B.1. İnfrared Transdüserler
İnfrared transduserleri genel olarak üç tiptir:
(1) termal transduserler;
(2) piroelektrik transduserler (çok özel bir termal transduser);
(3) fotoiletken transduser.
İlk ikisi genellikle fotometre ve dispersif spektrofotometrelerde bulunur. Fotoiletken transduserler ise Fourier dönüşümlü cihazlarda bulunur.Termal Transduserler
Cevabı ışının ısıtma etkisine bağlı olan termal transduserler, en kısa dalga boylu infrared dalga boyları hariç, infrared dalga boylarının hepsini tayin etmek için kullanılırlar. Bu düzeneklerde ışın küçük bir siyah cisim tarafından absorplanır ve oluşan sıcaklık yükselmesi ölçülür. Bir spektrometreden çıkan ışın demetinin şiddeti çok küçüktür (10-7 ile 10-9 W). Bu yüzden gözlenebilir bir sıcaklık değişiminin oluşabilmesi için, absorplayıcı elemanın ısı kapasitesi olabildiğince düşük olmalıdır. Absorplayıcı elemanın kalınlığını ve boyutunu en aza indirmek ve yüzeyine düşen infrared ışın demetini bu elemanın yüzeyine düşürmek için her türlü çaba harcanır. En iyi şartlar altında, sıcaklık değişmeleri binde birkaç Kelvin aralığındadır.
Termal yollarla infrared ışınların ölçümü, çevredeki termal gürültüden etkilenir. Bu nedenle, termal transduserler vakumlu bir ortama yerleştirilir ve çevresindeki diğer cisimlerin yaydığı termal ışınlardan dikkatli bir şekilde korunur. Sistemle ilgisi olmayan ısı kaynaklarının etkisini gidermek için, yabancı kaynaklardan gelen ışınlar daima engellenir. Bu şekilde, analit sinyali, transduserden çıktıktan sonra, ışın bölücünün frekansına ulaşır ve sadece zamanla yavaş bir şekilde değişen gürültü sinyallerinden elektronik olarak ayrılabilir.
Termoçiftler. Bir termoçift, en basit şekliyle, bizmut ve antimon gibi iki metal parçasının karşılıklı iki ucunun eritilerek birleştirilmesi ile oluşan bir çift bağlantıdan ibarettir. Sıcaklıkdaki farktan dolayı iki bağlantı arasında bir potansiyel farkı meydana gelir.
İnfrared ışını için kullanılan transduser bağlantısı, çok ince tellerden oluşur veya iletken olmayan bir destek üzerine metallerin buhar halinde gönderilmesi ile elde edilir. Her iki durumda da genellikle bağlantı siyahlaştırılır (ısı absorplama kapasitesini artırmak için) ve penceresi infrared ışınını geçiren havası boşaltılmış bir bölmeye yerleştirilir.
Aktif bağlantı ile aynı bölmeye yerleştirilmiş olan referans bağlantı, nisbeten büyük ısı kapasitesine sahip olacak şekilde tasarlanmıştır ve gelen ışına karşı dikkatli bir şekilde korunmuştur. Analit sinyali bölünerek ayrıldığı için iki bağlantı arasındaki sıcaklık farkı önemlidir; bu yüzden referans bağlantısını sabit sıcaklıkta tutmak gerekmez. Duyarlığı artırmak için birkaç termoçift seri halinde bağlanabilir ve buna termopil denir.
İyi tasarlanmış termoçiftli transduser 10-6 K’lik sıcaklık farklarını algılama kapasitesine sahiptirler. Bu yaklaşık olarak 6 ile 8 µV/ µW civarında bir potansiyel farkına karşı gelen bir kapasite demektir. Bir infrared transduserinin termoçifti Şekil 5’deki alan etkili transistor devresine benzer yüksek-empedanslı ön yükselticiye bağlı düşük-empedanslı bir düzenektir. Voltaj izlemeli yükseltici, termoçift devrelerinde ön yükseltici olarak kullanılır.
Bolometreler. Dirençli bir termometre çeşidi olan bolometre, platin veya nikel gibi metal çubuklarından veya bir yan-iletkenden yapılmıştır; yan-iletkenden yapılmış olanlarına termistör denir. Bu malzemeler sıcaklığın fonksiyonu olarak dirençte nisbeten büyük bir değişim gösterirler. Algılayıcı kısım, ışık enerjisini iyi ab-sorplaması için küçüktür ve siyahlaştırılmıştır. Bolometreler orta-infrared bölgede öteki transduserler kadar çok kullanılmazlar. Buna rağmen 1,5 K’de çalıştırılan germanyumlu bolometre 5 ile 400 cm-1 (2000 ile 25 mm) aralığındaki ışın için ideal bir transduserdir.
Şekil .5. Termoçift ve önyükseltici (G. W. Ewing, J. Chem. Educ, 1971, 48, A521).
Piroelektrik Transduserler
Piroelektrik transduserler, çok özel termal ve elektriksel özelliklere sahip bir yalıtkan (dielektrik malzemeler) olan tek kristal piroelektrik malzemeler’den yapılırlar. Triglisin sülfat (NH2CH2COOH)3 • H2S04 (genellikle döteryumlanmış veya glisinin bir kısmı alaninle değiştirilmiş) infrared belirleme sistemlerinin yapımında kullanılan en önemli piroelektrik malzemedir.
Bir elektrik alanı herhangi bir dielektrik malzemeye uygulandığında, malzemenin dielektrik sabitinin fonksiyonu olan polarizasyonun büyüklüğü ile orantılı olarak bir elektrik polarizasyonu meydana gelir. Birçok dielektrik malzeme için bu indüklenmiş polarizasyon, dış elektrik alanı kaldırıldığında hemen sıfıra düşer. Buna karşılık, piroelektrik maddeler, alan kaldırılsa bile sıcaklığa bağlı kuvvetli polarizasyonu muhafaza eder. Böylece, piroelektrik kristali, biri infrared ışınları için geçirgen olan iki elektrot arasına sıkıştırarak, sıcaklığa bağımlı bir kapasitör üretilir. İnfrared ışınla sıcaklığında meydana getirilen değişiklik ile kristal üzerindeki yük dağılımı değiştirilir ve bu değişim kapasitörün iki ucuna bağlı bir dış elektrik devresi ile akım olarak gözlenebilir. Bu akımın büyüklüğü ile kristalin yüzey alanı ve sıcaklıkla meydana gelen polarizasyon değişiminin hızı orantılıdır. Piroelektrik kristaller, kalan polarizasyonlarını Curie noktası denilen bir sıcaklığa kadar ısıtıldıklarında kaybederler. Triglisin sülfat için Curie noktası 47°C dir. Piroelektrik transduserler, bir interfe-rometreden zamana bağlı olarak gelen sinyalleri algılayacak kadar hızlı bir algılama zamanına sahiptirler. Bu sebeple, birçok Fourier dönüşümlü infrared spektrofotometrelerde bu tip transduserler kullanılmaktadır.
Fotoiletken Transduserler
İnfrared fotoiletken transduserler, iletken olmayan bir cam üzerine kurşun sülfür, cıva/kadmiyum tellür veya indiyum antimonit gibi yarı iletken maddelerin ince bir film halinde kaplanmasıyla hazırlanmıştır ve yarı-iletken maddeyi atmosferden korumak için bir kılıf içine yerleştirilmiştir. Işının bu malzemeler tarafından absorpsiyonu iletken olmayan değerlik elektronlarını yüksek enerjili iletken seviyeye çıkarır ve böylece yan-iletkenin elektriksel direnci azalır. Tipik olarak, bir fotoilekten, bir voltaj kaynağı ve bir yük direnci ile seri bağlanır ve yük direnci boyunca meydana gelen voltaj düşüşü ışın demetinin şiddetini ölçmek için kullanılır.
Kurşun sülfür fotoiletken, spektrumun 10000 ile 333 cm-1 (1 ile 3 µm)’lik yakın-infrared bölgesinde transduser olarak çok kullanılmaktadır. Bu transduser oda sıcaklığında çalışabilir. Orta ve uzak infrared ışın için, cıva/kadmiyum tellür fotoiletken transduserler kullanılır. Bunlar termal gürültüyü azaltmak için sıvı azotla (77 K) soğutulur. Bu transduserlerin uzun dalga boylarını belirleyebilmesi ve başka bir çok özellikleri devamlı değişebilen cıva tellür/kadmiyum tellür oranına bağlıdır.
Daha önceki bölümde anlatılan piroelektrik transduserlere göre çok iyi algılama özellikleri gösteren cıva/kadmiyum tellür transduserler, özellikle gaz kromatografi cihazlar ile birleştirilerek kullanılan Fourier dönüşümlü spektrofotometrelerde de geniş bir kullanım alanı bulmaktadır.