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| Raman-Testbericht - Raman-Spektrometer mit backilluminated TE-gekühlter CCD (512 x 64 Pixel), He-Ne-Laser mit 35mW und 12.5mm-Fokus–Ramansonde | |
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 Informationsanforderung
1. Beschreibung des Messsystems
Das hier ausführlich untersuchte Raman- Spektrometer wurde für ein Chemieunternehmen konfiguriert und soll dort zur Überwachung von Polymerisationsreaktionen eingesetzt werden. Die Sonde soll dabei durch ein Saphirfenster hindurch im Reaktor Raman-Spektren aus der Reaktion aufnehmen. Daher wurde eine große Fokuslänge von 12,5mm für die Sonde spezifiziert.
Das Gesamtsystem besteht aus Computer, Spektrometer, Laser mit Netzteil und Sonde und ist in dieser Ausführungsform vollständig modular.
Der eingesetzte He-Ne-Laser hat eine optische Ausgangsleistung von 35mW. Das Koppelmodul für Lichtwellenleiter ist mit einem FC/PC-Stecker ausgestattet und erlaubt eine relativ komfortable und stabile Einstellung des Intensitätsmaximums der Einkopplung in die Sonde.
Bei einer Langzeituntersuchung des Lasers wurde eine Gesamtschwankung < 5% unter Laborbedingungen über ca. 40 Stunden festgestellt. Die Messung hierzu erfolgte integral durch Kopplung des Lasersignals über eine der Sondenfaser baugleiche Glasfaser in eine Ulbricht-Kugel und Detektion mit einer weiteren Glasfaser, die von der Kugel an ein gekühltes CCD-Spektrometer für den sichtbaren Bereich angeschlossen war.
Als Sonde wurde die RamanProbe eingesetzt, deren schematischer Aufbau im unteren Bild dargestellt ist.
Die Sonde zeichnet sich durch interne Filterung aus und ist mit Fokuslängen von 1, 2, 5, 10 und 12,5mm verfügbar. Das eingesetzte Spektrometer ist ein gekühltes CCD-Spektrometer mit 512 x 64 Pixel und einem Spektralbereich von 636nm – 811nm, entsprechend einer Raman-Shift von 63 bis 3470 Wellenzahlen. Die Kopplung in das Spektrometer erfolgt mit einer 200m-Einzelfaser und bildet das Signal somit in der Höhe nur auf ca. 8 der 64 Pixel (8 x 25m = 200m) ab.
Die Detektor-Temperatur lässt sich bei Raumbedingungen auf –15°C stabil halten. Das Rauschen beträgt bei den gewählten Messbedingungen (Integrationszeit 1s, 16 Mittelungen) < 2 Count bei einer Messdynamik des Spektrometers von 16 Bit (siehe Diagramm unterhalb). Bei gemessenen Raman-Peaks von bis zu 1000 Count beträgt das Signal-Rausch-Verhältnis realer Signale somit bis zu 500 : 1 bei Messzeiten von ca. 16 Sekunden.
2. Messaufbau für die Untersuchungen
Die nachfolgend beschriebenen Testmessungen wurden mit dem oben beschriebenen Aufbau (Laser – Sonde – Spektrometer) realisiert.
Die Proben wurden in ein lichtundurchlässiges Gefäß gestellt, durch dessen abnehmbaren Deckel die Sonde über die Proben geführt wurde. Das Ende der Sonde wurde ca. 5mm über den flüssigen Messproben und ca. 12mm über den festen Proben positioniert. Die Messung erfolgte nicht durch die Gefäßwand hindurch.
Die Integrationszeit des Systems wurde auf 1s eingestellt. Die maximale Integrationszeit des Systems beträgt 167s. In den am Anhang dargestellten Spektren wurden 16 aufeinanderfolgende Spektren gemittelt (nicht koaddiert). Die Spektren wurden jeweils als Rohdaten und als Energiespektren gemessen und gespeichert. Durch die Speicherung als Energiespektren werden spektrometerspezifische Intensitätseffekte (Etaloning, Detektorempfindlichkeit, Gittereffizienz) ausgeschaltet. Die Rohdaten dienen der Bewertung der Signalintensität. Im Anhang sind bislang nur die Rohspektren dargestellt.
Alle Spektren wurden mit Datei-Headern gespeichert, in denen die Messbedingungen aufgeführt sind.
3. Messungen an flüssigen Proben
Es wurden verschiedenste Stoffe vermessen. Die Spektren aller gemessenen Proben ist im Anhang zu finden (Siehe Info-Links). Die Messungen zeigten eine hohe Reproduzierbarkeit und über einen weiten Bereich des Abstands von der Oberfläche ein etwa gleich starkes Mess-Signal.
Im folgenden sollen die Ergebnisse exemplarisch anhand des Spektrums von Toluol erläutert werden. Zu erkennen ist ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis bei nur 1s Messzeit und 16 gemittelten Spektren.
Die gemessene Auflösung entspricht in etwa der oben erfolgten Abschätzung und beträgt für den Peak bei 1000 Wellenzahlen ca. 20nm, wie aus dem Bild oben rechts erkennbar ist.
4. Messungen an festen Proben
Neben flüssigen Proben wurden verschiedene Feststoffe analysiert, obwohl das System aufgrund der hohen Fokuslänge für streuende Proben und Feststoffe wie erwähnt nicht geeignet ist.
Bei der Positionierung der Proben fiel auf, dass der Abstand der Oberfläche vom Ende der Sonde im Bereich einiger Millimeter variieren konnte und dennoch ein deutliches Raman-Signal gemessen wurde. Typisch wurde für die aufgenommenen Spektren ein Abstand von ca. 10-12mm eingestellt, indem auf das Maximum des Raman-Signals justiert wurde.
5. Mögliche Konfigurationsvarianten des Systems
Neben der realisierten Ausführung sind folgende Optionen des Systems denkbar.
- Lieferung mit anderen Fokuslängen
- Kürzere Fokuslängen sollten das Signal erhöhen,
- die Messung streuender Proben ist mit kürzerer Fokuslänge wahrscheinlich einfacher
- Lieferung mit einer Prozess-Sonde -> Signal dürfte um Faktor ca. 3 geringer sein (bisherige Erfahrung mit Anregung bei 785nm)
- Spektrometer-Option mit 1024 Elementen verbessert die optische Auflösung um den Faktor 2.
- Querschnittswandler im Spektrometer (z.B. 7x200m) zur verbesserten Ausnutzung der Detektorfläche, sinnvoll jedoch nur bei Verwendung entsprechender Faserbündel oder Faserquerschnitte für die externe Sondenfaser.
- Lieferung des Systems mit kleineren Laserausführungen (kürzere Bauform, leichter integrierbar)
- Lieferung des Systems in einem 19“-Einschub für Prozessanwendungen (Engineering erforderlich für Wartungszugriff des Lasers, nur möglich mit kleineren Bauformen/geringeren Laser-Leistungen)
- Lieferung als Komplettsystem mit WinSpec Proc Prozess-Software für Online-Anwendungen im Produktionsbetrieb
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Letzte Änderung 11/27/2007 11:09 AM
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