بخشی از مقاله
چکیده - در این کار تجربی، طول عمر تراز برانگیخته بخار کلروفرم اندازهگیری شده و نحوه تغییرات آن، با افزایش فشار گاز بافر و توان لیزر به روش اسپکتروسکوپی فوتوآکوستیک لیزری بررسی گردید. برای این کار ابتدا بهوسیله آزمایش FT-IR ضریب جذب بخار کلروفرم اندازهگیری شد، سپس بخار کلروفرم در هوای خشک، به داخل سلول فوتوآکوستیک تخلیه شده، تزریق گردید. تابش لیزر CO2 مدوله شده توسط چاپر برای دمش استفاده گردید. نتایج بهدست آمده نشان می دهند که با افزایش فشار گاز بافر و توان لیزر، طول عمر تراز برانگیخته کاهش مییابد، که این نتیجه با رابطه نظری فوتوآکوستیک توافق کامل داشت.
-1 مقدمه
بیشتر دانش ما در باره ساختمان اتمها و مولکولها بر اساس بررسیهای طیفنگاری است. بنابراین طیفنگاری سهم به سزایی در وضعیت کنونی فیزیک اتمی - مولکولی و شیمی، دارد. اطلاع از ساختار مولکولی و برهمکنش مولکولها با اطراف خود، میتواند به روشهای مختلف از طیف جذبی یا نشری تولید شده هنگام برهمکنش تابش الکترومغناطیس با ماده به دست آید.
اندازهگیری طولموج خطوط طیفی امکان تعیین ترازهای انرژی سیستم اتمی یا مولکولی را فراهم میکند. شدت طیفی متناسب با احتمال گذار است، که تعیین میکند دو تراز یک گذار مولکولی با چه قدرتی به هم جفت شدهاند. پهنای خط طبیعی یک خط طیفی میتواند با روشهای خاصی تفکیک داده شود، که اجازه میدهد طولعمر متوسط حالتهای مولکولی برانگیخته تعیین شود.[1] از آنجایی-که بیشتر گازهای شیمیایی در ناحیه فروسرخ میانی و به خصوص ناحیه 9-11ʽm دارای خطوط جذبی قوی می-باشد، این ناحیه از طیف الکترومغناطیس برای آشکارسازی مواد شیمیایی و گازها از طریق طیف سنجی فروسرخ استفاده می شود.[2]
بیشک روشهای فراوانی برای آشکارسازی نشت جزئی گازها وجود دارد، با این حال روشهای اپتیکی به دلیل باریک بودن طیف گسیلی لیزرها برتری بالایی نسبت به روشهای فیزیکی و الکتروشیمیایی دارند . از بین روشهای طیفنگاری فروسرخ، روش طیف نگاری فوتوآکوستیک لیزری روشی با قابلیتهای زمان آشکارسازی بسیار پایین، حساسیت بسیار بالا - از مرتبه - ppb و گزینشپذیری مناسب - در صورت استفاده از منبع دمش کوکپذیر - ، می باشد.
مکانیزم سیستم طیفنگاری فوتوآکوستیک لیزری به صورت تابش باریکهای از لیزر با طول موج مشخص است.[3] بدیهی است که این طول موج باید در ناحیه جذب گاز مورد نظر باشد. با مدوله کردن نور لیزر توسط یک چاپر - برشگر - و جذب باریکه لیزر مدوله شده توسط ملکولها، دمای گاز بالا رفته و سبب تولید امواج فشاری خواهد شد. این امواج فشاری فرکانسهای صوتی تولید خواهند نمود که در نهایت توسط آشکارساز - میکروفون - اندازهگیری میشود. سیگنال آشکارسازی شده برای هر گازی منحصر به فرد است و میتوان گاز مورد نظر را مورد آشکارسازی قرار داد.
دامنه موج آکوستیکی تولید شده متناسب با غلظت ماده است. با آشکارسازی این موج آکوستیکی به وسیله میکروفون میتوان غلظت گاز، و توسط طول موج لیزر دمش، نوع گاز مجهول را با دقت بسیار بالایی تشخیص داد.[4] در این تحقیق تجربی ابتدا با استفاده از طیفنگاری FT-IR ، ضریب جذب بهصورت تجربی بدست آمد. سپس با استفاده از سامانه فوتوآکوستیک لیزری، تغییرات طول عمر تراز برانگیخته بخار کلروفرم با فشارهای مختلف گاز بافر هوای خشک - - Air به روش اسپکتروسکپی فوتوآکوستیک لیزری اندازهگیری شد. در آزمایشی دیگر نیز وابستگی طول عمر تراز برانگیخته این گاز به توانهای مختلف لیزر CO2 بررسی شده است.
-2 تئوری
در سیستم طیفنگاری فوتوآکوستیک وقتی مولکولهای گاز، تابش لیزر را جذب میکنند، برانگیخته شده و سطح انرژی ارتعاشی بالاتری پیدا میکنند. برگشت مولکولها از حالت برانگیخته به حالت پایه باعث واهلش غیرتابشی - برخوردی - ، و در نتیجه تولید انرژی گرمایی با نرخ H میشود. برای به دست آوردن نرخ تولید گرما برای گاز تحت تابش، یک سیستم دو ترازی را فرض میکنیم که دارای دو تراز پایه - چگالی - N0 و برانگیخته ارتعاشی - چگالی - N1 است. نرخ تولید گرما - H - مربوط به N1 که در اثر انرژی گرمایی متوسط آزاد شده KF حاصل از فروافت غیرتابشی حالت برانگیخته به دست میآید، مطابق رابطه - 1 - محاسبه میشود.[5]
در بازهی تحریک ترازهای ارتعاشی مولکولها و در شرایط اتمسفری، فروافت غیرتابشی بر فروافت تابشی غلبه دارد. بنابراین زمان فروافت تابشی ترازهای ارتعاشی در مقایسه با زمان فروافت غیرتابشی بزرگ بوده و بیان کننده n خواهد بود. در این صورت کل انرژی جذب شده تبدیل به گرما میشود. با استفاده از رابطه - 3 - که رابطه سیگنال فوتوآکوستیک میباشد میتوان زمان فروافت غیرتابشی که همان طول عمر تراز برانگیخته - - است را محاسبه کرد.[5]
در این رابطهF پاسخدهی میکروفن بر حسب mV/Pa، و Cj ثابت سلول بر حسب Pa.cm/W در فرکانس تشدید سلول j - - ، P0 فشار گاز بافر و ضریب جذب نمونه میباشد. ثابت سلول به مشخصات سلول طراحی شده از قبیل ابعاد، فرکانس تشدید و ضریب کیفیت بستگی دارد. سیگنال فوتوآکوستیک - S - از اسیلوسکوپ و از فرکانس چاپر بهدست میآید.
علاوه بر این دو طبق رابطه - 3 - کمیت دیگری که برای یافتن طول عمر تراز برانگیخته نیاز داریم، ضریب جذب گاز مورد نظر - - است. برای یافتن ضریب جذب از آزمایش FT-IR استفاده شد . طیف سنجی مادون قرمز بر پایه جذب تابش و بررسی جهشهای ارتعاشی مولکولها و یونهای چند اتمی استوار است. در طیفنگاری FT-IR تمام طول موجهای ناحیه طیفی مورد نظر، در یک زمان به نمونه تابیده میشود. بنابراین سرعت، قدرت تفکیک و نسبت سیگنال به نویز - - SNR در روش تبدیل فوریه، برتری قابل ملاحظهای نسبت به روش معمولی IR دارد.
-3 نتایج تجربی
دستگاه FT-IR مدل Spectrum 100 حاوی یک سلول شیشهای است که نمونه جهت اندازهگیری طیف عبوری-اش وارد آن میشود. پنجرههای ورودی و خروجی سلول از جنس پلیمر میباشند. با گرفتن طیف FT-IR زمینه از سلول مشاهده شد که این سلول خوشبختانه در محدوده طول موجی مورد نیاز - 9- 11 m - هیچ جذبی ندارد. بعد از خلاء شدن سلول FT-IR بخار کلروفرم وارد سلول شد.
شکل - 1 - طیف FT-IR بخار کلروفرم را نشان میدهد. در این شکل محور افقی بیانگر عددموج در واحد cm-1 و محور عمودی بیانگر درصد عبور - - %T باریکه IR از بخار کلروفرم میباشد. با استفاده از طیف FT-IR هر نمونه گازی و و رابطه - 4 - میتوان ضریب جذب ماده مورد نظر را در هر بازهی طیفی دلخواه بهدست آورد.[6] حال با استفاده از ضریب جذب بدست آمده در آزمایش بالا میتوان فروافت غیر تابشی - برخوردی - که منشاء پدیدهی فوتوآکوستیک است را بررسی و طول عمر تراز برانگیخته بخار کلروفرم را بر اساس رابطه - 3 - اندازهگیری نمود.
برای این کار ابتدا سلول فوتوآکوستیک توسط پمپ روتاری با سرعت تخلیه 4m3/h تا فشار 50mtorr تخلیه شد. سپس 920/5×10-3mbar بخار کلروفرم وارد سلول شده و گاز بافر هوای خشک - Air - به تدریج در فشارهای مختلف، به آن اضافه گردید. در تمام مراحل آزمایش،توان لیزر توسط توان سنج اندازهگیری و برابر مقدار تقریباً ثابت 0/4 وات، نگه داشته میشد و سیگنال توسط اسیلوسکوپ 300MHz مدل TDS3034B شرکت Tektronix آشکارسازی میشد. شکل - 2 - بیانگر وابستگی صریح فشار گاز بافر هوای خشک، به طول عمر تراز برانگیخته گاز دیاکسید گوگرد است.
