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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Laser induzierte Fluoreszenz

LIF

LasersystemLasersystem bestehend aus Nd:YAG Laser (grünes Laserlicht) und Farbstofflaser, in dem zunächst Licht im roten Wellenlängenbereich erzeugt wird, das durch einen nichtlinear optischen Kristall in die UV Wellenlänge von 308nm (nicht sichtbares Licht) umgewandelt wird.

Die Laser-Induzierte Fluoreszenz (LIF) Technik ist eine äußerst empfindliche analytische Methode, die für den Nachweis von OH-Radikalen genutzt wird. Sie beruht auf den spezifischen, spektroskopischen Eigenschaften der OH-Radikale im ultravioletten Spektralbereich und erlaubt Konzentrationsmessungen mit einer Zeitauflösung im Bereich einiger Sekunden bis zu einer Minute. Zu diesem Zweck wird die zu messende Umgebungsluft durch eine Düse in eine Niederdruckkammer expandiert und die darin enthaltenden OH-Radikale bei niedrigem Druck mit einem rasch gepulsten, abstimmbaren UV-Laser zur Fluoreszenz angeregt. Die gemessene Fluoreszenzintensität dient als Maß für die Konzentration und wird mit einer eigens entwickelten Radikalquelle kalibriert. Die kleinste, mit dieser Apparatur nachweisbare Radikalkonzentration in der Atmosphäre beträgt 3 x 105 Moleküle/cm3 bei einer Messzeit von einer Minute. Mit dieser hohen Empfindlichkeit war es erstmals möglich, schnelle natürliche Fluktuationen der OH-Radikalkonzentration in der Atmosphäre nachzuweisen.

MesszelleLIF-Messaufbau mit einer Messzelle: Ein Nd:YAG gepumpter Farbstofflaser stellt die Laserstrahlung bei 308nm zur Verfügung. Die Messzelle wird von Außenluft durchströmt, die die zu messenden Radikale enthält. Das Fluoreszenzlicht wird über eine Optik auf einen lichtempfindlichen Detektor abgebildet und durch Einzelphotonenzählung quantifiziert. Ein Teil der Laserstrahlung wird einer Referenzzelle zugeführt, in der hohe Konzentrationen von OH erzeugt werden, um die Wellenlänge des Lasers festzuhalten.

Die LIF-Messtechnik wird außerdem zur Messung der Konzentration atmosphärischer HO2-Radikale eingesetzt. Hierzu wird HO2 in einer zweiten Niederdruckzelle zunächst chemisch mit Stickstoffmonoxid (NO) in OH umgewandelt und anschließend als OH-Radikal mit laser-induzierter Fluoreszenz nachgewiesen. In diesem zweiten Messkanal wird also die Summe von OH und HO2 (=HOX) gemessen. Durch Differenzbildung zum OH-Kanal ergibt sich die atmosphärische HO2-Konzentration. Die gleichzeitige Messung von OH und HO2 erlaubt einen detaillierten Einblick in die chemischen Prozesse, welche den Spurengasabbau und die Photooxidantienbildung in der Atmosphäre kontrollieren.

Schematische Darstellung der HOx MesszelleSchematische Darstellung der HOX-Messzelle. Zusätzlich zu den Elementen, die auch in der Zelle für den OH-Nachweis vorhanden sind, wird reines NO hinter der Einlassdüse zugegeben, so dass HO2 innerhalb der Zeit, bis das Gas den Laserstrahl kreuzt, in OH umgewandelt wird.

Auch die Summe der organischen Peroxiradikale (RO2) kann ähnlich zu dem Nachweis von HO2 auf eine Fluoreszenzmessung von OH zurückgeführt werden. Dieser Messkanal besteht aus einem Konversionsreaktor, der einer HO2-Messzelle vorgeschaltet ist. In dem Konversionsreaktor werden bei reduziertem Druck zunächst RO2, HO2 und OH Radikale durch Zugaben von NO und CO in HO2 chemisch umgewandelt.  Die HO2-Konzentration, die dann die Summe von RO2, HO2 und OH repräsentiert, wird in der Fluoreszenzzelle nach erneuter Zugabe von NO als OH detektiert. Zusammen mit der Messung der OH und HO2 Konzentrationen in den anderen Messkanälen kann durch Differenzbildung die RO2 Konzentration berechnet werden.

Dem IEK-8 stehen zwei LIF-Instrumente zur Verfügung: Eines mit Messkanälen für OH und HO2 wird für den mobilen Einsatz in  Feldmesskampagnen verwendet (z. B. ECHO) und kann auf dem Zeppelin, HALO eingesetzt werden. Ein weiteres Instrument, das Messkanäle für OH, HO2 und RO2 besitzt, ist permanent an der Atmosphärensimulationskammer SAPHIR installiert.

Zusätzlich zu der OH-Radikalkonzentration kann auch die momentane, chemische Lebensdauer des OH Radikals in der Atmosphäre experimentell bestimmt werden. Dazu strömt Außenluft durch ein Rohr, in dem ein Puls von OH-Radikalen erzeugt wird, der homogen in dem Strömungsrohr verteilt ist. Am Ende des Strömungsrohrs wird die OH-Konzentration mit der LIF Methode gemessen. Der zeitliche Verlauf der Konzentration gibt die Lebensdauer des OH, da das OH Radikal nach der Erzeugung durch den kurzen Laserpuls mit den in der Messluft enthaltenen Spurengasen abreagiert.

MessaufbauSchematische Darstellung des Messaufbaus bestehend aus Strömungsrohr, OH-Messzelle und dem Lasersystem. Das Lasersystem wird in der Praxis sowohl für diese Messung als auch für die Konzentrationsmessungen verwendet, indem das Laserlicht auf mehrere Lichtfasern aufgeteilt wird.


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