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Technisches
Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Bestimmung der Absorption in einer Probe enthaltend
- (a) eine ungepulste, inkohärente
Strahlungsquelle zur Erzeugung eines Messlichtstrahls
- (b) einen Resonator mit wenigstens zwei Spiegeln, in welchen
der Messlichtstrahl einkoppelbar ist,
- (c) ein Probenvolumen zur Aufnahme einer absorbierenden Probe
innerhalb des Resonators und
- (d) einen Detektor zur Aufnahme der Strahlung, welche aus dem
Resonator auskoppelbar ist.
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Stand der
Technik
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Aus der klassischen Absorptionsspektroskopie
ist ein Verfahren zur Messung der wellenlängenabhängigen Absorption eines Stoffes
bekannt. Dafür wird
die Probe mit weißem
Licht durchstrahlt. Weißes Licht
(Kontinuumsstrahlung) besteht aus einem sogenannten Wellenlängen-Kontinuum,
d.h. im betrachteten Wellenlängenbereich
wird auf jeder Wellenlänge
Licht abgestrahlt, Demgegenüber
wird unter monochromatischem Licht solche Strahlung verstanden,
die auf einen sehr schmalen Wellenlängenbereich begrenzt ist, d.h.
aus nur einer "Farbe" besteht. Bei der
klassischen Absorptionsspektroskopie wird das Licht hinter der Probe
mittels eines Monochromators in die unterschiedlichen Wellenlängen aufgespalten,
Durch Zeilen- oder Flächendetektoren
am Ausgang des Monochromators kann das auf diese Weise entstehende
Spektrum aufgenommen werden. Die Probe absorbiert nicht auf allen
Wellenlängen
gleich. Durch Messung der Strahlung, z.B. mit und ohne Probe oder
mit Hilfe eines Referenzstrahls, der durch ein Referenzmedium ohne
Absorption führt,
kann das Absorptionsspektrum der Probe ermittelt werden, Die in
der Probe vorhandenen Moleküle
können
anhand des aufgenommenen Absorptionsspektrums zum Beispiel durch
Vergleich mit bekannten Molekülspektren
identifiziert werden. Weiterhin kann die Menge des jeweils varhandenen
Moleküls
in der Probe ermittelt werden. Dies erfolgt durch Bestimmung des
Absorptionskoeffizienten, der von der Konzentration und der wellenlängenabhängigen Extinktion
der betrachteten Substanz abhängt.
Das bekannte Verfahren ist einfach und preiswert, weist aber nur
eine geringe Empfindlichkeit auf.
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Unter dem Begriff DOAS (Differential
Optical Absorption-Spectroscopy) ist ein Verfahren zur Messung von
atmosphärischen
Spurengasen bekannt. Dabei wird das weiße Licht einer Lampe über viele Meter
bis hin zu mehreren Kilometern durch die Atmosphäre geleitet. Die Strahlung
wird von einem Reflektor in Richtung auf ein Teleskop reflektiert
und das Spektrum mittels eines Monochromators und eines Zeilendetektors
aufgenommnen. Wenn sehr lange Absorptionswege verwendet werden,
können
sehr geringe Konzentrationen an Spurengasen nachgewiesen werden.
Nachteilig sind jedoch die schlechte räumliche Auflösung, die
langen Integrationszeiten am Detektor und die Abmessungen des Messaufbaus.
Dies macht das Verfahren teuer und unflexibel.
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Es sind, zum Beispiel aus der Veröffentlichung "Very long paths in
air" von J.U. White
in J. Opt. Soc. Am. 66, 411 aus 1976, Zellen mit Vielfach-Durchgängen, sogenannte
Multi-pass cells (MPAS) bekannt. Dabei wird Kontinuumsstrahlung durch
Spiegel mehrfach durch die Probe gelenkt, wodurch die Absorptionsweglänge vergrössert wird.
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Dadurch wird eine verbesserte Empfindlichkeit
erreicht. MPAS leidet jedoch immer noch an mangelnder Empfindlicheit
und ungünstigem
Signal-zu-Rauschverhältnis
aufgrund der Verluste bei jedem Spiegeldurchgang. Weiterhin gibt
es Probleme bei der praktischen Realisierung von vielen Durchgängen. Wegen
der normalerweise starken Divergenz von inkohärenten Lichtquellen sind nur
wenige Durchgänge
möglich.
Auch bei der Verwendung von Lasern ist die Anzahl der Durchgänge in der
Praxis auf etwa 100 begrenzt. Die Systeme sind weiterhin mechanisch
anfällig,
da auch die kleinste Dejustierung der Spiegel eine große Änderung
des Strahlengangs bewirkt.
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Unter dem Begriff Cavity Ring-Down
Spektroskopie (CRDS) und Cavity Enhanced Absorption Spektroskopie
(CEAS) sind Verfahren mit Lasern als kohärenten, monochromatischen Strahlungsquellen bekannt.
Bei beiden Verfahren wird das Laserlicht in einen optischen Resonator
eingekoppelt. Ein Resonator besteht aus wenigstens zwei Spiegeln
mit hoher Reflektivität.
Sie sind insbesondere aus der Lasertechnologie bekannt. Das eingekoppelte
Licht läuft
in dein Resonator um und bildet auf der Resonatorwellenlänge sogenannte
Moden, d.h. stehende Wellen aus Minima und Maxima. Auf anderen Wellenlängen bilden
sich diese Moden nicht aus.
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Der einfachste Resonator besteht
aus zwei parallel angeordneten planar/konkav Spiegeln, deren reflektierende
Flächen
einander zugewandt sind. Es gibt aber auch Ringresonatoren aus mehrerern
Spiegeln. An einem der Resonatorspiegel wird Licht aus dein Resonator
ausgekoppelt und zur Messung auf einen Detektor gelenkt, wo das
Messsignal erzeugt wird.
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Bei dem CRDS-Verfahren wird eine
absorbierende Probe in den Resonator eingebracht. Ein Laserpuls
eines gepulsten Laserstrahls. wird in den Resonator eingekoppelt.
Durch die Reflexionsverluste und Verluste beim Auskoppeln wird das
im Resonator umlaufende, d.h. gespeicherte Licht dieses Laserpulses
schwächer
und das am Detektor empfangene Signal nimmt ab. Der zeitliche Signalverlauf folgt
einer Exponentialfunktion mit der Abklingzeit τ0, wenn
die Probe nicht absorbiert. Bei Vorliegen einer zusätzlichen
Absorption durch die Probe auf dieser Wellenlänge treten zusätzliche "Lichtverluste" im Resonator auf.
Dann verringert sich die Abklingzeit auf einen geringeren Wert τ < τ0.
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Aus der Abklingzeit lässt sich
der Absorptionskoeffizient und damit die Probenmenge ermitteln. Bei
dem Verfahren muß entsprechend
ein zeitlich hochaufgelöstes
Signal mit dein Detektor aufgenommen und ausgewertet werden. Weiterhin
muß ein
Laserpuls mit ausreichend hoher Intensität erzeugt werden, um noch am
Detektor registriert werden zu können
und ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu bewirken.
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Die Abklingkurve der Laserpulsintensität muß reproduzierbar
sein. Entsprechend hohe Anforderungen sind an die einzelnen Komponenten
zu stellen, die das Verfahren teuer machen. Nachteilig ist insbesondere,
daß der
Absorptionskoeffizient immer nur auf einer Wellenlänge gemessen
wird. Um bei anderen Wellenlängen
zu messen muß der
Laser abstimmbar sein und die Wellenlänge durchgefahren werden, was
zeitaufwendig ist.
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Aus der Veröffentlichung "Cavity enhanced absorption
and cavity enhanced magnetic rotation spectroscopy" von R. Engeln, G.
Berden, R. Peeters und G. Meijer in Rev. Sci. Instr. 69, 3763 aus
1998 ist die CEAS-Methode bekannt. Dabei wird statt eines gepulsten
Lasers ein kontinuierlich strahlender Laser (cw-Laser) verwendet.
Die Wellenlänge
des Lasers wird über
den Wellenlängenbereich
um die Resonatorwellenlänge
kontinuierlich durchgestimmt. Auf der "richtigen" Wellenlänge wird das Licht definiert
in den Resonator eingekoppelt und kann ebenso wie bei der CRDS-Methode
im Resonator Moden ausbilden. Wenn sich im Resonator eine auf dieser
Wellenlänge absorbierende
Probe befindet, ist die reziproke zeitlich integrierte transmittierte
Lichtintensität
proportional zum Absorptionskoeffizienten der Probe. Mit anderen
Worten: durch einfache Integration der Signale über die Zeit kann die Konzentration
eines Stoffes in der Probe ermittelt werden. Auch diese Methode
arbeitet nur bei einer Wellenlänge
mit schmalbandigen Lasern. Darüberhinaus
stellen regelmäßig auftretende
Modensprünge
in Diodenlasern einen für
die Methode einen technischen Nachteil dar. Auch die sogenannte
Intrakavitätsspektroskopie,
bei welcher der Messstrahl durch ein Laseraktives Medium innerhalb des
Resonators erzeugt wird, arbeitet nur auf einer Wellenlänge, bzw,
ist auf die Bandbreite des Lasers begrenzt.
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Aus der Veröffentlichung "A Fourier Transform
Cavity Ring Down Spectrometer" von
R. Engeln und G. Meijer in Rev. Sci. Instr. 67, 2708 aus 1996 ist ein
CRDS-Verfahren bekannt, bei dein statt extrem schmalbandiger Laser
auch gepulste Laser mit größerer Bandbreite
verwendet werden können.
Ein hinter den Resonator geschaltetes Fourier-Transform-Spektrometer ermöglicht dann
die erforderliche Wellenlängenauswahl.
Die verwendeten Farbstofflaser erschweren jedoch die Handhabung
des Verfahrens und sind für
einfache und kleine Geräte
nicht verwendbar. Auch Diodenlaser sind aufgrund der regelmäßig auftretenden
Modensprünge
für diese
Anwendung nicht gut geeignet.
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Ähnlich
werden auch breitbandige, gepulste Farbstofflaser in der unter dem
Titel "Pulsestacked cavity
ring-down spectroscopy" von
E.R. Crosson, P. Haar, G.A. Marcus, H.A. Schwettmann, B.A. Paldus, T.G.
Spence und R. N. Zare in Rev. Sci. Instr. 70, 4 aus 1999 veröffentlichten
Vorrichtung verwendet. Das beschriebene Verfahren dispergiert die
aufgenommenen Laserpulse mittels eines Monochromators, bevor diese
aufgenommen werden. Der beschriebene Aufbau umfasst eine Vielzahl
von Komponenten und ist daher teuer und insbesondere aufgrund der
verwendeten Farbstofflaser aufwendig in der Handhabung.
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In der Veröffentlichung "Integrated cavity
output analysis of ultra-weak absorption" von A. O'Keefe in Chem. Phys. Lett. 293 (1988)
331 ist ein Aufbau beschrieben bei welchem ein gepulster Farbstofflaser
zur Erzeugung eines Meßstrahls
für CRDS
verwendet wird, dessen Signal über
die Zeit integriert wird. Auch dieser Aufbau ist wegen des verwendeten Farbstofflasers
aufwendig.
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Aus der Veröffentlichung "Fourier transform phase
shift cavity ring down spectroscopy" von E. Hamers, D. Schramm und R. Engeln
in Chem. Phys. Lett. 365 (2002) 237-243 ist eine Anordnung bekannt, bei
welcher Licht aus einer Xenon-Bogenlampe in einen Resonator eingekoppelt
und anschließend
mit einem Fourier-Transform-Spektrometer analysiert wird. Eine solche
Anordnung ist aufwendig und gegenüber mechanischen Störungen anfällig, da
beispielsweise die Intensität
des Lichtes vor dein Eintritt in den Resonator hochfrequent moduliert
werden muss. Außerdem
ist der abtastbare Spektralbereich begrenzt.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung,
eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem über einen
großen
Spektralbereich mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden kann.
Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen,
die kostengünstiger,
schneller und mit geringerem Aufwand bei der Auswertung arbeitet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen
dein Resonator und dem Detektor Mittel zur spektralen Zerlegung
des Messlichtstrahls vorgesehen sind. Es hat sich überraschenderweise
herausgestellt, daß ein
Resonator die Empfindlichkeit einer Absorptionsmessung auch dann
erhöht,
wenn eine inkohärente,
kontinuierlich strahlende Strahlungsquelle verwendet wird. Durch
die spektrale Zerlegung des Messlichtstrahls kann dann auf besonders
einfache Weise der Absorptionskoeffizient auf der gewünschten
Wellenlänge
ermittelt werden.
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Der Nachweis auch schwacher Übergänge ist
bei einer solchen Anordnung mit hoher Empfindlichkeit möglich. Es
sind keine teuren Laser mehr erforderlich. Die Vorrichtung lässt sich
durch die Verwendung inkohärenter
Strahlungsquellen in Verbindung mit einer spektralen Zerlegung erheblich
kompakter gestalten als mit breitbandigen Farbstofflasern. Dadurch
kann die Anordnung auch als tragbares Gerät verwirklicht werden. Im Gegensatz
zu den DOAS-Anwendungen wird hier ein sehr langer Absorptionsweg
mit zugehöriger
hoher Empfindlichkeit des Verfahrens ohne große Geräteabmessungen verwirklicht.
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Weiterer und wesentlicher Vorteil
der Verwendung von inkohärenten
Strahlungsquellen ist es, daß breitbandige
Strahlung über
weite Bereiche auch des sichtbaren Spektrums gleichzeitig in den
Resonator einkoppelbar ist. Aufgrund des Superpositionsprinzips
beeinflussen sich die Strahlen nicht. Die Signale unterschiedlicher
Wellenlängen
können
mit einem Monochromator oder Polychromator simultan erfasst werden.
Dies führt
zu einer erheblichen Zeitersparnis, wenn Messungen an verschiedenen Punkten
des Spektrums durchgeführt
werden müssen.
Die spektrale Zerlegung ermöglicht
die einfache und gleichzeitige Messung eines Wellenlängenspektrums.
Dadurch wird die Auswertung und die Kalibrierung erleichtert, sowie
die Anfälligkeit
des Aufbaus verringert. Außerdem
wird die Identifizierung der Substanzen in der Probe erleichtert
und es bietet sich die Möglichkeit,
unerwünschten
Untergrund bereits während
der Messung zu korrigieren. Damit wird die Richtigkeit der Ergebnisse
verbessert.
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Das Mittel zur spektralen Zerlegung
ist vorzugsweise ein dispergierendes Element. Hier bietet sich besonders
ein Dispersionsgitter an. Dieses kann als holographisches oder als
Echelle-Gitter ausgestaltet sein. Es kann im Monochromatorbetrieb
den Spektralbereich scannen oder im Polychromatorbetrieb einen ganzen
Spektralbereich simultan aufnehmen. Dann ist ein Zeilen- oder Flächendetektor
erforderlich. Als Detektor eignet sich besonders ein Charge-Coupled-Device
(CCD-) Detektor. Dieser zeichnet sich durch hohe Empfindlichkeit
und einfache Handhabbarkeit aus. Es ist aber auch jeder andere Flächen-Detektor
geeignet.
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Die Verwendung eines dispergierenden
Elements hat gegenüber
einem Interferometer den Vorteil, daß auch im sichtbaren und ultravioletten
Spektralbereich über
große
Wellenlängenbereiche
simultan gemessen werden kann. In diesen Bereichen liegen nicht
nur die Rotations- und Schwingungsübergänge wie im Infrarotbereich,
sondern auch elektronische Übergänge. Damit
werden weit mehr Informationen über
die zu untersuchende Substanz zugänglich gemacht.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung ist die Strahlungsquelle eine Xenon-Hochdruck-Kurzbogenlampe.
Solche Lampen arbeiten unter einem hohen Betriebsdruck von bis zu 60
bar und emittieren ein Spektrum von etwas unter 200 nm bis in den
nahen Infrarotbereich. Die Strahldichte ist sehr hoch und der emittierende
Leuchtfleck der Lampen kann je nach Betriebszustand sehr klein gestaltet
werden. Dadurch ist eine hohe Strahlungsleistung in den Resonator
einkoppelbar. Abbildungsfehler, die zu einer verringerten Strahldichte
am Detektor führen
können,
können
gegenüber
anderen Lampen gering gehalten werden. Der große Spektralbereich, über den
die Lampe emittiert, ermöglicht die
Messung einer großen
Vielfalt von Molekülen. Auch
andere Lichtquellen, wie Leuchtdioden (LEDs), Halogenlampen, einfache
Bogenlampen und starke Glühbirnen,
sind möglich,
sofern sie eine ausreichende Leuchtdichte haben.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung
der Erfindung weisen die Resonatorspiegel in einem ausgewählten Wellenlängenbereich
eine hohe Reflektivität
und im übrigen
Wellenlängenbereich
keine oder eine sehr geringe Reflektivität auf. Der Wellenlängenbereich
hoher Reflektivität
ist der Messbereich, während
alles übrige
Licht zur Vermeidung von Streulicht unterdrückt wird. Die Reflektivität kann dabei
Werte im Bereich von 99,99 % annehmen. Dabei wird jedoch jeweils
ein Kompromiss zwischen der Empfindlichkeit, die mit einer hohen
Reflektivität
verbunden ist, und dein Signal-zu-Rauschverhältnis eingegangen. Wenn die
Reflektivität
zu hoch ist, wird nur noch ein geringer Anteil des Messstrahls zur Messung
aus dein Resonator ausgekoppelt. Dadurch wird das Signal kleiner.
Je nach Qualität
der Lampe ist entsprechend die Reflektivität der Spiegel höher oder
geringer zu wählen,
um ein optimales Signal-zu-Rauschverhältnis zu erhalten und die Nachweisgrenzen
zu senken.
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Es können weiterhin Filtermittel
vorgesehen sein, welche die Wellenlängen des in den Resonator einkoppelbaren
Messlichtstrahls auf den Wellenlängenbereich
beschränken,
in welchem die Resonatorspiegel eine hohe Refektivität aufweisen.
Solche Filter können
Interferenzfilter, Rot- und UV-Filter und Kombinationen aus diesen
Filtern sein. Dadurch wird das Streulicht reduziert und es wird
verhindert, daß höhere Beugungsordnungen
des Monochromators auf den Detektor fallen. Wellenlängen mit
hoher Spiegeltransmission erzeugen ohne solche Filtermittel einen
besonders hohen Streulichtpegel im Monochromator.
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Vorzugsweise ist eine Irisblende
zur Verringerung des Strahldurchmessers des Messlichtstrahls im
Strahlengang vorgesehen. Mit dieser Blende wird der Rand des Messstrahls
abgeblendet. Dadurch werden die Ordnungen der anschwingenden Transversalmoden
des Resonators reduziert.
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Vorzugsweise sind Mittel zur Abbildung
der Strahlungsquelle in den Resonator vorgesehen. Dies kann eine
Linse oder ein Spiegel sein. In einer Ausgestaltung der Erfindung
sind hinter dein Resonator Mittel zur Fokussierung des Messlichtstrahls
vorgesehen. Im Gegensatz zu einer Laserlichtquelle mit parallelem,
kohärenten
Messlicht können
inkohärente
Lichtquellen stark divergent sein. Dann muß die Strahlung auf den Eintrittsspalt
des Monochromators bzw. auf den Detektor fokussiert werden um ein
optimales Signal zu erhalten.
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Der Detektor kann als Zeilen- oder
Flächendetektor
ausgebildet sein, mit welchem die Signale des Messlichtstrahls auf
mehreren Wellenlängen oder
Wellenlängenbereichen
aufnehmbar sind. Durch die Simultanmessung werden gleichzeitig mehr
Informationen aufgenommen, was zu einer Zeitersparnis insbesondere
bei der quantitativen Analyse mehrerer bekannter Substanzen führen kann. Auch
können
ganze Absorptionsspektren aufgenommen werden, mit denen Moleküle identifizierbar
sind. Bei reduzierten Meßzeiten
ist es mit diesen Detektoren auch möglich, dynamische Prozesse
zu erfassen.
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Die Auswertung der gewonnenen Absorptionsdaten,
die sich aus den Einzelspektren vieler Substanzen zusammensetzen
können,
kann ähnlich wie
bei DOAS erfolgen, so daß das
dort gewonnene Know-How, zumindest teilweise, verwendet werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung ist das Probenvolumen evakuierbar. Dadurch können Störungen durch
molekularen Stickstoff, Kohlendioxid, Sauerstoff und andere in der
Luft befindliche Moleküle
insbesondere bei Gasanalysen vermieden werden.
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Die Anordnung ist in der Atmosphäre einsetzbar.
Durch die hohe Empfiudlichkeit ist auch der Nachweis schwacher Übergänge möglich. Die
Vorrichtung ist besonders geeignet zum Nachweis von Atmosphärengasen
und Luftverschmutzung, zur Beobachtung von Flammen und Verbrennungsprozessen,
Flüssigkeiten
und dünnen
Schichten. Außerdem kann
sie für
langzeitabhängige
Messungen von Atmosphärenprozessen
(photochemische Kinetik) verwendet werden. Die Messung absoluter
Extinktionskoeffizienten erlaubt die Erweiterung von Datenbanken.
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Ausgestaltungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel ist
nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Resonatorverstärkten Absorptionsspektrometers
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2 zeigt
ein drei Absorptionsspektren des S1 ← S0 Übergangs
von Azulen, die mit unterschiedlichen Verfahren aufgenommen wurden
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3 zeigt
zwei Absorptionsspektren des sehr schwachen b(v = 2) ← X Übergangs
von molekularem O2, die mit unterschiedlichen
Verfahren aufgenommen wurden.
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Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
ein allgemein mit 10 bezeichnetes Breitband-Absorptionsspektrometer
dargestellt. Das Spektrometer 10 umfasst eine Xenon-Hochdruck-Kurzbogen-Lampe 12,
einen Resonator 14 einen Monochromator 16 und
einen Detektor 18. Die Lampe 12 besteht im wesentlichen
aus einem Glaskörper,
in welchem eine Anode oberhalb einer Kathode angeordnet ist. Der
Glaskörper
ist mit Xenon gefüllt.
Zwischen Anode und Kathode bildet sich bei Anlegen einer Spannung
ein Kurzbogen aus. Der Betriebsdruck kann dann auf etwa 60 bar ansteigen.
Der Kurzbogen emittiert Strahlung im Wellenlängen-Bereich zwischen etwa
200 nm und 1200 nm. Je nach Betriebszustand – diffus oder Hot-Spot – ist der
Bogen bis zu 150 Mikrometer klein. Dadurch hat er gute Abbildungseigenschaften.
Die Lampe 12 hat weiterhin eine hohe spektrale Leuchtdichte,
d.h, eine hohe Leistung pro Abstrahlfläche, Raumwinkel und Wellenlängeneinheit.
Sie kann Weite im Bereich von 10-20 W/(cm2 sr
nm) annehmen.
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Die durch die Randstrahlen 20 repräsentierte,
divergente Strahlung wird in die Mitte 22 des Resonators 14 fokussiert.
Hierzu wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel
eine achromatische Linse 24 verwendet. Die Linse 24 hat
einen Durchmesser von 15 cm und eine Brennweite von f = 11,5 cm.
Mit der Linse wird das Bild des Leuchtflecks der Lampe im Resonator
etwa 3 bis 4 min groß.
Statt einer Linse kann selbstverständlich auch ein Spiegel verwendet werden.
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Zwischen der Lampe 12 und
der Linse 24 ist ein Ultraviolett-Filter (UV-Filter) 26 angeordnet.
Der Filter 26 transmittiert nur Licht oberhalb von 335
nm und verhindert, daß die
zweite und höhere
Beugungsordnungen des UV-Filters im Monochromator 16 zu
einer Verfälschung
der Messdaten führt,
wenn in einem Bereich um 610 nm gearbeitet wird.
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Vor dein Resonator 14 ist
weiterhin ein Interferenzfilter 28 vorgeselen. Der Interferenzfilter
lässt nur
Strahlung im Bereich von etwa 40 nm um die Messwellenlänge (entsprechend
einer Halbwertsbreite von 40 nm) durch. Das ist ein Teil des Wellenlängenbereichs,
für den
die Resonatorspiegel 30 und 32 des Resonators 14 hochreflektierend
sind. Alle übrigen
Wellenlängen
werden unterdrückt.
Solche Wellenlängen,
bei denen die Spiegel eine hohe Transmission haben, erzeugen einen
hohen Streulichtpegel im Monochromator. Die Verwendung des Interferenzfilters 28 verringert
den Streulichtpegel. Je nach Wellenlängenbereich, in dein gemessen
wird, kann ein Interferenzfiter mit unterschiedlichem Transmissionsmaximum
verwendet werden.
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Zwischen Resonator 14 und
Interferenzfilter 28 ist eine erste Irisblende 34 vorgesehen.
Hinter dein Resonator 14 ist eine zweite Irisblende 36 vorgesehen.
Mit den Irisblenden 34 und 36 wird der Rand des
Strahlengangs abgeschnitten. Dadurch wird die Ordnung der anschwingenden
Transversalmoden des Resonators reduziert und die optische Qualität des Strahls
verbessert.
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Der Resonator 14 umfasst
zwei Spiegel 30 und 32. Diese sind für einen
ausgewählten
Wellenlängenbereich
von etwa 60 nm um die Zentralwellenlänge von 610 nm derart verspiegelt,
daß sie
eine Reflektivität
von 99,99 % aufweisen. Das heißt,
99,99 % der auftreffenden Strahlung wird reflektiert und 0,01% der
Strahlung wird – wenn
sonstige Verluste unberücksichtigt
bleiben – transmittiert.
Die Spiegel sind als zwei dielektrische Plan-Konkav-Spiegel ausgebildet.
Sie haben einen Abstand von 45 cm zueinander und sind in ihrer Lage
justierbar. Der Resonator befindet sich in einem evakuierbaren Volumen 38. Das
Volumen 38 ist über
ein erstes Ventil 40 mit einer Pumpe evakuierbar. Weiterhin
ist ein zweites Ventil 42 vorgesehen, über welches eine gasförmige Probe in
das Volumen 38 eingelassen werden kann.
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Es können aber auch Küvetten oder
dergleichen mit einer Probe in den Resonator eingebracht werden.
Dann besteht die Möglichkeit,
statt eigener Resonatorspiegel vorzusehen, die Küvetten selber zu verspiegeln,
so daß deren
Seiten den Resonator bilden.
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Hinter der Blende 36 ist
ein Rotfilter 44 vorgesehen. Dieses dient der Unterdrückung von
Streulicht aus dem langwelligen Bereich, welches nicht bereits durch
das Interferenzfilter unterdrückt
wurde.
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Die über den Spiegel 32 aus
dein Resonator ausgekoppelte Strahlung wird über einen Planspiegel 46 und
eine Linse mit der Brennweite f = 20 cm auf den Eintrittsspalt 50 des
Monochromators 16 abgebildet. Der Monochromator erzeugt
ein Spektrum der transmittierten Strahlung auf dein Detektor 18, welcher
sich in der Austrittsebene des Monochromators 16 befindet.
Der Monochromator hat einen Eintrittsspalt von 0,2 mm Breite, eine
Brennweite von 25 cm und ein Gitter mit 600 Strichen/mm. Daraus
resultiert eine Auflösung
von 1,2 nm im betrachteten Wellenlängenbereich bei 610 nm.
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Die Wellenlängenkalibrierung erfolgt mittels einer
Neon-Hohlkathodenlampe 56. Die Strahlung der Lampe 56 kann
zur Kalibrierung über
einen Spiegel 52 und eine Linse 54 auf den Eintrittsspalt
des Monochromators abgebildet werden. Auch hier ist eine Blende 58 zur
Begrenzung des Strahlengangs vorgesehen. Die Neon-Hohlkathodenlampe 56 emittiert
eine Vielzahl von schmalbandigen, sehr gut bekannten Linien über einen
großen
Wellenlängenbereich
und ist daher zur Kalibrierung gut geeignet.
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Als Detektor wird ein Photodioden-array
verwendet, welches durch Glasfasern an einen MicroChannel-Plate
(MCP) Bildverstärker
gekoppelt ist. Dadurch wird ein gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis erreicht. Die Auswertung
der Spektren erfolgt dann mittels eines Computers.
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In 2 ist
ein Beispiel 60 für
ein Absorptionsspektrum von Azulen und in 3 ein Beispiel 62 für eine sehr
schwache Absorption gasförmigen
Sauerstoffs dargestellt. Als Vergleich sind Spektren dargestellt,
die mittels CRDS und CRDS mit Düsenstrahl aufgenommen
wurde. Das mit inkohärenter
Lichtquelle aufgenommene Spektrum 64 für Azulen bzw. 66 für Sauerstoff
ist gegenüber
dem Düsenstrahl-CRDS-Spektrum 68 bzw. 70 verbreitert,
da die effektive Temperatur im Düsenstrahl
erheblich geringer ist als Raumtemperatur. Druck- und Dopplerverbreiterungsmechanismen
spielen daher praktisch keine Rolle mehr. Man erkennt, daß die mit
CRDS aufgenommenen Spektren einen bis auf einen Offset vergleichbaren
Verlauf zeigen, wie die mit inkohärenter Lichtquelle aufgenommenen
Spektren.
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Die beschriebene Anordnung lässt sich
für die
Spurengasanalyse, für
Abgasuntersuchungen und wegen der Empfindlichkeit auch zur Messung von
low- oder zero-emission Motoren verwenden. Auch Gas-Flow-Überwachung
in Aufdampfanlagen und Atmosphärenschadstoffmessungen
sind damit möglich.