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.

In diesem Applikationsbeispiel zeigen wir mit einem DIY-Spektrometer und 1200 Linien/mm erstmals zeitaufgelöst, wie sich die berühmten Natrium-D-Linien zunächst sauber trennen lassen – und wie sie im weiteren Warm-up zu einem breiten Peak anwachsen, der schließlich in der Mitte »Einbrüche« zeigt. Dieses Verhalten ist ein sehr anschaulicher Fingerabdruck von Selbstabsorption (Self-absorption) bzw. Selbstumkehr (Self-reversal).

Kurzüberblick: Was sieht man im Zeitverlauf?

Messbereich: ca. 500–650 nm
Auflösung: deutlich erhöht durch 1200 lp/mm (die D-Doppellinie wird getrennt sichtbar) – mit groberen Aufbauten verschmilzt das meist zu einer Linie.

Beobachtung (vereinfacht in Phasen):

1. 0–15 s: Signal nahe Rauschniveau, erste schwache Strukturen.
2. ab ~15 s: Na-D2 (~589,0 nm) und Na-D1 (~589,6 nm) treten getrennt hervor und wachsen schnell in der Intensität.
3. weiterer Betrieb: beide Peaks werden immer breiter und beginnen zu verschmelzen.
4. heißer Zustand: im nun sehr breiten »Gesamtpeak« erscheinen deutliche Einbrüche genau bei den D-Linien (Selbstumkehr / Self-reversal).
5. Zusätzlich: Beim Tl-Peak (535,05 nm) zeigt sich ein ähnlicher – meist schwächerer – Einbruch.
6. Im hochauflösenden heißen Spektrum lassen sich weitere Linien Scandium zuordnen (Bestätigung: Sc ist im System enthalten).
7. Ebenfalls im heißen Zustand treten zusätzliche Peaks auf, die zu Xe-II-Emissionslinien passen (Interpretation: im Plasma ist ein Teil des Xenons ionisiert).

Das nachfolgende Video zeigt Zündphase und Warm-up (0–90 s) – Spektrum & Lampenbild synchron.

Physikalischer Hintergrund

Warum werden die Linien mit der Zeit breiter?

Dass die Na-D-Linien (und später auch andere Linien) im Warm-up zunehmen und breiter werden, ist erwartbar: Mit steigender Temperatur verdampfen mehr Füllbestandteile (Metallhalogenide), die Teilchendichte im Entladungsraum steigt und die Plasmaeigenschaften ändern sich. Metal-Halide-Lampen sind genau dafür gemacht – die Metalladditive erscheinen erst richtig, wenn der Brenner heiß ist.

Für die Linienbreite spielen mehrere Effekte zusammen:

• Druck-/Stoßverbreiterung (pressure/impact broadening): häufig dominant in dichten Plasmen – Kollisionen verkürzen die effektive Lebensdauer der angeregten Zustände und verbreitern die Linie.
• Resonanz-/Selbstverbreiterung (»self-broadening«) gerade bei starken Resonanzlinien wie den Na-D-Linien.
• Doppler-Verbreiterung: wächst mit Temperatur, ist bei hohen Drücken aber oft nicht allein bestimmend.

Diese Mechanismen sind Standard in der Linienform-Physik; entscheidend ist: Je heißer und dichter das Plasma, desto breiter und »satter« werden starke Linien.

Selbstabsorption und Self-reversal – warum entstehen Einbrüche im Peak?

Der Kernpunkt eurer Messreihe ist der Übergang von »schönen Emissionspeaks« zu »breiter Peak mit Dellen genau in der Mitte«.

Das lässt sich mit einem sehr anschaulichen Modell erklären:

Das Zwei-Zonen-Bild (heißer Kern + kälterer Mantel)

In realen HID-Brennern gibt es starke Temperaturgradienten:

• Heißer Plasmakern: erzeugt intensive Emission (viele angeregte Atome/Ionen).
• Kühlerer Randbereich / Brennernähe: enthält vergleichsweise viele Atome im Grundzustand und kann deshalb bestimmte Wellenlängen absorbieren.

Wenn ein Photon den Brenner verlässt, muss es also durch diese »kühlere Schicht« hindurch. Und hier kommt der zentrale Punkt:

Absorption ist am Linienzentrum am stärksten

Die Absorptionswahrscheinlichkeit ist dort maximal, wo die Übergangswahrscheinlichkeit (und damit der Absorptionsquerschnitt) am höchsten ist – typischerweise im Zentrum einer Spektrallinie.

Folge:

• Die Flügel der Linie (leicht daneben) kommen eher durch.
• Das Linienzentrum wird überproportional »wegabsorbiert«.

Wenn die optische Dicke groß genug ist, wird aus einem Emissionsmaximum ein Profil mit eingesunkener Mitte: das ist Self-reversal (Selbstumkehr) als Spezialfall der Selbstabsorption.

Warum sieht man das besonders schön bei Natrium-D?

Die Na-D-Linien sind extrem starke Resonanzlinien (bekannt auch aus der Sonnen-/Fraunhofer-Spektroskopie). Genau solche Linien neigen bei hoher Teilchendichte und optischer Dicke besonders stark zu Selbstabsorption/Self-reversal.

Und warum auch beim Thallium-Peak (535,05 nm)?

Die grüne Tl-I-Linie bei 535,05 nm ist ebenfalls eine sehr starke Emissionslinie und kann – wenn genügend Tl-Spezies vorhanden sind und der Randbereich »kühler« bleibt – ein ähnliches (meist schwächeres) Selbstabsorptions-Verhalten zeigen.

Scandium bestätigt: mehr Linien im hochauflösenden heißen Spektrum

Im heißen Zustand zeigt ihr jetzt 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 euer Brenner tatsächlich Sc-haltig ist.

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

Warum taucht im heißen Zustand Xe-II auf?

Eine kurze Klarstellung zur Spektroskopie-Notation:

• Xe I = neutrales Xenon
• Xe II = einfach ionisiertes Xenon (Xe⁺)
• Xe III = zweifach ionisiert (Xe²⁺) usw.

Dass Xenon überhaupt in der Lampe ist, passt zu vielen HID-Konzepten: Ein Edelgas dient als Start-/Puffergas, damit die Lampe schon während des Warm-ups leitfähig ist und Licht liefert, bevor die Metallhalogenide vollständig verdampfen. Xenon wird dafür häufig eingesetzt (je nach Lampentyp und Anwendung).

Warum sieht man Xe II erst im heißen Zustand?

Im heißen Zustand erscheinen zusätzliche Peaks, deren Wellenlängen mit bekannten Xe-II-Übergängen konsistent sind. Das spricht dafür, dass der Xenon-Anteil im Plasma teilweise ionisiert ist (Xe⁺).

Mögliche Fallstricke

1. Sättigung/Clipping des Sensors: Ein »eingesunkener« Peak kann auch durch Übersteuerung entstehen. (Check: Rohdaten/Maximalwerte, Belichtung reduzieren.)
2. Streulicht / Untergrundkorrektur: kann Linienprofile verfälschen.
3. Ordnungsüberlagerung (2. Ordnung): Gerade bei HID-Spektren tauchen gern »Geisterlinien« auf.
4. Wellenlängenkalibration: Dips müssen wirklich exakt bei D1/D2 liegen.

Fazit

Mit höherer spektraler Auflösung und Zeitauflösung wird sichtbar, wie eine HID-Lampe während des Warm-ups »chemisch und physikalisch umschaltet«:

• Na-D-Doppellinie trennt sich, wächst, verbreitert und zeigt im heißen Zustand Self-reversal durch Selbstabsorption (heißer Kern, kühler Rand).
• Ein ähnlicher Effekt zeigt sich (schwächer) auch bei Tl 535,05 nm.
• Die höhere Auflösung erlaubt zudem, Scandium-Linien sicherer zu identifizieren.
• Zusätzliche Linien im heißen Zustand passen zu Xe II (Xe⁺) – ein Hinweis auf Ionisation des Start-/Puffergases im leistungsstarken Betrieb.