پدیده فتوآکوستیک

پدیده فتوآکوستیک

اسلاید 1: Photoacoustic Spectroscopy (PAS)Hossein Alisafaee8111017

اسلاید 2: فهرستمقدمهspectroscopyphotoacoustic spectroscopyپدیده فتوآکوستیکدستگاه photoacousticمنبع نورطبیعت گازجذب نور مادون قرمزشناسایی انرژی جذب شدهدتکتورمقیاس اندازه گیریطیف مادون قرمززمان جوابگوییعملیات PASانواع PASنظارتجعع بندیدستگاه نمونهمنابع

اسلاید 3: مقدمهنگرانی برای ایمنی انسان و سلامت محیط زیست موجب تحریک شدن نیاز به روش های بسیار حساس و قابل اطمینان در زمینه شناسایی مقادیری هرچند ناچیز ازگازهای سمی و آلوده کننده گردیده است.این روش ها و تکنیک ها بر پایه گستره ای از اصول اندازه گیری استوار هستند مانند:spectorscopychromatographychemical reactionselectrochemical detectionعلیرغم کثرت این نوع تکنیک ها ، انتخاب کردن نوعی که بیشتر از همه مناسب باشد معمولا کار ساده ای نیست.

اسلاید 4: spectroscopyinfrared spectroscopy همیشه یک انتخاب عام بوده است، زیرا که بسیار حساس و انتخابی است و در ضمن زمان جوابگویی سریعی دارد همچنین از تداخل ها مصون است.sensitiveselectivehas a fast response timehas a high immunity to interferents.یکی از برتری های اصلی روش های اسپکتروسکوپی برای اهداف مونیتورینگ اینست که هیچ نوع ماده مصرف پذیری در آن استفاده نمیشود و هزینه ها ثابت میماند و نظارت مورد نیاز نیز بسیار کاهش می یابد.

اسلاید 5: photoacoustic spectroscopyیکی از انواع spectroscopy که بویژه حساسیت بسیار بسیار بالایی ارائه مینماید photoacoustic spectroscopy است.high sensitivity

اسلاید 6: photoacoustic spectroscopyگاز دتکتورهایی که مبنای آنها PAS است در خارج و داخل محل زندگی کاربرد های فراوانی دارند. چند نوع از این کاربرد ها به قرار زیر است:شناسایی و مونیتور کردن گازهای سمی و آلوده کنندهمونیتر کردن ترکیبات آلی در بیمارستان ها ، آزمایشگاه ها و تولید گیاهانکنترل فرایند هایی مانند تولید گازهای خالص و تخمیر

اسلاید 7: photoacoustic spectroscopyجذب اشعه مادون قرمز(IR) هست تمام تکنیک های spectroscopy رایج است و علاوه بر آن، روش اندازه گیری آکوستیکی اشعه جذب شده منحصرا مخصوص PAS است.

اسلاید 8: پدیده فتوآکوستیکwhat is photoacoustic effect?photoacoustic effect is the emission of sound by an enclosed sample to the absorption of chopped light.انتشار صوت توسط ماده به علت جذب نور مقطع.

اسلاید 9: تاریخچه پدیده فتوآکوستیکاین پدیده اولین بار توسط دانشمند بزرگ Alexander Bell مورد توجه قرار گرفت که بطور تصادفی آن را در حین تحقیقاتش در مورد PhotoPhone کشف کرد.دانشمندان برجسته دیگری مانند Tyndall و Rontgen نیز مجذوب این پدیده شده بودند که البته تنها دتکتور آکوستیکی موجود آنها گوش آنها بود.

اسلاید 10: وقتی به یک گاز خاص نور تابانده میشود مقداری از انرژی نور توسط گاز جذب میشود . مقدار انرژی که جذب میشود به غلظت گاز بستگی دارد.concentrationاین انرژی جذب شده فورا تبدیل به حرارت میشود و باعث بالا رفتن فشار خواهد بود.

اسلاید 11: هنگامی که نور با یک فرکانس معلوم مدوله شود ، افزایش فشار نیز با فرکانس مدولاسیون، تناوبی میشود.

اسلاید 12: امواج فشار یا همان امواج صوتی بوسیله یک دتکتور مناسب قابل اندازه گیری هستند . این امواج اگر در محدوده 20 Hz تا 20 kHz باشند قابل شنیدن نیز هستند.شدت صوت ساتع شده به عواملی چند بستگی دارد:شدت نورغلظت ماده

اسلاید 13: دستگاه photoacousticقسمت های اصلی یک دستگاه photoacoustic به صورت زیر است:اتاقک اندازه گیری که گاز نمونه در آن حبس میشود measurment chamber

اسلاید 14:

اسلاید 15: دستگاه photoacousticمنبع نور light source

اسلاید 16: دستگاه photoacousticوسایلی برای مدوله کردن نور a chopper

اسلاید 17: دستگاه photoacousticدتکتور برای اندازه گیری سیگنال روش هایی برای پردازش سیگنال

اسلاید 18: منبع نوراگر منبع نور incoherent باشد یعنی طول موج های زیادی را در بر گیرد از یک فیلتر نوری استفاده میشود تا تابش را دلخواه کنیم یعنی ما را قادر میسازد که جسم خاصی در نمونه گازی مان قابل دتکت کردن باشد یعنی همان انتخابی بودن : selectivity

اسلاید 19:

اسلاید 20: دستگاه photoacousticدستگاه ها یی که برای نمونه برداری اتوماتیک طراحی میشوند قطعات دیگری نیز دارند مانند پمپ ها و فیلتر های هوا و غیره.چندین فیلتر نوری را میتوان بر یک چرخ فیلتر سوار کرد تا اجازه دتکت انتخابی برای گازهای مختلف را در یک نمونه به ما بدهد.

اسلاید 21: منبع نورنوع منبع نوری که برای گاز دتکشن ها و آنالیز استفاده میشود بیشتر مواقع یکی است و تابش گسیلی آن در منطقه مادون قرمز(IR ) طیف الکترومغناطیس بین cm-1 650 تا cm-1 4000 است.نور خورشید رایج ترین منبع IR است و همان چیزی که Bell در آزمایش های اولیه photoacoustic از آن استفاده کرد.

اسلاید 22: منبع نورIncandescent Source یک پیشنهاد عالی و قابل اعتماد نسبت به نور خورشید است که ساده ترین نوع آن فقط یک سیم رشته ای گرم شده تا دماهای بالا میباشد و فواید زیر را دارد:پایدار stableکم خرج inexpensiveبادوام long lastingو با این ویژگی که طیف خروجی آن پیوسته و 70-80% آن در منطقه مادون قرمز قرار دارد.

اسلاید 23: طبیعت گازیک گاز مجموعه ای از مولکول های یکسان است که در جریان حرکت تصادفی مداوم قرار دارند.در واقع لغت GAS از کلمه یونانی Chaos گرفته شده که دقیقا توضیح رفتار مولکولی گاز است : حرکتی بی نظم و آشفته و دائما درحال برخورد به یکدیگرمولکول های گاز با سرعت شگفت انگیزی در حرکتند و درجه حرارت گاز نیز متناسب با این سرعت است. برای مثال در 20C یک مولکول کوچک مانند CO2 سرعتی در حدود 407 m/s یا 920 mph دارد و این سرعت در 40C به 421 m/sمیرسد.

اسلاید 24: طبیعت گازاتم ها در مولکول ها نیز در حرکتند اما چون حرکت آنها بوسیله قید های داخل اتمی مقید شده ، اتم ها درحالات نوسانی ثابت نوسان میکنند. این نوسانات در یک فرکانس خاص است که فرکانس رزونانس نام دارد و بوسیله جرم اتم ها و قدرت پیوند های شیمیایی آن تعیین میشود.فرکانس رزونانس از مرتبه 1013Hz است یعنی 10,000,000,000,000 نوسان در یک ثانیه.

اسلاید 25: جذب نور مادون قرمزفرکانس تابش مادون قرمز در همان اندازه های نوسان مولکول ها میباشد ( حدود 1013Hz) . تابش مادون قرمز میتواند با یک مولکول برهمکنش کند وبه آن انرژی منتقل کند اگر و تنها اگر که فرکانس تابش دقیقا همانی باشد که فرکانس نوسان مولکول است. وقتی مولکول این تابش را جذب کرد با دامنه بیشتری نوسان میکند در حالیکه همچنان فرکانس آن ثابت است.

اسلاید 26:

اسلاید 27: تنها گاز هایی که گشتاور دو قطبی الکتریکی دارند میتوانند با نور قرمز برهمکنش داشته باشند. بنابراین گازهای تک اتمی مانند He,Hg و گازهای دواتمی مانند O2,Cl2 نمیتوانند IR را جذب کنند.

اسلاید 28: شناسایی انرژی جذب شدهوقتی مولکول IR را جذب میکند ، انرژی بدست میآورد و شدیدتر نوسان میکند. این اثر مدت زمان کوتاهی دارد و مولکول برانگیخته بسرعت انرژی خود را به مولکول های دیگری که در نزدیکی خود دارد انتقال میدهد یعنی به آنها برخورد میکند و موجب تند تر شدن حرکت آنها میشود.سرعت مولکولی که زیاد شود به این معنی است که دمای گاز و اتاقک اندازه گیری زیاد میشود و در نتیجه فشار بالا میرود .

اسلاید 29:

اسلاید 30: نکته اصلی اینجاست که اکنون راهی را برای اندازه گیری مقدار نور جذب شده مورد جستجو قرار دهیم.مقدار نوری که جذب شده هم بوسیله اندازه گیری انرژی گرمایی قابل محاسبه است و هم بوسیله اندازه گیری افزایش فشار..هر دوی این پارامترها وابسته به غلظت مولفه های جذب کننده هستند. از اندازه گیری انرژی گرمایی ، چون که دتکتورهای Calorimetric زمان جوابگویی کمی ندارد وبه اندازه کافی حساس نسیتند صرف نظر میکنیم چون که اینجا با گازهای بسیار سمی سروکار داریم. پس ترجیح بروی اندازه گیری پارامتر افزایش فشار میرود.اینجاست که نوبت شگرد PAS میرسد.

اسلاید 31: دتکتوریک میکروفون ، دتکتور عالی برای فشار ناثابت است که قابلیت حساسیت بالا و پایداری زیاد را در خود دارد.چون که میکروفون نوسانات فشار را بسیار بهتر از تغییرات ثابت فشار دتکت میکند ، باید شعاع نوری دستگاه photoacoustic ما ، مدوله شود تا مراحل فشاری متغیری در اتاقک اندازه گیری بوجود آورد.

اسلاید 32:

اسلاید 33: یک Condenser Microphone ازغشایی باریک فلزی تشکیل شده و در نزدیکی پشت آن صفحه محکمی قرار دارد. از این ترکیب خازنی درست میشود با دی الکتریک هوا که تغییر فاصله بین صفحه ها موجب تغییر ظرفیت آن میشود.وقتی فشار اتاقک افزایش و یا کاهش می یابد غشای نرم و قابل انعطاف به جلو و عقب حرکت میکند حرکت میکند و در نتیجه ظرفیت تغییر میکند. این ظرفیت با اعمال کردن بار به میکروفون و اندازه گیری اختلاف ولتاژ اندازه گرفته میشود.این ولتاژ AC دقیقا همان اهنگ تغییرات فشار صوت در اتاقک اندازه گیری است.

اسلاید 34: مقیاس اندازه گیریوقتی مقادیر ناچیزی از گاز جذب کننده در اتاقک قرار دارد ، تغییرات دمایی و فشاری و همچنین انحرافات غشا نیز بینهایت کوچک است.برای گازی که غلظت آن در پایین ترین حد دتکت شدن یعنی در حدود چند قسمت بر بیلیون باشد ، افزایش دما در حدود 10-8 Kو افزایش فشار نیز در حدود 10-5 Paاست. این اندازه های کوچک موجب انحراف غشای میکروفون به اندازه 10-14 m خواهد شد.چنین فاصله ای فقط کمی بزرگتر از قطر یک الکترون است: 10-15 m.این اندازه با این مثال روشن میشود که غشایی به اندازه زمین حدود 0/1 mmانحراف داشته باشد.

اسلاید 35: البته علیرغم این مقادیر بسیار کوچک ، میکروفونی با حساسیت 50mV/Pa اجازه اندازه گیری غلظتهای ناچیز را به ما میدهد. ویژگی قابل توجه میکروفون یکی زمان جوابگویی آن است که در حدود 10-6s میباشد و دیگری پایداری آن است. یعنی در دمای اتاق از نظر تئوری حساسیت آن در هر 250 سال کمتر از 1/1% تغییر میکند.

اسلاید 36: طیف مادون قرمزاگر گازی در معرض تابش IR در محدوده 2/5μm تا 15 μm قرار گیرد با اندازه گیری مقدار نور جذب شده در هر طول موج به یک طیف IR میرسیم. نام عمومی وسایلی که طیف به دست میدهند Spectrophotometer است.دو راه برای اندازه گیری مقدار نور جذب شده وجود دارد:اندازه گیری transmittance (T) یا گذراندازه گیری absorbance (A) یا جذب

اسلاید 37:

اسلاید 38: در یک طول موج مشخص ، برای یک گاز رابطه ای بین T و A وجود دارد که به صورت زیر است:

اسلاید 39: اگر T مستقیما اندازه گیری شود و در رابطه جایگزاری شود به ما A را میدهد ، اما با این روش ما که در اندازه گیری گذر (T) خطا داریم ، این موجب بروز خطای بزرگتری در محاسبه جذب (A) میشود( به علت خواص معادله بالا). تنها راه رفع این اشکال اندازه گیری مستقیم A است این همان روش photoacoustic است.پس photoacoustic روش دقیقتری است و برای تحلیلات کیفی مناسب.

اسلاید 40: هر نوع ماده طیف IR خاص خود را دارد و طیفها برای مواد مختلف شناخته شده در منابع آورده شده است . شناسایی مواد هم بوسیله مقایسه طیف انها با طیف های استاندارد قابل دست یابی است. این نوع بررسی امروزه بسیار سریع تر از گذشته انجام میشود بخاطر فواید وجود کامپیوتر های بسیار سریع در امور ذخیره و بازیابی اطلاعات و همچنین پردازش آنها.

اسلاید 41:

اسلاید 42: برای تحلیل کمی گازها معمولا کافی است که آنها را با طول موج هایی مورد تابش قرار دهیم که آن گاز بیشتر جذب میکند.اگر قصد دتکت کردن تعدادی گاز را در یک نمونه داشته باشیم ، باید با طول موج هایی که هر گاز داخل نمونه بیشتر جذب میکند مومه را زیر تابش قرار دهیم. تقریبا تمامی گاز های موجود با این روش قابل دتکت هستند.اگر تداخل دو گاز غیر قابل اجتناب باشد از تکنیک cross-compensating استفاده میکنیم.

اسلاید 43:

اسلاید 44: حجمی که یک دستگاه photoacoustic استفاده میکند خیلی کم است. این حجم که در حدود 3cm3 میباشد در مقایسه با روشهای دیگر اسپکتروسکوپی که 3 تا 4 لیتر از نمونه لازم دارند بسیار قابل ملاحظه است. علاوه بر این برتری ، کم بودن حجم مصرفی موجب بالا رفتن زمان پاسخ گویی نیز هست.

اسلاید 45: زمان جوابگوییدر یک دستگاه photoacoustic به دلایل زیر این زمان بطور قابل ملاحظه ای کوچک است:استفاده ازیک میکروفون به عنوان دتکتوراستفاده از حجم کوچک برای اتاقک اندازه گیری (3 cm3)بعلاوه خیلی از دستگاه های غیر اسپکتروسکوپیک زمان زیادی برای شروع مجدد دارند. یعنی هنگامیکه یک بار اندازه گیری انجام شد برای اینکه دوباره دستگاه آزمایش نمونه بعدی را شروع کند زمان زیادی مثلا حدود یک ساعت سپری میشود. اما در دستگاه spectroscopy و مخصوصا photoacoustic این زمان به 1 دقیقه کاهش می یابد که این از فواید آن دو ویژگی ذکر شده در بالا میباشد.

اسلاید 46: عملیات PASمنبع نور مادو قرمز درون یک آینه شلجمی قرار میگیرد تا نور را به درون اتاقک متمرکز نماید.chopper با فرکانس معلوم میچرخد و نور را مدوله مینماید و این پالس نوری داخل سلول اندازه گیری میرود. فیلتر ها این اطمینان را میدهند که نور با همان طول موجی که میخواهیم به داخل سلول میرود. کل فرآیند بدین صورت است که ابتدا پمپ اتاقک را پاک میکند و نمونه جدید را به اتاقک میآورد . دریچه های ورودی و خروجی بسته میشوند و اندازه گیری آغاز میشود. منبع IR روشن میشود و پره میچرخد و میکروفون شروع به دریافت سیگنالها میکند. چرخ فیلتر ها نیز با چرخیدن و قرار دادن هر فیلتر به نوبت در مسیر نور میتواند همگی فیلتر ها را آزمایش کند. در انتها دستگاه غلظت هر گاز را محاسبه میکند و نتایج را نشان میدهد و دوباره تمام این فرآیند برای نمونه بعدی تکرار میشود.

اسلاید 47: انواع PASاصل کلی طرز کار یک دستگاه photoacoustic بدین صورت بود. اما در درون خود این روش ، تکنیک ها و متد های بسیاری وجود دارد که هر کدام کاربرد مخصوص خود را دارد. بعضی از این روش ها که مخصوص دتکت کردن گاز ها هستند در زیر آورده شده اند :Discrete Sampling – Non-dispersive PASکه با کمی جزئیات همانی بود که در اینجا تقریبا شرح داده شد

اسلاید 48:

اسلاید 49: Discrete Sampling – FTIR/PASتکنیکی که در آن فیلتر های نوری و پره مدولاتور جای خود را به یک تداخلسنج مایکلسون میدهند.این تکنیک از قویترین تکنیکهای موجود میباشد که دستگاه منحصر بفردی بوجود میآورد. در حقیقت با این تکنیک دستگاه مجهز به بینهایت فیلتر نوری میشود.

اسلاید 50:

اسلاید 51: Continuous Flow – PASسیستمی که در آن Realtime Monitoring انجام میشود . یعنی همواره یک جریان از نمونه با سرعت ثابت کنترل شده از اتاقک عبور میکند . البته این جریان دائمی سبب ایجاد تلاطم هایی در اتاقک اندازه گیری میشود که باعث بوجود آمدن نویز روی میکروفون میشود.در انتها اگر که یک Magneto Acoustic detector (MA) با PhotoAcoustic detector ترکیب شود میتوان اکسیژن را نیز مونیتور کرد.و کاربرد آن در مونیتور کردن فرآیند تخمیر ها است که مصرف اکسیژن نشانگر عملکرد واکنش هاست.

اسلاید 52:

اسلاید 53: نظارتاکثر ابزار هایی که بر پایه photoacoustic هستند فقط در هر سه ماه احتیاج دارند که تنظیم آن ها چک شود.

اسلاید 54: جعع بندیزمان جوابگویی بالازمان راه اندازی سریعبسیار دقیقبسیار کم هزینهقابل اطمینان…

اسلاید 55: دستگاه نمونه

اسلاید 56: RESPONSE TIME:The fastest response time for one gas is 13 s and for 5 gases and water vapour 40 sDimensions:Height: 175mm (6.9 in).Width: 483mm (19 in).Depth: 375mm (14.8 in).Weight: 14 kg (30.8lbs).27 optical filters:UA0968 – UA0989 andUA0936 Optical FiltersUA6008 Optical FilterUA6009 Optical FilterUA6010 Optical FilterUA6016 Optical FilterUA1098 Span Calibration

اسلاید 57: منابعwww.innova.dkwww.entek.chalmers.sewww-mtl.mit.eduwww.priorartdatabase.com