Ugrás a tartalomhoz

Illusztrált segédanyag a modern műszeres analitikai kémia oktatásához

Galbács Gábor (2013)

Szegedi Tudományegyetem; Pécsi Tudományegyetem

Elektromágneses sugárforrások

Elektromágneses sugárforrások

A mintával elektromágneses sugárzás (másképpen: fotonok) formájában történő energiaközlés számára az analitikai műszerekben, kiváltképpen a spektroanalitikai műszerekben sokféle eszköz használatos. Ezek csoportosítása általában három fő szempont szerint szokásos. Az üzemelés időbeli jellemzői alapján folyamatos és impulzus üzemű forrásokat, a spektrális jellemzők szerint szélessávú és vonalas spektrumú sugárzást kibocsátó forrásokat különböztetünk meg. A harmadik gyakori csoportosítási szempont az fotonok energiája (másképpen: frekvenciája). A gyakran használt fotonforrások közé tartozik tehát például az alapképzésben megismert üregkatód lámpa (ami egy UV és Vis spektrumtartományban működő, folyamatos üzemű, vonalas forrás), a volfrám lámpa (a Vis spektrumtartományban működő, folyamatos üzemű, szélessávú forrás), a deutérium lámpa (az UV spektrumtartományban működő, folyamatos üzemű, szélessávú forrás) és a Globar vagy Nernst elnevezésű sugárforrások (az IR spektrumtartományban működő, folyamatos üzemű, szélessávú forrás). Az alábbiakban néhány további, a spektroanalitikában ma gyakran használt fotonforrásról lesz szó, mégpedig a fotonok energiája szerinti csoportosításban; először a leggyakrabban az UV/Vis/NIR tartományban működő lézerek, majd a röntgen és gamma sugárzást produkáló eszközöket mutatjuk be.

Lézerek

A különböző korszerű lézertípusok az elektromágneses spektrum igen széles tartományát lefedik, az analitikai spektrometriai alkalmazásokban azonban a mintaalkotók gerjesztésére, lebontására, ionizálására leginkább az UV, Vis és NIR tartományba eső emissziójú lézereket alkalmaznak. A lézerek kiemelkedő jelentőségű vonalas spektrumú fotonforrásokká léptek elő az elmúlt években/évtizedekben, sokoldalúságuknak és egyedülálló jellemzőiknek köszönhetően. Közismert a lézerfény kimagaslóan nagy intenzitása (fényessége), keskeny sávszélessége (nagyfokú monokromatikussága), és általában jól kollimált nyalábja, de egyes lézerek esetében ehhez még a hangolhatóság vagy az igen gyors impulzusüzemű működés, igen nagy csúcsteljesítmény vagy más gyakorlati előnyök is társulnak. Mindezek a jellemzők számos új analitikai mérési módszer létrejöttét teszik lehetővé, illetve a már ismert spektrometriai módszereknek nagyobb teljesítőképességet, vagy akár a távolról történő mérés lehetőségét kölcsönzi. Feltételezve, hogy az olvasó korábbi tanulmányaiból már ismeri a lézerek működésének alapelveit és a kapcsolódó alapfogalmakat, az alábbi rövid ismertetés az analitikai szempontból legfontosabb lézertípusokra koncentrál.

Diódalézerek

A félvezető lézerek (vagy másképpen diódalézerek) felépítése általában, a nevüknek megfelelően egy p-n diódáéhoz (vagy méginkább egy fényemittáló diódához, LED) hasonló. A félvezetőn átfolyó elektromos áram a p-n átmeneti rétegben a töltéshordozók (elektronok és „lyukak”) rekombinációját okozza, ami alkalmas összetételű biner, terner vagy kvaterner félvezetőknél fény kibocsátásával jár. Ahhoz, hogy a félvezető ne csak inkoherens, kis intenzitású fényt bocsásson ki, hanem valóban lézerként működjön, a diódán átfolyó áramerősségnek egy küszöbértéket meg kell haladnia és a kialakításának speciálisnak kell lennie. A kristály felületén reflektív elemeket alakítanak ki, amelyek segítségével optikai visszacsatolás jön létre, vagyis a kristály rezonátorként fog működni. Ennek legegyszerűbb megvalósítása az úgynevezett Fabry-Perot elrendezés, aminél a megfelelő irányban metszett kristály véglapjait felpolírozzák; ez elegendő fényt fog reflektálni, visszacsatolni a kristály belsejébe a populáció inverzió, a fényerősítés megvalósulásához.

Az elmondottakból következően egy diódalézerben a rezonátor jellemző mérete mindössze néhány száz µm, ezért a lézert mindig kisméretű (pl. 5,6 vagy 9 mm átmérőjű), ablakkal ellátott szabványos elektronikai tokozásban helyezik el. A kis méretű, hosszúkás jellegű aktív réteg és igen rövid rezonátorhossz miatt a diódalézerek nyalábja erősen divergál (10-40°), ezért azt legtöbbször a tokozásba vagy arra szerelt optikával javítják. A diódalézerek tokozásába gyakran beleépítenek egy fotodiódát is, amivel a mindenkori fényintenzitás közvetlenül mérhető. Emissziós sávszélességük általában 0,1-0,01 nm.

Egy diódalézer fényforrás felépítése

A diódalézerek kompakt, igen hatékony, olcsón előállítható, tartós eszközök, amelyek mára már számos analitikai spektroszkópiai alkalmazásban bizonyították hasznosságukat. Igen értékes jellemzőjük, hogy a rajtuk átfolyó áram erősségének és a félvezető kristály hőmérsékletének szabályzásával emissziós hullámhosszuk könnyen hangolható a félvezető erősítési sávszélességének megfelelő kb. ±5 nm tartományban. A félvezető összetételének változtatásával ma már szobahőmérsékleten a 350-1050 nm (nem teljesen lefedett) tartomány túlnyomó részén tetszőleges hullámhosszon emittáló diódalézerek gyárthatók (pl. AlGaN 350-400 nm, AlGaInP/GaAs 620-680 nm, GaAlAs/GaAs 750-900 nm).

Neodímium szilárdtest lézerek

A szilárdtest lézerekben optikai pumpálás gerjeszti az aktív adalék anyagot („dopant”) egy szilárd gazda („host”) kristályrácsban, amely a gerjesztés hullámhosszán transzparens. Ennek megfelelően mind az adalék, mind a gazda kristályrács fontos szerepet tölt be a működésben. A termikus, optikai és mechanikai jellemzőket főként a kristályrács határozza meg; ezen jellemzők pedig csak egy néhány kristály esetében olyanok, ami a lézer megbízható működését garantálja. A leggyakrabban szintetikusan növesztett oxid típusú kristályokat („garnet”), mint például alumínium-oxid (a lézertechnikában „zafír”), ittrium-alumínium-oxid (közismertebb angol rövidítése: YAG), BeAl2O4 (a lézertechnikában „alexandrit”) vagy üveg kristályokat használnak. Az üveg kristályrács használata manapság egyre nagyobb jelentőségre tesz szert, ugyanis ez optikai szál formájában is könnyen előállítható, ami nagy felülete miatt előnyösen jól disszipálja a működés során keletkező hőt („fiber laser”). Az adalék anyag koncentrációja 1% körüli, és a szerepe nyilvánvalóan szintén fontos, hiszen ennek elektronszerkezete biztosítja az energiaszinteket, amelyek közötti átmenetei révén valósul meg a populáció inverzió. Az adalék legtöbbször átmenetifém, pl. Nd, Ti, Cr, Er. A pumpálás mindig optikailag valósul meg: korai szilárdtest lézerekben ez villanólámpákkal, ívlámpákkal történt, de ma inkább félvezető (dióda) lézereket alkalmaznak, azok nagyobb hatékonysága miatt. A szilárdtest lézerek közül messze a legelterjedtebb a Nd:YAG típus, amely Nd3+ ionokkal adalékolt YAG kristályt alkalmaz aktív közegként. Az emisszió hullámhossza 1064 nm, az erősítési sávszélesség pedig kb. 0,5 nm. A Nd:YAG lézerek mind folytonos, mind impulzus üzemmódban működhetnek. A tipikus impulzushossz 10-20 ns.

Festéklézerek

A festéklézerek a folyadék aktív közeget alkalmazó lézerek legfontosabb fajtáját képviselik. Nevüknek megfelelően ezek a lézerek egy szerves színezék híg oldatát alkalmazzák, amelyet többnyire egy küvettában helyeznek el a rezonátorban. A megfelelő színezékek általában nagyméretű aromás molekulákkal rendelkeznek, amelyek erősen fluoreszkálnak (pl. kumarin, sztilbén, rodamin, stb.). A festéklézerek különleges előnye, hogy a színezékek erősítési sávszélessége jelentős, kb. 10-100 nm, ami ezeket a lézereket széles tartományban hangolhatóvá, ezáltal nagyon sokoldalúvá teszi. A festékoldatot a termikus és fotolitikus degradáció miatt általában keringetik a rezonátorban, de így is viszonylag sűrűn kell az oldatot cserélni. A pumpálás minden esetben optikai úton történik, mégpedig legtöbbször egy excimer vagy egy frekvencia többszörözött Nd:YAG lézerrel. A festéklézerek mind folytonos, mind impulzus üzemmódban működtethetők, emissziós hullámhosszuk a festékoldat cserélésével a 320-850 nm tartományban változtatható. Ma ezeket a lézereket az aromás vegyületek veszélyessége, a lézer sűrű karbantartás-igénye és a pumpáló lézer szükségessége miatt rutin műszerekben nem, csak kutatási elrendezésekben alkalmazzák.

Gázlézerek

Egy tipikus gázlézerben a rezonátor csőben áramló vagy stagnáló gázközeget elektromos kisüléssel gerjesztik (pumpálják). Az analitikai alkalmazások számára legnagyobb jelentőségűek a nitrogén és excimer ("excited dimer") lézerek. Ezek a lézerek impulzus üzeműek, nem hangolhatóak és az UV tartományban emittálnak.  Emissziós sávszélességük viszonylag nagy (nm szintű), impulzushosszuk tipikusan 5-100 ns, nyalábjellemzőik a lézerek között nem kimagaslóak, azonban a nagy fotonenergia és csúcsteljesítmény miatt a minta elpárologtatására, lebontására, ionizálására jól alkalmazhatók. A molekuláris nitrogén lézer 337 nm-en emittál. Az excimer lézerek nemesgáz-halogenid lézerek,  legelterjedtebb fajták és emissziós hullámhosszak: 193 nm (ArF), 222 nm (KrCl nm), 249 nm (KrF), 308 nm (XeCl) and 350 nm (XeF). Az excimer lézerek érdekessége, hogy a nemesgáz-halogenid molekulák csak gerjesztett állapotban léteznek, ezért esetükben a populáció inverzió feltételei ideálisan teljesülnek. Ezek a lézerek értelemszerűen egy nemesgáz és egy halogén gáz elegyét tartalmazzák aktív közegként, azonban a gázelegy túlnyomó része valójában puffergáz (He vagy Ne). Hátrányuk az alkalmazott halogén gázok veszélyessége és korrozív jellege.

Röntgen és gamma sugárforrások

A röntgen és gamma fotonok nagyenergiájú fotonok. A röntgen fotonok energiája kb. 100 eV-tól mintegy 100 keV-ig terjed (másképpen a hullámhossz 0,01-10 nm), és ezen a tartományon belül megkülönböztetünk „kemény” (>5 keV) és „lágy” (<5 keV) röntgen sugárzást (az utóbbi sugárzást szokták nevezni extrém UV sugárzásnak is). A gamma fotonok energiája nagyobb a röntgen fotonokénál, és bár a határvonal a kettő között nem éles, általában a 0,01 nm-nél rövidebb hullámhosszúságú elektromágneses sugárzást szokták gamma sugárzásnak nevezni. Egy másik, inkább tudománytörténeti okokkal magyarázható és nem teljesen kizáró jellegű megkülönböztetést is lehetséges közöttük tenni aszerint, hogy mi a forrása a sugárzásnak: amennyiben az az atommagtól származik (radioaktivitás eredetű), úgy gamma sugárzásról beszélünk, míg a röntgen sugárzás a törzselektronoktól származik. Számos spektroszkópiai módszer alkalmaz pl. a kémiai szerkezet vagy elemösszetel meghatározása céljára röntgen vagy gamma sugárzást.

Röntgencső

A röntgen fotonok előállításának klasszikus eszköze a röntgencső. Ennek működése egy izzókatódból kilépő elektronnyalábnak nagyfeszültséggel (10-300 kV) való gyorsításán és annak egy nagy olvadáspontú, nagytömegű fém anóddal (pl. molibdén, volfrám, rénium) való ütköztetésén alapul. A nagy energiájú elektronok a becsapódás miatt hirtelen lefékeződnek és ez a gyorsulás intenzív, folytonos, röntgen tartományba eső sugárzást állít elő (elterjedt német szóval: Bremsstrahlung). A sugárzásban természetesen megjelennek az anód anyagára jellemző karakterisztikus vonalak is. A folyamat során az anódnak igen nagy energiát kell elnyelnie, ezért az erősen felmelegszik (kb. 1000°C); megolvadását erős hűtéssel illetve az anód forgatásával kerülik el. A röntgencső működése a legtöbbször így is csak szakaszos lehet. A keletkező sugárzás kismértékű irányítását azzal érik el, hogy a katód alakja általában ék vagy csonka kúp alakú, így a sugárzás nagy része a röntgencső ablakán fog kilépni. Az ablak anyagának célszerűen igen kis elnyelése kell legyen a röntgen tartományban, ezért kis rendszámú elemeket tartalmaz igen vékony rétegben. Hagyományosan kb. 10 μm-es, vékony berillium ablakokat használtak, a korszerűbb röntgen ablakok anyaga azonban már 100-200 nm vékony Si3N4 film vagy 100 nm-es alumínium réteggel bevont Mylar film. Ez utóbbi ablakokkal már igen kis intenzitás veszteség lép fel a „lágy” röntgensugárzás esetében is.

Egy röntgencső felépítésének vázlatos képe

Radioaktív gamma sugárforrások

Mint ismeretes, az atommagok radioaktív bomlása alfa, béta és gamma sugárzást eredményezhet, amelyek ritkán jelentkeznek önállóan (tisztán). Ezen sugárzásfajták közül csak a gamma sugárzás elektromágneses sugárzás, ezért ezt alkalmazzák a leggyakrabban analitikai célokra. Egy adott atommag radioaktív átalakulása során keletkező gamma sugárzás az atommag energiaszintjeinek kvantáltsága miatt mindig vonalas sugárzás, emiatt az analitikai alkalmazásokban a mintában vizsgálandó adott atommag gerjesztésére mindig egy adott, megfelelő radioaktív sugárforrást kell használni. Radioaktív sugárforrást alkalmaznak például a laboratóriumi Mössbauer spektrométerek. A kibocsátott sugárzás intenzitását a forrás magok felezési ideje és koncentrációja (száma) határozza meg. Elterjedten alkalmazott radioaktív laboratóriumi sugárforrások, amely elsődlegesen gamma sugárzást bocsátanak ki például: 22Na, 54Mn, 60Co, 65Zn, 133Ba.

Szinkrotron források

Ma a legkorszerűbb, röntgen és gamma sugárzást (is) előállító források a szinkrotronok (részecskegyorsítók), amelyekben mágneses erő segítségével körpályán keringetnek nagyszámú részecskét (pl. elektron, proton), amelyek állandó gyorsulásuk miatt intenzív, folytonos és hangolható elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. A sugárzás frekvenciája és polarizációja és befolyásolható. A kibocsátott sugárzás a szinkrotron gyűrű érintője irányában kialakított mérőállásokban férhető hozzá, szükség esetén fókuszált formában. Bár ezen létesítmények építése és üzemeltetése is költséges, azonban kutatási célokra ideális források, ezért egyre elterjedtebben alkalmazzák azokat. A sugárzás intenzitása jellemzően nagyságrendekkel nagyobb (akár 1010-szor nagyobb!) mint a laboratóriumi forrásoké, ami jelentősen rövidítheti a mérési időt, csökkentheti a kimutatási határokat, és növelheti a vizsgálható mintaréteg vastagságát.  Az európai országok által közösen fenntartott és használt egyik szinkrotron (European Synchrotron Radiation Facility, ESRF) Grenoble-ban, Franciaországban található.

Ellenőrző kérdések és feladatok

  1. Melyek a spektroszkópiai alkalmazások számára legfontosabb jellemzői a lézer forrásoknak?

  2. Mit tud a röntgen és gamma sugárzás energiájáról?

  3. Hogyan épül fel és működik egy tipikus röntgencső?