USB Spektrometer: Unterschied zwischen den Versionen

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=Optische Emissionsspektroskopie=
 
=Optische Emissionsspektroskopie=
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Die Emissionspektroskopie baut auf dem Energieübergang von Elektronen zwischen verschiedenen Energieniveaus auf. Wird ein Elektron im Atom angeregt und gelangt in ein höheres Energieniveau, so fällt es unter Emission eines Photons der Energie <math>h\nu</math> auf das Ausgangsniveau zurück. Dabei sind die Energien und die Wellenlängen der emittierten Photonen für die Elemente charakteristisch. Das heißt, man kann einer beobachteten Intensität bei einer bestimmten Wellenlänge den Übergang des Elektrons im Atom nachvollziehen. Natürlich ist dies pauschal nicht machbar, da sich viele Übergänge von verschiedenen Elementen überlagern. Daher sind genaue Überlegungen und evtl. Ausschlussverfahren notwendig. Die Datenbank [http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html NIST] ist ein Nachschlagewerk für die Übergänge von Emissionslinien. Dort werden nach Angabe eines Elements, z.B. O für Sauerstoff, die Übergänge im gewählten Wellenlängenbereich ausgegeben. Es wird zwischen Übergänge aus dem Grundzustand (gekennzeichnet durch O I) oder aus ionisierten Zuständen (O II einfach bzw. O III zweifach ionisiert) unterschieden. Die relative Linienintensität ist ebenfalls angegeben. Sie kennzeichnet aber nur die relative Intensität zu anderen Linien der gleichen Spezies, aber nicht zu Linien andere Spezie, sodass sie keine direkte Vergleichsmöglichkeit liefert.
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Emissionsspektroskopie basiert darauf, dass angeregte Elektronen durch Emission von Strahlung auf einen energetisch tiefer liegenden Zustand übergehen können.
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Die Wellenlänge und Intensität der Emissionslinien sind charakteristisch für ein Element, sodass man aus einem gemessenen Spektrum auf die enthaltenen Spezien schließen kann.
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Das 'USB2000 Miniature Fiber Optic Spectrometer' der Firma Ocean Optics bietet die Möglichkeit im Bereich von 180 nm bis 876 nm Emissionslinien aufzunehmen. Es kann über den USB-Anschluss des Computers angeschlossen und mit der Software 'Spectra Suite' von Ocean Optics ausgelesen werden. Im Folgenden soll nun die Bedienung der Software erläutert werden.
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Allerdings überlagern sich oft die Übergänge unterschiedlicher Elemente, sodass hier genaue Überlegungen zur Identifikation notwendig sind.
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In der [http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html NIST] - Datenbank können für verschiedene Elemente die Eigenschaften der Emissionslinien nachgeschlagen werden. Die möglichen Übergänge eines Elements (z.B. Sauerstoff: O) werden im gewählten Wellenlängenbereich angegeben. Dabei wird zwischen Übergängen aus dem Grundzustand (gekennzeichnet durch O I) und Übergängen aus ionisierten Zuständen (O II einfach bzw. O III zweifach ionisiert) unterschieden. Beachtet werden muss, dass nur die relative Intensität zu Linien der gleichen Spezies angegeben ist. Diese Angabe bietet also keine direkte Vergleichsmöglichkeit zwischen Emissionslinien unterschiedlicher Elemente.
  
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=USB-OES Ocean Optics USB2000=
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[[Datei:SOWAS_Usb2000_oceanoptics.jpg|thumb|upright=1.2|Verwendetes 'USB2000 Miniature Fiber Optic Spectrometer' der Firma Ocean Optics]]
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Das „USB2000 Miniature Fiber Optic Spectrometer“ der Firma Ocean Optics bietet die Möglichkeit im Wellenlängenbereich von 180 nm bis 876 nm Emissionslinien aufzunehmen. Es kann über den USB-Anschluss des Computers angeschlossen und mit der Software 'Spectra Suite' von Ocean Optics ausgelesen werden. Im Folgenden soll nun die Bedienung der Software erläutert werden.
  
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==Bedienung der Software==
 
Nach Öffnen der Software 'Spectra Suite' erscheint folgendes Fenster:
 
Nach Öffnen der Software 'Spectra Suite' erscheint folgendes Fenster:
  
  
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Das aktuelle Spektrum wird im großen Fenster angezeigt. Links davon befindet sich ein Fenster mit Geräteinformationen und Daten des Spektrometers, die bei jedem Öffnen ausgelesen werden. Klickt man mit der linken Maustaste in das Fenster, das das Spektrum anzeigt, so erscheint ein grüner Strich, der auf eine bestimmte Wellenlängen gesetzt werden kann. Sowohl die ausgewählte Wellenlänge als auch die zugehörige Intensität können unterhalb des Graphen abgelesen werden. Über das in der [[:Bild:SOWAS OES online graph.PNG|Menüleiste]] eingekreiste Symbol kann zusätzlich eine Tabelle geöffnet werden, die zu den jeweiligen Wellenlängen die gemessenen Intensitäten angibt. Über den Reiter kann zwischen der Tabelle und dem Graph gewechselt werden. So kann zum Beispiel eine bestimmte Wellenlänge beobachtet werden.
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[[Datei:SOWAS_Menueleiste_Graph.PNG|thumb|right|700px|Allgemeine Menüleiste]]
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Die Menüleiste befindet sich oberhalb des Hauptfensters, hier können im Wesentlichen zwei Einstellungen verändert werden. Die „Integration Time“ gibt die Zeit an, über der die Intensität einer einzelnen Wellenlänge integriert wird. Die Integration Time muss der jeweiligen Messaufgabe angepasst werden und kann zwischen 1 ms und mehreren Sekunden variieren. Als Faustregel gilt, dass sich bei geringeren Intensitäten längere Integrationszeiten eignen, während bei großen Intensitäten Integrationszeiten von einigen Millisekunden vorteilhaft sind. [[Datei:SOWAS_DarkReferenceSpectrum.PNG|thumb|400px|right|Aufnahme vom Referenz- und Hintergrundspektrum sowie Subtrahieren des Hintergrundspektrums]]
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Mit „Scans to average“ kann die Anzahl der Spektren zur Mittlung festgesetzt werden.
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Da immer eine gewisse Hintergrundintensität (Dark-Spektrum) vorhanden ist, sollte vor Aufnahme des eigentlichen Spektrums ein Dark-Spektrum aufgenommen werden. Das Dark-Spektrum kann über den Knopf (1) in der zum Graphen gehörenden Symbolleiste zwischengespeichert werden. Das Referenzspekrtum einer Strahlungsquelle kann über den Knopf (2) aufgenommen werden. Mit Knopf (3) kann das Spektrum der Hintergrundintensität vom aktuellen Spektrum subtrahiert werden.
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Alle Spektren können über das Disketten-Symbol in der Graph-Symbolleiste als ASCII-Datei exportiert werden.
  
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Das Fenster kann grob in drei Teile aufgeteilt werden: die Geräteinformation links, der Graph rechts und oben die Menüleiste. Im großen Fenster wird das aktuelle Emissionsspektrum angezeigt. Im linken Bereich befinden sich Daten über das USB OES, die bei jedem Öffnen ausgelesen werden. Es ist möglich über das eingekringelte Symbol in [[SOWAS_OES_online_graph.PNG]] eine Tabelle zu öffnen, in der die einzelnen Wellenlänge in der linken Spalte und in der rechten Spalte die dazugehörigen Intensitäten aufgetragen sind. Über den Reiter kann zwischen der Tabelle und dem Graph gewechselt werden. So kann zum Beispiel eine bestimmte Wellenlänge beobachtet werden. Klickt man mit der linken Maustaste in das Fenster des Graphen, erscheint ein senkrechter grüner Strich. Dieser kann auf eine Wellenlänge gesetzt werden. Sowohl die Wellenlänge als auch die zugehörige Intensität können unterhalb des Graphen abgelesen werden.
 
  
  
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[[Datei:SOWAS_Menueleiste_Graph.PNG]]
 
  
  
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In der Menüleiste gibt es zwei Einstellungen, die verändert werden können. Zum einen kann die 'Integration time' eingestellt werden. Dieses ist die Zeit, über die die Intensität der einzelnen Wellenlängen integriert werden. Sie kann zwischen 1 ms und mehreren Sekunden variiert werden. Die Integrationszeit richtet sich allgemein an der Messaufgabe. Als Faustregel gilt, dass bei geringen Intensitäten eignen sich längere Integrationszeiten, bei großen Intensitäten sind entsprechend Integrationszeiten von einigen millisekunden vorteilhaft.
 
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Da immer eine gewisse Hintergrundinsität (Dark-Spektrum) zu sehen ist, sollte das Dark-Spektrum aufgenommen werden. Dazu wird das Dark-Spektrum über den Knopf (2) in der zum Graphen zugehörigen Symbolleiste in den Zwischenspeicher geschrieben. Anschließend kann es vom aktuellen Spektrum subrahiert werden (3). Ein Referenzspektrum von einer Strahlungsquelle wird über (2) in den Zwischenspeicher geschrieben. Dieses kann, genau wie das Hintergrund- und das allgemeine Spektrum, als ASCII-Datei exportiert werden. Dies erfolgt über das Disketten-Symbol in der Graph-Symbolleiste. Zunächst muss das gewünschte Spektrum (allgemeines, Hintergrund- oder Referenz-Spektrum) ausgewählt und einen Speicherpfad ('Filename') muss eingegeben werden. Als 'File Type' bietet sich am besten Tab Delimited an, da dieses Format in Origin oder qtiplot problemlos geöffnet werden kann.
 
  
  
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[[Datei:SOWAS_DarkReferenceSpectrum.PNG]]
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Hierzu muss zunächst das gewünschte Spektrum (allgemeines Spektrum, Hintergrund- oder Referenz-Spektrum) ausgewählt und einen Speicherpfad ('Filename') eingegeben werden. Als 'File Type' bietet sich „Tab delimited“ an, da dieses Format von Programmen wie „Origin“ oder „qtiplot“ problemlos geöffnet werden kann.
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Zunächst muss das gewünschte Spektrum (allgemeines, Hintergrund- oder Referenz-Spektrum) ausgewählt und einen Speicherpfad ('Filename') muss eingegeben werden. Als 'File Type' bietet sich am besten Tab Delimited an, da dieses Format in Origin oder qtiplot problemlos geöffnet werden kann.
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|[[Datei:SOWAS_SaveOneSpectrum.PNG|390px|thumb|left|Das zu speichernde Spektrum auswählen]] 
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|[[Datei:SOWAS_SaveOneSpectrum2.PNG|390px|thumb|right|Speicherort und Name sowie Dateiformat angeben]]
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Will man mehrere Scans hintereinander in getrennten Dateien abspeichern, so gibt es die Möglichkeit über Strg' + s oder 'File'  'Save'  'Save Spektrum' ein weiteres Fenster zu öffnen, in dem die gewünschten Speichereinstellungen vorgenommen werden können.
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[[Datei:SOWAS_SaveSpectrum.PNG|700px|thumb|left|Abspeichern mehrerer Spektren nacheinander]]
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Ist es nun erwünscht, mehrere scans hintereinander in getrennten Dateien abzuspeichern, so gibt es die Möglichkeit über ''Strg''' + s oder 'File'<math>\rightarrow</math> 'Save' <math>\rightarrow</math> 'Save Spektrum' ein weiteres Fenster zu öffnen.
 
  
  
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[[Datei:SOWAS_SaveSpectrum.PNG]]
 
  
  
 
In diesem Fenster können nun die Speichereinstellungen vorgenommen werden.
 
In diesem Fenster können nun die Speichereinstellungen vorgenommen werden.
  
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[[Bild:SOWAS_SaveSpectrum2.PNG|thumb|800px|left|Optionen für das Abspeichern mehrerer Spektren nacheinander]]
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In dem sich öffnenden Fenster kann unter 'Save Options' gewählt werden ob jeder Scan, jeder n-te Scan oder zeitversetzte Scans gespeichert werden sollen.
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Außerdem kann die gesamte Anzahl der aufzunehmenden Scans oder die Aufnahmedauer festgesetzt werden. Auf der rechten Seite des Fensters kann der Datei-Typ und das Zielverzeichnis ausgewählt werden. Unter 'Padding-Digits' wird die Nummerierung der Dateien gewählt (1;01;001 etc.).
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=Bestimmung der Gastemperatur, Aktinometrie=
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==Gastemperatur==
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Die Gastemperatur kann über das spektralprofil ermittelt werden, wenn ein Doppler-Profil vorliegt. Bei niedrigen Drücken sind die beobachteten Spektrallinien in ihrer Wellenlänge verschoben. Da die angeregten Atome nicht ruhen, wenn sie Energie abstrahlen, können sie sich mit einer Geschwindigkeitskomponente zum Detektor hin bewegen oder davon weg. Dadurch entsteht, wie bei Schallwellen, eine Verschiebung der Wellenlänge.
  
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[[Bild:SOWAS_SaveSpectrum2.PNG]]
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==Aktinometrie==
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Es können im Plasma unterschiedliche Plasmaparameter bestimmt werden. Dazu gehören zum Beispiel die Elektronentemperatur. Hierbei müssen die unterschiedlichen Wirkungsquerschnitte der beobachteten Linien beachtet werden.
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Die Aktinometrie wurde um 1990 von Coburn und Chen eingeführt. Sie beruht auf der Beimischung eines Verunreinigungsgases, das in geringer Menge beigeführt wird. Nun beobachtet man Strahlung aus angeregten Niveaus des beigefügten Gases und des zu untersuchenden Arbeitsgases. Haben die oberen Niveaus der beiden beobachteten Linien nahezu die gleiche Anregungsenergie, ist ihre Besetzung im Wesentlichen durch Elektronenstöße im Grundzustand bestimmt. Die Entleerung der Niveaus findet durch spontane Emission statt.  
  
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<math>n_r = \dot{n}_{ph;r}\cdot \frac{A_{i;r}}{A_{ik;r}}\frac{1}{n_e <\sigma_r v>}</math>
  
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In dem sich öffnenden Fenster kann unter 'Save Options' gewählt werden ob jeder scan, jeder n-te scan oder zeitversetzt scans gespeichert werden sollen. Darunter liegend kann die gesamte Anzahl der scans, die vorgenommen werden sollen, oder die Zeit, wie lange das Abspeichern der scans vorgenommen werden soll, eingestellt werden. Auf der rechten Hälfte des Fenters ('File Options') kann wiederum der Datei-Typ und das Zielverzeichnis ausgewählt werden. Unter 'Padding-Digits' wird die Nummerierung der Dateien gewählt (1,01,001 etc.).
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Hierfür müssen allerdings <math>n_e</math> und <math>T_e</math> bekannt sein. <math><\sigma_r v></math> stellt die Anregungsrate dar, <math>{A_{ik;r}}</math> ist die Übergangsrate vom Niveau i zu k des Atoms r.

Aktuelle Version vom 27. März 2010, 17:44 Uhr

Optische Emissionsspektroskopie

Emissionsspektroskopie basiert darauf, dass angeregte Elektronen durch Emission von Strahlung auf einen energetisch tiefer liegenden Zustand übergehen können. Die Wellenlänge und Intensität der Emissionslinien sind charakteristisch für ein Element, sodass man aus einem gemessenen Spektrum auf die enthaltenen Spezien schließen kann. Allerdings überlagern sich oft die Übergänge unterschiedlicher Elemente, sodass hier genaue Überlegungen zur Identifikation notwendig sind. In der NIST - Datenbank können für verschiedene Elemente die Eigenschaften der Emissionslinien nachgeschlagen werden. Die möglichen Übergänge eines Elements (z.B. Sauerstoff: O) werden im gewählten Wellenlängenbereich angegeben. Dabei wird zwischen Übergängen aus dem Grundzustand (gekennzeichnet durch O I) und Übergängen aus ionisierten Zuständen (O II einfach bzw. O III zweifach ionisiert) unterschieden. Beachtet werden muss, dass nur die relative Intensität zu Linien der gleichen Spezies angegeben ist. Diese Angabe bietet also keine direkte Vergleichsmöglichkeit zwischen Emissionslinien unterschiedlicher Elemente.

USB-OES Ocean Optics USB2000

Verwendetes 'USB2000 Miniature Fiber Optic Spectrometer' der Firma Ocean Optics

Das „USB2000 Miniature Fiber Optic Spectrometer“ der Firma Ocean Optics bietet die Möglichkeit im Wellenlängenbereich von 180 nm bis 876 nm Emissionslinien aufzunehmen. Es kann über den USB-Anschluss des Computers angeschlossen und mit der Software 'Spectra Suite' von Ocean Optics ausgelesen werden. Im Folgenden soll nun die Bedienung der Software erläutert werden.





Bedienung der Software

Nach Öffnen der Software 'Spectra Suite' erscheint folgendes Fenster:


Angezeigtes Fenster bei Öffnen der OES-Software



























Das aktuelle Spektrum wird im großen Fenster angezeigt. Links davon befindet sich ein Fenster mit Geräteinformationen und Daten des Spektrometers, die bei jedem Öffnen ausgelesen werden. Klickt man mit der linken Maustaste in das Fenster, das das Spektrum anzeigt, so erscheint ein grüner Strich, der auf eine bestimmte Wellenlängen gesetzt werden kann. Sowohl die ausgewählte Wellenlänge als auch die zugehörige Intensität können unterhalb des Graphen abgelesen werden. Über das in der Menüleiste eingekreiste Symbol kann zusätzlich eine Tabelle geöffnet werden, die zu den jeweiligen Wellenlängen die gemessenen Intensitäten angibt. Über den Reiter kann zwischen der Tabelle und dem Graph gewechselt werden. So kann zum Beispiel eine bestimmte Wellenlänge beobachtet werden.

Allgemeine Menüleiste




Die Menüleiste befindet sich oberhalb des Hauptfensters, hier können im Wesentlichen zwei Einstellungen verändert werden. Die „Integration Time“ gibt die Zeit an, über der die Intensität einer einzelnen Wellenlänge integriert wird. Die Integration Time muss der jeweiligen Messaufgabe angepasst werden und kann zwischen 1 ms und mehreren Sekunden variieren. Als Faustregel gilt, dass sich bei geringeren Intensitäten längere Integrationszeiten eignen, während bei großen Intensitäten Integrationszeiten von einigen Millisekunden vorteilhaft sind.
Aufnahme vom Referenz- und Hintergrundspektrum sowie Subtrahieren des Hintergrundspektrums

Mit „Scans to average“ kann die Anzahl der Spektren zur Mittlung festgesetzt werden. Da immer eine gewisse Hintergrundintensität (Dark-Spektrum) vorhanden ist, sollte vor Aufnahme des eigentlichen Spektrums ein Dark-Spektrum aufgenommen werden. Das Dark-Spektrum kann über den Knopf (1) in der zum Graphen gehörenden Symbolleiste zwischengespeichert werden. Das Referenzspekrtum einer Strahlungsquelle kann über den Knopf (2) aufgenommen werden. Mit Knopf (3) kann das Spektrum der Hintergrundintensität vom aktuellen Spektrum subtrahiert werden. Alle Spektren können über das Disketten-Symbol in der Graph-Symbolleiste als ASCII-Datei exportiert werden.




Hierzu muss zunächst das gewünschte Spektrum (allgemeines Spektrum, Hintergrund- oder Referenz-Spektrum) ausgewählt und einen Speicherpfad ('Filename') eingegeben werden. Als 'File Type' bietet sich „Tab delimited“ an, da dieses Format von Programmen wie „Origin“ oder „qtiplot“ problemlos geöffnet werden kann. Zunächst muss das gewünschte Spektrum (allgemeines, Hintergrund- oder Referenz-Spektrum) ausgewählt und einen Speicherpfad ('Filename') muss eingegeben werden. Als 'File Type' bietet sich am besten Tab Delimited an, da dieses Format in Origin oder qtiplot problemlos geöffnet werden kann.

Das zu speichernde Spektrum auswählen
Speicherort und Name sowie Dateiformat angeben

Will man mehrere Scans hintereinander in getrennten Dateien abspeichern, so gibt es die Möglichkeit über Strg' + s oder 'File' 'Save' 'Save Spektrum' ein weiteres Fenster zu öffnen, in dem die gewünschten Speichereinstellungen vorgenommen werden können.

Abspeichern mehrerer Spektren nacheinander









In diesem Fenster können nun die Speichereinstellungen vorgenommen werden.

Optionen für das Abspeichern mehrerer Spektren nacheinander




























In dem sich öffnenden Fenster kann unter 'Save Options' gewählt werden ob jeder Scan, jeder n-te Scan oder zeitversetzte Scans gespeichert werden sollen. Außerdem kann die gesamte Anzahl der aufzunehmenden Scans oder die Aufnahmedauer festgesetzt werden. Auf der rechten Seite des Fensters kann der Datei-Typ und das Zielverzeichnis ausgewählt werden. Unter 'Padding-Digits' wird die Nummerierung der Dateien gewählt (1;01;001 etc.).

Bestimmung der Gastemperatur, Aktinometrie

Gastemperatur

Die Gastemperatur kann über das spektralprofil ermittelt werden, wenn ein Doppler-Profil vorliegt. Bei niedrigen Drücken sind die beobachteten Spektrallinien in ihrer Wellenlänge verschoben. Da die angeregten Atome nicht ruhen, wenn sie Energie abstrahlen, können sie sich mit einer Geschwindigkeitskomponente zum Detektor hin bewegen oder davon weg. Dadurch entsteht, wie bei Schallwellen, eine Verschiebung der Wellenlänge.

Aktinometrie

Es können im Plasma unterschiedliche Plasmaparameter bestimmt werden. Dazu gehören zum Beispiel die Elektronentemperatur. Hierbei müssen die unterschiedlichen Wirkungsquerschnitte der beobachteten Linien beachtet werden. Die Aktinometrie wurde um 1990 von Coburn und Chen eingeführt. Sie beruht auf der Beimischung eines Verunreinigungsgases, das in geringer Menge beigeführt wird. Nun beobachtet man Strahlung aus angeregten Niveaus des beigefügten Gases und des zu untersuchenden Arbeitsgases. Haben die oberen Niveaus der beiden beobachteten Linien nahezu die gleiche Anregungsenergie, ist ihre Besetzung im Wesentlichen durch Elektronenstöße im Grundzustand bestimmt. Die Entleerung der Niveaus findet durch spontane Emission statt.

n_r = \dot{n}_{ph;r}\cdot \frac{A_{i;r}}{A_{ik;r}}\frac{1}{n_e <\sigma_r v>}

Hierfür müssen allerdings n_e und T_e bekannt sein. <\sigma_r v> stellt die Anregungsrate dar, {A_{ik;r}} ist die Übergangsrate vom Niveau i zu k des Atoms r.

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