HID-Lampen sind eine faszinierende Quelle für spektroskopische Untersuchungen. Man drückt auf »On« … und in den ersten Sekunden startet bei einer HID-Lampe kein einfacher »An/Aus«-Zustand, sondern ein dynamischer Aufwärmprozess.

Das Licht entsteht nach einem Rezept, das sich erst bei Betriebstemperatur vollständig entfaltet: Zuerst dominiert das Startgas, dann übernimmt der Quecksilberbogen – und erst wenn es im Brenner richtig heiß wird, kommen die zugesetzten Metalle ins Spiel und prägen das Spektrum sichtbar mit.

Mit dem Auge erkennt man hiervon nicht viel. Mit dem Spektrometer wird daraus aber ein echter Blick in die Zutatenliste: Während des Aufwärmens zeigt die Lampe Schritt für Schritt, welche Atome gerade die Hauptrolle spielen.

Um dies genauer zu untersuchen, haben wir mit unserem DIY-Spektrometer drei Spektren aufgenommen:

1. direkt nach dem Start,
2. nach ca. 10 Sekunden,
3. im heißen, stabilen Zustand.

Was ist eine HID-Lampe eigentlich?

HID steht für High Intensity Discharge: Statt einer Glühwendel oder LED gibt es einen Lichtbogen in einem kleinen Brenner (»Arc Tube«). Damit der überhaupt zündet, steckt darin anfangs ein Startgas (bei Taschenlampen-HIDs oft Xenon, manchmal auch Argon-Mischungen). Dazu kommt in vielen HID-Konzepten Quecksilber (Hg), das den Lichtbogen stabil und sehr hell macht.

Und dann kommt das, was HID-Lampen so »würzig« macht: Metallhalogenide (Metallsalze, z. B. NaI, TlI, ScI₃ …). Diese liegen kalt erstmal als Feststoff irgendwo im Brenner. Erst wenn alles heiß genug ist, verdampfen sie und zerfallen im Plasma teilweise in Atome/Ionen. Dann entstehen zusätzliche Spektrallinien. Ergebnis: das Spektrum verändert sich beim Warmwerden dramatisch.

Experimentelle Durchführung

Die Spektren wurden mit einem unserer DIY-Spektrometer aufgenommen.

• Anordnung: Czerny-Turner
• Brenweite: 150 mm
• Spaltgröße: 10 µm
• Gitter: 300 lp/mm
• Detektor: Zeilenkamera e9u-LSMD-1304-STD mit 3648 Pixel
• Auflösung: 0,08 nm/Pixel
• Lichtleiter: Toslink

Als Software diente ein einfaches Python-Skript zum Einstellen der Integrationszeit und Linienoverlay (»Lines«); das macht das Peak-Detektivspiel deutlich leichter.

Das Licht der HID-Lampe wurde über einen TosLink/POF-Lichtleiter ins Spektrometer geführt; super praktisch: robust und preiswert. Das Ende des Lichtleiters wurde hierzu in ca. 2 m Entfernung zur Taschenlampe platziert.

Sicherheitshinweis beim Nachstellen: HID-Licht ist extrem hell, der Brenner wird heiß, und bei manchen Typen kann richtig viel UV im Spiel sein. Nicht direkt reinschauen, Abstand halten, abkühlen lassen!!!

Was zeigen die drei Spektren?

1) Direkt nach dem Start: »Gas-Show« – Xenon macht den Auftakt

Im kalten Zustand findet man zunächst Emissionslinien, die Xenon zugeordnet werden können. Man sieht sogar einen Peak, der als Xe II markiert ist (ionisiertes Xenon) – das passt zur Startphase: Zündung/Anlauf bedeutet hohe Feldstärken, »harte« Entladung, das Gas ist erstmal der Star.

Hinzu kommen dann schon früh Hg-Linien: Quecksilber ist in vielen HID-Systemen der zuverlässige Emitter als  »Arbeitspferd«. In den ersten Sekunden »lebt« die Lampe also optisch vor allem vom Startgas + Hg. Metallhalogenide sind zu diesem Zeitpunkt noch kaum im Dampf.

Die Linie, die bei 871,66 nm auftaucht, ist die 2. Ordnung der Hg-Linie bei 435,83 nm. Diese »Geisterlinie« (m=2) ist eine perfekte Lehrbuch-Demo, warum Spektrometer für manche Anwendung Order-Sorting-Filter brauchen.

2) Nach ~10 Sekunden: »Jetzt wird gewürzt« –Thallium und Natrium kommen dazu

Nach rund 10 Sekunden kippt das Bild: Xenon verschwindet weitgehend aus der Hauptrolle. Hg dominiert weiterhin, aber jetzt tauchen neue starke Player auf:

• Tl I bei ~535,05 nm: ein sehr markanter grüner Peak
• Na I bei ~589,59 nm: der bekannte Natrium-Bereich (gelb)

Das ist genau das typische HID-Warmup-Verhalten: Mit steigender Temperatur verdampfen die Salze, werden im Plasma »aktiv« – und in Folge bekommt das Spektrum neue, kräftige Linien.

3) Im heißen Zustand: »Vollbetrieb« – Hg bleibt und Metallsalze liefern die finale spektrale Signatur

Im stabil heißen Zustand sieht man dann sehr schön:

Hg bleibt als Grundgerüst sichtbar (z. B. 435,8 / 546,1 / 577,0 / 579,1 nm).

Tl bleibt sehr präsent (535,05 nm) – ein »Effizienz-Boost« im Grün.

Na ist sehr prominent (589,59 nm) – dieser Bereich wirkt dann im heißen Zustand auch breit/strukturiert, weil unter HID-Bedingungen Druck- und Selbstabsorptionseffekte mitspielen.

Zudem tauchen nun noch weitere Linien, die auf Lithium und Scandium als Inhaltsstoffe hinweisen. Li + Sc + Na + Tl ist eine sehr typische »Metal-Halide-Gewürzmischung«, um Spektrum und Farbwiedergabe bei HID-Lampen zu formen.

Aufgaben zum Weiterforschen (für Studis, Praktikum oder den Nerd-Abend)

1. Warmup-Kinetik: alle 2 Sekunden ein Spektrum messen und die Peak-Höhen von z. B. Hg 546,07 nm, Tl 535,05 nm, Na 589,59 nm, Sc 625,89 nm plotten! Wer steigt wann an? Wer sättigt zuerst?
2. Linien-Doppelcheck: Welche weiteren Sc-Linien finden sich noch im Bereich 625–631 nm? Passt das Muster zur These »Scandium ist drin«?
3. Der Brenner erzeugt neben den diskreten Linien zusätzlich einen gewissen Untergrund, einen »quasi-kontinuierlichen« Anteil. Das ist eine Mischung aus Plasma-Kontinuum (Bremsstrahlung + Rekombination) und einem dichten Linienwald, der durch Druckverbreiterung und begrenzte Spektrometerauflösung zum Pseudo-Kontinuum wird. Wie entwickelt sich dieser Untergrund zeitlich?

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