Schwerpunkte

Messen mit Laser und Mikrofon #####

20. Dezember 2007, 08:56 Uhr   |  Dr. Hinrich G. Groninga, Dr. Christian Wetzel und Prof. Dr. Marcus Wolff


Fortsetzung des Artikels von Teil 3 .

Messen mit Laser und Mikrofon

Der Effekt der alternativ einsetzbaren photoakustischen Spektroskopie (PAS) basiert auf einer Kombination aus optischer Anregung und akustischer Detektion. Wie beim Transmissionsverfahren wird das Gas mit Infrarotlicht angeregt. Aber: Bei diesem Verfahren wird nicht die Transmission gemessen. Vielmehr nutzt die PAS denjenigen Anteil der absorbierten Energie, der durch unelastische Stöße in kinetische Energie der aneinander stoßenden Gasmoleküle umgewandelt wird; ergo erhöht sich die Geschwindigkeit der kollidierenden Moleküle des Gases. Anders ausgedrückt: Durch Absorption der IR-Strahlung vibrieren und rotieren die Atome eines Moleküls schneller; stößt es nun mit einem anderen zusammen, nimmt das andere diese Energie auf und bewegt sich danach schneller. 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.

Der Effekt der alternativ einsetzbaren photoakustischen Spektroskopie (PAS) basiert auf einer Kombination aus optischer Anregung und akustischer Detektion. Wie beim Transmissionsverfahren wird das Gas mit Infrarotlicht angeregt.

Aber: Bei diesem Verfahren wird nicht die Transmission gemessen. Vielmehr nutzt die PAS denjenigen Anteil der absorbierten Energie, der durch unelastische Stöße in kinetische Energie der aneinander stoßenden Gasmoleküle umgewandelt wird; ergo erhöht sich die Geschwindigkeit der kollidierenden Moleküle des Gases.

Anders ausgedrückt: Durch Absorption der IR-Strahlung vibrieren und rotieren die Atome eines Moleküls schneller; stößt es nun mit einem anderen zusammen, nimmt das andere diese Energie auf und bewegt sich danach schneller.

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Bild 2: Molekulare Rotations-Vibrations-Banden von Kohlendioxid-Isotopen. Wie bei einem Fingerabdruck sind die Banden -charakteristisch für jedes Gas; in diesem Fall lassen sich sogar 12CO2 (rot markiert) und 13CO

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