實驗室分析儀器--紅外光譜儀的檢測器分類及原理分析
紫外-可見分光光度計中所用的光電管或光電倍增管不適用于紅外區(qū),因為紅外區(qū)光子能量較低,不足以引起光電子發(fā)射。目前常用的紅外檢測器是真空熱電偶、熱釋電檢測器和碲鎘汞檢測器。前兩種可用于色散型儀器,后兩種在傅里葉變換紅外光譜儀中多見。
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1)真空熱電偶
真空熱電偶檢測器是將兩種不同的金屬絲焊成兩個接點,接受輻射的端多焊接在涂黑金箔上,作為熱接點,另一端連有金屬導(dǎo)線作為冷點(通常為室溫)。為了提高靈敏度和減少熱傳導(dǎo)的損失,將熱電偶封于真空度約為7×10-7Pa的腔體內(nèi)。在腔體上對著涂黑的金箔開一小窗,窗口用紅外透光材料如KBr,CsI,KRS-5等制成。當(dāng)紅外輻射通過窗口射到涂黑的金箔上時,熱點溫度上升,與冷接點之間產(chǎn)生溫差電勢,于是回路中有電流通過,而電流的大小則隨照射的紅外光的強(qiáng)度而變化。
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2)熱釋電檢測器
熱釋電檢測器是用硫酸三甘肽(NH2CH2COOH)3H2SO4(簡稱TGS)的單晶薄片作為檢測元件。TGS是鐵電體,在一定溫度(其居里點49℃)以下能產(chǎn)生很大的極化效應(yīng),其極化強(qiáng)度與溫度有關(guān),溫度升高,極化強(qiáng)度降低。將TGS薄片正面真空鍍鉻(半透明,能透過紅外光),背面鍍金,形成兩電極。當(dāng)紅外光照射時,引起溫度升高,使其極化度改變,表面電荷減少,相當(dāng)于因熱而“釋放”了部分電荷(熱釋電因此而得名),通過外部連接的電路測量電流的變化可實現(xiàn)檢測。電流的大小與晶體的表面積、極化度隨溫度變化的速率成正比。當(dāng)熱電材料的溫度升至某一特定值時,極化會消失,此溫度稱為居里點。熱電檢測器的特點是響應(yīng)速率很快,可以跟蹤干涉儀隨時間的變化,實現(xiàn)高速掃描。故被用于傅里葉變換紅外光譜儀中。目前使用最廣泛的晶體材料是氘代硫酸三甘肽(DTGS),居里點溫度62℃,熱電系數(shù)小于TGS。
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3)碲鎘汞檢測器(MCT)
碲鎘汞檢測器的檢測元件由半導(dǎo)體碲化鎘和碲化汞混合制成。將其置于非導(dǎo)電的玻璃表面密閉于真空艙內(nèi)。吸收輻射后非導(dǎo)電性的價電子躍遷至高能量的導(dǎo)電帶,從而降低了半導(dǎo)體的電阻,產(chǎn)生信號。該檢測器用于中紅外(MIR)區(qū)及遠(yuǎn)紅外(FR)區(qū),MCT檢測器需要在液氮溫度(77K)下工作以降低噪聲。MCT的靈敏度高于TGS,響應(yīng)速率快適合于快速掃描測量,在FTIR和GC-FTIR儀器中獲得廣泛應(yīng)用。