Licht - Quellen als Wellenlängen - Standards

Zur Gewinnung von Informationen über die chemische Zusammensetzung von Proben mittels ihrer Spektren müssen zu den darin auftretenden Linien und Banden deren Wellenlängen ermittelt werden. Dies geschieht durch Vergleich des Spektrums einer Probe mit dem einer Lichtquelle, die Spektrallinien bekannter Wellenlängen erzeugt (Kalibrierlichtquelle). Solche Linien erlauben die Erstellung eines Diagramms oder die Ermittlung einer mathematischen Funktion, die den Zusammenhang zwischen Ortsposition in einem Spektrum und zugehöriger Licht - Wellenlänge beschreibt (Kalibrierdiagramm oder Kalibrierfunktion). So können den von einer Probe erzeugten spektralen Mustern Wellenlängen und, unter Hinzuziehung von Tabellen - Werken, chemische Substanzen zugeordnet werden.

Auch kommerzielle Spektralanalyse - Geräte, die im Herstellwerk bereits Wellenlängen - kalibriert wurden, sollten ab und zu mittels Kalibrierspektren liefernden Licht - Quellen auf die Zuverlässigkeit der werksseitigen Kalibrierung kontrolliert werden. Temperatur - Schwankungen oder mechanische Erschütterungen können Material - Verformungen und dadurch Änderungen der Positionen der optischen Komponenten in einem Gerät bewirken, was eine Änderung des Zusammenhangs zwischen der Position eines Licht registrierenden Detektors und der Licht - Wellenlänge zur Folge haben kann. In diesem Fall muss dieser Zusammenhang neu ermittelt, das betreffende Gerät also nachkalibriert werden.

Beim Vergleich von selbst aufgenommenen Spektren - Photos oder Spektrogrammen mit in der Literatur veröffentlichten muss auf die Form einer Wellenlängenskala geachtet werden. In Literatur - Dokumenten sind meistens die Skalen so gestaltet, dass über das gesamte Spektrum hinweg gleiche Abstände zwischen den Skala - Marken gleichen Wellenlängen - Intervallen entsprechen. Bei einem mit einem Prisma - Spektralanalyse - Gerät aufgenommenen Spektrum liegen auf der primären Skala die Marken für gleiche Wellenlängen - Intervalle im Blauen weiter auseinander als im Roten. Ein Beispiel hierfür ist in einem anderen Kapitel zu finden [39]. Dieser Umstand muss bei der Identifizierung von Spektrallinien in selbst aufgenommenen Kalibrierspektren mittels Literatur - Spektren berücksichtigt werden.

Wie die Linienspektren der nachfolgend erwähnten Kalibrierlichtquellen zur Wellenlängen - Kalibrierung von Spektralanalyse - Geräten verwendet werden, ist in einem anderen Kapitel beschrieben [39].

Referenz - Spektren oder Spektrallinien - Daten, die bei der Prüfung der Verwendbarkeit einer Licht - Quelle für Kalibrierzwecke hilfreich sein können, sind in anderen Veröffentlichungen zu finden. Eine Bibliographie hierzu ist im Kapitel "Spektren - Bibliographie" enthalten.

Einige leicht erhältliche und billige, für Kalibrierzwecke geeignete Lampen, siehe unten, sind mit in haushaltsübliche Fassungen passenden Schraubsockeln (E 14 und E 27) ausgestattet. Zwar dürften die meisten Lampengehäuse viel zu sperrig für Selbstbau - Geräte zur Spektralanalyse sein. Im Elektronik - und Elektrobedarf - Handel sind aber nackte Fassungen ohne Lampenschirme erhältlich.

In der Regel werden als Kalibrierlichtquellen Gasentladungsröhren verwendet, da deren Spektrallinien die schärfsten Wellenlängen - Markierungen bieten. Zur Optimierung der Abbildung oder Registrierbarkeit solcher Linien ist meist die Regelung der Intensität der Belichtung oder der Empfindlichkeit von Detektoren in Analyse - Geräten erforderlich. Bei zu schwacher Belichtung können lichtschwache Spektrallinien im Spektrum - Photo oder im Spektrogramm fehlen. Bei zu starker Belichtung können Linien durch Überstrahlung ihrer Umgebung verbreitert erscheinen und schwache Nachbarlinien verdecken. Auch wird bei Erreichen des Sättigungsbereiches eines Licht - Empfängers wegen Überbelichtung die Lokalisierung des Intensitätsmaximums einer Linie weniger genau, was Kalibrierungen erschwert, und die Zunahme der Helligkeit einer Linie mit zunehmender Konzentration des verursachenden Inhaltsstoffs einer Probe sehr gering, was die Nutzbarkeit dieses Zusammenhangs für quantitative chemische Analysen verringert. Die Helligkeitsregelung bei Entladungsröhren ist durch Variation der Betriebsspannung nur begrenzt möglich, da diese bestimmte Mindestspannungen und -ströme benötigen.

Werden in Spektralanalyse - Geräten Licht - Empfänger eingesetzt, die einfallendes Licht simultan und kontinuierlich in elektrische Signale umsetzen, was auch für die Augen als Spektroskopie - Detektoren zutrifft, ist die Belichtung mit Kalibrierlicht aus Gasentladungslampen wie folgt regulierbar:

• Variation der Entfernung zwischen Licht - Quelle und Eintrittsspalt des Spektralanalyse - Geräts.

• Anbringen farbneutraler Graufilter vor der Licht - Quelle [22].

• Anbringen von Spalt - Blenden, entweder in Form von auswechselbaren Festbreite - Blenden oder in Form einer Blende mit verstellbarer Breite. In jedem Fall muss eine solche Blende die gleiche Ausrichtung ihres Spalts aufweisen wie die Spalt - Blende am Eingang des Spektralanalyse - Gerätes.

• Wechsel zwischen verschieden hohe Betriebsleistungen (Wattagen) aufnehmenden Licht - Quellen eines Typs, was vor Allem bei handelsüblichen Leuchtstoff - Lampen leicht möglich ist, da sie in mehreren Watt - Stufen erhältlich sind.

• Verwendung dimmbarer Leuchtstoff - Lampen.

• Die Helligkeit einer Glimmlampe kann mit einem regelbaren Vorwiderstand zwischen der bei Mindestbrennstrom und der bei maximal zulässigem Dauerstrom reguliert werden.

Wird ein Photo - Film oder ein elektrische Ladung als Maß für die empfangene Licht - Energie sammelnder, also zwischen Signalenergie - Sammlung und Messwert - Weiterleitung wechselnder Detektor zur Aufnahme von Spektren verwendet, können über die oben genannten hinaus folgende weitere Methoden zur Belichtungssteuerung verwendet werden:

• Einschalten der Licht - Quelle für eine variable Zeit. Wiederholtes Einschalten für kurze Brennphasen vertragen am ehesten noch einfache Glimmlampen, für normale Leuchtstoff - Lampen ist dies ziemlich schädlich.

• Öffnung einer vor der Licht - Quelle angebrachten Verschluss - Blende für ein bestimmtes Zeit - Intervall.

Eine Manipulation der Helligkeit eines Kalibrierspektrums über die Variation der Licht - Empfindlichkeit eines Licht - Empfängers (ISO - Wert - Wahl bei Photo - Filmen oder Digital - Kameras) dürfte weniger praktikabel sein, da diese Empfindlichkeit vor Allem auf die Erfassung des Spektrums einer Probe im Rahmen einer chemischen Analyse abgestimmt werden muss.

Sind sehr schwache und sehr starke Spektrallinien einer Kalibrierlichtquelle nicht gut erkennbar in einem einzigen Spektrum - Bild darstellbar, können auch zwei unterschiedlich helle Kalibrierspektren gemeinsam abgebildet werden, eines oberhalb und eines unterhalb des Probenspektrums.

 

Licht - Quellen, die Ultraviolett (UV) - Strahlung emittieren, sollten wegen deren Augen - und Haut - schädigender Wirkung im leuchtenden Zustand nur durch eine UV - Schutzbrille betrachtet und durch Abschirmung auf einen auf das Notwendige beschränkten Abstrahlstrom abgeblendet werden [31]. Außerdem sollten beim Hantieren mit leuchtenden UV - Lampen der Körper möglichst vollständig durch Kleidung und die Hände durch Handschuhe bedeckt sein. Infrarot (IR) - Licht kann nach langer Einwirkung Trübung der Augenlinse ("Grauer Star") bewirken. Auch IR - Schutzbrillen sind kommerziell erhältlich [31], manche bieten zugleich UV - Schutz. Bei häuslichen Experimenten sollte sichergestellt werden, dass Personen mit verringerter Erkenntnisfähigkeit für Risiken (Kinder, psychisch veränderte Menschen) nicht selbstständig Lampen einschalten, die gefährliche UV - oder IR - Strahlung abgeben. Licht - Quellen, die hohe Temperaturen erreichen, sind potentielle Brandstifter und sollten nie ohne Aufsicht eingeschaltet bleiben.

 

Das Bild links zeigt eine UV - Schutzbrille in Form einer Überbrille, die über einer Korrekturbrille getragen werden kann [33]. Das Tragen mittels elastischem Kopfband umgeht Kollisionen mit den Bügeln einer Korrekturbrille und hält die Schutzbrille immer an das Gesicht angedrückt. Normalsichtige könnten auch einfache Schutzbrillen verwenden, doch auch bei ihnen bieten Überbrillen einen etwas ausgedehnteren Haut - Schutz. Einen solchen für das gesamte Gesicht und den Hals bieten Schutzvisiere. Es sollten nur Schutzbrillen mit zertifizierten Sichtscheiben getragen werden, deren Zertifikat - Daten auf den Scheiben vermerkt sind.

Aufnahme von Kalibrierspektren

Bei der Aufnahme eines Probenspektrums mit einem Spektrographen ist die gleichzeitige Aufahme eines Kalibrierspektrums am gebräuchlichsten. An die Grenzlinie zwischen beiden Spektren anstoßende Spektrallinien aus diesen erlauben die Bestimmung der relativen Linien - Positionen mittels einem einzigen, für beide Spektren gültigen Messlineal. Die dazu erforderlichen Positionierungen von Probenlicht - Quelle und Kalibrierlicht - Quelle so, dass die Licht - Ströme beider in der Ebene der Eingangsspalt - Öffnung aneinandergrenzen, erfordert allerdings einen gewissen technischen Aufwand. Zwar ist auch eine Überlappung beider Spektren tolerierbar, doch müssen dann bei der Auswertung die Spektrallinien der Probenlicht - Quelle und die der Kalibrierlicht - Quelle sorgfältig auseinander gehalten werden.

Besonders bei der Spektrographie mit Digital - Kameras, aber auch der mit Silberfilm - Kameras mit der Möglichkeit einer Doppelbelichtung eines Film - Bildes, kann ein Kalibrierspektrum auch zeitlich getrennt von einem Probenspektrum aufgenommen werden. Im Fall der Doppelbelichtung erscheinen beide Spektren auf demselben Photo und können wie oben für den Fall einer gleichzeitigen Aufnahme erwähnt ausgewertet werden. In mit einer Digital - Kamera auf 2 getrennten Photos aufgenommenen Spektren einer Probe und einer Kalibrierlicht - Quelle können mittels eines Bild - Bearbeitungsprogramms, das die Position eines Bild - Pixels als x - und y - Koordinate anzeigen kann, die Koordinaten und damit die Positionen der Spektrallinien zunächst für jedes Photo getrennt ermittelt werden. Ist die Anordnung der optischen Teile des eingesetzten Spektrographen bei beiden Bild - Aufnahmen genügend gleich geblieben, können die Positionen der Spektrallinien beider Spektren auf einem gemeinsamen Messlineal vereint dargestellt werden. Alternativ kann mittels Bild - Bearbeitung auch ein Ausschnitt aus einem der beiden Spektren in das jeweils andere Spektrum einkopiert werden, wenn beide Spektren auf ihrem jeweiligen Ausgangsphoto exakt waagerecht liegen und im synthetisierten Bild die Pixel mit gleichen x - Koordinate - Werten beider Ausgangsbilder exakt übereinander liegen. Hierzu kann vor einer solchen Manipulation in beiden Spektrenphotos je eine senkrechte Markierlinie mit jeweils gleicher x - Koordinate eingezeichnet werden. Der einkopierte Spektrum - Ausschnitt kann dann so verschoben werden, dass dessen Markierlinie genau an die des den Ausschnitt aufnehmenden zweiten Spektrums stößt. Ob die Positionen der optischen Teile eines Spektrographen während zweier zeitlich versetzter Spektrum - Photo - Aufnahmen genügend gleichbleibend gewesen sind kann festgestellt werden durch Vergleich der Positionen zweier möglichst weit auseinander liegenden Spektrallinien in einem vor und in einem nach dem Probenspektrum aufgenommen Spektrum der Kalibrierlicht - Quelle. Die x - Koordinaten dieser Linien sollten in beiden Photos gleich sein. Mit einer Test - Spektrallinie alleine könnte es passieren, dass diese trotz einer Änderung der Gerätegeometrie zwar zufällig die ursprüngliche Position behalten hat, der Rest des Spektrums jedoch nicht.

Sonnenlicht

Das von der glühenden Sonnenmaterie abgestrahlte (emittierte) Licht wird beim Durchlaufen der kühleren Sonnenatmosphäre und der Erdatmosphäre von darin befindlichen Atomen, Ionen oder Molekülen zum Teil verschluckt (absorbiert). Da diese chemischen Species nur in sehr schmalen Wellenlänge - Bereichen absorbieren, erscheinen diese Bereiche in einem UV - VIS - Spektrum - Photo des Sonnenlichts als relativ scharfe dunkle Linien oder Banden (Absorptionslinien oder -banden). Nach ihrem Erforscher Joseph von Fraunhofer werden diese Absorptionsmuster auch "Fraunhofersche Linien" genannt.

Da durch direkte Bestrahlung mit Sonnenlicht empfindliche Licht - Registriervorrichtungen von Spektralanalyse - Geräten beschädigt werden können, sollte die Aufnahme eines Sonnenspektrums nur mit abgeschwächtem Licht erfolgen. Am einfachsten geschieht Dies durch Ausrichtung des Spaltes eines Spektralanalyse - Gerätes auf den blauen Himmel oder eine helle Wolke. Wird zur Registrierung schwächerer Absorptionslinien intensiveres Sonnenlicht benötigt, kann Dieses durch ein vor dem Spalt angebrachtes Neutralgrau - Filter, auch in Form eines diffus belichteten Schwarzweiß - Kleinbild - oder Dia - Films, auf eine gewünschte Intensität abgeschwächt werden. Diffuse Belichtung kann erreicht werden durch Belichtung eines Film - Bildes ohne Kamera - Objektiv oder mit Transparentpapier vor dem Objektiv oder durch Aufnahme des blauen Himmels, einer einheitlich getönten Wolke oder einer einheitlich getönten sonstigen Fläche. Durch Vergleich der Fraunhoferschen Linien eines derart aufgenommenen Sonnenlicht - Spektrums mit einem in der Literatur veröffentlichten Spektrum kann zu einer Linie im selbst aufgenommenen Sonnelicht - Spektrum die Wellenlänge zunächst anhand ihrer Lage im blauen, grünen, gelben oder roten Spektralbereich grob eingegrenzt und danach anhand der Abstände der Linie von benachbarten Linien und durch Vergleich der unterschiedlichen Absorptionsintensitäten der Linien genauer bestimmt werden [44][45][46][47][48]. Achtung: In manchen Tabellen sind Wellenlängen oder Kennzeichen der Linien unterschiedlich angegeben [40][41]. Es sollten also bei der Nutzung der Linien für Kalibrierzwecke mindestens 2 voneinander unabhängige Linien - Tabellen zu Rate gezogen werden.

Neodym - Glas - Lampen

Zur Erzielung bestimmter Farbeffekte an Zimmerpflanzen sind, zum Beispiel unter dem Begriff "Pflanzenlichtlampe", Glühlampen im Handel, deren Kolbenglas das chemische Element Neodym (Nd) enthält. Das in die Glas - Matrix eingebettete Nd - Ion absorbiert das vom Glühfaden emittierte Licht in bestimmten Wellenlängen - Bereichen (Absorptionsbanden). Im Absorptionsspektrogramm des Lampenlichts erscheinen diese Bereiche als schmale Gipfel (Absorptionspeaks) in der Spektrogramm - Kurve. Die Wellenlängen zu den Absorptionsbanden - Maxima, die den Licht - Intensität - Minima entsprechen, können anderen Veröffentlichungen entnommen werden [42]. Die Lampen sind mit dem Sockel - Typ E 27 erhältlich, der in normale Glühlampen - Schraubfassungen passt. Da solche Lampen allmählich aus dem Handel zu verschwinden scheinen, sollten an der Nutzung der Lampen für Kalibrierzwecke Interessierte sich vorbeugend einige Exemplare sichern [43]. Die Nutzungsdauer einer Lampe beträgt wenige tausend Stunden.

Quecksilber (Hg) - Dampf - Entladungsröhren

Elektrische Entladungen in Quecksilber (Hg) - Dampf regen diesen zur Abstrahlung von Licht an, dessen Spektrum die für Quecksilber charakteristischen Emissionslinien zeigt. Niederdruck - Lampen geben die schärfsten Linien. Deren Breite steigt mit zunehmendem Druck des Hg - Dampfes in Mittel- und Hochdruck - Lampen. Diese beiden liefern im sichtbaren Spektralbereich zwar intensivere, aber auch breitere Linien als Niederdruck - Lampen. Die größere Zahl stärkerer Spektrallinien bei Mittel- und Hochdrucklampen kommt theoretisch der Genauigkeit eines/einer Kalibrierdiagramms/Kalibrierfunktion zugute, praktisch aber ist dieser Vorteil nur nutzbar, wenn die Intensitätsmaxima der verbreiterten Linien hinreichend genau lokalisiert werden können, was vor Allem bei einer Spektrenauswertung auf der Basis von Spektren - Diagrammen (Spektrogrammen) der Fall sein dürfte.

Hg - Dampf - Niederdruck - Strahler

Hg - Dampf - Niederdruck - Röhren sind in Form von Leuchtstoff - Röhren alltäglich gebrauchte Artikel. Allerdings zeigen deren Spektren neben den Hg - Linien auch breitere Emissionsbanden der Leuchtstoffe, mit denen die Lampen im Inneren beschichtet sind. Die Banden selbst sind wegen ihren Breiten ungeeignet für Kalibrierzwecke und können die brauchbaren scharfen Hg - Linien überstrahlen [4]. Daher sollte bei Verwendung einer solchen Röhre deren Helligkeit so sein, dass auf einem Spektrum - Photo oder in einem Spektrogramm die Linien sich vom Banden - Untergrund abheben. Zu Möglichkeiten der Helligkeitsregulierung siehe oben. In der Praxis werden einige Experimente notwendig sein um die Bedingungen herauszufinden, bei denen schwache und starke Spektrallinien von Leuchtstoff - Röhren zugleich gut erkennbar registriert werden. Dabei ist zu beachten, dass manche Leuchtstoff - Lampen ihre Endhelligkeit erst einige Zeit nach dem Einschalten erreichen.

Hg - Röhren ohne Leuchtstoffe geben praktisch Banden - freie Linienspektren, was eine Kalibrierung erleichtert. Besonders bequem zu handhaben sind sie als Leuchtmittel geringer Licht - Leistung in Batterie - oder Akku - betriebenen Handlampen.

 

TUV - Röhre - / Handlampe - Kombination

Im Elektronik - Handel ist eine 4 W - Hg - Niederdruck - Röhre des Typs TUV der Fa. Philips erhältlich, die gegen die 4 W - Schwarzlicht - Röhre gleicher Bauform in der Handlampe einer anderen Fa. ausgewechselt werden kann [5]. Wegen der Augen und Haut schädigenden Wirkung der UV - Strahlung der TUV - Röhre ist die Ummantelung der Handlampe zu empfehlen, wobei ein Fenster dem begrenzten Austritt von UV - Licht und eines dem Zugang zum Lampenschalter dient, wie beispielhaft auf folgenden Bildern zu sehen:

Das oberste Teilbild zeigt die Handlampe nach Austausch der ursprünglich enthaltenen Schwarzlicht - Röhre gegen die Klarglas TUV - Röhre ohne die transparente Lampen - Abdeckung, die möglicherweise UV - Strahlung absorbiert und daher entfernt wurde. Damit steigt natürlich auch die potentielle Gefahr einer Schädigung von Experimentierenden durch UV - Licht. Das mittlere Teilbild zeigt die ummantelte Lampe mit dem Licht - Fenster, das unterste Bild die Lampe mit dem Ausschnitt für den Bedienschalter. Das Licht - Fenster ist aus Sicherheitsgründen auf der der Schalter - Seite entgegengesetzten Lampenseite angeordnet. Zur Ummantelung wurde schwarzer Zeichenkarton verwendet, dessen schwarze Seite nach außen zeigt und so gestreute UV - Strahlung und sonstiges Störlicht absorbieren kann.

Ein mit dem "Selbstbau - Spektrograph 3" [4], Variante mit kommerziellem Taschenspektroskop und Digital - Kamera Canon EOS 450 D, bei 55 mm Kleinbildäquivalent - Brennweite, automatischer Wahl des ISO - Werts, Blende 5,6 und 10 s Belichtungszeit sowie eng gestelltem Spektroskop - Spalt aufgenommenes Hg - Linien - Spektrum besagter TUV - Röhre sieht wie folgt aus:

 

 

Die Hauptemissionsspektrallinie bei 253,7 nm und weitere Linien im kurzwelligen Bereich fehlen wegen begrenztem Wellenlängen - Bereich des Spektroskops. Infolge Überbelichtung der hellsten Linien zeigen diese in den Zentren die Tönung "Weiß" anstelle ihrer Eigenfarben und in die Linien - Umgebungen hineinreichende Überstrahlungen. Die blaue Linie dürfte die mit der Wellenlänge 435,8 nm (genauer ein sehr eng zusammenliegendes Linienpaar) sein. Zum Längerwelligen nach rechts hin folgen Linien bei den Wellenlängen 491,6 nm (blaugrün), 546,1 nm (grün, genauer ein sehr eng zusammenliegendes Linienpaar), 577,0 nm (orange, genauer ein sehr eng zusammenliegendes Linienpaar), 579,1 nm (orange, genauer ein sehr eng zusammenliegendes Linienpaar) sowie einige rote Linien im Bereich 600 nm bis 700 nm.

Für Kalibrierzwecke sind die Linien auf obigem Bild noch zu breit. Eine kleinere Objektiv - Öffnung durch Wahl der Blende 16, Ausgleich der damit verbundenen Helligkeitsabnahme durch Erhöhung der Belichtungszeit auf 30 s und Erhöhung des Abbildungsmaßstabs durch Änderung des Abstandes zwischen Spektroskop und Kamera bewirkten eine deutlichere Abbildung der gelben Doppellinie, ließen aber die Linien im Blauen, Blaugrünen und Roten verschwinden:

 

 

Durch Verringerung der Belichtungszeit auf 20 s war auch die grüne Hg - Linie schärfer abbildbar, dann jedoch als einzige sichtbar übriggebliebene der Hg - Linien, wie auf folgendem Bild zu sehen ist:

 

 

Zwar können auch in einem Photo scheinbar verschwundene Linien bei der Gewinnung eines Spektrogramms aus dem Bild wieder in Erscheinung treten [28], doch unter welchen Bedingungen dies möglich ist, sollte vor der Verwendung besagter Handlampe als Kalibrierlichtquelle in Versuchen geklärt werden. Anderenfalls könnte es passieren, dass Proben - Spektren wegen zu dürftigem Kalibrierspektrum unbrauchbar sind.

Die hier getestete UV - Röhre ist wegen der starken Helligkeitsunterschiede ihrer Spektrallinien nur bedingt als Kalibrierlichtquelle für die Spektrographie geeignet, da auf Photos des Spektrums entweder die schwachen Linien fehlen oder die starken Linien derart verbreitert abgebildet werden, dass sie in Bild - Form als Wellenlängen - Marken wenig taugen. Bei geeigneter Belichtung kann aber vielleicht erreicht werden, dass in einem aus einem Photo gewonnenen Spektrogramm [28] die Peaks der auf dem Photo nicht mehr sichtbaren Spektrallinien auftauchen und die Peaks verbreiterter Linien eine für Kalibrierzwecke genügend scharfe Spitze aufweisen. Noch günstiger ist die Situation vielleicht bei der Spektrometrie, da hierbei mit geeigneten Photodetektor / Elektronik - Kombinationen ein viel größerer Helligkeitsumfang von Linien eines Spektrums erfassbar sein dürfte als mit der Spektrographie.

 

Puritec - Strahler

Ebenfalls ohne Leuchtstoff erhältlich sind Hg - Dampf - Niederdruck - Röhren des Typs "Puritec" der Fa. Radium [25]. Sie sind in einer nicht Ozon erzeugenden Variante erhältlich, die ihre Licht - Leistung überwiegend als Spektrallinie bei der Wellenlänge 254 nm abstrahlt, sowie in einer Ozon erzeugenden Variante, die zusätzlich eine intensive Linie bei der Wellenlänge 185 nm erzeugt. Beide Typen erfordern ein externes Vorschaltgerät zum Betrieb an Netz - Spannung. "Puritec" - Strahler der genannten Firma mit den Zeichen NSE und G23 im Artikel - Code, nicht Ozon erzeugende Niederdruck - Strahler, enthalten einen Starter zur Zündung an Netzspannung im Sockel integriert. Im Handel für Camping - Bedarf werden "Puritec" - Strahler zur Wasser - Desinfektion vertrieben, die in Wasser - dichte Handlampen eingebaut sind und in Varianten zur Versorgung mit 12 V Gleichspannung oder mit 230 V Netz - Spannung erhältlich sind.

 

Schwarzlicht - Hg - Dampf - Niederdruck - Strahler

Hg - Niederdruck - Lampen in Schwarzlicht - Ausführung gibt es als UV - Linien - Strahler, deren dunkler Glas - Mantel lediglich sichtbares Licht absorbiert, und als Banden - Strahler, deren Mantel zusätzlich mit einem Leuchtstoff beschichtet ist [29]. Wie oben erläutert, sind auch hier reine Linien - Strahler zur Wellenlängen - Kalibrierung besser geeignet. Beide Varianten dürften wegen ihrer beschnittenen oder von einer Bande dominierten Spektren als Kalibrierlichtquellen weit weniger brauchbar sein als Klarglas - Hg - Röhren. Achtung: Im Handel werden auch Schwarzlicht - Lampen in Glühbirnen - Form angeboten. Diese sind keine Gasentladungs- sondern einfache Glühfadenlampen, die ein durch das eingefärbte Glas stark verkürztes Kontinuum, jedoch kein Linien - Spektrum erzeugen!

Hg - Dampf - Hochdruck - Strahler

Nach Vorversuchen des Verfassers scheinen Hg - Röhren von Gesichtsbräunern wegen der nach Brennbeginn langsam zunehmenden Breite ihrer Spektrallinien Hochdruck - Strahler zu sein.

Auch die im Handel für Heimtierhaltung - Bedarf erhältlichen "Mega-Ray" - Hg - Röhren scheinen den veröffentlichten Spektren zufolge Hochdruck - Strahler zu sein [23][24]. Sie sind in Varianten mit und ohne Vorschaltgerät erhältlich.

Das Licht des Hg - Dampf - / Wolfram - Glühwendel - Kombistrahlers "Sanolux" der Firma Radium, baugleich mit dem Strahler "Ultra-Vitalux" der Firma Osram, zeigt in seinem Spektrogramm Peaks vom Bereich des Ultraviolett B bis in den des nahen Infrarot hinein [25]. Ein Innenreflektor konzentriert das Licht auf eine Abstrahlrichtung. Durch den E 27 - Sockel ist er in Standard - Lampenschraubfassungen einführbar. Eine solche sollte wegen der Wärme - Entwicklung des 300 W - Strahlers allerdings aus Porzellan sein. Der Strahler wird mit 230 V ohne externes Vorschaltgerät betrieben.

Von einer weniger grell leuchtenden und weniger Hitze entwickelnden Hg - Wolfram - "Mischlichtlampe" der Firma Osram [32] sind nachstehend einige mit dem "Selbstbau - Spektrograph 3" [4] gewonnene Emissionsspektren abgebildet. Zur Licht - Zerlegung wurde ein kleines Taschenspektroskop mit Amici - Prisma verwendet. Die Kamera, eine Canon EOS 450 D, war auf 55 mm Kleinbildäquivalent - Brennweite, ISO 100, Blende 16 und 0,1 s Belichtungszeit eingestellt. Die Lampe war etwa 0,3 m vom Eingang des Spektroskops entfernt. Die Lampe erlosch regelmäßig etwa 2 Minuten nach dem Einschalten selbsttätig und war danach erst nach einigen Minuten Wartezeit wieder einschaltbar, was sie als Kalibrierlichtquelle weniger geeignet erscheinen lässt.

	Das obere der links abgebildeten Spektren wurde direkt nach Einschalten der Lampe aufgenommen, das mittlere nach 1 Minute Brenndauer, das untere nach 2 Minuten. Auch hier zeigt sich wie bei der oben erwähnten Hg - Dampf - Niederdruck - Röhre, dass schwächere Spektrallinien im Blauen und Roten erst dann sichtbar werden, wenn die stärkeren durch Überstrahlungseffekte verbreitert und daher für Kalibrierzwecke weniger brauchbar abgebildet werden.

Hg - Dampf - Höchstdruck - Strahler

Zum Spektrum von Hg - Dampf - Höchstdruck - Strahlern [30] liegen dem Verfasser zur Zeit keine näheren Informationen vor.

Glimmlampen

Vor Aufkommen der Leuchtdioden im 20. Jahrhundert waren kleine, Gas - gefüllte Entladungslampen unter der Bezeichnung "Glimmlampen" als Signal - Licht - Quellen weit verbreitet. Meistens sind sie klar durchsichtig, abgesehen von mit Leuchtstoff beschichteten, grün oder blau leuchtenden Exemplaren, und erzeugen dann Linien - Spektren ihrer Füllgase. Da sie bereits bei Spannungen von etwa 60 V an aufwärts und bei Strömen von einigen Zehntel mA an aufwärts leuchten, ist der Selbstbau von Versorgungsschaltungen nur mäßig gefährlich. Zu im Handel für Elektronik - Bauteile erhältlichen Glimmlampen ist kaum jemals die genaue Zusammensetzung der Gas - Füllung in Erfahrung zu bringen. Daher muss sie durch Vergleich des Licht - Spektrums eines Exemplars mit Referenz - Spektren für einzelne gasförmige chemische Elemente herausgefunden werden. Am weitesten verbreitet dürften orangerot leuchtende, mit dem Edelgas Neon gefüllte Glimmlampen sein. Ihr Spektrum wird in anderen Veröffentlichungen detailliert vorgestellt [6]. Da die Helligkeit des Spektrums einer Glimmlampe in ein und demselben Spektralanalyse - Gerät vor Allem durch die pro Außenfläche des leuchtenden Gasplasmas abgestrahlte Licht - Energie bestimmt wird, geben relativ große Lampen wie die unten erwähnten Flackerlampen nicht im gleichen Maß hellere Spektren wie ihre Aufnahme elektrischer Leistung die von Kleinglimmlampen übersteigt. Bei der Strom - Versorgung ist der vom Herstellwerk empfohlene Maximalstrom zu beachten. Beim Vergleich von Leistungsaufnahmen verschiedener Glimmlampen ist zu beachten, dass manche Typen einen Vorwiderstand in deren Sockel eingebaut enthalten, der zur Leistungsaufnahme der Gesamtlampe beiträgt. In diesem Fall ist auch die deklarierte zulässige Spannung an der Gesamtlampe höher als die Brennspannung der Glimmröhre alleine.

Photos und Diagramme des Emissionsspektrums von Neon sind in verschiedenen Veröffentlichungen zu finden und können als Hilfen bei der Wellenlängen - Kalibrierung von Selbstbau - Spektralanalyse - Geräten dienen [6].

 

Kleinglimmlampen

Das folgende Test - Bild wurde mit dem "Selbstbau - Spektrograph 2" des Verfassers aufgenommen [4]. Es zeigt das Spektrum einer am Spalt anliegenden Neon - Kleinglimmlampe bei einer Leistungsaufnahme von etwa 0,2 W. Dass mit dem Auge anstelle der Kamera die Spektrallinien schärfer erschienen könnte am verringerten Auflösungsvermögen der Kamera wegen Zusammenschaltung von Pixeln bei lichtschwachen Objekten liegen, worüber das Kamera - Handbuch aber keine Auskunft gab. Bei der vom Herstellwerk für die Lampe als Maximum empfohlenen Leistungsaufnahme von 0,07 W waren auf den Kamera - Photos keine Linien zu sehen, vielleicht weil sie wegen ihrer Lichtschwäche von der Rauschunterdrückung aus den Bildern herausgerechnet worden waren.

 

Flackerlampen

Auch die im Lampen - Handel erhältlichen Flackerlampen sind Neon - Glimmlampen. Das folgende Bild zeigt deren Spektrum am Beispiel einer Lampe mit E 27 - Sockel und 3 W Leistungsaufnahme. Welche Anteile daran der Leistungsumsatz eines eventuell eingebauten Vorwiderstands und der der Röhre an sich haben, ist dem Verfasser nicht bekannt. Gewonnen wurde das Bild mittels "Selbstbau - Spektrograph 3" [4], Variante mit kommerziellem Spektroskop und Digital - Kamera Canon EOS 450 D, eingestellt auf 55 mm Brennweite, automatische ISO - Wahl, Blende 16 und 30 s Belichtungszeit:

Achtung: Im Handel werden auch flackernde Lampen auf Leuchtdioden (LED) - Basis angeboten. Deren Licht erzeugt keine Spektrallinien, sondern für Kalibrierzwecke etwas zu breite und zudem mit der Lage der Wellenlängenmaxima ein wenig von der Strom - Stärke abhängige Banden. Flackerlampen mit Glimmentladung sind an Elektroden in Form sich parallel in geringem Abstand gegenüberstehender Metall - Plättchen innerhalb eines Glas - Kolbens zu erkennen.

 

Weitere Glimmlampen - Typen

Im Lehrmittel - Handel erhältlich sind relativ große Glimmlampen für Demo - Experimente. Sie sind zwar teurer als die oben erwähnten Flackerlampen und ohne deren bequeme normale Glühlampen - Schraubfassung, geben aber bei konstantem Strom konstantes Licht, was bei der Spektroskopie angenehmer für die Augen sein dürfte. In Röhren - Radios des 20. Jahrhunderts waren einmal Abstimmanzeige - Röhren, auch "Magische Augen" genannt, verbreitet, die ebenfalls mit Glimmentladungen arbeiteten.

Neon - Röhren

Ebenfalls mit Neon gefüllt, aber von der Größe und der Betriebsspannung her von ganz anderem Kaliber als Kleinglimmlampen sind für Beleuchtungszwecke konzipierte Neon - Röhren. Zudem enthalten sie zusätzlich Quecksilber - Dampf, der beim Leuchten für Kalibrierzwecke brauchbare Spektrallinien emittiert. Zu Spektrogrammen von Neon - Röhren wird auf andere Quellen verwiesen [7], ebenso zu Emissionsspektren des Neon [6]. Weniger Kundige können beim Erwerb auf falsch deklarierte Lampen hereinfallen, die keine echten Neon - Röhren sind, und sollten sich über die für Letztere notwendigen sehr hohen Versorgungsspannungen im Klaren sein. Vielleicht ist aber auch eine Anregung des Leuchtens berührungslos möglich, zum Beispiel durch das Streufeld eines Tesla - Transformators.

Effektlicht - Gasentladungslampen

Zur Erzeugung dekorativer Licht - Effekte sind Gasentladungslampen verschiedener Art im Handel. Sind sie innen mit einem Leuchtstoff beschichtet, der einen Durchblick ins Lampeninnere verwehrt, erzeugt Dieser im Emissionsspektrum breite, für Zwecke der Wellenlängen - Kalibrierung wenig geeignete Banden, die für eine Kalibrierung nutzbare Spektrallinien überlagern können. Für Kalibrierzwecke sind daher besonders Lampen ohne oder mit nur sehr dünner Leuchtstoff - Belegung interessant.

Von einer als "Neonleuchte mit Schlangen-Effekt" angebotenen Stab - Lampe [35] ist unten ein Emissionsspektrum abgebildet. Zum Anschluss der mit 12 V zu versorgenden und mit einem Auto - Bordnetz - Stecker versehenen Lampe an das 230 V - Netz wurde ein Adapter verwendet, der aus 230 V Wechselspannung eine 12 V - Gleichspannung gewinnt und diese an einer wie eine Auto - Bordsteckdose geformten Kupplung zur Verfügung stellt [34]. Aufgenommen wurde das Spektrum mit einem kommerziellen Spektrometer [37].

Das obige Spektrum kann nach Vergleich mit in anderen Quellen [36] veröffentlichten Emissionsspektren von als Effekt - Lampen im Handel erhältlichen Plasma - Leuchtkugeln wie folgt interpretiert werden: Die breite Bande zwischen 400 und 550 nm stammt von einem Leuchtstoff, mit dem die "Schlangen-Effekt" - Lampe anscheinend trotz Durchsichtigkeit beschichtet ist. Die schmalen Peaks zeigen nach Lage und Intensitätsverhältnissen Emissionslinien von Xenon.

Im Handel erhältlich sind auch Kugel - oder Scheibe - förmige Effektlicht - Lampen unter den Bezeichnungen "Plasmakugel" ("Plasma - Kugel"), "Plasmaball" ("Plasma - Ball"), "Plasmalampe" ("Plasma - Lampe") sowie "Plasmascheibe" ("Plasma - Scheibe"). Eine relativ billige Variante ist der nachfolgend abgebildete "USB-Plasma-Ball" [38].

Das Bild links zeigt den "USB-Plasma-Ball" in Aktion. Das von der Stab - förmigen Antenne inmitten der Kugel aus Glas erzeugte hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld induziert Elektronen - Übergänge in den Gas - Atomen in der Kugel, Ursache der Leuchterscheinungen. Die Antenne ist elektrisch isoliert vom Glas - Kolben. Dessen Gas wird also ohne Kontakt mit metallischen Elektroden angeregt. Die Lampe zieht laut Deklaration aus einer USB - Steckdose einen Strom von 0,5 A. Falls Dies einem Computer zu viel ist, kann die Lampe auch durch ein Stecker - Netzteil mit USB - Ausgang mit Strom versorgt werden.

Das Emissionsspektrum eines "USB-Plasma-Ball" ist nachfolgend abgebildet.

Einer anderen Veröffentlichung zur Physik von Plasma - Kugel - Lampen zufolge sind Diese mit einer Mischung aus Xenon (Xe) und Neon (Ne) unter sehr niedrigem Druck gefüllt [36]. Die Peaks im obigen Spektrogramm bei 467,1 nm, 823,2 nm, 828,0 nm und 881,9 nm entsprechen demnach Emissionslinien von Xe, die Peaks bei 585,2 nm, 638,3 nm, 640,2 nm, 702,4 nm und 703,2 nm solchen von Ne.

Spektralröhren

Mit definierter Gas - Füllung, aber einer Versorgungsspannung von einigen Tausend V bedürfend und in Preislagen um 40 EUR erhältlich sind Spektralröhren [8]. Mit diesen zusammen angebotene, mit 230 V - Netzspannung betriebene Halte- und Versorgungsmodule schlagen nochmals mit einigen Hundert EUR zu Buche. Wer das mit Hochspannungselektronik - Basteln verbundene Gesundheitsrisiko in Kauf nimmt, kann eine Versorgungsschaltung viel billiger selbst herstellen [27]. Eine relativ billige und weniger gefährliche, abgesehen von Patient/inn/en mit Herzschrittmachern oder anderer medizinischer Elektronik im Körper, Anregungsalternative sind die oben erwähnten Plasma - Lampen, mit deren elektromagnetischen Streufeldern alleine schon Gase zum Leuchten gebracht werden können, siehe auch weiter unten.

Das Bild unten zeigt das Emissionsspektrum einer mit dem Edelgas Argon (Ar) gefüllten Spektralröhre der Firma Conatex [8]. Das Ar wurde mit dem oben erwähnten "USB-Plasma-Ball" ohne röhreneigene Elektronik in der weiter unten gezeigten Anordnung zum Leuchten gebracht. Die Spektrum - Aufnahme erfolgte mit einem kommerziellen Spektrometer [37].

Chemische Elemente, die Spektren mit wenigen und zu Nachbarlinien auf Distanz stehenden Spektrallinien erzeugen, eignen sich besonders zur Wellenlänge - Kalibrierung von Spektrometern, da in den Spektrogrammen solcher Elemente die Peaks zu den Spektrallinien wegen fehlender Störung durch Nachbarlinien an den Sollstellen auf der Wellenlänge - Skala liegen. Eng benachbarte Linien können nämlich von einem Spektrometer mit geringer Wellenlänge - Auflösung zu einem Spektrogramm - Peak vereint wiedergegeben werden, dessen Gipfel aus einer optischen Überlagerung der Linien resultiert und keiner der beteiligten Linien eindeutig zugeordnet werden kann. Ein Element mit einem relativ Linien - armen Spektrum ist zum Beispiel das Helium (He). Mit dem oben für die Ar - Röhre angegebenen Spektrometer wurde auch das nachfolgend abgebildete Emissionsspektrum einer He - Spektralröhre der Firma Phywe [8] aufgenommen. Da die bei der Ar - Röhre, siehe oben, angewandte elektrodenlose Anregung die He - Röhre nur sehr schwach und unbeständig zum Leuchten brachte wurde das He mittels eines manuell betätigten Piezo - Hochspannungserzeugers angeregt, dessen Ausgänge mit den Röhrenelektroden verkabelt wurden [49]. Um auch schwächere Emissionslinien aus dem Untergrund - Rauschen des Spektrometers herauszuheben wurden Dieses auf mittlere Empfindlichkeit eingestellt und die Messwerte für ein aufgenommenes Dunkel - Spektrum mittels Tabellenkalkulation von den Messwerten des He - Spektrums subtrahiert [28].

Auch das Emissionsspektrum von Wasserstoff (H₂) zeigt nur relativ wenige und einzeln stehende Linien. Nachfolgend abgebildet ist das Spektrum einer H₂ - Spektralröhre der Firma Phywe [8]. Angeregt wurde es wie bei He oben angegeben mittels eines piezoelektrischen Hochspannungsmoduls.

Spektrallampen

Spektren von unter Normalbedingungen festen chemischen Elementen werden von Spektrallampen erzeugt. Diese sind bei den unter Spektralröhren genannten Firmen und anderen erhältlich. Wegen ihrer hohen Preise sind solche Lampen hier nur der Vollständigkeit halber erwähnt.

Elektrodenlose Anregung von Gasentladungen

Eine Licht - Emission der in den oben erwähnten Niederdruck - Entladungslampen enthaltenen Gase kann auch ohne Benutzung der Lampenelektroden angeregt werden, wie oben bereits am Beispiel des "USB-Plasma-Ball" erlätert. Diese Lampe erzeugt auch noch außerhalb ihres Glas - Kolbens eine so intensives elektromagnetisches Wechselfeld, dass andere Entladungslampen nahe dem Kolben ebenfalls zu leuchten beginnen. Dies erspart den Kauf oder den wegen Hochspannung gefährlichen Selbstbau von elektronischen Schaltungen, die anderenfalls zum Zünden und Brennenlassen der Entladungslampen benötigt würden. Auch andere im Handel erhältliche Plasma - Kugel - oder - Scheiben - Lampen sind zur elektrodenlosen Anregung von Gasentladungen geeignet [36].

Im Bild links ist der oben bereits abgebildete "USB-Plasma-Ball" von einem Licht - verdeckenden Zylinder aus schwarz beschichtetem Zeichenkarton umhüllt. Am oberen Ende des Zylinders ist ein Schlitz ausgespart, der eine mit dem Edelgas Argon (Ar) gefüllte Spektralröhre, siehe oben, annähernd senkrecht hält.

Das Bild rechts zeigt das Leuchten der im Bild oben sichtbaren Spektralröhre im Dunkeln. Die Intensität des von dieser Röhre emittierten Lichts variiert je nach Position, Ausrichtung und Abstand der Röhre zum Plasma - Ball. Soll nur das Licht einer mit dieser Vorrichtung elektrodenlos angeregten, extern an den Plasma - Ball angenäherten Entladungslampen für Zwecke der Wellenlängen - Kalibrierung eines Spektralanalyse - Gerätes verwendet werden muss darauf geachtet werden, dass kein Licht aus dem Plasma - Ball aus der ihn umgebenden Licht - Blende aus- und in das Spektralanalyse - Gerät eindringen kann.

Sehr viel teurer als die als optisches Spielzeug vertriebenen Plasma - Gasentladungslampen, die übrigens nicht verwechselt werden dürfen mit manchen Leuchtdioden (LED) - Lampen, die auch den Begriff "Plasma" im Namen führen, aber ohne Anregungswirkung auf Entladungslampen sind, sind Tesla - Transformatoren, die im Handel für Physik - Lehrmittel erhältlich sind oder anhand zahlreicher, im Internet recherchierbarer Informationsquellen selbst gebaut werden können. Auch solche Tesla - Trafos bringen Entladungslampen ohne Elekroden - Kontaktierung zum Leuchten.

 

Alle Geräte, die derart starke hochfrequente elektromagnetische Wechselfelder erzeugen, dass alleine durch Diese Gasentladungslampen zum Leuchten angeregt werden, sind potentiell gesundheitsgefährlich für Menschen, deren Körper - Funktionen durch medizinische elektronische Geräte unterstützt werden!

Quellen und Anmerkungen