1) هستند؛ تعداد زيادي از اين شبكه ها را
مي توان از يك شبكه اصلي تهيه كرد . شبكه اصلي با مواد پلاستيكي پوشش داداه مي شود و بعد از سخت شدن ، از آن جدا شده و كپي آن حاصل مي شود . پلاستيك توسط تبخير فيلمي از يه فلز معمولا آلومينيم بر روي طرف خط كشي شده داراي سطح انعكاسي مي شود.شبكه در تكرنگ ساز طوري نصب مي شود كه با چرخش آن قسمتهاي مختلفي از طيف شكاف خروجي را روشن مي كند.
شبكه ها در انجام عمل پخش يكنواخت در سراسر طيف با منشور ها تفاوت دارند به عبارت ديگر، يه پهناي شكاف منفرد درجه يكساني از تكرنگي نور خروجي را در سراسر طيف به دست مي دهد.
شكل 1-5 مسير نوري را در دستگاههايي نشان مي دهد كه به طور معمول از شبكه استفاده مي كنند.
چنانچه قبلا ذكر شد تشعشع خروجي از تكرنگ ساز كاملا تك رنگ نيست هر چند كه آن از منبع اوليه خيلي تكرنگتر است . توزيع طول موج تا اندازه اي در شكل 1-6 نشان داده شده است. عبارات به كار رفته در توصيف پهناي باند نشان داده شده در شكل كاملا استاندارد نيستند و غالبا كتابهاي راهنماي دستگاهها ، شكلهايي را براي پهناي باند (1) ذكر مي كنند بدون اينكه مفهوم آن را مشخص نمايند؛ عبارت ويژه اي كه به طور گسترده قابل درك است در شكل نشان داده شده است .
مشكلي كه در تكرنگ سازها هست ، نور سرگردان است يعني تشعشعي با طول موج نا مسخص كه از داخل تكرنگ ساز منعكس مي شود و مي تواند از شكاف خروجي خارج گردد . در دستگاههاي خوب اين عمر با استفاده از سطوح كاملا سياهرنگ و به وسيلۀ قرار دادن تيغه هايي در محلهاي مناسب كاهش داده مي شود ؛ مقدار نور هاي سرگردان در دستگاههاي خيلي ظريف متشكل از دو تكرنگ ساز (معمولا تلفيقي از منشور و شبكه ) به حد بي نهايت كمتري كاهش داده مي شود .
ممكن است با دستگاههاي معمولي قرائتهاي كاذب جذب به علت نور سرگردان در مناطق طيفي وابسته به طول موجهاي با انرژي خيلي كم ، به دست آيد . تا اين اواخر ، دستگاههاي بدون تكرنگ سازهاي واقعي بطور گسترده اي در اندازه گيريهاي جذب (عمدتا در منطقه مرئي ) در آزمايشگاههايي كه استطاعت كمتري داشتند و سادگي و سرعت مهمتر از كيفيت نتايج بود مورد استفاده قرار مي گرفتند . اين دستگاهها فيلتر فتومتر(2) ناميده مي شدند كه از صافيهاي شيشۀ رنگي براي تفكيك باند هاي طول موج نسبتا وسيع حاصل از منبع استفاده مي كردند .اين دستگاهها براي اكثر تجزيه هاي روتين به طور مناسبي عمل مي كردند ولي امروزه آنها توسط اسپكتروفوتومتر هاي شبكه اي ارزان قيمت جايگزين شده اند . .
1-1- الف – دستگاههاي تك شعاعي
اجزاي اساسي يك اسپكترو فوتومتر به طور شماتيك در شكل 1-1 ديده مي شود هر دو اسپكتروفوتومتر تك شعاعي و دو شعاعي و دستگاههايي كه در مناطق طيفي مختلف كار مي كنند، همۀ اين اجزاء اساسي را دارند، هرچند جزئيات در چندين حالت كاملا متفاوت هستند؛ بر اين اساس همۀ اين اجزا به اختصار مورد بحث قرار مي گيرند..
منابع نوري
منبع معمول انرژي براي منطقه ي مرئي طيف و همچنين مناطق مادون قرمز نزديك و ماوراء بنفش نزديك ، لامپ داراي فيلمان تنگستن است تحت شرايط عادي عملي ، خروجي اين لامپ تنگستن ز حدود 325 يا 350 نانو متر تا حدود mµ 3 مناسب است. انرژي نشر شده به وسيله ي فيلمان داغ به مقدار زيادي همان طور كه در شكل 1-2 نشان داده شده ، با طول موج تغير مي كند. توزيع انرژي تابع دماي فيلمان است كه آن نيز به نوبۀ خود به ولتاژ اعمال شده به لامپ وابسته است. بالا بردن دما، انرژي كل خروجي را افزايش داده و پيك شكل 1-2 را به طرف طول موجهاي كوتاهتري جابجا مي كند ( عملا از اين لامپ نمي توان براي بدست آوردن تشعشع در منطقۀ ماوراء بنفش بهره برداري كرد زيرا در دماهاي بالاتر عمر فيلمان لامپ كاهش مي يابد ). بنابراين ولتاژ لامپ بايد پايدار باشد به همين خاطر يك منبع تغذيۀ تنظيم شده در دستگاه نصب
مي شود. حرارت حاصل از لامپ تنگستن ممكن است باعث ايجاد مشكلاتي شود؛ غالبا محل لامپ توسط يك ژاكت آبي و يا با يك فن براي جلوگيري از گرم شدن نمونه و ساير اجزاء دستگاه خنك مي شود.
زير حدود nm 350 ، خروجي لامپ تنگستن براي اسپكتروفوتومترها نا مناسب است و منابع مختلف ديگري بايد مورد استفاده قرار گيرند معمولترين آنها لولهۀ تخليه هيدروژن ( يا دوتريم) است كه از حدود 175 تا 375 يا 400 نانومتر مورد استفاده قرار مي گيرد؛ وقتي كه تخليه اي بين دو الكترود صورت مي گيرد نشر حاصل توسط نمونۀ گاز از قبيل هيدروژن طيف خطي نا پيوسته اي را توليد مي كند كه نشان دهندۀ ويژگيهاي گاز است مشروط بر اينكه فشار نسبتا پايين باشد . چنانچه فشار هيدروژن افزايش يابد ، خطوط پهن ترشده و نهايتا همپوشاني مي كنند تا اينكه در فشارهاي نسبتا بالا طيف پيوسته نشر مي گردد. فشار لازم در لولؤ تخليه هيدروژن پايينتر از فشار برخي گاز هاي ديگر است. همچنين لوله سرد
مي گردد. معمولا محفظۀ لامپ از شيشه ساخته مي شود، ولي يك پنجره كوارتزي براي عبور تشعشع ماوراء بنفش در آن لامپ تعبيه شده است.
يك منبع تغذيۀ فشار قوي براي لوله هاي تخليه گازي شكل لازم است؛ برخي اسپكتروفتومترها طوري ساخته مي شوند كه منبع تخليۀ هيدروژن تنگستن قابل تعويض باشند تا همۀ مناطق مرئي و ماوراء منفش را كه دستگاه در آن محدوده كار
مي كند، پوشش دهند.
منابع نوري براي اسپكتروفتومترهاي مادون قرمز كه عموما در محدودۀ 2 تا 15 ميكرو متر كار مي كنند معمولا از نوع افروزه نرنست (1) است . اين منبع نوري يك ميلۀ كوچك سراميكي ساخته شده از مخلوط ويژه اي از اكسيد هاي فلزي همرا با اتصالات پلاتيني متصل به دو انتهاي آن است؛ ميله در دماي اتاق غير حادي است ولي وقتي حرارت داده مي شود هادي
مي گردد؛ بعد از آن عبور جريان آنرا به صورت افروخته نگهداشته كه ساطع كنندۀ تشعشع مادون قرمز است..
1- 1. اسپكتروفوتومتر دستگاهي براي تعين عبور و يا جذب يك نمونۀ آزمايشي به عنوان تابعي از طول موج است. همچنين اندازه گيري روي يكسري از نمونه ها در طول موج واحد مي تواند اجرا شود؛چنين دستگاههايي را مي توان به صورت دستگاههاي غير خودكار و ثبت كننده و يا به صورت تك شعاعي و دو شعاعي طبقه بندي كرد.درعمل دستگاههاي تك شعاعي معمولا به طور غير خودكار كار مي كنند. دستگاههاي دو شعاعي عموما به طور خودكار طيفهاي جذبي را رسم مي نمايند ولي ممكن است يك طيف با يك دستگاه تك شعاعي نيز ثبت بشود.يك طبقه بندي ديگر بر پايۀ منطقۀ طيفي است و از اسپكتروفوتومترهاي مادون قرمز و يا ماوراء بنفش و غيره صحبت به ميان مي آيد ..
