Grundlagen
Es gibt kaum ein physikalisches Phänomen, das eine so breite Anwendung in der Analysentechnik gefunden hat wie die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit Materie. Die wichtigsten Vorteile sind eine kontinuierliche, berührungslose, zerstörungsfreie und zeitnahe Messung im laufenden Produktionsprozess.
Begriffe
- Spektrum: Zeigen Spektrum: Schließen
Elektromagnetische Strahlung ist im allgemeinen ein Gemisch vieler kleiner Energiepakete. Diese Pakete, auch Photonen genannt, lassen sich nach ihrer Energie sortieren. Jedes Photon verhält sich dabei so wie eine Welle mit einer bestimmten Frequenz und Wellenlänge. Falls es sich bei der Strahlung um sichtbares Licht handelt, entspricht jeder Wellenlänge eine bestimmte Farbe. Zum Beispiel entsprechen die Wellenlängen von 444, 555 und 666 Nanometern den Farben blau, grün und rot. Weißes Licht ist ein Gemisch, in dem alle Farben vorkommen.
Ein Spektrum ist eine Darstellung, welche Wellenlängen in einem Strahlungsfeld wie stark vertreten sind. Ein Beispiel ist das Spektrum der Sonnenstrahlung. Sichtbares Licht wird von der Sonne besonders stark erzeugt. Aber auch ultraviolette und infrarote Strahlung sind in der Sonnenstrahlung vertreten.
- Wellenlänge: Zeigen Wellenlänge: Schließen
Elektromagnetische Strahlung entsteht durch die Ausbreitung zweier gekoppelter schwingender Felder, eines elektrischen und eines magnetischen Feldes. Die Wellenlänge eines Strahlungspakets ist der Abstand zwischen zwei Maxima (oder Minima) ihrer Schwingung. Sie lässt sich in die Schwingungsfrequenz oder Energie umrechnen. Die Wellenlänge wird normalerweise in Metern oder in Untereinheiten von Metern (wie Zentimeter, Mikrometer oder Nanometer) gemessen. Sichtbares Licht hat Wellenlängen von 400 bis 700 Nanometer.
- Absorption: Zeigen Absorption: Schließen
Wenn Licht (elektromagnetische Strahlung) auf Materie trifft, kann es passieren, dass die Materie Teile der Strahlung verschluckt. Dieser Vorgang heißt Absorption. Jede Sorte von Materie (Atome, Moleküle, Kristalle, Plasmen..) absorbieren ganz bestimmte Wellenlängen der Strahlung. Das hängt z.B. ganz davon ab, wie die Elektronen in der Materie verteilt sind oder wie beweglich die festen Bestandteile der Materie in ihrem Verbund sind. Wenn man ein bekanntes Spektrum durch eine Probe schickt, kann man anhand des gemessenen Spektrums hinter der Probe oft erkennen, welche Substanzen in der Probe enthalten sind. Bei guter Kalibrierung sind dabei auch sehr genaue quantitative Aussagen möglich.
- Transmission: Zeigen Transmission: Schließen
Transmission ist der Prozess, Licht (elektromagnetische Strahlung) durch eine Probe hindurch laufen zu lassen. Üblicherweise wird das hineingeschickte Spektrum mit dem hindurchgelaufenen Spektrum verglichen, um Absorption in der Probe zu erkennen und daraus Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften der Probe zu gewinnen. Zu beachten ist, dass Teile der hineingeschickten Strahlung auch reflektiert oder gestreut werden können, statt absorbiert zu werden. Solche Effekte können durch geeignete spektrale Kalibrierung kompensiert werden. Falls die Probe so dicht ist, dass sie undurchsichtig wird, ist sie für Transmissionsmessungen ungeeignet. Dann bieten sich Reflexionsmessungen an.
- Reflexion: Zeigen Reflexion: Schließen
Reflexion findet statt, wenn Licht (elektromagnetische Strahlung) auf eine Probe trifft und zurückgeworfen wird, statt in die Probe einzudringen. Reflexion kann diffus erfolgen (gleichmäßig in alle Richtungen, wie bei Sand) oder wie an einem Spiegel (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel). Zwischenstufen sind allerdings die Regel. Die Reflexion ist wellenlängenabhängig, da es in der Regel immer gewisse Wellenlängen gibt (nicht unbedingt sichtbares Licht), die trotzdem in die Probe eindringen oder an ihrer Oberfläche absorbiert werden. Daher lassen sich auch Reflexionsmessungen dazu nutzen, Materialeigenschaften von Proben zu untersuchen.
Durch die Verwendung unterschiedlicher Spektralbereiche und Selektion geeigneter Wellenlängen sind Informationen über eine Vielzahl der Eigenschaften der absorbierenden Komponenten erfassbar.
Unsere Analysensystem sind vielfältig einsetzbar und können an verschiedene Umgebungsbedingungen angepasst werden. Die Optik ist durch die Verwendung von Tempax, Quarzglas oder Saphir einfach, wenig fehleranfällig und wartungsarm. Messungen im Reaktor sind durch Verwendung von Lichtleitertechnologie möglich.
Messprinzipien
Transmission (Gerätetypen TMK-550 oder 480CT)
Transmissionsmessungen eignen sich zur Untersuchung von Flüssigkeiten und Gasen. Der Lichtstrahl durchdringt dabei eine mit Flüssigkeit oder mit Gas gefüllte Küvette, die eine definierte Schichtdicke besitzt. Die durchgelassene Strahlung enthält die spektralen Informationen über die Bestandteile der Probe. Zusätzlich kann die Probentemperatur (bei Gasen auch der Druck) erfasst und mathematisch kompensiert werden.
Vorteile: Genau definierte Bedingungen und eine hohe Energieausbeute.
Diffuse Reflexion (Gerätetypen RMK10 oder RMK24)
Diese Methode wird in erster Linie zur Untersuchung von pulverförmigen Proben, aber auch für alle andere Feststoffe wie Papier, Stahlband, Granulate, Gele und Pasten eingesetzt.
Die NIR-Strahlung fällt auf die Probe und wird von den Teilchen gebeugt bzw. reflektiert. Die reflektierte Strahlung enthält die spektralen Informationen über die Bestandteile der Probe.
Vorteile: chemische und physikalische Informationen ohne Probenvorbereitung.
Transflexion (Gerätetyp RMK-9T)
Für den Spezialfall der Folienmessung werden Reflexion und Transmission kombiniert. Die NIR-Strahlung durchdringt die Probe, wird an einem Spiegel reflektiert und durchdringt die Probe ein zweites Mal.
Vorteil: Erhöhte Empfindlichkeit durch verdoppelten Messweg.