Nachweis und Reaktionskinetik reaktiver Spezies in partikelbildenden Umgebungen mittels IR-Modulationsspektroskopie am Beispiel staubbildender Plasmen

• Antragsteller: Professor Dr. Gernot Friedrichs
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 401081403

• Erstellungsjahr: 2023

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projektes wurden unterschiedliche, auf dem Verfahren der Frequenzmodulationsspektroskopie (FMS) beruhende Spektrometer zur empfindlichen und zeitaufgelösten Absorptionsmessung von Gasphasenspezies im mittleren IR-Spektralbereich (MIR) entwickelt und hinsichtlich der erreichbaren Nachweisempfindlichkeit charakterisiert. Dabei wurden sowohl singletone- als auch bisher eher selten eingesetzte two-tone-Modulationsverfahren (TTFMS) erprobt. Das spektral schmalbandige Licht durchstimmbarer MIR-Lasersysteme (optisch-parametrischer Oszillator, cw-OPO, bzw. Interband-Kaskadenlaser, ICL) wurde dazu mit externen elektrooptischen Modulatoren bei hohen Frequenzen im Bereich um 500 MHz moduliert, wobei die Signalaufnahme mittels digitaler Zweiphasen-Demodulation mit einem neuartigen UHF-Lock-In-Verstärker erfolgte. Eine eingehende Behandlung der TTFMS-Theorie zeigt, dass es auch mit two-tone Verfahren möglich ist, durch Rückgriff auf sogenannte FM-Faktoren kalibrationsfreie Absorptionsmessungen durchzuführen. Die diversen Spektrometerkonfigurationen wurden erfolgreich für unterschiedliche Gasphasenmessungen in einem Photolyse-Strömungsreaktor (CH4-, HCl- und OH-Detektion), bei hohen Temperaturen hinter Stoßwellen (HCN-Detektion) und insbesondere auch in staubbildenden C2H2/Ar-Plasmen eingesetzt. Es konnte demonstriert werden, dass es trotz der im Plasmareaktor durch die Partikelbildung auftretenden starken Hintergrundabsorptionen bzw. Streueffekte mit der derivativen FMS möglich ist, quantitative Messungen in Echtzeit durchzuführen. Zeitaufgelöste Detektion von C2H2 (Acetylen) und erstmals auch die simultane Messung Zeitprofile von C2H2 und C4H2 (Diacetylen) unter variierten Plasmabedingungen und über mehrere Staubbildungszyklen hinweg erlauben erste interessante Einblicke in die komplexe Plasmachemie. Im Strömungsreaktor wurden zudem spektroskopische und kinetische Messungen an C2H-Radikalen vorgenommen, die eine Schlüsselrolle zum Aufbau erster langkettiger Kohlenwasserstoffe und beim Partikelwachstum spielen. Durch die insgesamt geringen Teilchendichten im Niederdruckplasma ist es aber trotz der sehr guten Empfindlichkeit der Messsysteme bisher nicht gelungen, C2H direkt im Plasma nachzuweisen. Es stellte sich heraus, dass bei der Verwendung des cw-OPO-Lasers ausgeprägte Grundlinieneffekte auftreten, die eine Mittelung der Messsignale über längere Zeitskalen hinweg erschwerten. Dieses Problem lässt sich durch die Verwendung eines Interband-Kaskadenlasers, der erst zum Ende der Projektlaufzeit verfügbar war, umgehen, so dass die nächsten Projektschritte bereits vorgezeichnet sind.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Single-tone mid-infrared frequency modulation spectroscopy for sensitive detection of transient species. Optics Express, 27(19), 26499.
  Stuhr, Michael; Faßheber, Nancy & Friedrichs, Gernot
  
• Correlation of the dynamics with void transition events of the growth chain of nanodust in a reactiv argon-acetylene plasma; SMuK21, DPG Meeting: Matter and Cosmos Section, Germany, September 2021.
  S. Groth, N. Faßheber, G. Friedrichs & F. Greiner
  
• Quantitativ and Sensitiv Mid-Infrared Frequency Modulation Detection of HCN Behind Shock Waves 10th European Combustion Meeting; Napoli, Italy, April 2021.
  M. Stuhr, S. Hesse & G. Friedrichs
  
• Quantitativ detection of C2H2 in a dusty plasma environment using sensitiv mid-IR frequency modulation spectroscopy; SAMOP21: DPG Meeting: Atomic, Molecular, Plasma Physics and Quantum Optics Section, Germany, September 2021.
  M. Pal, M. Stuhr, N. Faßheber, A. Petersen, F. Greiner & G. Friedrichs
  
• Quantitative and Sensitive Mid-Infrared Frequency Modulation Detection of HCN behind Shock Waves. Fuels, 2(4), 437-447.
  Stuhr, Michael; Hesse, Sebastian & Friedrichs, Gernot
  
• Shedding light on dusty plasma chemistry using sensitiv laser diagnostics; GDCh Christmas Colloquium, Sektion Chemie, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Dezember 2021.
  M. Pal
  
• Mid-infrared Frequency Modulation Detection of HCN and Its Reaction with O Atoms behind Shock Waves. The Journal of Physical Chemistry A, 126(50), 9485-9496.
  Stuhr, Michael & Friedrichs, Gernot
  
• Mid-IR frequency modulation spectroscopy for sensing C2H2 in a dusty plasma. Optical Sensors and Sensing Congress 2022 (AIS, LACSEA, Sensors, ES), LM4B.4. Optica Publishing Group.
  Pal, Mithun; Stuhr, Michael; Faßheber, Nancy; Petersen, Andreas; Greiner, Franko & Friedrichs, Gernot
  
• Optical detection of C4H2 in an Ar/C2H2 dusty plasma using mid-IR ICL-based frequency modulation spectroscopy. Optica Sensing Congress 2023 (AIS, FTS, HISE, Sensors, ES), STu2D.7. Optica Publishing Group.
  Pal, Mithun; Faßheber, Nancy; Petersen, Andreas; Greiner, Franko & Friedrichs, Gernot
  
• Quantitative and calibration-free mid-IR two-tone frequency modulation spectroscopy (TTFMS); Bunsen-Tagung Berlin, June 2023.
  M. Pal, M. Stuhr & G. Friedrichs