Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Sunum yükleniyor. Lütfen bekleyiniz

Bölüm 3 Optik cihazların bileşenleri. I.Optik cihazların genel tasarımları 1.Absorbsiyon 2. Floresans, 3. Fosforesans, 4. Saçılma 5. Emisyon, 6. Kemilüminesans.

Benzer bir sunumlar


... konulu sunumlar: "Bölüm 3 Optik cihazların bileşenleri. I.Optik cihazların genel tasarımları 1.Absorbsiyon 2. Floresans, 3. Fosforesans, 4. Saçılma 5. Emisyon, 6. Kemilüminesans."— Sunum transkripti:

1 Bölüm 3 Optik cihazların bileşenleri

2 I.Optik cihazların genel tasarımları 1.Absorbsiyon 2. Floresans, 3. Fosforesans, 4. Saçılma 5. Emisyon, 6. Kemilüminesans Optik spektroskopik yöntemler, altı olaya dayanır.

3 Optik cihazların bileşenleri 1)Kaynak –Radyasyon kaynağı yeterli güce sahip olmalı ve kolayca dedekte edilebilmelidir. 5. olayda numune kabı ışın kaynağıdır (bir ark ya da alev). 6. olayda ise numuneden reaksiyon sonucu çıkan enerji ölçülür. 2)Numune kısmı – İhtiyaca göre hücreler, küvetler, katı numune tutucuları vs. Kullanılır. 3)Dalga boyu seçici -Monokromatörler, prizmalar, filtreler vs. 4)Fotoelektrik transduser (Dedektör) – Radyasyon enerjisini kullanılabilir bir enerjiye (genellikle elektrik enerjisi) dönüştürür. 5)Sinyal işlemci – Sinyal yükseltme işlemi yapar.

4 Optik materyaller, kaynaklar ve dedektörlerin seçimi Optik cihaz bileşenleri, kaynaklar ve dedektörler kullanışlı oldukları spektral bant aralığına ve performans karakteristiklerine göre seçilir.Optik cihaz bileşenleri, kaynaklar ve dedektörler kullanışlı oldukları spektral bant aralığına ve performans karakteristiklerine göre seçilir.

5 1. RADYASYON KAYNAKLARI İki çeşittir A.Sürekli kaynaklar –Yaydığı ışınların şiddeti dalga boyu ile çok az değişen kaynaklardır. Genel olarak UV, görünür bölge, IR ve floresans cihazlarında kullanılırGenel olarak UV, görünür bölge, IR ve floresans cihazlarında kullanılır Döteryum lambası en genel UV kaynağıdır.Döteryum lambası en genel UV kaynağıdır. Tungsten lamba en genel görünür bölge kaynağıdırTungsten lamba en genel görünür bölge kaynağıdır Isıtılınca ışık saçan inert katılar genel IR kaynaklarıdırIsıtılınca ışık saçan inert katılar genel IR kaynaklarıdır Yüksek basınçta gaz (argon, xenon, civa) ile doldurulmuş lambalar ve lazerler şiddetli ışın kaynağına ihtiyaç duyulduğunda (floresans) kullanılırYüksek basınçta gaz (argon, xenon, civa) ile doldurulmuş lambalar ve lazerler şiddetli ışın kaynağına ihtiyaç duyulduğunda (floresans) kullanılır

6 B. Çizgi Kaynaklar -Çok dar dalga boyu aralığında emisyon yapan kaynaklardır. Atomik absorpsiyon spektroskopisi, atomik ve moleküler floresans spektroskopisi ve Raman spektroskopisi’nde kullanılırAtomik absorpsiyon spektroskopisi, atomik ve moleküler floresans spektroskopisi ve Raman spektroskopisi’nde kullanılır Genel olarak EM spektrumun UV ve görünür bölgesinde radyasyon sağlar.Genel olarak EM spektrumun UV ve görünür bölgesinde radyasyon sağlar. Çizgi kaynaklarına örnekÇizgi kaynaklarına örnek 1)Hollow (Oyuk) katot lambaları 2)Lazerler -Light amplification by stimulated emission of radiation () 2)Lazerler -Light amplification by stimulated emission of radiation (Radyasyonun uyarılmış emisyonu ile ışığın güçlendirilmesi)

7 LAZER LAZER ( L ight A mplification by S timulated E mission of R adiation) Lazerin Özellikleri: Çok dar dalga boyu aralığına sahiptirler ki bu özellik rezülüsyonu artırır Çok dar dalga boyu aralığına sahiptirler ki bu özellik rezülüsyonu artırır Yüksek radyasyon şiddeti sağlarlar Yüksek radyasyon şiddeti sağlarlar Işık demeti aynı düzlemde ilerleyen ve aynı dalga boyuna sahip ışınlardan oluştuğu için girişim ile güç kaybı söz konusu değildir. Işık demeti aynı düzlemde ilerleyen ve aynı dalga boyuna sahip ışınlardan oluştuğu için girişim ile güç kaybı söz konusu değildir.

8 Lazerin Kullanım alanları: s ömür aralığındaki kinetik olayların incelenmesinde s ömür aralığındaki kinetik olayların incelenmesinde Atmosferdeki çok düşük konsantrasyondaki türlerin tayininde Atmosferdeki çok düşük konsantrasyondaki türlerin tayininde İzotopik seçici reaksiyonlarla ilgili çalışmalarda İzotopik seçici reaksiyonlarla ilgili çalışmalarda Raman spektroskopisinde Raman spektroskopisinde Moleküler absorbsiyon spektroskopisinde Moleküler absorbsiyon spektroskopisinde Emisyon spektroskopisinde Emisyon spektroskopisinde FT-IR spektroskopisinde FT-IR spektroskopisinde önemli bir yere sahiptirler

9 Lazerin Bileşenleri: Lazer oluşturan madde (GaAs, organik boya veya Ar gazı) dış kaynaktan gelen elektrik akımı veya radyasyona maruz bırakıldığında aynı enerjiye sahip foton seli elde edilir. Aynalarla paralel fotonlar çoğaltılır. Yarı geçirgen aynayla da paralel ışınlar ortamdan çıkar.

10 Lazer olayında dört süreç (proses) mevcuttur: 1.Pompalama (elektriksel, ışın ya da kim. enerji ile uyarma) 2.Kendiliğinden emisyon 3.Uyarılmış emisyon 4.Absorpsiyon

11 Atom Kırmızı küre: atom çekirdeği Mor küre: elektron Mavi daireler: orbitaller Sarı daire: geçerli orbital

12 1.Pompalama: Lazerdeki foton yayınlayıcı aktif türün bir elektrik akımı veya şiddetli bir ışın kaynağına maruz bırakılması sonucu uyarılmasıdır. Uyarma ile uyarılmış titreşim ve uyarılmış elektronik enerji seviyelerindeki türlerin sayısı artar. Ancak uyarılmış titreşim enerji seviyelerinin ömrü oldukça kısa olur. Diğerine göre daha uzun ömürlü olan (1 ms veya daha büyük) uyarılmış elektronik enerji seviyelerine ise yarı kararlı düzeyler denir.

13 2. Kendiliğinden Emisyon Uyarılmış elektronik enerji seviyelerindeki türler, fazla enerjilerini ışıma yaparak temel hale kendiliğinden durulurlar. Işımanın dalga boyu uyarılmış enerji seviyesi ile temel hal enerji seviyesi arasındaki fark (E y -E x ) kadar olur. Üretilen ışın, türün bir molekülünden diğerine yön ve faz bakımından farklılık gösterir (Uyumlu olmayan radyasyon).

14 Kendiliğinden emisyon

15 3. Uyarılmış Emisyon Pompalama sistemi sayesinde üretilen fotonlar, aynı enerjili (E y -E x ) kendiliğinden emisyon fotonlarıyla çarpıştırılır. Böylece uyarılmış türler temel hale dönerlerken, çarpan fotonlarla eş enerjili, aynı faz ve aynı yönde fotonlar yayarlar (Uyumlu radyasyon).

16 Uyarılmış emisyon

17 4. Absorpsiyon İlk pompalamadaki absorpsiyon süreci aynı anda uyarılmış emisyon fotonlarının absorpsiyonuyla yarış halinde devam eder. Lazerde ışığın yükseltilmesi için, uyarılmış emisyon ile oluşan foton sayısının, absorpsiyonda tüketilen foton sayısından büyük olması gerekir. Bu şart uyarılmış durumda bulunan tanecik sayısının, düşük enerjili seviyede bulunanlardan daha büyük sayıda olması halinde sağlanacaktır.

18 LAZER LAZER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

19

20 Yükseltme (Amplifikasyon) Lazer ışını elde edilebilmesi için uyarılmış emisyon ile oluşan foton sayısının absorpsiyon sonucu tüketilen foton sayısından fazla olması gerekir. Bu da pompalama ile sağlanabilmektedir.

21 3 ve 4 seviyeli lazerler Farklı uyarma seviyelerine sahip maddeler kullanarak absorpsiyon ile emisyonun (lazerin) farklı dalga boylarında olması sağlandığında uyarma emisyonunun absorpsiyonu engellenerek lazer güçlendirilebilir (foton sayısı artırılabilir).

22 Katı hal lazerleri: Katı hal lazerleri: 1.Aktif lazer ortamının yakut (Al 2 O 3 + % 0.05 Cr(III)) olduğu lazerler. λ=694.3 nm 2.Nd:YAG Lazerleri: Itriyum, Alüminyum ve lal taşı (garnet) ana kristalinde Neodimiyum iyonları içerir. λ=1064 nm’de keskin çizgiler verir. Gaz LazerlerGaz Lazerler 1.He/Ne nötral atom lazerleri: Çok düşük maliyet ve bakım masrafları, büyük güvenilirlik ve düşük güç tüketimi sağlar. En önemli çıkış çizgisi: nm 2.Ar +, Kr + iyon lazerleri: Yeşil (514.5 nm), mavi (488 nm)’de keskin çizgiler verir. Dört seviyeli düzeneklerdir. Floresans ve Raman spektroskopisinde ışın kaynağı olarak kullanılırlar. 3.N 2 lazerler: nm’de keskin bir çizgi verirler. Bu çizgi birçok molekülün floresans uyarılmasında ve boya lazerlerin pompalanmasında kullanılır. 4.CO 2 lazerler: 10.6  m’deki monokromatik IR ışınlarının elde edilmesinde kullanılır. 5.Ekzimer lazerler: He ve F ile Ar, Kr veya Xe gazlarından birinin karışımını içerir. Bu iyonlar sadece uyarılmış hallerde kararlı olduğu için ekzimer olarak anılırlar. XeF: 351 nm, KrF: 248 nm, ArF: 193 nm

23 Boyar madde lazerleri: Boyar madde lazerleri: nm’lik belli bir aralıkta sürekli ayarlanabilirler. Boyar madde lazerlerindeki aktif maddeler UV, görünür bölge veya IR bölgesinde floresans yapan organik bileşiklerin çözeltileridir. Bunlar 4 seviyeli sistemlerdir nm’lik belli bir aralıkta sürekli ayarlanabilirler. Boyar madde lazerlerindeki aktif maddeler UV, görünür bölge veya IR bölgesinde floresans yapan organik bileşiklerin çözeltileridir. Bunlar 4 seviyeli sistemlerdir. Yarıiletken diyot lazerlerYarıiletken diyot lazerler Kullanılan yarıiletkenin bandgap (enerji uçurumu) enerjisine uygun saçılan fotonlar sayesinde pompalama yapılır. Örneğin; GaAs, Eg: 660 nm dalga boylu ışınlar yayınlar. Kullanılan yarıiletkenin bandgap (enerji uçurumu) enerjisine uygun saçılan fotonlar sayesinde pompalama yapılır. Örneğin; GaAs, Eg: 660 nm dalga boylu ışınlar yayınlar.

24 2. NUMUNE KISMI Spektroskopik yönteme göre çeşitli numune tutucular kullanılır.

25 3. DALGABOYU SEÇİCİLERİ Spektroskopik analizlerin çoğunda bant adı verilen ve dar, sürekli dalga boyu gösteren ışınlara ihtiyaç duyulur. Dalga boyu seçicisinden çıkan ışınların tek dalga boylu frekanslı olması ideal olarak beklenir. Fakat bunu hiçbir dalga boyu seçisi yerine getirmez genellikle bir bant oluştururlar. Dalga boyu seçiciler iki çeşittir 1.Filtreler; a) Girişim filtreleri: Spektrumun UV, görünür ve IR bölgesinde kullanılabilirler. Çok dar ışın bantları optik girişimle elde edilir. Filtreden geçen ışınların dalga boyu (bant aralığı) dielektrik tabakanın kalınlığına bağlı olarak değişir. Diğer ışınlar cam tabakalar tarafından absorbe edilir. Beyaz ışın Dar ışın bandı Cam tabaka Yarı geçirgen metal film Geçirgen yalıtkan (dielektrik) tabaka Geçirgen yalıtkan (dielektrik) tabaka

26 b) Absorpsiyon filtreleri: Bu filtreler spektrumun görünür bölgesini absorplarken diğer bölgelerinde değişik bant aralıklarında (dalga boylarında) geçirgenlik sağlarlar. 2. Monokromatörler. Bir çok yöntemde ışınların dalga boyunun sürekli değiştirilmesi (spektral tarama) gerekir. Monokromatörler spektral taramayı yapılarında bulunan 5 bileşenle gerçekleştirirler. 1. Dikdörtgen optik görüntü temin eden giriş sliti 2. Paralel ışın demeti oluşturan toplayıcı mercek veya ayna 3. Işınları dalga boyu bileşenlerine ayıran prizma veya optik ağ 4. Giriş slitinin görüntüsünü düzenleyen ve odak düzlemi adı verilen yüzeye odaklayan bir odaklama elemanı 5. Odak düzlemi üzerinde bulunan ve istenilen spektral bantları ayıran çıkış sliti.

27 4. RADYASYON TRANSDUSERLERİ (DEDEKTÖRLER) Spektroskopik cihazlarda ilk kullanılan dedektörler insanların gözlemleri, fotoğraf plakaları ve filmlerdi. Modern cihazlar ise rasyasyonu, elektrik sinyaline çeviren dedektörlere sahiptir. Modern cihazlar ise rasyasyonu, elektrik sinyaline çeviren dedektörlere sahiptir.

28 a.Yüksek seçicilik b.Yüksek S/N oranı c.Çok geniş dalga boyu aralığındaki radyasyona sabit cevap verebilme d. Süratli algılama İdeal bir dedektörde bulunması gereken özellikler

29 a.Foton dedektörleri EM radyasyonu absorplayan aktif bir yüzeye sahiptirler b.Termal dedektörler Radyasyondan kaynaklanan ısıyı ölçerler. Genellikle IR spektroskopisinde kullanılırlar Radyasyon Transduser Çeşitleri Genel olarak iki çeşit radyasyon transduseri vardır.

30 Çeşitli foton dedektörleri mevcuttur Çeşitli foton dedektörleri mevcuttur 1.Vakum fototüpler 2.Fotoçoğaltıcı tüpler 3.Fotovoltaik hücreler 4.Silikon fotodiyotlar 5.Fotodiyot serileri 6.Fotoiletkenlik transduserleri A. Foton dedektörleri

31 Saydam bir tüp içinde yarı silindirik katot ve tel şeklinde anot vardır.Saydam bir tüp içinde yarı silindirik katot ve tel şeklinde anot vardır. 1.Vakum fototüpler Katot GaAs gibi foton yayınlayıcı bir materyalle kaplıdır. Katoda çarpan fotonlar elektron yayarlar.Katot GaAs gibi foton yayınlayıcı bir materyalle kaplıdır. Katoda çarpan fotonlar elektron yayarlar. Katot ve anot arasına potansiyel fark uygulanarak, elektronların katottan anoda doğru akışı sağlanır ve sonuçta fotoakım oluşurKatot ve anot arasına potansiyel fark uygulanarak, elektronların katottan anoda doğru akışı sağlanır ve sonuçta fotoakım oluşur Fotoakım amplifiye edilip okuyucuya gönderilirFotoakım amplifiye edilip okuyucuya gönderilir Ultraviyole radyasyona karşı oldukça duyarlıdırlarUltraviyole radyasyona karşı oldukça duyarlıdırlar

32 Vakum fototüplerin prensibi ile çalışırVakum fototüplerin prensibi ile çalışır 2.Fotoçoğaltıcı tüpler (PMT) Düşük radyasyonu dedekte etmede çok kullanışlıdırlarDüşük radyasyonu dedekte etmede çok kullanışlıdırlar Her bir dinod foton başına birçok elektron yayınlar ve son olarak çoğaltılmış elektronlar anoda ulaşırHer bir dinod foton başına birçok elektron yayınlar ve son olarak çoğaltılmış elektronlar anoda ulaşır Radyasyona ait bir foton elektron şeklinde anota ulaşırRadyasyona ait bir foton elektron şeklinde anota ulaşır Dinod (katoda göre 90 V daha pozitif) adı verilen ve her biri elektron çoğaltan çoklu (9 adet) elektrot sistemi vardırDinod (katoda göre 90 V daha pozitif) adı verilen ve her biri elektron çoğaltan çoklu (9 adet) elektrot sistemi vardır

33 Görünür bölgedeki ışınların saptanmasında kullanılan basit düzeneklerdir. Üzeri Se gibi yarıiletken bir madde ile kaplanmış düz bir bakır veya demir elektrot içerir. Se’nin üzeri ise ince geçirgen gümüş tabakasıyla kaplıdır.Görünür bölgedeki ışınların saptanmasında kullanılan basit düzeneklerdir. Üzeri Se gibi yarıiletken bir madde ile kaplanmış düz bir bakır veya demir elektrot içerir. Se’nin üzeri ise ince geçirgen gümüş tabakasıyla kaplıdır. 3.Fotovoltaik hücreler Elektronlar gümüşe ve boşluklar ise Se’den demire doğru akar. Dış devrede serbest kalan elektronların oluşturduğu akım EM radyasyonla orantılıdır.Elektronlar gümüşe ve boşluklar ise Se’den demire doğru akar. Dış devrede serbest kalan elektronların oluşturduğu akım EM radyasyonla orantılıdır. Maksimum seçiciliği 550 nm’de gösterirlerMaksimum seçiciliği 550 nm’de gösterirler Yeterli EM radyasyon yarıiletkene ulaşınca elektronlar ve boşluklar oluşarak iletkenlik gerçekleşir.Yeterli EM radyasyon yarıiletkene ulaşınca elektronlar ve boşluklar oluşarak iletkenlik gerçekleşir. Ucuz ve basit bir sistemidir. Rutin analizler ya da taşınabilen cihazlar için uygundur.Ucuz ve basit bir sistemidir. Rutin analizler ya da taşınabilen cihazlar için uygundur. Düşük ışın şiddetlerinde devrede oluşan düşük iç direnç nedeniyle duyarlılıkları iyi değildir.Düşük ışın şiddetlerinde devrede oluşan düşük iç direnç nedeniyle duyarlılıkları iyi değildir.

34 Silisyum çip üzerinde ters pn bağlantısı içerir.Silisyum çip üzerinde ters pn bağlantısı içerir. 4.Silisyum fotodiyotlar Ters bağlantı elektron kıtlığı oluşturur. Bağlantının iletkenliği ~ 0 olur.Ters bağlantı elektron kıtlığı oluşturur. Bağlantının iletkenliği ~ 0 olur. Radyasyon çip üzerine çarptığında n’de elektron ve p’de boşluklar oluşup, EM radyasyon ile orantılı elektrik akımı meydana gelir.Radyasyon çip üzerine çarptığında n’de elektron ve p’de boşluklar oluşup, EM radyasyon ile orantılı elektrik akımı meydana gelir. Vakum fototüplerden daha hassas olup, foton çoğaltıcı tüplerden daha az hassastır. Ölçüm aralığı nm arasıdır.Vakum fototüplerden daha hassas olup, foton çoğaltıcı tüplerden daha az hassastır. Ölçüm aralığı nm arasıdır.

35 Fotodiyot serisinde fotoduyarlı elemanların her biri küçük silisyum fotodiyotlar olup her biri ters yönlenmiş pn bağlantılardır.Fotodiyot serisinde fotoduyarlı elemanların her biri küçük silisyum fotodiyotlar olup her biri ters yönlenmiş pn bağlantılardır. 5.Fotodiyot Serileri Fotodiyotların her biri tek bir silisyum çip üzerindeki büyük bir entegre devrenin parçalarıdır.Fotodiyotların her biri tek bir silisyum çip üzerindeki büyük bir entegre devrenin parçalarıdır. Bir çip üzerindeki tranduser elemanı sayısı 64 ile 4096 arası olup en çok kullanılanı 1024 dürBir çip üzerindeki tranduser elemanı sayısı 64 ile 4096 arası olup en çok kullanılanı 1024 dür

36 6.Fotoiletkenlik transduserleri Yakın IR bölgedeki (  m) ışınların taranmasında kullanılan en duyarlı transduserler bu bölgedeki ışınları absorpladığında direnci düşen yarıiletkenlerdir. Yakın IR bölgedeki (  m) ışınların taranmasında kullanılan en duyarlı transduserler bu bölgedeki ışınları absorpladığında direnci düşen yarıiletkenlerdir. Kristal yapılı yarıiletkenler Pb, Cd, Ga, ve In’un S, Se ve Sb tuzlarından yapılabilmektedir. Kristal yapılı yarıiletkenler Pb, Cd, Ga, ve In’un S, Se ve Sb tuzlarından yapılabilmektedir. Bu tür yarıiletkenler ışınları absorblayınca değerlik bandı elektronları iletkenlik bandına geçerek elektrik akımı oluştururlar. Bu tür yarıiletkenler ışınları absorblayınca değerlik bandı elektronları iletkenlik bandına geçerek elektrik akımı oluştururlar. Oda sıcaklığında kullanılabilmesi nedeniyle en fazla kullanılan fotoiletkenlik transduseri PbS‘dir (0,8-3,0  m veya cm -1 ). Oda sıcaklığında kullanılabilmesi nedeniyle en fazla kullanılan fotoiletkenlik transduseri PbS‘dir (0,8-3,0  m veya cm -1 ).

37 Üç çeşit termal dedektör vardırÜç çeşit termal dedektör vardır 1.Termoçiftler 2.Bolometreler 3.Piroelektrik transduserler B. Termal Dedektörler Normal bir foton transduseri IR bölgede fotonların fotoemisyonuna yetecek enerjide değildir. Bu yüzden özellikle IR spektroskopisinde termal dedektörler kullanılır. Termal transduserde ışınlar küçük bir siyah cisim üzerine düşürülerek absorplanır, bu esnada oluşan sıcaklık artışı ölçülür (binde bir K düzeyindeki sıcaklıklar ölçülebilir).

38 1.Termoçiftler -Farklı iki metalin birbirine kaynatılması ile oluşur. Metaller siyaha boyanır. Bu iki metal arasında oluşan potansiyel, sıcaklık farkıyla değişim gösterir. İyi tasarlanmış bir termoçift K’lik bir sıcaklık farkını ölçebilecek yetenektedir. Cevaplama süreleri düşük olduğu için eski tip IR cihazlarında kullanılmakta olup, FT-IR cihazlarında kullanılmazlar. Cevaplama süreleri düşük olduğu için eski tip IR cihazlarında kullanılmakta olup, FT-IR cihazlarında kullanılmazlar. Metal 2 Metal 1 T referans T ölçülen ∆V

39 2.Bolometreler-Bir tür direnç termometresi olup, siyaha boyanmış Pt veya Ni gibi metal şeritlerden veya yarıiletkenlerden oluşmuştur. Dirençleri sıcaklıkla değişim gösterir. Bolometreler orta IR bölgesinde diğer IR transduserler gibi yaygın kullanılmazlar. Germanyum bolometresi 1,5 K’de cm -1 (  m) aralığındaki ışınlar için ideal bir transduser özelliği gösterir.

40 3.Piroelektrik Transduserler –Tek kristal yapılı piroelektrik malzemelerden oluşan ince tabakalar olup, özel termal ve yalıtkan (dielektrik, triglisin sülfat, (NH 2 CH 2 COOH) 3 ) maddelerdir. Bunlarla sıcaklığa bağlı bir kapasitör oluşturulur. IR ışınlarla kapasitörün sıcaklığı değiştiğinde kristal boyunca yük dağılımı değişir ki, bu da akım olarak ölçülür. Bir interferometreden alınan zaman-bağımlı sinyaldeki değişimlerin izlenmesine izin verecek kadar hızlı cevap süreleri gösterdiklerinden FT-IR cihazlarında yaygın olarak kullanılırlar.

41 5. SİNYAL İŞLEMCİLER Sinyal işlemcisi basitçe tanımlanırsa, alınan elektrik sinyalini yükselten özel bir düzenektir. Ayrıca sinyali doğru akımdan alternatif akıma (veya tersine) çevirebilir, sinyalin faz değişimini sağlayabilir ve sinyaldeki istenmeyen bileşenleri uzaklaştırabilir.

42 OPTİK CİHAZLARIN TİPLERİ Spektroskop, atomik emisyon çizgilerinin göz ile belirlenmesini sağlayan optik bir cihazdır. Fotometri, görünür, UV ve IR bölgelerdeki absorpsiyon, ve görünür ve UV bölgelerdeki emisyon ve floresans ölçen cihazdır. Spektrometre, ışın şiddetini dalga boyu veya frekans şeklinde belirleyen aletlere denir. Spektrofotometre, tek bir çeşit spektrometredir. Yukarıda anlatılan cihazlarda ışınların izolasyonunda filtre veya monokromatörler kullanılmaktadır. Ancak IR, NMR gibi cihazlarda radyasyonun zayıflığını monokromatör gibi optik elemanların düşürme ihtimaline karşın analitle etkileşen ışınların aynı anda dedektöre gitmesi gerekmektedir. Bu amaçla söz konusu cihazlarda Fourier dönüşüm (FT) sağlanarak bu durumun önüne geçilir.

43 FOURİER DÖNÜŞÜM Fourier dönüşümlü (transformlu) cihazların geleneksel cihazlara olan üstünlükleri 1.Daha az optik eleman içerdiğinden ve ışığın geçtiği aralıklar olmadığından, radyasyon şiddetinde azalma olmaz. Böylece daha büyük S/N elde edilir. 2. Yüksek dalga boyu seçiciliği ve tekrarlanabilirliğine sahiptirler. 3. Analitle etkileşen tüm ışınlar dedektöre aynı anda ulaşır (Çözünürlük ve zaman).

44 FOURİER TRANSFORM Bir spektrumun kalitesi rezülüsyon elementi (m) veya ayırma elemanı denilen dalga boyu veya frekans aralığı sayısına bağlıdır. Rezülüsyon elemanı ne kadar büyükse spektrum o kadar fazla bilgi ihtiva eder. Rezülüsyon elemanının artması demek spektrum alınması için daha fazla zaman demektir. Örneğin; 500 ile 5000 cm -1 aralığında 3,0 cm -1 frekans aralığında IR spektrumu alınmak istenirse, m=( )/3=1500 olur. Her bir ayırma elemanı için harcanan sürenin 0,5 saniye olduğunu varsayalım. O halde bir tane spektrumun tamamını almak için geçecek süre 0,5 saniye x 1500 = 750 saniye (12,5 dakika) olacaktır.

45 FOURİER TRANSFORM 3,0 cm -1 ’den daha küçük frekans aralığı kullansaydık bu süre daha da uzayacaktı. Büyük rezülüsyon elemanlı veya küçük frekans aralıklı spektrumlar Daha fazla bilgi içerir fakat spektrumun alınması uzun zaman alır. Daha fazla bilgi içerir fakat spektrumun alınması uzun zaman alır. Her bir dalga boyu tek tek dedektöre gitmesi gerektiğinden zaten enerjisi düşük olan IR ışınlarına bu işlem uygulandığında dedektöre çok düşük sinyaller ulaşır. Sinyal şiddeti küçüldüğü için S/N oranı da küçülür. Her bir dalga boyu tek tek dedektöre gitmesi gerektiğinden zaten enerjisi düşük olan IR ışınlarına bu işlem uygulandığında dedektöre çok düşük sinyaller ulaşır. Sinyal şiddeti küçüldüğü için S/N oranı da küçülür. S/N oranını iyileştirmek için ise sinyalin ortalaması (defalarca ölçüm) alınmalıdır.

46 FOURİER TRANSFORM S x =Ortalama sinyal, N x =Ortalama gürültü, n=ölçüm sayısı Spektrumda rezülüsyonu dolayısıyla S/N oranını artırmak için deneme sayısını artırmalıyız Örneğin; frekans aralığı 3,0 cm -1 olan spektrumda S/N oranını iki kat artırmak için 4 deneme yapılması gerekir. Bu da 12,5 dakika x 4 = 50 dakika süre harcamak demektir.

47

48 FOURİER TRANSFORM Fourier dönüşümlü spektroskopinin normal olandan en önemli farkı, spektrumu elde etmek için gerekli olan zamanın küçük olmasıdır. Örneğin 1500 ayırma elemanlı bir spektrum 0,5 saniye kadardır. Böylece S/N oranını artırmak için defalarca spektrumun alınmasına da (deneme yapma) vakit kalmış olur (Fellget veya çoklu üstünlük). Alışılmış spektroskopi frekans-bağımlı olduğu için spektrum, ışının şiddetinin frekansa ya da dalga boyuna karşı değişimi elde edilir. Fourier dönüşümde ise ışının anlık şiddeti (P(t)) zamanın bir fonksiyonu olarak grafiğe geçirilir. Zaman-bağımlı sinyaller hesaplamalar ile frekans-bağımlı spektruma dönüştürülebilir. Zaman bağımlı (domain) spektroskopi

49 FOURİER TRANSFORM Zaman ve frekans domain spektroskopi

50 FOURİER TRANSFORM Zaman domain ve frekans domain spektrumları aynı bilgiyi taşırlar. Birisi diğerine matematiksel olarak dönüştürülebilir P(t)=k[cos(2  ν 1 t)+ k[cos(2  ν 2 t) ] k:sabit ve t:zaman Dönüşüm işlemi karmaşık matematiksel işlemler gerektirdiğinden hızlı işlem yapabilen bilgisayarlara ihtiyaç vardır.

51 Birçok dalga boyu ihtiva eden kaynağa ait zaman-domain spektrumu Zaman-bağımlı sinyaller ışınım frekans aralığına ( ) cevap verebilecek henüz bir dedektör olmadığından deneysel olarak ölçülemez. Mevcut dedektörler, bir yüksek frekans sinyalinin ortalama şiddetine cevap verir. Şiddetin periyodik değişimine cevap vermez. Bu yüzden zaman-bağımlı sinyallerin ölçülebilir bir frekansa dönüştürülmesi (modüle edilmesi) gerekir. Bu amaç için Michelson interferometre kullanılır. Michelson İnterferometre

52 Düzenek, ışın demetlerini eşit güçte iki demete ayırır. Daha sonra iki demetin ışın yolları arasındaki farka göre şiddetlerinin ölçülmesini sağlar. Demetlerden biri sabit diğeri ise hareketli aynadan yansıtılır. her iki ayna kesiciden eşit uzaklıkta ise (0 noktası) ayrılan demetler birleştiğinde aynı fazda olduklarından ışın gücü maksimum olur. Hareketli ayna farklı konumlara çekilerek sabit aynadan yansıyan ile birleştirildiğinde olumsuz ( /2, 3 /2) ya da olumlu (  ) girişim yapan ışınların oluşması sağlanır. Işın yolları arasındaki fark ya da gecikme (δ=2(M-F) ile ifade edilen bu girişimler (cevaplar) ışın şiddetine karşı grafiğe geçirilir (interferogram).

53 FOURİER TRANSFORM Michelson İnterferometre Sabit ayna Dedektör Hareketli aynaHareketli aynaHareketli aynaHareketli ayna Işın kaynağıIşın kaynağıIşın kaynağıIşın kaynağı Hareketli aynaHareketli aynaHareketli aynaHareketli ayna Işın kaynağıIşın kaynağıIşın kaynağıIşın kaynağı Dedektör

54 İnterferometredeki hareketli ayna sabit bir hızla hareket edip λ/2 cm kadar yolu τ sürede alırsa, ayna hızı(V M ) V M τ= λ/2 yani ƒ=1/ τ=V M /(λ/2 )=2V M / λ Eğer bu tanımı dalga sayısı ile birleştirirsek; ƒ = 2V M υ Ayrıca λ =c/ υ olduğundan, interferogramın frekansı ile optik frekans arasındaki ilişki; ƒ = 2V M υ/c ƒ = 2V M υ/c FOURİER TRANSFORM Michelson İnterferometre Örneğin; 1.5 cm.s -1 hızla sürülen bir ayna için

55 FOURİER TRANSFORM Ayırma gücü: Cihazın ayırabildiği iki çizginin dalga sayıları farkıdır ; en zor ayrılan iki çizginin dalga sayılarıdır B’de bir maksimum olması için; olmalıdır.

56 Örnek; 0,1 cm -1 düzeyinde ayırmayı sağlayan aynanın hareket mesafesi nedir? Ayna hareketinin gecikme süresinin yarısı yani 5 cm olması gerekir. Çünkü; Gecikme; δ=2(M-F)


"Bölüm 3 Optik cihazların bileşenleri. I.Optik cihazların genel tasarımları 1.Absorbsiyon 2. Floresans, 3. Fosforesans, 4. Saçılma 5. Emisyon, 6. Kemilüminesans." indir ppt

Benzer bir sunumlar


Google Reklamları