در حوزه خرید اسپکتروفتومتر، عبارت «آشکارساز» به بخش دریافتکنندهی نور اطلاق میشود که انرژی نور را جذب کرده و در نتیجهی آن یک تغییر الکترونیکی ایجاد میکند. انواع تبدیل فوتوالکتریک عبارت است از اثر فوتوالکتریک خارجی که شکل رایج آن گسیل فوتوالکتریک از یک سطح فوتوالکتریک در خلا است و اثر فوتوالکتریک داخلی که در آن، فوتوالکترونها به یک نوار رسانش برانگیخته میشوند. یک نمونهای از یک آشکارساز (Detectors) بر پایهی نوع اول گسیل فوتوالکتریک، لامپ تکثیر فوتونی (photomultiplier tube) است. در اینجا از میان جنبههای مختلف اسپکتروفوتومترها، نگاه دقیقتری به این «آشکارسازها» خواهیم کرد. با ما همراه باشید.
مقدمهای دربارهی آشکارسازها
سازوکار حسگری نور و تبدیل آن به سیگنالها که با آن آشنا هستیم، عصب اپتیکی انسان است. چشم انسان نور را در بازهی طول موجی حدود 400 تا 700 نانومتر حس میکند و سیگنالها را از طریق بافت عصبی به مغز میفرستد. میتوانید بگویید که چشم، آشناترین آشکارساز اپتیکی نور مریی است. چشم انسان به نور در بازهی مرئی حساس است و بیشترین حساسیت را به نور سبز با طول موج حدود 550 نانومتر دارد. به همین ترتیب، آشکارسازها در اسپکتروفوتومترها نیز یک بازهی طول موجی دارند که میتوان آنها را به کار برد و حساسیت آنها با طول موج تغییر میکند. آشکارسازهای حساس به بازهی فرابنفش و نور مرئی شامل لامپ تکثیر فوتونی و فوتودیود سیلیکونی است. برای آشکارسازهای فروسرخ نزدیک، در گذشته اجزای رسانای نوری PbS به طور اختصاصی به کار میرفتند؛ هرچند امروزه ابزارهایی وجود دارند که در آن فوتودیودهای InGaAs برای بخش فروسرخ نزدیک استفاده میشوند. تصویر شمارهی 2 رابطهی بین آشکارسازهای مختلف و بازههای طول موج را نشان میدهد.
لامپ تکثیر فوتونی
یک لامپ تکثیر فوتونی از اثر فوتوالکتریک خارجی استفاده میکند. این پدیدهای است که به واسطهی آن، فوتوالکترونها در هنگام برخورد نور با یک سطح فوتوالکتریک تخلیه میشوند. تصویر شمارهی 3 اصول عملکرد یک لامپ تکثیر فوتونی را نشان میدهد. فوتوالکترونهای تخلیهشده از یک سطح فوتوالکتریک (یعنی الکترونهای اولیه) سبب گسیل متوالی الکترونهای ثانویه از دینودها (الکترودهای تکثیرکننده الکترون) میشود که در چند سطح ساماندهی میشوند و این آبشار نهایتا به یک آند میرسد. اگر یک الکترون اولیه سبب گسیل الکترونهای ثانویه δ شود و این فرایند n بار تکرار گردد، آنگاه یک ضریب تکثیر δn به دست میآید. به دلیل این که لامپهای تکثیر فوتونی نهایتا خروجی بزرگی برای میزان کمی از شدت نور ایجاد میکنند، مهمترین ویژگی آنها این است که میزان شدت چشمگیری را ارایه میدهند که نمیتوان با سنسورهای اپتیکی دیگر به دست آورد. δ به «ضریب گسیل ثانویه» گفته میشود. برای شتابدهی الکترونها، یک ولتاژ بالا (-HV) از بیرون لامپ اعمال میگردد.
هر قدر مقدار این ولتاژ بیشتر باشد، ضریب گسیل ثانویه نیز بیشتر است. ویژگی دیگر یک لامپ تکثیر فوتونی، آن است که ضریب تکثیر را میتوان با کنترل این ولتاژ بالا تنظیم کرد. اگر شدت نور کافی باشد، ولتاژ کاهش مییابد. اگر شدت نور کم شود، ولتاژ افزایش مییابد. اگر شکاف تغییر کند یا اگر تجهیزاتی که کاهش زیادی در شدت نور ایجاد میکنند مانند کره یکپارچهکننده (integrating sphere) به کار روند، مزایای عرضه شده توسط این لامپ تکثیر فوتونی اهمیت زیادی مییابد. به همین دلیل لامپهای تکثیر فوتونی در دستگاههای گرید بالا به کار میروند.
سوال: آیا با خدمات پشتیبانی فنی و تعمیر اسپکتروفتومتر در صدراپژوهش آشنایی دارید؟
رابطهی بین حساسیت یک سطح فوتوالکتریک و طول موج نور فرودی، مشخصهی حساسیت طیفی خوانده میشود. این مشخصه عمدتا به وسیلهی مادهی سطح فوتوالکتریک تعیین میشود. تصویر شمارهی 4 مشخصهی حساسیت طیفی یک سطح فوتوالکتریک چندقلیایی را نشان میدهد که به بازهی فرابنفش و مرئی حساس است.
فوتودیود سیلیکونی
یک فوتودیود سیلیکونی، از اثر فوتوالکتریک داخلی بهره میبرد که پدیدهای است که به واسطهی آن خواص الکتریکی خود آشکارساز در هنگام برخورد نور با آن تغییر میکند. همانطور که از نام آن پیداست، فوتودیود سیلیکونی یک نیمهرسانا است. وقتی نور به این نیمهرسانا برخورد میکند اگر انرژی نور از گاف نواری بیشتر باشد، الکترونها در نوار ظرفیت به نوار رسانش برانگیخته میشوند و حفرهها در نوار ظرفیت اولیه باقی میمانند. همانطور که در تصویر شمارهی 5 نشان داده شده، این زوج الکترون- حفرهها در سراسر نیمهرسانا ایجاد میشوند اما در ناحیهی تخلیه، میدان الکتریکی سبب شتابگیری الکترونها به سمت ناحیهی N شده و حفرهها به سمت ناحیهی P شتاب میگیرند. در نتیجه، الکترونها در ناحیهی N و حفرهها در ناحیهی P تجمع میکنند و دو ناحیه به ترتیب دارای بار منفی و مثبت میشوند. اگر این سیستم به یک مدار وصل شود، جریان شکل میگیرد.
گاف نواری سیلیکون تقریبا 1.12 eV است. بنابراین جریان تنها برای طولموجهایی شکل میگیرد که دارای انرژی اپتیکی بالاتر از این مقدار هستند. این میزان برای حد بالای طول موج حدودا 1100 نانومتر کار میکند. تصویر شمارهی 6 مشخصهی حساسیت طیفی یک فوتودیود سیلیکونی را نشان میدهد.
فوتودیودهای سیلیکونی نسبت به لامپهای تکثیر فوتونی مزیتهایی دارند؛ از جمله این که ارزانترند، ناهمواریهای اندکی در حساسیت آنها نسبت به سطوح دریافتکننده نور وجود دارد و به منبع توان اختصاصی نیاز ندارند. حتی برای حساسیت، اگر شدت نور نسبتا زیاد باشد، میتوانند دادههای نورسنجی فراهم آورند که به هیچوجه دست کمی از دادههای به دست آمده از تکثیرکنندههای فوتونی ندارد. اما اگر شدت نور نسبتا پایین باشد، به دلیل این که سیگنالها در مدار الکترونی تقویت میشوند که یک جریان ایجاد میکند، افزایش ضریب تقویت، سرعت پاسخ را کاهش میدهد.
برای آشنایی با دستگاه اسپکتروفتومتر به صفحه مورد نظر مراجعه کنید.
فوتودیود InGaAs
ایندیم گالیم آرسناید (InGaAs) یک ترکیب نیمهرسانا است. همانند یک فوتودیود سیلیکونی، یک فوتودیود InGaAs یک جزء فوتوولتاییک است که یک اتصال P-N دارد. اما انرژی گافنواری InGaAs از سیلیکون کمتر است؛ بنابراین نور با طول موجهای بلندتری را جذب میکند. این بدان معنی است که فوتودیودهای InGaAs به
طول موجهایی که از بازهی فوتودیودهای سیلیکونی فراتر میروند حساس است. تصویر شمارهی 7 مشخصهی حساسیت طیفی یک فوتودیود InGaAs را نشان میدهد.
ابزار حساس به نور PbS
یک ابزار حساس به نور، یک سیستم تبدیل فوتوالکتریک است که از پدیده فوتورسانش بهره میبرد که به واسطه آن رسانایی (مقاومت) الکتریکی یک ماده در هنگام قرارگیری تحت تابش نور تغییر میکند. شکل 8 اصول عملکردی را نشان میدهد. وقتی نور با انرژی بیشتر از گاف انرژی بین نوار رسانش و نوار ظرفیت به این ابزار برخورد میکند، الکترونها در نوار ظرفیت به نوار رسانش برانگیخته میشوند و حفرهها در نوار ظرفیت ایجاد میگردند. با یک ابزار حساس به نور PbS، مقاومت مطابق با شدت نور فرودی کاهش مییابد و این وضعیت با استفاده از یک مدار خارجی به صورت یک سیگنال حاصل میشود.
اگر این ابزار خنک شود، مشخصه حساسیت طیفی به انتهای طول موج بلند جابجا میگردد در نتیجه این ابزار به طول موجهای بلندتر حساسیت بیشتری پیدا میکند. اما همزمان سرعت واکنش کاهش مییابد. هرچند ابزارهای حساس به نور PbS میتوانند برخلاف سایر ابزارهای آشکارسازی فروسرخ نزدیک در دمای اتاق به کار روند، هنوز ابزارهای ظریفی هستند که حساسیت، سرعت پاسخ و مقاومت تاریک آنها مطابق با دما تغییر میکند. شکل 9 مشخصه حساسیت طیفی یک ابزار حساس به نور PbS را نشان میدهد.
جمعبندی
در اینجا آشکارسازهایی را بررسی کردیم که نور را به سیگنالهای الکترونیکی تبدیل میکنند. در هنگام اجرای اندازهگیریهای گذار برای نمونههای جامد با یک ضخامت معین، از قبیل صفحات شیشه و عدسیها، شکل باریکهی نور برخوردی به آشکارساز میتواند بسته به حضور یا عدم حضور نمونه تغییر کند. هرچند در تحلیل نمونههای راهکار نیازی به درنظرگرفتن این مورد نبود. در این مورد، غیریکنواختی حساسیت روی سطح آشکارساز میتواند سبب خطا در اندازهگیری شود. ابزاری به نام کرهی یکپارچهکننده (integrating sphere) اجازه میدهد که اندازهگیری بدون تاثیرپذیری از این غیریکنواختی حساسیت آشکارساز اجرا شود.
