Spektromeeter: definitsioon, tööpõhimõte ja kasutusalad

Spektromeeter on optiline seade, mida kasutatakse valguse omaduste mõõtmiseks elektromagnetilise spektri teatavas osas.

Sõltumatu muutuja on tavaliselt valguse lainepikkus. Mõõdetav muutuja on enamasti valguse intensiivsus, kuid see võib olla ka näiteks polarisatsiooni seisund. Spektroskoopias kasutatakse spektromeetrit spektrijoonte tekitamiseks ning nende lainepikkuste ja intensiivsuste mõõtmiseks. Spektromeeter on termin, mida kasutatakse instrumentide puhul, mis töötavad väga laias lainepikkuste vahemikus, alates gamma- ja röntgenkiirgusest kuni kaugesse infrapunasse.

Üldiselt töötab iga konkreetne mõõtevahend ainult väikeses osas sellest kogu vahemikust, sest spektri eri osade mõõtmiseks kasutatakse erinevaid meetodeid. Alla optiliste sageduste (st mikrolaine-, raadio- ja helisagedustel) on spektrianalüsaator tihedalt seotud elektrooniline seade.

Mõõtmise põhiprintsiip

Spektromeetri ülesanne on jagada sisenev valgus komponentideks vastavalt lainepikkusele ning mõõta iga komponendi intensiivsust. Tavaliselt väljendatakse tulemust graafikuna, kus x-teljel on lainepikkus (või sagedus) ja y-teljel intensiivsus (näiteks arvuline väärtus, võimsus või kiirgusvõimsus ühe lainepikkuseühiku kohta).

Üldine tööetappide jada:

• valguse sissevõtmine (näiteks sisseava või optiline kiir);
• valguse kollimeerimine (muutmaks kiired paralleelseks);
• dispersioon ehk valguse lahutamine erinevate lainepikkuste alusel (prism, difraktsioonvõre või Fourier-transform meetod);
• lahutatute komponentide fookustamine ja mõõtmine detektoriga (CCD, fotodiood, fotomultiplier jm);
• signaali töötlemine ja kalibreerimine lainepikkuse ning intensiivsuse suhtes.

Peamised komponendid

• Sisseava (slit) — määrab spektri horisontaalse resolutsiooni ja sisenud valguse hulga; kitsam ava annab parema resolutsiooni, kuid väiksema signaali.
• Kollimeerija — optika, mis muudab sissetulevad kiired paralleelseks, et dispersiivne element töötaks õigesti.
• Dispersiivne element — prism või difraktsioonvõre, mis lahutab valguse lainepikkuse järgi; alternatiiviks on Fourier-transform meetod (näiteks FTIR-spektromeeter), kus spektri saamiseks kasutatakse interferomeetriat.
• Fokaalne optika ja ristik — suunavad lahutatud kiired detektorile või filmile (spektrograafides).
• Detektorid — erinevad detektorid sobivad erinevatele lainepikkustele: CCD- või CMOS-andurid nähtavas ja lähisinfrapunas; fotomultipliidid (PMT) UV/vis; InGaAs ja HgCdTe (MCT) infrapunas; bolomeetrid kauges infrapunas; mikrokanaliplaadid ja kiiritusseadmed röntgen- ja gammakiirguse jaoks.
• Andmetöötlus — signaali võimendamine, digiteerimine, taustakorrigeerimine ja kalibreerimine lainepikkuse ning intensiivsuse suhtes.

Tüübid ja lähenemised

• Prism-spektromeeter — lihtne disain, sobib laia spektriosa lahutamiseks, kuid dispersioon pole lineaarne lainepikkuse suhtes.
• Difraktsioonvõrega spektromeeter — väga levinud, hea resolutsioon ja mõõtmeteenus erinevates järkudes.
• Monokromaatror — seadistus, mis valib ühe lainepikkuse või väga õhukese lainepikkuste akna.
• Spektrograaf — salvestab ruumilise kujutise (näiteks teleskoobi objekti spektri), kasutatakse astronoomias.
• Fourier-transform (FT) spektromeeter — kasutab interferomeetriat (näiteks FTIR), suudab mõõta suure signaali-hüvituse ja kiirelt saada kõrge spectraaltihedusega andmeid.
• Raman-spektromeeter — spetsialiseerunud Raman-efektil põhinevatele sätetele, kasutatakse keemilise koostise määramiseks.

Tähtsamad mõõtmisparameetrid

• Spektraalne resolutsioon — võime eristada lähestikku paiknevaid lainepikkusi; sõltub võrest tihedusest, optikast ja sisseava laiusest.
• Tundlikkus ja signaali-kohin (S/N) — määrab väikseimate mõõdetavate intensiivsuste piiri; mõjutavad detektori omadused, avatud aeg ja optiline läbi­läbivus.
• Lainepikkuse täpsus ja kalibreerimine — vajalik täpsete spektrijoone identifitseerimiseks; tihti kasutatakse tuntud lampide (nt neoon, argon) ridasid kalibreerimiseks.
• Stray light (varjukiirgus) — soovimatu hajumine, mis võib varjutada nõrku jooni; hea instrument vähendab seda optilise disaini ja absorbeerivate pindade abil.

Kasutusalad

Spektromeetreid kasutatakse väga paljudes valdkondades:

• Astronoomia — tähete, galaktikate ja gaaspilvede koostise, liikumise (Doppleri‑nihke) ja füüsikaliste tingimuste uurimiseks.
• Keemia ja analüütiline labor — ainete identifitseerimine ja kvantitatiivne määramine (näiteks UV-VIS spektrofotomeetria, FTIR).
• Keskkonnamonitooring — õhu ja vee saasteainete analüüs.
• Toidu- ja farmaatsiasektor — koostise kontroll, saasteainete ja lisandite tuvastamine.
• Meditsiin ja biotehnoloogia — biomarkerite otsimine, veresuhkru ja muude ainete automaatne määramine ning molekulaaranalüüsid.
• Materjaliteadus — pindade ja õhukeste kihtide koostise ning optiliste omaduste uurimine; Raman- ja röntgenspektroskoopia.
• Forensika ja kultuuripärandi analüüs — pigmentide, tindide ja muude proovide mitte-kahjustav tuvastus.
• Tööstuslik kvaliteedikontroll — protsessimonitooring ja reaalajas mõõtmised tootmisliinidel.

Hooldus, kalibreerimine ja praktilised nõuanded

• Regulaarne lainepikkuse ja intensiivsuse kalibreerimine tagab usaldusväärsed tulemused.
• Hoida optika puhas ja kaitstuna tolmu ning niiskuse eest; mustad pinnad ja läätseparandused vähendavad hajumist.
• Valida detektor ja optika vastavalt mõõdetavale lainepikkusevahemikule ja vajalikule tundlikkusele.
• Võimalusel kasutada laske- või signaalitugevdust (pikem ekspositsioon või keskmistamine), et parandada väheste signaalide mõõtmist.

Spektromeeter on seega paindlik ja mitmekülgne instrument, mille täpne konstruktsioon ja tööpõhimõte sõltuvad rakendusest ja mõõdetavast lainepikkuste vahemikust. Õige tüübi ja seadistuse valik võimaldab saada täpseid andmeid nii teadusuuringutes kui ka praktilistes tööstuslikes ja diagnostilistes rakendustes.

Küsimused ja vastused

K: Mis on spekterloom?

K: Mis on spektromeetris sõltumatu muutuja?

K: Millist muutujat mõõdetakse spektromeetriga?

K: Mis on spektromeetri eesmärk?

K: Millises lainepikkuste vahemikus võib spektromeeter töötada?

K: Miks töötab mõni konkreetne instrument ainult väikeses osas kogu lainepikkuste vahemikust?

K: Mis on spektromeetriga tihedalt seotud elektrooniline seade?

Otsing