Schwerpunkte

Messen mit Laser und Mikrofon #####

20. Dezember 2007, 09:56 Uhr   |  Dr. Hinrich G. Groninga, Dr. Christian Wetzel und Prof. Dr. Marcus Wolff


Fortsetzung des Artikels von Teil 2 .

Messen mit Laser und Mikrofon

Eine Zunahme der Molekül-Geschwindigkeit hat eine Temperaturerhöhung zur Folge und somit eine thermoelastische Ausdehnung der Probe. Dies wiederum zieht einen lokalen Druckanstieg nach sich. Wird nun das Licht mit modulierter Intensität eingestrahlt, führt die thermische Relaxation zu einer Druckänderung mit derselben Modulationsfrequenz – je öfter pro Zeiteinheit also das Licht pulst, desto öfter pro Zeiteinheit gibt es eine Druckänderung. Eine solche modulierte Druckwelle wird üblicherweise als Schall bezeichnet und ist mittels Mikrofon nachweisbar. Die phasenempfindliche Messung des Mikrofon-Signals mit Hilfe eines Lock-In-Verstärkers liefert ein Signal, das weitgehend von Störungen befreit ist.

Ein großer Vorteil der Photoakustik ist die direkte Proportionalität des gemessenen photoakustischen Signals zu der zu bestimmenden Gaskonzentration. Aus dieser Proportionalität resultieren die spezifischen Vorteile der Photoakustik gegenüber der Transmissionsmethode:

  • Offsetfreie Messung: Gemessen wird ein absolutes Signal auf einer Nulllinie, was die Kalibrierung vereinfacht.
  • Großer Dynamikbereich der Messung: Das Messsignal ist über mehrere Größenordnungen vom ppb- bis zum Prozent-Bereich linear, ohne Messbereichsumschaltungen.

Darüber hinaus kennzeichnen folgende Eigenschaften die PAS:

  • Lange Absorptionswege sind nicht erforderlich, wodurch kleine Messzellen und kompakte Sensoren möglich werden.
  • Durch die Ausnutzung akustischer Resonanzfrequenzen der Messzelle lassen sich außerordentlich niedrige Nachweisempfindlichkeiten bis zum ppb-Bereich erreichen (1 ppb = 1 part per billion = 1 Molekül in 1 Mrd. Fremdmoleküle).
  • Trotz der Nutzung mittlerer oder sogar ferner infraroter Strahlung ist keine Tieftemperatur-Kühlung von Detektoren erforderlich.
  • PAS ist ein kostengünstiges Messverfahren, da Mikrofone deutlich preiswerter sind als Detektoren für infrarote Strahlung.

Photoakustik auf Laserbasis

Eine Weiterentwicklung der PAS ist die Kombination des photoakustischen Messverfahrens mit Distributed-Feedback-(DFB)-Diodenlasern. DFB-Diodenlaser sind extrem kompakte Strahlungsquellen mit Abmessungen von wenigen mm, die direkt über ihren Strom modulierbar sind. Ihre sehr schmalbandige Emission von 1/1000 nm ermöglicht einen extrem selektiven Gasnachweis: Sogar Isotope können unterschieden werden. Darüber hinaus ist die Emissionswellenlänge des DFB-Diodenlasers durch die Steuerung seiner Betriebstemperatur über mehrere nm kontinuierlich durchstimmbar beziehungsweise in der Wellenlänge verschiebbar.

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Bild 3: Mit laserbasierter Photoakustik gemessenes Wasser-Spektrum: Das photoakustische Signal liegt im spektralen Bereich um 1,9 μm in guter Übereinstimmung mit berechneten Spektren aus der Sammlung der HITRAN-Datenbank der Universität Harvard.

Mit Hilfe geeigneter Laser – geeignet ist ein Laser, dessen Emissionswellenlänge genau mit der Absorptionswellenlänge eines Gases übereinstimmt – ist der einfache Nachweis quasi aller relevanten Gase möglich. Nur Wasserstoff und Edelgase verweigern sich aufgrund ihres verschwindenden Dipolmomentes dieser Analyse.

Bei schwachen Absorptionen erfordert dies sehr lange Messzell-Längen bis zu mehreren 100 m, was zum Teil durch Reflexionen innerhalb meterlanger Zellen erreicht wird. Bei niedrigen Gas-Konzentrationen ist die gemessene Transmission üblicherweise ein sehr kleines Signal auf einem hohen Untergrund (Offset). Die damit verbundenen Signal-Rausch-Verluste reduzieren die Nachweisempfindlichkeit erheblich. Darüber hinaus muss der Transmissions-Messwert mittels eines natürlichen Logarithmus in eine Konzentration umgerechnet werden, was den Dynamikbereich einschränkt.

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Bild 1: Das Messprinzip der laserbasierten Photoakustik. Das einfallende Licht regt die Gasmoleküle zu Schwingungen an, die sie über Zusammenstöße als Schallwelle abgeben, so dass auf diesem Wege ein Gasspektrum aufgenommen werden kann.

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