Mehrwellenlängendetekto 95/96 und 96/97

Im folgenden werde ich die einzelnen Elemente des Detektors kurz beschreiben (vgl.

Abb. 3.2 und 3.4).

E i n b a u von NovaThbeTM-~öhren besserer Abgleich von Oszillator und Verstärke

Das Signal tritt seitlich in den Detektor ein8 und trifft zunächs auf die Gesichtsfeld- blende. Durch eine sorgfältig Justage ist sichergestellt, da sich die Blende im Fokus des Teleskops befindet. Das Gesichtsfeld a des Teleskops wird durch die Grö der Blende bestimmt: Fü die Aerosol-Lidarmessungen werden zumeist Blendendurch- messer d von 4 mm verwendet. Mit einer Teleskopbrennweite f = 4985 m m ergibt sich ein Gesichtsfeld a

a = - d w 0,8 mrad

f

Die Blendenmitte legt zusammen mit der Komponenten des Teleskops die ,,Blick- richtung" des Lidars fest; die Zenitrichtung wird mit einer Unsicherheit von et- wa l mrad erreicht. Fü eine korrekte Depolarisationsmessung ist es notwendig, da die polarisationsempfindlichen Empfangszweige (532s und 532p) genau senkrecht bzw. parallel zu der vom Sendezweig definierten Polarisationsebene orientiert sind.

Bei exakt vertikaler Laserpolarisation ist hierfü eine Bedingung

,

da der Detektor- tisch exakt horizontal steht und die Richtungen der Empfangszweige zur Richtung des Sendestrahls (vor der Auslenkung in die Atmosphäre genau gefluchtet sind. Bei- de Bedingungen sind mit Hilfe einer Schlauchwaage bzw. optischer Fluchtung auf etwa 1 mrad erfüll worden. O b die Polarisationsebene des Nd:YAG-Lasers exakt vertikal orientiert war, lief3 sich nicht prüfen diese Unsicherheit wird mit ±1 mrad (0.6') abgeschätzt

Unmittelbar hinter der Blende befindet sich das Flügelra (2 ^X 60' -Flügel des Choppers fü die Abschattung der Photodetektoren im Nahbereich; dies ist notwen- dig, um eine Überlastun der Photomultiplier zu verhindern. Der Abstand der Blen- denmitte von der Flügelradachs beträg 48 mm, das Rad rotiert mit ca. 300 Hz. Eine optische Abtastung der Flügelradpositio mittels einer Leuchtdiode und einem licht- empfindlichen Element liefert TTL-Pulse, aus denen die Signale fü Lasertriggerung und Datenaufnahme abgeleitet werden, d.h. der Chopper liefert den ,,Masterpuls"

fü die Triggerung aller übrige Komponenten.

Eine plankonvexe Quarzlinse mit einer Brennweite von 100 m m parallelisiert das einfallende Licht und leitet es auf dichroitische Strahlteiler. Die Transmissionswer- te der Dichroite sind in Tab. 3.3 aufgelistet. Die Daten beruhen auf Hersteller- angaben und gelten fü unpolarisiertes Licht, Inzidenzwinkel 45'. Es existert ein geringfügige Unterschied der Transmissionen fü senkrecht (s-) bzw. parallel (P-) zur Einfallsebene der Strahlteiler polarisiertes Licht, z.B. gilt fü

D4

bei 532 nm nach Angaben des Herstellers9: T, = 0,998, Tu = 0,992, Tp = 0,985. Zum Ver- gleich: die s-,P-Reflektivitäte der im Teleskop verwendeten Aluminiumspiegel un- terscheiden sich bei einem Einfallswinkel von 45'bereits um 8%! Diese, auf den er- sten Blick erschreckenden, ,,Depolarisationen" haben allerdings keinen störende

'Auch der Detektor ist währen des Betriebs bis auf den Strahleintritt vollständi abgedeckt.

'Diese Werte sind gerechnet und stimmen deshalb nicht exakt mit den gemessenen Zahlen in Tabelle 3.4 überein

3. Instrument und Methode

1

Hersteller

1

^LOG

1

LOG

1

^LOG

1

^PMS

1

LOG

1

^PMS

1

LOG

1

^LOG

1

Tabelle 3.3. : Die Daten der dichroitischen Strahlteiler nach Herstellerangaben. Die Be- zeichnung mit (D1 .

. .

Dg) korrespondiert m i t den Bezeichnungen a u f den Bildern 3.2 und 3.4. Herstellerkürzel LOG = Laseroptik, Garbsen; PMS = PMS Optik, Frankfurt/Main.

Einflui3 auf die Messung1', d a eine polarisationsabhängig Reduktion der Signa- le nur die Nachweiseffizienz der Kanäl bestimmt und durch die Normierung im aerosolfreien Höheninterval die Bestimmung der Rückstreuverhältnis und Depo- larisationen nicht beeinflui3t. Wie in Abschnitt 3.3.2 gezeigt wird, könne Fehler in den polarisationsabhängige Me§grÖ ausschliei3lich durch die Depolarisation des emittierten Laserlichts, die fehlerhafte Justage der Empfangszweige auf die Polari- sationsebene des ausgesandten Lichts und durch ungenügend Trennung der s- und p-Komponenten im Detektor (,, Übersprechenu entstehen.

Die genaue Anordnung der Strahlteiler und der einzelnen Zweige ist aus den Abbil- dungen 3.2 und 3.4 ersichtlich.

Nach der spektralen Zerlegung sorgen Interferenzfilter fü eine Reduktion des Un- tergrundlichts in den vier Wellenlängenkanäl und fü eine Erhöhun der Kanal- trennung. Tab. 3.4 enthäl Angaben übe die verwendeten Interferenzfilter und deren optische Daten. Die hohe Blockung sorgt dafür da ein Überspreche der intensiven elastischen Rückstreuwellenläng in die Ramankanäl vernachlässig werden kann.

Die Wellenläng maximaler Transmission A eines Interferenzfilters variiert mit dem Einfallswinkel a nach [Macleod, 19691

wobei Ao die Zentralwellenlänge mo den Brechungsindex des umgebenden Mediums und m* den effektiven Brechungsindex des Filters bezeichnet (vgl. Tab. 3.4).

Mit experimentell mögliche Restdivergenzen der auf die Interferenzfilter einfal- lenden Strahlenbünde von etwa 10 mrad bzw. von Abweichungen von lotrechter ''Sofern sich im Detektorzweig keine optischen Elemente befinden, die die Polarisationsebene

drehen.

Tabelle 3.4.: Die Daten der Intcrfcrenzfiltcr nach Unterlagen des Herstellers B a r r Asso- nachlässig werden. Der Einflufi der Temperatur auf die Wellenläng maximaler Transmission beträg Ca. 0,01 nm/K, so da auch Temperaturschwankungen um 50 K vernachlässig werden können

Im 532-nm-Kanal erfolgt die Separation der parallel und der senkrecht polarisierten Komponenten mittels eines polarisierenden Strahlteilerwürfels Die Transmission fü vollständi parallel polarisiertes Licht (11-Licht) und die Reflektivitä fü vollständi senkrecht polarisiertes Licht (.L-Licht)ll wird vom Hersteller mit X 99% angege- ben. Die durch Rayleigh-Streuung verursachte Depolarisation des Rückstreusignal betragt etwa 0,014 (s. Kapitel 2.2). Das ±-Signa ist damit fast zwei Gröfienord nungen geringer als das /-Signal. Um den Anteil von parallel polarisiertem Licht (das sog. Übersprechen im ±-Kana weiter zu verringern, wird im ±-Kana ein zweiter Polarisator eingefugtl2. Der Nachweis der Signale in den beiden VIS- und den beiden UV-Kanäle erfolgt mit Photomultipliern. Fokussierlinsen, die vor jedem der Detektoren angeordnet sind, bilden zusammen mit der Parallelisierungslinse die Gesichtsfeldblende auf die empfindlichen Detektorfläche ab. Die Brennweite die- ser Linsen in den VIS- und UV-Kanäle beträg je 100 mm. Unmittelbar vor den

Ao [nm]

307,8 331,7

"Hier beziehen sich die Bezeichnungen

11

und -L auf die Einfallsebene mit der reflektierenden Fläch des Strahlteilerwürfels Verwechslungen mit den 11- bzw. .L- Komponenten der Streustrahlung sollte man vermeiden!

"Leider kam es im MeBwinter 1996197 durch das Schwenken des Detektortisches um 90" relativ zum Sendestrahl anfänglic zu einer Verwechslung der -L- und /-Kanäle so da der zwei- t e Strahlteilerwürfe fälschlicherweis im 11-Kanal eingebaut wurde; er war damit unwirksam.

Vgl. Abschnitt 3.3.2

3. Instrument und Methode

Tabelle 3.5.: Die technischen Daten der Photodetektoren. Die Angaben sind den Herstel- lerunterlagen entnommen. Die ins PM-Gehäus eingebauten Vorverstärke des T y p s A2 vom selben Hersteller sind m i t einer Anstiegszeit von 2,5 nsec und einem Rauschen von 4,2 n V ~ zspezifiziert. ~ / ~

1 I

Photomultipliern sind Neutraldichtefilter angeordnet, im Aufbau 95/96 als Wech- selfilter, 96/97 in manuellen Filterrevolvern, die je fün Neutralfilter fassen. Diese Filter dienen zur Anpassung der S i g n a l i n t e n ~ i ~ t an den Lastbereich der Multiplier;

sie werden so gewählt da die maximale Zahlrate a n der Chopperkante unterhalb einer Grenzfrequenz bleibt, die vom jeweiligen Photodetektor abhäng (genaueres siehe 3.3.1). Die Spezifikationen der Photodetektoren sind in Tabelle 3.5 zu finden.

ca. 12%

9 m m 2250 V (typ.)

A2: 10 x

Im Dokument Meinen Eltern (Seite 65-69)