Diamantsplitter als Thermosonden

  • 17. June 2015

Dauer des Lumineszenzlichts zeigt enge Korre­lation mit der Um­gebungs­temperatur.

Viele Substanzen reagieren auf eine Anregung mit Lasern mit einer Licht­emission. Diese Lumineszenz lässt sich für kontakt­lose Temperatur­messungen nutzen, doch erlauben bisherige Ansätze nur einen einge­­schränkten Mess­bereich. Französische Wissen­schaftler konnten dieses Problem nun mit winzigen Diamant­splittern beheben und erreichten über einen Bereich von fast 600 Kelvin eine hohe Mess­genauig­keit von einem Grad.

Abb.: Bei der Diamant-Thermosonde verkürzt sich mit steigender Temperatur die Emissionsdauer von grünem Lumineszenz-Licht nach einer Anregung mit blauen Laserpulsen. (Bild: E. Homeyer, et al., Univ. Lyon)

Abb.: Bei der Diamant-Thermosonde verkürzt sich mit steigender Temperatur die Emissionsdauer von grünem Lumineszenz-Licht nach einer Anregung mit blauen Laserpulsen. (Bild: E. Homeyer, et al., Univ. Lyon)

Für ihre Messungen verunreinigten Estelle Homeyer und ihre Kollegen vom Institut Lumière Matière der Université de Lyon Mikrometer kleine Diamanten mit Nickel. Diese Partikel deponierten sie auf einer Silizium-Unterlage und setzten sie in einen Kryostaten. Mit kurzen blauen Laserpulsen von 444 Nanometern angeregt, reagierten die Diamant­splitter mit der Emission von grünem Lumines­zenz­licht.

Bei einer Umgebungstemperatur von 100 Kelvin dauerte die Lumineszenz 277 Mikrosekunden. Mit steigender Temperatur verkürzte sich diese Dauer kontinuierlich und erreichte bei 800 Kelvin einen Wert von nur noch 600 Nanosekunden. Diese enge Korrelation nutzten Homeyer und Kollegen für ihr Lumineszenz-Thermometer, das über einen weiten Messbereich die Temperatur auf etwa ein Grad genau bestimmen konnte. Dabei reagierten die Diamantsplitter sehr schnell auf die anregenden Laserpulse, wodurch eine hohe zeitliche Auflösung der Messungen möglich war. Die Leistung der Laserpulse von zwölf Picojoule pro Puls war dabei gering genug, um selbst keinen verfäl­schenden Einfluss auf die zu messende Temperatur zu haben.

Ein weiterer Vorteil liegt in der geringen Größe der Diamantsplitter von nur wenigen Mikrometern. So erreicht die Ortsauf­lösung der Temperatur­messung etwa fünf Mikrometer. Insgesamt zeigen diese Messungen, dass gezielt mit Nickel verun­reinigte Mikro­diamanten sehr gut als Temperatur­sonden für kontaktlose Messungen geeignet sind. Dank hoher Orts­auf­lösung und Reaktions­schnelligkeit könnten Lumineszenz-Thermometer auf der Basis von Mikro­diamanten in Zukunft beispiels­weise genauere Kontrollen von chemischen Reaktionen ermöglichen.

Jan Oliver Löfken

DE

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