IR spektrométerek csoportosítása

1. IR spektrométerek csoportosítása • Tartomány szerint • Terahertz • Távoli IR (FIR) • Középső vagy analitikai IR (MIR; rutin alkalm. ma többnyire FT) • Közeli IR (NIR; sokszor láthatóval együtt, általában diszperziós) • Felépítés szerint • Nem-diszperzív (IR szenzorok) • Szűrős • Diszperziós (hagyományos prizmás vagy rácsos) • Egy detektor (egy csatornás, szimplex) • Több detektor (több csatornás, multiplex) • Lézer (sok típus, pl. hangolható félvezető dióda) • Fourier-transzformációs (FT-IR) • Fényút szerint • Egyutas (FT készülékek döntő többsége) • Kétutas (minta és háttér/ref., diszperziós készülékek többsége)

2. Nem diszperzív IR szenzorok

3. Szűrős készülékek

4. Diszperziós IR spektrométerek

5. Lézer IR spektroszkópia Számos technikailag és elvileg eltérő lehetőség (lsd. Lézerek a kémiában speci) Egy példa a sok közül: hangolható diódalézer-spektroszkópia (TDS) Lézer Detektor http://www.chem.ualberta.ca/~jaeger/research/ir/tdls.htm

6. Fourier-transzformációs IR készülékek

7. A Michaelson-interferométer ← Fourier-transzformáció (FT) / inverz-FT → Fix tükör Lencse DX Forrás Mozgó tükör Sugárosztó (féligáteresztő tükör) Detektor 2DX=nl erősítés 2DX=(n+1/2)l kioltás I I ~ DX/ mm n/ cm1 Fourier-transzformációs IR készülékek

8. 1,00l f(x)g(x) l 1,10l f(x)g(x) l 1,05l f(x)g(x) l A Fourier-transzformáció

9. A Fourier-transzformáció Monokromatikus fény, egyszerű összefüggés: Polikromatikus fény, Fourier-transzformáció: Folytonos, végtelen elméleti interferogram helyett a valóságban diszkrét és véges mintavétel: integrálás → összegzés gyors diszkrét Fourier-transzformáció (DFT)

10. 1,10l + l 1,05l + l A „lebegés”

11. Felbontás (FTIR) spektrum interferogram Hosszabban felvett interferogram → nagyobb felbontás

12. Spektrumtartomány mintavétel: megkülönböztethetetlenek megkülönböztethetők I n 2n interferogram DX Sűrűbb mintavétel → nagyobb spektrumtartomány

13. Nullafeltöltés Az interferogram kiegészítése 0-kal. (Mintha tovább vettük volna fel a az interferogramot, csak „zajt” vittünk be.) FT után interpolációhoz hasonló hatás

14. Apodizáció FT FT után simításhoz hasonló hatás

15. Fáziskorrekció • A fázis (komplex spektrum) létrejöttének okai: • Az interferogram középpontjához nem egzaktul 0 úthossz különbség tartozik • (hullámhossz-független) • Egyoldalas (vagy nem szimmetrikus) interferogram • Zaj az interferogram felvételénél • Komplex spektrum: Legegyszerűbb korrekció (szorzatspektrum): Mertz-féle fáziskorrekció: a b

16. Fáziskorrekció b a

17. Interferencia kiszűrése Filmek, vékony küvetták határrétegei között többszörös reflexió miatt interferencia léphet fel:

18. Brewster-szög ΘB = arctan(n2/n1)

19. Interferencia kiszűrése Polarizált fény használata (Brewster-szög)

20. Interferencia kiszűrése Digitális szűrés

21. I t X A step-scan technika Időfelbontásos (pl. kinetikai) vizsgálatok: probléma: a teljes interferogram felvételéhez idő kell megoldás: impulzus technika + az interferogram pontonkénti felvétele

22. GC-FTIR detektálás Probléma: sok interferogramot kell FT-ni, adattárolás Megoldás: Gram-Schmidt módszer

23. GC-FTIR detektálás

24. Interferométerek

25. Speciális interferométerek Bruker IFS 120HR

26. Speciális interferométerek fix fix

27. Atmospheric Chemistry Experiment (ACE) satellite

28. Atmospheric Chemistry Experiment (ACE) satellite Felbontás: 0,02 cm1 Össztömeg: 41 kg http://www.ace.uwaterloo.ca/ACE_FTS.htm

29. Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT, Mauna Kea) „cat’s eye”

30. McMath-Pierce Solar Telescope (National Solar Observatory, Tucson)

31. Fourier-transzformációs IR készülékek - összefoglalás • Mérési pontok száma véges, ezért Fourier-transzformáció helyett diszkrét (gyors) Fourier-transzformáció (és nem egzakt nullpont, ezért cos→exp): • Fourier-transzformáció következményei: • A mozgó tükör nagyobb maximális kitérése (Dxmax) növeli a felbontást. • A mérési pontok sűrűsége a spektrumtartomány szélességet határozza meg. • Az FTIR készülékek fő előnyei a diszperziós készülékekhez képest: • Egyszerűbb felépítés • Nincs rés  nagyobb intenzitás  jobb jel/zaj viszony (Jacquinot-előny) • Minden mérési pont az összes l-ról ad információt  „virtuálisan” hosszabb mérési idő  jobb jel/zaj viszony (multiplex vagy Fellget-előny) • Belső kalibráció (Dx mérését HeNe lézer végzi) • FT előtti, és a FT-hoz kapcsolódó fontosabb műveletek: • apodizáció • nulla-feltöltés • fáziskorrekció • FT utáni, felhasználó-függő műveletek: • alapvonal-korrekció, simítás, stb…

32. Infravörös sugárforrások

33. Infravörös sugárforrások Feketetest-sugárzás Wien-törvénye: lmax= b/T b= 2,897 7685(51) × 10–3 m K

34. IR detektorok Termikus Kvantumos (félvezető) Pneumatikus „Intrinsic” „Extrinsic” Piro-elektromos Termopárok „Tiszta” félvezetők „Szennyezett” félvezetők, pl. Si, Ge Termo-elektro-mos effektus pl. J-, K-, N-, stb. típus Bolométerek Kristály hőelnyelése hatására töltés a felületén Hőmérsékletfüggő ellenállású vezető + IR adszorbens réteg Foto-konduktív Foto-voltaikus Mikrofon Golay-cella Vezető-képesség változása, PbS, MCT Elektromos áram keltése, InSb, MCT Hőtáguló gáz (Xe) tartályára szerelt tükör + fényforrás és fotocella Fotoakusztikus spektroszkópia Infravörös kamerák Egyéb: fotoemissziós, kvantumkút

35. IR detektorok: fotoelektromos detektorok Előnyök: viszonylag olcsó, szobahőmérsékleten használható, nem „kényes”, szűrőkkel együtt könnyen változtatható és széles spektrumtartomány Hátrányok: kevéssé érzékeny, lassabb, mint a felvezető detektorok Főbb típusok: TGS (triglicin-szulfát) DTGS (deutero-triglicin-szulfát) – magasabb Curie-hőmérséklet (D)ATGS (L-alaninnal „szennyezett” (D)TGS) DATGSP, DATGSAs

36. IR detektorok: félvezető detektorok

37. IR detektorok: félvezető detektorok fotovoltaikus fordított dióda dióda

38. IR detektorok: félvezető detektorok

39. IR detektorok: félvezető detektorok Előnyök: gyors, érzékeny Hátrányok: drága, kriogén (általában LN2) hűtést igényel Főbb típusok: MCT (HgCdTe), InSb, Ge, InSb / MCT szendvics

40. IR detektorok: összehasonlítás

41. Hubble Space Telescope – Nicmos

42. IR ablakanyagok