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Eine verbesserte Gaserkennung durch Laser

Gasdetektoren, welche eine Laserspektroskopie anwenden, können chemische Verbindungen in einer kleinen Gasprobe zurückverfolgen und zum Aufspüren von explosiven, toxischen oder narkotischen Substanzen verwendet werden. Diese können ebenfalls bis auf einen Maßstab einzelner Zellen zur Analyse schwacher Gasströme verwendet werden, die von biologischen Proben ausgesandt werden.
Eine verbesserte Gaserkennung durch Laser
Das Ziel des EU-finanzierten Projekts MICEPAS MIR-EC-QCL (Novel miniaturized photoacoustic cell integrated with compact mid-infrared widely-tunable laser for gas-detection applications) war die Entwicklung eines kostengünstigeren und optimierten Gasdetektors, der auf Laserspektroskopie basiert.

Wissenschaftler integrierten eine neuartige miniaturisierte photoakustische Zelle mit einem Quantenkaskadenlaser (quantum cascade laser, QCL) im mittleren Infrarotbereich mit externer Kavität (external-cavity, EC) in einen kompakten photoakustischen Gasdetektor. Die Detektorkapazitäten wurden anhand einer Reihe von Laborexperimenten demonstriert.

Die Forscher optimierten das Zellendesign, um die Größe zu verringern und um einen Betrieb bei einer bestimmten Resonanz zu ermöglichen. Bezüglich der richtig optimierten resonanten Zelle war der Fensterhintergrund (ein Signal, welches in der Zelle aufgrund der Absorption und Reflektion von Lichtstrahlen über die Zellfenster entsteht) bei keinem Modulationsregime vorhanden.

Die hintergrundfreie Zelle kann verwendet werden, um etwaige infrarotaktive Verbindungen zu erkennen und ohne Weiteres auf jeden Laserstrahldurchmesser und jede Modulationsfrequenz angepasst werden. Die miniaturisierte Zelle ist jedoch trotz ihrer geringen Größe im Hinblick auf ihre Leistung mit der einer makroskaligen Zelle vergleichbar.

Es wurden verschiedene Detektorprototypen zur Verwendung in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen erstellt und getestet, welche die zentralen Laserchipkomponenten, den Laserkavitätsentwurf und die photoakustische Zelle beinhalteten. Die Einführung der photoakustischen Zelle in die Laserkavität führte zu einer signifikanten Steigerung bei der Gasdetektionssensitivität.

Demonstrationen zeigten, dass der EC-QCL-basierte photoakustische Intrakavitäts-Gasdetektor als hochsensitiver Hygrometer verwendet werden kann, mit dem Isotopenspezies in Wasserdampf analysiert werden können. Folglich kann der Prototyp als Grundlage für neue verbesserte Versionen erschwinglicher Gasdetektoren verwendet werden, die auf eine Vielzahl praktischer Anwendungsmöglichkeiten angepasst sind.

Die im Zuge von MICEPAS MIR-EC-QCL entwickelten genauen, zuverlässigen und erschwinglichen Detektoren können für die In-situ-Multikomponentenanalyse atmosphärischer Luft während der Überwachung von Verschmutzung und Abgasen, zur Regulierung industrieller Prozesse und zur Leckerkennung verwendet werden. Die Detektoren weisen ebenfalls eine ausreichende Sensitivität zur Erkennung von Gasen auf, die bei Stoffwechselreaktionen in lebenden Systemen beteiligt sind.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Life Sciences

Schlüsselwörter

Gaserkennung, Laserspektroskopie, MICEPAS MIR-EC-QCL, photoakustische Zelle, Quantenkaskadenlaser mit externen Kavitäten
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