4.2.-SPECTROSCOPIE MOLECULARA - detectori -20

Spectroscopie moleculară UV-VIS

231

II.4.4.2.4. Detectoare de radiaţie

Principial există trei tipuri de detectoare de radiaţieelectromagnetică, un tip reacţionează la fotoni în domeniul UV-VIS, unul lafotoni în domeniul IR, iar celălalt la radiaţii gama şi Röntgen. Detectoarelede fotoni în domeniul UV-VIS sînt denumite uzual detectoare cuantice saudetectoare fotoelectrice şi sînt formate din suprafeţe optic active capabilesă absoarbă radiaţie şi s-o transforme într-o mărime electrică proporţională.Detectoarele fotoelectrice se deosebesc de detectoarele din domeniul IRprin faptul că la primele semnalul electric reprezintă suma unor radiaţiiindividuale bine cuantificate pe cînd la cele din urmă semnalul electric esterezultatul puterii medie a radiaţiei incidente (o parte din radiaţa infraroşieeste percepută de organism drept căldură motiv pentru care detectoarelede radiaţii IR sînt denumite impropriu şi detectoare de căldură). În cepriveşte zgomotul de fond, pentru detectoarele fotoelectrice este limitativzgomotul Schotky pe cînd pentru detectoarele IR zgomotul termic, motivpentru care erorile aleatoare generate de aceste zgomote sîntfundamental diferite

II.4.4.2.4.1. Detectoare cuantice

Detectoarele cuantice au la bază efectul fotoelectric intern şi extern. Sedeosebesc detectoare cuantice monocanal şi detectoare cuanticemulticanal. Detectoarele monocanal pot fi de tip:

- fotoelement- fotocelulă- fotomultiplicator- numărător de scintilaţie


232

- fotorezistenţă- fotodiodă de siliciu

Detectoarele cuantice multicanal sînt de tip:- şir de fotodiode ( Diod-Array)- charge tranfer (CCD)- vidicon

II.4.4.2.4.1.1. Detectoare cuantice monocanal

Fotoelementul este un detector fotoelectric semiconductor uzualcare se bazează pe generarea unui curent electric la limita dintre unsemiconductor şi un metal atunci cînd asupra semiconductorului cade oradiaţie fotonică. Fotoelementele sînt folosite în general pentru domeniulvizibil al radiaţiei electromagnetice, sensibilitatea lor spectrală maximăfiind situată undeva în jur de 500 nm. In figura II.4.29 este reprezentatăschema de principiu a unui fotoelement.

Fig.II.4.29. Schema de principiu a unui fotoelement clasic: 1-electrod metalic, 2-electrodsemiconductor, 3-electrod metalic colector transparent, 4-geam de sticlă, 5-carcasă plastic

Fotoelementul este format dintr-un electrod plan de fier sau cupru 1acoperit de un strat subţire semiconductor de seleniu sau siliciu 2. Pesteelectrodul semiconductor este depus un strat transparent extrem subţire deargint sau aur 3 cu rol de colector de electroni. Intre folia subţire de argintşi semiconductor se formează un strat de blocare tip pn. Atunci cînd asupra


233

stratului semiconductor cade lumină se desfac legături covalente prin efectfotoelectric intern ocazie cu care rezultă electroni liberi şi goluri într-unnumăr proporţional cu cantitatea de lumină ce cade asuprafotoelementului. Electronii se deplasează spre electrodul metalic colectortransparent, iar golurile spre electrodul de fier sau de cupru. Din cauzajoncţiunii de blocare tip pn circuitul electric între cei doi electrozi nu sepoate inchide decît prin intermediul unui circuit exterior făcînd astfelposibilă măsurarea curentului electric generat prin iradiereafotoelementului cu o radiaţie luminoasă a cărei frecvenţă şi intensitateconţine informaţii calitative şi cantitative despre specia chimică analizată.Avantajele fotoelementului cu strat de blocare semiconductor sînt legatede robusteţe, preţ de cost scăzut, lipsa unei tensiuni exterioare dealimentare. Dezavantajele sînt legate de sensibilitate redusă la iluminărimici şi de rezistenţa electrică internă mică ceea ce se manifestănefavorabil asupra amplificării semnalului de ieşire. De asemenea,fotoelementul cu strat de blocare semiconductor are tendinţă de îmbătrînire,fenomen ce se manifestă prin scăderea intensităţii semnalului electric deieşire la iradieri îndelungate ale fotoelementului.

Fotocelula este un detector de radiaţie sub formă de tubelectronic, figura II.4.30, din sticlă, vidat, prevăzut un catod 1 semicilindric,figura II.4.31, (fotocatod) şi un anod 2 sub formă de sîrmă. Fotocatoduleste format dintr-un metal cu energia de ieşire mică (ex. Ce, K, Cd, Cs)depus pe partea din spate a tubului de sticlă. Fotocatodul emite electroniatunci cînd asupra lui cade lumină (efect fotoelectric extern). Cantitatea deelectroni emisă de catod este proporţională cu intensitatea luminoasă cecade pe el.


234

Fig. II.4.30. Fotocelulă Fig. II.4.31. Schema de principiu a unei fotocelule 1-catod, 2-anod, 3-tub de sticlă, 4-sursă externă. 5-

preamplificator,6- unitate electroniocă

Pentru a funcţiona fotocelula are nevoie de o tensiune continuă exterioarăde cîţiva zeci de volţi aplicată între anod (+) şi catod (-). Electronii eliberaţiprin efect fotoelectric extern din catod sînt aceleraţi în drumul lor spreanod între cei doi electrozi apărînd un fotocurent măsurabil. Amplificareaacestui curent, mai mic ca la fotoelemente, se realizează însă mai uşordecît la acestea pentru faptul că fotocelulele au o rezistenţă electricăinternă mai mare decît fotoelementele. La tensiuni externe mici aplicatefotocelulei, intensitatea cîmpului electric nu este suficientă pentru aaccelera în direcţia anodului toţi electronii eliberaţi prin efect fotoelectricmotiv pentru care fotocurentul depinde de tensiunea exterioară aplicatăceea ce este defavorabil la măsurări fotometrice unde fotocurentul trebuiesă depindă numai de iluminare. La creşterea tensiuni externe se ajunge laun moment dat la o tensiune de saturaţie, situaţie în care toţi electroniiemisi de catod se descarcă la anod. Acest lucru înseamnă că la creştereatensiunii externe curentul nu mai creşte ci rămîne constant, modificările luireflectînd în continuare numai variaţiile iluminării fotocelulei. Acesta estemotivul pentru care fotocelulele sînt alimentate cu tensiuni exterioare lanivelul tensiunii de saturaţie (uzual 90 V). Trebuie specificat că lailuminarea fotocelulei rezultă un fotocurent slab chiar şi atunci cînd între


235

anod şi catod nu se aplică nici o tensiune, această tensiune esteproporţională cu frecvenţa luminii de iradiere şi poate fi folosită pentrudeterminarea constantei lui Plank.

Fotomultiplicatorul este un tub electronic special pentruamplificarea unor semnale slabe de lumină şi transformarea lor în semnaleelectrice proporţionale. Un fotomultiplicator reprezintă practic o înseriere defotodiode care se găsesc toate în aceeaşi incintă vidată. Constructiv, unfotomultiplicator, figura II.4.32, este format dintr-un tub de sticlă în care segăseşte un fotocatod 10, un fotoanod 9 şi un număr de pînă ladoisprezece electrozi de accelerare 1-8 secundari, denumiţi dinode.

Fig. II.4.32. Schema de principiu a unui fotomultiplicator: 1-8 dinode, 9-anod, 10-catod


236

Fotonii cad pe fotocatodul 10 şi extrag prin efect fotoelectric electroni dinsuprafaţa acestuia. Fotoelectronii eliberaţi sînt acceleraţi în cîmpul electricrealizat prin aplicarea unei tensiuni exterioare de cca +90 V între catodul10 şi prima dinodă 1. La impactul cu prima dinodă fiecare fotoelectronprovoacă reemisia de pe aceasta a 3..10 electroni secundari, aceştia sîntacceleraţi la rîndul lor între dinoda 1 şi dinoda 2 de o tensiune tot de +90Vraportată la dinoda 1. În felul acesta, numărul de electroni generaţi creşteîn cascadă de la dinodă la dinodă, obţinîndu-se o amplificare extrem demare. Pentru ca acest lanţ multiplicator de electroni să funcţioneze estenecesar ca potenţialul electropozitiv să fie crescător de la dinodă la dinodă(în schemă de la stînga la dreapta). Acest lucru se realizează de regulăprintr-un lanţ divizor de tensiune cu rezistori. La sfîrşit electronii ajung peanod şi se scurg la masă provocînd o cădere de tensiune proporţională cuintensitatea fasciculului incident de fotoni. Factorul de multiplicare creşteexponenţial cu numărul dinodelor. Multiplicatoarele tipice au cca 8-10dinode. Dacă la fiecare dinodă se extrag 5 electroni secundari de către unelectron incident se obţine o amplificare a numărului de electroni (adică acurentului) cu un factor de 58- 510. Numărul de de electroni secundariproduşi este proporţional cu numărul de fotoni de intrare atîta timp cît nuse depăşeşte un prag de saturaţie, prag ce se situează la cca 10% din"curentul transversal" (curentul care curge prin lanţul divizor de tensiune). Înacest fel şi înălţimea semnalului de tensiune de ieşire este proporţional cunumărul de fotoni incidenţi, deci cu intensitatea luminii care cade pefotocatodul 10. Fotomultiplicatoarele sînt utilizate ca detectoare pentruradiaţii electromagnetice şi particule elementare (radiometre gama,spectrometre gamma, spectroscoape UV-VIS). Avantajele folosiriifotomultiplicatoarelor rezultă din sensibilitatea lor deosebită şi din timpul derăspuns deosebit de mic. Ca dezavantaj al fotomultiplicatoarelor trebuiemenţionat zgomotul rezidual destul de mare provocat de emisia termică deelectroni chiar şi în lipsa semnnalului. Întrucît radiaţii intense pot distrugefotomultiplicatorul, utilizarea lui este restrînsă la radiaţii de intensitate mică.Pînă şi influenţa luminii zilei poate distruge un fotomultiplicator, motiv pentru


237

care atît la transport cît şi la utilizare aceştia sînt protejaţi la pătrunderearadiaţiilor nedorite.

Detectoare de radiații gama și beta. La ora actuală, pentrumăsurarea în scop spectroscopic a radiațiilor gama și beta sînt folositedouă tipuri de detectoare: detectoare de scintilații și detectoaresemiconductoare. Detectoarele de scintilații, figura II.4.33, se compundintr-un scintilator 1 și un fotomultiplicator 2, (fig. II.4.32). La pătrundereaunei radiaţii gama în materialul special al scintilatorului este declanşată oscintilaţie luminoasă slabă care provoacă în primul fotocatod alfotomultiplicatorului lipit de scintilator eliberarea de electroni prin efectfotoelectric. Aceşti electroni sînt amplificaţi în avalanşă in fotomultiplicatorașa cum s-a descris deja, la anod rezultînd un impuls de curent binemăsurabil. Dacă asupra scintilatorului cad electroni exteriori (radiaţie beta)aceştia pot fi transformaţi și ei în scintilaţii luminoase (radiaţie de frînare).La numărătoarele de scintilaţie deosebit de compacte, în loculfotomultiplicatorului sînt folosite fotodiode sensibile din ultima generaţiecare au aproape aceleși performanțe ca și fotomultiplicatoarele.

Fig.II.4.33. Schema de principiu a unui numărător de scintilaţie: 1-numărător de scintilație,2-material generator de scintilaţie, 3-fotomultiplicator, 4-amplificator electronic, 5-unitateelectronică (analizor de impuls)


238

Materialul generator de scintilație este realizat atît din substanţeanorganice cît şi din substanţe organice. Substanţele anorganice auavantajul unei densităţi mai mari ceea ce măreşte capacitatea de absorbţiea radiaţiilor gama şi prin aceasta sensibilitatea numărătorului. O substanţădes folosită este iodura de sodiu dopată cu cantităţi mici de thaliu (cca0,1%). Alte substanţe folosite sînt clorura de lantan (LaCl3) sau iodură decesiu (CsI). Germanatul de bismut (BiGe) este folosit pentru radiaţii gamade energie ridicată. Cu acest detector se pot înregistra şi spectre γ- şispectre β- ceea ce nu este posibil cu un tub numărător Geiger-Müller, cucel din urmă putîndu-se numai număra particulele şi nu cuantifica energia.Detectoarele semiconductoare sînt cu telură de cadmiu-zinc (CdZnTe) saucu germanium răcit cu azot lichid. Detectoarele semiconductoare aurezoluție mai bună decît detectoarele de scintilaţie dar au reproductibilitatemai slabă decît ultimele.

Fotorezistenţa. Detectorul de tip fotorezistență este un rezistorsemiconductor, figura II.4.34, a cărui rezistenţă scade cu creştereaintensităţii luminoase. În ce priveşte sensibilitatea, fotorezistenţele sîntdepăşite doar de fotomultiplicatoare dar spre deosebire de acestea sîntdestul de lente ca viteză de reacţie (domeniul lor de lucru ajunge de lamilisecunde la secunde). Fotorezistenţele sînt detectoarele cu utilizare largăla spectroscopia în infraroşu apropiat. Avantajul lor este preţul de costscăzut, iar dezavantajul lor zgomotul de fond foarte mare datoratfenomenelor induse termic la nivele de energie foarte apropiate. Prinrăcirea detectoarelor acest zgomot se poate reduce mult.


239

Fig.II.4.34. Fotorezistenţă

Materialul cel mai utilizat pentru fotorezistenţe destinate detectoarelorspectroscopice este sulfura de plumb deoarece are avantajul că poate fifolosită la temperatura camerei. Pentru detectoare de iluminare, folosite înluxmetre şi în aparate foto, materialul cel mai utilizat pentru confecţionareafotorezistenţelor este sulfura de cadmiu care are sensibilitatea opticăapropiată de cea a ochiului omenesc sau de cea a filmelor fotografice.Pentru fotorezistenţe sînt caracteristice valoarea fotorezistenţei la întuneric(1 MOhm- 100 MOhm) şi valoarea fotorezistenţei la lumină cu intensitateamare, considerată de 100%, (100 Ohm - 2 kOhm).

Fotodioda de siliciu. Detectoarele fotodiodă de siliciu sînt detip semiconductor. Aplicarea unei tensiuni de alimentare externăprovoacă o sărăcire în electroni în zona de blocare de tip pn făcînd ca aiciconductivitatea să se apropie de zero, figura II.4.35. Dacă asupra diodeiacţionează radiaţie electromagnetică în zona de blocare

Fig.II.4.35. Reprezentarea schematică a formăriifotocurentului la o diodă cu siliciu

se formează goluri (+) şi electroni (-) care duc la instalarea unui curentelectric proporţional cu intensitatea radiaţiei electromagnetice. O fotodiodăde siliciu este mai sensibilă decît o fotocelulă cu vacuum şi mai puţin


240

sensibilă decît un fotomultiplicator putînd fi folosită într-un domeniu spectralcuprins între 200-1100 nm acoperind domeniul UV-VIS-NIR.

II.4.4.2.4.1.2. Detectoare cuantice multicanal

Detectoarele multicanal se compun dintr-o înşiruire de elementefotoelectrice de dimensiuni mici plasate unul lîngă altul, astfel încît săpoată prelua cu o rezoluţie suficient de mare un domeniu spectral destul delarg, cum ar fi de exemplu UV-VIS sau UV-VIS-NIR.

Detectorul de tip Diode Array reprezintă o înșiruire defotodiode de siliciu (Diode-Array) au schema succesiunii zonelor pnreprezentata în figura II.4.36 , iar vederea unui Cip Diode array este redată

Fig.II.4.36 Schema unui cip de siliciu cudimensiunile şi sucesiunea unui şir defotodiode de siliciu

Fig. II.4.37. Vederea de sus a unuicip de tip Diode-Array

în figura II.4.37. Circuitul integrat care conţine şirul de fotodiode, formatdintr-un număr de multipli de 256 unităţi (256, 512, 1024, 2048...) de diode


241

independente, mai conţine pentru fiecare fotodiodă din şir, un condensatorşi un comutator tip tranzistor precum şi un circuit general tip registru

Fig.II.4.38. Schema electronică a unui cip tip Diode-Array

pentru citirea individuală a circuitelor fotodiodă- condensator. Fiecarecircuit pereche fotodiodă–condensator este legat printr-un comutatorelectronic tip tranzistor cu o linie comună de ieşire, figura II.4.38. Registrulserial de citire închide pe rînd fiecare din aceste comutatoare încărcîndcondensatorul cu -5V şi generînd totodată o zonă de blocare în juruljoncţiunii pn. Dacă asupra acestei zone de sarcini (vezi şi fotodiode desiliciu) acţionează în zona p sau n radiaţie electromagnetică, se formeazăelectroni şi goluri care duc la instalarea unui curent electric ce descarcăparţial condensatorul din circuitul de comutaţie. Sarcinile pierdute decondensator sînt compensate prin reîncărcarea acestuia la următorul ciclude citire. Curentul de reîncărcare a condensatorului este amplificat decătre un circuit de preamplificare


242

Fig. II.4.39. Schema bloc a unui spectrometru miniatural echipat cu detector Diode- Array.1,2- oglinzi concave, 3-reţea de difracţie, 4-detector Diode-Array, 5-capcană de luminădifuză (vezi și figII.4.44)

rezultînd o tensiune care este proporţională intensităţii radiaţieielectromagnetice. După amplificare semnalul ajunge într-un convertoranalog/digital, iar de aici în microprocesorul specializat. La ora actuală, dinmotive de miniaturizare şi de preţ de cost pe piaţă se găsesc modulespectrometrice opto-electronice monobloc, figura II.3.39. care conţin unmonocromator ce descompune lumina spectral şi un detector de spectrularg, de tip şir de fotodiode, montat într-un ansamblu monobloc gata reglatşi capsulat. Avantajul detectoarelor şir de fotodiode constă în primul rînd în faptulcă se citeşte un spectru larg în mod instantaneu fără a fi necesară


243

scanarea secvenţială a spectrului. Datorită vitezei mari de reacţie de pînăla 1 spectru complet pe milisecundă acest detector este indispensabil lamăsurări spectrofotometrice ce se desfăşoară cu viteză foarte mare.Utilizarea detectorului Diode-Array ca detector cromatografic HPLC arezolvat problema pierderii unui anumit component din cromatogramă lautilizarea monocromatoarelor cu scanare spectrală lentă. De asemenea,un asemenea detector are preț de cost scăzut, are compatibilitate perfectăcu fibrele optice, are stabilitate şi modularitate înaltă şi contribuie esenţialla miniaturizarea spectrometrelor. Dezavantajul principal al detectoarelorşir de fotodiode îl reprezintă, la ora actuală, sensibilitatea mai scăzută fațăde detectoarele clasice, domeniul dinamic şi raportul semnal/zgomot maimici decît al unui fotomultiplicator. De asemenea, utilizarea spectrometrelorcu şir fotodiode la determinări fotometrice pentru specii chimice ce daureacţii fotochimice duce la erori de măsurare datorită faptului că iradiereaprobei se face cu un spectru de radiație larg din care o parte influenţeazăviteza de reacţie.

Detectorul optoelectronic CCD (Charge Coupled Device) esteun detector de radiaţie cu rezoluţie locală foarte mare (rastru extrem defin) destinat măsurării intensităţii luminoase. Detectoarele CCD se compundin semiconductori şi ca atare reprezintă ca ansamblu un elementsemiconductor de tip cip electronic care se compune dintr-o matricerealizată din celule fotosensibile care se numesc pixeli (picture elements).Iniţial, CCD-urile au fost dezvoltate pentru stocarea informaţiei, s-a observatînsă destul de repede că aceste cip-uri sînt fotosensibile şi dau un semnalelectric proporţional cu iluminarea. CCD-urile au devenit repede elementulreceptor de imagine în camere digitale foto unde cipul receptor este formatdintr-o matrice ("Array") cu 300.000 pînă la mai multe milioane de pixeli(celule fotosensibile individuale) ce corespund unui increment de iradieredenumit pixel de imagine. Celule fotosensibile de tip pixeli au forme dedreptunghi sau de pătrat cu o lungime a laturii de 5-20 µm. Între pixeliexistă conductori electrici foarte fini. Aceşti conductori fiind optic inactivi duc


244

la o pierdere de iluminare. Din acest motiv cu cît sînt mai mulţi pixeli activipe unitatea de suprafaţă rezoluţia crește, în schimb sensibilitatea lailuminare scade. La un număr mic de unităţi tip pixel pe unitatea desuprafaţă (unităţi pixeli de dimensiune mare) sensibilitatea la iluminareeste mai bună, în schimb rezoluţia mai slabă, rezultatul find imagini maişterse şi neclare.

CCD-urile funcţionează în felul următor. O încărcătură electrică(Charge), proporţională cu cantitatea de lumină, este extrasă (Coupled)din fiecare celulă şi stocată în vederea prelucrărilor ulterioare. In timpulfracţiunilor de secundă cît durează stocarea informaţiei un obturatorîntunecă CCD-ul pentru a impiedica falsificarea informaţiei prin lumina cear putea cădea pe pixeli. În funcţie de modul cum se face transferul sarciniielectrice de la celulele fotosensibile către celulele de stocare, la o camerăvideo se deosebesc procedeele:

Frame Transfer (FT)–la acest procedeu se foloseşte un obturatorce închide accesul luminii către CCD în timpul citirii şi transferului deinformaţie, în acest fel se obţin frecvenţele de cadre de 25 imagini/secundăspecifice în televiziune

Interlines Transfer (IT)–la acest procedeu sarcina pixelului estetransferată permanent către o celulă intermediară de stocare, ecranată înpermanenţă din punct de vedere optic, iar de aici sarcina este trimisăpentru prelucrare ulterioară. Micşorarea suprafeţei optic active ca urmare aprezenţei celulelor ecranate este compensată prin acoperirea atît a celuleiactive cît şi a celei ecranate cu o lentilă colectoare. Procedeul IT areavantajul unor timpi mici de transfer de la domeniul fotosensibil la cel deprelucrare a semnalului precum şi pe cel al lipsei unui obturator mecanic.Dezavantajul se manifestă sub forma apariţiei unei dungi mobiledeplasabile pe verticală atunci cînd avalanşa de purtători de sarcină esteprea mare. Trebuie specificat că la acest proces rezultă numai imagini albnegru cu diferite nivele de gri. Pentru obţinerea de imagini color celulele tippixel se prevăd alternativ cu filtre colorate. Un punct colorat se compunedin mai multe celule sensibile fiecare de altă culoare. De regulă, un pixel


245

se prevede cu un filtru miniatural verde, altul cu un filtru albastru, iar altulcu un filtru roşu. Prin aplicarea acestui procedeu se micşorează rezoluţiade culoare pînă la o pătrime din rezoluţia nivelelor de gri. Pentru a înlăturaacest dezavantaj se interpolează matematic culorile intermediare de pixeli.Informaţia combinată de culoare şi de luminozitate se extrage din fiecareelement tip pixel pe baza unui algoritm special de filtrare. Pentru formatulcel mai utilizat JPEG, cu cîmpuri de dimensiuni 8x8, această informaţie seprelucrează în continuare prin analiză de frecvenţă care contribuie şi lareducerea cantităţii de informaţie procesată. Afară de suprafeţefotosensibile matrice de celule de tip pixel sînt folosite adesea detectoareCCD tip linie "Stripes". Acestea îşi găsesc utilizarea în special înspectroscopie şi la scanere electronice, o aplicaţie specifică fiind laspectrometrele de emisie atomică cu plasmă (AOES). Mai trebuiemenţionat că cip-urile CCD nu acoperă numai domeniul vizibil ci şi pe celultraviolet şi Röntgen, corespunzător dimensiunile pixelului au scăzut, eleajungînd pînă aproape de 0,1 picometri. Mai nou, datorită tehnicilor deeliminare a zgomotului de fond mare şi a sensibilităţii mici, specificesensorilor CMOS, aceştia din urmă sînt folosiţi tot mai mult în tehnica foto.O tehnică nouă în domeniu foloseşte aşa-numitul senzor Super CCD subformă de pixeli tip fagure hexagonal deformat. Densitatea de pixeli la acestdetector este mai mare ca la cel clasic ceea ce duce la o creşterecorespunzătoare a rezoluţiei. Semnalul de ieşire a unui CCD este serial,sarcina electrică a fiecărui pixel este eliberată pe rînd, pe cînd iluminareapixelilor de către imaginea iniţială este de tip paralel deoarece toţi pixeliisînt iluminaţi concomitent.

II.4.4.2.4.2. Detectoare de radiaţie infraroşie.

Dată fiind energia mai mică a fotonilor din domeniul infraroşumăsurarea acestora cu detectoare de radiaţie este destul de dificilă.


246

Semnalul unui detector de radiaţie infraroşie este redus şi trebuieamplificat apreciabil. Acesta este motivul principal pentru care sistemul dedetecţie limitează sensibilitatea şi precizia unui aparat ce lucrează îndomeniul infraroşu. Sînt trei categorii de detectoare infraroşii:- detectoare termice- detectoare piroelectrice- detectoare fotoconductoare

Detectorul termic este un element senzorial al cărui semnalelectric depinde de efectul de încălzire produs de radiaţia infraroşiepurtătoare de informaţie despre compoziţia chimică a speciei analizate.Dat fiind faptul că puterea unui fascicul de radiaţie în infraroşu este deordinul de mărime 10-7-10-9 W, capacitatea de absorbţie termică aelementului detector trebuie să fie extrem de mică pentru ca pe el săpoată fi detectată o creştere de temperatură în limite măsurabile. Creştereade temperatură a detectorului datorită iradierii se situează la miimi degrade celsius. Afară de dezavantajele menţionate, orice sursă termicăexternă de intensitate extrem de mică poate duce la un zgomot de fondapreciabil motiv pentru care detectoarele de infraroşii sînt ecranate termiccu grijă şi de multe ori termostatate. Tot în scopul micşorării zgomotului defond, fasciculul de radiaţie infraroşie este opturat pe cale opto-mecanicăcu frecvenţă ridicată, în felul acesta semnalul analitic are o fecvenţaridicată şi poate fi uşor despărţit pe cale electronică de semnale de zgomotcare în mod normal se modifică puţin în funcţie de timp. Detectoarele deradiaţie infraroşie sint: termocuplul și termorezistenţa (bolometru).

Temocuplul reprezintă un senzor de temperatură ce se bazeazăpe efectul termoelectric. Acest efect se manifestă prin apariţia uneitensiuni electrice la capetele libere a două metale sau aliaje metalice, denatură diferită, atunci cînd celelalte două capete, sudate între ele, sîntîncălzite de la o sursă de căldură. Tensiunea electrică de la capetele libereeste proporţională cu temperatura la care este încălzită zona de contact a


247

celor două metale sau aliaje metalice. Acest ansamblu poartă denumireade termocuplu, iar tensiunea electrică generată este proporţională cuprodusul dintre o constantă termoelectrică și temperatură. Valoareaconstantei termoelectrice este dată de natura celor două metale încontact :

U= K .T (II.4.38)unde : U-tensiune termoelectromotoare ce apare la capetele libere ale

celor două metale sau aliaje metalice T- temperatura de încălzire a capetelor în contact K- constantă ce depinde de natura materialelor în contactTermocuplele cele mai uzuale folosite în tehnică pentru măsurareatemperaturii sînt de regulă sub forma a două sîrme sau două benzi sudatela două capete. Pentru mărirea tensiunii de ieşire se pot înseria mai multetermocuple tensiunea de ieşire a şirului sau seriei de termocuple fiind egalăcu suma tensiunilor fiecărui termocuplu. Termocuplurile cu aplicaţie ladetectoare de radiaţie folosite în spectroscopie sînt din perechi de sîrmeextrem de subţiri punctul de sudură fiind aplatizat şi înnegrit. Pentru aabsorbi mai multă radiaţie termoelementul este montat intr-o structurăvidată care are un geam transparent pentru radiaţie infraroşie. Mai există şivariante constructive pentru termocuple la care cele două metale sau aliajediferite se depun în vid pe un suport neconducător.

Termorezistenţa (Bolometrul) este un rezistor din bandă subţirede platină, nichel sau material semiconductor (în cel din urmă caz poartădenumirea de termistor), a cărui rezistenţă electrică este inversproporţională cu puterea radiaţiei infraroşii. La folosirea termorezistenţelorca detector de radiaţie în spectroscopia de infraroşii benzile metalice sîntfoarte subţiri şi înnegrite.

Detectorul piroelectric este format din plăci semiconductoarecristaline piroelectrice cu proprietăţi electrice şi termice deosebite ce fac


248

parte din categoria materialelor dielectrice (izolatori), sulfatul triglicinic,H(NHCH2CO)3OH. H2O fiind substanţa cea mai uilizată în acest scop. Dacăunui material dielectric oarecare i se aplică un cîmp electric are loc opolarizare electrică, mărimea polarizării fiind o funcţie a constanteidielectrice. La majoritatea materialelor dielectrice această polarizare scaderapid la zero dacă se întrerupe cîmpul electric. La materialele dielectrice detip piroelectric după întreruperea cîmpului electric rămîne o puternicăpolarizare dependentă de temperatură. În aceste condiţii, dacă se aşeazăcristalul piroelectric între doi electrozi (din care unul este transparent laradiaţii IR) se obţine un condensator a cărui capacitate depinde detemperatură. Iradierea unui asemenea cristal cu radiaţie IR duce laschimbarea temperaturii lui şi prin aceasta la o redistribuţie a sarcinilorelectrice care duce la apariţia unui curent electric în circuitul exterior. Acestcurent este proporţional cu intensitatea radiaţiei, cu suprafaţa cristalului şicu viteza de schimbare a polarizării cu temperatura. Acest ultim aspectrecomandă folosirea acestui tip de detector în special pentruspectroscopie IR cu Transformată Fourier.

Detectorul fotoconductor este format dintr-un film semiconductordopat de sulfură de plumb, film semiconductor de telură de cadmiu sauindiu-antimoniu care se depune pe o suprafaţă neconducătoare de sticlăfiind protejat de vacuum impotriva influenţelor atmosferice. Prin absorbţiade radiaţie de către aceste filme electronii de valenţă neconducători sînttrecuţi în stare energetică superioară ducînd la scăderea rezistenţeielectrice a semiconductorului. Circuitele electrice tipice pentru acest tip dedetector sînt formate din detector înseriat cu o sursă de tensiune şi orezistenţă de sarcină. Căderea de tensiune pe reziszenţa de sarcinăreprezintă măsura pentru intensitatea radiaţiei

4.2.-SPECTROSCOPIE MOLECULARA - detectori -20

Documents

Transcript of 4.2.-SPECTROSCOPIE MOLECULARA - detectori -20