A fotoakusztikus kamrához kapcsolódó alapfogalmak

A szakirodalomban számos, időnként egymással is ellentmondó definíciót használnak a fotoakusztikus kamra és a fotoakusztikus mérések vonatkozásában [32-40], ezért fontosnak tartom az általam alkalmazott szóhasználat rögzítését az alábbiak szerint [32]:

 Fotoakusztikus kamra: A fotoakusztikus rendszerben használt komplett detektoregység, amelybe bevezetjük a mérendő gázmintát, illetve amelyen keresztül vezetjük a gerjesztő fényt. A fotoakusztikus kamrában (jellemzően annak központi részében, az akusztikus rezonátorban, lásd alább) jön létre a fény-anyag kölcsönhatás, és döntő részben itt keletkezik a fotoakusztikus jel. Szintén a fotoakusztikus kamrában történik meg az akusztikus jel detektálása, azaz elektromos jellé történő átalakítása.

 Akusztikus rezonátor: a fotoakusztikus kamra belsejében található azon egység, amelyben a fény-anyag kölcsönhatásnak a fotoakusztikus jelkeltés szempontjából leginkább releváns része zajlik. Karakterisztikus akusztikus rezonancia-frekvenciával rendelkezik, és a fényforrást jellemzően ezzel a rezonancia-frekvenciával megegyező frekvencián célszerű modulálni, mivel a maximális jel/zaj viszony ezen a frekvencián érhető el.

 Jósági tényező (Q): az akusztikus rezonátorra jellemző, az akusztikában szokásos módon definiált mennyiség, amely jellemzi a rezonátorban fellépő veszteségeket. Definíciója:

az akusztikus rezonátorban tárolt energia és az egy modulációs periódus alatt fellépő energiaveszteségek hányadosának 2π szerese. Numerikus értéke meghatározható oly módon, hogy a rezonancia frekvencia körüli frekvenciatartományban felvesszük a rezonátor átviteli függvényét, majd a rezonancia frekvencia értékét elosztjuk az átviteli függvény félérték-szélességével (-3 dB-nél mért félérték-szélességével).

 Alacsony és nagy jósági tényezőjű fotoakusztikus kamrák. Különböző fotoakusztikus kamrákban az akusztikus rezonátor rezonanciafrekvenciájának jósági tényezőjének értéke lehet tíz alatti, de szélsőséges esetben akár az ezret is meghaladhatja (azaz pl. egy 5 kHz rezonanciafrekvenciájú rezonancia félérték-szélessége mindössze 5 Hz!).

Évekkel ezelőtt komoly szakmai figyelem irányult a nagy jósági tényezőjű (Q>100) fotoakusztikus kamrákra, különböző eljárásokkal igyekeztek a kamraveszteségeket csökkenteni és ez által a jósági tényezőt növelni. Azonban nagy jósági tényezők esetén a rezonancia frekvencia kismértékű változása is jelentősen lecsökkentheti a fotoakusztikus jelet,

hacsak nem történik meg a modulációs frekvencia folyamatos hozzáigazítása a rezonancia frekvenciához. Azonban a rezonanciafrekvencia nagypontosságú és gyors követésére alkalmazott eljárások kivitelezésére további elektronikai egységek alkalmazására volt szükség, melyek jelentősen megbonyolították a mérőrendszert. Továbbá összehasonlító mérések igazolták, hogy egy alacsony jósági tényezőjű kis átmérőjű longitudinális rezonátor használatával nagyobb jel/zaj viszony érhető el, mint egy nagy jósági tényezőjű kamrával (lásd a kamra-konstansra vonatkozó részt alább), így mára már nem jellemző a nagy jósági tényezőjű kamrák alkalmazása.

 Longitudinális és 3 dimenziós rezonátorok. Amennyiben a rezonátor egyik dimenziója összemérhető a gerjesztett rezonanciafrekvenciához tartozó hullámhosszal, míg a másik két dimenzió ennél lényegesen kisebb, akkor longitudinális kamráról beszélünk és a gerjesztett rezonancia egy longitudinális rezonancia. Amennyiben a kamra mindhárom mérete összemérhető a hullámhosszal, akkor beszélünk 3 dimenziós kamráról, amelyben, a későbbiekben leírtak szerint sokfajta rezonancia keletkezhet.

 Helmholtz rezonátor: egy speciális akusztikus rezonátor. Bár a Helmholtz rezonátor viszonylag gyakran kerül alkalmazásra a fotoakusztikus rendszerekben [33], dolgozatomban a továbbiakban nem fogok ezzel a kamratípussal foglalkozni, ezért elsősorban csak érdekességképpen említem meg. A Helmholtz rezonátor tulajdonképpen egy térrészhez egy vékony csőtoldalékkal csatlakozó üregrezonátor. A rezonancia frekvenciáját az üreg és a csőtoldalék méretei határozzák meg. Alkalmazásával egy viszonylag keskeny frekvencia tartományban lehet felerősíteni a fotoakusztikus jelet.

 Rezonáns és nem-rezonáns kamra: egy gyakran alkalmazott, de ugyanakkor meglehetősen félrevezető fogalompár. Célszerűbb a rezonáns és nem-rezonáns üzemmód kifejezés használata, hiszen minden fotoakusztikus kamrának (illetve elsősorban akusztikus rezonátornak) van rezonanciafrekvenciája, és csak az a kérdés, hogy a fényforrás modulációs frekvenciája egybeesik-e valamely akusztikus rezonanciafrekvenciával (rezonáns üzemmód) vagy nem (nem-rezonáns üzemmód). Mint látni fogjuk, ez utóbbi esetben is keletkezhet jelentős mértékű fotoakusztikus jel. A nem-rezonáns üzemmódot elsősorban az alacsony frekvencián modulálható fényforrások (pl. feketetest-sugárzó) esetén alkalmazzák kistérfogatú fotoakusztikus kamrák használatával kombinálva. Azonban munkám során előfordult olyan mérési feladat, amikor a mért komponens koncentrációja olyan mértékben megnőtt, hogy a keletkező fotoakusztikus jel túlvezérelte volna a mérőelektronikát. Ilyen esetben a fényforrás modulációjának frekvenciáját elhangoltuk a mérőkamra rezonanciafrekvenciájáról (praktikusan jelentős mértékben megnöveltük a modulációs

frekvenciát), így csökkentve a fotoakusztikus jelet oly mértékig, hogy megszűnjön a mérőelektronika túlvezérlése).

 Akusztikus szűrők: az akusztikus rezonátorhoz kapcsolódó elemek, leggyakrabban egymáshoz kapcsolódó, eltérő átmérőjű és hosszúságú üregek, melyek akusztikus szempontból speciálisan vannak megtervezve [5, 31, 41], oly módon, hogy egyrészt gátolják a rezonátorban a lézeres gerjesztés révén akkumulálódó akusztikus energia kisugárzódását a rezonátorból, másrészt gátolják a környezeti zajok bejutását a rezonátorba. Az akusztikus szűrők részei a fotoakusztikus kamrának.

 Nyitott fotoakusztikus kamra: egy fotoakusztikus kamra bizonyos szempontból mindig nyitott, hiszen a mérendő gáznak be kell jutnia a kamrába, és onnan távoznia kell (megjegyzés: vannak olyan fotoakusztikus kamrák, amelyek olyan membránnal vannak lezárva, melyen keresztül a gáz bediffundál a kamrába). Nyitott kamrának a továbbiakban azokat a kamrákat fogom tekinteni [41-43], amelyeknél a fény be- és kivezetésére nem alkalmaznak ablakot. (Megjegyzés: természetesen előfordulhat olyan technikai megoldás is, amikor a fényforrást beleépítik a kamrába. Ezt a rendszert értelemszerűen nem lehet nyitott kamrának tekinteni.) Mivel minden optikai ablak korlátozott hullámhossz-tartományon rendelkezik jelentős (optimális esetben közel 100%) fényáteresztő-képességgel, a nyitott kamra egyik előnye az ablakkal ellátott kamrákhoz képest, hogy elméletileg tetszőleges hullámhosszúságú fényforrással kombinálva alkalmazható.

 Többkamrás üzemmód. Véleményem szerint a fotoakusztikus módszer egyik legjelentősebb előnye, hogy fotoakusztikus kamrán a lézerfény a legtöbb esetben szinte gyengítetlenül jut át, és így a fény alkalmas újabb fotoakusztikus mérések végzésére, azaz újabb fotoakusztikus kamrákat lehet az első kamra mögé beépíteni. Tapasztalataink szerint maximum 3-4 kamra egymás utáni elhelyezése célszerű, ennél több kamra esetén a távolabbi kamrákban már nagyon jelentős háttérjelet generál az addigra jellemzően erősen divergáló lézerfény. Lehetséges olyan elrendezést alkalmazni, amikor minden kamra egy-egy külön gázáramot mér (többcsatornás üzemmód), de lehetséges olyan megoldás is, amikor két kamra ugyanazt a gázt méri és a két kamra által meghatározott koncentráció átlaga adja a mért koncentrációt növelve a mérés pontosságát. Végül lehetséges, hogy az egyik kamra referenciakamraként szolgál. A referenciakamra tartalmazhat nullgázt (azaz a mérendő gázt, amelyből valamilyen eljárással eltávolításra kerül a mérendő komponens) vagy tartalmazhat egy olyan gázt, amelyben bizonyos, a mérés szempontjából fontos komponens nagy koncentrációban található. Ez utóbbi megoldásra jellemzően akkor van szükség, ha a lézer hullámhosszát kell stabilizálni (lásd később).