Schema dell’apparato sperimentale

Apparato sperimentale

2.1 Schema dell’apparato sperimentale

L’apparato sperimentale, che ha permesso cioè di effettuare la caratterizzazione

meccanica del diapason, il monitoraggio della radiazione laser residua e dell’assorbimento diretto ed infine la rivelazione del segnale fotoacustico, è riportato in Fig 2.1

Fig. 2.1: Schematizzazione dell’apparato sperimentale

modulazione lenta e veloce della corrente iniettata nella sorgente laser

La sorgente ottica utilizzata

(QCL), montato sul dito freddo di un criostato modello 22C modificato in modo da consentire un flusso

CAPITOLO 2

Apparato sperimentale

2.1 Schema dell’apparato sperimentale

L’apparato sperimentale, che ha permesso cioè di effettuare la caratterizzazione

meccanica del diapason, il monitoraggio della radiazione laser residua e dell’assorbimento diretto ed infine la rivelazione del segnale fotoacustico, è riportato in

chematizzazione dell’apparato sperimentale. PM: specchi paraboloidi; LM (HM) segnale di modulazione lenta e veloce della corrente iniettata nella sorgente laser

ottica utilizzata nel presente lavoro di tesi è un laser a cascata quantica sul dito freddo di un criostato modello 22C della CTI Cryogenics modificato in modo da consentire un flusso variabile di elio liquido

L’apparato sperimentale, che ha permesso cioè di effettuare la caratterizzazione elettro-meccanica del diapason, il monitoraggio della radiazione laser residua e dell’assorbimento diretto ed infine la rivelazione del segnale fotoacustico, è riportato in

oloidi; LM (HM) segnale di modulazione lenta e veloce della corrente iniettata nella sorgente laser

un laser a cascata quantica della CTI Cryogenics, variabile di elio liquido al fine di

assicurare un accurato controllo della temperatura fissata durante gli esperimenti ad un valore di 6K. La temperatura è rivelata da una termocoppia posta a contatto con il dito freddo e monitorata da un’apposita apparecchiatura di controllo. Prima che il criostato sia portato a bassa temperatura è necessario isolare termicamente il dito freddo effettuando il vuoto per mezzo di una pompa rotativa ad olio, la quale consente di raggiungere un vuoto iniziale di circa 10^-4 mbar. Nel criostato è inserito un tubo di trasferimento, anch’esso isolato termicamente, per far fluire l’elio liquido. Raggiunte le condizioni ottimali per l’emissione laser, la radiazione è trasmessa all’esterno del criostato attraverso una finestra in polimetilpentene (comunemente detto TPX, polimero termoplastico con un buon grado di trasparenza alla radiazione THz poiché ne trasmette circa il 70%) e raccolta da un primo specchio paraboloide (SP) 90% off-axes con diametro 2 pollici e f/#=1, la cui superficie è ricoperta da uno strato riflettente di alluminio di 1mm. La radiazione, che all’uscita dalla faccetta del laser possiede una notevole divergenza viene quindi riflessa, collimata e indirizzata dal primo paraboloide su un secondo paraboloide con caratteristiche identiche tranne f/# che è pari a 3. Il fascio viene quindi focalizzato fra i rebbi del diapason che è alloggiato in un modulo di rivelazione acustica (acoustic detection module ADM).

Questo modulo comprende: una basetta di alluminio sulla quale è montato il diapason e un cilindro in acciaio che funge da cella e scherma il sensore, dotato di due finestre in TPX a tenuta, attraverso le quali entra ed esce la radiazione e due attacchi per la linea di trasporto dei gas. La basetta è assicurata ad un sistema di movimentazioni micrometriche a 5 gradi di libertà, mentre i pin terminali della circuiteria del diapason, accessibili nella parte inferiore della basetta e dai quali si raccoglie la corrente piezoelettrica originata dal diapason, sono collegati ad uno stadio di preamplificazione (x30 con resistenza di retroazione R_fb= 10 MΩ) a transimpedenza. In cascata vi è un’unità di controllo elettronico (CEU) il cui segnale viene inviato all’amplificatore lock-in. La radiazione in uscita dall’ADM è successivamente raccolta da un terzo specchio paraboloide con stesse caratteristiche del primo, che collima il fascio e lo invia all’interno di una cella di riferimento collegata direttamente all’ADM.

All’uscita della cella la radiazione collimata incontra un ultimo specchio paraboloide, che a differenza dei precedenti possiede un rivestimento della superficie riflettente in oro, che focalizza il fascio sull’elemento sensibile di un detector piroelettrico, modello LT D2.5 della DIAS, tarato nella regione spettrale dei THz, che rivela la potenza della radiazione laser e serve per la valutazione dell’assorbimento diretto in condizioni di concentrazioni elevate del gas da rivelare. Per le misure a basse concentrazioni in cui il segnale di assorbimento non era rivelabile, questa cella veniva preventivamente riempita di gas a alta concentrazione alla stessa pressione di lavoro dell’ADM e sigillata. La misura della potenza laser residua richiede l’utilizzo di un chopper, non mostrato in FIG. 1 posizionato subito dopo l’ADM.

L’alimentazione del QCL è fornita da un generatore di corrente ILX-LDX 3232con banda passante 0Hz – 250kHz; il generatore, attraverso un sommatore di segnali che opera fino ad una frequenza massima di 12GHz, riceve una doppia modulazione analogica esterna da un generatore di forme d’onda modello AFG3102 della Tektronix. La prima modulazione è un segnale sinusoidale alla frequenza di risonanza f0, o sub-armoniche, del diapason; la seconda modulazione è un segnale a rampa a basse frequenze (dell’ordine di poche decine di mHz) che, come sarà illustrato più dettagliatamente nell’ambito della tecnica sperimentale, consente di eseguire una scansione della lunghezza d’onda d’emissione del QCL intorno al picco di

assorbimento del gas da rivelare. Il generatore di forme d’onda è agganciato in fase al lock-in, che a sua volta è interfacciato ad un computer tramite una scheda USB National Instruments mod. USB6008. Con l’ausilio di un software sviluppato in ambiente LabVIEW è stato quindi possibile seguire e registrare l’evoluzione temporale del segnale piezoelettrico del sensore QTF ed il segnale rivelato dal detector piroelettrico.

Fig.2.3: Foto dell’ apparato sperimentale; la linea in rosso indica il cammino ottico della radiazione, dal criostato fino all’elemento sensibile del detector piroelettrico.