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Laborspektroskopie

MF-EXV-Labor mit Bruker IFS 125HR

Laborspektroskopie atmosphärischer Spurengase vom Fernen Infrarot bis ins UV

Die Fernerkundung der Atmosphäre wird vom Boden, Flugzeug, Ballon oder Satelliten durchgeführt, während die spektroskopische Datenbasis überwiegend durch Laborexperimente gemessen wird. Die Datenbasis ist unverzichtbar, um aus den charakteristischen spektralen Signaturen, die durch die Fernerkundung gewonnen werden, die Verteilung der Spurengase zu ermitteln. Die spektroskopischen Datenbasen (z.B. HITRAN, GEISA, JPL) der Linienparameter beinhalten z.B. Linienpositionen, Linienstärken, Druckverbreiterungsparameter und Absorptionsquerschnitte.

Präzisions-Intensitätsmessungen

Die Erweiterung der spektroskopischen Datenbasis atmosphärischer Spurengase erfordert die genaue Messung von spektralen Intensitäten und Linienformen. Während sich Linienpositionen aus Fourier-Transform (FT)-Spektren einfach und genau ermitteln lassen, sind Linienintensitäten durch zahlreiche systematische Fehlerquellen verfälscht. Diese Fehlerquellen müssen charakterisiert und minimiert werden. Am DLR ist es erstmalig gelungen, mit Fourier-Transform-Spektroskopie Linienstärken mit einer spezifizierten Absolutgenauigkeit besser als 0,15% zu bestimmen, unter anderem durch die Erweiterung des Linienmodells in Verbindung mit einem Multispektrenfit.

Laborspektrometer

Das FT Laborspektrometer am IMF ist ein kommerzielles, hochauflösendes Bruker IFS 125 HR, das den Spektralbereich von 10 bis 50000 cm-1 bei einem maximalen Auflösungsvermögen von 0,001 cm-1 (30 MHz) abdeckt. Das Gerät kann evakuiert werden, um Absorption von Strahlung durch Wasserdampf und Kohlendioxid zu vermeiden. Das Spektrometer ist mit einer Reihe ausgereifter Absorptionszellen mit 0,15 bis 200 m Absorptionsstrecke ausgestattet, die Temperaturen zwischen 200 und 350 K abdecken. Mehrere Detektoren erlauben Messungen vom Fernen Infrarot- bis in den UV-Bereich. Im Mittleren Infrarot wurde die Detektoroptik optimiert und damit eine um den Faktor 10 verbesserte Empfindlichkeit gegenüber käuflichen Detektoren erzielt.

Gaszellen

Bei den Labormessungen kommen folgende, speziell entwickelte Gaszellen zum Einsatz:

• Multireflexionszelle (einstellbare Absorptionsstrecke bis zu 200 m, Temperaturbereich: 200-350 K). Der Zellen-Außenkörper sowie die darin enthaltenen beweglichen optischen Komponenten können individuell temperiert werden. Zusammen mit der verbesserten thermischen Isolation zur Reduktion des Wärmeaustausches mit der Umgebung, wird eine Temperaturinhomogenität kleiner 1 K erreicht. Die Temperaturgenauigkeit bei Raumtemperatur ist besser als 0,1 K. Die kürzlich überarbeitete Mechanik und die Verwendung von Kameras zur Beobachtung des Strahlengangs im Innern der Zelle erlauben nun zudem eine wesentlich präzisere, stabilere und reproduzierbarere Justage, auch in visuell nicht-sichtbaren Spektralbereichen.
• kühlbare Zelle (0,25 m, 190-330 K). Durch innovatives Design besteht die Möglichkeit zur Messung verschiedener Spektralbereiche ohne Tausch der verbauten Fenster.

Technische Details der Laborinfrastruktur können der Broschüre entnommen werden.