Spektroskopie und Detektoren

Strahlungsstärke

Die Strahlungsstärke ist die pro Flächeneinheit und Wellenlänge emittierte Leistung eines Körpers (W·nm⁻¹·cm⁻²). Sie wird auch verwendet, um die Strahlungsstärke einer Lampe im Vergleich zu einem schwarzen Körper zu beschreiben.

Emissionsgrad

Der Emissionsgrad ist das Verhältnis der Strahlungsstärke einer Lampe zur Strahlungsstärke eines schwarzen Körpers bei gleicher Temperatur:

Emissionsgrad (ε, T) = I (Lampe) (ε, T) / I (schwarzer Körper) (ε, T)

Grauer Körper

Ein grauer Körper liegt vor, wenn der Emissionsgrad unabhängig von der Wellenlänge der betreffenden Lampe ist.

Deuteriumlampe

Eine Deuteriumlampe ist eine Niederdrucklampe mit einem kontinuierlichen Spektrum zwischen 200 und 400 nm. Oberhalb von 400 nm ist das Spektrum unregelmäßig mit zahlreichen Spitzen. Die Lebensdauer beträgt einige hundert Stunden. Eine Quarz-Halogenlampe (QTH-Lampe) emittiert stärker im sichtbaren Bereich als eine Deuteriumlampe, während im ultravioletten Bereich das Gegenteil der Fall ist. Daher verwenden Spektralphotometer Deuteriumlampen zwischen 190 und 320 nm und QTH-Lampen zwischen 320 und 3000 nm.

Quecksilberdampflampe

Eine Quecksilberdampflampe ist eine Niederdrucklampe, die ein Gas, in der Regel Quecksilberatome, enthält. Durch das Gas wird ein Strom geleitet, um die enthaltenen Moleküle zu ionisieren und anzuregen. Das emittierte Licht stammt hauptsächlich von der intrinsischen Emission dieser Moleküle. Beispiele sind Quecksilber-Argon (Hg-Ar) oder Quecksilber-Neon (Ne-Hg) Lampen. Die Emission von Strahlung kann wie folgt dargestellt werden: e⁻ + Hg + E_c → Hg⁺ + e⁻ + E_c. Da die Anregung von Quecksilber nur bei bestimmten Energieniveaus auftritt, ist das Spektrum diskret und besteht aus monochromatischen Linien, die durch Übergänge in den Energieniveaus von Quecksilber entstehen.

Xenon-Bogenlampe

Das Gas in diesen Lampen ist Xenon (Xe). In ihren Spektren werden Emissionslinien zwischen 750 und 1000 nm beobachtet. Sie dienen zur Nachbildung des Sonnenspektrums, da das Spektrum einer solchen Lampe dem eines schwarzen Körpers bei einer Temperatur zwischen 5000 und 6000 K ähnelt.

Xenon-Bogenlampe mit Hg

Xenon-Bogenlampen enthalten oft Quecksilber, was zu einer Hochdruck-Xe-Hg-Lampe führt. Die Emissionsspektren von Xe und Hg überlagern sich, so dass das Spektrum einer solchen Lampe aufgrund der kontinuierlichen Emission von Xe mehr oder weniger glatt ist, außer in bestimmten Frequenzbereichen, in denen Spitzen durch die Emission von Hg auftreten. Diese Hg-Spitzen werden durch die Wechselwirkung der Quecksilbermoleküle mit der Umgebung verbreitert.

Detektivität (D)

Die Detektivität ist der Kehrwert der NEP; ein guter Detektor hat daher eine hohe Detektivität. Für die meisten Infrarotdetektoren ist D umgekehrt proportional zur Detektorfläche und zur Frequenzbandbreite Δf (½ hoch eine Potenz). Um verschiedene Detektoren zu vergleichen, wird die spezifische Detektivität (D*) definiert als D* = D√(Fläche·Δf). Je größer die Sensorfläche, desto größer ist das thermische Rauschen, daher ist eine zu große Sensorfläche nicht ideal.

NEP (Noise Equivalent Power)

Die NEP ist die Strahlungsleistung (in W), die erforderlich ist, damit der Detektor ein Signal ausgibt, das das Detektorrauschen übersteigt. Idealerweise sollte sie so klein wie möglich sein, was durch Kühlung des Detektors erreicht wird. Oft wird flüssiger Stickstoff zur Kühlung verwendet.

Reaktionszeit eines Detektors

Ein Detektor gibt das Signal nicht sofort aus, sondern mit einer gewissen Verzögerung, da die Umwandlung und Verstärkung des Lichtsignals in ein elektrisches Signal Zeit benötigt. Die Zeitkonstante eines Detektors ist die Zeit, die benötigt wird, um 63 % des Gesamtsignals auszugeben. Je kleiner die Zeitkonstante, desto schneller ist der Detektor.

Linearitätsbereich eines Detektors

Der Linearitätsbereich ist der Bereich, in dem die Detektorantwort proportional zur Intensität des einfallenden Lichts ist. Es ist wichtig, den Linearitätsbereich zu kennen, um den Detektor im richtigen Bereich zu betreiben.

Photoleitender Detektor

Photoleiter sind Materialien, deren Leitfähigkeit sich bei Beleuchtung ändert. Daher werden als Photoleiter Halbleiter verwendet. Wenn ein Photon absorbiert wird, regt es ein Elektron vom Valenzband ins Leitungsband an, wodurch das Material leitfähig wird. Die in der optischen Spektroskopie am häufigsten verwendeten Halbleiter-Photoleiter sind Silizium, Germanium und Bleisulfid. Ein Photoleiter-Detektor besteht aus einem Stromkreis mit einer Batterie, einem Widerstand und dem Photoleiter-Widerstand, um den Strom zu messen, der von der Leitfähigkeit des Photoleiters abhängt. Abb.: Schematische Darstellung eines Photoleiter-Detektors mit Siliziumdiode. Wenn Licht auf das Silizium fällt, erhöht sich die Leitfähigkeit und der Strom im Amperemeter steigt.

Photodiode oder Photovoltaik-Detektor

Photodioden werden durch die Verbindung eines p-Typ-Halbleiters mit einem n-Typ-Halbleiter hergestellt. Die Potentialdifferenz zwischen dem p- und dem n-Bereich ist proportional zur Lichtmenge, da mehr Licht mehr Elektron-Loch-Paare erzeugt. Es ist wünschenswert, dass der Detektor nur für den verwendeten Spektralbereich empfindlich ist, da mehr Empfindlichkeit auch mehr Rauschen bedeutet. Wenn Photonen mit Energien größer als die Bandlücke auftreffen, werden Elektronen angeregt und Elektron-Loch-Paare erzeugt. Paare in der Nähe des Übergangs bewegen Elektronen zur p-Seite und Löcher zur n-Seite. Paare, die weit vom Übergang entfernt sind, rekombinieren, bevor sie ihn erreichen. Diese Detektoren können durch Messung des Stroms oder der Spannung zwischen p- und n-Bereich verwendet werden.

Dynode

Eine Dynode ist eine Komponente eines Photomultipliers. Der Vervielfachungsfaktor bezieht sich auf die Dynode; er gibt an, um wie viel sich die Anzahl der Elektronen erhöht. Zwischen den Dynoden befindet sich ein Spannungsteiler, der die Spannung zwischen ihnen erhöht und sicherstellt, dass jedes freigesetzte Elektron zur nächsten Dynode beschleunigt wird.

Photokathode

Die Photokathode ist das Material, auf dem der photoelektrische Effekt stattfindet. Damit Elektronen emittiert werden können, wird eine hohe Spannung zwischen Photokathode und erster Dynode angelegt. Die Elektronen treffen auf ihrem Weg zur Anode auf weitere Dynoden und setzen dabei mehr Elektronen frei, wodurch ein messbarer Strom entsteht. Photokathode und Dynoden haben einen Dunkelstrom aufgrund ihrer Glühemission.

Dispersion in einem Monochromator

Die Dispersion wird als Halbwertsbreite = Spaltbreite × Dispersion definiert. Bei einem Monochromator mit einer Dispersion von D = 1,4 nm/mm und einer Eingangs- und Ausgangsspaltbreite von 1 mm beträgt die Halbwertsbreite 1,4 nm.

Thermopile

Eine Thermopile ist ein thermischer Detektor, der durch Erwärmung funktioniert. Wenn ein Lichtsignal auf den Detektor trifft, erwärmt er sich, wodurch sich seine Temperatur und damit eine physikalische Eigenschaft ändert. Die Thermopile basiert auf dem Seebeck-Effekt, bei dem die Erwärmung des Detektors eine messbare Spannung erzeugt.

Pyroelektrischer Detektor

Bei diesem thermischen Detektor führt der Temperaturanstieg zu einer messbaren Änderung der Polarisation im Detektormaterial (ferroelektrisch).

Optische Dichte

Die optische Dichte (OD) ist ein praktisches Maß für die Absorption und ist definiert als: OD(ε) = log(I₀(ε) / I(ε)). Sie ist direkt proportional zur Materialdicke (d) und der Konzentration der absorbierenden Zentren. Bei bekanntem Absorptionsquerschnitt s ist sie ein absolutes Maß für die Konzentration.

Absorptionskoeffizient und seine Beziehung zur optischen Dichte

Der Absorptionskoeffizient ist eine Funktion der Wellenlänge der einfallenden Strahlung, α = α(λ). Er ist eine grundlegende Eigenschaft des Mediums. Die Beziehung zwischen optischer Dichte und Absorptionskoeffizient ist: α = 2303 OD / d

Austrittsarbeit (Φ)

Die Austrittsarbeit ist die Energie, die benötigt wird, um ein Elektron aus einem Material zu entfernen. Zusammen mit der kinetischen Energie des Elektrons ergibt sie die Gesamtenergie des einfallenden Photons: hν = Φ + ½m_ev_e². Dies wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet. Die minimale Energie, die erforderlich ist, um ein Elektron freizusetzen, ist die Austrittsarbeit, wenn das Elektron keine kinetische Energie hat: hν₀ = Φ.