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Detection of Nitric Oxide g by Diode Laser Spectroscopy in the Ultra Violet Region: A comparison between three spectrometric techniques: Differential direct absorption spectrometry, Wavelength modulation spectrometry and Faraday rotation spectrometry
Umeå University, Faculty of Science and Technology, Department of Physics.
2014 (English)Independent thesis Basic level (degree of Bachelor), 10 credits / 15 HE creditsStudent thesis
Abstract [de]

In dieser Bachelorarbeit werden unterschiedliche spektrometrische Techniken für den Nachweis von gasförmigem Stickstoffmonoxid (NO) angewandt und abschließend anhand ihrer Detektionsgrenzen im ppb Bereich verglichen. Dabei wird das kommerziell erwerbliche Diodenlasersystem TA-FHG pro des Herstellers TOPTICA verwendet, das UV-Licht mit modularisierbarer Frequenz und einer hohen Intensität (bis zu 15mW) durch zweifache Frequenzverdopplung erzeugt. Mit diesem System wird der elektronische NO Übergang der Absorptionswellenlänge 226, 577nm adressiert. Im Vergleich zu den Rotations- und Vibrationsübergängen, die bei vielen geläufigen Nachweisverfahren für NO adressiert werden, hat dieser Übergang ein große Linienstärke, was die Detektion kleinerer Stoffmengen erleichtert.

Die erste durchgeführte Messtechnik ist die differenzielle Direktabsorption (DAS). Das Laserlicht des TA-FHG pro wird hierbei aufgespalten und auf zwei unabhängige Detektoren geleitet, wobei nur einer der Strahlen durch die Absorptionszelle propagiert. Die Signale der beiden Detektoren werden voneinander subtrahiert, um Fluktuationen des Laserlichtes zu eliminieren. Bei der Messung wird das Laserlicht mehrmals mit einer Frequenz von 1 Hz über den Übergang gescannt und das Absorptionsprofil aufgezeichnet. Das numerisch berechenbare Voigt-Profil wird dann an die Daten gefittet und der Peak-to-Peak Wert bestimmt. Mit Hilfe der Allan Varianz wird daraufhin die ideale Anzahl an Messwerten ermittelt, die gemittelt werden können, ohne einen systematischen Fehler einzuführen. Gleichzeitig berechnet sich aus der Allan Varianz die Detektionsgrenze von DAS mit dem vorhandenen Setup: 3, 5 ppb · m. Das heißt, das System kann relative NO Konzentrationen bis zu 3, 5 ppb nachweisen, wenn das Laserlicht 1m Wegstrecke durch das Gas zurück legt. Dies entspricht einer Absorption von 2, 2 · 10-6 bei dem Messdruck von ~150Torr, wenn die Resonanzfrequenz des Übergangs exakt getroffen wird.

Die zweite Messtechnik bezeichnet man als Wellenlängen-Modulations-Spektrometrie (WMS). Das gleiche Setup wie bei DAS wird verwendet, aber die Laserfrequenz wird zusätzlich zum vorhandenen Scan mit der Frequenz fm = 71,2 Hz und einer gewissen Amplitude ma moduliert. Hierbei müssen die beiden frequenzverdoppelnden Kavitäten des TA-FHG pro der Modulation schnell folgen. Dies geschieht mittels zweier Pound-Drewer-Hall Modul (PDH), die ein negatives Feedback an jeweils zwei Piezokristalle übermitteln und somit die Länge der Kavitäten bei Veränderung der Laserfrequenz korrigieren. Da die Fähigkeiten der von TOPTICA zur Verfügung gestellten Elektronik nicht ausreichend sind, um die benötigte Modulationsamplitude zu erreichen, wurde im Rahmen dieser Arbeit zusätzliche Elektronik konstruiert: Ein aktiver Resonanzkreis mit einem Verstärkungsfaktor von ungefähr 1000. Dieser wird verwendet, um die Komponente der Modulationsfrequenz im Fehlersignal so zu verstärken, dass das System mit einen größeren Ausschlag auf die Modulationsstörung reagiert. Außerdem wird ein Feed-Forward Kreis verwendet, um das PDH Modul zu entlasten. Mit dieser Erweiterung können dann Modulationsamplituden von bis zu ~7 GHz erreicht werden, was mehr als ausreichend ist, da die für den Übergang optimale Modulationsamplitude bei ~5.7 GHz liegt. Um das differenzielle Ausgangssignal der beiden Detektoren in WMS auszuwerten, wird es mit einem Lock-In Amplifier demoduliert d.h. der zweite Fourrierkoeffizient wird ausgelesen, wobei das Signalrauschen durch instantane Mittelwertbildung sinkt. Analog zu DAS wird dieses Signals gefitted und dann der Peak-to-Peak Wert ermittelt. Die Fit Funktion ergibt sich in diesem Fall aus dem ”model for the nth harmonic of a peak normalized modulated lorentz profile“. Die Detektionsgrenze wird wieder mit der Allan Varianz bestimmt. Es ergibt sich ein im Vergleich zu DAS um den Faktor drei verbessertes Resultat von 1, 2 ppb·m (7, 2 · 10-7 Absortion bei Resonanzfrequenz mit selbem Druck).

Die dritte Messtechnik ist die Faraday-Modulations-Spektrometrie (FAMOS). Ähnlich wie in WMS wird auch in FAMOS eine Modulation in das System eingeführt, um durch anschließende Demodulation das Signal-zu-Rauschen Verhältnis zu verbessern. Allerdings wird hier nicht die Laserfrequenz moduliert, sondern die Modulation wird durch ein oszillierendes Magnetfeld in das System eingeführt, das von einer Spule, die um die Zelle gewickelt ist, erzeugt wird. FAMOS zieht dabei Nutzen aus dem Faraday Effekt, der voraussagt, dass die Polarisationsrichtung einer linear polarisierten, elektromagnetischen Welle beim Durchgang durch ein Dielektrikum verdreht werden kann, wenn man ein Magnetfeld in Richtung der Ausbreitungsrichtung anlegt. Folglich oszilliert die Polarisationsachse des Lichtes um die ursprüngliche Polarisationsrichtung, wenn dieses Magnetfeld moduliert wird. Die Oszillation kann mit Hilfe zweier Polarisatoren (einer vor und einer nach der Gaszelle) sichtbar gemacht werden kann. Man kann zeigen, dass das Signal-to-Noise Verhältnis des dadurch erhaltenen FAMOS Signals bei einer Modulationsfrequenz von 4,711 kHz optimal wird und dass die Form des Signals hauptsächlich durch die dispersiven Eigenschaften des Übergangs entsteht. Deshalb stimmt die Signalform des ersten Fourrierkoeffizienten ungeachtet kleinerer Asymmetrien mit der des WMS Signals überein und es kann die gleiche Fit Funktion verwendet werden. Die weitere Auswertung erfolgt analog zu WMS. Das mit dem gegebenen Setup erhaltene Ergebnis fällt allerdings weit hinter den anderen Techniken zurück: 30 ppb · m (bzw. 1, 9 · 10-5 Absortion bei Resonanzfrequenz mit selbem Druck). Dies ist vermutlich durch den experimentellen Aufbau bedingt wie z.B. die Temperaturänderungen in der Spule.

Zusammenfassend illustriert die vorliegende Arbeit anschaulich, dass das TA-FHG pro System gut für den NO Nachweis im unteren ppb Bereich geeignet ist. Der Vergleich der Detektionstechniken liefert das beste Ergebnis für die WMS Technik, das mit Hilfe der zusätzlich konstruierten Elektronik erreicht werden konnte.

Place, publisher, year, edition, pages
2014.
National Category
Atom and Molecular Physics and Optics
Identifiers
URN: urn:nbn:se:umu:diva-117301OAI: oai:DiVA.org:umu-117301DiVA: diva2:907232
Subject / course
Fysik C - Examensarbete
Available from: 2016-02-26 Created: 2016-02-26 Last updated: 2016-02-26Bibliographically approved

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Department of Physics
Atom and Molecular Physics and Optics

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