Különböző fényforrások (UV,VIS, IR) működési alapjai, legújabb fejlesztések Sugárzás kölcsönhatása az anyaggal
Készítette: Fehértói Judit (Z0S8CG) Fábián Balázs (IT23JG)
Budapest, 2014.04.15.
1
Bevezetés: A spektroszkópia és azon belül a spektrofotometria az egyik legelterjedtebb anyagvizsgálati módszer. Elterjedtségét elsősorban els sorban a viszonylag egyszerű egyszer és könnyen hozzáférhető műszerezettségének szerezettségének köszönheti, hiszen napjainkban már alig képzelhető képzelhet el olyan laboratórium ratórium ahol ne lenne legalább egyszerűbb egyszer spektrofotométer. Az elektromágneses sugárzás, legyen szó akár a nagy energiájú γ−sugarakról −sugarakról vagy a kis energiával rendelkezőő rádióhullámokról, kölcsönhatásba léphet az adott anyaggal. Ez a kölcsönhatás abszorpción ón (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 lehet teszi a monokromatikus fény intenzitásának mérését. A mérés hullámhossz tartománya szerint vannak ultraibolya, látható és infravörös tartományban mérő mér spektrofotométerek. (Az elektromágneses sugárzás sugárzá tartományait az 1. ábra szemlélteti.) A spektrofotométerek fő f részei a fényforrás, mintatér, monokromátor, detektor és a kijelző kijelz rendszer. A fényforrás a látható fény tartományában a wolfram lámpa, az UV tartományban a deutérium lámpa, míg az IR-ben IR ben a Globár Gl és a Nernstizzó (1. táblázat).
2
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, 300-500 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
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 2000-3000 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 20-50 mm hosszú, amit elektromosan 1000-1650 °C-
4
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 100-200 nm közötti tartományában, ami a molekulák ionizációs potenciáljának nagyságrendjébe esik. Az ilyen folytonosan hangolható 5
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 Kr2*
Kr2* + Kr
2Kr + 146nm VUV
6
Hivatkozások: [1] Pokol Gy., Gyurcsányi E. R., Simon A., Bezúr L., Horvai Gy., Horváth V., Dudás K.M. Analitikai kémia (2011) [2] http://en.wikipedia.org/wiki/Deuterium_arc_lamp [3] http://hu.wikipedia.org/wiki/Higanyl%C3%A1mpa [4] http://hu.wikipedia.org/wiki/Xenonl%C3%A1mpa [5] http://hu.wikipedia.org/wiki/Izz%C3%B3l%C3%A1mpa [6] http://en.wikipedia.org/wiki/Globar [7] http://en.wikipedia.org/wiki/Nernst_lamp [8] T. M. Di Palma, A. Borghese: Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 254 (2007) 193–199 [9] H. Bahrami, M. Tabrizchi: Talanta 97 (2012) 400–405 [10] B. Ren’an, S. Mingdong, W. Zhongrui, J. Jing, H. Wenbo, Q. Feng, W. Wenjiang, Z. Jintao: Physics Procedia 32 ( 2012 ) 477 – 481
7
