Optische Spektroskopie mit dispersiven Spektrometern
Grundlagen - Bausteine - Systeme - Anwendungen

Diese Seite ist die Zusammenfassung von Kapitel 3 des Buchs
"Applications of Dispersive Optical Spectroscopy Systems",
ISBN 9781628413724, beim SPIE-Verlag, Bellingham, WA, USA

Anwendung-E2
Emissions-Spektroskopie
 

Diese Seite enthält das Inhaltsverzeichnis, die Kurzzeichen und Symbole, Umrechnungen, sowie die Gleichungen und Formeln, die Details sind exclusiv im Buch.

E2.0 Einleitung
Natürlich ist jede Messung an einem Objekt, das Licht emittiert, eine Emissionsmessung. Mit dem Anwendungsnamen "Emissions-Spektroskopie" wird jedoch speziell auf Applikationen gezielt, die das Messen angeregter Molekül-, Plasma- oder Atomspektren betrifft. Oft ändert sich dabei das Emissionsspektrum über die Zeit oder folgt einer gepulsten Anregung und erfordert Synchronisation und/oder Zeitauflösung. Besonderes Augenmerk richten wir hier auf folgende Emissions-Methoden:
AES - Atom-Emissions-Spektroskopie - E2.1
CL   -  Cathodo-Lumineszenz - E2.2
ICP -   Spektroskopie an induktiv gekoppelten Plasmen - E2.3
F-OES  - Funken-Emissions-Spektroskopie - E2.4
LA -     Laser-Ablation - E2.5
LIBS - Laser-induzierte Breakdown-Spektroskopie - E2.5
LIP -    Spektroskopie an Laser induzierten Plasmen - E2.5
LD -     Laser induzierten Plasma-Deposition - E2.5
PE -     Plasma-Ätz-Spektroskopie E2.6
Das Messen von Laser-, Verbrennungs- und Explosionsspektren sowie der solaren und stellaren Emissionen gehört zwar anwendungstechnisch nicht zur "Emissions"-Gruppe. Weil die Messaufgabe aber ähnlich ist, nehmen wir noch hinzu:
LS  -     Laser-Spektroskopie E2.7
SolEm und StelEm - solare und stellare Emission E2.8
CombEm - die Emissionsspektroskopie von Verbrennungen und Explosionen E2.9.

E2.0.1 Gerätetechnik zur Messung von Emissionsspektren.
E2.0.2 Typische Emissionsspektren.
Sowohl Plasmen als auch Atome im angeregten Zustand geben örtlich genau definierte Spektrallinien ab, deren Bandbreite immer deutlich unterhalb 1 nm liegt. Je mehr unterschiedliche Moleküle in der Probe vorhanden sind und zum Signal beitragen, desto mehr Linien sind zu verarbeiten.

Grafik E2.1die Emissionslinien von 55 Molekülen

Grafik E2-1 zeigt die Plasma-Emissionsspektren von 55 Molekülen, die in der Halbleitertechnik vorkommen.
Grafik E2.2 Linienspektrum gedehnt

Grafik E2-2 zeigt die gleichen Plasma-Emissionslinien auf einem begrenzten Wellenlängen-Intervall von 50 nm.
E2.0.3 Die Lösung mit 2-D-Echelle-Spektrometer
E2.0.3.1 Stationäre 2-D-Echelle-Spektrometer
In Kapitel 3-"Konfiguration" ist unter 3.5.3 die Funktion des 2-D-Echelle ausführlich beschrieben. Die Detektionsmethoden dazu finden sich im Kapitel 4-"Detektoren". Das in der Tabelle "2-D-Echelle-Kenndaten" berechnete System ist für die schnelle, parallele Detektion im Bereich 195 .... 950 nm prädestiniert. Hier die Tabelle nochmals:

Wellen-
länge

Gitter-
ordnung

Intervall
pro
Ordnung

Vertikale Position am CCD

Pixel-Reserve/ Ordnung

Abweichung von der
Ebene

Bandbreite
pro Pixel

nm

 

nm

mm

 

Grad

pm

1000

52

18,4

-12,4

 

 

 

950

55

17,7

-12,15

6

-0,5

8,6426

900

58

16,5

-11,93

6

-0,6

8,0566

850

61

15,7

-11,7

5

-0,6

7,6660

800

65

14,7

-11,5

3

-0,6

7,1777

750

70

13,8

-11,33

3

-0,7

6,7383

700

74

12,9

-11,13

3

-0,7

6,2988

650

80

12,0

-10,9

4

-0,8

5,8594

600

87

11,0

-10,52

4

-0,9

5,3711

550

95

10,1

-10,17

4

-0,9

4,9316

500

104

9,2

-9,6

5

-1,0

4,4922

460

113

8,5

-9,1

4

-1,2

4,1504

420

124

7,7

-8,52

6

-1,3

3,7598

380

137

7,0

-7,3

7

-1,5

3,4180

340

153

6,3

-5,85

7

-1,8

3,0762

315

166

5,8

-4,5

7

-2,0

2,8320

290

180

5,3

-3,25

8

-2,3

2,5879

265

197

4,9

-1,18

10

-2,9

2,3926

240

217

4,4

1,7

13

-3,4

2,1484

215

243

4,0

6,7

17

-4,4

1,9531

195

267

3,6

12,81

21

-5,9

1,7578

Die 2-D-Daten von Echellesystemen nennt man Echellogramme. Messbeispiele sind auf dieser Seite im Teil E2.3-ICP zu finden.

E2.0.3.2: 2-D-Echelle-Spektrometer mit kleiner Detektorfläche
E2.0.3.3 MCP-2-D-Echelle-Spektrometer
E2.0.4 Registrierende (Echelle-)Spektrometer
E2.1 AES - Atom-Emissions-Spektroskopie

Grafik E6-E2-3 Prinzip des AES

Grafik E2-3 zeigt das Prinzip des Atom-Emissions-Spektrometers.

Grafik E2-4 ds Rowland-Spektrograph

Grafik E2-4: Emissions-Spektrograph mit Rowland-Aufbau.
Thermischer Hintergrund:

E2.2 CL - Kathodolumineszenz-Spektroskopie
Grafik E2-5  Kathodo-Lumineszenz-System

Grafik E2-5 ist das Prinzip des Kathodo-Lumineszenz-Spektrometers.

E2.3 ICP - Spektroskopie an induktiv gekoppelten Plasmen
Grafik E2-6 Prinzip des ICP-OES

Grafik E2-6: das ICP-Spektrometer.
Thermischer Hintergrund
:

2.3.1 ICP-Beispiele:
Uran ist ein Element mit mehreren hundert Spektral-Linien. Das Echellogramm dazu:
Echellogramm von Uran
Grafik E2-6.1: 2-D-Echellogramm des Uran.
Echellogramm des Ytterbium
Grafik E2-6.2: 2-D-Echellogramm des Ytterbium.

E2.4 F-OES - Funken-Emissions-Spektroskopie
Grafik E2-7 das Funken-Spektrometer

Grafik E2-7: das Funken-Emissions-Spektrometer.

E2.5 Laser-Ablation (LA), auch Laser-induced-Breakdown-Spektroskopie (LIBS) oder Laser-induzierte Plasma-Spektroskopie (LIP) genannt und Laser-Beschichtung (LD)
Grafik E2-8 Laser-Ablation

Grafik E2-8: das Laser-Ablations-System.

E2.6 PE - Plasma-Ätzen
Grafik E2-9 Plasma-Ätz-Anlage

Grafik E2-9 Prinzip einer Plasma-Ätz-Anlage. I

Grafik E2-10 Simulation eines Plasma-Ätz-Vorgangs.
Ein typischer Endpunktdetektor

E2.7 LS - Laser-Emissions-Spektroskopie

E2.8 SolEm
und StelEm - solare und stellare Emission

E2.9 CombEm
- Emissionsmessung an Explosionen und Verbrennungen (Combustions)
Grafik  E2-11 Spektroskopie an Explosionen

Grafik E2-11 Prinzip einer Spektroskopie-Anlage zur Messung an Explosionen.

Da Verbrennungen und Explosionen mit hohen Temperaturen einhergehen, nutzt man die Planck´schen Algorithmen zur Bestimmung der Temperatur an der gemessen Stelle und in der meist kurzen Messzeit.

Grafik E2-12 thermischer Hitnergrund

Grafik E2-12 Einfluss der Temperatur auf des gemessene Spektrum.

Quellenhinweis:
Die Echellogramme in den Grafiken E2-6.1 und E2-6.2, die die Spektren von Uran und Ytterbium zeigen, wurden mit freundlicher Genehmigung übernommen von Thermo Fisher Scientific GmbH, D-63303 Dreieich.

Alle Urheberechte für  "spectra-magic.de" und  "Optische Spektroskopie mit dispersiven Spektrometern Grundlagen - Bausteine - Systeme - Anwendungen" liegen bei Wilfried Neumann, D-88171 Weiler-Simmerberg. Status: April 2012, komplett.