CHƯƠNG II KỸ THUẬT PHÂN TÍCH PHỔ HẤP THỤ VÀ PHỔ PHÁT XẠ

Ch¬ng II Kü thuËt ph©n tÝch phæ hÊp thô vµ phæ ph¸t x¹

II.1. C¸c dông cô trong hÖ phæ hÊp thô vµ phæ ph¸t x¹

S¬ ®å c¬ b¶n cña mét hÖ ®o phæ hÊp thô hoÆc phæ ph¸t x¹ cã thÓ ®îc m« t¶ nh sau:

MÉu ®o

Phæ kÕ

Nguån t¹o bøc x¹

Dông cô bæ xung

TÕ bµo quang ®iÖn

ThiÕt bÞ ®äc ë ®Çu ra

H×nh 2.1. C¸c dông cô chÝnh trong hÖ ph©n tÝch phæ Nguån t¹o bøc x¹: Cung cÊp bøc x¹ cã bíc sãng phï hîp cho viÖc nghiªn cøu mÉu trong tõng trêng hîp cô thÓ. §Ó phæ kÕ cho c¸c bøc x¹ cã tÇn sè kh¸c nhau, ngêi ta sö dông c¸c dông cô bæ xung nh c¸c d¹ng l¨ng kÝnh, bé läc s¾c hoÆc c¸c c¸ch tö. Khi nguån bøc x¹ chiÕu vµo mÉu, mét phÇn sÏ bÞ hÊp thô, phÇn cßn l¹i sÏ truyÒn qua vµ r¬i vµo tÕ bµo quang ®iÖn, dông cô nµy sÏ chuyÓn tÝn hiÖu quang thµnh ®iÖn. TÝn hiÖu, sau khi ®îc khuÕch ®¹i sÏ ®îc xö lý t¹i phÇn ®äc ë ®Çu ra díi d¹ng ®å thÞ hoÆc file kÕt qu¶. Quang kÕ: Lµ dông cô dïng ®Ó x¸c ®Þnh tû phÇn c«ng suÊt cña hai chïm bøc x¹ ®iÖn-tõ. Phæ kÕ: Lµ dông cô bao gåm c¸c linh kiÖn nhËn bøc x¹, ph©n chia vµ ®a ra chïm tia cã bíc sãng lùa chän trong vïng phæ x¸c ®Þnh. Phæ kÕ cho phÐp x¸c ®Þnh sù phô thuéc cña c«ng suÊt bøc x¹ vµo bíc sãng. Quang-phæ kÕ: Lµ phæ kÕ cïng c¸c thiÕt bÞ hç trî ®Ó cã thÓ x¸c ®Þnh tû phÇn c«ng suÊt bøc x¹ cña hai chïm tia nh mét hµm sè cña bíc sãng phæ. Hai chïm tia bøc x¹ cã thÓ ®îc ph©n biÖt bëi kh«ng gian, thêi gian hoÆc c¶ hai th«ng sè trªn.

II.1.1. Nguån bøc x¹.

Nguån bøc x¹ trong mét hÖ phæ hÊp thô cã nhiÖm vô c¬ b¶n:

- Cung cÊp mét c¸ch hiÖu qu¶ n¨ng lîng bøc x¹ trªn toµn bé vïng bíc sãng mµ phæ hÊp thô ®îc ®o. - Duy tr× cêng ®é bøc x¹ kh«ng ®æi liªn tôc trong kho¶ng thêi gian ®o. NÕu c- êng ®é bøc x¹ qu¸ thÊp trong vïng ®o phæ th× ph¶i sö dông c¸c kÝnh ®¬n s¾c ®Ó nhËn ®îc nguån n¨ng lîng cÇn thiÕt. - Nãi chung ®é s¸ng kh«ng g©y ¶nh hëng lín ®Õn kÕt qu¶ ph©n tÝch phæ, tuy nhiªn trong thiÕt kÕ, cÇn lu ý lµ mËt ®é th«ng lîng chïm bøc x¹ thay ®æi tû lÖ ngÞch víi b×nh ph¬ng kho¶ng c¸ch tõ nguån tíi mÉu ®o. II.1.1.1. §Ìn hydrogen.

Lµm viÖc trong vïng cùc tÝm (UV), trong ®iÒu kiÖn ¸p suÊt thÊp (0.2- 5 torr) vµ ®iÖn ¸p thÊp (40V DC). Cathode ®îc nung nãng lµ c¬ chÕ chÝnh ®Ó duy tr× sù ph¸t bøc x¹. Sù ph¸t s¸ng nµy cã nhiÖt ®é ©m so víi nhiÖt ®é táa ra trªn ®iÖn trë theo hiÖu øng nhiÖt, do ®ã cÇn cã thªm nguån dßng ®Ó cã thÓ ®iÒu chØnh ®îc.

35

§Æc ®iÓm quan träng nhÊt cña lo¹i ®Ìn nµy lµ khÈu ®é c¬ häc gi÷a cathode vµ anode, dïng ®Ó nÐn chïm s¸ng ®i qua mét lç hÑp. Th«ng thêng anode ®îc ®Æt gÇn khÈu ®é ®Ó cã thÓ t¹o qu¶ cÇu s¸ng tËp trung cêng ®é cã ®êng kÝnh 0.6- 1.5mm ë phÝa cathode sö dông hydro nÆng ®Ó lµm t¨ng mét chót kÝnh thíc gi÷a cÇu s¸ng vµ t¨ng ®é chãi tõ 3-5 lÇn, ¶nh cña chïm s¸ng ®i vµo phæ kÕ sÏ phô thuéc vµo khÈu ®é.

§Ó lµm t¨ng hiÖu suÊt tËp trung ¸nh s¸ng cÇn ®iÒu chØnh vÞ trÝ ®Ìn t¹i ®iÓm héi tô cña g¬ng ph¶n x¹ ellip. VD: §Ìn b×nh thêng hiÖu suÊt tËp trung ~10%, ®Ìn cã cÊu t¹o nh trªn hiÖu suÊt sÏ trªn 60%. §Ìn hydrogen cung cÊp bøc x¹ m¹nh vµ liªn tôc trong vïng phæ thÊp h¬n 360nm.

NÕu ®îc b¶o vÖ bëi SiO2 ®Ìn cã thÓ cho phæ bøc x¹ ë vïng sãng 160nm. ë c¸c bíc sãng lín h¬n 380nm, ®Ìn cho phæ ph¸t x¹ cã c¸c v¹ch trïng nhau liªn tôc vµ t¹o ra nhiÔu. II.1.1.2. §Ìn Sîi ®èt nãng s¸ng

Thêng dïng cho c¸c hÖ ®o phæ trong vïng bíc sãng tõ 350nm ®Õn 2.5m m. Sö dông sîi ®èt W nung nãng ®Õn ph¸t s¸ng b»ng dßng ®iÖn. Sîi ®èt ®- îc ®Æt trong èng thñy tinh hµn kÝn, bªn trong cã thÓ lµ khÝ tr¬ hoÆc ch©n kh«ng. Sîi ®èt ®îc xo¾n l¹i ®Ó t¨ng cêng ®é ph¸t x¹. §Ìn lo¹i nµy chÕ t¹o ®¬n gi¶n, gi¸ thµnh thÊp..

§Ìn Halogen- Wolfram lµ mét d¹ng ®Æc biÖt cña ®Ìn sîi ®èt nãng s¸ng. §Ìn ®îc bäc b»ng thuû tinh th¹ch anh ®Ó t¨ng nhiÖt ®é lµm viÖc tíi 3500K. KhÝ I2 ®îc ®a vµo bªn trong èng thuû tinh, trong qu¸ tr×nh ph¸t s¸ng x¶y ra ph¶n øng hãa häc t¹o khÝ: I +W =WI2(khÝ), khÝ nµy b¸m vµo sîi ®èt W vµ phôc håi sîi ®èt, qu¸ tr×nh cø diÔn ra liªn tôc nh vËy vµ ®Ìn lu«n ®îc lµm s¹ch. §Ìn lo¹i nµy duy tr× trªn 90% ¸nh s¸ng so víi ban ®Çu trong suèt thêi gian ho¹t ®éng.

VÒ c¬ b¶n sù ph©n bè c«ng suÊt bøc x¹ cña ®Ìn sîi ®èt còng gièng nh bøc x¹ cña vËt ®en tuyÖt ®èi, do ®ã nÕu ®o phæ ë vïng bíc sãng xa víi c«ng suÊt cùc ®¹i sÏ rÊt nh¹y víi c¸c lo¹i nhiÔu. Chó ý r»ng ®Ìn sîi ®èt W ph¸t bøc x¹ chñ yÕu ë trong vïng n¨ng lîng øng víi bíc sãng hång ngo¹i gÇn, ®¹t cêng ®é lín nhÊt ë 1000nm vµ gi¶m rÊt nhanh ®Õn 1% ë vïng 300nm. ChØ cßn 15% cña n¨ng lîng bøc x¹ trong vïng nh×n thÊy ®èi víi ®Ìn cã nhiÖt ®é 2850K. Th«ng th- êng ®Ó lo¹i bá bøc x¹ hång ngo¹i nhng kh«ng lµm gi¶m n¨ng lîng bøc x¹ ë vïng sãng ng¾n mét thiÕt bÞ läc hÊp thô nhiÖt hoÆc g¬ng lµm l¹nh ®îc ®Æt gi÷a ®Ìn vµ mÉu ®o.

Vá bäc b»ng thuû tinh hÊp thô m¹nh trong vïng nhá h¬n 280nm. §Ìn sî ®èt lµ nguån ph¸t rÊt quan träng trong hÖ ph©n tÝch phæ v× tÝnh

chÊt æn ®Þnh tuyÖt vêi cña nã h¬n lµ tÝnh chÊt cña phæ bøc x¹. II.1.1.3. æn ®Þnh bøc x¹ .

Dßng quang ®iÖn xuÊt hiÖn khi chiÕu chïm bøc x¹ vµo Detector tû lÖ thuËn víi ®iÖn ¸p ®Æt vµo ®Ìn. §Ó æn ®Þnh dßng quang ®iÖn trong kho¶ng 0,2% (øng víi ®é chÝnh x¸c cña hÖ phæ) th× nguån ®iÖn ¸p cho sîi ®èt cÇn ph¶i ®îc ®iÒu chØnh trong kho¶ng vµi ngh×n v«n. Nguån ®îc æn ®Þnh b»ng c¸ch sö dông c¸c bé pin n¹p hoÆc c¸c biÕn thÕ chuyÓn ®iÖn ¸p xoay chiÒu thµnh mét chiÒu.

B»ng c¸ch ®Æt mét detector thø 2 trªn ®êng ®i cña chïm s¸ng tõ nguån tíi mÉu, cã thÓ hiÖu chØnh ®îc tÝn hiÖu ë ®Çu ra cña ®Ìn. §iÒu nµy ®îc thùc hiÖn do cã sù håi tiÕp tÝn hiÖu ®Õn nguån ®iÖn ¸p ®Æt vµo ®Ìn nh»m môc ®Ých t¨ng hoÆc gi¶m dßng ®Çu ra.

36

II.1.1.4. ChÕ ®é ®iÒu biÕn hoÆc xung cña ®Ìn.

Sö dông nguån ®iÖn ¸p håi tiÕp cho ®Ìn cho phÐp nguån lµm viÖc ë chÕ ®é ®iÒu biÕn hoÆc chÕ ®é xung.

ë chÕ ®é ®iÒu biÕn, nguån ®iÖn ¸p bªn ngoµi ®îc ®iÒu biÕn hoÆc lËp tr×nh hÖ ®Ìn nguån ®Ó t¹o c¸c tÝn hiÖu h×nh sin, h×nh ch÷ nhËt hoÆc d¹ng r¨ng ca. Sö dông tÝn hiÖu håi tiÕp quang vµ ®iÒu biÕn ®iÖn ¸p ngoµi, cho phÐp nhËn c¸c tÝn hiÖu quang cã møc mÐo thÊp nhÊt. Do ®Ìn ®îc liªn hÖ víi tÝn hiÖu håi tiÕp nªn nh÷ng ®iÓm kh«ng tuyÕn tÝnh trªn ®Æc trng cña ®Ìn cÇn ph¶i ®îc xem xÐt.

ë chÕ ®é xung, ®Ìn lµm viÖc ë møc c«ng suÊt cao h¬n b×nh thêng, dßng h kh¸ng ®îc thiÕt lËp ë gi¸ trÞ thÊp vµ gi¸ trÞ dßng t¨ng trong thêi gian ph¸t xung. Dßng t¨ng m¹nh nhÊt ë vïng tia cùc tÝm vµ yÕu nhÊt ë vïng hång ngo¹i. Thêi gian ng¾n nhÊt cña mét xung lµ 300m s, thêi gian dµi nhÊt cã thÓ vµi gi©y hoÆc l©u h¬n phô thuéc vµo lo¹i ®Ìn. Trong c¶ hai chÕ ®é ®iÒu biÕn vµ xung th× tuæi thä cña ®Ìn ®Òu bÞ gi¶m.

II.1.2. Detectors

Detector lµ lo¹i c¶m biÕn chuyÓn bøc x¹ ®iÖn tõ thµnh tÝn hiÖu ®iÖn, tøc lµ t¹o dßng ®iÖn ch¹y trong thiÕt bÞ ®äc ë ®Çu ra. Dßng quang ®iÖn cÇn ®îc khuÕch ®¹i, ®Æc biÖt lµ khi thùc hiÖn phÐp ®o ë c¸c møc n¨ng lîng rÊt thÊp. Cã c¸c lo¹i detector ®¬n nh tÕ bµo quang ®iÖn, photodiode, èng ph¸t quang. C¸c lo¹i ph¸t quang ®a phÇn tö nh c¸c ma trËn detector. §Æc trng quan träng nhÊt cña mét lo¹i detector lµ ®é nh¹y phæ, ®é ph¶n håi bíc sãng, ®é khuÕch ®¹i vµ thêi gian ph¶n håi.

II.1.2.1. TÕ bµo quang ®iÖn Se/Ag (H.2.2)

Sö dông c¸c tÊm kim lo¹i nh Fe lµm ®Þªn cùc, vµ mét mµng b¸n dÈn máng Se phñ lªn trªn ®iÖn cùc. Sau ®ã mét mµng rÊt máng Ag hoÆc Au ®îc chÕ t¹o bëi ph¬ng ph¸p phón x¹ phñ lªn trªn mµng Se, mµng nµy ®îc sö dông nh cùc gãp.

H×nh 2.2. CÊu tróc mét tÕ bµo quang ®iÖn

Khi bøc x¹ chiÕu vµo mµng Se, sÏ sinh ra c¸c cÆp ®iÖn tö -lç trèng trªn bÒ mÆt tiÕp xóc Se/Ag. §iÖn tö sÏ chuyÓn lªn cùc collector (Ag). Do sù kh¸c nhau vÒ c«ng tho¸t cña ®iÖn tö ë kim lo¹i vµ b¸n dÉn sÏ h×nh thµnh hµng rµo thÕ t¹i líp kim lo¹i vµ b¸n dÉn (Se/Ag). §iÖn tö chØ cã thÓ dÞch chuyÓn vÒ

37

phÝa kim lo¹i mµ kh«ng thÓ dÞch chuyÓn vÒ phÝa ngîc l¹i, kÕt qu¶ sÏ t¹o nªn hai vïng tÝch ®iÖn tr¸i dÊu vµ cã sù kh¸c biÖt vÒ ®iÖn thÕ gi÷a cùc gèc vµ cùc gãp. NÕu m¹ch ngoµi cã ®iÖn trë £ 400W , dßng ®o¶n m¹ch sÏ gÇn nh tû lÖ thuËn víi c«ng suÊt bøc x¹ cña chïm tíi.

§é ph¶n håi ®¹t gi¸ trÞ lín nhÊt trong vïng bíc sãng mµu xanh l¸ c©y vµ mµu vµng. V× trë kh¸ng cña tÕ bµo quang ®iÖn rÊt thÊp nªn dßng ®Çu ra kh«ng thÓ khuÕch ®¹i ®îc nÕu kh«ng sö dông bé khuÕch ®¹i håi tiÕp. ChÝnh v× vËy, tÕ bµo quang ®iÖn ®îc dïng chñ yÕu trong c¸c bé läc quang kh«ng ®¾t tiÒn, cã ®é ph¸t s¸ng cao tíi detector vµ kh«ng cÇn khuÕch ®¹i dßng. TÕ bµo quang ®iÖn lµ lo¹i photodector Ýt ®îc sö dông nhÊt v× nh÷ng h¹n chÕ vÒ ®é nh¹y còng nh d¶i ho¹t ®éng tuyÕn tÝnh t¬ng ®èi hÑp.

38

II.1.2.2: §Ìn bøc x¹ quang (Vacuum Photoemisive Tubes)

§Ìn bøc x¹ quang lµ mét d¹ng ®Ìn ®iÖn tö Anode - Cathode ®îc ®Æt trong vá thuû tinh vµ hót t¹o ch©n kh«ng bªn trong. Cathode nh¹y quang ®îc lµm tõ kim lo¹i cã h×nh d¹ng mét nöa h×nh trô trªn bÒ mÆt phñ mét líp nh¹y quang. D©y Anode ®îc ®Æt däc theo trôc cña Cathode (nöa h×nh trô) hoÆc lµm d¹ng hép bao quanh Cathode.

Khi ¸nh s¸ng chiÕu vµo photocathode, c¸c ®iÖn tö quang sÏ bÞ bËt ra vµ bay vÒ phÝa cùc d¬ng (+) Anode t¹o nªn dßng quang ®iÖn. TÊt c¶ c¸c ®iÖn tö sÏ ®îc thu trªn Anode bëi ®iÖn ¸p +90 V so víi Cathode. Dßng quang ch¹y qua ®iÖn trë t¹i RL t¹o nªn tÝn hiÖu ®iÖn ¸p: LS=i.RL .

Th«ng thêng trë t¶i trong m¹ch ngoµi lµ ®iÖn trë ®Çu vµo cña m¹ch khuÕch ®¹i. Dßng ch¹y trong m¹ch ngoµi tû lÖ thuËn víi tèc ®é quang ®iÖn tö ph¸t ra, tøc lµ tû lÖ víi th«ng lîng chïm s¸ng chiÕu vµo. §Ìn bøc x¹ bÞ giíi h¹n bëi kh¶ n¨ng nh¹y víi c¸c bøc x¹ gi¶ g©y ra bëi n¨ng lîng nhiÖt, vµ khi cêng ®é ¸nh s¸ng chiÕu vµo ë møc thÊp, dßng quang ®iÖn t¹o thµnh còng rÊt nhá. MÆc dï dßng quang ®iÖn rÊt nhá; i » 10pA nhng còng cã thÓ dÔ dµng khuÕch ®¹i ®- îc. Tuy nhiªn nÕu dßng qu¸ nhá, nhá h¬n c¶ dßng rß ®i vµo ®Ìn tõ vá m¾c song song víi trë t¶i, thêi gian håi tiÕp sÏ lín vµ lµm háng c¸c hiÖu øng ph¶n håi cña detector. §èi víi ®é chÝnh x¸c ‡ 1%; cÇn ph¶i hiÖu chØnh ®Ó lo¹i bá nh÷ng vïng kh«ng tuyÕn tÝnh trªn ®êng ®Æc trng dßng quang ®iÖn phô thuéc vµo ®é chiÕu s¸ng. Thêi gian ph¶n håi cña ®Ìn vµo kho¶ng 150 ps. §Ìn bøc x¹ phï hîp víi c¸c nguån cã ®é ph¸t cao, tèc ®é lÆp l¹i thÊp.

NhiÔu xuÊt hiÖn trong thiÕt bÞ c¶m biÕn nµy thêng lµ nhiÔu cã bíc sãng ng¾n, xuÊt hiÖn do dßng ®iÖn vµ n¨ng lîng ¸nh s¸ng bÞ lîng tö ho¸, photon ®Ëp vµo c¸c Cathode mét c¸ch ngÉu nhiªn. §iÖn tö quang d¹ng nµy sÏ bøc x¹ vµ r¬i vµo anode còng hoµn toµn ngÉu nhiªn.

II.1.2.3 §Ìn nh©n quang (Photomultiplier Tubes)

Lµ mét dông cô kÕt hîp gi÷a ®Ìn bøc x¹ Cathode vµ mét chuçi linh kiÖn nh©n ®iÖn tö (Dynode) (H.2.3). Bøc x¹ chiÕu vµo Cathode lµm cho c¸c quang ®iÖn tö bøt ra (~ 10-13s). C¸c quang ®iÖn tö nµy ®îc héi tô b»ng trêng tÜnh ®iÖn vµ gia tèc ®Õn ®Ëp vµo c¸c ®iÖn cùc (Dynode - kho¶ng 10 sîi d©y phñ hîp chÊt BeO, Gap, hoÆc CsSb) tiÕp tôc lµm bøt ra v« sè c¸c ®iÖn tö kh¸c vµ t¹o ra mËt ®é lín c¸c ®iÖn tö cã n¨ng lîng cao. Mét sè thiÕt bÞ cã Dynode thø hai d¹ng mÆt cÇu sÏ híng c¸c ®iÖn tö ®i theo mét chiÒu, trong khi ®ã ®iÖn tr- êng ë bªn c¹nh hoÆc ®Çu Dynode sÏ chuyÓn ®iÖn tö theo híng thø hai.§Ó lÆp l¹i qu¸ tr×nh nh©n ®iÖn tö ë c¸c Dynode tiÕp theo cÇn duy tr× ®iÖn ¸p t¹o nªn dßng th¸c ®iÖn tö bay ®Õn Anode; nh vËy dßng ®· ®îc khuÕch ®¹i. Sau ®ã dßng cã thÓ ®îc tiÕp tôc khuÕch ®¹i ë m¹ch ngoµi.

§Ó tr¸nh sù ph¸ háng bÒ mÆt Dynode do nung nãng côc bé vµ sù giµ ho¸ cña ®Ìn, dßng Anode ®îc gi÷ trong kho¶ng £ 1mA. §iÒu nµy ®îc thùc hiÖn khi 50V. Thêi gian ph¶n håi ~ ®iÖn ¸p gi÷a Dynode cuèi cïng vµ Anode lµ £ 0,5 ns 1‚ 2 ns. §iÖn trë cña nÕu vËt liÖu phñ Dynode lµ GaP; víi c¸c vËt liÖu kh¸c ~ chuçi linh kiÖn sÏ chia ®iÖn ¸p trªn hiÖu ®iÖn thÕ gi÷a c¸c dynode vµo kho¶ng 75 - 100 V. Lý tëng, tæng hÖ sè khuÕch ®¹i cña ®Ìn cã n tÇng (n Dynode): G = (f)n. trong ®ã f- HÖ sè bøc x¹ ®iÖn tö thø cÊp cña mét tÇng khuÕch ®¹i. Gi¸ trÞ

39

chÝnh x¸c cña f phô thuéc vµo vËt liÖu phñ vµ ®iÖn ¸p ®Æt vµo dynode. ( f ~ 3 ‚ 10), víi GaP cho f = 50.

Photocathode thêng ®îc chÕ t¹o tõ vËt liÖu cã hÖ sè bøc x¹ tíi lín nhÊt vµ cã ®é dµy ®ñ lín ®Ó cã thÓ hÊp thô hoµn toµn ¸nh s¸ng tíi, nhng l¹i còng ph¶i ®ñ máng ®Ó cã thÓ t¹o ra c¸c quang ®iÖn tö vµ c¸c ®iÖn tö nµy sau khi ®i qua cßn ®ñ n¨ng lîng ®Ó vît qua rµo thÕ c«ng tho¸t cña bÒ mÆt ch©n kh«ng.

HiÖu suÊt lîng tö Cathode (Quantum efficient - QF) lµ th«ng sè biÓu diÔn tû sè gi÷a sè lîng trung b×nh c¸c quang ®iÖn tö bøt ra tõ Cathode víi sè lîng photon tíi. Bíc sãng bøc x¹ phô thuéc vµo vËt liÖu lµm Cathode: Cs-Te cathode cho phÐp ®iÒu chØnh ®îc phæ trong vïng tõ 120 ‚ 350 nm, cßn Ga-As trong vïng 200 ‚ 900 nm. §é nh¹y bøc x¹ sãng ng¾n ®îc ®iÒu chØnh b»ng vËt liÖu bao bäc. NÕu bäc b»ng thuû tinh th× giíi h¹n cña bíc sãng lµ 350 nm cßn b»ng SiO2 giíi h¹n nµy lµ 200 nm

H×nh 2.3. S¬ ®å ®Ìn nh©n quang

II.1.2.4. Photodiodes.

CÊu tróc mét photodiode nh h×nh 2.4. ChuyÓn tiÕp p-n ®îc ph©n cùc ng- îc do ®ã kh«ng cã dßng ®iÖn ch¹y qua. Khi chïm photon tíi ®Ëp vµo diode, ®iÖn tö sÏ chuyÓn lªn vïng dÉn vµ t¹o thµnh dßng quang ®iÖn tû lÖ víi cêng ®é

40

chïm s¸ng chiÕu vµo. Linh kiÖn lo¹i nµy ®îc lµm viÖc trong vïng ¸nh s¸ng nh×n thÊy vµ hång ngo¹i gÇn, cã ®é ph¶n håi kho¶ng 250 ‚ 500 mA/W (h×nh 2.5).

Nãi chung tèc ®é lµm viÖc cña diode bÞ giíi h¹n bëi hÖ sè thêi gian gi÷a trë kh¸ng ®Çu vµo cña bé khuÕch ®¹i vµ ®iÖn dung tô vïng nghÌo cña chuyÓn tiÕp p-n ( 2-5 pF). §Ó gi¶m gi¸ trÞ ®iÖn dung ph¶i chÕ t¹o linh kiÖn rÊt nhá. Chïm s¸ng ®îc ®a tíi diode qua hÖ thÊu kÝnh , thêi gian ph¶n håi kho¶ng 5 ns. Cã thÓ chÕ t¹o mét ma trËn diode ®Ó thu tÝn hiÖu tõ rÊt nhiÒu c¶m biÕn riªng biÖt. Dông cô nµy cã ®é æn ®Þnh rÊt tèt, sù lan truyÒn ®iÖn tÝch tõ c¸c kªnh chËm nªn tÝn hiÖu trong tõng kªnh lín, nªn cã thÓ thùc hiÖn phÐp ®o cã ®é chÝnh x¸c rÊt cao.

H×nh 2.4. CÊu tróc cña photodiode

II.1.3. Module ®äc.

H×nh 2.5. §é ph¶n håi cña diode p-n

§©y lµ dông cô t¹o tÝn hiÖu DC ( Direct Current) tÝn hiÖu nµy sau ®ã ®îc khuÕch ®¹i bëi bé khuÕch ®¹i DC vµ hiÓn thÞ ra c¸c dông cô chØ sè, bé ghi hoÆc v«n kÕ. Tuy nhiªn bé khuÕch ®¹i DC cã hÖ sè khuÕch ®¹i lín sÏ lµm lÖch vµ ®æi tÝn hiÖu. Sù cã mÆt cña nhiÔu ë tÇn sè thÊp trong tÝn hiÖu sÏ lµm h¹n chÕ viÖc më réng tû sè gi÷a tÝn hiÖu/ nhiÔu. Do nh÷ng nguyªn nh©n nh vËy, th«ng thêng, ngêi ta ®iÒu biÕn tÝn hiÖu vµ chuyÓn sang tÝn hiÖu xoay chiÒu (Alternating Current) cã tÇn sè cao ®ñ ®Ó lo¹i bá sù sai lÖch tÝn hiÖu vµ nhiÔu. Sau khi khuÕch ®¹i b»ng bé khuÕch ®¹i AC tÝn hiÖu ®îc chuyÓn ngîc vÒ d¹ng DC bëi bé khö biÕn hoÆc bé läc v× hÇu hÕt c¸c dông cô ®äc ë ®Çu ra cÇn tÝn hiÖu DC.

§iÒu biÕn thêng ®îc t¹o bëi c¸c bé ng¾t chïm ¸nh s¸ng chiÕu vµo detector b»ng mét dông cô quang d¹ng ®Üa cã c¸c kho¶ng trèng. C¸c phÇn trªn bé ng¾t quang sÏ ®îc ph©n biÖt bëi ®iÖn tÝch sö dông.

II.1.4. Bé läc

41

Víi môc ®Ých lùa chän tû sè tÝn hiÖu/nhiÔu gi÷a c¸c v¹ch bøc x¹ c¬ së vµ ph©n tÝch, ®Ó ph©n biÖt ®îc c¸c d¶i rÊt hÑp cña bíc sãng ngêi ta ph¶i sö dông c¸c bé läc hay kÝnh ®¬n s¾c hoÆc sö dông c¶ hai.

Bé läc b¶o ®¶m hiÖu suÊt ¸nh s¸ng ®i qua rÊt cao 50 - 80 %, ¸nh s¸ng t¸n x¹ cã cêng ®é t¬ng ®èi cao ®Æc biÖt lµ c¸c hÖ kh«ng hé tô. Mét bé läc ph¶i dïng ®îc cho 5 bíc sãng.

II.1.4.1 Bé läc hÊp thô

HiÖu øng x¶y ra bªn trong khi bøc x¹ t¬ng t¸c víi c¸c nguyªn tö vËt liÖu. Trong mét sè lo¹i vËt liÖu sù t¬ng t¸c nµy lµ qu¸ tr×nh t¸n x¹ cã lùa chän, cßn ®èi víi c¸c vËt liÖu kh¸c th× sù hÊp thô ion chiÕm u thÕ.

HÖ sè truyÒn qua sÏ gi¶m theo chiÒu dµy vµ ®îc biÓu diÔn bëi hµm exp. cña hÖ sè hÊp thô. KÝnh läc hÊp thô ®îc lµm tõ c¸c vËt liÖu nh Gelatin (mét d¹ng keo tô); thuû tinh, chÊt láng vµ nhùa. KÝnh läc b»ng thuû tinh ®îc sö dông réng r·i trong c¸c hÖ ph©n tÝch vµ tù ®éng. Lo¹i t¸n x¹ phô thuéc vµo tinh thÓ t¸n x¹ ®îc t¹o thµnh bªn trong khèi thuû tinh b»ng c¸c xö lý nhiÖt. C¸c bøc x¹ cã bíc sãng ng¾n sÏ bÞ t¸n x¹ vµ hÊp thô trong khi thµnh phÇn cã bíc sãng dµi th× kh«ng bÞ ¶nh hëng.

H×nh 2.6. §Æc trng truyÒn qua cña phæ khi ®i qua bé läc lµm tõ thuû tinh hçn hîp.

C¸c lo¹i kÝnh läc kh¸c dùa trªn c¬ së hÊp thô mét c¸ch chän läc ion trong dung dÞch s¹ch sö dông mét bé läc khèi ®Ó ng¨n chÆn c¸c phæ kh«ng mong muèn tõ c¸c kÝnh läc giao thoa hoÆc c¸c kÝnh läc nhiÔu x¹.

Mét d·y kÝnh läc chØ cho phÐp bøc x¹ cã bíc sãng dµi ®i qua (mµu vµng ®á), mét d·y kh¸c th× chØ cho sãng ng¾n h¬n (mµu xanh) ®i qua, (h×nh.2.6). §é réng trªn phæ cña ®iÓm cut–on vµ cut– off tõ 20–70 nm. HÖ sè truyÒn qua cùc ®¹i (peak transmisson) vµo kho¶ng 5-20 %, hÖ sè nµy sÏ gi¶m nÕu phæ ®- îc c¸ch ly tèt. C¸c bé läc lo¹i nµy kh«ng thÓ dïng cho c¸c d¶i phæ rÊt hÑp vµ cã c¸ peak truyÒn qua cao (c¸c cÊu tróc ®a mµng). TÊt c¶ c¸c bé läc giao thoa lµm

42

tõ c¸c chÊt ®iÖn m«i cã u ®iÓm h¬n vÒ ®é nh¹y. Cã rÊt nhiÒu lo¹i kÝnh läc ®îc lµm tõ nhùa.

II.1.4.2. Bé läc giao thoa

H×nh 2.7. S¬ ®å bé läc giao thoa vµ ®êng ®i cña tia s¸ng qua bé läc.

Bé läc gioa thoa gåm mét mµng máng ®iÖn m«i (CaF2; MgF2; SiO) n»m gi÷a 2 mµng kim lo¹i thêng lµ B¹c(Ag) ®Æt song song ph¶n x¹ tõng phÇn.

Cã thÓ sö dông c¸c lo¹i kÝnh läc hÊp thô ®Ó lo¹i bá c¸c d¶i sãng kh«ng cÇn thiÕt. §é réng d¶i bíc sãng trung t©m cã thÓ thay ®æi b»ng c¸ch thay ®æi nhiÖt ®é cña kÝnh läc hay thay ®æi gãc tíi cña chïm bøc x¹. Khi t¨ng nhiÖt ®é th× phæ sÏ dÞch chuyÓn vÒ phÝa bíc sãng dµi h¬n vµ ngîc l¹i. C¸c v¹ch phæ trong vïng nh×n thÊy sÏ dÞch chuyÓn kho¶ng 0.01 nm/1oC. Khi t¨ng gãc cña chïm tia tíi, bíc sãng trung t©m sÏ dÞch chuyÓn vÒ phÝa sãng ng¾n h¬n.

NÕu thay c¸c mµng kim lo¹i b»ng mµng ®iÖn m«i ngêi ta gäi lµ bé läc ®a mµng. C¸c tÝnh chÊt cña bé läc nµy sÏ tèt h¬n rÊt nhiÒu v× ®é hÊp thô cña mµng ®iÖn m«i gÇn nh b»ng kh«ng. C¸c mµng máng nµy ®îc phñ xen kÏ sao cho mµng cã chiÕt suÊt cao ë c¹nh mµng cã chiÕt suÊt thÊp, c¸c mµng ®Òu cã ®é dµy b»ng 1/4 bíc sãng. Khi chïm tia tíi chiÕu vµo bé läc chóng sÏ bÞ chia ra t¹i bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a c¸c mµng, ë ®ã chóng truyÒn qua vµ ph¶n x¹ liªn tôc. C¸c bíc sãng sÏ ®îc quÐt c¶ vÒ 2 phÝa cña bíc sãng trung t©m. Mét bé läc cã thÓ gåm tõ 5 ®Õn 25 mµng, ngµy nay kÝnh läc lo¹i nµy cã thÓ cho d¶i bíc sãng ®i qua trong kho¶ng 0.1 nm (b×nh thêng lµ 1- 5 nm), vµ hÖ sè truyÒn qua lµ 10-6. Th«ng thêng ®Ønh phæ truyÒn qua cßn ~55-60%. Bé läc lo¹i nµy cã thÓ lµm viÖc trong vïng bíc sãng tõ 180 nm- 35m m.

VÊn ®Ò cÇn kh¾c phôc lµ khi chïm tia tíi héi tô cao hoÆc kh«ng héi tô. Do bíc sãng ®i qua t¹i mét ®iÓm cña b« läclµ mét hµm sè phô thuéc vµo gãc cña tia tíi, ngoµi ra chiÕt suÊt H×nh 2.8. Phæ truyÒn qua cña bé läc giao thoa ®a líp víi d¶i th«ng ë ®iÓm cã bíc sãng lµ 500nm

43

cña mµng thay ®æi kh«ng phô thuéc vµo nhau vµ chiÒu dµy kh«ng t¬ng thÝch cña c¸c mµng còng lµ c¸c yÕu tè ¶nh hëng.

II.1.5. §¬n s¾c kÕ

Lµ dông cô quang häc bao gåm: 1- Khe hÑp (slit) ®Çu vµo ®Ó chïm s¸ng ®i vµo t¹o h×nh ¶nh rÊt hÑp cña nguån bøc x¹.

2- ChuÈn trùc (Collimator) lµm cho chïm tia s¸ng ®i tõ khe lu«n song song 3- C¸ch tö (Grate) hay l¨ng kÝnh ®Ó ph©n t¸n chïm tia tíi. 4- ChuÈn trùc ®Ó t¸i t¹o h×nh ¶nh cña nguån bøc x¹ khi ®Õn khe ®Çu vµo. 5- Khe ®Çu ra nh»m ®Þnh vÞ vµ t¸ch phæ b»ng c¸ch ng¨n chÆn tÊt c¶ c¸c bøc x¹ ph©n t¸n ngo¹i trõ bøc x¹ cho ®é ph©n gi¶i cña phÇn tö.

C¸c dông cô quang häc nµy ®îc ®Æt gÇn nhau. NhiÖm vô chÝnh cña ®¬n s¾c kÕ lµ cung cÊp chïm bøc x¹ cã bíc sãng vµ ®é réng d¶i phæ x¸c ®Þnh. Phæ ®Çu ra cña ®¬n s¾c kÕ ®îc sö dông nh nguån s¸ng liªn tôc. NhiÖm vô thø 2 lµ ®iÒu chØnh n¨ng lîng ®i qua b»ng ®iÒu chØnh ®é réng khe. Khe cã chiÒu réng rÊt nhá sÏ cho n¨ng lîng rÊt nhá ®i qua cho t¸c dông cña ®é nh¹y ph©n tÝch nh kÕt qu¶ cña sai háng gi÷a tû sè tÝn hiÖu/nhiÔu. Yªu cÇu cña ®¬n s¾c kÕ: - ThiÕt kÕ ph¶i ®¬n gi¶n - §é ph©n gi¶i cao - §é réng vïng phæ x¸c ®Þnh - TÝnh ®¬n s¾c cña chïm s¸ng ra - §é t¸n s¾c: §é t¸n s¾c lín vµ c«ng suÊt cao sÏ nÐn c¸c phæ ph¸t x¹ thµnh c¸c v¹ch rêi r¹c vµ d¶i phæ hÊp thô nhän sÏ cho phæ râ nÐt h¬n.

C¸c d¹ng g¬ng hoÆc kÝnh ®îc sö dông ®Ó thu bøc x¹ ¸nh s¸ng tõ nguån vµ híng tÊt c¶ chïm tia vµo khe ®Çu vµo cña ®¬n s¾c kÕ.

II.1.5.1 Khe (slit)

G

D

C

§¬n s¾c kÕ kh«ng thÓ ®Þnh vÞ mét bíc sãng cña chïm s¸ng tõ phæ liªn tôc cña bøc x¹ nguån, thay vµo ®ã lµ mét d¶i bíc sãng x¸c ®Þnh cña bøc x¹ ®i qua ®¬n s¾c kÕ. §Çu vµo cña ®¬n s¾c lµ khÈu ®é dµi vµ hÑp víi ®é réng cã thÓ ®iÒu chØnh ®îc gäi lµ khe, khe dµi h¬n 3 mm. Bªn trong ®¬n s¾c kÕ, chïm tia bÞ lÖch khái khe ®Çu vµo vµ chiÕu vµo g¬ng cña èng chuÈn trùc t¹o thµnh chïm s¸ng song song, héi tô chïm tia vµo phÇn tö ph©n t¸n. Chïm s¸ng song song ®i tõ èng chuÈn trùc lµ mét d¹ng më réng cña khe ®Çu vµo. TiÕt diÖn h×nh ch÷ nhËt cña chïm tia ph¶i ®ñ lín ®Ó chiÕu vµo toµn bé bÒ mÆt cña l¨ng kÝnh hay chiÒu dµi cña c¸ch tö. Ngîc l¹i, dông cô t¸n s¾c sÏ t¸ch chïm s¸ng tíi ®a bíc sãng thµnh c¸c chïm s¸ng ®¬n s¾c, mçi chïm ra khái dông cô t¸n s¾c víi H gãc kh¸c nhau. §Ó ®iÒu chØnh h×nh d¹ng chïm s¸ng ®Çu vµo vµ ®Çu ra, sö dông 2 g¬ng nhá ®îc ®Æt lÖch nhau 45o. Chóng ta sÏ kh¶o s¸t sù phô thuéc c- êng ®é s¸ng t¹i khe ®Çu ra phô thuéc vµo bíc sãng theo s¬ ®å sau ®©y:

44 A

B

E

54321

F 54321

H×nh 2.9. Khe vµ ph©n bè kÝch thíc vµ h×nh d¹ng h×nh ¶nh cña nguån

Trong h×nh 2.9. ABCD lµ h×nh ¶nh cña d¶i ®¬n s¾c trªn mÆt ph¼ng ®Çu ra, EFGH lµ kÝch thíc khe, gi¶ sö hai h×nh ch÷ nhËt b»ng nhau; 1, 2, 3, 4 lµ vÞ trÝ c¸c bíc sãng. Khi h×nh ¶nh cña khe ®Çu vµo dÞch chuyÓn däc theo mÆt ph¼ng héi tô vµ ®i qua khe ®Çu ra, trong khi dông cô t¸n s¾c quay ®Ó quÐt c¸c bíc sãng. Gi¶ sö ®Õn mét ®iÓm khi c¹nh BD cña h×nh ¶nh ®Õn vÞ trÝ 1, kh«ng cã ¸nh s¸ng truyÒn qua khe ®Çu ra. Khi BD ®Õn vÞ trÝ 2, mét nöa chïm s¸ng ®i qua. T¹i vÞ trÝ bíc sãng tiªu chuÈn sè 3 khÈu ®é cña khe ®Çu ra ®îc lÊp ®Çy hoµn toµn, vµ cêng ®é chïm s¸ng truyÒn qua lµ 100%. Khi h×nh ¶nh ®¹t vÞ trÝ 4 hÖ sè truyÒn qua cßn 1/2 vµ t¹i vÞ trÝ sè 5 b»ng kh«ng. H×nh tam gi¸c cho thÊy sù phô thuéc cêng ®é ¸nh s¸ng truyÒn qua vµ bíc sãng, ®îc bÓu diÔn bëi c¸c vÞ trÝ cña h×nh ¶nh.

Khe ®îc ®Æc trng bëi ®é réng d¶i phæ. §é réng d¶i phæ cã thÓ ®îc x¸c ®Þnh nh lµ kho¶ng bíc sãng cña bøc x¹ khi ra khái khe ®Çu ra cña ®¬n s¾c kÕ, b»ng hiÖu sè bíc sãng gi÷a hai ®iÓm khi cêng ®é truyÒn qua b»ng 1/2 cùc ®¹i hoÆc ®é réng cña d¶i phæ chiÕm 75% n¨ng lîng bøc x¹ rêi khái ®¬n s¾c kÕ.

§é réng cña khe x¸c ®Þnh cêng ®é vµ ®é ph©n gi¶i. §Ó quÐt phæ ph©n tö, chiÒu réng cña khe ®îc ®iÒu chØnh sao cho gi¶i phæ ®i qua b»ng 1/10 ®é réng d¶i phæ sÏ ghi. §èi víi phæ nguyªn tö c¸c v¹ch ®îc ghi khi ®é réng cña khe b»ng 1/2 ®é réng cña d¶i phæ. Nh vËy viÖc chän ®é réng khe phô thuéc vµo møc ®é c¸ch biÖt gi÷a c¸c v¹ch phæ hoÆc vÞ trÝ ®Þnh vÞ cña c¸c ®êng ph©n tÝch tõ c¸c ®Æc ®iÓm phæ giao nhau.

II.1.5.2. T¹o mµng máng

Bªn trong ®¬n s¾c kÕ cÇn ph¶i sö dông c¸c bÒ mÆt cña g¬ng ®Ó chuÈn trùc vµ héi tô chïm tia. §Ó lµm th¼ng c¸c lo¹i thÊu kÝnh vµ lµm cho ®é lÖch tia s¸ng nhá nhÊt. Khi tia s¸ng ®i tõ m«i trêng 1 (cã chiÕt suÊt n1) tíi m«i trêng 2 (cã chiÕt suÊt n2), mét phÇn sÏ bÞ ph¶n x¹ t¹i líp biªn ph©n c¸ch gi÷a hai m«i trêng .

(cid:246) (cid:230) - (cid:247) (cid:231)

=

Rflection

PhÇn hao tæn ®i sÏ lµ : (cid:247) (cid:231)

h h

+

ł Ł

Th«ng thêng m«i trêng 1 lµ m«i trêng kh«ng khÝ n1 =1, do ®ã thµnh phÇn mÊt ®i lµ mét hµm cña chiÕt suÊt m«i trêng ®ã.

Sù hao tæn ®èi víi vËt liÖu cã chiÕt suÊt cao sö dông trong vïng hång ngo¹i cã thÓ dÉn ®Õn sù suy gi¶m nhanh cêng ®é s¸ng trong hÖ nhiÒu thµnh phÇn. ThËm trÝ ®èi víi c¸c lo¹i thuû tinh cã chiÕt suÊt thÊp tæng hao phÝ cã thÓ lµ ®¸ng kÓ nÕu nh sè lîng c¸c dông cô quang häc tham gia vµo lín. Víi chiÕt

45

suÊt cña thuû tinh lµ n2 = 1,25 th× t¹i mçi bÒ mÆt tiÕp xóc gi÷a kh«ng khÝ vµ thuû tinh phÇn hao tæn sÏ lµ 4%. §Ó gi¶m ®é hao tæn, trªn bÒ mÆt kÝnh thuû tinh phñ mét líp mµng máng ®iÖn m«i, hoÆc kim lo¹i ho¨c c¶ hai chiÒu dµy cña mµng b»ng 1/2 bíc sãng ¸nh s¸ng.

(cid:246) (cid:230)

h

- (cid:247) (cid:231)

=

Rflection

Khi ®ã: (cid:247) (cid:231)

h

f +

h

2 f

h a h a

ł Ł

Trong ®ã: nf : ChiÕt suÊt cña m¶ng máng.

na : ChiÕt suÊt cña m«i trêng. ng : ChiÕt suÊt cña ®Õ. §é hao phÝ cßn ~ 0,2 % cho mét bÒ mÆt tiÕp xóc.

II.1.5.3. Sîi quang (Fiber Optics)

Sîi quang lµ vËt liÖu tæng hîp cña v« sè c¸c sîi thuû tinh hoÆc nhùa nèi víi nhau. Sîi ®¬n sÏ truyÒn ¸nh s¸ng, cßn mét bã sîi sÏ truyÒn ®îc c¶ ¸nh s¸ng vµ h×nh ¶nh.

n

2 n 1

2 2

Sîi quang truyÒn ¸nh s¸ng b»ng ph¶n x¹ toµn phÇn ë bªn trong. Ph¶n x¹ toµn phÇn xuÊt hiÖn khi tia s¸ng truyÒn tõ m«i trêng ®Õn bÒ mÆt ph©n c¸ch cã chiÕt suÊt thÊp h¬n, trong ®iÒu kiÖn gãc tíi lín h¬n gi¸ trÞ giíi h¹n. Gãc giíi h¹n ®îc x¸c ®Þnh khi tia khóc x¹ song song víi bÒ mÆt. Nh vËy, sîi quang ®îc cÊu t¹o bëi lâi cã chiÕt suÊt cao, bao quanh bªn ngoµi lµ vËt liÖu cã chiÕt suÊt thÊp, ¸nh s¸ng ®îc truyÒn theo mét gãc thu tõ ®Çu nµy cña sîi quang vµ qua ®Çu kia ®óng b»ng mét gãc nh vËy. KÕt qu¶ ®o gãc thu gäi lµ khÈu ®é sè NA (Numerical Apeture). =q n

NA = n3.sin n1 : chiÕt suÊt cña lâi n2 : chiÕt suÊt cña vá n3 : chiÕt suÊt cña m«i trêng xung quanh q w: mét nöa gãc thu cùc ®¹i Trong sîi quang thuû tinh, hai vËt liÖu ph¶i ®îc chän kh«ng chØ ®Ó cã khÈu ®é sè cÇn thiÕt mµ cßn ph¶i cã nhiÖt ®é nãng ch¶y vµ hÖ sè d·n në nhiÖt t¬ng thÝch. Th«ng thêng, chiÕt suÊt cña lâi lµ n1 = 1,64 vµ vá bäc lµ n2 = 1,53 cho NA = 0,54 t¬ng ®¬ng víi gãc toµn phÇn lµ 660, ®êng kÝnh sîi quang tõ 10 ®Õn 150 m m. Trong sîi quang plastic, lâi nhùa ®îc lµm tõ polymethylmetha- crylate (n = 1,49) bäc b»ng vá polymer cã chiÕt suÊt 1,39 , ®êng kÝnh sîi kho¶ng 0,13 tíi 1,0 mm.

II.1.5.4. C¸c ®Æc trng cña hÖ ®¬n s¾c kÕ

C¸c ®Æc trng cña hÖ ®¬n s¾c kÕ bao gåm 3 th«ng sè liªn hÖ víi nhau lµ ®é ph©n gi¶i, c«ng suÊt tËp trung ¸nh s¸ng, ®é ®¬n s¾c cña ¸nh s¸ng ë ®Çu ra (purity of light output). §é ph©n gi¶i - cßn gäi lµ c«ng suÊt ph©n gi¶i, lµ kh¶ n¨ng ph©n biÖt râ a) rµng c¸c ®Æc trng cña phæ trïng lªn nhau, cã thÓ lµ d¶i phæ hÊp thô hoÆc v¹ch phæ ph¸t x¹.

46

§é ph©n gi¶i ®îc x¸c ®Þnh bëi kÝch thíc vµ ®Æc trng t¸n s¾c cña c¸ch tö hoÆc l¨ng kÝnh. §Þnh nghÜa ®îc sö dông réng r·i lµ R = l /dl = W(dq /dl )

l : gäi lµ bíc sãng kh¶o s¸t dl : hiÖu sè gi÷a hai bíc sãng ®o t¹i c¸c v¹ch hoÆc ®Ønh (peak) trung t©m

l = 2WD-1.

W : ®é réng cña khÈu ®é hiÖu dông Trong thùc tÕ, hai ®Ønh (peak) ®îc coi lµ ph©n biÖt khi cêng ®é gi÷a chóng gi¶m Ýt nhÊt 10%. Th«ng thêng th× ngêi ®o mong muèn cã kho¶ng thÊp biÓu diÔn nÒn c¬ së gi÷a hai v¹ch phæ ph¸t x¹ mµ kh«ng cã ®iÒu kiÖn liªn quan tíi cêng ®é v¹ch. Nh vËy hai v¹ch phæ cã thÓ ch¹m nhau nhng kh«ng thÓ trïng nhau. Trong trêng hîp nµy, ®é ph©n gi¶i chÝnh b»ng chiÒu réng c¬ së cña khe: D §é ph©n gi¶i cña mét ®¬n s¾c kÕ trong thùc tÕ thêng lµ nhá h¬n gi¸ trÞ lý thuyÕt v× cã sù sai lÖch chïm tia, hiÖu øng nhiÔu x¹ (quang sai) v.v... §é ph©n gi¶i (resolution) phô thuéc vµo ®é t¸n s¾c (Dispersion) vµ møc ®é hoµn h¶o cña h×nh ¶nh, trong khi ®ã ®é ®¬n s¾c ®îc x¸c ®Þnh chñ yÕu bëi sè lîng nhiÔu hoÆc ¸nh s¸ng t¸n x¹. Trong hÖ ®¬n s¾c kÕ th× ®é t¸n s¾c ph¶i lín vµ c«ng suÊt ph©n gi¶i ph¶i cao ®Ó cã thÓ ®o mét c¸ch chÝnh x¸c phæ bøc x¹ víi c¸c v¹ch hoÆc d¶i phæ hÊp thô nhän.

H×nh 2.10. ¶nh hëng cña hiÖu øng ®é r«ng d¶i phæ (Bandpass) lªn d¹ng phæ 1- BP = 20 nm ; 2 – 10 nm ; 3 – 5 nm ; 4 – 1 nm ;

NÕu ®é ph©n gi¶i nhá, ®é réng d¶i phæ ë ®Ønh t¨ng lªn, sù t¸ch biÖt gi÷a hai ®Ønh kh«ng râ rµng. Khi t¨ng ®é ph©n gi¶i, chiÒu cao ®Ønh phæ t¨ng lªn. MÆt kh¸c, nÕu ®é ph©n gi¶i qu¸ lín sÏ xuÊt hiÖn nhiÔu trïng lªn tÝn hiÖu (rÊt khã nhËn thÊy sù ¶nh hëng nµy) (h×nh2.10). Nh vËy cÇn chän ®é ph©n gi¶i hîp lý. Khi ®é réng d¶i phæ b»ng 1/20 ®é réng thùc cña ®Ønh, ®é sai lÖch so víi chiÒu cao thùc cña ®Ønh lµ 0,5 %.

b) §é t¸n s¾c ®îc ®Þnh nghÜa lµ lµ kh¶ n¨ng ph©n t¸n (më réng) c¸c bíc sãng trong kh«ng gian, nghÜa lµ kh¶ n¨ng t¸ch riªng tõng bíc sãng thµnh phÇn trong mét hçn hîp c¸c bíc sãng. §iÒu nµy ®îc thùc hiÖn trong ®¬n s¾c kÕ b»ng l¨ng kÝnh (th«ng qua khóc x¹) hoÆc b»ng c¸ch tö (th«ng qua nhiÔu x¹).

47

§é t¸n s¾c ®¶o tuyÕn tÝnh D-1 lµ kho¶ng bíc sãng truyÒn qua mét ®¬n vÞ kho¶ng c¸ch trong mÆt ph¼ng héi tô cña ®¬n s¾c kÕ.

l

ø Ø

;

D-1= œ Œ ß º

d dx

nm mm

Gãc t¸n s¾c dq lµ gãc mµ d¶i bíc sãng dl truyÒn qua . Khi ®ã ®é t¸n s¾c : (cid:246) (cid:230) (cid:247) (cid:231)

= fD

q l

ł Ł

d d

f : chiÒu dµi héi tô cña ®¬n s¾c kÕ (tiªu cù).

l l cña khe ®îc x¸c ®Þnh nh sau : D = 2WD-1

§é réng d¶i phæ (Bandpass) ®îc x¸c ®Þnh : BP = W.D-1, víi W lµ chiÒu réng khe. §é réng c¬ së D VÝ dô : Sö dông khe cã chiÒu réng 0,1 mm, D-1 = 1,6 nm/mm (cid:222) BP = 0,16 nm. Trong ®iÒu kiÖn nh vËy 2 v¹ch phæ t¹i bíc sãng 0,6 nm sÏ c¸ch nhau 0,38 nm vÒ phÝa mÆt ph¼ng tiªu theo trôc cña khe ®Çu ra.

c) C«ng suÊt tËp trung ¸nh s¸ng.

Khi ®é réng khe qu¸ hÑp, c¸c v¹ch phæ (peak) qu¸ gÇn nhau vµ khã ph©n biÖt, lóc nµy tû sè gi÷a tÝn hiÖu vµ nhiÔu trë nªn quan träng. ¸nh s¸ng cã cêng ®é ®ñ ®Ó ®Õn detector sÏ cho tÝn hiÖu ph©n biÖt víi nÒn. Do nh÷ng nguyªn nh©n nh vËy, ngêi ta ph¶i sö dông dông cô tËp trung ¸nh s¸ng. §Ó ®Æc trng cho dông cô nµy sö dông ®¹i lîng f/number - lµ tèc ®é cña phæ kÕ cho thÊy kh¶ n¨ng cña g¬ng chuÈn trùc tËp trung ¸nh s¸ng tõ khe vµo. Tû sè f/ number cµng nhá th× ®é tËp trung ¸nh s¸ng cµng cao

=

f number

f d

fc : ®é dµi héi tô (tiªu cù ) dc : ®êng kÝnh g¬ng chuÈn trùc

II.1.5.5. Dông cô t¸n s¾c

a) L¨ng kÝnh

Ho¹t ®éng cña l¨ng kÝnh phô thuéc vµo sù khóc x¹ ¸nh s¸ng khi truyÒn qua vËt liÖu. C«ng suÊt t¸n s¾c phô thuéc vµo sù thay ®æi cña chiÕt suÊt víi bíc sãng. Tia s¸ng chiÕu vµo l¨ng kÝnh víi gãc tíi i sÏ bÞ khóc x¹ t¹i bÒ mÆt.

§Ó gi¶m sù nhiÔu lo¹n cña l¨ng kÝnh vµ nhËn ®îc râ nÐt c¸c tia s¸ng ®¬n s¾c cÇn chiÕu vµo l¨ng kÝnh ¸nh s¸ng song song qua khe song song víi c¹nh cña l¨ng kÝnh sao cho tia s¸ng ®i ra qua mÆt ph¼ng song song víi ®Õ, tia s¸ng ®i qua l¨ng kÝnh ®èi xøng sao cho tia tíi vµ tia lã t¹o thµnh mét gãc b»ng nhau víi bÒ mÆt. §èi víi c¸c l¨ng kÝnh th¹ch anh víi tiªu cù kho¶ng f = 600 nm D-1 (l = 270 nm) = 1,04 nm/mm D-1 (l = 230 nm) = 0,6 nm/mm ; D-1 (l = 230 nm) = 1,56 nm/mm ; D-1 (l = 370 nm) = 2,9 nm/mm D-1 (l = 600 nm) = 12 nm/mm D-1 (l = 230 nm) = 5,4 nm/mm ;

Thuû tinh silic cho ®é t¸n s¾c tèt h¬n nªn thêng ®îc sö dông cho c¸c vïng hång ngo¹i gÇn hoÆc vïng phæ nh×n thÊy. Th¹ch anh thêng ®îc sö dông trong vïng tia cùc tÝm.

48

l ®ã ®é ph©n gi¶i và l +dl đ c sóng s các b biÖt b i d ng c , khi ụ ượ ướ ả ử ở ụ

(cid:246) (cid:230) (cid:246) (cid:230)

=

(cid:247) (cid:231)

=(cid:247)

(cid:231)

R

= tR

bR =

(cid:247) (cid:231) ; hoÆc ;

l l

ł Ł

k dk

f df

d f

Gi c phân cña mét l¨ng kÝnh ®îc x¸c ®Þnh nh sau : dn l d ł Ł

dn ld

i cao th× công

d t su t v t li u làm lăng kính. ấ ậ ệ ể

ả

ộ ả ớ

®ã c«ng suÊt t¸n x¹ cña vËt liÖu (dn/dl ) ph i l n . ỷ ự ấ i ạ l < 360 nm, do đó công su t phân gi ấ ả i ụ ®¹t cùc ®¹i t ờ

tö i i l n nh t trong vùng ả ớ ấ ạ ấ ng đ i th p trong vùng nhìn th y (VIS) .

dx l d víi t : chiÒu dµi cña ®Õ; n- Chi ế dn/dl : c«ng suÊt t¸n x¹ cña vËt liÖu, ® lăng kính có đ phân gi su t l n do ấ ớ Đ i v i thu tinh, s h p th ố ớ l n nh t trong vùng màu xanh da tr i (Blue) và vùng tím. ấ ớ ụ ạ l < 185 nm cho công su t phân gi Th ch anh h p th t ngo¹i (UV-tõ 300 đ n 200 nm) và t ế

ươ ấ ố ấ ấ

H×nh 2.11. S¬ ®å x¸c ®Þnh ®é t¸n s¾c cña l¨ng kÝnh

b

L1

L2

P (l )

P’ (l +dl )

X¸c ®Þnh ®é t¸n s¾c cña l¨ng kÝnh:

ấ ắ ị ộ ụ ở b i ả l , ắ ọ ượ ị

ư , trong đó dq là s khác bi t gi a hai góc t o b i các tia t ạ ữ ệ ở ừ Chïm ánh sáng tr ng qua th u kính L1 sau khi qua lăng kính b tán s c và h i t L2 vào Detector, g i kho ng cách PP’= dl, c xác đ nh nh sau : dl/d - đ tán s c dài đ ắ q /dl - đ tán s c góc d ự ắ i P và P’. th u kính L1 t ộ ộ ấ ớ

a)

0 -l

p

p’

b)

49

i (Rayleigh): Gi Tiêu chuÈn đ đánh giá đ phân gi s đ t khe h p tr ẽ ộ ướ l mà t ễ ng đ nh ộ ạ ớ ườ ẹ i b ạ ướ

ế ả i O (tâm). ạ ươ ứ ể ả ể ự ạ ớ ầ ủ ể t. ượ ủ ể ộ ể ậ ạ ầ ọ ướ ị

ế ụ ổ hëng b i khe đ u vào c làm r ng ra thì ộ i c a d ng c tán s c ắ ụ c nào đó mà đ r ng ộ ộ ả ấ i r t c n a th m chí d ng c tán s c có đ phân gi ộ ụ ấ i h n b i các hi u ng áp su t ệ ứ ượ ả ủ ụ ướ ắ ở ượ ữ ộ ộ ổ ị ớ ạ ể ả ệ ể ấ ả ể c th u kính L ả 1 ,khi đó detector s nhìn th y không ph i ấ ấ ả ử ặ i là hình nh nhi u x v i c ỏ c sóng là hình nh c a khe t ạ ả ủ 2l l ; – ấ ạ – (hình a ),c c đ i l n nh t t nh t t i ự ạ ớ ấ ạ s r ng n u 2 hình nh nhi u x t ng ng v i hai đi m P và P’ Rayleigh gi ễ ả ả ử ằ tho mãn đi u ki n đi m c c đ i trung tâm c a P’ không quá g n P h n là đi m c c ự ơ ệ ề c coi nh phân bi ti u đ u tiên c a P (hình 2.12b) .Nh v y P và P’ đ ầ ệ ư ư ậ ấ ë các v ch ph là nh M t đi m quan tr ng có th nh n th y ở ổ ả ể i ạ mét b c sóng nh t đ nh và b nhi u x . Nh v y n u khe đ t ư ậ ế ạ ễ ấ ị c c đ i chính trong gi n đ nhi u x s r ng ra và đ phân gi ộ ạ ẽ ộ ồ ễ ự ạ ả s gi m đi. M t khác khi đ r ng khe gi m đ n m t kích th ả ộ ộ ộ ặ ẽ ả v ch ph không th gi m đ ậ ạ cao. Đi m này xu t hi n khi đ r ng v ch ph b gi ạ và Doppler.

b) Cách t nhi u x ử ễ ạ

 Cách t nhi u x đ c làm t ử ạ ượ ễ ừ ẹ thu tinh ho c kim lo i g m vô s các khe h p ặ ạ ồ ố ỷ song song.

ấ ầ ữ

 Các khe này r t g n nhau, kho ng cách gi a chúng nh h n 1  Cách t

ử ễ ả ạ m m . ộ ề ặ ng. ỏ ơ ả c t o trên b m t kim lo i có đ ph n x cao ượ ạ ạ ư

 B m t c a cách t nhi u x th ạ ườ nh nhôm và ho t đ ng gi ng nh chi c g ạ ộ ử ế ươ có th ph ng ho c lõm xu ng. Ph ặ ng trình t ng quát ổ ng đ ố ể ươ ẳ ố ư ề ặ ủ c a nhi u x b i cách t ễ ạ ỏ ủ : ử

l -b ớ

ml =d(sini +sinq ) ; c sóng ướ pháp tuy n) m=0,1,2,3... b c nhi u x . ễ ạ ế ậ ừ ạ ả

i- góc t i q - góc ph n x (đo t ả d- đ r ng cu khe ộ ộ Khi i=0 (cid:222) gây ra : ắ ử

; ml =d sinq ; Tán s c góc do cách t m cos

d

q d = l d Tán s c góc tăng, khi m tăng và tăng t

q vùng tia tím

ừ ắ ®Õn tia đỏ

v-1-R

v-2-R

v-n-R

v-3-R

v-5-R

Đ i x ng ố ứ

G

H×nh 2.13. S¬ ®å sù t¸n s¾c ¸nh s¸ng bëi c¸ch tö

50

i c a cách t ả ủ ử ụ ủ : R=m.N, N:S khe nh n tác d ng c a chùm tia t ậ ữ ố ủ ẫ ự ử ụ ắ ơ ấ ệ ọ ắ ặ ớ ỏ Công su t phân gi i ấ ớ ả Hình 2.13 cho th y khi m tăng , có s che ph l n nhau gi a các vùng sóng do đó ph i ấ s d ng h l c s c, ho c là s d ng h tán s c s c p v i lăng kính nh , cách t ử ệ ử ụ nh .ỏ N u chúng ta ch s d ng 1 b c nhi u x , đi u này r t lãng phí vì ph i lo i b ậ ạ ả ạ ề ư ậ ễ ả ậ ủ ỉ ử ụ ậ ể ị ạ ỏ m t bên kia c a chùm ử ử ụ ư ở ặ ị i . B c x có th b nhi u x g n nh theo 1 góc xác đ nh khi s d ng cách t ư ạ ầ

c t o b i dao kim c ng và th ượ ạ ươ ườ ở ố ng có d ng ch V đ i x ng gi ng ố ứ ữ ạ ấ ế b c x b nhi u x các b c khác và c b c nh v y nh ng ễ ứ ạ ị tia t ứ ạ ễ ớ d ng răng c a . ư ạ Các rãnh đ nh hình 2.14. ư

N

H×nh 2.14. S¬ ®å c¸ch tö ph¶n x¹d¹ng r¨ng ca

f S ph n x hoàn toàn hi u qu khi tia t i và tia nhi u x t o ra 1 góc , f ệ ả ớ ạ ạ ễ ự ạ

đ ượ ọ Khi cách t đ ả c g i là góc răng c a. ư ử ượ ử ụ ớ ả ạ

c s d ng v i góc t ớ ằ ml vùng h ng ngo i cho nên th ng s lo i này th i b ng góc ph n x thì: =2dsinq ; ả ấ ở ồ ạ ườ ử ử ạ ệ ng cho hi u qu th p ấ ầ

Cách t ườ d ng trong vùng nhìn th y và vùng tím g n. ụ Bài t p :ậ Cách t ử ề ộ ễ ạ ạ ư f =45(cid:176) . nhi u x có chi u r ng 10,40cm g m 600 khe/mm có d ng răng c a ồ ễ ạ ậ c sóng c a b c x nhi u x b c 1 ,4 và 9. ướ ấ

c sóng , s sóng và t n s t i b c 9 và l =300nm. a) Tính góc b b) Tính công su t phân gi c) Tính đ phân gi ộ ủ ứ ạ i ả i theo b ướ ầ ố ạ ậ ả ố

Gi T ng s khe : ố i:ả ổ N=104.600=62000 Kho ng cách gi a 2 khe : ữ ả d=0,104/62000=1,6667.10-6 (m) Ph ươ ng trình Bragg đ i v i nhi u x : ạ ễ

ố ớ ml =2dsinq =2.16667.0.70711=2357 (nm)

l =2357 =589,3 =261,9

a) m=1(cid:222) m=4(cid:222) m=9(cid:222) b) R=mN=62400 m m=1 =249600 m m=4

51

=561600 m m=9 c)

R= l /dR= k/dk= f/df

(cid:222) dl = l /R= 300/561600=5,342.10-4 nm

k=1/l =1/300=33333 cm-1 dk=k/R=0,05935 cm-1 f=c/l =9,9933.1014 s-1 df=f/R=1,779 Ghz II.1.5.6. HÖ ®¬n s¾c kÕ sö dông c¸ch tö a) HÖ Ebert

Khe vµo

C¸ch tö

G¬ng chuÈn trùc lâm

Khe ra

Tiªu cù f

H×nh 2.15: S¬ ®å hÖ ®¬n s¾c kÕ Ebert

- Kh«ng cã t¸n x¹ trong qu¸ tr×nh truyÒn tia s¸ng tõ g¬ng

- ThiÕt bÞ gän, khÈu ®é cao: (f/3 hoÆc f/5). - Bíc sãng ®îc chän b»ng c¸ch xoay c¸ch tö quanh trôc. - Gãc gi÷a tia tíi vµ tia nhiÔu x¹ kh«ng ®æi

b) HÖ Czerny-Turner

Gièng nh hÖ Ebert, kh¸c ë chç lµ thay mét g¬ng chuÈn trùc lâm lín b»ng hai hai g¬ng lâm nhá.

c) HÖ Littrow

52

2=l b

sin

Trong thùc tÕ ngêi ta thêng sö dông hÖ ®¬n s¾c kÕ cã tªn lµ Littrow (h×nh 2.16). ¦u ®iÓm quan träng cña hÖ nµy lµ ®é t¸n s¾c cao, kÝch thíc gän, lo¹i bá ®ùîc hai lÇn khóc x¹.

m HiÖu suÊt cao, ®é tinh khiÕt cña phæ

Sö dông trong c¸c hÖ phæ nhá, khÈu ®é lµ f/3 tíi f/5. Gãc tíi vµ gãc nhiÔu x¹ ë cïng mét phÝa cña ph¸p tuyÕn nªn cã thÓ sö dông c«ng thøc nhiÔu x¹: .

cao, ®é lÖch phæ nhá.

d)

HÖ Seya-Namioka (h×nh 2.17)

Hai khe ®îc ®Æt trªn ®êng trßn b¸n kÝnh b»ng 1/2 b¸n kÝnh cña c¸ch tö. Hai g- ¬ng ph¼ng ®îc sö dông ®Ó n¾n tia vµo vµ tia ra.

H×nh 2.16. Mét sè d¹ng cña hÖ ®¬n s¾c kÕ Littrow

th¼ng ®øng.

C¸ch tö

C¸ch tö quay lâm

70o15’

Khe vµo

Khe ra

Nguå n s¸ng

H×nh 2.18. S ¬ ®å hÖ ®¬n s¾c kÕ Rowland

H×nh 2.17. S ¬ ®å hÖ ®¬n s¾c kÕ S e ya- Namioka e) HÖ Rowland (h×nh 2.18) Sö dông cho hÖ c¶m biÕn ®a kªnh, khÈu ®é: f/3, l =180 ‚ 700 nm, ®é réng v¹ch phæ ~ 4nm. C¸ch tö lâm, cong víi sai sè 2% t¹i bíc sãng 210nm.