Kaasun spektrin voi pian mitata luotettavasti myös kannettavalla laitteella (Väitös: FM Tuomas Välikylä, 10.5.2014, fysiikka)

​Kannettava mittalaite joutuu huomattavasti rankempiin oloihin kuin laboratoriolaite. Kannettavan laitteen on toimittava esimerkiksi lämpötilan vaihtelujen jälkeen tai alustalla, jota ei ole tärinäeristetty.

Interferometri on erittäin herkkä optinen ja mekaaninen laite. Tuomas Välikylän väitöstutkimuksessa kehitettiin interferometri, jonka avulla voidaan mitata kaasunäytteen spektri eli kaasumolekyylien elektronirakenne lähes yhtä hyvin kuin kaupallisella laboratoriokäyttöön tarkoitetulla spektrometrillä. Lisäksi interferometri on toimintakuntoinen vielä 30 asteen lämpötilamuutoksen jälkeenkin, mitä laboratoriolaitteet eivät olisi.

Herkkyyden asettamat haasteet ratkaistu

Saavutettu lämpötilan muutoksen sietokyky tarkoittaa sitä, että interferometrissä olevien peilien asento pysyi muuttumattomana peräti mikrometrin eli metrin miljoonasosan tarkkuudella. Optiikan kannalta pienikin lämpölaajeneminen on merkittävä ilmiö, joten sen hallinta on oleellista.

– Vaaditulla tarkkuudella interferometrin runko on verrattavissa joustavaan pyyhekumiin, vaikka laite onkin tehty alumiinista, Välikylä kertoo.

Interferometrin toiminta perustuu infrapunavalon muokkaamiseen, joka tehdään liikuttamalla yhtä peiliä edestakaisin vähintään muutaman millimetrin matkan. Kehitetyssä interferometrissä liikuttamiseen käytettiin keinumekanismia, joka perustuu neljään jäykistettyyn jousiliuskaan.

– Kehittämämme mekanismi mahdollistaa peilin liikuttamisen siten, että peili pysyy oikeassa asennossaan koko liikkeen ajan. Keinumekanismi voidaan myös valmistaa edullisesti.

Interferometrissä infrapunasäde jaetaan kahteen osaan, jotka kulkevat hallitusti eri reitin. Lopuksi säteet yhdistetään ja ohjataan tutkittavan kaasunäytteen läpi ilmaisimeen. Sädettä ohjaavan optiikan on pysyttävä tarkasti tietyssä asennossa toisiinsa nähden, jotta ilmaisimelta saataisiin riittävän voimakas signaali ja mittaus onnistuisi.

Sovelluksena kaasunäytteiden tutkiminen

Aineen elektronirakenteen perusteella voidaan päätellä tuntemattoman kaasumaisen aineen koostumus, sillä useimpien aineiden elektronirakenne eli spektri tunnetaan. Menetelmää sovelletaan laajasti teollisuudessa, tutkimuksessa sekä viranomaiskäytössä muun muassa rajavalvonnassa.

Spektri mitataan yleensä spektrometreillä, jotka käyttävät usein infrapuna- eli lämpösäteilyä. Tällaiset spektrometrit perustuvat interferometriin, joka muokkaa säteilyn tarvittavaan muotoon, sekä matemaattiseen muunnokseen, jotta näyteaineen koko spektri voidaan mitata kerralla.

***

Lauantaina 10. toukokuuta 2014 kello 12 esitetään Turun yliopistossa (päärakennus, Quantum, auditorio, Vesilinnantie 5) julkisesti tarkastettavaksi FM Tuomas Välikylän väitöskirja ”Michelson interferometer with porch swing bearing for portable FTIR spectrometer" (Michelsonin interferometri kiikku-mekanismilla kannettavaan FTIR spektrometriin). Virallisena vastaväittäjänä toimii professori Bortolino Saggin (Politecnico di Milano, Italia) ja kustoksena professori Kalle-Antti Suominen.

FM Tuomas Välikylä on syntynyt 1981 Helsingissä ja kirjoittanut ylioppilaaksi 2000 Meri-Porin lukiosta. Filosofian maisteriksi Välikylä valmistui 2005 Turun yliopistosta. Parhaillaan hän työskentelee Gasera Oy:n palveluksessa. Väitös kuuluu fysiikan alaan.