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DE2916974A1 - Verfahren und vorrichtung zur optoakustischen spektroskopie - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur optoakustischen spektroskopie

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Publication number
DE2916974A1
DE2916974A1 DE19792916974 DE2916974A DE2916974A1 DE 2916974 A1 DE2916974 A1 DE 2916974A1 DE 19792916974 DE19792916974 DE 19792916974 DE 2916974 A DE2916974 A DE 2916974A DE 2916974 A1 DE2916974 A1 DE 2916974A1
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DE
Germany
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gas
mixture
optically
light
cavity
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Ceased
Application number
DE19792916974
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English (en)
Inventor
Nabil Mahmoud Amer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
US Department of Energy
Original Assignee
US Department of Energy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by US Department of Energy filed Critical US Department of Energy
Publication of DE2916974A1 publication Critical patent/DE2916974A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G—PHYSICS
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. . 8000 MÜNCHEN^« 1 R Q 7 Λ
KARL H. WAGNER * OcW0rzm0hl3«/Wse9 ^ ' *·
POSTFACH 246
79-R-3533
United States Department of Energy, Washington, D.C. 20545, V.St.A.
Verfahren und Vorrichtung zur optoakustischen Spektroskopie
Die Erfindung bezieht sich auf die optoakustische Spektroskopie, und zwar insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur beträchtlichen Erhöhung der Empfindlichkeit und Flexibilität der Laser-optoakustischen-Spektroskopie. Die Erfindung hat mehrere Anwendungsmöglichkeiten auf dem Gebiet analytischer Instrumente.
Das Prinzip der optoakustischen Spektroskopie ist bereits bekannt und es sei auf die folgenden Patente bzw. Literaturstellen verwiesen: US-Patent 3 700 890 und US-Patent 3 820 901; L. B. Kreuzer in J. Appl. Phys. £2, 2934 (1971); C. F. Dewey et al in Appl. Phys. Letters ^3_, 6 33 (1973); R. D. Kamm in J. Appl.Phys. 4J_, 3550 (1976); E. Max et al in Opt. Comm. Comm. 1_1_, 422 (1974) und C. K. Patel et al in Appl. Phys. Letters 3_0, 578 (1977). Diese bekannten Möglichkeiten sind stark beschränkt, weil einige Substanzen keine Eigenresonanzfrequenz nahe einer verfügbaren Laserfrequenz besitzen. Es besteht somit ein Bedürfnis, diese erwähnten Begrenzungen der optoakustischen Spektroskopie
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zu überwinden. Ferner sei bereits hier bemerkt, daß der Stand der Technik auf dem Gebiet der optoakustischen Feststellung niemals die Rolle des Puffergases und seiner möglichen Anwendungen in Betracht gezogen hat.
Die Erfindung überwindet die oben erwähnte Einschränkung bei der laser-optoakustischen Spektroskopie durch Vorsehen eines Verfahrens und einer Vorrichtung, die optoakustische Signaturen nichtabsorbierender Materialien ergeben, wodurch in signifikanter Weise die Empfindlichkeit und Flexibilität der optoakustischen Spektroskopie erhöht wird, was die Möglichkeit einer verminderten Größe vorsieht. Es ist demgemäß nicht mehr notwendig, die Verwendung der laser-optoakustischen Spektroskopie auf solche Spezies zu beschränken, deren Absorption an die verfügbare Laserstrahlung angepaßt sein muß. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt die "Dotierung" mit einer relativ kleinen Menge eines optisch absorbierenden Gases optoakustische Signaturen von nicht absorbierenden Materialien. Die Empfindlichkeit der Vorrichtung ist ausreichend, um klei-
12
ne Unterschiede im Molekulargewicht für beispielsweise CO9
13
und CO2 zu unterscheiden. .
Ein Ziel der Erfindung besteht somit darin, die Empfindlichkeit und Flexibilität bei der laser-optoakustischen Spektroskopie zu erhöhen. Ferner sieht die Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur laser-optoakustischen Spektroskopie vor, welches nicht nur auf diejenigen Spezies beschränkt ist, deren Absorption der verfügbaren Laserstrahlung entsprechen muß. Weiterhin sieht die Erfindung die signifikante Erhöhung der Empfindlichkeit und Flexibilität der optoakustischen Spektroskopie vor, und zwar durch "Dotierung" optisch nicht absorbierender Materialien mit einer relativ kleine Menge eines optisch absorbierenden Gases, was optoakustische Signaturen der nichtabsorbierenden Materialien ergibt. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine laser-optoakustische Spektroskopie-Vorrichtung vorzusehen, die eine hinreichen-
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de Empfindlichkeit aufweist/ um kleine Unterschiede bei den Molekulargewichten von Materialien festzustellen.
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2a-2c typische, sich aufgrund der Erfindung ergebende akustisch resonante optoakustische Spektren;
Fig. 3 die erste Radial-Betriebsart (Mode) des isoto-
12 13 pisch substituierten Paares CO2 und C02;
Fig. 4 graphisch die erste Radial-Betriebsart von
CO- und N2O.
Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes optoakustisches Spektroskopie-Verfahren sowie eine Vorrichtung dieser Art, wobei die Einschränkung des Standes der Technik eliminiert wird, daß die laser-optoakustische Spektroskopie nur bei solchen Spezies oder Arten verwendet werden kann, deren Absorption der verfügbaren Laserstrahlung entspricht. Dabei wird die Rolle von Puffergasen in dem optoakustischen Detektor ausgenutzt, und zwar zur Verwendung als ein analytisches Werkzeug. Die Erfindung sieht grundsätzlich die "Dotierung" mit einer relativ kleinen Menge eines optisch absorbierenden Gases vor, welches optoakustische Signaturen von nichtabsorbierenden Materialien ergibt, auf welche Weise die Empfindlichkeit und Flexibilität der optoakustischen Spektroskopie beträchtlich erhöht wird, während gleichzeitig eine verminderte Größe ermöglicht wird. Die Erfindung sieht auch die Abhängigkeit eines akustisch resonanten optoakustischen Signals vom Molekulargewicht vor
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und thermodynamische sowie Transport-Eigenschaften eines Puffergases (definiert als die optisch nicht absorbierende Gaskomponente in optoakustischen Detektoren) in der optoakustischen Spektroskopie. Es wurde festgestellt, daß die sorgfältige Auswahl der Puffergase in beträchtlicher Weise die Empfindlichkeit und Flexibilität der optoakustisehen Spektroskopie erhöhen kann. Es wurde ebenfalls gezeigt, daß solche thermodynamischen Größen wie Yi=C /C ) und Schallgeschwindigkeit ohne weiteres sowie genau gemessen werden können.
Prinzipiell haben das Molekulargewicht und die thermodynamischen sowie Transport-Eigenschaften eines Puffergases einen signifikanten Einfluß auf das optoakustische Signal, und die vorliegende Erfindung hat gezeigt, daß der Energietransfer zwischen den absorbierenden Spezies und dem Puffergas eine wichtige Rolle in der optoakustisehen Feststellung oder Detektierung bildet. Die Abhängigkeit des optoakustischen Signals wurde untersucht, um die Erfindung aufgrund der folgenden physikalischen Eigenschaften des Puffergases zu verifizieren: Molekulargewicht und isotopische Effekte, Wärmekapazität, thermische Leitfähigkeit und Viskosität bezüglich akustischer Resonanzdetektoren.
Die folgenden Serien von Edelgasen, diatomischen und polyatomischen Gasen wurden zur Verifizierung der Erfindung untersucht: Ne, Ar, Kr, Xe, N0, CO, N0O, CO0, CO0 und SF,. Das in den Tests verwendete optisch absorbierende Molekül war CH., dessen ^"Aksorptionsband i-n zweckmäßiger nahe Koinzidenz mit der 3,39 Mikrometer-Ausgangsgröße der He-Ne-Laser liegt.
Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, bestehend aus einer akustisch resonanten zylindrischen Absorptionszelle 10, die eine Kammer oder einen Hohlraum 11 definiert, und zwar angeordnet innerhalb einer akustischen Abschirmung 12 mit Fenstern 13 und 14, angeordnet an den entgegengesetzten Kammerenden, wobei ferner ein Laser 15 einen Lichtstrahl über einen kontinuierlich veränderbaren mechanischen Zerhacker
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durch ein Fenster 13, Hohlraum 11 und Fenster 14 auf einen Leistungsmesser 18 liefert, dessen Ausgangsgröße einem Oszilloskop 19 zugeführt wird. Ein Mikrophon 20 ist im Hohlraum 11 der Zelle 10 angeordnet und ist über einen Leiter mit einem Gleichlauf- oder Folge-Einrastverstärker (tracking lock-in amplifier) 22 verbunden, der seinerseits über Leiter 23 bzw. 24 mit einer Zerhackersteuerung 25 bzw. einer X-Y-AufZeichnungsvorrichtung 26 in Verbindung steht, wobei die Aufzeichnungsvorrichtung 26 über Leiter 27 und 2 8 mit einem Sägezahngenerator 29 und der Zerhackersteuerung 25 verbunden ist, die ihrerseits durch Leiter 30 am Zerhacker 17 liegt.
Die optoakustische Zelle 10 ist beispielsweise aus einem Messingzylinder von 10,8 cm Länge und Durchmesser aufgebaut, wobei die Fenster 13 und 14 ebene NaCl-Elemente sind und die Kammer 11 eine kleine Menge (0,9%) eines Gases, wie beispielsweise Methan (CH.), enthält, dessen Resonanzfrequenz nahe zu einer speziellen Lichtfrequenz vom Laser 15 liegt, der ein He-Ne-Laser mit einem 3,39 Mikrometer-Strahl 16 ist. Der Hohlraum oder die Kammer 11 enthält auch ein Puffergas, wie beispielsweise das oben erwähnte Edelgas, die diatomischen Gase und polyatomischen Gase. Das Mikrophon 20 kann beispielsweise ein Knowles-Electronics-Modell BT-1759 sein, d.h. ein Miniatur-Electret-Mikrophon (Empfindlichkeit 10 mV/PA) mit einem eingebauten FET-Vorverstärker, und zwar ist das Mikrophon an der Innenwand der Zelle 10 mittig zwischen den Zellenenden befestigt. Die Wahl eines Miniaturmikrophons ist besonders vorteilhaft, da es ohne weiteres im Resonanzhohlraum eingebaut sein kann, ohne in signifikanter Weise das Q der Resonanzen zu verschlechtern. Die mechanische und akustische Isolierung des Detektors wurde durch Sorgfalt sichergestellt. Der Rauschpegel, der elektrischen Ursprungs ist, er-
1 /2
gab sich zu ungefähr 90 nV/Hz ' mit der oben beschriebenen Vorrichtung. Die Gastemperatur wurde während des gesamten Testvorgangs überwacht.
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Grundsätzlich wird beim Betrieb des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 mit einem Hohlraum 11, der das ausgewählte Puffergas und Absorptionsgas, beispielsweise CH4, enthält, das Laserlicht 15 durch den mechanischen Zerhacker 17 gepulst, und die durch die Methanmoleküle absorbierten Energieimpulse werden auf das Puffergas übertragen, was gepulste akustische Wellen zur Folge hat. Durch Veränderung der Zerhackerrate kann der Hohlraum akustisch für das Puffergas in Resonanz kommen, was Messungen ermöglicht der Schallgeschwindigkeit im Gas, das Verhältnis aus dessen spezifischer Wärme bei konstantem Druck zu dem bei konstantem Volumen, dessen Wärmeleitfähigkeit, Viskosität und Molekulargewicht. Die Empfindlichkeit der Vorrichtung reicht aus, um zwischen kleinen Unterschie-
12 13 den bei den Molekulargewichten, beispielsweise CO^ und CO«, zu unterscheiden.
Im Falle einer binären Gasmischung sind für eine zylindrische Zelle die akustischen Resonanzfrequenzen gegeben durch:
0)
dabei ist f die Frequenz, bei der die akustischen Moden mnp
(Betriebsarten) auftreten. Die Eigenwerte m, η und ρ beziehen sich auf die radiale bzw. azimuthale bzw. longitudinale Betriebsart; r ist der Radius und 1 die Länge des Hohlraums, oCmn ist die mte Null der Ableitung der Bes sei-Funktion dJ (TToc) /doc und ν ist die Schallgeschwindigkeit in einer Mischung aus idealen Gasen und ist gegeben durch V = (γ RT/M) wobei R die ideale Gaskonstante ist. Das effektive spezifische Wärmeverhältnis γ und das durchschnittliche Molekulargewicht M für die Mischung wurde bestimmt aus folgender Gleichung:
x C^ + (1-x) C* . ■ a
'τ-—§ Hf-; CT=xMb + (i-x) Ma,
dabei sind C , C r Ca und Ca die Wärmekapazitäten der Puffer-P ν ρ . ν
bzw. Absorptions-Gase, M und M deren Molekulargewichte und χ ist die fraktionelle Konzentration des Puffergases.
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Aus Gleichung 1 erkennt man, daß die akustischen Resonanzfrequenzen partiell bestimmt sind durch die kombinierten Eigenschaften der Puffer- und Absorptionsgase. Da χ » (1-x) im hier beschriebenen Falle ist, wird das akustische Verhalten der Zelle größtenteils bestimmt durch γ und M des Puffergases.
In den Fig. 2a, 2b und 2c sind typische akustische Anregungsspektren für reines CH4, 0,9% CH4 in N3 bzw. 0,9% CH4 in Xe gezeigt, wobei die Ergebnisse in Tabelle I zusammengefaßt sind.
TABELLE I
floo(Hz)(c) ^exp ^exp xal S/N
Buffer Gas(b) 5074 554 0.56 3800
Ne 3619 694 0.62 6300
Ar 2495 832 0.86 11000
Kr 1995 903 0.95 14000
Xe 3967 929 0.63 4900
CO 3966 1030 0.71 5700
N2 3030 250 0.16 1400
12CO2 2994 270 — 1700
13CO2 3009 673 0.43 3300
N2O 1522 1220 0.99 5500
SF6
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a. C t κ und-η wurden folgenden Literaturstellen entnommen:
K. Raznjevie "Handbook of Thermodynamic Tables and Charts", "JANAF Thermodynamic Tables", NBS 3J_, 1971 and Trans. Farad. Soc. 53, 877 (1957); f,QQ, QQxp, Qexp/Qcal und S/N für CH4, ohne Puffergas, sind 5033 Hz bzw. 500 bzw. 0,24 bzw. 2800.
b. Spektroskopischer Gütegrad
c. Typische Unsicherheit 1 Hz; die f1o -Werte stimmen mit besser als 0,8% mit den aus Gleichung 1 berechneten überein.
d. Q gemessen bei halber Leistung; typische Unsicherheit 4.5% Buffer Gas = Puffergas
Die Übereinstimmung zwischen den beobachteten Resonanzfrequenzen und den aus Gleichung 1 berechneten ist ausgezeichnet. Ferner liegt die experimentell abgeleitete Schaltgeschwindigkeit für die verschiedenen untersuchten Gase auf innerhalb < 0,8% der berechneten Werte. Der Unterschied ist auf Unsicherheiten bei der Temperatur und den Abmessungen der Zelle zurückzuführen. Wenn das Molekulargewicht des Puffergases erhöht wird, so verschieben sich, wie vorausgesagt, die Resonanzfrequenzen des Hohlraums zu niedrigeren Werten hin.
In Tabelle I ist das Signal-zu-Rausch-Verhältnis (S/N) und auch der experimentell und theoretisch abgeleitete Gütefaktor Q für unterschiedliche Puffergase angegeben. Man sieht, daß Xe in signifikanter Weise die Amplitude des optoakustischen Signals erhöht und das höchste beobachtete S/N-Verhältnis ergibt. Das größte experimentelle Q wurde für SF, erhalten, wobei CO2 mit dem höchsten Verlust behaftet war.
Es sei bemerkt, daß die Amplitude des optoakustischen Signals eine Funktion von folgendem ist:
1) Der Wärmekapazität der Mischung,
2) der absorbierten Laserleistung,
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3) der Modulationsfrequenz,
4) den Schwxngungsrelaxationszeiten von CH. und
5) Dämpfungseffekten des Puffergases.
Die ersten vier Größen tragen zu der in die Ton- oder Schallwelle gehenden Leistung bei, und der zuletzt genannte Wirkungsmechanismus bestimmt das Q der Resonanzen.
Nimmt man an, daß die Grenzschichtverluste der dominierende Verlustmechanismus sind, so kann ein theoretisches Q aus folgender Gleichung erhalten werden:
dabei ist die viskose Grenzschichtdicke d = (2η/ρω) ,
V i/o - ■
die thermische Grenzschichtdicke d, = (2</pC ω) ' , η die Visko sität, κ die thermische Leitfähigkeit,ρ die Dichte der Gasmischung und 4i die Frequenz.
Obwohl hier nicht vollständig Rechnung gelegt werden soll für die beobachteten Q-Werte, so ist doch das Verhältnis Q /Q , eine Anzeige der relativen Signifikanz unterschiedlicher Energieverteilungs- oder Verlustmechanismen in dem optoakustischen Hohlraum. Der Wert 1 für dieses Verhältnis zeigt an, daß die viskosen und thermischen Verluste an der Zellenwand die einzigen Quellen für den Ton- Oder Schallenergieverlust sind. Wenn Q /Q -. kleiner 1 ist, so müssen
62CXj Cd.J.
zusätzliche Verlustmechanismen ins Auge gefaßt werden, um diese Diskrepanz zu erläutern. Im Falle diatomischer und polyatomischer Moleküle sind die Energieverluste infolge der Scherreibung und thermischer Diffusion nur Teil des Schallwellendämpfungsmechanismus. Zusätzlich muß die irreversible Energieübertragung von der Schallwelle auf die inneren Freiheitsgrade des Moleküls berücksichtigt werden; infolgedessen würde man erwarten, daß die charakteristischen Relaxationszeiten, welche diese Transfer- ober übertragungsraten bestimmen, das Q beeinflussen. Es ist klar, daß eine vollständige
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Kenntnis der Massenrelaxationszeiten der Mischungen notwendig ist für das Verständnis der Rolle der molekularen Relaxationszeiten bei der Bestimmung von Q. Andere normalerweise betrachtete Verlustmechanismen sind beispielsweise die Stokes-Kirchhoff-Verluste, Reflexion, Bewegung der Mikrophonmembran, wobei man aber zeigen kann, daß dabei ein vernachlässigbarer Effekt auftritt; die Xe- und SFg-Daten begrenzen den Streubeitrag auf <5%.
Typische Resonanz-optoakustische-Spektren enthalten drei brauchbare Größen: Die Frequenz, das Q und die Amplitude des Signals. Eine Darstellung ihrer Brauchbarkeit wird durch die folgenden beiden Beispiele gegeben.
T) Es ist von Interesse, die Fähigkeit der optoakustischen Spektroskopie zu untersuchen bei der Massenauflösung von zwei Isotopen der gleichen molekularen Spezies oder Art.
Fig. 3 zeigt die akustischen Signaturen der ersten Radialen -i/r -to 'if.
Betriebsart von C O und C O3. Wie zu erwarten,verschiebt sich infolge der Massendifferenz die Frequenz der (100)-Mode von 3032 Hz auf einen niedrigeren Wert von 2994 Hz, was vollständig mit der theoretischen Voraussage der Gleichung 1 übereinstimmt. In diesem Beispiel ist die Zusammensetzung der Absorptions- bzw. Puffer-Gase 0,9 Volumenprozent bzw. 99,1 Volumenprozent.
2) Zum Nachweis der Empfindlichkeit dieser Möglichkeit im Hinblick auf Unterschiede im γ bei einem nahezu identischen Molekulargewicht, wurde die (100)-Resonanzfrequenz für N9O
und CO2 bestimmt, wobei deren Molekulargewichte 44,013 bzw. 44,010 sind, und wobei deren Gammas 1,301 bzw. 1,287 sind. Aus Gleichung 1 ergibt sich, daß die erste Radial-Mode für N2O bzw. 12CO2 bei 3009 bzw. 3030 Hz auftreten sollte. In Fig. 4 ist das experimentelle Spektrum gezeigt, welches sehr gut mit den vorausgesagten Werten übereinstimmt und welches eine Differenz von nur 1,8 m/sec in der Schallgeschwindigkeit der zwei Gase entspricht. Hierbei waren die Volumenprozentsätze der absorbierenden und Puffer-Gase 0,9% bzw. 99,1%.
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Die praktischen Auswirkungen der Ergebnisse sind vielfältig. Als erstes sei auf die Erweiterung der Flexibilität und Sensitivität der optoakustischen Spektroskopie hingewiesen. Es wurde gezeigt, daß es nicht mehr notwendig ist, die Anwendbarkeit der laser-optoakustischen Spektroskopie auf Spezies oder Arten zu beschränken, deren Absorption der verfügbaren Laserstrahlung entspricht.Stattdessen ergibt das "Dotieren" mit einer relativ kleinen Menge eines optisch absorbierenden Gases optometrische Signaturen von nichtabsorbierenden Materialien. Es wurde ebenfalls gezeigt, daß für eine feste Hohlraumabmessung das Molekulargewicht des Puffergases als ein Mittel zur Frequenzverschiebung der akustischen Resonanzen in irgendeine interessierende Zone dienen kann, und zwar zum Zwecke der Optimierung von S/N;ferner erhöht unabhängig von der Frequenzabhängigkeit vom Molekulargewicht die Verwendung eines solchen Puffergases, wie beispielsweise Xenon, die Empfindlichkeit der optoakustischen Detektion. Eine Folge dieser beiden Ergebnisse besteht darin, daß in einem Falle, wo die optoakustische Resonanzdetektion oder Feststellung zweckmäßig ist, es nunmehr möglich wird, miniaturisierte Resonanz-optoakustische-Detektoren aufzubauen, und zwar durch Verwendung eines Puffergases mit entsprechend hohem Molekulargewicht. Ein solcher kompakter Raumtemperatur-Detektor kann beispielsweise brauchbar sein in der konventionellen und der Fourier-Infrarot-Spektroskopie und in Gaschromatographie-Infrarotanalysatoren.
Zweitens weisen die Erkenntnisse auf das Potential dieses Verfahrens als umfassendes analytisches Werkzeug hin, und zwar für die "grobe"-Massenspektrometrie und Isotopanalyse, für Gasanalyse und zur Überwachung von chemischen Reaktionen über Änderungen der Wärmekapazität und Schallgeschwindigkeit.
Es wurde ferner gezeigt, daß Mengen, wie beispielsweise Gamma und ν , nunmehr ohne weiteres durch optoakustische Spektroskopie gemessen werden können. In der Tat wird angenommen, daß dies die ersten experimentell abgeleiteten Werte für γ für ν von CO0 bei 22,5° C sind. Die Werte sind 1,279 bzw. 264,4 m/sec. Es kann auch möglich sein, daß man Virialkoeffi-
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zienten von Gasen durch Messung der Druckabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in Hochdruck-optoakustischen-Zellen mißt.
Die Erfindung hat somit eine Vielzahl ; on verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten, wie beispielsweise bei einem Grob-Massenspektrometer, Gasanalysator, Detektor für konventionelle und Fourier-infrarote (und sichtbare) Spektrometer, Detektor für gaschromatographische/infrarote Analysatoren, Detektor für Massenspektrometer/Infrarot-Analysator, miniaturisierte, akustisch resonante, optoakustische Detektoren und schließlich chemische Reaktionsüberwachungsvorrichtungen.
Es wurde somit gezeigt, daß die vorliegende Erfindung einen beträchtlichen Fortschritt auf dem optoakustischen Spektroskopie-Gebiet bringt, und zwar durch Vorsehung von Verfahren und Vorrichtungen mit erhöhter Empfindlichkeit, Flexibilität und verringerter Größe.
Die speziellen beschriebenen Parameter, Materialien und Vorrichtungen können im Rahmen der durch die Ansprüche gegebenen Lehre abgewandelt werden.
Zusammenfassend kann man sagen, daß es beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht mehr notwendig ist, die'Verwendung der laser-optoakustischen Spektroskopie auf Arten oder Spezies zu beschränken, deren Absorption der verfügbaren Laserstrahlung entspricht. Statttdessen ergibt die "Dotierung" mit einer relativ kleinen Menge eines optisch absorbierenden Gases optoakustische Signaturen der nichtabsorbierenden Materialien (Gase, Flüssigkeiten, Feststoffe und Aerosole), auf welche Weise in signifikanter Weise die Empfindlichkeit und Flexibilität der optoakustischen Spektroskopie erhöht wird.
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e e r s e 1

Claims (10)

  1. Patentansprüche
    YiJ Optoakustisches Spektroskopie-Verfahren, gekennzeichnet durch Einschließung einer gasförmigen Mischung aus einem optisch nicht absorbierenden Gas, dessen Eigenschaften bestimmt werden sollen,und eines optisch absorbierenden Gases, Hindurchleiten von gepulstem Licht durch die auf diese Weise eingeschlossene Gasmischung derart, daß mindestens ein Teil der Energie des gepulsten Lichtes durch die optisch absorbierende Gaskomponente der Mischung absorbiert wird und weitergeleitet wird an die nichtabsorbierende Gaskomponente der Mischung, was gepulste akustische Wellen zur Folge hat, und Feststellung sowie Messung der auf diese Weise erzeugten akustischen Wellen derart, daß die Schallgeschwindigkeit in der optisch nicht absorbierenden Gaskomponente, das Verhältnis ihrer spezifischen Wärme bei konstantem Druck zu der bei konstantem Volumen, ihre Wärmeleitfähigkeit, Viskosität und das Molekulargewicht bestimmt werden können.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Erzeugung des gepulsten Lichtes durch einen Laser, dessen Ausgangsgröße durch einen Zerhacker mit variabler Rate geleitet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch den zusätzlichen Schritt des Ausbildens der gasförmigen Mischung, bestehend aus dem optisch absorbierenden Gas aus CH. und dem optisch nicht absorbierenden Gas aus mindestens einem Gas, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Ne, Ar, Kr, Xe, N2, CO, N2O, 12CO2, ^3CO2 und SFg.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Laserlicht mittels eines He-Ne-Lasers mit einer 3,39 Mikrometer-Ausgangsgröße erzeugt wird.
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    ORIGINAL INSPECTED
  5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch die Veränderung der Pulsrate des gepulsten Lichts derart, daß der die Gasmischung enthaltende Hohlraum akustisch in Resonanz gerät mit der optisch nicht absorbierenden Gaskomponente der Mischung.
  6. 6. Optoakustische Spektroskopie-Vorrichtung, gekennzeichnet durch eine Absorptionszelle (10), die darinnen einen Hohlraum (11) definiert, der darinnen eine Mischung aus einem optisch absorbierenden Gas und einem optisch nicht absorbierenden Gas enthält, deren Eigenschaften zu bestimmen sind, und wobei die Zelle mit Fenstern an entgegengesetzten Enden ausgestattet ist und Lichterzeugungsmittel (15) Licht durch die Zelle leiten, und wobei ferner eine veränderbare Rate aufweisende Zerhackermittel (17) zwischen der Zelle und den Lichterzeugungsmitteln zur Erzeugung von Lichtimpulsen angeordnet sind, und wobei schließlich ein Mikrophon (20) betriebsmäßig im Hohlraum der Zelle befestigt ist und einen Ausgang aufweist, der betriebsmäßig mit einem Folge-Einrastverstärker (22) verbunden ist, der seinerseits betriebsmäßig mit einer Zerhackersteuervorrichtung und einer X-Y-Aufzeichnungsvorrichtung in Verbindung steht, welch letztere betriebsmäßig mit einem Sägezahngenerator und der Zerhackersteuervorrichtung verbunden ist, und wobei schließlich die Zerhackersteuervorrichtung betriebsmäßig mit der eine veränderbare Rate aufweisenden Zerhackervorrichtung in Verbindung steht.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Leistungsmesser (18) zum Empfang von durch die Fenster der Zelle laufendem Licht und mit Oszilloskopmitteln (19), angeordnet zum Empfang des Ausgangssignals des Leistungsmessers.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichterzeugungsmittel durch einen 3,39 Mikrometer-He-Ne-Laser gebildet sind, wobei der erwähnte Hohlraum eine Menge einer Gasmischung enthält, die aus CH--Gas und mindestens
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    einem Gas zusammengesetzt ist, welches aus der folgenden
    12
    Gruppe ausgewählt ist: Ne, Ar, Kr, Xe, N9, CO, N0O, CO0,
    13 ; Δ Δ
    C0„ und SF,-.
    2. b
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichterzeugungsmittel durch einen Laser gebildet sind, wobei der Hohlraum mit einer Mischung aus optisch absorbierendem Gas und einem optisch nicht absorbierenden Gas, dessen Eigenschaften bestimmt werden sollen, ausgestattet ist.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum zylindrisch ausgebildet ist, um in Resonanz zu kommen, wobei die Fenster aus NaCl bestehen.
    809845/0872
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