In diesem Applikationsbeispiel zeigen wir mit einem unserer DIY-Spektrometer zeitaufgelöst die Selbstabsorption (Self-absorption) bzw. Selbstumkehr (Self-reversal) am Beispiel der berühmten Natrium-D-Linien in einer HID-Lampe.

Durch die Nutzung eines Gitters mit 1200 lp/mm lassen sich die beiden Linien sauber trennen. Der zeitliche Verlauf beim Erwärmen der Lampe zeigt dann, wie die Linien zunächst getrennt im Spektrum auftauchen, dann verschmelzen und zu einem breiten Peak anwachsen, der schließlich in der Mitte beginnt »Einbrüche« zu zeigen.

HID-Lampen (High-Intensity Discharge) sind spektroskopisch echte Show-Maker: In wenigen Sekunden entsteht aus einem zarten Startglimmen ein extrem helles Plasma – und dabei ändert sich das Spektrum dramatisch. Metallhalogenid-HID-Systeme enthalten typischerweise neben einem Startgas und (oft) Quecksilber auch Metallhalogenide wie Natrium, Scandium und in manchen Chemien Thallium – genau diese Mischung prägt später das sichtbare Spektrum.

Die zeitliche Entwicklung des Spektrums einer HID-Lampe über den sichtbaren Bereich hatten wir bereits in einem eigenen Applikationsbeispiel behandelt.

Selbstabsorption kurz erklärt

Die Na-D-Linien: zwei gelbe »Leuchttürme« bei ~589 nm

Wenn man an Natrium im Spektrum denkt, landet man fast automatisch bei den Na-D-Linien: einem sehr markanten gelben Doppeltpeak. Physikalisch sind das zwei eng benachbarte Übergänge von neutralem Natrium (Na I):

• D2 bei ca. 588,995 nm
• D1 bei ca. 589,592 nm

Weil diese Linien extrem »stark« sind (hohe Übergangswahrscheinlichkeit) und zudem aus dem Grundzustand heraus/hinein gehen, tauchen sie in sehr vielen plasmaphysikalischen und astronomischen Kontexten auf – und eben auch in HID-Lampen.

Warum im Brennerkern Linien breiter werden und (scheinbar) verschmelzen

Im heißen Betrieb einer HID-Lampe ist der Brennerkern ein sehr dichtes, heißes Plasma. Genau diese Bedingungen sorgen dafür, dass Spektrallinien nicht »ideal dünn« bleiben, sondern breit werden:

• Stoß-/Druckverbreiterung: Bei hoher Teilchendichte kollidieren Atome und Ionen häufig. Diese Kollisionen stören die Energieniveaus und verkürzen die effektive Lebensdauer der Zustände ➙ die Linie wird breiter.
• Resonanz-/Selbstverbreiterung: Gerade bei starken Resonanzlinien wie Na-D kann die Wechselwirkung mit vielen gleichen Atomen ebenfalls zur Verbreiterung beitragen.
• Doppler-Verbreiterung: Höhere Temperatur heißt höhere Geschwindigkeiten ➙ zusätzliche Verbreiterung, oft aber bei HID-Bedingungen nicht der einzige dominante Effekt.

Absorption im Randbereich: der Brenner als »selbstgebauter Absorptionsfilter«

Jetzt kommt der Dreh, der das Phänomen Selbstabsorption bei der HID-Lampe erklärt:

Der Brenner ist nicht überall gleich heiß. Typischerweise:

• Kern: sehr heiß ➙ starke Emission, viele angeregte Teilchen.
• Rand nahe der Brennerwand: kühler ➙ deutlich mehr Atome im Grundzustand.

Das Licht aus dem heißen Kern muss auf dem Weg nach außen durch diesen kühleren Randbereich. Und genau dort sitzen die »perfekten Absorber« für Na-D: Natriumatome im Grundzustand.

Wichtig dabei: Die Absorption ist am Linienzentrum am stärksten. Das heißt: Photonen genau bei 588,995 nm und 589,592 nm werden bevorzugt herausgenommen. Die leicht daneben liegenden Wellenlängen (Linienflügel) werden deutlich weniger stark absorbiert.

Wenn diese Absorption stark genug wird, passiert dann etwas scheinbar Paradoxes: Der Emissions-Peak ist insgesamt groß und breit, weist aber überlagerte relativ schmale Dellen bzw. Einbrüche bei den Wellenlängen der Na-D-Linien auf.

Das ist die klassische Self-reversal / Selbstumkehr als gut sichtbarer Spezialfall der Selbstabsorption: Der Brenner emittiert eine Linie – und schluckt sie sich im Randbereich teilweise selbst wieder weg.

(Die »wegabsorbierte« Strahlung ist dabei oft nicht einfach verschwunden, sondern wird durch Resonanzprozesse in andere Richtungen und teils leicht verschoben wieder emittiert. Für das Spektrometer entlang einer Sichtlinie sieht es aber so aus, als käme im Linienzentrum weniger an.)

Emission und Absorption: derselbe Übergang – nur rückwärts

Der entscheidende Gedanke, der später die Selbstabsorption sofort plausibel macht, ist simpel:

• Emission entsteht, wenn ein Natriumatom angeregt ist und beim Zurückfallen in einen niedrigeren Zustand ein Photon mit genau der passenden Energie (also Wellenlänge) aussendet. Solche angeregte Atome finden sich am Beispiel einer HID-Lampe hauptsächlich im Inneren der Gasentladung.
• Absorption passiert, wenn ein Natriumatom im Grundzustand ein Photon genau dieser Energie aufnimmt und dadurch in den angeregten Zustand gehoben wird. Von solchen Atomen, die im Grundzustand sitzen, gibt es bei HID-Lampen vor allem in den kühleren äußeren Bereichen besonders viele.

Zeitlicher Verlauf des Spektrums rund um die Na-D-Linien

Das nachfolgende Video zeigt das Spektrum im Bereich zwischen 510 nm und 650 nm während der Zündphase und dem Warm-up der HID-Lampe. Genutzt wurde hierzu ein DIY-Spektrometer mit folgenden Daten:

• Anordnung: Czerny-Turner
• Brenweite: 150 mm
• Spaltgröße: 10 µm
• Gitter: 1200 lp/mm
• Detektor: Zeilenkamera e9u-LSMD-1304-STD mit 3648 Pixel
• Lichtleiter: Toslink

Die Auflösung des Spektrometers ist duch die Verwendung des Gitters mit 1200 lp/mm ausreichend hoch, um die D-Doppellinie deutlich zu trennen – bei Nutzung von Gittern mit weniger Linien pro Millimeter verschmilzt diese meist zu einer einzigen Linie.

Kurzüberblick: Was sieht man im Zeitverlauf?

Beobachtung (vereinfacht in Phasen):

1. Startphase (erste Sekunden): Das Signal liegt noch nahe am Rauschniveau, die Lampenchemie ist noch nicht voll »da«, vieles ist noch nicht verdampft bzw. das Plasma noch nicht dicht/heiß genug. Erste schwache Strukturen werden aber bereits sichtbar
2. ab ca. 15 s: Die Na-D-Doppellinie taucht aus dem Rauschen auf: Na-D2 (~589,0 nm) und Na-D1 (~589,6 nm) treten getrennt hervor und wachsen schnell in der Intensität an.
3. weiterer Betrieb: beide Peaks werden immer breiter und beginnen zu verschmelzen. Durch steigenden Druck/Teilchendichte und stärkere Wechselwirkungen im Plasma kommt es zur deutlichen Linienverbreiterung; D1 und D2 überlappen zunehmend und wirken wie ein zusammenhängender breiter Peak.
4. heißer Zustand: Jetzt wird der Brenner für Na-D im Linienzentrum optisch dick: Der kühler bleibende Randbereich enthält viele Na-Atome im Grundzustand und absorbiert bevorzugt genau die D-Wellenlängen. Ergebnis: Im breiten Emissionsberg erscheinen Einbrüche exakt bei D1 und D2 ➙ starke, anschauliche Bestätigung von Selbstabsorption / Self-reversal.
5. Zusätzlich: Beim Tl-Peak (535,05 nm) zeigt sich ein ähnlicher – allerdings schwächerer – Einbruch.

Bonusmaterial: Scandium bestätigt

Im ursprünglichen Applikationsbeispiel zur HID-Lampe wurde als Anregung für das weitere Forschen die Frage in den Raum gestellt, ob die verwendete HID-Lampe wirklich Scandium enthält. Mit Hilfe des hier genutzten hochauflösenden Spektrum kann nun auch die Antwort auf diese Frage gegeben werden:

Im heißen Zustand finden sich im Spektrum zusätzliche Linien, die sich Scandium (Sc I / Sc II) zuordnen lassen. Das passt sehr gut zu gängigen Metal-Halide-Chemien (Na-Sc-Systeme sind klassisch) und ist damit ein starker Hinweis, dass der verwendete Brenner in der HID-Lampe tatsächlich Sc-haltig ist.

Mehr Auflösung (1200 lp/mm) bedeutet also nicht nur »schönere Linien«, sondern ermöglicht eine deutlich robustere Element-Identifikation.

Experiment nachstellen? ➙ Jetzt !

Sie möchten das Experiment nachstellen – in Ihrem Labor oder der Lehre? Nehmen Sie gerne Kontakt mit uns auf – wir unterstützen Sie bei Planung, Aufbau, Kalibrierung und der Auswahl passender Komponenten. Eureca berät mit langjähriger Expertise in Optoelektronik, Optik und Spektroskopie – von DIY-Setups bis zu OEM-Lösungen. Feedback ist ausdrücklich willkommen: Teilen Sie uns gerne Ihre Erfahrungen, Ergebnisse oder Verbesserungsvorschläge mit.