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uv:spektrometer

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uv:spektrometer [2012/04/13 14:52]
sarina [Literatur]
uv:spektrometer [2014/10/11 17:47] (aktuell)
sarina
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 {{menu>​uv}}  ​ {{menu>​uv}}  ​
  
-====== ​Spektrometer ​======+====== ​Messung von UV-Strahlung mit Spektrometern ​======
  
-Grundsätzlich sind Spektrometer die einzigen Messgeräte mit denen ein Lampe wirklich charakterisiert und beurteilt werden kann. Insbesondere für die Beurteilung des UV-Spektrums hinsichtlich Schädlichkeit und Nützlichkeit ist eine sehr hohe Wellenlängenauflösung ​(min 0,5 nmund eine hohe Dynamikspanne von etwa 6 Größenordnungen nötig.+Allgemeines zu Spektrometern ​(Wie funktioneren sie? Welche Fehler treten auf?unter [[photometrie:​spektrometer]]
  
-===== Funktionsprinzip ===== +Insbesondere für die Beurteilung ​des UV-Spektrums hinsichtlich Schädlichkeit ​und Nützlichkeit ​ist eine sehr hohe Wellenlängenauflösung ​(min 0,nm) und eine hohe Dynamikspanne ​von etwa 6 Größenordnungen nötig.
- +
-==== Prisma ==== +
- +
-Prismen kennen ​die meisten Menschen aus dem täglichen Leben: Unter günstigen bedingungen zaubert ein Glas das irgendwo im Raum steht, insbesondere dann wenn es eckig ist, einen Regenbogen an die Wand. Die Ursache hierfür liegt darin, das Licht unterschiedliche Farben sich im Glas mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreitet. Da Licht grundsätzlich immer den schnellsten Weg zurücklegt,​ sind die Wege des Lichts für jede Farbe unterschiedlich. +
- +
-Die Winkel um den das Licht durch das Prisma abgelenkt wird, hängt von der Form (gleichschenkliges Dreieck mit Winkel $\epsilon$) und Material ([[wpde>​Sellmeier-Gleichung|Brechungsindex]] $n(\lambda)$) des Prismas ​und dem Einfallswinkel $\alpha$ ab: +
-\[ +
-\delta = \alpha - \epsilon +  \sin^{-1}\left[\sin\left(\epsilon\sqrt{n(\lambda)^2-\sin^2(\alpha)}\right)-\cos(\epsilon)\sin(\alpha)\right] +
-\] +
- +
-{{ :​uv:​prisma.png }}  +
- +
-Grundsätzlich ​ist die Ablenkung aber meist proportional zur Frequenz des Lichts. Prismen werden in modernen Spektrometern nicht eingesetzt, da die Aufspaltung des Lichts für die meisten Anwendungen zu gering und zu wenig flexibel ist. +
- +
-==== Optisches Gitter ==== +
- +
-In der Optik gibt es verschiedene optische Gitter, die das Licht spektral aufspalten. In eine Glasplatte können viele parallel verlaufende Gräben geätzt werden ("​Transmissions-Phasengitter"​),​ auf einer Glasplatte können lichtundurchlässige dünne Streifen aufgebracht werden ("​Transmissions-Amplitudengitter"​) oder in einem Spiegel werden Rillen geritzt ("​Reflektionsgitter"​). Da die Wellenlänge des Lichts nur einige hundert Nanometer beträgt, müssen die einzelnen Gitterlinien ​sehr eng bei einander liegen. Typisch sind 600 bis 2500 Gitterlinien pro Millimeter, was einer Gitterperiode von etwa 1 µm entspricht. +
- +
-Gemäß den Gesetzen der Optik (Maxwellgleichungen) ändert das Licht nachdem es durch ein solches Gitter moduliert wurde, seine Richtung, und diese Richtungsänderung ist wellenlängenabhängig. Ein Gitter spaltet das Licht daher in seine einzelnen Wellenlängen auf. Die Winkel realtiv zur Ausbreitungsrichtung ohne Gitter sind: +
- +
-sin(α) = N λ / p          (N: Ordnung, N=0,1,2,3... ;    λ: Wellenlänge ;      p: Gitterperiode) +
- +
-{{ :​uv:​gitter.png }}   +
-   +
-Der Sinus des Ablenkwinkel hängt linear mit der Wellenlänge zusammen, während er bei einem Prisma linear mit der Frequenz (und damit der Energie) der Wellenlänge zusammenhängt. +
- +
-Die Intensität des Lichts nimmt mit zunehmendem N ab. Da die Strahlen in der Nullten (N=0) Ordnung nicht getrennt sind, wird die erste (N=1) Ordnung zur Messung verwendet. Leider fällt die erste Ordnung einer Wellenlänge λ immer mit der zweiten Ordnung der halben Wellenlänge zusammen: 1 • λ = 2 • λ/2. In einem Gitterbasierten Spektrometer ist beispielsweise das Licht der Wellenlänge 600 nm immer durch einen Anteil der Strahlung bei 300 nm "​verunreinigt"​ (Optische Harmonische)+
- +
-===== Polychromator ===== +
- +
-Ein Polychromator stellt die einfachste Form eines Gitterspektrometers dar. Das Licht wird durch ein Gitter aufgespalten ​und alle Wellenlängen gleichzeitig mit einem CCD (oder rauscharmer mit einem CMOS) Sensor aufgenommen. +
- +
-Einfache Polychromatoren sind ab 2'000 € erhältlich. Eine Firma die mir in verschiedenen Labors häufig begegnet ist, ist "Ocean Optics"​. Da das komplette Spektrum in einem Bild aufgenommen wird, sind sie schnell, haben jedoch nur eine sehr begrenzte Dynamik und stark mit Streulicht zu kämpfen. Für ein schnelles Spektrum oder wenn hohe Qualität unwichtig ist, gute Geräte, aber mit der wirklichen Beurteilung ​von UV-Lampen ungeeignet. +
- +
-Es gibt verschiedene Aufbauvarianten. Beim Czerny-Turner-Aufbau fällt das Licht durch einen Eintrittsspalt und wird durch einen gekrümmten Spiegel kollimiert (In der vereinfachten Schuloptik würde man das mit einer Linse tun). Das kollimierte Licht fällt auf das Reflektionsgitter und wird in seine Wellenlängen zerlegt. Anschließend wird das Licht durch einen zweiten gekrümmten Spiegel wieder fokusiert, wobei sich für jede Wellenlänge ein eigener Fokuspunkt bildet, dessen Schärfe durch die Breite des Eintrittsspalts und die Brennweite begrenzt ist. +
- +
-Ein noch stärkere Vereinfachung des Aufbaus ist der vollständige Verzicht auf Spiegel oder Linsen zur Abbildung. Ein konkaves Gitter kann gleichzeitig die Aufspaltung der Wellenlängen als auch die Abbildung von Einfallspalt auf den Detektor vornehmen. +
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-===== Einfachmonochromator ===== +
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-Einfachmonochromatoren sind ähnlich aufgebaut wie Polychromatoren,​ jedoch befindet sich vor dem Sensor ein Spalt, das Spektrum wird also scannend für jede Wellenlänge einzeln aufgenommen. Somit kann ein hochwertigerer Detektor verwendet werden. +
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-===== Doppelmonochromator ===== +
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-Werden zwei Einfachmonochromatoren hinter einander betrieben, wobei der Austrittsspalt des ersten den Eintrittspalt des zweiten formt, spricht man von einem Doppelmonochromator. Streulicht wird in einem solchen Aufbau drastisch reduziert und auch der Fehler durch optische Harmonische wird durch die Kombination von zwei Gittern reduziert. Bei solch teueren Spektrometern werden auch die übrigen Komponenten mit mehr Sorgfalt ausgewählt. Als Detektoren werden üblicherweise gekühlte Photomultiplier verwendet.  +
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-====== Genauigkeit ====== +
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-Auch Spektrometer sind anfällig für verschiedene Fehlerquellen. Im Gegensatz zu einem Breitbandmessgerät das nur einen einzelnen Messwert ermittelt muss ein Spektrometer die Bestrahlungsstärke für jeden Wellenlängenbereich ermitteln, einige hundert Werte pro Spektrum. Dabei kann es bei beidem Parametern - der Wellenlänge und der Bestrahlungsstärke - zu Fehlern kommen.+
  
 ===== Europäischer Spektrometervergleich ​ ===== ===== Europäischer Spektrometervergleich ​ =====
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 ====== Literatur ====== ====== Literatur ======
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-{{wxnote>​749}} 
  
 {{wikindxbib}} {{wikindxbib}}
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uv/spektrometer.1334321550.txt.gz · Zuletzt geändert: 2014/03/08 17:15 (Externe Bearbeitung)

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