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Table of Contents

Frontmatter

I. Einleitung

Zusammenfassung
Optische Meßmethoden haben gegenüber den mechanischen den generellen Vorteil, daß sie berührungslos arbeiten — am Ort der Messung ist keine “Hardware” nötig — und räumlich entfernt lokale Meßwerte aufnehmen. In der Strömungsmeßtechnik, wo es gilt, Zustandsgrößen von Fluiden in Strömungsvorgängen, bei Turbulenzoder Verbrennungsuntersuchungen unbeeinflußt von äußeren Störungen, wie sie jede mechanische Sonde mehr oder weniger stark verursacht, aufzunehmen, nehmen optische Methoden daher einen immer bedeutenderen Platz ein.
Martin Fiebig, Alfred Leipertz

II. Theoretische Grundlagen des Meßprinzips

Zusammenfassung
Wird elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes in einen durchsichtigen Streukörper eingestrahlt, finden sich im Streulicht neben den eingestrahlten Frequenzen in der Mie- oder Rayleigh-Streuung (elastische Streuung) auch solche, die um bestimmte Beträge davon abweichen (unelastische Streuung). Diese Strahlung tritt mit einer um mehrere Größenordnungen kleineren Intensität als die Rayleigh-Streu- ung auf und ihre Frequenzabstände von der Einstrahlfrequenz sind von dieser unabhängig. Sie wird nach ihrem Entdecker RAMAN-Streuung genannt und wurde 1934 durch PLACZEK [20] mit Einführung der Polarisierbarkeitstheorie molekültheoretisch erklärt. Zusammenfassende Darstellungen des Effekts sind in den Lehrbüchern von HERZBERG [21,22], BRANDMÜLLER und MOSER [23], SZYMAN-SKI [24,25] und LONG [10] zu finden, um nur einige der wichtigsten zu nennen.
Martin Fiebig, Alfred Leipertz

III. Aufbau der Streulicht-Sonde

Zusammenfassung
Der mechanische und optische Teil des Versuchsaufbaus ist schematisch in Bild 3.1 dargestellt.
Martin Fiebig, Alfred Leipertz

IV. Aufbaubezogene Konzentrationsmessung (Theorieerweiterung)

Zusammenfassung
Entsprechend der im letzten Kapitel aufgezeigten experimentellen Gegebenheiten werden die theoretischen Aussagen des Kapitels II bezüglich der Konzentrationsmessung für den konkreten Aufbau präzisiert. Grundlage der Konzentrationsmessung sei die Eichung des Aufbaus für jede Gaskomponente in Form einer Eichkurve.
Martin Fiebig, Alfred Leipertz

V. Aufbautests

Zusammenfassung
Die Erprobung des Aufbaus geschieht, soweit sinnvoll möglich, mit den Gasen N2, O2 und CO2. Ausgehend von den Gln. (4.4) und (4.5) wird der Einfluß der einzelnen variablen Größen auf die Ramanintensität experimentell aufgezeigt.
Martin Fiebig, Alfred Leipertz

VI. Optisches Energie- und Raumfilter

Zusammenfassung
Bei den Konzentrationsmessungen soll eine hohe lokale und räumliche Auflösung erzielt, aber gleichzeitig möglichst viel Lichtenergie eingestrahlt werden, damit auch geringe Konzentrationen noch eine meßtechnisch erfaßbare Signalhöhe erzeugen. In der Raman-Spektroskopie mit gepulsten Lasern werden überlicherweise Bikonvex- oder Plankonvexlinsen dazu benutzt, die eingestrahlte Laserintensität in den Untersuchungsbereich zu fokussieren [8,61]. Eine hohe lokale und somit auch räumliche Auflösung ist nach Kap. III.2.3 abhängig von der Brennweite der benutzten Linse, der Laserwellenlänge und dem Strahldurchmesser, in [58] auch noch vom Abstand des Lasers von der fokussierenden Linse. Während die Raman-Spektroskopie in der Regel den Gaszustand energetisch nicht stört, kann es infolge von sehr hohen Leistungsdichten im Fokus, wie sie z.B. bei der Fokussierung von Hochleistungs-Riesenpulslasern erzeugt werden können, zu Störungen des Gaszustandes kommen [11]. Eine Einstrahlung von z.B. 4 Joule, die mit dem benutzten Rubin-Laser bei einer Pulsdauer von 20 nsec leicht erreichbar ist, erzeugt nämlich bei einem Strahldurchmesser von 16,5 mm nach [10] in einem Fokus mit dem Durch-messer von 0,1 mm eine Leistungsdichte von 2,6.1016 W/m2 und damit dort eine elektrische Feldstärke von 4,5.109 V/m, also eine Feldstärke in der Größenordnung, mit der auch die äußeren Elektronen an Atomen oder Molekülen gebunden sind. So wurden Gaszusammenbrüche im Atmosphärendruckbereich in Argon und Helium bei einer Feldstärke von 6.109 V/m bzw. 8.109 V/m beobachtet [62], für Argon und Xenon und für Einstrahlfrequenzen im sichtbaren Bereich die Leistungsdichteschwelle zu 1014 bis 1015 W/m2 [63] und für Luft zu ca. 7.1015 W/m2 [64] bestimmt.
Martin Fiebig, Alfred Leipertz

VII. Signalsteuerung über Polarisationsdrehung

Zusammenfassung
Neben der Begrenzung der Nachweismöglichkeit kleiner Konzentrationen durch eine Limitierung der Einstrahlintensität, wie sie im letzten Kapitel aufgezeigt ist, ist die Empfindlichkeit des Fotomultipliers eine entscheidende Größe. Höchstempfindliche Multiplier, die bei geringen Konzentrationsanteilen zum Nachweis notwendig sind, können bei großen Konzentrationen leicht überlastet werden. Ein Konzentrationsbereich von 5 bis 6 Zehnerpotenzen und damit ein entsprechender Intensitätsbereich für das Streulicht muß überstreichbar sein.
Martin Fiebig, Alfred Leipertz

VIII. Konzentrationsmessungen und Nachweisgrenzen

Zusammenfassung
Unter Normaldruckbedingungen und Raumtemperatur ist es nicht möglich, die gesamte je Laserpuls erzeugte Lichtenergie in den Untersuchungsbereich zu fokussieren. Die experimentellen Untersuchungen dazu und der Aufbau und die Wirkungsweise des optischen Energie- und Raumfilters als Regulierungsinstrument sind in Kap. VI beschrieben. Eine Unterscheidung der Versuchsbedingungen in ideale, wenn keine hohe lokale Auflösung erwartet wird oder im Unterdruckbereich gearbeitet werden kann und somit alle erzeugte Strahlungsenergie dem Untersuchungsvolumen zugeführt und damit zur Streulicht Intensität beitragen kann, und in reale, wenn zur Vermeidung von Gaszusammenbrüchen nur ein Teil der Energie fokussiert werden darf, scheint sinnvoll. Der beschriebene Aufbau wurde unter beiden Bedingungen zur Konzentrationsmessung eingesetzt.
Martin Fiebig, Alfred Leipertz

IX. Zusammenfassung

Zusammenfassung
An einem einfachen und damit universell einsetzbaren Aufbau wurde die Leistungsfähigkeit eines lokal, räumlich und zeitlich hochauflösenden Impulslaser-Raman-Systens erprobt. Während die Zeitauflösung mit der mittleren Pulsdauer des Rubinlasers zu 20 nsec gegeben ist, wird eine hohe lokale Auflösung durch eine Fokussierung des Laserstrahls in den Untersuchungsbereich erzielt und die Raumauflösung bestimmt aus diesem engsten Strahlquerschnitt multipliziert mit der im Untersuchungsvolumen beobachteten Länge des Strahls.
Martin Fiebig, Alfred Leipertz

X. Literaturverzeichnis

Ohne Zusammenfassung
Martin Fiebig, Alfred Leipertz

XI. Bilder

Ohne Zusammenfassung
Martin Fiebig, Alfred Leipertz
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