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Pen-Ray-Lichtquellen sind kompakte, langlebige und zuverlässige Lichtquellen in Form eines Stiftes, die häufig in der Spektroskopie eingesetzt werden. Es handelt sich hierbei um Niederdruck-Gasentladungslampen in einer Quarzröhre. Sie sind in verschiedenen Füllungen erhältlich, einschließlich UV, sichtbarem und infrarotem Licht. Dies ermöglicht ihre Verwendung in einer Vielzahl von spektroskopischen Anwendungen, wie UV-Vis-Spektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie und Absorptionsspektroskopie.
Pen-Ray-Lichtquellen sind klein und leicht, was sie einfach zu handhaben und in verschiedenen experimentellen Setups zu integrieren macht. Ihre kompakte Bauweise ermöglicht den Einsatz in beengten Laborumgebungen und tragbaren Spektrometern.
Diese Lichtquellen erzeugen scharfe und intensive Emissionslinien bekannter Lagen, was u. a. zu Kalibrationszwecken genutzt werden kann. Pen-Ray-Lampen haben eine lange Lebensdauer und sind sehr zuverlässig. Ihre Haltbarkeit bedeutet weniger Ausfallzeiten und geringere Wartungskosten im Vergleich zu anderen Lichtquellen.
Desweiteren erzeugen Pen-Ray-Lichtquellen im Vergleich zu anderen Lichtquellen, insbesondere zu herkömmlichen Glühlampen, weniger Wärme. Dies ist besonders vorteilhaft, um thermische Effekte in empfindlichen spektroskopischen Messungen zu vermeiden.
Pen-Ray-Lichtquellen bieten ein sehr reines Spektrum mit minimalem Rauschen und geringer spektraler Verunreinigung. Dies ist besonders wichtig für präzise spektrale Analysen und die Identifikation spezifischer Substanzen.
Dank dieser Vorteile finden Pen-Ray-Lichtquellen breite Anwendung in verschiedenen spektroskopischen Techniken:
Pen-Ray-Lichtquellen bieten durch ihre Kombination aus Kompaktheit, Stabilität, Vielseitigkeit und Benutzerfreundlichkeit eine hervorragende Lösung für eine Vielzahl von spektroskopischen Anwendungen.
Die Lampen besitzen ein Ende aus Phenoplast und können in beliebiger Position betrieben werden. Das Anschlusskabel hat eine Länge von 300 mm.
Zum Betrieb ist ein Netzteil erhältlich, welches die Lampen sowohl zündet als auch betreiben kann. Je nach Lampentyp muss allerdings der Betriebsstrom mit einem Schiebeschalter zwischen 10 mA und 18 mA umgeschaltet werden.
Das Spektrum zeigt im Bereich zwischen 585 nm und 725 nm eine ganze Reihe an Emissionslinien, die in der Summe das bekannte charakteristische rötliche »Neon-Licht« erzeugen.
Besonders stark sind in der Regel die Linien bei 640,23 nm und 703,24 nm. Hiermit können z. B. Neon-Bestandteile in leuchtenden Gasen bzw. Plasmen sehr leicht nachgewiesen werden.
Spektrum eines Neon-Pen-Rays mit eingeblendeten Referenzwerten ¹
Im Neon-Spektrum finden sich auch einige Linien, die (bezogen auf die hier genutzte Auflösung der Spektrometer) relativ nahe beieinander liegen und somit auch zum Test bzw. zur Justage eines Spektrometers genutzt werden können.
Im Argon-Spektrum dominiert eine starke Emissionslinie bei 763,51 nm. Zusammen mit weiteren Linien zwischen 696 nm und 842 nm ergibt sich hieraus ein violetter Farbton.
Spektrum eines Argon-Pen-Rays mit eingeblendeten Referenzwerten ¹
Im Spektrum finden sich die starken Kr-Linien im nahen IR bei 758,74 nm und 760,15 nm (e), die bei der gewählten Einstellung des Spektrometers und Darstellung des Plots als ein breiterer Peak erscheinen. Charakteristisch sind aber auch die grünen Linie bei 557,03 nm (c) und die gelbe Linie bei 587,09 nm (d).
Spektrum eines Krypton-Pen-Rays mit eingeblendeten Referenzwerten ¹
Im Spektrum findet man die beiden charakteristischen Xe-Linien bei 823,16 nm (j) und 828,01 nm (k). Das bläuliche Licht der Xenon-Lampe stammt aber von einer Reihe an Linien zwischen 450 nm und 491 nm.
Spektrum eines Xenon-Pen-Rays mit eingeblendeten Referenzwerten ¹
Diese Lampe benötigt eine Aufwärmzeit von 2 Minuten und für besonders exakte Messungen eine zusätzliche Stabilisierungszeit von 30 Minuten. Direkt nach Einschalten der Lampe sind neben den Hg-Linien auch noch Argonlinien sichtbar.
Direkt nach dem Einschalten
Spektrum eines Quecksilber-Argon-Pen-Rays mit eingeblendeten Referenzwerten unmittelbar nach dem Einschalten ¹
Nach etwa 2 Sekunden Betriebsdauer
Nach etwa 5 Sekunden Betriebsdauer
Nach etwa 7 Sekunden Betriebsdauer
Nach etwa 10 Sekunden Betriebsdauer
Nach etwa 12 Sekunden Betriebsdauer
Nach etwa 14 Sekunden Betriebsdauer
Nach etwa 17 Sekunden Betriebsdauer
Nach etwa 19 Sekunden Betriebsdauer
Nach dem Betrieb von einigen Minuten (laut Hersteller) sind die Argon-Linien verschwunden und es sind nur noch die Quecksilberlinien sichtbar.
Nach etwa 21 Sekunden Betriebsdauer
Spektrum eines Quecksilber-Argon-Pen-Rays mit eingeblendeten Referenzwerten nach einigen Betriebsminuten ¹
Diese Emissionen dieses Lampentyps reagieren empfindlich auf die Lampentemperatur. Durch erzwungene Kühlung durch z. B. einen Ventilator können die Neon-Linien auch bei längerem Betrieb sichtbar bleiben.
Direkt nach dem Einschalten
Spektrum eines Quecksilber-Neon-Pen-Rays mit eingeblendeten Referenzwerten unmittelbar nach dem Einschalten ¹
Nach etwa 10 Sekunden Betriebsdauer (1/4s, F7.1)
Nach etwa 22 Sekunden Betriebsdauer (1/4s, F7.1)
Nach etwa 31 Sekunden Betriebsdauer (1/4s, F7.1)
Nach etwa 43 Sekunden Betriebsdauer (1/4s, F14)
Nach etwa 55 Sekunden Betriebsdauer (1/4s, F20)
Das Spektrum nach einigen Betriebsminuten entspricht hier jenem des Pen-Rays Quecksilber (mit Argon) (Hg(Ar)) nach einigen Betriebsminuten: Die Neon-Linien verschwinden und es sind nur noch die charakteristischen Quecksilber-Linien im Spektrum zu sehen.
¹ Die Spektren wurden mit den Czerny-Turner-Spektrometern aus unserem Optikbaukasten aufgenommen.
Die Daten der eingeblendeten Emissionslinien stammen aus der Atomic Spectra Database | NIST
Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J., and NIST ASD Team (2023). NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.11), [Online]. Available: https://physics.nist.gov/asd [2024, June 23]. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD. DOI: https://doi.org/10.18434/T4W30F
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Aktualisiert am: 10.09.2024
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