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spektrometer Doppelmonochromator-Radiometer

Das Doppelmonochromator-Radiometer ist eine Apparatur, die das Sonnenlicht sehr fein abgestuft nach Wellenlängen geordnet in seine Bestandteile zerlegt und die Bestrahlungsstärke der einzelnen Wellenlägen misst. Diese Zerlegung ist deswegen notwendig, weil die verschiedenen Wellenlängen der UV-Strahlung ganz unterschiedlich stark auf die Haut wirken. So sind beispielsweise die UVB-Strahlen mit den kürzesten Wellenlängen, welche überhaupt bis auf die Erdoberfläche gelangen, ungefähr 10 000 mal stärker wirksam als die langwelligsten UVA-Strahlen, die fast noch als Violett vom Auge gesehen werden können.

Die Messungen der UV-Strahlung des Instituts für medizinische Klimatologie der Universität Kiel werden mit einem Spektralradiometersystem durchgeführt, das seit dem Sommer 1993 in der Westerländer Außenstelle betrieben wird. Die Eingangsoptik ist auf dem Dach des Instituts auf einem festen Edelstahlgestell angebracht. Das Institutsgebäude befindet sich auf dem Dünensaum an der Westküste Sylts in unmittelbarer Strandnähe. Die Entfernung vom Flutsaum beträgt rund 100 m. Der Standort ermöglicht Messungen bei völlig freiem Horizont unter großenteils Reinluftbedingungen.

Messsystem

Das Messsystem umfaßt einen horizontal ausgerichteten cosinusgetreuen Diffusor, der aus einer Teflonkugelkalotte mit Abschattring besteht. Die Gesamtabweichung von der idealen Cosinuscharakteristik beträgt 4 % (Kaase u. Chen 1992). Die Eingangsoptik ist über einen Quarz-Licht-Wellenleiter von 4 m Länge mit dem Eintrittsspalt eines Gitter-Doppelmonochromators (DM 150, Bentham Comp.. Reading, England) verbunden. Die beiden Monochromatoren, deren Brennweite 150 mm beträgt, sind für eine additive Dispersion und hohe Streulichtunterdrückung in Serie angeordnet und durch eine Spaltblende getrennt. Die holographischen Beugungsgitter haben eine Liniendichte von 2400 pro mm (Blaze-Wellenlänge bei 240 nm). Die Weite der Spaltblenden beträgt 0,65 mm, die für den Monochromator resultierende nominelle Auflösung liegt bei 1 nm. Die beiden Gitter sind über eine Verbindungsstange starr miteinander gekoppelt. Zur Aufnahme der Spektren werden die Gitter mit Hilfe einer Spindel schrittweise verstellt. Die Spindel wird von einem Schrittmotor getrieben. Als Strahlungsdetektor fungiert ein Photomultiplier, der direkt am Austrittsspalt des Doppelmonochromators montiert ist. Die Bialkalikathode verleiht dem Photomultiplier eine erhöhte UV-Empfindlichkeit. Der Photostrom des Photomultipliers wird nach Verstärkung durch einen programmierbaren Stromverstärker einem Analog-Digital-Wandler zugeführt. Die Meßwerte werden nach rechnerischer Berücksichtigung des jeweiligen Dunkelstroms und der Systemempfindlichkeit in einer Computerdatei gespeichert. Die Steuerung der Monochromatorgitter, des Stromverstärkers sowie die Berechnungen werden durch ein spezielles Programm auf einem Personalcomputer durchgeführt.

spektrometer

Kalibrierung
Die Kalibrierung wird am Gesamtsystem vorgenommen. Die Wellenlängenkalibrierung erfolgt mit einer Quecksilberdampflampe anhand der bekannten Emissionsli-nien. Die Systemempfindlichkeit wird mit einem 1000 W Quarz-Halogen-Strahler kalibriert, der mit konstanter Betriebsspannung und geregelt konstantem Strom betrieben wird. Anhand der für den Strahler bekannten Intensitätsverteilung wird ein Kalibrierfile erstellt, welches für die Berechnung der gemessenen Werte in die spektrale Bestrahlungsstärke (Wm-2 nm-1 ) benutzt wird.

Messzykus

Die Messungen erfolgen von kurz nach Sonnenaufgang bis kurz vor Sonnenuntergang in 6-min-Intervallen. Nach Messung des Photomultiplierdunkelstroms wird jeweils ein Spektrum von 290 bis 400 nm aufgenommen. Dabei beträgt die Schrittweite im Bereich von 290 bis 320 nm 0,5 nm, im übrigen 5 nm. Die Umgebung der im Sonnenspektrum besonders markanten Fraunhofer-Linie Ca K wird mit der Schritrneite 0,075nm für eine Kontrolle der Wellenlängengenauigkeit engschrittig abgetastet.