Különböző fényforrások (UV,VIS, IR) működési alapjai, legújabb fejlesztések

Átírás

1 Különböző fényforrások (UV,VIS, IR) működési alapjai, legújabb fejlesztések Sugárzás kölcsönhatása az anyaggal Készítette: Fehértói Judit (Z0S8CG) Fábián Balázs (IT23JG) Budapest,

2 Bevezetés: A spektroszkópia és azon belül a spektrofotometria az egyik legelterjedtebb anyagvizsgálati módszer. Elterjedtségét elsősorban sorban a viszonylag egyszerű és könnyen hozzáférhető műszerezettségének köszönheti, hiszen napjainkban már alig képzelhető el olyan laboratórium ahol ne lenne legalább egyszerűbb spektrofotométer. Az elektromágneses sugárzás, legyen szó akár a nagy energiájú γ sugarakról vagy a kis energiával rendelkező ő rádióhullámokról, kölcsönhatásba léphet az adott anyaggal. Ez a kölcsönhatás abszorpción (az elnyelt fény hozza létre a gerjesztett állapotot) vagy sugárzáson egyaránt alapulhat (emisszió - a gerjesztett atomok bocsátanak ki energiát). 1. ábra: Az elektromágneses sugárzás tartományai A spektrofotométer olyan optikai berendezés, ami lehetővé teszi a monokromatikus fény intenzitásának mérését. A mérés hullámhossz tartománya szerint vannak ultraibolya, látható és infravörös tartományban mérő spektrofotométerek. (Az elektromágneses sugárzás tartományait az 1. ábra szemlélteti.) A spektrofotométerek fő részei a fényforrás, mintatér, monokromátor, detektor és a kijelző rendszer. A fényforrás a látható fény tartományában a wolfram lámpa, az UV tartományban a deutérium lámpa, míg az IR-ben a Globár és a Nernstizzó (1. táblázat). 2

3 Melyik hullámhossz tartományban mér? Milyen fényforrást használ? Ultraibolya tartomány Hidrogén-, vagy deutérium lámpát Nagynyomású xenon lámpát vagy kisnyomású higanygőz lámpát Látható és közeli infravörös tartomány volfrámizzó Gyakorlatban jelentős infravörös tartomány Nernst-izzó, Globár izzó, króm-nikkel ellenállásizzó Távoli infravörös tartomány Nagynyomású higanygőz lámpa 1. táblázat: A molekulaspektroszkópiai módszerek fényforrásai [1] Fényforrások működési alapjai: Deutérium lámpa: Egy wolfram szálat és egy anódot helyeznek egy nikkel doboz két szemben lévő oldalára. A szál egy ívet húz az anódhoz. A szálat fel kell forrósítani, így használat előtt körülbelül 20 percig fűteni kell, volt feszültségen. Az izzón belül van a molekuláris deutérium, ami az ív gerjesztésének hatására magasabb energia állapotba kerül. A deutérium alapállapotba kerül vissza, miután a fényt emittálta. Ez a folyamat nem egyezik meg az atomi emisszióval, ahol az elektronokat gerjesztik, majd ezek ezután sugárzást bocsájtanak ki. Mivel a lámpa működéséhez magas hőmérséklet kell, nem lehet burkolatként üveget használni. Az üveg az UV sugárzás áthaladását is blokkolja. Helyette magnéziumfluoridot vagy UV üveget használnak. Átlagosan 2000 órát bír. A deutérium lámpa 120 nmtől 900 nm-ig emittál sugárzást. Folytonos spektrum 180 nm-től 370 nm-ig van. Szemvédő használata ajánlott, amikor deutérium izzót használunk. [2] Higanylámpa: Nagy intenzitású kisülő lámpa. UV sugárzást és látható fényt állít elő nagy nyomású higanygőz gerjesztésével. Egy nagyobb külső üvegbúrában ( hőszigetelést, UVszűrést biztosítja, rögzíti az elektromos hozzávezetéseket) elhelyezett kisméretű kvarccsőben megy végbe a kisülés. A negatív ellenállású kisülés miatt fojtó használata szükséges. A kisülés elindításához szükséges gyújtót a lámpán belül helyezik el. Ezt egy nagy értékű ellenállással, a katódhoz kapcsolják. A gyújtóbot és a katód között létrejövő kisülés biztosítja a lámpa meggyújtásához szükséges elektronokat. Magas élettartam és alacsony beruházási költség jellemzi, speciális változata a kevert fényű lámpa, ez egy higanylámpából és egy sorba kapcsolt izzólámpából áll, ez tölti be a fojtó szerepét, javítja a színvisszaadást, de az izzószál az élettartamot és a fényhasznosítást is csökkenti. [3] 3

4 Xenon-lámpa: A gáz kisüléses lámpák egyik típusa, ahol az elektromos áram végighalad az ionizált nagynyomású xenon gázon miközben a lámpa fényt bocsájt ki. Alkalmazzák színházakban filmvetítőkben, fényszórókban. Három csoportra oszthatóak: 1. Rövidívű lámpák: Minden xenon lámpa tartalmaz két wolfram elektródát egy kvarctestben. Az áramot molibdén szalagon keresztül vezetik be. A katódok emittálják az elektronokat. A lámpa fénye folytonos és nagyon széles spektrumú (UV-től közeli IR-ig). Az elektródák közti távolság kicsi, ezért a keletkező fény pontszerű, ez teszi lehetővé optikai hasznosítását. A kis távolság hátránya az, hogy kis térfogatban nagy teljesítmény halmozódik fel, aminek következtében a lámpák speciális hűtést igényelnek, és élettartamuk is rövid. Töltőnyomásuk üzemközben több tíz atmoszféra, kezelésük nehéz és veszélyes, speciális elektronikát igényel. 2. Hosszúívű lámpa: Kisebb nyomású, gyenge fényhasznosítása és drágasága miatt laboratóriumokban használják. 3. Villanólámpák: Egy feltöltött kondenzátort kapcsolnak az anód és a katód közé, a kisülést a trigger elektródára adott impulzus hozza létre. Kisülés után a lámpa kialszik. Ezen idő alatt magas színhőmérsékletű, színvisszaadású fényt állít elő jó fényhasznosítás mellett. Gyors működésük miatt lézertechnikában, stroboszkópiában, fényképészetben alkalmazzák. [4] Wolfram izzó: Hivatalos feltalálójának Thomas Alva Edisont tekintik. Az izzólámpa fényét elektromos áram által felizzított wolfram szál adja. Az izzószál egy üvegbúrában található, ami semleges gázt, vagy vákuumot tartalmaz, ez óvja meg a wolfram szálat a levegő oxidáló hatásától. Felépítését tekintve körtére emlékeztető üvegbúrából és menetes fejből állnak. A búrában középen spirálos wolfram szál van, amik wolfrám vagy molibdén tartókra vannak felfüggesztve. A búrákban kisebb teljesítményű izzók esetén vákuum nagyobb teljesítményű izzók esetén argon vagy nitrogén gáz van. A búra leggyakrabban lágyüveg, a lámpa feje pedig Edison-menetes kivitelű, amihez az árambevezetőket rögzítik. Villamos áram hatására K hőmérsékletűre melegszik fel az izzószál (A Wolfram olvadáspontja: 3695 K), mely során elektromágneses energiát sugároz ki az infravörös és látható fény tartományában. [5] Globár izzó: Termikus fényforrás az infravörös spektroszkópiában. Ez egy szilíciumkarbid rúd, 5-10 mm széles és mm hosszú, amit elektromosan C- 4

5 ra fűtenek fel. Interferencia szűrővel kombinálva, 4-15 µm hullámhosszúságú sugárzást emittál. [6] Nernst-izzó: Walter Nernst német fizikus és kémikus találta fel 1897-ben. A Nernst-izzó nem tartalmaz wolfram szálat, helyette egy kerámia rúd van benne, amit izzásig melegítenek. Mivel a rúd nem oxidálódik levegőn (ellentétben a wolfram szállal), ezért nem szükséges vákuum- vagy nemesgáz környezet, az izzók csak azért vannak üvegben, hogy a forró izzó a környezettől el legyen különítve. A kerámia anyaga ittrium-oxid és cirkónium-oxid. Ezek a lámpák kétszer olyan hatékonyak, mint a szén szálas lámpák, és több fényt képesek emittálni, de a wolfram szálas lámpák felülmúlják ezen típust. Nagy hátránya, hogy a kerámia szobahőmérsékleten elektromosan nem vezető, ezért fel kell melegíteni. [7] Króm,- nikkel ellenállásizzó: A sugárforrás egy olyan króm-nikkel szál, aminek a felületén lévő oxidréteg a szál elektromos hevítése során (1400 K) majdnem a teljes infravörös tartományban emittál. [1] Sugárforrások újszerű alkalmazásai: Az UV-Vis-IR sugárzás használata széles körben elterjedt a tudomány minden területén a fizikától kezdve, a kémián át egészen a biológiáig. Mindezek mellett az iparban is felhasználásra találnak különböző szervetlen és polimer alapú anyagok feldolgozása során. Az ilyen alkalmazásokhoz elengedhetetlenek az intenzív sugárzást biztosító, hangolható sugárforrások. Lézer által előállított plazma [8] A laboratóriumokban a két elterjedt forrás a parázskisüléses lámpák és a magas harmonikusok generálásával működő lézerek. Míg az előbbi esetében az elérhető besugárzás mértéke és a foton fluxus alacsony, addig az utóbbinál a folytonos és széles tartományon való hangolhatóság hiánya a legnagyobb hátrány. Az utóbbi években előtérbe került a lézer által előállított plazma (laser-produced plasma: LPP) források vizsgálata, mivel intenzív széles sávon emittáló, kompakt eszközök. A kísérletekben betöltött diagnosztikai szerepük mellett jelentős mértékben alkalmazzák őket extrém UV és X tartományon többek között a mikrolitográfiában. Jelenleg kutatások folynak a vákuum-uv nm közötti tartományában, ami a molekulák ionizációs potenciáljának nagyságrendjébe esik. Az ilyen folytonosan hangolható 5

6 eszközök a jövőben egyfoton-ionizációs (single-photon ionization: SPI) sugárforrásként szolgálhatnak asztali TOF tömegspektrométerekben, ezzel kiváltva a szinkrotronokat. Ion mobilitás spektrometria [9] : Az ion mobilitás spektrometria (IMS) az 1970-es évek elején elterjedt analitikai technika, amely során a minta gőze atmoszférikus nyomáson ionizálódik, majd elektromos mező segítségével a mobilitás alapján azonosítható. Az ionizáció egy IMS eszköz legfontosabb része. A hagyományos IMS készülékekben radioaktív 63 Ni-t használnak, amelyek használata egyszerű, kényelmes és nincs szükségük külső áramforrásra. Hátrányuk a szűk lineáris tartomány és a radioaktív anyagokra vonatkozó különböző biztonsági előírások. A korona kisüléses (corona discharge: CD) ionizáció számos vegyület vizsgálatára alkalmas. Az UV fotoionizáció a CD-IMS alkalmazhatóságát tovább bővíti, mivel nem hoz létre háttércsúcsokat. Az UV-IMS segítségével terpéneket és alkoholokat is vizsgálhatunk, emellett számos esetben szelektívebb, mint a CD. Ilyen alkalmazásokhoz vákuum-uv kripton lámpa alkalmas. Dielektromos gát kisülés (dielectric-barrier discharge: DBD) [10] : A DBD olyan elektromos kisülés, amely két, szigetelő dielektromos gáttal elszeparált elektród között játszódik le. Jelenleg a DBD-t többek között ózon előállítására, felületkezelésre és szén-dioxid lézerekben alkalmazzák. Emellett megfelelő alapot nyújt VUV források készítéséhez. Elegendően nagy AC feszültség alkalmazásakor az elektródok közötti gázban DBD megy végbe. A kisülés alacsony nyomáson egyenletes, stabil, parázskisülés-szerű, bár valójában gyorsan pulzáló mikrokisülésekből áll, melyek időtartama 10 ns nagyságrendű. Magas nyomáson egy magas elektron-energiaszinten lévő atom ütközik egy alapállapotú atommal vagy molekulával, ezzel egy új molekulát hozva létre. A molekula egy harmadik részecskével ütközve leadja az energiáját, amely során a gerjesztett vibrációs állapota relaxálódik. Ennek a folyamatnak a végén egy relatíve stabil molekula, excimer jön létre. A gerjesztett excimerek akár több nanoszekundumon át UV vagy VUV sugárzást bocsájthatnak ki. A fent részletezett folyamatok a Kr esetére a következők: e + Kr e + Kr* Kr* + 2Kr Kr 2 * + Kr Kr 2 * 2Kr + 146nm VUV 6

7 Hivatkozások: [1] Pokol Gy., Gyurcsányi E. R., Simon A., Bezúr L., Horvai Gy., Horváth V., Dudás K.M. Analitikai kémia (2011) [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] T. M. Di Palma, A. Borghese: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 254 (2007) [9] H. Bahrami, M. Tabrizchi: Talanta 97 (2012) [10] B. Ren an, S. Mingdong, W. Zhongrui, J. Jing, H. Wenbo, Q. Feng, W. Wenjiang, Z. Jintao: Physics Procedia 32 ( 2012 )