2021-02-23

Inuti gasanalysatorn - spektrometern

Mätprincipen för flera typer av OPSIS-gasanalysatorer kallas DOAS, vilket står för differential optisk absorptionsspektroskopi (du kan läsa mer om "DOAS" i en annan bloggartikel).

En viktig komponent i analysatorn är "spektrometern", en enhet som separerar inkommande ljus i dess enskilda våglängder för efterföljande detektion av ljusspektrumet. Men hur fungerar en spektrometer?

Nyckeln är en optisk komponent som kallas för ett gitter. På avstånd kan ett gitter se ut som en liten spegel som helt enkelt reflekterar ljus. Om en ljusstråle lyser på spegeln (eller gittret) i en viss vinkel mot dess normal, reflekteras den i samma vinkel på andra sidan normalen. Det känner vi alla till. Men gittret har något extra: ett mycket fint, tätt och noggrant upprepat mönster av parallella linjer på den reflekterande ytan. Det kan röra sig om flera tusen linjer per millimeter.

Våglängd, vågfront och diffraktion

För att förklara vad som händer nu måste vi tänka på ljus som elektromagnetiska vågor. Varje färg representeras av en specifik längd på vågorna - våglängden. Ju mer mot det röda och vidare mot det infraröda, desto längre våglängd. Ju mer mot blått och ultraviolett, desto kortare våglängd. Och en våg rör sig i en front - vågfronten. När vågfronten av en viss färg träffar gitterytan störs den av linjerna på ytan. En stor del av ljuset reflekteras som i en spegel, men det finns också en annan typ av reflektioner. Vågfrontsreflexerna bildar konstruktiva interferenser och en del av ljuset kommer ut från gittret även i andra riktningar. Fenomenet kallas diffraktion. Mellan dessa specifika riktningar finns det inget ljus som avges från den specifika vågfronten. Och det är här finessen med gitter finns: diffraktionens utgångsvinkel beror på våglängden. En blå färg kommer ut närmast den normala spegelreflexen (även kallad diffraktion av nollte ordningen), sedan kommer den gröna färgen i en vidare vinkel från nollte ordningen, och den röda färgen kommer ut ännu längre bort från nollte ordningen.

Principen för ett gitter.

Men varför komplicera saker och ting? Vi har alla sett en regnbåge och den färgseparationen (som sker i små vattendroppar) kan också göras i ett glasprisma. Varför inte använda ett enkelt prisma i stället för ett gitter? Svaret är upplösning. Gittret ger en mycket bredare spridning av färgerna än ett prisma vilket gör att en högupplöst spektrometer kan bli ganska kompakt.

Att bygga en spektrometer

Så långt allt väl, men hur är det med resten av spektrometern? Den kan vara så enkel som en vanlig svart låda, åtminstone svart på insidan. Någonstans längs en av dess sidor kommer ljuset in och riktas mot ett gitter som är monterat inuti lådan. På en annan plats längs en av sidorna återfinns det diffrakterade ljuset från gittret och det fångas upp av en ljusdetektor. Det är allt. Det är dock vanligt att gittret kan roteras från utsidan av lådan runt en axel som är vinkelrät mot det inkommande ljusets axel. På så sätt kan man välja vilket våglängdsområde (färgområde, våglängdsfönster) som detektorn ska exponeras för.

Vissa spektrometertyper är så enkla som detta. Det är då "bara" en praktisk fråga om att matcha ljusets energibudget, f-tal, gitterupplösning, geometri och detektorkänslighet, så har vi vår spektrometer. För att göra den mer kompakt kan vi också lägga till några speglar för att vika ljusstrålarna. En sådan design används av OPSIS i dess UV-DOAS-gasanalysatorer. Den kallas Czerny-Turner-spektrometer efter sina uppfinnare.

Principen för Czerny-Turner-spektrometern som används i OPSIS UV-DOAS-gasanalysatorer.

När vi väl har vår spektrometer behöver vi bara veta lite om molekylär absorption och beräkningar, så har vi vår gasanalysator. Men det är en helt annan historia!