بخشی از مقاله
چکیده- در این مقاله طراحی و ساخت طیفسنج با توان تفکیک بالا مورد بررسی قرار میگیرد. در این طیفسنج از عنصر پاشنده توری برای جداسازی طیفی استفاده شده است. طراحی اپتیکی طیفسنج توسط نرم افزار زیمکس انجام شد و در آن از یک توری پراش 1200 خط بر میلیمتر و یک آینه مقعر با فاصله کانونی 70 cm استفاده شده است.
ورودی طیفسنج یک فیبر نوری با اتصال FCPC است که بسته به قطر دهانه آن قدرت تفکیک تغییر میکند. آشکارساز استفاده شده یک آشکارساز آرایه خطی از نوع CCD با 3648 پیکسل و از جنس سیلیکون است. قدرت تفکیک این طیف سنج در طول موج 780 nm با استفاده از یک فیبر 9 میکرونی 0/04 nm و ناحیه آزاد طیفی آن نیز 27 nm است.
-1 مقدمه
طیفسنجها - Spectrometer - عنصر اصلی سامانه های طیفسنجی هستند که نور را به فرکانسهای مختلف تفکیک کرده و توزیع فرکانسی نور ورودی را معین میکنند. از سامانههای طیفسنجی پر کاربرد میتوان به سامانههای طیفسنجی فروشکست القایی لیزری، فلورسانس القایی لیزری، رامان، طیفسنجی جذبی و نشری اشاره کرد. طیف-سنجی با آزمایشهایی که نیوتون در قرن هفدهم میلادی با استفاده از منشور گزارش کرد شروع شد.
بعد از آن در اوایل قرن نوزدهم، جوزف فرانهوفر توری پراشنده را به عنوان عامل تجزیه نور جایگزین منشور کرد و نتایج دقیقتر و علمیتری بدست آورد. در سالهای اخیر نیز ترکیب آرایههای آشکارساز - CCD - و تکفامسازها - spectrograph - مجموعه مناسبی را برای طیفسنجی بوجود آورده است1]؛.[2 طیفسنجی از پر کاربردترین روشهای تشخیصی است و کاربرد آن در کلیه علوم از شیمی، فیزیک و نجوم گرفته تا زیست شناسی و علوم کشاورزی به خوبی به اثبات رسیده است.[3]
در این مقاله طراحی و ساخت یک طیفسنج با توان تفکیک بهتر از 0/04 nm مورد بررسی قرار گرفته است. از مزایای خاص این طیفسنج علاوه بر قدرت تفکیک بالا، عدم استفاده از یک شکاف ورودی ثابت و نیز استفاده از یک آینه بازتابی به جای دو آینه بازتابی در طیف سنجهای متداول زرنی-ترنر است. در این مقاله اصول نظری ساخت طیفسنج توری بررسی شده و نمونههایی از طیفهای ثبت شده آورده شده است.
-2 مبانی نظری طیفسنج توری پراشنده
متداولترین طیفسنجها بر مبنای استفاده از پاشندههای اپتیکی - منشور - ، پراشندهها - توری پراش - و تداخلسنجها هستند. طیفسنجهای منشوری ضمن این که مزایای بسیاری دارند اما قدرت تفکیک بالایی ندارند. از طرفی میزان پراکندگی پرتو فرودی در طولموجهای مختلف پس از عبور از منشور متغیر است - پاشندگی در طولموج های کوتاهتر بیشتر از طولموج های بلندتر است - .
در مورد توری پراش، علاوه بر پراکندگی بیشتر نسبت به منشور، پراکندگی در طولموجهای مختلف مقدار نسبتاً ثابتی دارد که با یک تقریب بسیار جزئی میتوان آن را ثابت در نظر گرفت. این مسأله باعث افزایش توان تفکیک طیفسنج توری نسبت به طیفسنج منشوری شده و مدرج کردن طیفسنج را آسانتر میکند. همچنین طیفسنجی با روشهای تداخلی سرعت پایینی دارد و بسیار به لرزش حساس است. طیفسنجهای توری چیدمانی سادهتر و ارزانتری نسبت به طیفسنجهای تداخلی دارد که دسترسی و کارآیی آن را بیشتر کرده است. اگرچه به دلیل اتلاف زیاد توری پراش، درصد قابل ملاحظه-ای از پرتو از دست میرود.
یک توری پراش 1200 خط بر میلیمتر با قطر 2 inch استفاده شده است. شبیه سازی در محیط نرمافزار زیمکس و با استفاده از روابط بخش قبل برای طول موج مرکزی nm 780 صورت گرفت. تفکیک پذیری طیفسنج با استفاده از شبیه سازی انجام شده 0/03 nm محاسبه شد. سطح آینه مورد نظر با آلومینیوم لایه نشانی شده است و برای حفاظت از این لایه، آن را با لایهای از MgF2 پوشانده-ایم. این آینه برای محدوده مرئی و مادون قرمز نزدیک کارآیی دارد.
توری انتخاب شده از نوع بازتابی و 1200 خط بر میلیمتر است که خراشهای آن مناسب برای طول موج 780 nm هستند. آشکارساز استفاده شده - مدل TCD1304 - CCD، یک آرایه CCD خطی با 3648 پیکسل است. این CCD با استفاده از یک سخت افزار بر پایه آیسی میکروکنترلر XMEGA128A3U که توسط نرم افزار CodeVision برنامه ریزی شده، کنترل میشود . همچنین بوسیله کدی نوشته شده در محیط نرم افزاری C# توسط رایانه کنترل شده و خروجی به صورت طیفی نمایش داده میشود. این سیستم به ما اجازه می دهد زمان دادهگیری آشکارساز را با دقت زمانی 1 میکروثانیه کنترل کنیم.
پرتو نور از طریق یک فیبر نوری چند مد - قطر - 62 m و یا تک مد - قطر - 9 m با استاندارد FCPC وارد طیفسنج میشود. از خصوصیات طراحی خاص این طیفسنج عدم استفاده از شکاف ورودی است. خروجی فیبر نوری نقش شکاف ورودی طیف سنج را بازی می کند. لذا با تعویض فیبر مورد استفاده از نوع چند مد به حالت تک مد، قطر شکاف کمتر شده و قدرت تفکیک طیفسنج بهتر میشود و در عوض شدت نور ورودی کمتر خواهد شد.طبق شکل -2الف، پرتوها پس از خروج از فیبر نوری به صورت واگرا به سمت آینه رفته و از آنجا که این فیبر در کانون آینه قرار دارد بعد از آینه پرتوها موازی میشوند. که این یعنی بسته به اینکه کدام جمله مقدار بزرگتری دارد تفکیک پذیری طیفسنج محدود به آن خواهد شد.
-3 طراحی و ساخت طیفسنج
برای ساخت طیفسنج با تفکیک پذیری بالا ابتدا لازم است آن را طراحی و شبیه سازی لازم را انجام دهیم.
