Emissionsspektroskopie mit Funken- und Lichtbogenanregung · Emissionsspektroskopie mit Funken- und Lichtbogenanregung 3 1 Einleitung Dass auch Amateurastronomen mit sehr einfachen

Emissionsspektroskopie mit Funken- und Lichtbogenanregung 1

Fauftritt

Emissionsspektroskopie mit Funken- und

Lichtbogenanregung

Versuche mit dem DADOS Spektrografen und einfachen Behelfsmitteln

Richard Walker

Version 2.0 August 2012


Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ...................................................................................................................... 3

2 Anregung von Emissionsspektren.............................................................................. 4

3 Versuche mit Funkenanregung .................................................................................. 5

4 Versuche mit Lichtbogenanregung .......................................................................... 24

5 Der Link zwischen stellaren- und Laborspektren ................................................... 28

6 Anhang ........................................................................................................................ 31

7 Literatur und Internet ................................................................................................ 33


1 Einleitung Dass auch Amateurastronomen mit sehr einfachen Mitteln „Laborspektren“ erzeugen kön-nen, dürfte in unseren Kreisen noch wenig bekannt sein. Diese Schrift soll einfache Mög-lichkeiten aufzeigen, wie sich mit dem vorhandenen Spektrografen, sowie simplen elektro-nischen und mechanischen Bauteilen aus Elektronikversand und Baumarkt, chemische Elemente in bestimmten Materialien, Flüssigkeiten und Gasen nachweisen lassen.

Die hier vorgestellten, stark vereinfachten Verfahren, lassen selbstverständlich keine ei-gentliche „Analytische Chemie“ zu. Qualitativ lassen sich aber für viele Substanzen die Hauptanteile an Elementen/Molekülen darstellen. Dazu wird das Grundprinzip der Opti-schen Emissionsspektroskopie (OES) angewendet, welches heute in professioneller Form in handelsüblichen, chemischen Analysegeräten eingesetzt wird. Dabei wird eine Probe so angeregt, dass sie ein spektroskopisch auswertbares Plasma absondert. Der Wellenlän-genbereich reicht bei professionellen Anwendungen meist von ca. 2‘000 – 10‘000 Å. Mit einfachen Amateurmitteln lassen sich, analog zur Astrospektroskopie, ca. 3800 – 8000 Å abdecken.

Meine persönliche Motivation war der Nachvollzug des Links zwischen den stellaren- und den Laborspektren – quasi auf den „Spuren“ von Fraunhofer, Bunsen- und Kirchhoff. Sollten Amateure motiviert werden, eigene Versuche durchzuführen, wäre der Zweck dieser Schrift bereits erfüllt!

Besten Dank an Urs Flükiger, der mich mit metallurgischem Know-how unterstützt und die Lichtbogenversuchen in Kapitel 4 mit Schweiss Equipment und Mitarbeitern seines Betrie-bes [62] ermöglicht hat.

Richard Walker, CH 8911 Rifferswil © [email protected]


2 Anregung von Emissionsspektren Emissionslinien können nicht nur in Sternatmosphären und Gasentladungslampen, sondern auch unter der Einwirkung von Flammen, elektrischen Funken und Lichtbögen erzeugt wer-den. Im Folgenden werden diese drei Prinzipien vorgestellt, welche behelfsmässig sehr ein-fach umzusetzen sind. Im professionellen Bereich existieren zahlreiche weitere Verfahren. Jede dieser Methoden eignet sich spezifisch für bestimmte Probentypen.

2.1 Flammenanregung

Dies ist sicher die älteste und ein-fachste Form. Allgemein bekannt ist der in Labors allgegenwärtige Bun-senbrenner. Weiter auch die Tatsa-che, dass Kochsalz, in die Flamme gestreut, die typisch gelbe Emission der Natrium Doppellinie D1, D2 er-zeugt. Weiter können so auch viele Gase analysiert werden. Der intensi-ve Abbrand von Kohlenwasserstoff-gasen, z.B. Butan, erzeugt direkt die Emission der berühmten molekularen Swan Bänder (C2), wie in [13] gezeigt wird. Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen in der relativ geringen Anregungsenergie, der latenten Brandgefahr, sowie der Beschädigung oder gar Zerstörung des Probenmateri-als. Abb. rechts stammt aus [20].

2.2 Funkenanregung

Dieses ebenfalls sehr alte Verfahren wurde auch bereits von Bunsen und Kirchhoff ange-wandt [20]. Ein elektrischer Funken erzeugt ein Plasma aus einem winzigen Anteil „ver-dampften“ Elektrodenmaterials, sowie des durchschlagenen Gasgemisches zwischen den Elektroden. Dabei werden Temperaturen von ca. 4000 – bis 5000 K erreicht, entsprechend etwa den stellaren Atmosphären der Spektralklasse K. Diese Anregungsenergie genügt auch zur zerstö-rungsfreien Analyse von Metallen/Legierungen. Behelfsmässig durchgeführt, mit piezoelektri-schen Funkengebern oder Funkeninduktoren, ist dies ein relativ ungefährliches Verfahren.

In aktuellen, handelsüblichen Analysegeräten er-folgt die „Befunkung“ des Probenmaterials meis-tens unter einer inerten Argon Atmosphäre. Bild: portables Analysegerät mit Pistolengriff (Bild: Angstrom Inc). Die Elektroden bestehen zum Teil aus sog. „spektralreiner“ Kohle, um mög-lichst wenig unerwünschte Eigenlinien ins Spektrum abzugeben.

2.3 Lichtbogen Anregung

Etwas empfindlicher, aber auch aufwendiger, ist die Anregung von Spektren mit Lichtbö-gen. Zudem ist hier eine Beeinträchtigung oder der „Verbrauch“ des Probenmaterials ein Thema. Hier werden zum Teil Kohlen- oder Wolframelektroden verwendet und Temperatu-ren zwischen 3000 – 4000 K erreicht, wie sie in den stellaren Atmosphären der späten K- und der gesamten M-Klasse vorkommen.


3 Versuche mit Funkenanregung

3.1 Geräte

Das einfachste und billigste Mittel für erste Versuche ist sicher ein Piezo Zündelement, welches im Elektronikhandel erhältlich ist. Bei meinem Versuchsaufbau ist das „SUPI V01“, bezogen bei Conrad Electronics, im Einsatz (Ersatzteil für Gasgrill Anzünder). Es erzeugt pro Knopfdruck einen Spannungsstoss von ca. 15 kV, was eine Fun-kenlänge von >1 cm ermöglicht.

Hier eingebaut in einen Kunststoff Zahnbecher ist es wichtig, die beiden Drähte in genü-gendem Abstand zu verlegen, um einen unerwünschten Funkenüberschlag zu vermeiden. Um den Geräuschpegel bei der Funkenauslösung zu dämpfen, kann der obere Teil des Be-chers z.B. mit Schaumstoff ausgestopft werden.

Die Funkenstrecke ist hier auf dem Boden einer umgedrehten Kunststoff „Zweierdose“ für Elektroinstallationen aufgebaut. Das Ganze wird über Steckverbindungen zusammenge-schaltet um möglichst universell einsetzbar zu bleiben. Die obere Elektrode besteht aus ei-nem kurzen Stück Graphit Bleistiftmine, welches mit einer Lüsterklemme an einem dicken, steifen, aber doch noch formbaren Kupferdraht befestigt wird. Graphit ist natürlich nur ein unvollkommener Elektrodenersatz für sog. „spektralreine“ Kohle. Relativ „sanfte“, molekula-re C2 Swanbänder sind aber jedenfalls schmalbandigen, atomaren Fe I Emissionslinien vor-zuziehen, die beispielsweise ein Eisennagel erzeugen würde!

Die untere Elektrode besteht aus der Probenhalterung. Für die Aufnahme der unterschiedli-chen Arten und Formen der Proben habe ich einen ganzen Satz unterschiedlicher Versionen nach Manier der „Kosmos Experimentierkästen“ erstellt (Zitat Urs Flükiger). Im Bild rechts ist ein behelfsmässiger Behälter für Schüttgut oder Flüssigkeiten zu sehen (z.B. Salz).


Wer umfangreichere Versuche plant, wird wohl besser einen Funkeninduktor einsetzen. Dieser kann z.B. mit Hilfe einer Fahrzeugzündspule und einer einfachen Zusatzelektronik erstellt werden, welche heute den knatternden „Wagnerschen Hammer“ ersetzt. Entspre-chende Anleitungen sind unter diesen Stichworten zahlreich im Internet zu finden.

3.2 Aufbau und Durchführung des Versuches

Der DADOS Spektrograf mit CCD Kamera ist auf einem Stativ befestigt. Zwingend erforder-lich ist eine Vorsatzoptik, welche ein scharfes Bild der Probe auf dem Spaltblech erzeugt. Bei mir ist dazu ein altes VIVITAR Teleobjektiv mit Makrozoom und Gewindeanschluss im Einsatz. Diese Anforderung könnte aber auch mit einer einfachen Vorsatzlinse geeigneter Brennweite erfüllt werden. Die Spektren werden hier mit einer monochromen Meade DSI III Pro Kamera aufgezeichnet. Die Linienidentifikation erfolgte mit Hilfe der aufgeführten Lite-ratur, dem elements oder lineident Tool der Vspec Software [52], oder der NIST Atomic Spectra Database [31].

Logischerweise wird während der Funkenentladung derjenige Teil des entstehenden Plasmas aufgenom-men, der sich gerade auf dem Spaltblech befindet. Da-her sollte der Auftreffpunkt des Funkens auf der Probe möglichst exakt auf dem Spalt zentriert werden. Bevor-zugte Einschlagspunkte sind Spitzen, Ecken oder Kan-ten.

Dass dieses Vorgehen obligatorisch ist, zeigt ein einfa-cher Versuch. Wird direkt die obere Graphit Elektrode angepeilt, erhält man ein Spektrum mit molekularen C2 Swan Emissionsbanden, wie sie für Kohlenstoffverbindungen typisch sind (Tafel 1). Zent-riert auf die Mitte des Funkenüberschlags zwischen den beiden Elektroden, ergibt das cha-rakteristische Spektrum eines Blitzschlages, mit Linien der ionisierten Luftbestandteile, d.h. vor allem O II und N II (Tafel 2). Fokussiert auf die Probe erscheint deren Emissionsspekt-rum, ev. überlagert mit dem Luftspektrum des Funkens, weil der Versuch hier ohne Argon oder anderen Schutzgasen durchgeführt wird. In diesem Fall muss vorgängig das Funken-


spektrum der Luft aufgenommen und dieses dann zusammen mit dem Probenspektrum dargestellt werden. So wird sofort ersichtlich, welche Emissionen von der Probe und wel-che von den Luftmolekülen stammen. Sollte dabei nur das Funkenspektrum sichtbar sein, ist in den meisten Fällen der Einschlagsort des Funkens zuwenig exakt auf dem Spektrogra-fenspalt abgebildet worden. Daher lohnt es sich, mehrere Aufnahmen mit leicht verschobe-nem Blickwinkel aufzunehmen. Der Funken sollte schräg von der Seite auf die Probe schla-gen und nicht in Spaltrichtung verlaufen – etwa so, wie es auf obiger Aufnahme abgebildet ist.

Für das 200L Gitter haben sich in abgedunkelter Umgebung Belichtungszeiten im Rahmen von ca. 15 Sekunden bewährt. In dieser Zeit wurde der Funken etwa 10x ausgelöst. Beim 900L Gitter waren ca. 30 Sekunden, kombiniert mit etwa 20 – 30 Funkenauslösungen er-forderlich. Hier sind eigene Versuche unumgänglich. Wer der Knallerei mit der manuellen Funkenauslösung überdrüssig wird, sollte bald auf einen Funkeninduktor umsteigen. Com-puterbildschirme müssen während den Aufnahmen ausgeschaltet oder weggedreht wer-den, da sie selbst relativ intensive Emissionslinien erzeugen.

Die folgenden Versuche wurden mit elektrisch leitenden Proben durchgeführt, welche di-rekt als Elektroden dienten. Nichtleitende Materialien müssen zuerst entsprechend aufbe-reitet werden. In der Literatur wird u.a. das Bestreichen der Oberfläche mit Graphitpulver u.ä. empfohlen. Für Flüssigkeiten schlägt z.B. [21] die Tränkung von Kohletabletten aus der Apotheke vor.

3.3 Ergebnisse

Tafel 1:

Tafel 1 zeigt das Spektrum der Graphit Elektrode, d.h. die typischen Swan Bänder, wie sie z.B. auch Kometen und Kohlenstoffsterne erzeugen [13]. Überlagert ist das Funkenspekt-rum der Luft zu sehen, welches hier aus Emissionen ionisierten Sauerstoffs (O II), -Stickstoffs (N II) und der Wasserstofflinie Hα besteht. Die kräftige Natrium Emission (Fraunhofer D1 und D2) ist, infolge der geringen notwendigen Anregungsenergie, bei den meisten Materialspektren als dominantes Nebenprodukt oder „Verunreinigung“ zu sehen. Dies ist bereits Bunsen und Kirchhoff aufgefallen – hier Auszüge aus [20]:

…Von allen Spectralreactionen ist die des Natriums am empfindlichsten. Die gelbe Linie Na, die einzige, welche das Natriumspectrum aufzuweisen hat, fällt mit der Fraunhofer’schen Linie D zusammen und zeichnet sich durch ihre besonders scharfe Begrenzung und ihre ausserordentliche Helligkeit aus. Ist die Flammentemperatur sehr hoch und die Menge der angewandten Substanz sehr gross, so zeigen sich in den nächsten Umgebungen der Linie Spuren eines continuirlichen Spectrums. Schon an sich sehr schwache, in ihre Nähe fallen-de Linien anderer Stoffe erscheinen dann noch mehr geschwächt und werden daher nicht selten erst sichtbar, wenn die Natriumreaction zu erlöschen beginnt…

…Schon Swan hat auf die Kleinheit der Kochsalzmengen aufmerksam gemacht, welche die Natriumlinie noch deutlich hervorbringen können. Folgender Versuch zeigt, dass die Che-mie keine einzige Reaction aufzuweisen hat, welche sich auch nur im Entferntesten mit dieser spectralanalytischen Bestimmung des Natriums an Empfindlichkeit vergleichen lies-se. Wir verpufften in einer vom Standorte unseres Apparates möglichst entlegenen Ecke des Beobachtungszimmers, welches ungefähr 60 Kubikmeter Luft fasst, 3 Milligramm chlorsaures Natron mit Milchzucker, während die nicht leuchtende Lampe vor dem Spalt beobachtet wurde. Schon nach wenigen Minuten gab die allmälig sich fahlgelblich färben-de Flamme eine starke Natriumlinie, welche erst nach 10 Minuten wieder völlig ver-schwunden war…

In etwas geringerem Ausmass als beim Natrium treten auch Kalziumlinien (Ca I und Ca II) häufig als Nebenlinien in Materialspektren in Erscheinung.


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TAFEL 1


Tafel 2:

Tafel 2 zeigt das Funkenspektrum der Luft, aufgenommen ca. in der Mitte zwischen zwei Graphit Elektroden. Hier sind nur noch Emissionslinien der Luft und keine Reste von C2 Swan Bändern oder anderen Kohlenstoffmolekülen mehr nachweisbar.

Dieses Profil zeigt markante Ähnlichkeiten mit einem Blitzspektrum (siehe Tafel 2a), wel-ches von den Emissionen einfach ionisierten Stickstoffs (N II) und Sauerstoffs (O II) domi-niert wird. Die intensivsten Linien sind ursächlich für die bläulich weisse Farbe des Blit-zes/Funkens. Lediglich die in Blitzspektren zu beobachtenden, intensiven Wasserstoffemis-sionen treten bei diesem Versuchsaufbau nur schwach in Erscheinung. Interessanterweise sind sie aber bei den meisten Materialspektren mehr oder weniger intensiv erkennbar, auch wenn in den Proben selbst kaum Wasserstoff vorhanden ist.

Tafel 2a:

Tafel 2a zeigt ein Blitzspektrum, welches via Wolkenreflexion aufgezeichnet wurde. Das C8 Teleskop wurde nachts mit DADOS und Atik314L+ im Wohnzimmer aufgebaut und zielte durch das geschlossene Fenster auf das aufziehende Gewitter. Ausgewertet wurden drei Aufnahmen à 180 Sekunden im 2x2 Binning Modus. Pro Aufnahme konnte so das Licht von ca. 5-10 Blitzschlägen "aufintegriert" werden. Da die Wolkenbasis tief lag, musste auf sämtlichen Aufnahmen die Lichtverschmutzung subtrahiert werden. Auffällig die intensive CN Emission bei ca. 3900A. Bereits seit dem Beginn der Spektroskopie im 19. Jahrhundert wurde versucht, Spektren von Blitzentladungen zu gewinnen. Dazu gehörten zum Beginn des 20. Jahrhunderts auch bekannte Astronomen wie Pickering und Slipher. Die Blitzfor-schung interessiert heute vor allem der zeitliche Intensitätsverlauf der einzelnen Emissions-linien während eines Blitzschlages. Dies erlaubt Rückschlüsse auf die physikalischen Pro-zesse, welche während den einzelnen Phasen dieses Phänomens aktiv sind. Die folgenden Diagramme aus [15], aufgenommen mit Highspeed-Kameras, zeigen den zeitlichen Intensi-tätsverlauf eines Blitzspektrums von 0 – 50 μ sec, im Bereich von 4000 – 5000 Å.


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N II 4510/14

N II 4630/43N II 4601/07

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N II 3995N II 4041 - 44

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TAFEL 2a


Tafel 3 bis 7:

Die Tafeln 3 bis 7 zeigen das Spektrum von C15E Stahl/Werkstoffnummer 1.1141 (nach-folgend C15 E genannt). Chemische Beimengungen in [%] gemäss [62]: Chemische Zusammensetzung (in %) C Kohlenstoff: 0.12 – 0.18 Si Silizium: max. 0.40 Mn Mangan: 0.30 – 0.60 P Phosphor: max. 0.035 S Schwefel: max. 0.035

Neben dem Hauptbestandteil Fe ist in den höher aufgelösten Spektren nur noch Mn (0.4%) nachweisbar. Die zahlreichen Fe-Linien könnten theoretisch auch zur Eichung eines Spekt-rums benutzt werden. Da gibt es allerdings elegantere Möglichkeiten, als jedesmal den Funkeninduktor anzuwerfen. Die Profile sind unnormierte/unkorrigierte Pseudokontinua.

Tafel 3: Niedrig aufgelöstes (200L) Komposit Spektrum C15E Stahl + Funkenspektrum der Luft.

Tafel 4: 900L Komposit Spektrum im Bereich 3900 – 4800 Å von C15E Stahl + Funken-spektrum der Luft (blaues Profil). Siehe auch Tafel 20, wo dieses Spektrum mit demjenigen der Sonne verglichen wird. Das hier überlagert dargestellte, rote Profil zeigt zusätzlich das „isoliert“ aufgenommene Luftspektrum ohne Eisenlinien.

Tafel 4a: C15E Stahl Spektrum von Tafel 4 nach der Subtraktion des Luftspektrums. Trotz-dem sind hier noch abgeschwächt Luftlinien zu sehen. Die Eisenlinien treten hier aber deut-licher hervor (Subtraktion mit der Vspec Funktion „Subtract Profile by a Profile“).

Tafel 5: dito Tafel 4, hier im Bereich 4650 – 5550 Å

Tafel 6: dito Tafel 4, hier im Bereich 5550 – 6450 Å und ohne „isoliert“ aufgenommenes Luftspektrum, da hier fast keine Fe I Linien zu sehen sind.

Tafel 7: dito Tafel 6, hier im Bereich 6450 – 7400 Å

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N II 5666.63N II 5679.56

N II 5710.77

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TAFEL 7


Tafel 8: Niedrig aufgelöstes (200L) Komposit Spektrum: Verzinkter Stahl + Funkenspektrum der Luft.

Dominierend sind hier erwartungsgemäss die Emissionslinien von Zink. Spitzenreiter ist klar die Linie bei 4810.53.Bei diesem Profil fällt auf, dass die Emissionslinien der Luft ver-gleichsweise bescheiden in Erscheinung treten, insbesondere die sonst intensive Linie, N II 5001 – 5007 Å, fehlt hier sogar vollständig. Es ist auch kein ausgeprägtes Kontinuum er-kennbar. Der Grund für diese Effekte bleibt mir vorläufig unklar. Möglicherweise war hier der Spektrografenspalt besonders genau auf die Einschlagsstelle des Funkens ausgerichtet.

Tafel 9: Niedrig aufgelöstes (200L) Komposit Spektrum: Aluminium + Funkenspektrum der Luft.

Hier sind drei Aluminium Emissionen im blauen Bereich des Spektrums dominierend. Auch bei diesem Profil fällt auf, dass die Emissionslinien der Luft vergleichsweise bescheiden in Erscheinung treten. Auch hier fehlt ein ausgeprägtes Kontinuum. Zwei Cluster mit Emissi-onslinien im Bereich von 4600 – 4750 Å, sowie 5100 – 5200 Å, lassen sich momentan nicht eindeutig identifizieren.

Tafel 10: Niedrig aufgelöstes (200L) Komposit Spektrum: Kupferdraht + Funkenspektrum der Luft.

Beim Kupferdraht wurde vorgängig der Isolierlack entfernt. Auch hier fehlt ein ausgepräg-tes Kontinuum. Dominierend sind hier drei isolierte Kupferlinien im Bereich von 5100 – 5300 Å. Mehrere andere bilden Blends mit N II- und O II Emissionen, welche hier noch rela-tiv intensiv erscheinen. Auffällig sind hier auch Nebenprodukte, d.h. Na l und Ca II Linien.

Tafel 11: Niedrig aufgelöstes (200L) Komposit Spektrum, aufgenommen mit Urs Flükiger in Oberburg. Probe: Werkzeugstahl mit Titanoxid (Ti O2) beschichtet.

Gut sichtbar sind hier Emissionsbanden von diatomischen Titanmo-noxid Molekülen (TiO) und auch atomare Ti - Linien. Titandioxid (Ti O2) kann bei diesen hohen Temperaturen von >3000 K nicht be-stehen, ebensowenig wie in den stellaren Atmosphären, bis hinun-ter zur späten M-Klasse.

Das Luft Spektrum tritt hier nur schwach in Erscheinung. Siehe auch Tafel 21, wo ein Ausschnitt dieses Spektrums mit dem entspre-chenden von Ras Algethi (α Her) überlagert dargestellt ist. Im Be-reich von 5000 Å bildet allerdings die „Königslinie“ des Luftspektrums, die intensive N II Emission, einen Blend mit den TiO Banden.

Da bei diesem Versuch der Funken die Titanoxidschicht durchschlagen musste, war er auch entsprechend schwächer ausgeprägt. Um die Absorptionsbanden besser sichtbar zu ma-chen, wurde die Belichtungszeit auf 1 Minute gesteigert und der Funken ca. 150x ausge-löst. Wird eine Kante oder Ecke getroffen, besteht die Gefahr, dass dort die Beschichtung zu dünn oder gar nicht mehr vorhanden ist. Als ideal hat sich deshalb erwiesen, wenn der Funken rechtwinklig auf die Mitte der Probe schlägt und die Aufnahme ungefähr in der Oberflächenebene erfolgt. So spielt es auch keine Rolle, wenn sich die Einschlagstelle et-was verschiebt.

Anmerkung: Es misslangen bisher Versuche, auf diese Art die Emissionslinien von Gold darzustellen. Es zeigte sich jeweils nur das Spektrum der Luftmoleküle. Der Grund dafür bleibt mir vorläufig unbekannt.


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Cu I 5153.24Cu I 5105.54

Ca II 3933.66Ca II 3968.47

Cu I 4062.6 / O II 4349

Cu I 4651.12 / N II 4630/43

Cu I / N II 5001 - 07

N II 3995

N II 4041

O II 4119 - 53

O II 4190Cu I 4230 / N II 4227 – 37 / Ca I

Cu I 4275.1

N II 4447

O II 4700/05

N II 4803.3

Cu I 5292.52

Cu I 5700.24

Cu I 5782.13

N II 5932/42

Cu II 6154.22

Fe I 3906.48 ?


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Ca II/Ti 3934

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TiO 5497

TiO 5448/51

TiO 4761-63 TiO 4704

TiO 4626 TiO 4668

TiO 4804

TiO 5167

TiO 5003/5020

TiO 6268

Hα 6562.82

N II 5001 - 07

Ti I 4137O II 4190

Ti I 4263

Ti I 4300Ti I 4390/93

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TiO 4436

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N II / O II 5179


4 Versuche mit Lichtbogenanregung

4.1 Geräte und Versuchsaufbau

Professionell werden Lichtbogenspektren mit Elektroden aus Wolfram oder spektralreiner Kohle in einer inerten Schutzgasatmosphäre gewonnen. Zusammen mit Urs Flükiger haben wir in seinem Betrieb in Oberburg [61] versucht, dies behelfsmässig und rudimentär mit einem gewöhnlichen Elektroschweissgerät zu simulieren: Elektrode Rutil (Ti O2)/sauer. Zu-sätzlicher Test mit einer TIG Elektrode, in Kombination mit Argongas. TIG steht englisch für Tungsten-Inert-Gas (welding) – deutsch WIG für Wolfram-Inert-Gas (schweissen).

Bild: Elektroschweissen mit Rutil Stabelektrode. DADOS Spektrograf und Vorsatzobjektiv auf AYO Montierung, Distanz ca. 3m. Urs (links im Hintergrund) bei der Aufzeichnung der Spektren am Laptop.

TIG schweissen mit Argon Schutzgas (Hr. Baumgartner)


4.2 Ergebnisse

Tafel 15: Lichtbogen simuliert mit Elektroschweissgerät. Elektrode Rutil/sauer. Niedrig auf-gelöstes (200L) Komposit Spektrum: Stahl 37, Werkstoffnummer 1.0037 (nachfolgend Stahl 37 genannt) + Funkenspektrum der Luft.

Der Vergleich mit dem Funkenspektrum zeigt, dass das Bogenspektrum etwas höher aufge-löst ist. Zusätzlich zu den Linien von Fe I Atomen und Luftmolekülen, treten hier noch sehr zahlreich atomare und molekulare Titanemissionen auf (Ti/TiO). Diese stammen offensicht-lich vom Rutil Mineral (Ti O2) der Schweisselektrode.

Die Unterscheidung von Fe I und Ti I hat sich als schwierig (unsicher) erwiesen. Diese Li-nien liegen in der Liste oft nur Bruchteile von 1Å auseinander.

Auffällig ist auch die breite Na I Emission mit einer zentralen Selbstabsorptionssenke, wie sie auch in den Spektren von Natriumhochdruckdampflampen aufritt (siehe [13]).

Tafel 16: Lichtbogen simuliert mit Elektroschweissgerät, TIG Elektrode in Kombination mit Argongas. Niedrig aufgelöstes (200L) Komposit Spektrum: Stahl 37 + Luft.

Bei älteren Schweissanlagen verbesserte radioaktives Thorium die Zündeigenschaften ge-genüber Gleichstrom. Diese Wolframelektrode enthält hier kein radioaktives Thorium mehr, da Flükiger & Co AG über moderne Schweissgeräte mit Hochspannungszündanlage und entsprechender Steuerung verfügt. Folglich fehlen hier im Spektrum solche Emissionslinien.

Das Profil wird eindrücklich beherrscht von intensiven Emissionen des Schutzgases Argon Ar I. Um die Fe I Linien überhaupt sichtbar zu machen, musste stark in der Intensitätsachse gezoomt werden. Im roten Bereich des Spektrums erscheinen daher die meisten Ar I Emis-sionen oben gekappt. In Wirklichkeit sind sie ca. doppelt bis dreifach so hoch!

Gut sichtbar ist hier auch die Schutzwirkung des Argongases. Die Emissionen der Luftmole-küle sind nur schwach ausgeprägt. Die „Königslinie“ N II bei 5000 – 5007 Å fehlt sogar vollständig!


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Fe I 5328Fe I 5369-71

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Ti I 5038

Fe I 4985-87

Fe I 5065

Fe I 5205

Fe I 5512-13

Fe I 5800

Fe I 6015-18

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Ar I 4259 / 66 /72Ar I 4300

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N II / O II 5179

Fe I 5406

Fe I 5563 - 66Fe I 5610

Fe I 5740Fe I 5835

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5 Der Link zwischen stellaren- und Laborspektren Tafel 20: Zeigt im Blaubereich den Vergleich des höher aufgelösten (900L) Komposit Spekt-rums von C15E (gemäss Tafel 4), zum Sonnenspektrum. Alle Fe I Linien des Funkenspekt-rums, sowie Ca II (als Nebenprodukt), lassen sich eindeutig im Sonnenspektrum identifizie-ren. Diverse Eisenlinien im Funkenspektrum werden hier von intensiveren Emissionen der Luftmoleküle (O II, N II) überdeckt und stehen für den Link zum Sonnenspektrum nicht zur Verfügung.

Tafel 21: Profilvergleich, Bereich von 4650 – 5900 Å, Titanoxid Bänder (TiO) (200L Gitter):

– Funkenspektrum TiO Emissionsbanden einer Oberflächenbeschichtung (gemäss Tafel 11) vs. – Stellare TiO Absorptionsbanden von Ras Algethi (α Her).

In diesem Wellenbereich treten im Spektrum der Oberflächenbeschichtung deutlich Emissi-onsbänder von TiO in Erscheinung. Diese verlaufen ungefähr spiegelbildlich zu den charak-teristischen Absorptionsbanden des späten M-Klasse Sterns α Her. Die Emissionen der Luftmoleküle sind hier relativ schwach ausgeprägt. Bei 5000 Å bildet allerdings N II einen intensiven Blend mit den TiO Banden.


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Fe I 4326

Fe I 4383

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O II 4119.22

O II 4132.8

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Fe I 4250Fe I 4260

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TiO 4847

TiO 4761

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TiO 5668

TiO 5760

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N II / O II 5179

TiO 5003/20 5020


6 Anhang

6.1 Kirchhoffs handschriftliche Aufzeichnung von Spektren [20].

Die Fraunhofer Absorptionslinien des Sonnenspektrums (oben) im Vergleich zu Emissions-spektren der Elemente Ka (heute K), Na, Li, Sr, Ca und Ba.


6.2 Spektralatlanten mit Funken und Bogenspektren der Vatikansternwarte

In Fortsetzung der Tradition des legendären Pater Secchi, welcher im 19. Jahrhundert den ersten stellaren Spektralatlas verfasste, hat die Vatikan Sternwarte in den 1930er und -40 er Jahren mehrere Grundlagenwerke mit Funken- und Lichtbogenspektren publiziert. Trei-bende Kraft hinter diesem Projekt war Pater Alois Gatterer. Die folgenden Darstellungen entstammen dem antiquarisch erworbenen Buch [1] Ricerche Spettroscopiche von J. Jun-kes und E.W. Salpeter.


7 Literatur und Internet

Literatur:

[1] Ricerche Spettroscopiche, J. Junkes, E.W. Salpeter, 1966, Laboratorio Astrofisico Della Specola Vaticana. Dreissig Jahre Spektralatlanten des Astrophysikalischen Laboratoriums der Vatikanischen Sternwarte. Vergriffen, nur noch antiquarisch erhältlich.

Internet Links:

Verfasser:

Folgende Schriften zum Thema Spektroskopie können unter diesem Link heruntergeladen werden: http://www.ursusmajor.ch/astrospektroskopie/richard-walkers-page/index.html

[10] Beitrag zur Spektroskopie für Astroamateure

[11] Das Aufbereiten und Auswerten von Spektralprofilen mit den wichtigsten IRIS und Vspec Funktionen

[12] Kalibrierung von Spektren mit der Xenon Stroboskoplampe

[12a] Kalibrierung von Spektren mit dem Glimmstarter ST 111 von OSRAM

[13] Spektralatlas für Astroamateure (Download in Deutsch und Englisch)

[14] ] Das optische Spektrum des Quasars 3C273

Blitz Spektroskopie:

[15] A High-Speed Time-Resolved Spectroscopic Study of the Lightning Return Stroke: Part I, a Quali-tative Analysis, Richard E. Orville, Institute of Atmospheric Physics, Tucson Arizona. http://journals.ametsoc.org/doi/pdf/10.1175/1520-0469(1968)025%3C0827%3AAHSTRS%3E2.0.CO%3B2

[16] The optical spectrum of aircraft St. Elmos fire, E.M. Wescot et al. University of Alasca, 1996. http://www.uas.alaska.edu/artssciences/naturalsciences/envs/faculty_staff/pubs/wescott96_stelmo.pdf

[17] Lightning Physics and Effects, V. Rakov, M. Uman

[18] The Spectrum of Lightning, L. Wallace, Kit Peak, National Observatory http://adsabs.harvard.edu/full/1964ApJ...139..994W

[19] Lightning Spectroscopy, T. Walker, H. Christian, D. Sentman

Emissionsspektroskopie:

[20] Chemische Analyse durch Spectralbeobachtungen, G. Kirchhoff R. Bunsen, Annalen der Physik und [20]Chemie 1860, http://www.ub.uni-heidelberg.de/helios/fachinfo/www/physik/erg/spek.pdf

[21] http://www.students.uni-mainz.de/jungc000/uugit/inhaltsv.htm Inhaltsverzeichnis mit zahlreichen Ideen und Tips zur Funken- und Flammenspektroskopie u.a. unter der Rubrik „Chemische Analysen“.

[22] Phasenaufgelöste, optische Emissionsspektroskopie an RF Plasmarandschichten, Diplomarbeit 2007, S. Nemschokmichal, Universität Greifswald http://www1.physik.uni-greifswald.de/download/dissertationen/dip-nemschokmichal.pdf

Datenbanken

[31] NIST Atomic Spectra Database: http://physics.nist.gov/PhysRefData/ASD/lines_form.html

[32] Simulierte Emissionsspektren für sämtliche Elemente, http://bmauclaire.free.fr/astronomie/spectro/simulation/noblet/index2.htm

Vspec und IRIS:


[51] Webpage von Christian Buil (Autor von IRIS) http://www.astrosurf.com/buil/

[52] Webpage von Valerie Désnoux (Autorin von Vspec) http://astrosurf.com/vdesnoux/

Metallurgie und Schweisstechnik

[61] Flükiger & Co AG - Industrieschmiede, Emmentalstrasse 75, CH 3414 Oberburg http://www.fluekiger.ch/

[62] Werkstoffdatenblatt Voegelin AG, C15E Stahl/Werkstoffnummer 1.1141 http://www.voegelinag.ch/DE/Dokumente/Werkstoffdatenblatt_C15E.pdf

Documents

Emissionsspektroskopie mit Funken- und Lichtbogenanregung · Emissionsspektroskopie mit Funken- und Lichtbogenanregung 3 1 Einleitung Dass auch Amateurastronomen mit sehr einfachen