Mätprincipen som ett flertal av OPSIS olika typer av gasanalysatorer använder kallas DOAS, vilket står för differentiell optisk absorptionsspektroskopi. Du kan läsa mer om DOAS i denna engelskspråkiga bloggartikel.[Länka till EN/ID 17]
En central komponent i vissa av analysatortyperna är ”spektrometern”. Det är en enhet som delar upp inkommande vitt ljus i dess olika våglängder, och gör det möjligt att mäta upp ljusspektrumet. Men hur fungerar den?
Nyckelkomponenten är en optisk komponent som kallas för gitter. På lite avstånd ser den ut som en liten spegel som helt enkelt reflekterar ljus. Skickar man in en ljusstråle mot spegeln (eller gittret) i en viss vinkel mot spegelytans normal reflekteras ljuset ut i samma vinkel på andra sidan normalen. Det är vi alla vana vid. Gittret har dock något extra: ett mönster av väldigt smala och täta parallella linjer på den reflekterande ytan. Det kan finnas flera tusen linjer per millimeter.
Våglängd, vågfront och diffraktion
För att förklara vad som händer skall vi tänka på ljus som elektromagnetiska vågor. Varje färg representeras av en viss längd på vågen – våglängden. Ju mer mot röd färg och vidare upp i det infraröda, desto längre våglängd. Ju mer mot det blåa och vidare ner i det ultravioletta desto kortare våglängd. Precis som för vågor på vatten säger man också att en ljusvåg har en front vinkelrät mot rörelseriktningen – vågfronten. När vågfronten som hör till en viss färg träffar gitterytan så störs den av linjerna på ytan. Det mesta av ljuset reflekteras som i en vanlig spegel, men det sker också en annan sorts reflektion. Vågfrontens reflektioner bildar konstruktiva interferenser och en del av det infallande ljuset lämnar därför gitterytan i vissa andra riktningar än den vanliga reflektionen. Fenomenet kallas diffraktion. Mellan dessa diffraktionsriktningar skickas det inte ut något ljus från den givna vågfronten. Och här kommer finessen med gittret: Utgångsvinkeln på diffraktionen beror på våglängden. Ljus med blå färg lämnar gittret närmast den vanliga spegelreflektionen (också kallad nollte ordningens diffraktion), grönt ljus lämnar i en större vinkel från nollte ordningen, och rött ljus lämnar ytan ännu längre bort från nollte ordningen.
Principen för ett gitter.
Men varför krångla till det? Vi har alla sett en regnbåge och dess färgseparation som sker i små vattendroppar kan också skapas i ett glasprisma. Varför inte använda ett enkelt prisma i stället för ett gitter? Svaret är ”upplösning”. Gittret skapar en mycket större färgseparation än prismat, och det gör att en kompakt spektrometer ändå kan ha en hög och användbar spektral upplösning.
Hur man bygger en spektrometer
Så långt allt väl, men hur ser resten av spektrometern ut? Den kan vara så enkel som en svart låda, i alla fall svart på insidan. Längs lådans ena sida skickas ljuset in mot gittret som är monterat inuti lådan. På ett annat ställe längs en av lådans sidor finns en öppning där diffraktionsljuset kan lämna lådan och fångas upp av en ljusdetektor. Det är allt. Fast med det sagt så är det väldigt vanligt att man också ser till att gittret kan roteras från lådans utsida längs en axel som är vinkelrät mot det infallande ljuset. Det gör det möjligt att välja vilket våglängdsområde (färgområde, våglängdsfönster) som detektorn exponeras för.
Vissa spektrometrar är så här enkla. Sedan handlar det ”bara” om praktiska frågor som matcha budgeten för ljusenergi mot f-tal, gitterupplösning, lådgeometri och detektorns känslighet, och vi har vår spektrometer. För att göra konstruktionen lite mer kompakt kan vi också lägga till några speglar för att vika ljusstrålarna. Det är en sådan design som används av OPSIS i UV-DOAS-gasanalysatorerna. Spektrometertypen kallas Czerny-Turner-spektrometer efter dess uppfinnare.
Principen för en Czerny-Turner-spektrometer som används i OPSIS UV-DOAS gasanalysatorer.
När vi nu har vår spektrometer så behöver vi bara också kunna lite om molekylär ljusabsorption och beräkningar, också har vi vår färdiga gasanalysator. Men det är en annan historia!
är registrerade varumärken som ägs av Opsis AB. |