203408. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés anyagi minőség lokális vizsgálatára fotoakusztikus módon
1 HU 203 408 B 2 A találmány tárgya eljárás és berendezés anyagi minőség lokális vizsgálatára fotoakusztikus módon. A találmány szerinti megoldás alkalmas különböző minták felületi pontjaiban az abszorpciós színkép meghatározására, előnyösen mezőgazdasági és élelmiszeripari anyagok roncsolásmentes in situ vizsgálatára. Ismeretesek olyan fotoakusztikus eljárások, amelyek különböző anyagok felületének, illetve a felülethez közeli rétegeinek tulajdonságait képesek lokálisan vizsgálni. Az ismert megoldásrác szerint a vizsgálandó minta felületére változtatható hullámhosszúságú, közel állandó sávszélességű fényt ejtve, az a minta anyagi tulajdonságaitól függő mértékben elnyelődik a mintában. Az elnyelt energia és a belső energia arányát a hullámhossz függvényében ábrázolva, a minta vizsgált felületi pontjának az abszorpieós színképe nyerhető, amelyből az anyagi tulajdonságokra lehet következtetni. A fotoakusztikus spektroszkópia az elnyelt fényenergiát az általa fejlesztett hőmennyiségből határozza meg, felhasználva azt az ismert fizikai jelenséget, amelyet A. Rosencwaig Photoacoustics and Photoacoustic Spectroscopy, Chem. Anal. Vol. 57. (Wiley, 1970.) ismertet, mely szerint egy periodikusan felmelegedő és lehűlő test a hőtágulás és a környezető hőátadás révén hangot kelt. Amennyiben a mintára ejtett fénynyalábot megszaggatjuk, akkor a szaggatási frekvenciájával megegyező frekvenciájú hang fog keletkezni, amelyet mikrofonnal detektálhatunk. A hangnyomás jó közelítéssel arányos az elnyelt fényteljesítménnyel. A fotoakusztikus detektálási módszer nagy előnye, hogy optikailag diffúz anyagok esetében is használható, mindig a hővé alakuló energiahányadot méri és nagyon egyszerű eszközökkel is igen nagy érzékenységet biztosít. Az ismert fotoakusztikus spektroszkópok a hagyományos optikai spektroszkópokhoz hasonló felépítésűek. Lényeges különbség mutatkozik azonban a mintatartó és a detektor kialakításában. A minta egy fotoakusztikus kamrában van elhelyezve, amely a legtöbb esetben zárt. A hangfrekvenciával megszaggatott fénynyaláb egy ablakon keresztül esik a mintára, amely az elnyelt fényenergiától periodikusan felmelegszik. A periodikus hőmérsékletváltozás eredményeképpen a kamrában periodikus nyomásingadozás keletkezik, amelyet mikrofonnal detektálnak. A mért hangjel intenzitása ily módon arányos az elnyelt fény energiájával. Az eddig alkalmazott, ismert fotoakusztikus megoldások az optikai spektroszkópokhoz hasonlóan nagyméretű, bonyolult berendezések. A vizsgálatokat kizárólag laboratóriumi körülmények közölt végzik, ahova a mintákat el kell szállítani. Az ismert megoldások hátránya ezen kívül még az, hogy az akusztikus jel bonyolult módon függ az elnyelt fényenergiától, ezért az arányossági tényezőben a vizsgált anyag és a mérőrendszer termikus és akusztikus tulajdonságain kívül a mérési geometria és az akusztikus detektor is szerepet játszik. Az ismert megoldások ezért csak speciális laboratóriumi körülmények között, főleg összehasonlító mérésekre használhatók. A találmány célja olyan megoldás létrehozása, amelynek révén feleslegessé válik a mintaelőkészítés, alkalmazásával elkerülhető a speciális laboratóriumokba történő szállítás és amelynek révén a mérés a mindenkori felhasználás helyszínén elvégezhető. További célja a megoldásnak az, hogy abszolút mérésre, különböző anyagok in situ vizsgálatára legyen alkalmazható. Felismertük, hogy célszerű alkalmazási területeken, ahol az anyagvizsgálattal szemben támasztott pontossági követelmények nem túlságosan szigorúak, viszont olyan optikai tulajdonságú mintákat kell vizsgálni - például mezőgazdasági és élelmiszeripari anyagok -, melyek ideálisak a fotoakusztikus módszer szempontjából, ebben az esetben nem szükséges központi, nagy laboratórium alkalmazása, a fotoakusztikus mérés a mindenkor felmerülő igény adott helyszínén elvégezhető, célszerű módon tehát hordozható megoldás is készíthető. A vizsgálandó minták igen eltérő, változó tulajdonságúak, ezért kísérleteink során kiderült, hogy megoldásunkkal lokális tulajdonságok is mérhetők. A találmány tárgya eljárás anyagi minőség lokális vizsgálatára fotoakusztikus módon, amelynek során szélessávú, fehér fénynyalábból monokromatikus fénynyalábot állítunk elő, amelyet hangfrekvencia-tartományban megszaggatunk. Az ily módon megszaggatott monokromatikus fénynyalábot zárt térben mintára vezetjük, mérjük a keletkező hangnyomásjelet, amelyből a minta anyagi minőségére következtetünk. Az eljárás lényege az, hogy a zárt teret üvegszálkötegen keresztül vezetett fénynyaláb útjában, annak végén oly módon hozzuk létre, hogy a fénynyaláb a mintával közvetlenül érintkezzék és a zárt térben keletkező hangnyomásjelet mikrofonnal detektáljuk. Az eljárás előnyös megoldása esetén a zárt teret az üvegszálkötegnek a mintára történő helyezésével, az üvegszálköteg és a minta között hozzuk létre, miközben az üvegszálkötegen keresztülvezetett fénynyalábot a zárt térben kiképzett nyíláson keresztül a mintára fókuszáljuk. Az eljárás további előnyös megoldásánál a zárt teret az üvegszálköteg végén előnyösen cserélhető mintatartóval hozzuk létre. A találmány tárgya továbbá berendezés anyagi minőség lokális vizsgálatára fotoakusztikus módon, amelynek nagy optikai teljesítményű, előnyösen kisméretű, fényforrása, a fényforrás fénynyalábjának útjában fényszaggatója, továbbá vezérelhető folyamatos hangolású monokromátora van. A berendezés mikrofonnal összekötött elektronikus egységgel rendelkezik. A berendezés úgy van kialakítva, hogy a fényszaggató és a monokromátor között a fényforrás fénynyalábját téglalap keresztmetszetű, vonalszerű párhuzamos fénynyalábbá alakító első optikai rendszer van elhelyezve. A monokromátort követő második, a vonalszerű fénynyalábot négyzet keresztmetszetűvé alakító optikai rendszerre! rendelkezik, amelyhez üvegszálkötegen keresztül mérőfej csatlakozik. A mérőfejben mérőkamra van kiképezve, amelyhez kapillárison keresztül mikrofon csatlakozik. A mikrofon pedig kábelen át az elektronikus egységgel van összekötve. A berendezés célszerű megoldása esetén az üvegszálköteg végénél fókuszáló lencse van elhelyezve és a lencse optikai tengelyében a mérőkamrán nyílás van kiképezve. A nyílás környezetében tömítőgyűrű van elrendezve. A berendezés további célszerű megoldásánál a mérőkamra egyik része a mérőfejben rögzítetten van kiképezve, további, másik része pedig cserélhető mintatartóként van elrendezve. A mintatartó tömítőgyűrűt befogadó horonnyal van ellátva és oldható módon csatlakozik az egyik részhez. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
