بخشی از مقاله
چکیده –
دراین مقاله نظر به اهمیت وجود سیستم هاي تشخیصی مانند طیف نگارها در تجربیات فیزیکی یک طیف سنج از نوع Czerny Turner مورد بررسی قرار گرفته است و طرز کار و کالیبره کردن آن بیان شده است. طراحی این طیف سنج بر پایه یک توري بازتابی 600 line/mm می باشد. بمنظور کاهش ابیراهی هاي اپتیکی آیینه هاي به کاررفته با فاصله کانونی 57cm طوري قرار گرفته اند که بهترین وضوح در سیگنال دریافتی مشاهده گردد.
-1 مقدمه
طیفسنجی که امروزه یکی از کارآمدترین روشهاي تحقیق در علوم است، در دهههاي اخیر پیشرفت هاي شگرفی را داشته است و با توجه به کاربرد و اهمیت آن در علوم از توجه خاصی برخوردار است. در طیفسنج هاي اولیه از یک منشور یا چند منشور براي جداسازي نور به طول موجهاي تشکیلدهندهاش استفاده میشد. یکی از مشکلات اساسی منشور این است که داراي پاشندگی کمتري نسبت به توري پراش است.
بنابراین به تدریج در ساخت طیف سنجها، توريهاي پراش جاي منشورها را گرفت به طوري که امروزه در اکثر طیف سنجهاي نوري از توري پراش استفاده میشود. رفتار حاکم بر توري هاي پراش از معادله - 1 - تبعیت میکند. θi و θd به ترتیب زاویه نور فرودي و پراشیدهشده نسبت به خط عمود بر توري میباشد. m مرتبه پراش - شامل اعداد صحیح مثبت و منفی و صفر - ، d فاصله بین دو شیار روي توري و λ طول موج پراشیدهشده میباشد.
در طیف سنجهاي نوري براي استفاده از توري پراش از آرایشهاي مختلفی از وسایل اپتیکی و مکانیکی استفاده میکنند. یکی از معروفترین اینها، آرایش Czerny [1] Tuner میباشد که داراي مزیتهاي بسیاري نسبت به آرایشهائی مانند [1] Fastie Ebert و Littrow [1] میباشد. به همین خاطر طراحی و ساخت طیفسنج ما بر مبناي آرایش Czerny Turner بوده است.
-2 چیدمان طیفسنج
شکل - 1 - طرحواره چیدمان آزمایشگاهی طیفسنج از نوع Czerny Tuner را نشان میدهد. به دلیل این که شکاف ورودي در کانون اولین آینه مقعر قرار گرفته است پرتو بازتابشده از این آینه موازي می باشد. این پرتوها به یک توري پراش بازتابی برخورد میکنند. با توجه به رابطه - 1 - هر پرتو نور پس از برخورد به توري به رنگهاي مختلف پاشیده میشود که چون این نورهاي پراشیدهشده داراي زاویههاي مختلف نسبت به خط عمود میباشند با توجه به جهت توري، طول موجهاي مشخصی به روي آینه مقعر دوم میتابد. این پرتوها پس از کانونی شدن به یک CCD که در صفحه کانونی این آینه قرار دارد برخورد میکنند.
شکل : 1 طرحواره چیدمان آزمایشگاهی
دراین طیفسنج از یک توري پراش تمامنگاري 600 خط در میلیمتر با زاویه بلیزینگ حدود 6 درجه استفاده شده است. ناحیه خطکشی شده روي این توري 35 در 29 میلیمتر میباشد. دو آینه مقعر به کاربرده شده در این طیفسنج داراي فاصله کانونی 57 سانتیمتر و قطر 24 میلیمتر میباشد. زاویه میان پرتو فرودي روي توري و پرتو پراشیده شده از آن در حدود 54 درجه میباشد.
شکاف ورودي استفاده شده در این طیف سنج با استفاده از دو عدد تیغه بسیار تیز و یک عدد میکرومتر ساخته شده است. آشکارساز استفاده شده یک عدد CDD معمولی 420 TVlines میباشد که معمولاً در دوربین-
هاي مدار بسته معمولی استفاده میشود، این CCD توسط کابل به منبع ولتاژ مستقیم 12 ولت و یک کارت Capture وصل شده است.
این کارت Capture به کامپیوتر وصل است و توسط نرمافزارهاي مربوطه می- توانیم طیفهاي آشکار شده را مشاهده و ضبط کنیم. به تدریج که توري میچرخد طیف پراشیده شده در عرض CDD حرکت میکند. به دلیل ابیراهیهاي موجود در سیستم و مرغوب نبودن آینه هاي به کاررفته طیف مشاهده شده داراي وضوح و کیفیت نیست. به منظور کاهش ابیراهیهاي اپتیکی آینههاي بکاررفته طوري قرار گرفتهاند که بهترین وضوح در سیگنال دریافتی مشاهده گردد. ضمناً از یک روزنه قبل از آینه اول استفاده کرده ایم. این روزنه پرتوهاي نور فرودي روي آینه اول را تنها به پرتوهاي پیرامحوري محدود میکند و باعث ایجاد وضوح و کیفیت در طیفهاي ضبط شده میشود. این طیفسنج طراحی شده داراي محدوده طیفی بین350 تا 900 نانومتر و توان تفکیک حدود4000 می باشد.
-3 کالیبره کردن دستگاه
با توجه به شکل - 1 - در طیف سنج هاي از نوع Czerny Turner آشکارساز ثابت است و توري حول یک محور میچرخد. مکانی را که توري در وضعیتی قرار دارد که مرتبه صفرم پراش در وسط CCD آشکار میشود به عنوان مرجع انتخاب میکنیم و مقدار θ 0 به آن نسبت می دهیم. در این صورت با چرخش توري و افزایش θ ، طول موجهاي مختلف مربوط به مرتبه اول پراش به ترتیب وارد CCD میشوند. با فرض این که زاویه بین پرتو فرودي روي توري و پرتو پراشیده شده φ باشد و با استفاده از رابطه - - 1 به رابطه - 2 - میرسیم.
براي اندازهگیري طولموج نمیتوان به روش معمولی مقدار زاویه θ را اندازهگیري کرد، چون این اندازهگیري داراي دقت کافی نیست و داراي خطاي زیادي است. براي حل این مشگل در اکثر طیفسنجها از مکانیسم محرکه سینوسی استفاده شده است.[3] در این مکانیسم توري حول محوري مانند O میچرخد. یک میکرومتر توسط یک بازوي مکانیکی به نقطه P گیرداده شده است به طوري که بازوي مکانیکی به راحتی در نقطه P می تواند بلغزد.
شکل: 2 مکانیسم محرکه سینوسی
هنگامی که میکرومتر میچرخد مقدار عدد روي میکرومتر از مقدار x0 به مقدار x کاهش مییابد بنابراین میتوان رابطه - 2 - را به صورت رابطه - 3 - نوشت
مقدار x همان عدد روي میکرومتر و مقادیرa و b را نیز مجهول فرض میکنیم. براي بدست آوردن مقادیر a و b کافی است دو طولموج مشخص را اندازهگیري کنیم. با توجه به این دو طول موج و مقادیر x روي میکرومتر مربوط به آن ها مقادیر a وb بدست میآیند. ما براي کالیبره کردن دستگاه از یک لامپ کاتدي سدیم استفاده کرده ایم. طولموجهاي در نظرگرفته شده براي کالیبره کردن مقادیر 568/8205 نانومتر - سبز کمرنگ - و 588/995 نانومتر - یکی از دو خط پر شدت زرد - میباشند که به راحتی در طیف لامپ سدیم قابل شناسائی است. با توجه به مقادیر x مربوط به آن ها براي رویت این خطوط در مرکز مانیتور کامپیوتر، رابطه - 5 - براي اندازهگیري طول موجها بدست میآید.
به دلیل این که دقت میکرومتر صدم میلیمتر است طول موج محاسبه شده با رابطه - 5 - داراي خطائی در حدود یک نانومتر است. صحت این رابطه براي اندازهگیري طول- موج خطوط دیگر لامپ سدیم در شکل - 3 - بررسی شده است.
با توجه به شکل - 3 - ، به دلیل خطاي مکانیکی، رابطه - 5 - تنها براي اطراف نقطه مورد استفاده براي کالیبره کردن - دو تا از نقاط قرمز - با مقادیر دقیق - نقاط آبی - همخوانی دارد. به عنوان مثال طول موج واقعی 498/2813 نانومتر براي مرتبه اول پراش با استفاده از این رابطه 498 ± 1 نانومتر محاسبه میشود. اما طول موج واقعی 819/4825 نانومتر براي مرتبه اول پراش با استفاده از این رابطه مقدار 834 ± 1 نانومتر حساب میشود.
براي افزایش دقت اندازه گیري براي کل ناحیه طول موج مرئی، به غیر از دو طول موج قبلی در مرتبه اول پراش از یک طول موج دیگر در مرتبه اول پراش و یکی از طول موج هاي قبلی در مرتبه دوم پراش استفاده می کنیم - دو نقطه قرمز دیگر - . با استفاده از این چهار نقطه یک چند جملهاي درجه سوم بدست میآوریم - شکل . - 3 مانند حالت قبل به دلیل این که میکرومتر داراي خطاي صدم میلیمتر است، طول موج بدست آمده با این رابطه داراي خطائی در حدود یک نانومتر است.
