Emissionsspektroskopie | Institut für Raumfahrtsysteme

Übersicht

Emissionsspektroskopie ist als berührungsloses Verfahren besonders gut zur Untersuchungen von Plasmen und speziell der Grenzschicht vor umströmten Proben geeignet, da keinerlei Beeinflussung der untersuchten Strömung erfolgt.

Aus den gemessenen Spektren sind Rückschlüsse auf die in der Strömung enthaltenen Spezies möglich. Je nach Gleichgewichtszustand können darüber hinaus qualitative oder quantitative Informationen über den thermochemischen Zustand des Plasmas gewonnen werden.

Übersichtsspektren vor einer gekühlten Kupferoberfläche und einer glühenden SiC Materialprobe

Vorhandene Hardware

Spektrometer	Jobin Yvon HR 320 (z.Z. verwendet im FPI Aufbau), Czerny Turner Anordnung, div. Gitter von 150 – 2400 l/mm, Acton SP300i, Imaging Spektrometer, Czerny Turner Anordnung, div Gitter von 50 – 3600 l/mm Acton SP2785, Imaging Spektrometer, Czerny Turner Anordnung, Fokuslänge 750 mm,div Gitter von 50 – 3600 l/mm, max. Auflösung ca. 3 pm im UV Ocean Optics S2000, miniaturisiertes Doppelspektrometer, festes Gitter 600 l/mm,185 nm – 850 nm und 530 nm bis 1150 nm, Pixelbreite ~0,3 nm, optische Auflösung ~1,5 nm.vorgesehen als Flugspektrometer auf EXPERT Carl Zeiss AG, miniaturisiertes Spektrometer MCS 55, Flat Field Gitter mit 248 l/mm,1024 Pixel (Hamamatsu), 0,8 nm Pixelbreite, optische Auflösung ca. 3nm, 190 nm – 1025 nm SPEX 1800, Brennweite 1m, Gitter 1200 l/mm, Analogmotor zur Gitterdrehung,Scan-Modus nicht Wellenlängen-synchronisiert Fabry-Perot, Burleigh RC110 mit zwei Sätzen von Spiegelplatten, nutzbare Finesse bis zu 45, nutzbare Auflösung ~1 pm
Detektoren	EG&G CCD Kamera, 512x512 Pixel a 19,5 µm (OMA IV), Digitalisierung 18 Bit ICCD, Princeton Instruments IMAX-512G1, 512x512 Pixel a 19µm, UV-verstärkt, Speichertiefe 14 Bit/16 Bit bei 1 Mhz/100kHz Ausleserate, Belichtungszeiten bis zu minimal 2 ns Zeilendetektor Princeton RY-1024 (OSMA) Photomultiplier: Hamamatsu R928/R955, Hamamatsu 636-10 (LIF) ANDOR Newton DU920 (open electrode, 1024x256 Pixel a 26 µm)
Kalibrierlampen	OSRAM-Wolframbandlampe Wi 17/G, kalibriert auf Strahldichte in 5 nm Intervallen zwischen 250 nm und 850 nm. Deuterium Lampe Gigahertz CL3, kalibriert auf Bestrahlungsstärke zwischen 200nm und 400 nm. geplant/benötigt: Strahldichtestandard mit größerer Fläche, z.B. Ulbricht-Kugel.

Typische Versuchsaufbauten für PWK Anwendungen

Verwendet werden verschiedene Aufbauten zur örtlichen hoch auflösenden Untersuchung der körpernahen Grenzschicht und zur gleichzeitigen Messung ganzer Radialprofile des Plasmastrahls. Zur Fokussierung werden Spiegel statt Linsen verwendet, um störende Effekte durch chromatische Aberration bei Messungen über große Wellenlängenbereiche zu verhindern. Analoge Messaufbauten finden Verwendung bei der Untersuchung von Triebwerksplasmen.


Versuchsaufbau zur örtlich hoch aufgelösten Untersuchung der körpernahen Grenzschicht	Versuchsaufbau zur gleichzeitigen Messung ganzer Radialprofile

Typische Ergebnisse

Beispiele für Ergebnisse der Grenzschichtcharakterisierung


Verteilung der Emission einer Silizium Atomline bei 243,5 nm in der Grenzschicht vor einer glühenden SiC Materialprobe	Verteilung der NO-Emission integriert zwischen 210 nm und 287 nm in der Grenzschicht vor einer gekühlten Kupferoberfläche

Temperaturbestimmung aus der Molekülstrahlung


Verteilung der Rotationstemperatur von N2+ in der Grenzschicht vor einer gekühlten Kupferoberfläche	Verteilung der Vibrationstemperatur von N2+ in der Grenzschicht vor einer gekühlten Kupferoberfläche

Spektral hoch aufgelöste Molekülspektroskopie

Zur theoretischen Simulation von Emissionsspektren stehen am Institut für Raumfahrtsysteme die Programmpakete PARADE und EMCAL zur Verfügung. Zur Überprüfung der Modellierung werden spektral hoch aufgelöste Messungen der Molekülstrahlung benötigt. Die bisher verfügbaren Messungen wurden an einem Mikrowellenplasma gewonnen, sollen aber in naher Zukunft an den Plasmawindkanälen wiederholt werden.

Versuchsaufbau zur spektral hoch aufgelösten Molekülspektroskopie am Mikrowellengenerator

Die folgenden Darstellungen zeigen gemessene Spektren (schwarze Kurve) von N2 und NO. Die theoretische Simulation der entsprechenden Strahlung ist als rote Fläche dargestellt. Am Beispiel von NO sind zusätzlich die spektralen Positionen der simulierten Rotationlinien der einzelnen Zweige dargestellt. Die spektrale Simulation für CO und CO+ wird gerade vorbereitet.

Spektral hoch aufgelöste Messung und Ergebnisse der theoretischen Simulation des Spektrums von NO.


Spektral hoch aufgelöste Messung und Ergebnisse der theoretischen Simulation des Spektrums von N2.	Spektral hoch aufgelöste Messung des Spektrums von CO+.

Weitere Informationen zu den Grundlagen der Emissionsspektroskopie im Rahmen von self_study_online der Lehrveranstaltung Messverfahren für strömende Plasmen.