190178. lajstromszámú szabadalom • Optikai elrendezés ultragyenge fény intenzitásának és spektrumainak mérésére szolgáló berendezés hatásfokának növelésére
1 . 190 178 2 csak egy japán berendezés van, melynél az érzékenység alsó határa 10"15 W. Ez a berendezés azonban csak összfényintenzitás mérésére alkalmas, spektrális meghatározásokra nem használható. H. Inaba és munkatársai 1979-ben megjelent közleményükben [Photochem. Photobiol. 50(1), 169-175 (1979)] ismertettek egy olyan fotonszámláláson alapuló spektrum analizáló berendezést, amely alkalmas igen gyenge (15"I5-1Ö~'6W) kemi- és biolumineszcenciás fény vizsgálatára. A megoldás az előzőekben említett jel/zaj viszony javítására rendelkezésre álló lehetőséget kombináltan alkalmazza. Jó tulajdonságainak elismerése mellett rá kell mutatnunk ezen megoldási mód egy igen lényeges korlátjára, amely abból származik, hogy a kemilumineszcencia fény „egy fotonos” természetű, így a fénygyűjtés hatásfoka csak akkor lehet 100%, ha a fényforrás a teljes 4 n térszögben fényvezetővel lenne körülvéve. Ez azonban a gyakorlatban kivihetetlen, mert a mérőcella ebben az esetben hozzáférhetetlenné válnék. Másik megoldás lehetne a fénygyüjtés hatásfokának javítására az, hogy a fényvezető belépő nyílásszögét (ezzel együtt az átmérőjét) növeljük meg. Ez az eljárás azonban maga után vonja a szinkrontárcsa átmérőjének növelését is, mivel a zárás-nyitás okozta tranziensek ideje alatt a számlálót nem szabad működtetni. Hogy ez mit jelent, ha a tranziensek idejét a zárt-, ill. nyitott állapot 10%-ában maximáljuk, az alábbi táblázat mutatja : A fényvezető belépő nyílásának átmérője (cm) 0,5 1,0 2,0 3,0 A szinkrontárcsa átmérője (2 nyitás, 2 zárás/ford.) (cm) ~ 12,8 ~ 25,5 ~ 51,0 ~ 76,5 Az adatokból világosan látható, hogy míg a belépő nyílás 3 cm-es átmérője még messze az optimális alatt van (ha felvesszük, hogy a mérőcella középpontja a fényvezető belépő felületétől 4 cm-re van, akkor a 4n teljes térszögnek csak kb. 3,5%-át látja), a szinkrontárcsa átmérőjét már 76 cm-re kellene megnövelni és igy ilyen elem használata már gyakorlatilag megvalósíthatatlan. Célul tűztük ki egy olyan elrendezés megalkotását, melynek segítségével az igen gyenge (10"16 W) fényt is lehet mérni. Találmányunkkal azt kívánjuk elérni, hogy az ultra gyenge fény mérésére szolgáló kemilumineszcencia spektrométer már ismert jó tulajdonságait (nagy érzékenység, jó jel/zaj viszony) megtartva a fénygyűjtés hatásfokát lényegesen megnöveljük és ugyanakkor a szinkrontárcsa átmérőjének növekedését kiküszöböljük. A találmány lényege az, hogy a spektrométer fényforrását (mérőcellát) különleges módon kiképzett száloptika-kötegekkel vesszük körül és e kötegek egyesített végén kilépő fényt megfelelő alakú fényszűkítőben igen kis átmérőjű fényfolttá redukáljuk. A száloptikának fény továbbítására történő felhasználása önmagában közismert, de alkalmazását fényszegény viszonyok között - a fellépő veszteségek miatt - nem tartják célszerűnek. Kísérleti tapasztalataink ezzel szemben azt mutatták, hogy megfelelő köteg elrendezés esetén az ily módon elkészített fénygyűjtő látószögének növekedése túlkompenzálja a száloptikában fellépő veszteségeket, 5 tehát igen kis intenzitású fény mérésére is célszerűen alkalmazható. A fényszükítő kilépő nyílásánál nyer elhelyezést a kis átmérőjű szinkronizáló fényszaggató tárcsa, mely után különböző típusú lencsékből álló fénygyűjtő rendszer következik. Ez- 10 után a fény a már ismert módon a cserélhető, meredek felfutású felületáteresztő szűrőkön keresztüljut el a fotoelektronsokszorozó fotokatódjára. A találmány szerinti berendezés kivitelezésénél előnyösen úgy járunk el, hogy a fényforrást (mérő- 15 cellát) olyan fémből készült fűtököpenybe helyezzük, melyen megfelelő helyeken furatokat készítünk. E furatokban rögzítjük a száloptikai kötegek végeit, a lehető legközelebb elhelyezve a mérőcellához. (Amennyire a mechanikai konstrukció engedi 20 érintkezve, de legfeljebb 3-5 mm-re. Ez utóbbi esetben optikai csatoló anyagot alkalmazhatunk.) Mivel a száloptikai köteg 150°C-t is elbír, a rögzítési távolság független a fűtőköpeny hőmérsékletétől. Az elhelyezendő száloptikai kötegek számát két 25 tényező befolyásolja. A fénygyüjtés hatásfokának növelése érdekében célszerű lenne a száloptikai kötegek számának növelése, az viszont csökkentené a termosztálást biztosító köpeny hőközlő felületét. Folyadékokban lejátszódó reakciók kérni!uminesz- 30 cenciás vizsgálatára célszerűen hengeres edényt alkalmazunk (a folyamatos keverés elősegítése érdekében), az ebben elhelyezett 3-10 ml mintatérfogat esetén kísérleteink szerint a fenti szempontokat is figyelembe véve 5-7, egyenként 8-9 mm átmérőjű 35 száloptikai köteg helyezhető el optimálisan. A száloptikai kötegek szabad végeit célszerűen körkeresztmetszetű kötegben egyesítjük és ezáltal a mérőcellából különböző irányokban kilépő és a száloptika által felfogott fényt egy helyre koncentrál- 40 juk. Az önmagában ismert száloptikának ilyen elrendezésével a fénygyűjtés hatásfokát ugyan megnöveltük, de az egyesített kötegvégek nagy átmérője miatt a szinkrontárcsák átmérője változatlanul nagyon nagy lenne, ezért célszerűen úgy járunk el, 45 hogy a száloptikai kötegek egyesített körkeresztmetszetü végéhez olyan, fényáteresztő anyagból (üveg, műanyag) készült fényszűkítőt csatlakoztatunk, mely a néhány cm átmérőjű belépő fényfoltot kúpos kialakítása következtében néhány mm-esre 50 csökkenti. Ez a fényfoltnagyság már elegendően kicsi ahhoz, hogy a szinkrontárcsa átmérője ne legyen nagyobb 10-15 cm-nél. A fény veszteség csökkentése érdekében a fényszűrő külső felületét fémtükörrel vonjuk be. 55 Tekintettel arra, hogy a találmány szerinti berendezés megvalósításánál a kúpos fényszűkítő célszerűen csak néhány cm hosszú, az erősen összetartó fénysugár röviddel a kilépés után ugyanolyan erősen széttartóvá válik, és ezért a szinkrontárcsa sikßO ján történő áthaladása után a fényt olyan lencserendszeren vezetjük át, mely a széttartó fénysugarat párhuzamosítja, majd fókuszálja és végül kis átmérőjű, párhuzamos fénynyalábbá alakítva juttatja a felületáteresztő szűrökön keresztül a fotoelektrong5 sokszorozó fotokatódjára. 3
