Wie nimmt man ein Spektrum auf?

Peter V. · Januar 05, 2015, 13:55:33 NACHMITTAGS

Hallo,

hin und wieder haben wir ja das Thema "Spektrum von Lichtquellen oder Filtern". Mit welchen Geräten werden eigentlich solche Spektren aufgenommen? Und wenn es um Filter geht - welche Strahlungsquelle wird da genommen, um sowohl UV als auch IR-Strahlung für die Messungen zu erzeugen? Kamm mir mal jemand ein solches Spektroskop zeigen?

Herzliche Grüße
Peter

Läpplappen · Januar 05, 2015, 15:53:57 NACHMITTAGS

Hallo Peter,

die meisten Spektrometer arbeiten heute mit Gittern zum Aufspalten des Lichtes. Prismenspektrometer kommen für Sonderanwendungen nur noch selten zum Einsatz.

Es gibt dann noch zwei große Gruppen von Spektrometern - Mit und ohne Spalt.

Die Spaltlosen sind etwas einfacher, haben keine beweglichen Teile und sind schnell. Dafür haben Sie ein Streulichtproblem und sind unflexiebel was Auflösung, Empfindlichkeit und sonstige "Feinheiten" angeht. Es wird dabei das Licht üblicherweise zwischen Lichtquelle und Gitter durch die Probe gelenkt. Nach dem Gitter folgt ein Empfänger. Meist in Form eines Zeilensensors (CCD oder C-Mos, aber nicht wie bei Kameras zweidimensional, sondern nur eine Zeile, also Eindimensional). Jedem Pixel ist dann eine Wellenlänge zugeordnet und das Verhältnis Signalstärke mit / ohne Probe ergibt die Transmission.
Diese Geräte gibt es im Zigarettenschachtel-Format und kleiner.

Bei Spaltspektrometern kommt nach der Lichtquelle der Monochromator. Das ist ein Aufbau mit Gitter und wenigstens einem Spalt. Der Spalt ist eine schmale Blende (Bei guten Geräten ist die Breite dieser Blende einstellbar) mit der ein Teil des Spektrums "Ausgeschnitten" wird. Über die Spaltbreite lässt sich die Menge des Lichtes und die spektrale Halbwertsbreite einstellen. Diese ist ausschlaggebend für die erzielte Auflösung. Alles Andere wird "Ausgeblendet". Erst jetzt durchläuft das Licht die Probe und fällt dann auf einen Dedektor. Je nach Anwendung ein Photonenvervielfacher, eine Photodiode oder sonst was "Lichtempfindliches". Durch Drehen des Gitters wird die Wellenlänge eingestellt und mit der Signalstärke ergibt sich der Messwert.
Mein Spektrometer dieser Bauart wiegt 150kg und ist 1,5m lang. Es gibt die aber auch schon in handlicher, 30kg und 40x50cm sollte man aber schon rechnen.

Als Lichtquelle dient für etwa 350-1100nm eine Halogenlampe drunter und drüber dann Speziallampen. Dann braucht man aber auch etwas speziellere Empfänger und evtl. auch Optiken aus besonderen Materialien.

Weitere Spielereien habe ich jetzt mal weg gelassen. Wenn Du das gerne genauer haben möchtest, einfach nochmal nachfragen.

Viele Grüße,
Raphael

ManK · Januar 05, 2015, 18:00:07 NACHMITTAGS

Guten Abend,
da gibts im eigenen Forum eine super Bauanleitung und wird einfach ignoriert.
http://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=17904.0
VG, M.

wilfried48 · Januar 05, 2015, 18:02:26 NACHMITTAGS

Hallo Peter,

hier sogar eine Bauanleitung anhand der man auch schön die Funktion erkennen kann.
http://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=17904.0;

wenn man eine Kamera nimmt, die keinen UV/IR Filter vor dem Chip hat kann man auch die UV und IR Anteile aufnehmen, ich glaube Johannes hat das inzwischen auch schon realisiert.

viele Grüsse
Wilfried

sehe gerade ich war mal wieder zu langsam

Peter V. · Januar 05, 2015, 18:19:18 NACHMITTAGS

Hallo,

Zitat von: ManK in Januar 05, 2015, 18:00:07 NACHMITTAGS
Guten Abend,
da gibts im eigenen Forum eine super Bauanleitung und wird einfach ignoriert.
http://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=17904.0
VG, M.

ein wenig physikalische Grundkenntnisse habe sogar ich

Mir ist schon klar, wie das prinzipiell geht und ich kenne auch die Konstruktion von Johannes. Und - tatsächlich - ich habe sogar ein Taschenspektroskop zuhause!

Mich interssierte also nicht das Prinzip, sondern, wie ein professionelles Gerät für solche Zwecke ausschaut, das mit hinreichender Genauigkeit ein solches Spektrum auch im UV und IR-Bereich aufnimmt. Gerne auch mit einem Foto.

Herzliche Grüße
Peter

wilfried48 · Januar 05, 2015, 18:37:28 NACHMITTAGS

Zitat von: Peter V. in Januar 05, 2015, 18:19:18 NACHMITTAGS

Mich interssierte also nicht das Prinzip, sondern, wie ein professionelles Gerät für solche Zwecke ausschaut, das mit hinreichender Genauigkeit ein solches Spektrum auch im UV und IR-Bereich aufnimmt. Gerne auch mit einem Foto.

Lieber Peter,

z.B. so: http://www.gloptic.com/products/gl-spectis-5-0-touch/

viele Grüsse
Wilfried

Läpplappen · Januar 05, 2015, 19:03:52 NACHMITTAGS

Hallo Peter

ZitatMich interssierte also nicht das Prinzip, sondern, wie ein professionelles Gerät für solche Zwecke ausschaut, das mit hinreichender Genauigkeit ein solches Spektrum auch im UV und IR-Bereich aufnimmt. Gerne auch mit einem Foto.

Hmmm - wenn es nur um das Aussehen geht könnte man auch selbst mal eine Suchmaschine bemühen.

Ich geb Dir mal einen Hinweis: Ein Kasten mit mehr oder weniger sinnvollen Designelementen, Am Ausschauen würde ich jetzt nicht unbedingt festmachen ob es "hinreichend genau" ist

Zwei wahllos herausgegriffene Hersteller die mir soeben in den Sinn kamen:
Z.B. http://www.perkinelmer.com/Catalog/Product/ID/L1050
oder http://www.analytik-jena.de/de/analytical-instrumentation/produkte/uvvis-spektralphotometer/zweistrahl/specordr-plus.html

Auf den Herstellerseiten findet man eigentlich auch alles wichtige zum Aufbau, Empfängern und Strahlquellen.

Viele Grüße,
Raphael

Peter V. · Januar 05, 2015, 19:10:43 NACHMITTAGS

Hallo,

ZitatHmmm - wenn es nur um das Aussehen geht könnte man auch selbst mal eine Suchmaschine bemühen.

Könnte man - in der Tat. Bitte entschuldigt meine überaus dämliche Frage, für die ich mich hier mehrfach entschuldige. Meine Frage wurde auch offenbar nicht so recht verstanden, ich hätte mich direkt an beispielsweise Peter Höbel, der solche Messungen durchführt, wenden sollen. Mir ging es mehr um die Frage eines genauen Aufbaus für Messungen, wie sie eben Peter Höbel durchführt. Ich glaube nicht, dass er dazu ein deratiges Geräte verwendet. Solche Geräte sind meines Erachtens keine "Spektrometer", sondern Spektralphotometer, die die Extinktionsänderung bei z.B. enzymatischen Reaktionen messen. Die meisten derartigen Geräte sind Spezialapparaturen für ganz bestimmte Zwecke, z.B. Messungen in Küvetten etc. DAS hätte ich mir in der Tat selbst ergooglen können - und habe ich auch schon. Trotzdem vielen Dank für die Mühen.

Herzliche Grüße
Peter

PS: Wenn ich bedenke, auf wieviele Frage ich hier schon geantwortet habe, deren Antwort "man" sich hätte ergoogeln können.... $:-\$ Eigentlich kann man alles ergooglen und benötigt gar kein Forum.

treinisch · Januar 05, 2015, 20:46:22 NACHMITTAGS

Hallo Peter,

ich versuche mal eine on-topic Antwort.

Unser UV/VIS Photometer an der Uni hatte zwei Ausgänge und einen Eingang.

Einen Ausgang für die UV-Lampe (die musste man zünden, also irgendeine Speziallampe), einen für die VIS-Lampe und der Eingang für den Detektor. Der Monochromator war in der Detektor-Einheit.

Wollte man nun eine UV/VIS Messung durchführen, schloss man über eine Lichtleiter-Peitsche die beiden Lampen und über einen weiteren Lichtleiter den Detektor an den Probenhalter. Durch diesen Aufbau konnte die Mechanikwerkstatt allerhand verschiedene Probenhalter bauen, natürlich für Küvetten, aber auch beheizbar oder mit steuerbarem Druck etc.

Bei diesem Aufbau wäre es ein leichtes, einfach einen Filter zwischen die beiden Lichtleiter zu stellen.

Wobei die paar Spectrometer die ich gesehen habe, hatten allesamt austauschbare Probenhalter, man konnte den serienmäßig eingebauten Halter rausschrauben und selbstgebaute in den Strahlengang einsetzen. Einen Filter hätte ich wahrscheinlich einfach mit Knetmasse an die Stelle des Küvettenhalters geklebt. Platz war in dem ,,Messraum" für sowas reichlich.

vlg
Timm

Werner · Januar 05, 2015, 22:13:28 NACHMITTAGS

Spektrometer und Spektralphotometer sind die gleichen Geräte. Man kann mit allen linear (% Transsmission) oder logarithmisch (Extinktion) messen.
Wegen des großen durchstimmbaren Wellenlängenbereichs sind es grundsätzlich Spiegeloptiken. Für Infrarot sind spezielle Detektoren nötig.

Ich habe solche Geräte, - IR - VIS - UV - mein ganzes Berufsleben über gewartet und repariert.

Fragen werden gerne beantwortet, ich möchte hier aber keine Abhandlung dazu schreiben...

Gruß - Werner

Peter V. · Januar 05, 2015, 22:36:40 NACHMITTAGS

Hallo Werner,

offenbar gelingt es mir nicht, mich in diesem Fall präzise auszudrücken. $:-\$

Klar, Spektrometer und Spektralphotometer haben im Grunde den gleichen Aufbau. Die meisten Geräte sind aber auf einen ganz speziellen Anwendungszweck hin konstruiert, sodass sie beispielsweise nur Küvetten aufnehmen oder durch Filter nur in ganz bestimmten Wellenlängenbereichen messen. Mit einem solchen Gerät könnte man aber weder einen Filter gescheit ausmessen, weil a) unter Umständen nicht das ganze notwendige Spektrum zur Verfügung steht b) das Meßobjekt (also der Filter) nicht platziert werden kann. Und ein Spektrum eines Strahlers (also beispielsweise einer LED) könnte man damit schon gar nicht aufnehmen.

Deshlab war meine Frage nach einer "Einrichtung", die sowohl Spektren von Strahlern aufnehmen kann als auch zum Ausmessen von Filter im UV und NIR-Bereich geeignet ist. Und dahin ging eben meiner Frage - nämlich: 1) Mit welchen Geräten macht man so etwas und 2) Welche Strahlungsquelle wird verwendet, die sowohl UV mit hinreichend niedriger Wellenlänge als auch IR bis in dem IR-B-Bereich erzeugt.

ich werde aber einfach mal Peter Höbel fragen, der ja solche Messungen durchführt.

Herzliche Grüße
Peter

Carsten Wieczorrek · Januar 05, 2015, 23:03:08 NACHMITTAGS

Hallo,

ich arbeite zufällig bei einer Firma, die so etwas baut, allerdings mehr im Bereich der PC-Steuerung unserer Fotometer.

ZitatDie meisten Geräte sind aber auf einen ganz speziellen Anwendungszweck hin konstruiert, sodass sie beispielsweise nur Küvetten aufnehmen

Ja, genau, unsere sind für die Wasseranalytik/Kläranlagenanalytik. Aber wir benutzen auch unsere eigenen Geräte, um beispielsweise Filter auszumessen. Irgendwie bekommt man die immer, notfalls mit Knetgummi, Tesa oder auch mal Sekundenkleber, geeignet in den Strahlengang. Jedenfalls, wenn der Küvettenschacht auch für größere Rechteck-Küvetten vorgesehen ist (die meißten Schnellteste im Kläranlagenbereich werden mit Rundküvetten durchgeführt), dann sollte der groß genug sein. Deutlich schwieriger wird es damit, das Spektrum einer Leuchtquelle selber auszumessen. Aber wenn man die Dinger baut, weiß man auch, wie man sie mit Hilfe eines Lichtleiters austricksen kann.
Schöne Grüße,

Carsten

Läpplappen · Januar 05, 2015, 23:18:59 NACHMITTAGS

Hallo Peter,

vorweg, das mit dem Hinweis auf Suchmaschinen war nicht böse gemeint - nach Deiner Antwort war ich wirklich der Meinung Du willst nur das Aussehen erfahren - also das Erscheinungsbild.

Es scheint mir ein tieferliegendes Missverständnis vorzuliegen.

Man kann mit Spektralphotometern (Spektrometern) alle Deiner angesprochenen Messungen (und noch ein paar mehr) vornehmen. Unter Umständen muss das Gerät etwas "umgebaut" werden. Das beschränkt sich aber in der Regel auf das Wechseln von Messeinsätzen die eben statt Küvetten dann Spiegel, Filter, transluzente oder sonstwas für Proben aufnehmen. Das geht bis zur Aufnahme von ganzen optischen Baugruppen. Gleiches gilt für den Empfänger der je nach Probe anzupassen ist (Stichwort Ulbrichkugel) wenn dieser nicht direkt beleuchtet werden kann. Ein bisschen wie beim Mikroskop bei dem man unter Umständen auch etwas umbauen muss um von Hellfeld Durchlicht auf Auflicht Dunkelfeld zu kommen. Wenn jemand nach dem Aussehen eines Mikroskopes fragt wird es auch schwierig ihm was sinnvolles zu antworten. Es gibt dazu einfach zu viele verschiedene Ausführungen auch wenn die Grundprinzipien immer die Selben sind.

Bei Geräten die in Wellenlängenbereichen messen bei denen Luft nichtmehr transparent ist muss ggf. mit entsprechenden Gasen gespühlt werden. Auch müssen dann die Strahlquellen und Empfänger gewechselt werden. Manche Geräte machen das automatisch, bei manchen ist manuell umzurüsten. Wenn der Wellenlängenbereich zu groß wird muss auch der Rest des Aufbaus verändert werden weil man dann Probleme mit Spiegeln oder mit den Gittern bekommt. Das wird praktisch dann mit einem zweiten Gerät gelöst.
Wenn Du die Emission einer Lichtquelle wissen willst ersetzt man die Quelle im Spektralphotometer durch den zu messenden Strahler, führt etwas Licht mit Hilfe einer Faser aus einer Ulbrichkugel oder hält einfach das Faserende vor die Leuchte. Je nach Fragestellung.

Willst Du die Empfindlichkeit eines Sensors prüfen wird eben dieser ersetzt.

Vermutlich habe ich jetzt keine Deiner Fragen geklärt

Viele Grüße,
Raphael

Tilman · Januar 06, 2015, 00:14:09 VORMITTAG

Hallo,
ich glaube doch man sollte ein paar Begriffe klären.
Ein Spektroskop ist ein Gerät um ein Spektrum zu erzeugen und dieses visuell zu beobachten. Das geht natürlich nur im sichtbaren Wellenlängenbereich. Das Ergebnis ist ein Emissionsspektrum.
Ein Spektrometer ist ein Gerät um ein Spektrum aufzuzeichnen. Hierbei wird das Auge durch einen Detektor ersetzt, der den gewünschten Spektralbereich detektieren kann (UV und IR). Im Regelfall werden hier Absorptionsspektren vermessen, in dem die Probe von einer Strahlungsquelle durchstrahlt wird und die jeweils wellenlängeabhängige Schwächung des Strahls vom Detektor gemessen wird.
Ein Spektralphotometer ist ein Photometer, welches durchstimmbar einen Spektralbereich abdecken kann. Photometer sind Geräte zur quantitativen Analyse unter Anwendung des Lambert-Beerschen Gesetzes. Das Spektroskop und das Spektrometer hingegen liefern nur qualitative Analysenergebnisse.
Will man also nur sehen, welches Spektrum eine Substanz liefert, geht das mit einem Spektroskop oder einem Spektrometer. Will man die Konzentration eines Stoffes in einer Lösung messen, benötigt man eine Photometer mit Lichtquelle und Detektor aber mit definierten Küvetten.
Für die Mikroskopie gibt es auch entsprechende Spektroskope, die an ein Mikroskop angebaut werden können. Sehr beliebt sind hier konfokale IR oder Raman-Spektrometer für Materialidentifizierungen.

peter-h · Januar 06, 2015, 10:32:07 VORMITTAG

Hallo Peter,

nachdem ich meinen Namen lese, zeige ich 2 ältere Bilder meiner Einrichtung mit dem Zeiss Monochromator. Bilder stammen von einem Vortrag über Sonnenfilter für die Astronomie.

Links der alte Prismenmonochromator, mit einem schwarten Tuch abgedeckt ein Gittermonochromator, falls ein Doppelmonochromator gebraucht wird. Darüber ein kleiner Laptop für die Datenaufzeichnung. Hinten im blauen Gehäuse und davor mit den schwarzen Kühlrippen die Lichtquelle mit Steuereinheit. Eine Halogenlampe mit einem spez. Oberflächenspiegel von Zeiss zur Bündelung auf den Eintrittsspalt mit Schwingblende. Ganz rechts die Hochspannungsversorgung für den Fotomultiplier. Im Vordergrund der Lock-in-Verstärker mit Anzeige und Meßbereichswahl. Der AD-Wandler ist nicht sichtbar.
Die aufwändige Lock-in-Technik ist für die hohe Dynamik bei der Messung von Sonnenschutzfilter nötig. Hier müssen Dämpfungen bis 1:1 000 000 noch gemessen werden. Zur Rauschunterdrückung können von 10 - 1000 Einzelmessungen gemittelt werden.

Um das Streulicht weitgehend zu unterdrücken sind für verschiedene Meßbereiche schmalbandige Vorfilter eingesetzt. So läßt sich auch mit einer Halogenlampe und einem Fotomultiplier bis hinab zu 300nm noch sehr gut messen.
Die Meßbereichsaufteilung in 3 Bereiche ist nach den Empfängern gegeben. Bis 600nm ein Multiplier, 500 - 1000nm eine Si-Diode von Hamamatsu und ab 900nm bis 2500nm ein PbS Detektor von Hamamatsu.

Da bei einem Prismenmonochromator die Bandbreite im Zusammenhang mit Wellenlänge und Spaltbreite steht, muß immer wieder der Ein- und Austrittsspalt nachgeregelt werden. Dazu gibt es Grafiken von Zeiss zu diesem Gerät.

Der Probenraum und verschiedene Hilfseinrichtungen sind Eigenbau und für die Meßaufgabe optimiert. Alle Komponenten laufen auf einer Schiene von einer optischen Bank so dass der Strahlengang immer in der nötigen Achse bleibt.

Wie man aus dem Bild zu erkennen ist die Anlage nicht ein Leichtgewicht. Da ein Spektrum aus zig Einzelmessungen aufgenommen werden muß, kann es schnell einmal einige Stunden Meßzeit erfordern. Aber das kommt nicht jeden Tag vor

Alles klar ?

Schöne Grüße
Peter