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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-41304
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2009/4130/


Development Of A Gas Absorption Cell For The Near-Infrared

Entwicklung einer Gasabsorptionszelle für das Nah-Infrarot

Gaedke, Ansgar

pdf-Format:
 Dokument 1.pdf (19.364 KB) 


Freie Schlagwörter (Deutsch): NIR-Spektroskopie , Instrumentierung , Absorptionszelle
Freie Schlagwörter (Englisch): NIR-Spectroscopy , absorption cell , radial velocity , instrumentation
Basisklassifikation: 39.12 , 33.07
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Hatzes, Artie P. (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 11.05.2009
Erstellungsjahr: 2008
Publikationsdatum: 25.05.2009
Kurzfassung auf Englisch: In this work several gases are evaluated concerning their potential for operation as wavelength calibration standards in high-resolution near-infrared spectroscopy. Up to now astrophysical radial velocity measurements with precisions of a few m/s are performed only in the visual spectral range. There an absorption cell filled with iodine is used. This work aims on the extension of this method towards the near-infrared spectral range.
The chemical and physical properties of the substances are investigated, amongst others by
FTIR-spectroscopic measurements. The suitability of such reference gases is restricted by
some constraints. The calibration standard should provide many isolated lines, their absorption should be sufficiently strong even for short absorption pathlengths. Furthermore
the reference gas should neither be corrosive nor toxic. The appearance of the reference
spectrum significantly depends on the gas pressure and temperature. Hence line broadening effects such as the pressure induced pressure broadening and the temperature dependent
Doppler broadening become important. Additionally the gas pressure can result in a line
center position shift. Therefore changing physical conditions can affect the stability of the
reference spectrum. In the frame of this work the following gases are investigated: acetylene
(C2H2), iodomethane (CH3I), ammonia (NH3) and carbon monoxide isotopes 13C16O and 12C18O. With exception of iodomethane, which is very toxic and therefore unusable, the remaining gases are applicable in the H-band (C2H2 around 1.53µm) and the K-band (NH3 and CO isotopes around 2.30µm). In the K-band N2O is already used as a calibration standard, e.g. at ESOs' VLT CRIRES spectrograph. The gases evaluated in this work significantly enable the use of absorption cells for wavelength calibration with CRIRES. Especially ammonia provides many strong lines even at moderate gas pressure and short absorption pathlength, and contributes to the extension of the spectral range formerly covered by N2O.
Furthermore an absorption cell is designed, mainly for operation with the CRIRES spectrograph. Thus the dimensions are restricted by the available space at this instrument. The absorption cell is made of glass, which is very resistant against chemicals. In contrast to
the gas cell provided by ESO, the designed cell has wedged windows preventing interference patterns. The gas cell is permanently sealed in order to avoid any contamination. With respect to provide an always identic reference spectrum the gas cell should be temperature controlled.
In addition target objects for astrophysical observations are investigated concerning spectral features usable for radial velocity measurements. These objects include cool giant stars,
low-mass M dwarf stars and Brown Dwarfs. The spectra were calculated using stellar model
atmospheres of the PHOENIX code. In order to estimate the achievable radial velocity precision observations for the target objects are simulated.
Kurzfassung auf Deutsch: In dieser Arbeit werden diverse Gase hinsichtlich ihres Potentials als Wellenlängenkalibra-
tionsstandard für hochauflösende, spektroskopische Messungen im nahen Infrarot evaluiert.
Bisher werden astrophysikalische Radialgeschwindigkeitsmessungen mit Präzisionen von wenigen m/s vorrangig im optischen Spektralbereich durchgefühhrt. Dafür werden mit Iod
befüllte Absorptionszellen verwendet. Das Ziel dieser Arbeit ist die Erweiterung dieser Meth-
ode auf den Spektralbereich des nahen Infrarot.
Die chemischen und physikalischen Eigenschaften der Substanzen werden untersucht, u.a.
mit FTIR-spektroskopischen Messungen. Die Tauglichkeit derartiger Referenzgase ist durch
mehrere Anforderungen beschränkt. So sollte ein derartiger Kalibrationsstandard möglichst
viele isolierte Linien zeigen, deren Absorption sollte selbst bei kleinen Absorptionslängen
hinreichend groß sein. Außerdem sollte das Referenzgas möglichst weder korrosiv noch tox-
isch sein. Das Erscheinungsbild eines Referenzgasspektrums ist maßgeblich vom Gasdruck
in der Absorptionszelle und der Temperatur abhängig. So kommen einerseits Linienverbreiterungsmechanismen wie die durch den Gasdruck induzierte Druckverbreiterung und die temperaturabhängige Dopplerverbreiterung zum Tragen. Andererseits kann der Gasdruck auch eine Verschiebung der Linienpositionen bewirken. Eine Änderung der physikalischen Rahmenbedingungen hat daher Auswirkungen auf die Stabilität des Referenzgasspektrums.
Im Rahmen dieser Arbeit werden folgende Gase analysiert: Azetylen (C2H2), Iodomethan (CH3I), Ammoniak (NH3) sowie die Kohlenstoffmonoxid-Isotope (12C18O, 13C16O). Mit Ausnahme von Iodomethan, dessen toxische Eigenschaften gegen eine Verwendung sprechen, sind die anderen vier Gase als Kalibrationsstandards im H-Band (C2H2 um 1.53µm) und K-Band (NH3 und CO-Isotope um 2.30µm) einsetzbar. Im K-Band wurde bereits N2O als Kalibrationsstandard, beispielsweise bei der ESO an VLT CRIRES, eingesetzt. Die in dieser Arbeit untersuchten Gase ermöglichen eine maßgebliche Erweiterung der Nutzung von Absorptionszellen als Kalibrationsstandard für CRIRES. Insbesondere Ammoniak trägt mit seiner Vielzahl von Linien, deren Absorption auch bei niedrigem Gasdruck und kurzen Absorptionswegen hinreichend groß ist, zur Ausdehnung des bisher durch N2O abgedeckten
Spektralbereiches bei.
Im Weiteren wurde eine Absorptionszelle konstruiert, die vorrangig für den Einsatz mit CRIRES konzipiert wurde. Daher sind die Abmessungen durch den am Spektrographen
verfügbaren Raum vorgegeben. Die entwickelte Zelle ist aus Glas gefertigt, das gegenüber
chemischen Substanzen sehr beständig ist. Im Gegensatz zur von der ESO verwendeten Zelle werden keilförmige Fenster verwendet, um etwaige Interferenzen auszuschließen. Die Zelle ist permanent versiegelt, um jegliche Kontamination zu verhindern. Um ein stabiles Referenzspektrum zu erreichen wird empfohlen, die Absorptionszelle auf konstanter Temperatur zu halten.
Ferner werden Beobachtungsobjekte für die astrophysikalische Anwendung untersucht. Dazu werden die Objekte bezüglich für Radialgeschwindigkeitsmessungen geeigneter spektraler Merkmale analysiert. Zu den Objekten zählen kühle Riesensterne, massearme Sterne (Spektraltyp M) und Braune Zwerge. Die Spektren dieser Objekte werden mit Modellatmosphären aus dem Strahlungstransportcode PHOENIX generiert. Um eine qualitative Abschätzung der erreichbaren Genauigkeiten für Radialgeschwindigkeitsmessungen zu erhalten, werden Beobachtungen der Objekte simuliert.

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