Funkenspektroskopie. Diese Unterlagen dienen gemäß 53, 54 URG ausschließlich der Ausbildung an der Hochschule Bremen.

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1 [1] Funkenspektroskopie Diese Unterlagen dienen gemäß 53, 54 URG ausschließlich der Ausbildung an der Hochschule Bremen. Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert, Dipl.-Ing. Udo Egberts 1 / 8

2 1. Einleitung Die Funkenspektroskopie ist ein Analyseverfahren zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung von metallischen Werkstoffen. Bei definierter Energiezufuhr gibt jeder Stoff eine Strahlung mit charakteristischer Wellenlänge ab. Bei der Funkenspektroskopie wird dieser Effekt genutzt. Man misst die Wellenlänge und Intensität der Strahlung und vergleicht diese mit Referenzkurven, über die sich der Stoffanteil in einer Legierung bestimmen lässt. Moderne Spektralapparate haben die Referenzkurven auf einem Analysecomputer hinterlegt und vergleichen diese voll automatisch mit den gemessenen Werten. 2. Grundlagen 2.1. Funkenerzeugung Die Elektronen in einem Atom bewegen sich auf Bahnen mit einem exakten Energieniveau, den sogenannten Schalen. Die innere Schale hat das niedrigste Energieniveau. Wird einem Atom thermisch, elektrisch oder optisch genug Energie zugeführt, kommt es zu einem sprunghaften Übergang von einem Energieniveau auf ein höheres. Dabei springen Elektronen von einer Schale auf eine mit höherem Energieniveau (siehe Abb.1), dies wird als Quantensprung bezeichnet. Dieser Zustand ist nicht stabil, daher fallen die Elektronen zurück auf die ursprüngliche Schale. Beim Zurückfallen wird Energie, die genau der Differenz der Energieniveaus der beiden Schalen entspricht, in Form von Licht freigesetzt. Das dabei abgestrahlte Licht hat deshalb eine exakte Wellenlänge, die für das Atom charakteristisch ist. Die unterschiedlichen Sprungmöglichkeiten der Elektronen auf den Schalen des jeweiligen Atoms und die Häufigkeit der einzelnen Sprünge ergeben ein für das Element charakteristisches Emissionsspektrum. Abbildung 1: Schematische Darstellung der Lichtemission in einem Litiumatom Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert, Dipl.-Ing. Udo Egberts 2 / 8

3 Das Emissionsspektrum eines Elements enthält Linien unterschiedlicher Stärke. Abbildung 2 zeigt das Emissionsspektrum von Eisen im Wellenlängenbereich von 530 bis 535 nm. Die senkrechten Linien sind Spektrallinien. Sie stehen für emittiertes Licht zur angegebenen Wellenlänge. Die Linienstärke ist proportional zur Intensität der einzelnen Wellenlängen. Das Spektrum ist charakteristisch für Eisen. Abbildung 2: Ausschnitt aus dem Emissionsspektrum von Reineisen [2] Die meisten metallischen Elemente emittieren Spektrallinien im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts (360 bis 800 nm) Beugung Die Zerlegung des Lichts erfolgt durch optische Hilfsmittel, wie Prismen oder optische Gitter. An Prismen wird kurzwelliges Licht (v = violett) stärker gebeugt als langwelliges (r = rot). In Abbildung 3 tritt das Licht aus dem Spalt (Sp) aus, wird durch die erste Linse (L1) parallelisiert und je nach Wellenlänge unterschiedlich stark am Prisma (P) gebeugt. Durch die zweite Linse (L2) wird das Licht gebündelt und trifft auf die Platte (Pl) auf. Abbildung 3: Einfacher Prismenspektralapparat [2] Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert, Dipl.-Ing. Udo Egberts 3 / 8

4 3. Aufbau eines Funkenspektrometers Das Spektrometer besteht aus dem Funkenstand, dem Konkavgitter und der Spektrenerfassung. Beim Funkenstand wird die Probe elektrisch angeregt, wodurch ein Funken erzeugt wird. Vom Funkenstand aus wird das erzeugte Licht durch Lichtleiter zum Konkavgitter geleitet, wo es in die einzelnen Wellenlängen zerlegt wird. Das zerlegte Licht wird in der Spektrenerfassung von Sensoren detektiert. Die erfassten Messwerte werden in einem Computersystem ausgewertet und als Datenblatt ausgegeben Funkenstand Der Funkenstand besteht aus einem Niederhalter, einer Elektrode, einer Blende und einer Argonzufuhr (siehe Abb. 4). Der Niederhalter ist in der Höhe verstellbar und wird zum Fixieren der Probe verwendet. Er bildet zusammen mit der Probe die Kathode. Die Elektrode unterhalb der Probe bildet die Anode. Damit sich ein Funken ausbilden kann, muss die Strecke zwischen Anode und Kathode vom Strom überwunden werden (Funkenstrecke). Dies geschieht durch eine Hochspannung (15-30 kv). Durch den Funken wird die Probe so stark erhitzt, dass ein zum Leuchten angeregtes Plasma im Brennfleck entsteht. Die Blende besteht meist aus Messing, da dieses die entstehende Wärme schnell ableiten kann. In der Mitte der Blende befindet sich eine Öffnung, welche vom Probenmaterial vollständig abgedeckt sein muss. Der Funkenstand wird meist mit Reinstargon gespült, da Wellenlängen unter 200 nm nur in einer sauerstofffreien Atmosphäre gemessen werden können. Kohlenstoff, Phosphor und Schwefel sind Elemente, die Wellenlängen unter 200 nm emittieren. Besonders Kohlenstoff ist ein wichtiges Element im Stahl und muss sehr genau bestimmt werden. Nicht fettfreie Argonleitungen oder Restsauerstoff in der Atmosphäre können zu Messfehlern führen. Niederhalter Blende zum Spektrometer Brennfleck Funken Elektrode Argon Abbildung 4: Schema des Funkenstands [2] Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert, Dipl.-Ing. Udo Egberts 4 / 8

5 3.2. Konkavgitter Abbildung 5: Strahlengang im Gitter Spektralapparat nach Rowland [2] In Spektometern werden Konkavreflexionsgitter zur Beugung des Lichts verwendet (siehe Abb. 5), da die kurzwelligen Lichtstrahlen in Glasprismen zu stark absorbiert werden. Das Licht tritt durch den Spalt (Sp) in den Kreis ein und wird an dem Konkavgitter(G) gebeugt. Die gebeugten, spektral zerlegten Lichtbündel werden auf dem Kreisumfang fokussiert (r = rot, v = violett). Das Konkavgitter besteht aus einer spiegelnden Metallfläche, die aus parallelen Furchen mit gleichmäßiger Teilung gefertigt ist. Der Spalt und das Konkavgitter befinden sich auf einem Kreis, während das Gitter selbst den doppelten Radius des Kreises hat. Diese geometrische Gegebenheit wird Rowlandkreis genannt und sorgt dafür, dass das gebeugte Licht direkt auf dem Kreisumfang fokussiert wird. [2] 3.3. Spektrenerfassung Das Lichtspektrum wird durch Sensoren, die auf dem Kreisumfang angeordnet sind, analysiert. Die Sensoren messen die Intensität der einzelnen Wellenlängen und geben die Daten an den Computer zur Analyse weiter (siehe Abb. 6). Abbildung 6: Anordnung der Sensoren [3] Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert, Dipl.-Ing. Udo Egberts 5 / 8

6 Es handelt sich um ladungsgekoppelte Lichtsensoren, sogenannte CCD-Sensoren (Charge Coupled Devices). Sie bestehen aus Halbleitern, auf die die Lichtstrahlen einfallen. Die Lichtstrahlen geben durch den inneren photoelektrischen Effekt ihre Energie an die Elektronen des Halbleiters ab. Das heißt durch die Absorption des Lichts steigt ihre Energie und sie können sich aus ihrer Bindung lösen. Durch eine angelegte Spannung trennen sich die entstehenden freien Elektronen von den positiv geladenen Löchern. Die Ladungen sammeln sich an und werden nach der Belichtung zum Ausleseverstärker verschoben und dort digitalisiert. Die Wellenlängen werden über die Position der Sensoren auf dem Rowlandkreis bestimmt. Die eingestrahlte Lichtmenge (Intensität) ist proportional zur ausgegebenen elektrischen Spannung. CCD-Sensoren können einen Wellenlängenbereich von 140 bis 800 nm abdecken. Das optische System ist stabilisiert gegen Temperatureinflüsse und von 10 bis 30 C einsetzbar. [2, 3] 3.4. Auswertung Zur Auswertung steht nun das Emissionsspektrum der analysierten Legierung, welches aus der Überlagerung der einzelnen Spektren der in der Legierung enthaltenen Elemente besteht, zur Verfügung. Die CCD-Sensoren geben zu jeder Spektrallinie mit der dazugehörigen Wellenlänge die Intensität des emittierten Lichtes in Form einer elektrischen Spannung in mv wieder. Die weitere rechnerische Auswertung geschieht über den Vergleich mit umfangreichen Referenzkurven, die auf dem Analysecomputer der Anlage hinterlegt sind. Diese stellen den Zusammenhang zwischen der Intensität in mv und dem Gehalt in % des jeweiligen Legierungselementes her. Es handelt sich deshalb, im Gegensatz zu einem absoluten, um ein vergleichendes Verfahren. Bei der Auswertung müssen wichtige Effekte, die die Intensität der Spektrallinien beeinflussen, berücksichtigt werden. Solche Effekte sind z.b. die Schwankungen beim Abfunken, die Linienüberlappungen unterschiedlicher Elemente im Spektrum und die spektralen Interferenzen zwischen Licht von unterschiedlichen Elektronenübergängen unterschiedlicher Elemente. Nicht zuletzt die Berücksichtigung dieser Effekte macht die Auswertung sehr komplex. An dieser Stelle soll auf die einschlägige Literatur verwiesen werden. [4] 4. Literatur [1] schematic_maxx_lmx07_logo.jpg?h=848&la=en&w=1200&hash=f97122a78694 A818999F AB0AD63A6D0A ( ) [2] Macherauch, E.; Zoch, H.-W.: Praktikum in Werkstoffkunde, Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden 2011 [3] SPECTROMAXx: The New Art of Analysing Metal, Technical Specifications, Spectro 2005 [4] Slickers, Karl: Die automatische Atom-Emissions-Spektralanalyse, Buchvertrieb K.A. Slickers, Gießen 1992 Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert, Dipl.-Ing. Udo Egberts 6 / 8

7 5. Aufgaben Bestimmen Sie die chemische Zusammensetzung der Probe und vergleichen Sie den Werkstoff mit den Werten der vorliegenden Stahl-Eisen-Liste. Prüfbedingungen Werkstoff: Probenbezeichnung: Probengeometrie: Verwendetes Prüfgerät: Bearbeitungszustand (z.b. Oberfläche, Wärmebehandlung): Probenvorbereitung: Prüfergebnisse Nr. der Messung Chemische Zusammensetzung in % C Si Mn Cr Ni Mo Cu Co Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert, Dipl.-Ing. Udo Egberts 7 / 8

8 Nr. der Messung Chemische Zusammensetzung in % Al Nb Ti V W Pb Fe Fehlerbetrachtung: Werkstoffbezeichnung: Skizzieren Sie kurz den Aufbau des Rowlandkreises. Prof. Dr.-Ing. Uwe Reinert, Dipl.-Ing. Udo Egberts 8 / 8