Mikrosekunden TRS interleaved FTIR Spektroskopie

Transkript

1 Mikrosekunden TRS interleaved FTIR Spektroskopie Dr. Michael Jörger Bruker Optik Anwendertreffen Ettlingen, Innovation with Integrity

2 Zeitaufgelöste FTIR-Spektroskopie (TRS) Rapid-Scan Step-Scan Interleaved (= verschachtelt ) Welches ist die beste Technik? Falsche Frage Unterschiedliche Techniken mit unterschiedlichen Vor-/Nachteilen

3 Rapid-Scan TRS Technik Naheliegendste Technik für zeitaufgelöste FTIR-Spektroskopie Betrieb des Interferometers mit hoher Spiegelgeschwindigkeit Viele Interferogramme pro Zeiteinheit Bereits ½ Interferogramm ausreichend für 1 Spektrum RockSolid TM Interferometer: vereinfachte 2D Projektion

4 Rapid-Scan TRS: Applikationen Verbrennung von Butan: Vorteile: Auch für nicht reproduzierbare Kinetiken (chemische Reaktionen etc.) Effiziente Nutzung der Messzeit (kontinuierliche Datenakquisition) UV induzierte Polymerisation eines Acrylats:.2 Limitierungen: Zeitauflösung aus konstruktiven Gründen begrenzt (V8: -1 ) Absorbance Units.1. Je besser die spektrale Auflösung, desto langsamer die Zeitauflösung (V8: ~18ms@4cm -1 )

5 Step-Scan TRS Technik IFG Zeit Schrittweiser Betrieb des Interferometers Stoppen des Spiegels an jedem IFG-Punkt und Neustart des Experiments (+ optionale Koadditionen). Spiegelposition Experiment muss reproduzierbar (wiederholbar) sein. Scanner

6 Step-Scan TRS Technik Zeitaufgelöstes Step-Scan IFG: Interferogramm.2 Schrittweiser Betrieb des Interferometers Stoppen des Spiegels an jedem IFG-Punkt und Neustart des Experiments (+ optionale Koadditionen) X [Punkte] Zeit/µs Experiment muss reproduzierbar (wiederholbar) sein. Zeitaufgelöstes Spektrum (gepulste IR-Laseremission): Laser Moden Wellenzahl/cm Zeit/µs

7 Step-Scan TRS Technik Zeitaufgelöstes Step-Scan IFG: Interferogramm.2 Vorteile: Hohe Zeitauflösung (niedriger ns-bereich, Begrenzung nur durch Detektor & Elektronik) X [Punkte] Zeit/µs Flexibilität: diverse Parameter, Amplituden- & Phasenmodulation, AC-Kopplung (differenziell) Kein Zusammenhang zwischen zeitlicher und spektraler Auflösung. Zeitaufgelöstes Spektrum (gepulste IR-Laseremission): Laser Moden Einschränkungen: 3 2 Erfordert reproduzierbares Experiment Wellenzahl/cm Zeit/µs Weniger effiziente Nutzung der Messzeit (Pausen durch Spiegelpositionierung) Komplexität

8 Step-Scan News: Neuer schneller Vorverstärker für ns-zeitauflösung Detektoranschlüsse: Manuelles Umstecken DC-Offset Box (Vakuumspektrometer) DC-Offset (Standard) Bisher: Separater schneller Vorverstärker Manuelles Umstecken zwischen schneller und Standardelektronik Manuelles Einstellen des DC-Offsets Eine feste Verstärkungsstufe Spannungsversorgung Separater schneller Vorverstärker Neu: Integrierter schneller Vorverstärker Permanent anschließbar/kein Umstecken Einstellung DC Offset im OPUS Justiermodus 4 verschiedene Verstärkungsstufen S/N unverändert

9 Interleaved TRS: kontinuierliche Spiegelbewegung X A TTL Trigger HeNe Signal Normale Continuous Scan Messung Zusätzliche Datenakquisition bei Dt Zusätzliche Datenakquisition bei 2Dt Triggern des Experiments Experiment muss bis zum nächsten X A beendet sein t exp < 1/f XA t exp < 1/v Spiegel (OPUS) t= Anpassen von v Spiegel ans Experiment (z.b. v=1khz: t exp <1µs). Abhängig von spektraler Bandbreite. Dt 2Dt Zeit (bzw. Spiegelposition) IFGs verschachtelt (vgl. Multiplexing). Algorithmus für Datenakquisition & Extraktion der einzelnen IFGs erforderlich

10 Interleaved TRS Technik Vorteile: Zeitauflösung nur durch Elektronik & Detektor begrenzt (OPUS 7.5 interner ADC: ~6µs). Effiziente Nutzung der Messzeit (kontinuierliche Datenakquisition) Einfache Bedienung! Limitierungen: Reproduzierbares und triggerbares Experiment Weniger flexibel als Step-Scan. Keine Modulationstechniken (AM, PM), keine differenzielle Spektroskopie

11 Interleaved TRS Technik OPUS7.5 TRS Interleaved Funktion Erforderlich für interleaved TRS: OPUS 7.5 (oder höher): implementiert für internen ADC (Zeitauflösung bis ~6µs), OPUS/3D Paket VERTEX mit M16 Elektronik (ca. seit Mitte 29) & aktuelle Firmware Detektor mit zusätzlichem DC-gekoppelten Kanal VB-Skript für Koadditionen Empfohlen: Step-Scan Option: ermöglicht variable Spiegelgeschwindigkeit via Slow-Scan VB-Skript für Koadditionen: ermöglicht Mittelung über mehrere Scans (vgl.step-scan Koadditionen)

12 Single channel O:\User\mijo\privat\Mijo-local\Dokumente\Präsentationen\Vorträge\Anwendertreffen\AT14\Interleaved\Step-Scan\Diode_Vakuum_Step_8cm-1_3ms_1_Coadd_FBW._ScSm_8_18._µsec C:\Users\mijo\Documents\Bruker\OPUS_7.5.18\WORK\Av. Av. of 1 O:\User\mijo\privat\Mijo-local\Dokumente\Präsentationen\Vorträge\Anwendertreffen\AT14\Interleaved\Continuous Scan\Diode_Vakuum_cw_8cm-1_2_Scans Emissionsmessung, NIR GaAs Diode: Step-Scan & Continuous Scan Step-Scan Messung gepulst: An Aus 9µs 3ms 9µs 9µs 3ms Zeitauflösung: ~6µs Stabilisierung: 3ms Koadditionen: 1 Gesamtdauer: 4min27s.6 Störstellenemission(?) bei ~519cm.4-1 3K Hintergrundemission Wellenzahl/cm Hauptemission bei ~159cm Zeit/µs -2 Optische Messkonfiguration: VERTEX8v mit Emissionseingang, LN2 InSb Det., NIR/VIS/UV Strahlenteiler T62 Auflösung 8cm -1, Bandbreite 158cm -1 Physik: Normierte Continuous Scan cw (2 Scans, v=1khz, Gesamtdauer 15s) Step-Scan: 1 Zeitscheibe Step-Scan: 1 Zeitsch. gemittelt Wavenumber cm Seite 1 von Wavenumber cm-1 Wellenzahl/cm -1 Emission der kurz gepulsten Diode unterscheidet sich vom cw-fall Höhere Temperatur durch cw-betrieb: Hauptemission rotverschoben, Störstellenemission unterdrückt Signal/Rauschen: Continuous Scan klar im Vorteil wegen effizienterer Nutzung der Messzeit O:\User\mijo\privat\Mijo-local\Dokumente\Präsentationen\Vorträge\Anwendertreffen\AT14\Interleaved\Step-Scan\Diode_Vakuum_Step_8cm-1_3ms_1_Coadd_FBW._ScSm_8_18._µsec C:\Users\mijo\Documents\Bruker\OPUS_7.5.18\WORK\Av. Av. of

13 Single channel O:\User\mijo\privat\Mijo-local\Dokumente\Präsentationen\Vorträge\Anwendertreffen\AT14\Interleaved\Step-Scan\Diode_Vakuum_Step_8cm-1_3ms_1_Coadd_FBW._ScSm_8_18._µsec O:\User\mijo\privat\Mijo-local\Dokumente\Präsentationen\Vorträge\Anwendertreffen\AT14\Interleaved\Continuous Scan\Diode_Vakuum_cw_8cm-1_2_Scans. O:\User\mijo\privat\Mijo-local\Dokumente\Präsentationen\Vorträge\Anwendertreffen\AT14\Interleaved\Diode_Vakuum_Int_8cm-1_1_Scan_5kHz_DO.1_ScSm._µsec. Test Sa Emissionsmessung, NIR GaAs Diode: Interleaved TRS Interleaved Messung lang gepulst ( fast cw ): An Aus 8µs 2µs 8µs 2µs Zeitauflösung: ~6µs 1 Scan v Spiegel = 1kHz Gesamtdauer: ~2s Normierte Continuous Scan cw (2 Scans, v=1khz, t ges ~15s) Step-Scan: 1 Zeitscheibe Interleaved (1 Scan, v=1khz, t ges ~2s) 68 7 Wavenumber 72 cm Wellenzahl/cm Seite 1 von Wellenzahl/cm Zeit/µs Wavenumber cm-1 Optische Messkonfiguration: siehe Step-Scan Physik: Lang gepulste Diode: mittlere Temperatur vgl. zu Kurzpuls- und Dauerbetrieb, Störstellenemission unterdrückt Signal/Rauschen: Vgl. mit Step-Scan: Interleaved klar im Vorteil Vgl. mit Continuous Scan (u. Berücksichtigung Scananzahl) : Interleaved fast so gut wie Continuous Scan (vorl. Einschätzung) O:\User\mijo\privat\Mijo-local\Dokumente\Präsentationen\Vorträge\Anwendertreffen\AT14\Interleaved\Step-Scan\Diode_Vakuum_Step_8cm-1_3ms_1_Coadd_FBW._ScSm_8_18._µsec O:\User\mijo\privat\Mijo-local\Dokumente\Präsentationen\Vorträge\Anwendertreffen\AT14\Interleaved\Continuous Scan\Diode_Vakuum_cw_8cm-1_2_Scans

14 Interleaved TRS: Zusammenfassung Einfach zu bedienende zeitaufgelöste Messtechnik für wiederholbare & triggerbare Kinetiken Zeitauflösung bis ~6µs (<< Rapid-Scan) S/N Vorteil gegenüber Step-Scan, insbesondere bei großer spektraler Bandbreite geringe Bandbreite: Undersampling kann Step-Scan Nachteil verringern KEIN genereller Step-Scan Ersatz aber Alternative für best. Klasse von zeitaufgelösten Experimenten Step-Scan maximale Flexibilität: Parameterraum, differenzielle Spektroskopie, Modulationstechniken

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