CHƯƠNG II KỸ THUẬT PHÂN TÍCH PHỔ HẤP THỤ VÀ PHỔ PHÁT XẠ II.1. Các dụng cụ trong hệ phổ hấp thụ và phổ phát xạ Sơ đồ cơ bản của một hệ đo phổ hấp thụ hoặc phổ phát xạ có thể được mô tả như sau: Hình 2.1. Các dụng cụ chính trong hệ phân tích phổ Nguồn tạo bức xạ: Cung cấp bức xạ có bước sóng phù hợp cho việc nghiên cứu mẫu trong từng trường hợp cụ thể. Để phổ kế cho các bức xạ có tần số khác nhau, người ta sử dụng các dụng cụ bổ xung như các dạng lăng kính, bộ lọc sắc hoặc các cách tử. Khi nguồn bức xạ chiếu vào mẫu, một phần sẽ bị hấp thụ, phần còn lại sẽ truyền qua và rơi vào tế bào quang điện, dụng cụ này sẽ chuyển tín hiệu quang thành điện. Tín hiệu, sau khi được khuếch đại sẽ được xử lý tại phần đọc ở đầu ra dưới dạng đồ thị hoặc file kết quả. Quang kế: Là dụng cụ dùng để xác định tỷ phần công suất của hai chùm bức xạ điện-từ. Phổ kế: Là dụng cụ bao gồm các linh kiện nhận bức xạ, phân chia và đưa ra chùm tia có bước sóng lựa chọn trong vùng phổ xác định. Phổ kế cho phép xác định sự phụ thuộc của công suất bức xạ vào bước sóng. Quang-phổ kế: Là phổ kế cùng các thiết bị hỗ trợ để có thể xác định tỷ phần công suất bức xạ của hai chùm tia như một hàm số của bước sóng phổ. Hai chùm tia bức xạ có thể được phân biệt bởi không gian, thời gian hoặc cả hai thông số trên. II.1.1. Nguồn bức xạ. Nguồn bức xạ trong một hệ phổ hấp thụ có nhiệm vụ cơ bản: - Cung cấp một cách hiệu quả năng lượng bức xạ trên toàn bộ vùng bước sóng mà phổ hấp thụ được đo. - Duy trì cường độ bức xạ không đổi liên tục trong khoảng thời gian đo. Nếu cường độ bức xạ quá thấp trong vùng đo phổ thì phải sử dụng các kính đơn sắc để nhận được nguồn năng lượng cần thiết. - Nói chung độ sáng không gây ảnh hưởng lớn đến kết quả phân tích phổ, tuy nhiên trong thiết kế, cần lưu ý là mật độ thông lượng chùm bức xạ thay đổi tỷ lệ ngịch với bình phương khoảng cách từ nguồn tới mẫu đo. II.1.1.1. Đèn hydrogen. Làm việc trong vùng cực tím (UV), trong điều kiện áp suất thấp (0.2- 5 torr) và điện áp thấp (40V DC). Cathode được nung nóng là cơ chế chính để duy trì sự phát bức xạ. Sự phát sáng này có nhiệt độ âm so với nhiệt độ tỏa ra trên điện trở theo hiệu ứng nhiệt, do đó cần có thêm nguồn dòng để có thể điều chỉnh được. Đặc điểm quan trọng nhất của loại đèn này là khẩu độ cơ học giữa cathode và anode, dùng để nén chùm sáng đi qua một lỗ hẹp. Thông thường anode được đặt gần khẩu độ để có thể tạo quả cầu sáng tập trung cường độ có đường kính 0.6- 1.5mm Ở 35 Mẫu đo Nguồn tạo bức xạ Dụng cụ bổ xung Phổ kế Tế b o à quang điện Thiết bị đọc ở đầu ra phía cathode sử dụng hydro nặng để làm tăng một chút kính thước giữa cầu sáng và tăng độ chói từ 3-5 lần, ảnh của chùm sáng đi vào phổ kế sẽ phụ thuộc vào khẩu độ. Để làm tăng hiệu suất tập trung ánh sáng cần điều chỉnh vị trí đèn tại điểm hội tụ của gương phản xạ ellip. VD: Đèn bình thường hiệu suất tập trung ~10%, đèn có cấu tạo như trên hiệu suất sẽ trên 60%. Đèn hydrogen cung cấp bức xạ mạnh và liên tục trong vùng phổ thấp hơn 360nm. Nếu được bảo vệ bởi SiO 2 đèn có thể cho phổ bức xạ ở vùng sóng 160nm. Ở các bước sóng lớn hơn 380nm, đèn cho phổ phát xạ có các vạch trùng nhau liên tục và tạo ra nhiễu. II.1.1.2. Đèn Sợi đốt nóng sáng Thường dùng cho các hệ đo phổ trong vùng bước sóng từ 350nm đến 2.5µm. Sử dụng sợi đốt W nung nóng đến phát sáng bằng dòng điện. Sợi đốt được đặt trong ống thủy tinh hàn kín, bên trong có thể là khí trơ hoặc chân không. Sợi đốt được xoắn lại để tăng cường độ phát xạ. Đèn loại này chế tạo đơn giản, giá thành thấp Đèn Halogen- Wolfram là một dạng đặc biệt của đèn sợi đốt nóng sáng. Đèn được bọc bằng thuỷ tinh thạch anh để tăng nhiệt độ làm việc tới 3500K. Khí I 2 được đưa vào bên trong ống thuỷ tinh, trong quá trình phát sáng xảy ra phản ứng hóa học tạo khí: I +W =WI 2 (khí), khí này bám vào sợi đốt W và phục hồi sợi đốt, quá trình cứ diễn ra liên tục như vậy và đèn luôn được làm sạch. Đèn loại này duy trì trên 90% ánh sáng so với ban đầu trong suốt thời gian hoạt động. Về cơ bản sự phân bố công suất bức xạ của đèn sợi đốt cũng giống như bức xạ của vật đen tuyệt đối, do đó nếu đo phổ ở vùng bước sóng xa với công suất cực đại sẽ rất nhạy với các loại nhiễu. Chú ý rằng đèn sợi đốt W phát bức xạ chủ yếu ở trong vùng năng lượng ứng với bước sóng hồng ngoại gần, đạt cường độ lớn nhất ở 1000nm và giảm rất nhanh đến 1% ở vùng 300nm. Chỉ còn 15% của năng lượng bức xạ trong vùng nhìn thấy đối với đèn có nhiệt độ 2850K. Thông thường để loại bỏ bức xạ hồng ngoại nhưng không làm giảm năng lượng bức xạ ở vùng sóng ngắn một thiết bị lọc hấp thụ nhiệt hoặc gương làm lạnh được đặt giữa đèn và mẫu đo. Vỏ bọc bằng thuỷ tinh hấp thụ mạnh trong vùng nhỏ hơn 280nm. Đèn sợ đốt là nguồn phát rất quan trọng trong hệ phân tích phổ vì tính chất ổn định tuyệt vời của nó hơn là tính chất của phổ bức xạ. II.1.1.3. Ổn định bức xạ . Dòng quang điện xuất hiện khi chiếu chùm bức xạ vào Detector tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào đèn. Để ổn định dòng quang điện trong khoảng 0,2% (ứng với độ chính xác của hệ phổ) thì nguồn điện áp cho sợi đốt cần phải được điều chỉnh trong khoảng vài nghìn vôn. Nguồn được ổn định bằng cách sử dụng các bộ pin nạp hoặc các biến thế chuyển điện áp xoay chiều thành một chiều. Bằng cách đặt một detector thứ 2 trên đường đi của chùm sáng từ nguồn tới mẫu, có thể hiệu chỉnh được tín hiệu ở đầu ra của đèn. Điều này được thực hiện do có sự hồi tiếp tín hiệu đến nguồn điện áp đặt vào đèn nhằm mục đích tăng hoặc giảm dòng đầu ra. II.1.1.4. Chế độ điều biến hoặc xung của đèn. Sử dụng nguồn điện áp hồi tiếp cho đèn cho phép nguồn làm việc ở chế độ điều biến hoặc chế độ xung. Ở chế độ điều biến, nguồn điện áp bên ngoài được điều biến hoặc lập trình hệ đèn nguồn để tạo các tín hiệu hình sin, hình chữ nhật hoặc dạng răng cưa. Sử dụng tín hiệu hồi tiếp quang và điều biến điện áp ngoài, cho phép nhận các tín hiệu quang có 36 mức méo thấp nhất. Do đèn được liên hệ với tín hiệu hồi tiếp nên những điểm không tuyến tính trên đặc trưng của đèn cần phải được xem xét. Ở chế độ xung, đèn làm việc ở mức công suất cao hơn bình thường, dòng hư kháng được thiết lập ở giá trị thấp và giá trị dòng tăng trong thời gian phát xung. Dòng tăng mạnh nhất ở vùng tia cực tím và yếu nhất ở vùng hồng ngoại. Thời gian ngắn nhất của một xung là 300µs, thời gian dài nhất có thể vài giây hoặc lâu hơn phụ thuộc vào loại đèn. Trong cả hai chế độ điều biến và xung thì tuổi thọ của đèn đều bị giảm. II.1.2. Detectors Detector là loại cảm biến chuyển bức xạ điện từ thành tín hiệu điện, tức là tạo dòng điện chạy trong thiết bị đọc ở đầu ra. Dòng quang điện cần được khuếch đại, đặc biệt là khi thực hiện phép đo ở các mức năng lượng rất thấp. Có các loại detector đơn như tế bào quang điện, photodiode, ống phát quang. Các loại phát quang đa phần tử như các ma trận detector. Đặc trưng quan trọng nhất của một loại detector là độ nhạy phổ, độ phản hồi bước sóng, độ khuếch đại và thời gian phản hồi. II.1.2.1. Tế bào quang điện Se/Ag (H.2.2) Sử dụng các tấm kim loại như Fe làm địên cực, và một màng bán dẩn mỏng Se phủ lên trên điện cực. Sau đó một màng rất mỏng Ag hoặc Au được chế tạo bởi phương pháp phún xạ phủ lên trên màng Se, màng này được sử dụng như cực góp. Hình 2.2. Cấu trúc một tế bào quang điện Khi bức xạ chiếu vào màng Se, sẽ sinh ra các cặp điện tử -lỗ trống trên bề mặt tiếp xúc Se/Ag. Điện tử sẽ chuyển lên cực collector (Ag). Do sự khác nhau về công thoát của điện tử ở kim loại và bán dẫn sẽ hình thành hàng rào thế tại lớp kim loại và bán dẫn (Se/Ag). Điện tử chỉ có thể dịch chuyển về phía kim loại mà không thể dịch chuyển về phía ngược lại, kết quả sẽ tạo nên hai vùng tích điện trái dấu và có sự khác biệt về điện thế giữa cực gốc và cực góp. Nếu mạch ngoài có điện trở ≤ 400Ω, dòng đoản mạch sẽ gần như tỷ lệ thuận với công suất bức xạ của chùm tới. Độ phản hồi đạt giá trị lớn nhất trong vùng bước sóng màu xanh lá cây và màu vàng. Vì trở kháng của tế bào quang điện rất thấp nên dòng đầu ra không thể khuếch đại được nếu không sử dụng bộ khuếch đại hồi tiếp. Chính vì vậy, tế bào quang điện được dùng chủ yếu trong các bộ lọc quang không đắt tiền, có độ phát sáng cao tới detector và không cần khuếch đại dòng. Tế bào quang điện là loại photodector ít được sử dụng nhất vì những hạn chế về độ nhạy cũng như dải hoạt động tuyến tính tương đối hẹp. 37 II.1.2.2: Đèn bức xạ quang (Vacuum Photoemisive Tubes) Đèn bức xạ quang là một dạng đèn điện tử Anode - Cathode được đặt trong vỏ thuỷ tinh và hút tạo chân không bên trong. Cathode nhạy quang được làm từ kim loại có hình dạng một nửa hình trụ trên bề mặt phủ một lớp nhạy quang. Dây Anode được đặt dọc theo trục của Cathode (nửa hình trụ) hoặc làm dạng hộp bao quanh Cathode. Khi ánh sáng chiếu vào photocathode, các điện tử quang sẽ bị bật ra và bay về phía cực dương (+) Anode tạo nên dòng quang điện. Tất cả các điện tử sẽ được thu trên Anode bởi điện áp +90 V so với Cathode. Dòng quang chạy qua điện trở tại R L tạo nên tín hiệu điện áp: L S =i.R L . Thông thường trở tải trong mạch ngoài là điện trở đầu vào của mạch khuếch đại. Dòng chạy trong mạch ngoài tỷ lệ thuận với tốc độ quang điện tử phát ra, tức là tỷ lệ với thông lượng chùm sáng chiếu vào. Đèn bức xạ bị giới hạn bởi khả năng nhạy với các bức xạ giả gây ra bởi năng lượng nhiệt, và khi cường độ ánh sáng chiếu vào ở mức thấp, dòng quang điện tạo thành cũng rất nhỏ. Mặc dù dòng quang điện rất nhỏ; i ≈ 10pA nhưng cũng có thể dễ dàng khuếch đại được. Tuy nhiên nếu dòng quá nhỏ, nhỏ hơn cả dòng rò đi vào đèn từ vỏ mắc song song với trở tải, thời gian hồi tiếp sẽ lớn và làm hỏng các hiệu ứng phản hồi của detector. Đối với độ chính xác ≥ 1%; cần phải hiệu chỉnh để loại bỏ những vùng không tuyến tính trên đường đặc trưng dòng quang điện phụ thuộc vào độ chiếu sáng. Thời gian phản hồi của đèn vào khoảng 150 ps. Đèn bức xạ phù hợp với các nguồn có độ phát cao, tốc độ lặp lại thấp. Nhiễu xuất hiện trong thiết bị cảm biến này thường là nhiễu có bước sóng ngắn, xuất hiện do dòng điện và năng lượng ánh sáng bị lượng tử hoá, photon đập vào các Cathode một cách ngẫu nhiên. Điện tử quang dạng này sẽ bức xạ và rơi vào anode cũng hoàn toàn ngẫu nhiên. II.1.2.3 Đèn nhân quang (Photomultiplier Tubes) Là một dụng cụ kết hợp giữa đèn bức xạ Cathode và một chuỗi linh kiện nhân điện tử (Dynode) (H.2.3). Bức xạ chiếu vào Cathode làm cho các quang điện tử bứt ra (∼ 10 -13 s). Các quang điện tử này được hội tụ bằng trường tĩnh điện và gia tốc đến đập vào các điện cực (Dynode - khoảng 10 sợi dây phủ hợp chất BeO, Gap, hoặc CsSb) tiếp tục làm bứt ra vô số các điện tử khác và tạo ra mật độ lớn các điện tử có năng lượng cao. Một số thiết bị có Dynode thứ hai dạng mặt cầu sẽ hướng các điện tử đi theo một chiều, trong khi đó điện trường ở bên cạnh hoặc đầu Dynode sẽ chuyển điện tử theo hướng thứ hai.Để lặp lại quá trình nhân điện tử ở các Dynode tiếp theo cần duy trì điện áp tạo nên dòng thác điện tử bay đến Anode; như vậy dòng đã được khuếch đại. Sau đó dòng có thể được tiếp tục khuếch đại ở mạch ngoài. Để tránh sự phá hỏng bề mặt Dynode do nung nóng cục bộ và sự già hoá của đèn, dòng Anode được giữ trong khoảng ≤ 1mA. Điều này được thực hiện khi điện áp giữa Dynode cuối cùng và Anode là ≤ 50V. Thời gian phản hồi ∼ 0,5 ns nếu vật liệu phủ Dynode là GaP; với các vật liệu khác ∼ 1÷2 ns. Điện trở của chuỗi linh kiện sẽ chia điện áp trên hiệu điện thế giữa các dynode vào khoảng 75 - 100 V. Lý tưởng, tổng hệ số khuếch đại của đèn có n tầng (n Dynode): G = (f) n . trong đó f- Hệ số bức xạ điện tử thứ cấp của một tầng khuếch đại. Giá trị chính xác của f phụ thuộc vào vật liệu phủ và điện áp đặt vào dynode. ( f ∼ 3 ÷ 10), với GaP cho f = 50. Photocathode thường được chế tạo từ vật liệu có hệ số bức xạ tới lớn nhất và có độ dày đủ lớn để có thể hấp thụ hoàn toàn ánh sáng tới, nhưng lại cũng phải đủ mỏng 38 để có thể tạo ra các quang điện tử và các điện tử này sau khi đi qua còn đủ năng lượng để vượt qua rào thế công thoát của bề mặt chân không. Hiệu suất lượng tử Cathode (Quantum efficient - QF) là thông số biểu diễn tỷ số giữa số lượng trung bình các quang điện tử bứt ra từ Cathode với số lượng photon tới. Bước sóng bức xạ phụ thuộc vào vật liệu làm Cathode: Cs-Te cathode cho phép điều chỉnh được phổ trong vùng từ 120 ÷ 350 nm, còn Ga-As trong vùng 200 ÷ 900 nm. Độ nhạy bức xạ sóng ngắn được điều chỉnh bằng vật liệu bao bọc. Nếu bọc bằng thuỷ tinh thì giới hạn của bước sóng là 350 nm còn bằng SiO 2 giới hạn này là 200 nm Hình 2.3. Sơ đồ đèn nhân quang II.1.2.4. Photodiodes. Cấu trúc một photodiode như hình 2.4. Chuyển tiếp p-n được phân cực ngược do đó không có dòng điện chạy qua. Khi chùm photon tới đập vào diode, điện tử sẽ chuyển lên vùng dẫn và tạo thành dòng quang điện tỷ lệ với cường độ chùm sáng chiếu vào. Linh kiện loại này được làm việc trong vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại gần, có độ phản hồi khoảng 250 ÷ 500 mA/W (hình 2.5). Nói chung tốc độ làm việc của diode bị giới hạn bởi hệ số thời gian giữa trở kháng đầu vào của bộ khuếch đại và điện dung tụ vùng nghèo của chuyển tiếp p-n ( 2- 5 pF). Để giảm giá trị điện dung phải chế tạo linh kiện rất nhỏ. Chùm sáng được đưa tới diode qua hệ thấu kính , thời gian phản hồi khoảng 5 ns. Có thể chế tạo một ma 39 trận diode để thu tín hiệu từ rất nhiều cảm biến riêng biệt. Dụng cụ này có độ ổn định rất tốt, sự lan truyền điện tích từ các kênh chậm nên tín hiệu trong từng kênh lớn, nên có thể thực hiện phép đo có độ chính xác rất cao. Hình 2.4. Cấu trúc của photodiode II.1.3. Module đọc. Đây là dụng cụ tạo tín hiệu DC ( Direct Current) tín hiệu này sau đó được khuếch đại bởi bộ khuếch đại DC và hiển thị ra các dụng cụ chỉ số, bộ ghi hoặc vôn kế. Tuy nhiên bộ khuếch đại DC có hệ số khuếch đại lớn sẽ làm lệch và đổi tín hiệu. Sự có mặt của nhiễu ở tần số thấp trong tín hiệu sẽ làm hạn chế việc mở rộng tỷ số giữa tín hiệu/ nhiễu. Do những nguyên nhân như vậy, thông thường, người ta điều biến tín hiệu và chuyển sang tín hiệu xoay chiều (Alternating Current) có tần số cao đủ để loại bỏ sự sai lệch tín hiệu và nhiễu. Sau khi khuếch đại bằng bộ khuếch đại AC tín hiệu được chuyển ngược về dạng DC bởi bộ khử biến hoặc bộ lọc vì hầu hết các dụng cụ đọc ở đầu ra cần tín hiệu DC. Hình 2.5. Độ phản hồi của diode p-n Điều biến thường được tạo bởi các bộ ngắt chùm ánh sáng chiếu vào detector bằng một dụng cụ quang dạng đĩa có các khoảng trống. Các phần trên bộ ngắt quang sẽ được phân biệt bởi điện tích sử dụng. II.1.4. Bộ lọc Với mục đích lựa chọn tỷ số tín hiệu/nhiễu giữa các vạch bức xạ cơ sở và phân tích, để phân biệt được các dải rất hẹp của bước sóng người ta phải sử dụng các bộ lọc hay kính đơn sắc hoặc sử dụng cả hai. Bộ lọc bảo đảm hiệu suất ánh sáng đi qua rất cao 50 - 80 %, ánh sáng tán xạ có cường độ tương đối cao đặc biệt là các hệ không hộ tụ. Một bộ lọc phải dùng được cho 5 bước sóng. 40 II.1.4.1 Bộ lọc hấp thụ Hiệu ứng xảy ra bên trong khi bức xạ tương tác với các nguyên tử vật liệu. Trong một số loại vật liệu sự tương tác này là quá trình tán xạ có lựa chọn, còn đối với các vật liệu khác thì sự hấp thụ ion chiếm ưu thế. Hệ số truyền qua sẽ giảm theo chiều dày và được biểu diễn bởi hàm exp. của hệ số hấp thụ. Kính lọc hấp thụ được làm từ các vật liệu như Gelatin (một dạng keo tụ); thuỷ tinh, chất lỏng và nhựa. Kính lọc bằng thuỷ tinh được sử dụng rộng rãi trong các hệ phân tích và tự động. Loại tán xạ phụ thuộc vào tinh thể tán xạ được tạo thành bên trong khối thuỷ tinh bằng các xử lý nhiệt. Các bức xạ có bước sóng ngắn sẽ bị tán xạ và hấp thụ trong khi thành phần có bước sóng dài thì không bị ảnh hưởng. Hình 2.6. Đặc trưng truyền qua của phổ khi đi qua bộ lọc làm từ thuỷ tinh hỗn hợp. Các loại kính lọc khác dựa trên cơ sở hấp thụ một cách chọn lọc ion trong dung dịch sạch sử dụng một bộ lọc khối để ngăn chặn các phổ không mong muốn từ các kính lọc giao thoa hoặc các kính lọc nhiễu xạ. Một dãy kính lọc chỉ cho phép bức xạ có bước sóng dài đi qua (màu vàng đỏ), một dãy khác thì chỉ cho sóng ngắn hơn (màu xanh) đi qua, (hình.2.6). Độ rộng trên phổ của điểm cut–on và cut– off từ 20–70 nm. Hệ số truyền qua cực đại (peak transmisson) vào khoảng 5-20 %, hệ số này sẽ giảm nếu phổ được cách ly tốt. Các bộ lọc loại này không thể dùng cho các dải phổ rất hẹp và có cá peak truyền qua cao (các cấu trúc đa màng). Tất cả các bộ lọc giao thoa làm từ các chất điện môi có ưu điểm hơn về độ nhạy. Có rất nhiều loại kính lọc được làm từ nhựa. II.1.4.2. Bộ lọc giao thoa 41 Hình 2.7. Sơ đồ bộ lọc giao thoa và đường đi của tia sáng qua bộ lọc. Bộ lọc gioa thoa gồm một màng mỏng điện môi (CaF 2 ; MgF 2 ; SiO) nằm giữa 2 màng kim loại thường là Bạc(Ag) đặt song song phản xạ từng phần. Có thể sử dụng các loại kính lọc hấp thụ để loại bỏ các dải sóng không cần thiết. Độ rộng dải bước sóng trung tâm có thể thay đổi bằng cách thay đổi nhiệt độ của kính lọc hay thay đổi góc tới của chùm bức xạ. Khi tăng nhiệt độ thì phổ sẽ dịch chuyển về phía bước sóng dài hơn và ngược lại. Các vạch phổ trong vùng nhìn thấy sẽ dịch chuyển khoảng 0.01 nm/1 o C. Khi tăng góc của chùm tia tới, bước sóng trung tâm sẽ dịch chuyển về phía sóng ngắn hơn. Nếu thay các màng kim loại bằng màng điện môi người ta gọi là bộ lọc đa màng. Các tính chất của bộ lọc này sẽ tốt hơn rất nhiều vì độ hấp thụ của màng điện môi gần như bằng không. Các màng mỏng này được phủ xen kẽ sao cho màng có chiết suất cao ở cạnh màng có chiết suất thấp, các màng đều có độ dày bằng 1/4 bước sóng. Khi chùm tia tới chiếu vào bộ lọc chúng sẽ bị chia ra tại bề mặt tiếp xúc giữa các màng, ở đó chúng truyền qua và phản xạ liên tục. Các bước sóng sẽ được quét cả về 2 phía của bước sóng trung tâm. Một bộ lọc có thể gồm từ 5 đến 25 màng, ngày nay kính lọc loại này có thể cho dải bước sóng đi qua trong khoảng 0.1 nm (bình thường là 1- 5 nm), và hệ số truyền qua là 10 -6 . Thông thường đỉnh phổ truyền qua còn ~55-60%. Bộ lọc loại này có thể làm việc trong vùng bước sóng từ 180 nm- 35µm. Vấn đề cần khắc phục là khi chùm tia tới hội tụ cao hoặc không hội tụ. Do bước sóng đi qua tại một điểm của bô lọclà một hàm số phụ thuộc vào góc của tia tới, ngoài ra chiết suất của màng thay đổi không phụ thuộc vào nhau và chiều dày không tương thích của các màng cũng là các yếu tố ảnh hưởng. Hình 2.8. Phổ truyền qua của bộ lọc giao thoa đa lớp với dải thông ở điểm có bước sóng là 500nm II.1.5. Đơn sắc kế Là dụng cụ quang học bao gồm: 42 1- Khe hẹp (slit) đầu vào để chùm sáng đi vào tạo hình ảnh rất hẹp của nguồn bức xạ. 2- Chuẩn trực (Collimator) làm cho chùm tia sáng đi từ khe luôn song song 3- Cách tử (Grate) hay lăng kính để phân tán chùm tia tới. 4- Chuẩn trực để tái tạo hình ảnh của nguồn bức xạ khi đến khe đầu vào. 5- Khe đầu ra nhằm định vị và tách phổ bằng cách ngăn chặn tất cả các bức xạ phân tán ngoại trừ bức xạ cho độ phân giải của phần tử. Các dụng cụ quang học này được đặt gần nhau. Nhiệm vụ chính của đơn sắc kế là cung cấp chùm bức xạ có bước sóng và độ rộng dải phổ xác định. Phổ đầu ra của đơn sắc kế được sử dụng như nguồn sáng liên tục. Nhiệm vụ thứ 2 là điều chỉnh năng lượng đi qua bằng điều chỉnh độ rộng khe. Khe có chiều rộng rất nhỏ sẽ cho năng lượng rất nhỏ đi qua cho tác dụng của độ nhạy phân tích như kết quả của sai hỏng giữa tỷ số tín hiệu/nhiễu. Yêu cầu của đơn sắc kế: - Thiết kế phải đơn giản - Độ phân giải cao - Độ rộng vùng phổ xác định - Tính đơn sắc của chùm sáng ra - Độ tán sắc: Độ tán sắc lớn và công suất cao sẽ nén các phổ phát xạ thành các vạch rời rạc và dải phổ hấp thụ nhọn sẽ cho phổ rõ nét hơn. Các dạng gương hoặc kính được sử dụng để thu bức xạ ánh sáng từ nguồn và hướng tất cả chùm tia vào khe đầu vào của đơn sắc kế. II.1.5.1 Khe (SLIT) Đơn sắc kế không thể định vị một bước sóng của chùm sáng từ phổ liên tục của bức xạ nguồn, thay vào đó là một dải bước sóng xác định của bức xạ đi qua đơn sắc kế. Đầu vào của đơn sắc là khẩu độ dài và hẹp với độ rộng có thể điều chỉnh được gọi là khe, khe dài hơn 3 mm. Bên trong đơn sắc kế, chùm tia bị lệch khỏi khe đầu vào và chiếu vào gương của ống chuẩn trực tạo thành chùm sáng song song, hội tụ chùm tia vào phần tử phân tán. Chùm sáng song song đi từ ống chuẩn trực là một dạng mở rộng của khe đầu vào. Tiết diện hình chữ nhật của chùm tia phải đủ lớn để chiếu vào toàn bộ bề mặt của lăng kính hay chiều dài của cách tử. Ngược lại, dụng cụ tán sắc sẽ tách chùm sáng tới đa bước sóng thành các chùm sáng đơn sắc, mỗi chùm ra khỏi dụng cụ tán sắc với góc khác nhau. Để điều chỉnh hình dạng chùm sáng đầu vào và đầu ra, sử dụng 2 gương nhỏ được đặt lệch nhau 45 o . Chúng ta sẽ khảo sát sự phụ thuộc cường độ sáng tại khe đầu ra phụ thuộc vào bước sóng theo sơ đồ sau đây: Hình 2.9. Khe và phân bố kích thước và hình dạng hình ảnh của nguồn 43 A B DC HG FE 54321 54321 Trong hình 2.9. ABCD là hình ảnh của dải đơn sắc trên mặt phẳng đầu ra, EFGH là kích thước khe, giả sử hai hình chữ nhật bằng nhau; 1, 2, 3, 4 là vị trí các bước sóng. Khi hình ảnh của khe đầu vào dịch chuyển dọc theo mặt phẳng hội tụ và đi qua khe đầu ra, trong khi dụng cụ tán sắc quay để quét các bước sóng. Giả sử đến một điểm khi cạnh BD của hình ảnh đến vị trí 1, không có ánh sáng truyền qua khe đầu ra. Khi BD đến vị trí 2, một nửa chùm sáng đi qua. Tại vị trí bước sóng tiêu chuẩn số 3 khẩu độ của khe đầu ra được lấp đầy hoàn toàn, và cường độ chùm sáng truyền qua là 100%. Khi hình ảnh đạt vị trí 4 hệ số truyền qua còn 1/2 và tại vị trí số 5 bằng không. Hình tam giác cho thấy sự phụ thuộc cường độ ánh sáng truyền qua và bước sóng, được bểu diễn bởi các vị trí của hình ảnh. Khe được đặc trưng bởi độ rộng dải phổ. Độ rộng dải phổ có thể được xác định như là khoảng bước sóng của bức xạ khi ra khỏi khe đầu ra của đơn sắc kế, bằng hiệu số bước sóng giữa hai điểm khi cường độ truyền qua bằng 1/2 cực đại hoặc độ rộng của dải phổ chiếm 75% năng lượng bức xạ rời khỏi đơn sắc kế. Độ rộng của khe xác định cường độ và độ phân giải. Để quét phổ phân tử, chiều rộng của khe được điều chỉnh sao cho giải phổ đi qua bằng 1/10 độ rộng dải phổ sẽ ghi. Đối với phổ nguyên tử các vạch được ghi khi độ rộng của khe bằng 1/2 độ rộng của dải phổ. Như vậy việc chọn độ rộng khe phụ thuộc vào mức độ cách biệt giữa các vạch phổ hoặc vị trí định vị của các đường phân tích từ các đặc điểm phổ giao nhau. II.1.5.2. Tạo màng mỏng Bên trong đơn sắc kế cần phải sử dụng các bề mặt của gương để chuẩn trực và hội tụ chùm tia. Để làm thẳng các loại thấu kính và làm cho độ lệch tia sáng nhỏ nhất. Khi tia sáng đi từ môi trường 1 (có chiết suất n 1 ) tới môi trường 2 (có chiết suất n 2 ), một phần sẽ bị phản xạ tại lớp biên phân cách giữa hai môi trường . Phần hao tổn đi sẽ là : 2 12 12         + − = ηη ηη Rflection Thông thường môi trường 1 là môi trường không khí n 1 =1, do đó thành phần mất đi là một hàm của chiết suất môi trường đó. Sự hao tổn đối với vật liệu có chiết suất cao sử dụng trong vùng hồng ngoại có thể dẫn đến sự suy giảm nhanh cường độ sáng trong hệ nhiều thành phần. Thậm trí đối với các loại thuỷ tinh có chiết suất thấp tổng hao phí có thể là đáng kể nếu như số lượng các dụng cụ quang học tham gia vào lớn. Với chiết suất của thuỷ tinh là n 2 = 1,25 thì tại mỗi bề mặt tiếp xúc giữa không khí và thuỷ tinh phần hao tổn sẽ là 4%. Để giảm độ hao tổn, trên bề mặt kính thuỷ tinh phủ một lớp màng mỏng điện môi, hoặc kim loại hoăc cả hai chiều dày của màng bằng 1/2 bước sóng ánh sáng. Khi đó: 2 2 2         + − = gaf ga f Rflection ηηη ηηη Trong đó: n f : Chiết suất của mảng mỏng. n a : Chiết suất của môi trường. n g : Chiết suất của đế. Độ hao phí còn ~ 0,2 % cho một bề mặt tiếp xúc. II.1.5.3. Sợi quang (Fiber Optics) 44 [...]... giải, công suất tập trung ánh sáng, độ đơn sắc của ánh sáng ở đầu ra (purity of light output) a) Độ phân giải - còn gọi là công suất phân giải, là khả năng phân biệt rõ ràng các đặc trưng của phổ trùng lên nhau, có thể là dải phổ hấp thụ hoặc vạch phổ phát xạ Độ phân giải được xác định bởi kích thước và đặc trưng tán sắc của cách tử hoặc lăng kính Định nghĩa được sử dụng rộng rãi là R = λ/dλ = W(dθ/dλ)... chùm tia, hiệu ứng nhiễu xạ (quang sai) v.v Độ phân giải (resolution) phụ thuộc vào độ tán sắc (Dispersion) và mức độ hoàn hảo của hình ảnh, trong khi đó độ đơn sắc được xác định chủ yếu bởi số lượng nhiễu hoặc ánh sáng tán xạ Trong hệ đơn sắc kế thì độ tán sắc phải lớn và công suất phân giải phải cao để có thể đo một cách chính xác phổ bức xạ với các vạch hoặc dải phổ hấp thụ nhọn 45 Hình 2.10 Ảnh... nhiễu xạ, điều này rất lóng phớ vỡ phải loại bỏ bức xạ bị nhiễu xạ cỏc bậc khỏc và cả bậc như vậy nhưng ở mặt bên kia của chùm tia tới Bức xạ có thể bị nhiễu xạ gần như theo 1 góc xác định khi sử dụng cách tử dạng răng cưa Cỏc rónh được tạo bởi dao kim cương và thường có dạng chữ V đối xứng giống như hỡnh 2.14 φ N Hình 2.14 Sơ đồ cách tử phản xạdạng răng cưa Sự phản xạ hoàn toàn hiệu quả khi tia tới và. .. sóng nhất định và bị nhiễu xạ Như vậy nếu khe được làm rộng ra thỡ cực đại chính trong giản đồ nhiễu xạ sẽ rộng ra và độ phân giải của dụng cụ tán sắc sẽ giảm đi Mặt khác khi độ rộng khe giảm đến một kích thước nào đó mà độ rộng vạch phổ không thể giảm được nữa thậm chí dụng cụ tán sắc có độ phân giải rất cao Điểm này xuất hiện khi độ rộng vạch phổ bị giới hạn bởi các hiệu ứng áp suất và Doppler b)... dải phổ (Bandpass) lên dạng phổ 1- BP = 20 nm ; 2 – 10 nm ; 3 – 5 nm ; 4 – 1 nm ; Nếu độ phân giải nhỏ, độ rộng dải phổ ở đỉnh tăng lên, sự tách biệt giữa hai đỉnh không rõ ràng Khi tăng độ phân giải, chiều cao đỉnh phổ tăng lên Mặt khác, nếu độ phân giải quá lớn sẽ xuất hiện nhiễu trùng lên tín hiệu (rất khó nhận thấy sự ảnh hưởng này) (hình2.10) Như vậy cần chọn độ phân giải hợp lý Khi độ rộng dải phổ. .. suất lớn do đó công suất tán xạ của vật liệu (dn/dλ) phải lớn Đối với thuỷ tinh, sự hấp thụ đạt cực đại tại λ< 360 nm, do đó công suất phân giải lớn nhất trong vùng màu xanh da trời (Blue) và vùng tím Thạch anh hấp thụ tại λ< 185 nm cho cụng suất phõn giải lớn nhất trong vựng tử ngoại (UV-từ 300 đến 200 nm) và tương đối thấp trong vùng nhỡn thấy (VIS) Hình 2.11 Sơ đồ xác định độ tán sắc của lăng kính... hai đỉnh (peak) được coi là phân biệt khi cường độ giữa chúng giảm ít nhất 10% Thông thường thì người đo mong muốn có khoảng thấp biểu diễn nền cơ sở giữa hai vạch phổ phát xạ mà không có điều kiện liên quan tới cường độ vạch Như vậy hai vạch phổ có thể chạm nhau nhưng không thể trùng nhau Trong trường hợp này, độ phân giải chính bằng chiều rộng cơ sở của khe: ∆λ = 2WD-1 Độ phân giải của một đơn sắc... đường kính gương chuẩn trực II. 1.5.5 Dụng cụ tán sắc a) Lăng kính Hoạt động của lăng kính phụ thuộc vào sự khúc xạ ánh sáng khi truyền qua vật liệu Công suất tán sắc phụ thuộc vào sự thay đổi của chiết suất với bước sóng Tia sáng chiếu vào lăng kính với góc tới i sẽ bị khúc xạ tại bề mặt Để giảm sự nhiễu loạn của lăng kính và nhận được rõ nét các tia sáng đơn sắc cần chiếu vào lăng kính ánh sáng song... và tia nhiễu xạ tạo ra 1 gúc φ, φ được gọi là góc răng cưa Khi cách tử được sử dụng với góc tới bằng góc phản xạ thỡ: mλ =2dsinθ; Cách tử loại này thường cho hiệu quả thấp ở vùng hồng ngoại cho nên thường sử dụng trong vùng nhỡn thấy và vựng tớm gần Bài tập : Cách tử nhiễu xạ có chiều rộng 10,40cm gồm 600 khe/mm có dạng răng cưa φ=45° 49 a) Tính góc bước sóng của bức xạ nhiễu xạ bậc 1 ,4 và 9 b) Tớnh... ảnh nhiễu xạ với cường độ nhỏ nhất tại ± λ; ± 2λ (hỡnh a ),cực đại lớn nhất tại O (tâm) Rayleigh giả sử rằng nếu 2 hỡnh ảnh nhiễu xạ tương ứng với hai điểm P và P’ thoả món điều kiện điểm cực đại trung tâm của P’ không quá gần P hơn là điểm cực tiểu đầu tiên của P (hỡnh 2.12b) Như vậy P và P’ được coi như phân biệt Một điểm quan trọng có thể nhận thấy ở cỏc vạch phổ là ảnh hưởng bởi khe đầu vào tại một . CHƯƠNG II KỸ THUẬT PHÂN TÍCH PHỔ HẤP THỤ VÀ PHỔ PHÁT XẠ II. 1. Các dụng cụ trong hệ phổ hấp thụ và phổ phát xạ Sơ đồ cơ bản của một hệ đo phổ hấp thụ hoặc phổ phát xạ có thể được. sắc lớn và công suất cao sẽ nén các phổ phát xạ thành các vạch rời rạc và dải phổ hấp thụ nhọn sẽ cho phổ rõ nét hơn. Các dạng gương hoặc kính được sử dụng để thu bức xạ ánh sáng từ nguồn và hướng. output). a) Độ phân giải - còn gọi là công suất phân giải, là khả năng phân biệt rõ ràng các đặc trưng của phổ trùng lên nhau, có thể là dải phổ hấp thụ hoặc vạch phổ phát xạ. Độ phân giải được