Photoakustische Spektroskopie

Die Geometrie der Messzelle spielt eine essenzielle Rolle für die Empfindlichkeit des photoakustischen Detektors. Der Detektor kann entweder resonant oder nicht-resonant betrieben werden. Beim resonanten Betrieb stimmt die Modulationsfrequenz der Lichtquelle mit der akustischen Resonanzfrequenz überein. Dadurch wird das detektierte Signal verstärkt.

Beim nicht-resonanten Betrieb eines photoakustischen Detektors liegt die Modulationsfrequenz der Lichtquelle (typischerweise ein breitbandiger IR-Strahler) weit unterhalb der akustischen Resonanzfrequenz der Messzelle – die entstandenen akustischen Wellen werden also nicht weiter verstärkt.

Je nach Zielgas und Anwendung werden neben unterschiedlichen Messzellen-Geometrien die Lichtquellen ausgewählt. Beides bestimmt im Wesentlichen den Preis und die Baugröße des Gasmesssystems. Kostengünstige Messsysteme, die z. B. LEDs als Lichtquelle verwenden, können die Zielgaskonzentrationen sehr empfindlich (1 ppm-Bereich) bestimmen. Werden Laser als Lichtquelle verwendet, erreicht die Empfindlichkeit der Messsysteme Werte im niedrigen ppb-Bereich.

Zwei Beispiele: Für ein kompaktes SO₂-Messsystem, das zur Emissionsmessung im Abgaswäscher auf Schiffen verwendet wird, setzt Fraunhofer IPM auf eine resonante Messzelle mit einer UV-LED als Lichtquelle. So wird die hohe geforderte Auflösung von 1 ppm im Messbereich bis 50 ppm SO₂ erreicht. Bei einem miniaturisierten photoakustischen CO₂-Sensor für die Detektion der Raumluftqualität wurde eine nicht-resonante Messzelle mit einem breitbandigen IR-Strahler und einem MEMS-Mikrofon kombiniert. Dies ermöglicht einen besonders kleinen Sensor mit einer in diesem Fall ausreichenden Sensitivität von 50 ppm im Messbereich bis 5000 ppm CO₂.