DE102009008624B4

DE102009008624B4 - Anordnung zur Durchführung spektroskopischer Verfahren sowie Verwendung bei spektroskopischen Verfahren

Info

Publication number: DE102009008624B4
Application number: DE200910008624
Authority: DE
Inventors: Jia Chen; Andreas Hangauer; Rainer Strzoda
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2029-02-13
Also published as: DE102009008624A1; WO2010092108A1

Abstract

Anordnung zur Durchführung von spektroskopischen Verfahren zur Detektion von paramagnetischen Gasen, bestehend aus: – mindestens einer Messgaszelle zur Aufnahme eines Messgases, – mindestens einer Lichtquelle (6) an einem Gaseinlass (4) zur Lichteinkopplung in die Messgaszelle und einem Detektor (7) an einem Gasauslass (5), wobei entweder die Lichtquelle monochromatisch ist oder am Detektor ein Monochromator vorgesehen ist, zur Auswertung von durch die Messgaszelle hindurch geführtem Licht, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messgaszelle in Form einer gasdurchlässigen, Licht leitenden Hohlfaser (3) ausgeführt ist, die entweder mit Gaseinlass- und Gasauslassöffnungen an Endbereichen oder zumindest partiell über die Länge der Hohlfaser mit Öffnungen am Umfang der Hohlfaser oder mit einer Kombination daraus versehen ist, – auf die Hohlfaser mindestens eine Spule (1) zur Erzeugung eines Magnetfeldes aufgewickelt ist, dessen Ausbreitungsrichtung im Wesentlichen parallel zu der des Lichtes ist, – wobei durch Veränderung einer Lichtintensität oder einer Polarisationsrichtung in...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und Verwendung zur Durchführung von spektroskopischen Verfahren, die insbesondere zur Detektion von paramagnetischen Gasen einsetzbar ist. Betrachtet werden insbesondere die Faraday-Rotations-Spektroskopie oder die Zeeman-Modulations-Spektroskopie. Paramagnetische Gase sind beispielsweise Stickstoffdioxid NO2, Stickstoffmonoxid NO oder Sauerstoff O2.
Zur Erfassung und Konzentrationsmessung von paramagnetischen Gasen wird ein Magnetfeld parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes in einer Messgaszelle aufgebaut. Durch das an jedem Gasmolekül vorhandene magnetische Moment wird die Polarisation des durch das Messgas gesandten Lichts zu einer Veränderung der Polarisation führen. Dies wird als Faraday-Effekt oder auch als Faraday-Spektroskopie bezeichnet. Werden jedoch die Absorptionslinien von Gasen aufgespaltet, so spricht man von einem Zeeman-Effekt oder von Zeeman-Modulations-Spektroskopie.
Bei der Zeeman-Modulations-Spektroskopie wird mit Licht einer konstanten oder variablen Wellenlänge durch das Messgas gestrahlt, wobei durch die Modulation des Magnetfeldes eine Modulation der Absorptionslinien stattfindet. Die Modulation des Laserlichtes führt zu einer Verfeinerung der Messung.
Es existieren Verfahren, die zusätzlich noch die Wellenlänge des Laserlichtes modulieren. Dabei wird mit einem Detektor und einem Lockin-Verstärker die sich verändernde Intensität detektiert, die eine Vermessung des Linienprofils erlaubt. Aus diesem werden Parameter wie Gaskonzentration oder Ähnliches abgeleitet.
Bei der Faraday-Rotations-Spektroskopie wird die Polarisation des Laserlichtes gedreht, in Abhängigkeit von der partiellen Gaskonzentration im Messgas. Hierzu wird polarisiertes Licht in die Gasprobe gestrahlt, wobei zu beachten ist, dass Laserlicht üblicherweise bereits polarisiert ist. Zusätzlich kann jedoch ein erster Polarisationsfilter vor der Gaszelle angebracht werden. Nach der Gaszelle befindet sich ein weiterer, fester Polarisationsfilter, nach dem die Lichtintensität variabel ist. Wenn die Polarisation durch das Gas gedreht wird, gelangt mehr oder weniger Licht durch das zweite Polarisationsfilter hindurch, wobei die Intensität nach dem Filter durch einen Fotodetektor detektiert wird.
Das Magnetfeld kann moduliert werden, um ein variierendes Detektorsignal zu erhalten, welches anschließend sensitiv mit einem Lockin-Verstärker detektiert wird. Die Polarisationsdrehung ist proportional zum Magnetfeld und zur Gaskonzentration. Die Absorptionslinie wird nach maximaler Polarisationsdrehung ausgesucht und ist im Allgemeinen nicht die Linie mit maximaler Absorption.
Die Faraday-Rotations-Spektroskopie ist im Gegensatz zur Zeeman-Modulations-Spektroskopie keine Absorptionsspektroskopie und erreicht üblicherweise bei gleicher optischer Weglänge eine höhere Empfindlichkeit. Die Faraday-Rotations-Spektroskopie besitzt jedoch keine ausreichende, Stabilität in der Messung.
Der Nachteil bei vorhandenen Verfahren besteht in der Notwendigkeit einer Messzelle, in die ein Magnetfeld, vorzugsweise mit einer Spule eingebracht werden soll. Diese Spule soll ein konstantes oder modulierbares Magnetfeld im Gas erzeugen. Die Messzelle ist entsprechend auf die Spule angepasst, wobei in deren Kern sich das Gas befindet. Gleichzeitig ist für eine Durchstrahlung der Messzelle mit dem Licht der Laserdiode zu sorgen. Das Licht verläuft dabei parallel zu den Feldlinien des Magnetfeldes. Bei großen Durchmessern der Messzelle bzw. der Spule werden hohe Windungszahlen der Spule bzw. hohe elektrische Ströme benötigt, um die erforderliche magnetische Feldstärke zu erreichen. Eine weitere Begrenzung der geometrischen Ausgestaltung der Messzelle besteht darin, dass diese lediglich auf einige 10 cm begrenzt sein soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Durchführung von Zeeman- oder Faraday-Spektroskopie bereitzustellen, mit der paramagnetische Gase erfasst und ausgewertet werden können.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch den Einsatz einer gasdurchlässigen Hohlfaser, insbesondere Lichtwellenleiter, um den eine Spule gewickelt ist, eine Messgaszelle mit einem darin aufgebautem Magnetfeld realisierbar ist, so dass paramagnetische Gase in dem Messgasvolumen erfasst werden können und auch hinsichtlich der Konzentration auswertbar sind.
Der Hohlleiter bzw. Lichtleiter, durch den das Messgas geführt wird und mit einem Magnetfeld beaufschlagt wird, kann langgestreckt dargestellt sein, so dass die Spule entsprechend langgestreckt aufgewickelt ist. Eine weitere vorteilhafte Form besteht darin, dass der Lichtleiter zumindest in einem geschlossenen Ring aufgewickelt ist. Entsprechend ergibt sich eine ringförmige Spule, die auf den Lichtleiter gewickelt ist.
Die Herstellung der Spule im Fall des aufgewickelten Lichtleiters erfolgt analog zu der eines Ringkern-Transformators, wobei der Kern der Spule in diesem Fall der aufgewickelte Lichtleiter ist. Die Enden des Lichtleiters werden an einer geeigneten Stelle aus der Spule herausgeführt.
Es ist besonders vorteilhaft, die Hohlfaser bzw. die Lichtwellenleiter in Form einer photonischen Kristallfaser PCF auszubilden. Dies betrifft insbesondere die Faraday-Spektroskopie, die anhand der Polarisationsmessungen durchgeführt wird.
Weiterhin kann vorteilhaft zur Auswertung der Messergebnisse, die in der Anordnung anfallen, ein mit dem Fotodetektor verbundener Lockin-Verstärker eingesetzt werden.
Die gleichzeitige Verwendung der Spule zur partiellen Heizung des Messgassystems kann entweder durch die Spule selbst geschehen oder auch durch separat auf die Hohlfaser aufgewickelte Windungen, die eine separate Spule, eine Heizung, darstellen.
Für die Faraday-Spektroskopie ist beispielsweise eine photonische Kristallfaser PCF besonders vorteilhaft. Da dieses Verfahren aufgrund von Polarisationsveränderungen abläuft, ist es von Vorteil, eine photonische Kristallfaser PCF einzusetzen, die zusätzlich eine ”Single Mode”-Faser ist. Diese Single Mode-Faser ist polarisationserhaltend.
Im Folgenden werden anhand von schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden, Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben.
1 zeigt einen langgestreckten, gasdurchlässigen Lichtleiter mit einem Gaseinlass 4 und einem Gasauslass 5 sowie einer Laserdiode 6 oder einem Laser am Gaseinlass sowie einem Fotodetektor am Gasauslass und eine aufgewickelte Spule 1.
2 zeigt eine zu einem geschlossenen Ring aufgewickelte Hohlfaser 3 mit einer aufgewickelten Ringspule 2, wobei die Ausstattung der Messzelle der der 1 entspricht.
Dadurch, dass Lichtleiter einen Durchmesser im Millimeterbereich oder darunter aufweisen, ergibt sich ein sehr kleines Messvolumen bei gleichzeitig langer Weglänge, wobei sich insgesamt eine sehr gute Empfindlichkeit erzielen lässt. Am Eingang des Lichtleiters befindet sich der Gaseinlass 4 und die monochromatische Laserdiode 6 bzw. ein Laser. Am Ende des Lichtleiters ist der Gasauslass 5, an dem der Detektor, insbesondere ein Fotodetektor 7, positioniert ist. Wegen des geringen Querschnitts des Lichtleiters, selbst falls mehrere nebeneinander liegen, ist der gesamte Durchmesser des Faserbündels im Millimeter- bzw. Zentimeterbereich. Die umgebende Spule 1, 2 hat daher einen geringen Querschnitt und erfordert weniger Windungen pro Länge des Lichtleiters oder eine geringere Stromstärke, damit ein notwendiges Magnetfeld in dem Lichtleiter erzeugt wird. Dabei ist zu beachten, dass das Magnetfeld und eine Sensorempfindlichkeit sich nicht gegenseitig bedingen, sondern das Magnetfeld muss lediglich eine bestimmte Mindeststärke von einigen mT aufweisen.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Spule als Sensorheizung dienen kann. Dies kann durch einen Teil der Magnetfeld erzeugenden Spule mit gering ausgebildetem Magnetfeld realisiert werden.
Eine Heizung kann vorteilhaft sein, weil so unter Umständen eine Adsorption von Gasmolekülen im Inneren von Lichtleitern verhindert wird.
Eine Hohlfaser ist geeignet für die Zeeman-Modulations-Spektroskopie, die im Prinzip Intensitäten misst. Bei einer Hohlfaser einfacher Ausführung bleibt die Polarisation des Lichtes nicht erhalten. Eine einfache Hohlfaser ist für die Faraday-Spektroskopie nur bedingt einsetzbar, weil die Faraday-Spektroskopie über Polarisationsmessungen geschieht. Um diese Polarisationsmessungen nicht zu verfälschen, sollte die Hohlfaser polarisationserhaltend sein. Dies sind insbesondere photonische Kristallfasern PCF bzw. ”Single Mode”-Fasern. Eine gasdurchlässige Kristallfaser ist beispielsweise in dem US-Patent US 734 307 4 B1 offenbart. Sie ist für Faraday-Spektroskopie sehr gut geeignet, da die PCF eine polarisationsabhängige Dämpfung hat. Eine Polarisationsdrehung durch ein Gas wirkt sich in diesem Fall sofort als eine Intensitätsänderung am Ausgang der Faser aus, da die Dämpfung der Faser stark von der Polarisation abhängt. Daher werden auch die bei Faraday-Spektroskopie notwendigen Polarisationsfilter am Ausgang der Messzelle gespart, wobei der Lichtleiter eine aufwändigere Ausstattung aufweist. Eine Zeeman-Spektroskopie unter Einsatz eines PCF ist ebenso möglich, weist jedoch eine geringere Empfindlichkeit auf, ist jedoch andererseits stabiler als die Faraday-Spektroskopie.
Durch die Erfindung ergeben sich insbesondere folgende Vorteile:
Der gesamte Aufbau einer Sensorzelle wird kompakter bei gleichzeitig erhöhter optischer Weglänge und reduziertem Messgasvolumen.
Die Spule erhält einen geringeren Querschnitt und kann daher mit kleinerem Strom und/oder geringerer Windungszahl eingesetzt werden.
Auch die Integration einer Sensorheizung ist möglich. Bei einer gewickelten Faser erfolgt die Herstellung analog zu der Herstellung eines Ringkern-Transformators.
Eine Faraday-Spektroskopie mittels PCF vereinigt die Sensitivität der Faraday-Spektroskopie mit den kleinen Volumina einer Fasermessung. Außerdem wird das Polarisationsfilter am Faserausgang eingespart.
1 zeigt insbesondere eine Hohlfaser 3, die ein Hohlleiter bzw. ein gasdurchlässiger Lichtleiter bzw. ein PCF sein kann. Vorteilhaft ist die Ausführung einer ”Single Mode”-Faser. Aufgewickelt ist eine Spule 1, die mit einer Stromversorgung verbunden ist. Bereichsweise kann diese Spule zu Heizzwecken dienen. Weiterhin ist in 1 ein Gaseinlass 4 und ein Gasauslass 5 erkennbar. Die Richtung des von der Laserdiode 6 bzw. einem Laser ausgesandten Lichtes 8, 9 ist durch Pfeile entsprechend gekennzeichnet. Als Empfänger dient ein Fotodetektor 7, der in vorteilhafter Weise mit einem so genannten Lockin-Verstärker gekoppelt werden kann. Eine Auswerteeinheit ist in 1 nicht dargestellt.
2 zeigt einen Hohlleiter 3, insbesondere einen Lichtwellenleiter, insbesondere einen PCF bzw. eine Single Mode-Faser in einer einen einzelnen Ring darstellenden Wicklung. Die Herstellung geschieht analog zu einem Ringkern-Transformator. Die Ringspule 2 ist entsprechend ausgestattet und angeschlossen wie die Spule 1 in 1. Gleiches gilt für Lichtquelle und Empfänger bzw. für die Lichtleitung und die Lichtrichtung.

Claims

Anordnung zur Durchführung von spektroskopischen Verfahren zur Detektion von paramagnetischen Gasen, bestehend aus: – mindestens einer Messgaszelle zur Aufnahme eines Messgases, – mindestens einer Lichtquelle (6) an einem Gaseinlass (4) zur Lichteinkopplung in die Messgaszelle und einem Detektor (7) an einem Gasauslass (5), wobei entweder die Lichtquelle monochromatisch ist oder am Detektor ein Monochromator vorgesehen ist, zur Auswertung von durch die Messgaszelle hindurch geführtem Licht, dadurch gekennzeichnet, dass – die Messgaszelle in Form einer gasdurchlässigen, Licht leitenden Hohlfaser (3) ausgeführt ist, die entweder mit Gaseinlass- und Gasauslassöffnungen an Endbereichen oder zumindest partiell über die Länge der Hohlfaser mit Öffnungen am Umfang der Hohlfaser oder mit einer Kombination daraus versehen ist, – auf die Hohlfaser mindestens eine Spule (1) zur Erzeugung eines Magnetfeldes aufgewickelt ist, dessen Ausbreitungsrichtung im Wesentlichen parallel zu der des Lichtes ist, – wobei durch Veränderung einer Lichtintensität oder einer Polarisationsrichtung in der Messgaszelle vorhandene Gase ermittelbar sind.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle durch einen Laser oder einen Halbleiterlaser dargestellt ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfaser (3) eine photonische Kristallfaser PCF ist, zur Durchführung einer Faraday-Spektroskopie.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die photonische Kristallfaser eine ”Single Mode”-Faser ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Auswertung der Photodetektor (7) mit einem Lockin-Verstärker gekoppelt ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (1) zumindest partiell zur Beheizung der Messzelle eingesetzt ist oder separate Windungen auf der Hohlfaser eine Heizung darstellen.
Verwendung einer Anordnung entsprechend einem der Ansprüche 1–6, wobei Faraday-Spektroskopie oder Zeeman-Modulations-Spektroskopie durchgeführt wird.
Verwendung nach Anspruch 7, wobei für die Faraday-Spektroskopie mindestens ein Polarisationsfilter im Strahlengang des Lichts eingesetzt wird.