Die absolute und spektrale Kalibrierung von optischen Detektoren durch die Sonne

Wie die vorhergehenden Beträge gezeigt haben, ist für die Photochemie und Photophysik die Kenntnis der Leistung und der Anzahl von Photonen von eminenter Bedeutung. Diese Information ist folglich auch für diverse Anwendungen relevant, die als „Grüne“ Strahlungsquelle die Sonne nutzen (z.B. die Energiegewinnung mittels Solarzellen). Heutzutage ist es möglich, einzelne Photonen zu erfassen, jedoch gib es keine gut bekannte, einfache, wellenlängenübergreifende Methode der Quantifizierung von hohen Bestrahlungsstärken (im Bereich einer technisch relevanten Leistung von 50 bis 900 W/m², z.B. für eine Xenonlampe 110 W/m² ca. 2x1020 Photonen/s/m²). Im Rahmen einer zweijährigen Messreihe habe ich eine „einfache“ Methode zur absoluten und spektralen Kalibrierung von lichtleitergekoppelten Detektionseinheiten entwickelt und 2014 veröffentlicht.[1] Die Geschichte/Besonderheiten/Hinweise zur Durchführung einer solchen Kalibrierung sind in der Publikation thematisiert. An dieser Stelle werde ich in aller Kürze die Schlüsselschritte der Prozedur erläutern.


Kurzbeschreibung der Kalibrierung

Aufgrund diverser Einflussfaktoren wie Quantenausbeute des Detektors, Verluste durch Aufbau, Verluste innerhalb der Spektrometers, … können die notwendigen Informationen für eine absolute und spektrale Kalibrierung/Quantifizierung trotz der signifikanten Weiterentwicklung „erwerbbarer“ lichtleitergekoppelter Systeme nicht direkt gemessen oder berechnet werden. Zum Kalibrieren wird eine breitbandige Lichtquelle mit wohlbekannter Bestrahlungsstärke benötigt, welche in dem Bereich liegt, wie der zukünftig zu messende Fluss. Die Sonne bietet sich an, da ihre Strahlungsleitung (total und diffus) kontinuierlich (in Deutschland „flächendeckend“) von geeichten Pyranometern (secondary standard) überwacht wird und da der exakte Wellenlängenverlauf bekannt und verfügbar ist (ASTM G173-03)[2]. Unter anderem aufgrund des Aufbaus eines lichtleitergekoppelten Systems (z.B. Öffnungswinkel der Einsammellinse) muss ein Grau-/ND-Filter bei den Messungen der Sonne an klaren Sommertagen genutzt werden, so dass die Zählraten der Detektionseinheit durch die direkte Sonneneinstrahlung zu einem exakten Zeitpunkt bestimmt wird. Der Zeitpunkt erlaubt die Berechnung der korrekten direkten Strahlungsleitung aus den geeichten Pyranometerdaten (Abbildung 1).

Abbildung 1: Beispieldaten des geeichten Pyranometers an einem Tag. Die Messzeiten der Erfassung von Sonnenspektren durch das Lichtleitersystem sind markiert.[1]

Die statistische Analyse der Zählraten relativ zur direkten Strahlungsleistung ermöglicht die Identifikation des Spektrums (des Zeitpunktes) mit dem geringsten Fehler (valid ND spectrum). Aufgrund diverser Einflussfaktoren, wie Wolken oder Ausrichtung der Detektionseinheit, werden möglichst viele Messungen an verschiedenen Sommertagen (in Mitteleuropa oder vergleichbaren Gebieten, Stichwort: Zenitwinkel) empfohlen. Ein wohldefiniertes Referenzspektrum, basierend auf den ASTM G173-03- Tabellen[2], welches mit der nun bekannten direkten Bestrahlungsleistung berechnet wird, dient zur Wellenlängenkorrektur der Detektorempfindlichkeit. Die Spektren, welche durch den Filter gemessen wurden, sind nur im Arbeitsbereich (400-700nm) des Filters gültig.Das "simple" Hochskalieren eines Sonnenspektrums (gemessen durch eine 0.05 mm Lochblende)[3] ermöglicht die Erweiterung des Wellenlängenbereichs zur zweifelsfreien Kalibrierung von Wellenlängen größer als ca. 310 nm; dabei kann der Bereich durch Variationen der hinreichenden Intensität der solaren Strahlung je nach Empfindlichkeit des lichtleiterbasierten Systems abweichen. Nun kann jeder Datenpunkt des Referenzspektrums in W/m2/nm mit dem entsprechenden Punkt des skalierten Spektrums (total_blank) in Zählereignissen verglichen werden. Aufgrund von Abweichungen der atmosphärischen Zusammensetzung wird jedoch die entwickelte Nutzung einer Korrekturfunktion empfohlen. Hierbei wird das Verhältnis der beiden Spektren beispielsweise durch ein Polynom n-ten Grades beschrieben (Abbildung 2).

Die Studie hat gezeigt, dass bei vollständiger Beleuchtung des Detektors die tatsächlich genutzte Strahlungsleistung einer strahleninduzierten Härtung am Ort der Bestrahlung[4] bestimmt werden kann (Abbildung 3). Auch zeigten die Untersuchungen, dass die Sonne als Strahlungsquelle für vergleichende Messungen (z.B. bei Photokatalyse oder Photo-Degradationsuntersuchungen) nur sehr bedingt (bei kontinuierlicher Überwachung durch ein geeichtes Pyranometer) geeignet ist.

Abbildung 2: Nutzung einer Korrekturfunktion A() zur absoluten und spektralen Kalibrierung des lichtleitergekoppelten Detektionssystems[4] (CY = Angaben zur Zeilenempfindlichkeit durch den Hersteller).
Abbildung 3: Absolute, kalkulierte Strahlungsleistung der genutzten Xenon-Blitzlichtlampe (ohne Hochpassfilter) im Vergleich zur Einstrahlung durch die Sonne.[4]

Zusammenfassung

Dieser Betrag hat in aller Kürze reflektiert, dass es möglich ist, auf eine kostengünstige Art und Weise ein variables Detektionssystem absolut und spektral zu kalibrieren. Unter Nutzung der Vorgehensweise, die für die Kalibrierung genutzt wurde, kann mit Hilfe der kalibrierten Einheit aus Detektor, Lichtleiter und Einsammellinse "jedwede" Lichtquelle mit hoher Bestrahlungsleistung/Photonenanzahl schnell kalibriert werden (Abbildung 3). So wurde erst kürzlich eine erste wellenlängenabhängige Härtungsstudie veröffentlicht[5].

Literatur

[1] M. Schmitt, F. Heib; About the possibility of calibrating optical detectors by solar radiation, RSC Advances, 4, 17639–17647, 2014.

[2] ASTM, ASTM G173-03, ASTM International, 2012, DOI: 10.1520/G0173-03E01.

[3] M. Schmitt; New method for real-time monitoring of photo-polymerization by UV-Vis-spectroscopy, Macromol. Chem. Phys., 212, 1276-1283, 2011.

[4] M. Schmitt; Synthesis and testing of ZnO nanoparticles for photo-initiation: Experimental observation of two different non-migration initiators for bulk polymerization, Nanoscale, 7, 9532–9544, 2015. (open access)

[5] M. Schmitt; Method to analyse energy and intensity dependent photo-curing of acrylic esters in bulk, RSC Advances, 5, 67284–67298, 2015. (open access)