Η Πορεία του Φωτός… προς την Λύση!!!

Η ταχύτητα του φωτός έχει αποτελέσει το αντικείμενο αναρίθμητων επιστημονικών μελετών και άλλων τόσων σεναρίων επιστημονικής φαντασίας.  Η σύγχρονη εφαρμοσμένη επιστήμη, αξιοποιεί τις ιδιότητες της αλλαγής της ταχύτητας του φωτός σε διαφορετικά υλικά, αλλά και της αλλαγής της πορείας του όταν μεταβαίνει από ένα υλικό σε ένα άλλο, σε πλείστες όσες εφαρμογές.  Μία από τις πλέον ανεπτυγμένες αλλά και πλέον χρήσιμες ειδικά στην τεχνολογία των τροφίμων και ποτών, είναι αυτή των διαθλασιμέτρων.

Τα όργανα αυτά έχουν ευρύτατη χρήση στην τεχνολογία των τροφίμων και ποτών σε μία  μεγάλη πλειάδα εφαρμογών.  Για παράδειγμα σε χυμούς φρούτων και λαχανικών αλλά και στα ίδια τα φρούτα και τα λαχανικά, μας επιτρέπουν την μέτρηση των ολικών διαλυμένων σακχάρων.  Έτσι μπορούμε να προσδιορίσουμε την ωρίμανση του καρπού (σταφύλι, ντομάτα, πορτοκάλι, ακτινίδιο, φράουλα, μούρα κτλ) ή την περιεκτικότητα σακχάρων του τελικού προϊόντος (χυμοί φρούτων, προϊόντα ντομάτας, σάλτσες κτλ).  Αν συνυπολογίσουμε και το γεγονός ότι κάθε μέτρηση διαρκεί μόνο λίγα δευτερόλεπτα και απαιτεί μόνο μία σταγόνα του υπό εξέταση υλικού, καταλαβαίνει κανείς πόσο απαραίτητα είναι τα όργανα αυτά στα αντίστοιχα εργαστήρια.

Για να μπορέσουμε να κατανοήσουμε τη λειτουργία και άρα τις εφαρμογές των οργάνων αυτών, πρέπει να κοιτάξουμε σε δύο βασικές ιδιότητες του φωτός σε σχέση με τα υλικά στα οποία μεταδίδεται.  Πρώτον, στο γεγονός ότι το φως ταξιδεύει με διαφορετική ταχύτητα μέσα σε διαφορετικά υλικά, λόγω διαφόρων παραγόντων όπως η πυκνότητα του υλικού, η δομή του κ.ά..  Από αυτή την ιδιότητα, προκύπτει ένα πολύ χαρακτηριστικό μέγεθος για κάθε υλικό, ο λεγόμενος δείκτης διάθλασης n ή RI (Refractive Index), που δεν είναι άλλος από τον λόγο της ταχύτητας του φωτός στο κενό – η οποία αποτελεί παγκόσμια σταθερά, το γνωστό c του Einstein – προς την ταχύτητα του φωτός σε ένα υλικό.

Δεύτερη βασική ιδιότητα του φωτός που υπεισέρχεται στην λειτουργία των διαθλασιμέτρων, είναι αυτή καθαυτή η διάθλαση του φωτός, η αλλαγή δηλαδή της πορείας του όταν μεταβαίνει από ένα υλικό σε ένα άλλο.  Στην διπλανή εικόνα, φαίνεται για παράδειγμα η πορεία του φωτός που διέρχεται από ένα υλικό σε ένα άλλο με μικρότερο δείκτη διάθλασης (πχ από το νερό στον αέρα).  (Για λόγους απλότητας, στο σχήμα δεν απεικονίζεται η ανακλώμενη ακτίνα, καθώς το φαινόμενο που μας ενδιαφέρει είναι αποκλειστικά αυτό της διάθλασης.)

Υπάρχουν όμως και άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν τη διάδοση του φωτός σε ένα υλικό, πέραν από το ίδιο το υλικό.  Για παράδειγμα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό και από το ίδιο το φως και συγκεκριμένα από το μήκος κύματός του.  Για λόγους απλότητας αλλά και για να υπάρχει μία κοινή βάση διεθνώς, χρησιμοποιείται ο δείκτης διάθλασης nD με βάση φως μήκους κύματος 589nm (D-γραμμή του νάτριου).  Από την άλλη, μεγάλη σημασία παίζει και η θερμοκρασία, καθώς συνήθως αύξησή της συνεπάγεται και μείωση της πυκνότητας και συνεπώς μείωση του δείκτη διάθλασης.  Για τον λόγο αυτό, συνήθως γίνεται αναγωγή σε μία θερμοκρασία αναφοράς (συνήθως στους 20^οC) ή σε πιο εξελιγμένα όργανα της αγοράς, υπάρχει ενεργή εξισορρόπηση θερμοκρασίας σε επιθυμητά επίπεδα (και πάλι συνήθως στους 20^οC).

Ένα διαθλασίμετρο δεν κάνει τίποτα άλλο από το να μετρά τον δείκτη διάθλασης υλικών, συνήθως υγρών.  Τα περισσότερα όργανα στηρίζονται στο φαινόμενο της κρίσιμης γωνίας*, που καθορίζει το σημείο ισορροπίας, το σημείο σκίασης ή την διαχωριστική γραμμή, μεταξύ διάθλασης και ολικής εσωτερικής ανάκλασης του φωτός που προσπίπτει στην διαχωριστική επιφάνεια ενός πρίσματος και του υλικού.  Ο δείκτης διάθλασης προκύπτει από την γεωμετρία της εκάστοτε χρησιμοποιούμενης οπτικής διαδρομής και του δείκτη διάθλασης του πρίσματος.

Αν τώρα κανείς κοιτάξει όχι διαφορετικά υλικά, αλλά ένα διάλυμα συγκεκριμένης διαλυμένης ουσίας, της οποίας η συγκέντρωση μεταβάλλεται, θα παρατηρήσει ότι ομοίως μεταβάλλεται και ο δείκτης διάθλασης του διαλύματος.  Έτσι η μέτρηση του δείκτη διάθλασης ενός διαλύματος μπορεί να μας δώσει την συγκέντρωση του διαλύματος.  Στην βάση αυτής της απλής παρατήρησης, έχουν δημιουργηθεί πολλές κλίμακες δείκτη διάθλασης που δίνουν άμεσα αποτελέσματα συγκέντρωσης ανά πεδίο εφαρμογής.  Η πιο ευρέως διαδεδομένη τέτοια κλίμακα είναι η κλίμακα Brix.  Η κλίμακα Brix ή το % σακχάρων, χρησιμοποιείται διεθνώς και συνδέει τον δείκτη διάθλασης ενός διαλύματος με την συγκέντρωση (% wt/wt) σακχαρόζης (sucrose) σε νερό στους 20οC.  Δεδομένου ότι τα συνήθη προϊόντα τροφίμων είναι πιο σύνθετα από ένα απλό διάλυμα σακχαρόζης, πολλοί ακόμα παράγοντες ενδέχεται να συνεισφέρουν στον συνολικό δείκτη διάθλασης.  Παρόλα αυτά, η κλίμακα Brix χρησιμοποιείται παγκοσμίως ως βασική κλίμακα.  Για προϊόντα που δεν βασίζονται στην σακχαρόζη, πιο ορθός είναι ο όρος «φαινόμενη μέτρηση Brix» (apparent Brix).

Πέραν της βασικής εφαρμογής της μέτρησης περιεκτικότητας σακχάρων, γενικά τα διαθλασίμετρα χρησιμοποιούνται τόσο για την μέτρηση του RI καθαρών υλικών (υγρών) για καταγραφή του χαρακτηριστικού αυτού ή για την μέτρηση της συγκέντρωσης μίας ουσίας διαλυμένης σε μία άλλη, με κατάλληλη πάντα βαθμονόμηση.  Επομένως η μέτρηση του δείκτη διάθλασης είναι ιδανική για τον Ποιοτικό έλεγχο σε πάρα πολλές εφαρμογές και βιομηχανίες με πιο κοινή εμφάνιση βέβαια στην τεχνολογία των τροφίμων και ποτών, όπου το περιεχόμενο διαλυμένων στερεών υγρών προϊόντων μετράται ως «τιμή Brix».

Ως προς τα όργανα, υπάρχουν τρεις βασικοί τύποι: φορητά χειρός γιε μετρήσεις επί τόπου, υψηλής ακρίβειας εργαστηριακά όργανα πάγκου και “in-line” ή παραγωγής διαθλασίμετρα για την παρακολούθηση και τον έλεγχο της διαδικασίας παραγωγής.  Τα εργαστηριακά όργανα διαχωρίζονται με τη σειρά τους σε δύο τύπους, τα Abbe και τα Αυτόματα Ψηφιακά.  Τα αυτόματα ψηφιακά τείνουν να κυριαρχήσουν στην αγορά τα τελευταία χρόνια λόγω της μεγάλης ευκολίας που παρέχουν στην μέτρηση, αλλά και της ιδιαίτερα αυξημένης ακρίβειας.  Τα όργανα αυτά διαθέτουν ηλεκτρονικά στερεάς κατάστασης που ενσωματώνουν ευέλικτα λογισμικά.  Έχουν σχεδιαστεί κύρια για χρήση σε εφαρμογές ελέγχου ποιότητας.

Μία εταιρία που έχει επιδείξει εντυπωσιακή παρουσία στο χώρο των διαθλασιμέτρων (και πολωσιμέτρων) είναι η εταιρία Bellingham & Stanley (επίσημος αντιπρόσωπος Ελλάδος InterActive ΑΕ).

Η εταιρία B&S έχει να παρουσιάσει μία πλήρη σειρά διαθλασιμέτρων για κάθε χρήση και εφαρμογή.  Ιδιαίτερη βαρύτητα έχει δώσει η εταιρία τα τελευταία χρόνια στη δημιουργία ψηφιακών διαθλασιμέτρων υψηλής ακρίβειας αλλά και ιδιαίτερα εύκολα στη χρήση τους.  Έτσι είναι σε θέση να παρέχει πλέον διαθλασίμετρα με ενσωματωμένη ενεργή εξισορρόπηση θερμοκρασίας, έτοιμες βαθμονομήσεις, ικανότητα δημιουργίας βαθμονομήσεων χρηστών.  Τα αυτόματα αυτά ψηφιακά διαθλασίμετρα της εταιρίας, ενσωματώνουν ακόμα φωτοευαίσθητα ολοκληρωμένα κυκλώματα (self-scanned array) για την αυτόματη ανίχνευση της διαχωριστικής γραμμής, συνδυάζοντας ισχυρά λογισμικά για την ανάλυση ακόμα και ασαφών γραμμών που πολλά υλικά τείνουν να παράγουν.  Κατ’ αυτόν τον τρόπο αποκλείεται ο υποκειμενικός παράγοντας της κρίσης του χειριστή.

 

 

 

*: Κρίσιμη γωνία είναι η γωνία πρόσπτωσης υπό την οποία η αντίστοιχη διαθλώμενη ακτίνα (ακτίνα στο υλικό n2 στην πρώτη εικόνα), εφάπτεται στην διεπιφάνεια των δύο υλικών.  Αν αυξήσουμε περαιτέρω τη γωνία πρόσπτωσης, τότε η διαθλώμενη ακτίνα επιστρέφει στο αρχικό υλικό και εμφανίζεται το φαινόμενο της ολικής εσωτερικής ανάκλασης.

Μιχάλης Δ. Κοκοζίδης,Φυσικός, MSc Microelectronics, Ειδικός Τεχνικός Επιστημονικών Οργάνων & Ανάλυσης Εφαρμογών
InterActive S.A., www.interactive.com.gr