Infrared Spektrometri 7 – B İnfrared Işın Kaynakları ve Transdüserler

B.1.İnfrared Işın Kaynakları

İnfrared absorpsiyonunu ölçmede kullanılan cihazlarda sürekli infrared ışın kaynağı ve duyarlı bir infrared tranduseri bulunur.

Uygun bir ışın kaynağı, kolayca belirlenebilecek ve ölçeklenebilecek yeterli güçte işın demetleri oluşturmalıdır. Buna ilaveten, ışın şiddetinin belirli bir süre içinde sabit kalması da gereklidir. Bunu sağlamak için de çift ışınlı cihaz tasarımları geliştirilmiştir.

Transduserlerden yüksek duyarlılık göstermeleri beklenir, ideal bir sinyal gürültü oranına sahip olmaları ve geniş bir dalgaboyu aralığında sabit, orantılı cevap verme özellikleri göstermelidir. Cevap verme hızı da yüksek olmalı, ışın gelmediğinde çıkış sinyali sıfır olmalıdır.

Bu bö­lümde ise günümüz infrared cihazlarında bulunan ışın kaynakları ve transduserler üzerinde durulacaktır.

 

B.1. Işın Kaynakları

Şekil.3. Siyah cisim ışıması eğrileri

İnfrared ışın kaynaklan, elektrikle 1500 ile 2000 K’e kadar ısıtılabilen inert katılardır. Bir siyah cisminkine yakın sürekli bir ışıma oluşur (Şekil 3). Bu sıcaklıklardaki maksimum ışın şiddeti 5000 ile 5900 cm^-1 (2 ile 1,7 µm) arasında olur. Uzun dalga boyların­da şiddet, 670 cm^-1 (15 µm)’de maksimum değerinin yaklaşık % 1 ‘ine kadar düzenli olarak düşer. Kısa dalga boylu kısımda ise, düşüş daha hızlıdır ve şiddetteki ben­zer bir azalma 10000 cm^-1 (1 µ) civarında gözlenir.

Nernst Çubuğu

Şekil.4.Yaklaşık 2200 K’de çalıştırılan bir Nernst çubuğunun spektral enerji dağılımı.

Nernst çubuğu, 1 ile 2 mm çaplı ve 20 mm uzunluğun­da silindir biçimine getirilmiş nadir toprak elementleri­nin oksitlerinden ibarettir. Silindirin bir ucuna dirençli bir ısıtma elemanı için yeterli elektiksel bağlantı sağla­yacak platin teller gömülür. Sistemden akım geçtiğinde 1200 ile 2200 K arasında bir sıcaklık meydana gelir. Nernst kaynağı büyük bir negatif elektriksel direnç sı­caklık katsayısına sahip olup, akım istenen sıcaklığı sağlayacak büyüklüğe erişmeden önce bir dış kaynak ile donuk kırmızı bir renge kadar ısıtılmalıdır. Sıcaklı­ğın artmasıyla direnç azaldığından akım devresi akımı sınırlayacak şekilde tasarlanmalıdır; aksi taktirde ışın kaynağı çok hızlı ısınır ve tahrip olur.

Şekil 4, yaklaşık 2000 K’de çalıştırılan bir Nernst çubuğuna ait spektrumu gösterir. Eğrinin siyah cisminkine benzediğine dikkat ediniz; küçük pikler ve şekildeki bozukluklar kaynağın kimyasal bileşiminden kaynaklanmaktadır.

Globar Kaynağı

Globar, çoğunlukla 50 mm uzunluğunda ve 5 mm ça­pında silisyum karbür bir çubuktur. Bu da elektrikle ısı­tılır (1300 ile 1500 K) ve pozitif direnç katsayısına sa­hip olma gibi bir üstünlüğü vardır. Öte yandan, ark yap­masını önlemek için su soğutmalı elektrik bağlantıları­na gerek vardır. Globar ve Nernst kaynaklarının spektral enerjileri, Globar kaynağının çok daha büyük bir çıktı verdiği 5 µm’nın altındaki bölge hariç birbirine yakındır.

Akkor Tel Işın Kaynağı

Globar veya Nernst kaynaklarından daha uzun ömürlü ve biraz daha düşük şiddetli bir ışın kaynağı olan bu kaynak, nikrom telin sıkıca sarılarak spiral haline geti­rilmesi ve elektrikle 1100 K’e ısıtılmasıyla elde edilir. Seramik bir silindir içine yerleştirilen bir rodyum tel de ışın kaynağı olarak benzer özellikler gösterir.

Cıva Arkı

Burada anlatılan termal kaynakların hiç biri uzak-infra-red bölgede (λ> 50 µm) uygun bir tayin için yeterli ışık gücünü sağlayamaz. Bu bölgede yüksek basınçlı cı­va arkı kullanılır. Bu düzenek, bir atmosferden daha bü­yük bir basınçta cıva buharı içeren kuvars ceketli bir tüptür. Buhardan elektriğin geçirilmesi uzak-infrared bölgede sürekli ışın sağlayan bir iç plazma kaynağı oluşturur.

Tungsten Telli Lamba

Tungsten telli lamba, 4000 ile 12800 cm”¹ (2,5 ile 0,78 µm)’Iik yakın-infrared bölgesi için uygun bir ışın kay­nağıdır.

Karbon Dioksit Lazer Işın Kaynağı

Ayarlanabilir bir karbon dioksit lazeri, sulu çözeltide absorpsiyon yapan türlerin tayininde ve bazı atmosferik kirleticilerin derişimlerinin bulunmasında bir infrared kaynak olarak kullanılır.⁶[M1] Karbon dioksit lazeri 900 ile 1100 cm^-1 (11 ile 9 µm)’de yüze yakın farklı çizgiden oluşan bir ışın bandı verir. Bu çizgilerin herhangi biri, lazer ayarlanarak ayırt edilebilir. Mevcut dalga boyu aralığı sınırlı olmasına rağmen, 900 ile 1100 cm^-1 bölgesi CCVin gerilmesin­den kaynaklanan absorpsiyon bandları yönünden özel­likle zengin bir bölgedir. Bu nedenle bu kaynak amon­yak, bütadien, benzen, etanol, azot dioksit ve trikloro etilen gibi çok sayıdaki önemli maddelerin kantitatif ta­yini için çok yararlıdır. Lazer kaynağının önemli bir özelliği de, her bir çizgide siyah cisim kaynağının ver­diğinden birkaç ondalık mertebe daha büyüklükte ışın gücüne sahip olmasıdır.