Optik emisyon spektrometrelerinin kullandığı 3 ayrı optik sistem bulunmaktadır. Bunlar:
- Paschen – Runge yerleşimi
- Czerny – Turner yerleşimi
- Ebert yerleşimi
Bu üç optik dizayn da son 20 yıldır spektrometrelerde kullanılmaktadır. Bunların içinde Paschen Runge montajı ve Rowland dairesi yerleşimi son yıllarda en çok kabul gören optik dizayn olmuştur. Fototüp veya CCD ve CMOS sensör kullanımından bağımsız olarak spektrometrelerde yukarıdaki optiklerden herhangi birisi kullanılmaktadır.Her spektrometrede vazgeçilmez olan birimler :
- GİRİŞ SLİTİ (yarık): 10 – 50 μm genişlikte olabilir. Spark bölgesinden gelen çok renkli ışığı geçirir.
- GRATING (spektral ayna): Prizma gibi ışığı dalga boylarına ayıran genellikle holografik grating
- DEDEKTÖR : Dalga boylarına ayrılmış ışığı hisseden CCD veya fototüp sensörler
1) FOTOTÜP KULLANILAN OPTİK SİSTEM:
Optik şema genel olarak aşağıdaki gibidir:
Giriş sliti, Grating ve fototüpler, Rowland Dairesi üzerine yerleştirilmiştir. Grating üzerinde genellikle mm’de 1800, 2400 veya 3600 çizgi bulunabilir. Saçılım çözünürlüğü (Resiprocal Dispersion) ilk dizide (first order) 0.50 – 0.85 nm/mm civarındadır. Odak uzunluğu iyi bir performans için, fototüplerin büyüklüğü ve yerleşim problemleri yüzünden 75 – 100 cm olması gerekir. Fosfor, kükürt, bor gibi düşük dalga boylu elementleri izlemek için bu büyüklükteki optik odasına güçlü vakumlar gerekir. Geceleri kullanılmasa bile bu vakum pompaları 24 saat çalışmak zorundadır. Ayrıca giriş slitinin pozisyonu (PROFIL) dış etkenlere (sıcaklık vs. ) bağlı olarak değiştiğinden sık sık profili MEKANİK olarak kontrol etmek ve laboratuvar ortamını kontrol altında tutmak gerekir. Bu yüzden bazı cihazlar vakum odasını ön ısıtma yaparak sabit sıcaklık altında tutmaya çalışırlar. Maksimum optik kanal sayısı 45 – 48 civarında olabilir. Yer darlığı nedeni ile bazen ilk dizi yerine aynı elementin ikinci dizileri kullanılır. Yeni kanal ilave edilmesi zor ve pahalı bir işlemdir. Optik sistem uygunsa optik mühendisleri tarafından donanımda ve yazılımda değişiklik yapılarak ilave edilebilir. Bu sistemlerde metalin tüm spektrumunu almak imkansızdır.
2) DÜZ ALANLI ( FLAT FIELD ) CCD SPEKTROMETRELER:
CCD teknolojisi uygulayan bazı spektrometrelerde ise aşağıda gösterilen FLAT FIELD denilen optik yerleşimde tek bir CCD çipi kullanılmaktadır:
Bu sistemde 2000 veya 8000 sensöre sahip tek bir CCD çip kullanılmaktadır. Bu spektrometrelerde karşılıklı saçılım oranı 3,3 nm/mm civarındadır. Piksel çözünürlük ise 30 – 50 pm arasındadır. Grating ise mm de 755 ile 1000 civarında çizgiye sahip olabilir. Odak uzunluğu 15 – 20 cm arasındadır. Optik odasına argon gazı verilerek inert ortam sağlanır ve düşük dalga boylu elementlerin izlenmesi sağlanabilir. Profil ayarı genellikle sadece re-kalibrasyon anında veya kullanıcı arzusuna göre otomatik olarak yapılabilir. Optik kanal sayısı genellikle 80 – 150 arasında olabilir. Yeni kanal ilavesi bilgisayardan yapılabilir. Metalin tüm spektrumunu almak olanaklıdır, ancak piksel çözünürlük düşüktür.
3) HITACHI – OXFORD INSTRUMENTS – WAS SPEKTROMETRELERİ OPTİK SİSTEMİ:
OXFORD-WAS CCD spektrometrelerinde ise kullanılan optik şema aşağıdaki gibidir :
Bu sistemde her bir çipte 3,000 CCD veya CMOS sensör bulunan min. 7 ayrı CCD veya CMOS çipi toplam 48,000 dedektör, Giriş sliti, Grating ile birlikte Rowland Dairesi üzerine yerleştirilmiştir. 119 nm’den 800’nmye dek tüm spektrum kayıpsız olarak izlenebilir. Karşılıklı saçılım oranı 0,9 nm/mm dir. Piksel çözünürlük ise 6 pm (0,006 nm)’dir. Odak uzunluğu 30-45 mm’dir. Profil ayarı ise HER SPARK anında OTOMATİK olarak yapılır. Kanal ilavesi bilgisayardan kolaylıkla yapılabilir. Eklenebilecek kanal sayısı sınırsızdır.
Aşağıda C/17 ve A/8 SUS çelik numunelerinin FLAT FIELD ve WAS spektrometrelerinde ayrı , ayrı
alınmış spektrumları görülmektedir:
Ayrıca şu hususu belirtmek gerekir: Fototüplerin kullanıldığı son 20 yıl boyunca fototüpler hakkında hiçbir araştırma, geliştirme yapılmamıştır. Ama dijital kameralar ve fotoğraf makinaları, faks ve fotokopi cihazları, optik tarayıcılar ve ICP spektrometrelerinin % 90’nında CCD ve CMOS sensörler kullanılmakta ve araştırma geliştirme için milyonlarca dolar harcanmaktadır. Sonuçta diyebiliriz ki CCD ve CMOS geleceğin teknolojisidir.
GÜÇ ÜNİTESİ VE SPARK SİSTEMİ:
Spektrometreler arasında optik açısından farklılıklar olmasına rağmen spark tekniği açısından büyük benzerlik taşırlar. Eskiden sadece 100 Hz civarında olan yanma frekansı bugün, bilgisayar tarafından alaşıma göre değişebilen 100 – 400 Hz civarında multifrekans olarak çalışmaktadır. Ayrıca endüktans, kapasite ve direnç parametreleri de değişkendir. Yanma holü çapı da ortalama 10 mm civarındadır. Argon gazı ile tepkisiz (inert) ortam sağlanmış tungsten elektroddan numuneye doğru, “kondanse ark” tekniği ile AC gerilim elektriksel kıvılcım yaratarak ışık üretmektedir. Hitachi spektrometrelerinde ise farklı olarak JET ARGON AKIŞ tekniği uygulanmaktadır. Aşağıda iki şema arasında bu tekniğin farklılıkları gösterilmiştir:
Görüleceği üzere JET AKIŞ tekniğinde argon elektrodun çevresinde akarak numune yüzeyine doğru inert bir ortam yaratmaktadır. Genel spark sisteminde yanma holü numune tarafından kapatılmalıdır. Tel veya çubuk şeklindeki numuneler için özel adaptörler gerekir. Aksi halde inert ortam hava ve nem vs. tarafından bozulacak, iyi bir yanma gerçekleşmeyecektir. JET AKIŞ tekniğinde her türlü numune elektrotun karşısına merkezlenerek hol kapanmasa bile adaptörsüz olarak analiz yapılabilir.