ייצוב תרמי של ספקטרומטר באמצעות התקן USB-TC

Ocean Optics, ניו טכנולוגי ש.ק

רקע
לשינויים המתרחשים בתנאי הסביבה של ספקטרומטר יכולה להיות השפעה רבה על הביצועים האופטיים. שינויים שקשורים לטמפרטורה בספסל האופטי וברכיביו מהווים מקור פוטנציאלי לסחיפות באורכי גל ובקו הבסיס (baseline), לעיוותי שיא ולשינויים ברגישות הגלאי. שינויים אלו יכולים להשפיע על דיוק המדידות המתבצעות בסביבות שבהן יש תנודות בטמפרטורת הסביבה, כמו למשל רצפת ייצור או מערכים תעשייתיים אחרים, בסביבה של אוויר פתוח או אפילו במעבדה רגילה שבה יש מערכות חימום ומיזוג אוויר שיכולות ליצור שינויים בטמפרטורה.
למרבה המזל קיימות כמה שיטות פסיביות, פרוצדורליות ואקטיביות, שבעזרתן אפשר למזער את ההשפעה שיש לשינויים בטמפרטורת הסביבה על המדידות.
אפשר ליצור בקרת טמפרטורה פסיבית, באמצעות תכנון הספקטרומטר, לדוגמא על ידי היציבות התרמית יוצאת הדופן של ספקטרומטר Torus – ספקטרומטר שריג קעור (Concave Grating) לתחום האור הנראה והאינפרה אדום הקרוב (VIS-NIR). עם סחיפה באורך גל של 0.0056 ננו-מטר למעלת צלזיוס, Torus מבטיח שהביצועים האופטיים לא ישתנו באופן משמעותי, עם שינוי טמפרטורת הסביבה.
בנוסף, אפשר לנקוט באמצעים במהלך ביצוע הניסוי, על מנת לשכך את ההשפעה של הטמפרטורה על ביצועי הספקטרומטר. אמצעים אלו יכולים לכלול ביצוע תדיר של מדידות ייחוס ומדידות חושך, ניטור רציף של הייחוס במהלך הניסוי ושימוש בתיקון חשמלי של מדידת חושך, אשר מתגברים על שינויי טמפרטורה המתרחשים במהלך הניסוי.
בקרת טמפרטורה אקטיבית מתבצעת באמצעות שימוש בהתקנים שמייצבים באופן תרמי את הספקטרומטרים. מצננים תרמו-אלקטריים (Termoelectric Coolers -TEC), כמו אלו המצויים בספקטרומטר ה-QE65 Pro-Back-Thinned CCD של Ocean Optics ובספקטרומטר הInGaAs- NIRQuest לשימוש בתחום אינפרה אדום הקרוב, פועלים כדי לווסת את טמפרטורת הגלאי על מנת להפחית את רעש קו הבסיס ואת הסחיפה. אפשר להשתמש בתאים מבוקרים מבחינת תנאי הסביבה, כמו למשל, SteadiQ, אשר מתוכננים לבקר את סביבת הספקטרומטר, על מנת להבטיח שסביבתו תישאר בטמפרטורה קבועה. אפשר להשיג ויסות תרמי של הספסל האופטי עצמו, בעזרת התקן אופציונאלי חדש, שנקרא USB- TC. התקן
ה-USB-TC מחמם את הספקטרומטר לנקודה מסוימת שמוגדרת מעל לטמפרטורת הסביבה המשתנה ושומר על הטמפרטורה הזו בתחום של 0.1 מעלה צלזיוס מהנקודה שנקבעה למשך זמן המדידות.

USB-TC של Ocean Optics
ההתקן USB-TC מתחבר ישירות לספקטרומטר USB-2000+ או USB-4000
ושומר על הטמפרטורה שנבחרה מראש, כשהוא מבטיח שהציר האופטי של הספקטרומטר יישאר קבוע במהלך הניסוי כולו, בלי קשר לשינויים החלים בטמפרטורת הסביבה. USB-TC מספק ויסות חום מצוין כאשר תוצאות הדירות הן חיוניות ביותר. היתרונות העיקריים של ויסות חום של הספקטרומטר באמצעות ההתקן USB-TC הם שיפורים ביציבות קו הבסיס ובמיקום, בצורה ובעוצמה של השיא.
השיפור ביציבות קו הבסיס ביחס לספקטרומטר שאינו מיוצב בטמפרטורה מוצג באיור 1. הנתונים נמדדו עבור אורך גל יחיד בתחום החושך של הספקטרומטר, כשהם מייצגים את קו הבסיס שלו. העוצמה באורך גל זה נרשמה בכל דקה במשך 6.5 שעות, בסביבה שבה יש תנודות אופייניות בטמפרטורות הסביבה. כפי שאפשר לראות באיור 1 קו הבסיס של הספקטרומטר, אשר נשמר בטמפרטורה של 40 מעלות צלזיוס בעזרת USB-TC, מתייצב מהר יותר ונשאר יציב יותר מאשר קו הבסיס של ספקטרומטר שאין לו
ויסות טמפרטורה.
לוויסות הטמפרטורה של ספקטרומטר בעזרת USB-TC יש גם השפעה יוצאת דופן על המיקום, הצורה והעוצמה של השיא, על פני טווח טמפרטורה נרחב כפי שמוצג באיור 2. הנתונים הספקטראליים נמדדו עם ספקטרומטר נתון בוויסות טמפרטורה, שנחשף לטמפרטורת סביבה בטווח שבין 0 ל-45 מעלות צלזיוס. כפי שאפשר לראות בתרשים עם הגדלה בתחום הספקטרום שבין 570 ל-585 ננו מטר, המיקום, הצורה והעוצמה של השיא נשארו קבועים באופן יוצא דופן על פני טווח טמפרטורה רחב זה.

מסקנות
על מנת להבטיח מדידות ספקטרוסקופיות מדויקות, יש להתגבר על הסחיפה האופטית שנגרמת על ידי תנודות בטמפרטורת הסביבה. השינויים בקו הבסיס, וכן השינויים במיקום, בסימטריות ובעוצמה של השיא, יכולים להיגרם כאשר לא לוקחים בחשבון את השינויים בטמפרטורה. התקן ה-USB-TC הוא בקר טמפרטורה אקטיבי חדש שמספק יציבות חום מצוינת על פני טווח רחב של טמפרטורות סביבה.
USB-TC מחמם את הספקטרומטר לטמפרטורה שהוגדרה על ידי המשתמש ושומר עליו בטמפרטורה זו במהלך הניסוי כולו, ובכך מבטל את השתנות המדידה הנגרמת כתוצאה משינויים בטמפרטורות הסביבה. כפי שמוצג באיור 1 ובאיור 2, התקן ה-USB-TC מקטין למינימום את הסחיפה בקו הבסיס ומסייע לשמור על המיקום, הצורה והעוצמה של השיא על פני טווח רחב של טמפרטורות.
את התקן ה-USB-TC אפשר לקבל עם נקודות קבועות של טמפרטורה שנבחרו מראש, אשר מכסות את הטווח שבין 25 ל-45 מעלות צלזיוס. המערכת תשמור על הטמפרטורה בנקודה שנקבעה, בטווח טמפרטורות סביבה שבין 5 ל-40 מעלות צלזיוס מתחת לנקודת הטמפרטורה שנקבעה. USB-TC יתייצב בתחום של 0.1 מעלות צלזיוס מהטמפרטורה הסופית, תוך 30 דקות מרגע ההפעלה, כאשר טמפרטורת הסביבה קבועה.
השינויים בתנאי הניסוי הם האויב של דיוק המדידה, כאשר השינויים בטמפרטורות הסביבה מייצגים אתגר בעל חשיבות גבוהה. כפי שתואר לעיל קיימות כמה גישות להקטנה עד למינימום של ההשפעה שיש לשינויים בטמפרטורות בסביבת המדידה שלך. היתרון של גישת הספקטרוסקופיה המודולרית טמון בעובדה שקיימים מוצרים רבים ושיטות רבות, שמאפשרים לשכך את ההשפעה של שינויים בטמפרטורה. מוצרים אלו מאפשרים לך לבחור בשיטה המתאימה ביותר לסביבה ולתנאי המדידה שלך.