TY  - THES
A1  - Salffner, Katharina
T1  - Entwicklung eines breitbandigen Cavity-Ring-Down-Spektrometers unter Verwendung nahinfraroter, inkohärenter Strahlung
T1  - Development of a broadband cavity ring-down spectrometer using incoherent near-infrared radiation
N2  - In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Spektrometer für die Analyse von Gasen bzw. Gasgemischen vorgestellt und deren Design, Aufbau, Charakterisierung und Optimierung beschrieben. Das Resultat der Optimierung und Weiterentwicklungen ist ein spektral breitbandiges Cavity-Ring-Down-Spektrometer (CRD-Spektrometer). Ausgangspunkt der hier vorgestellten Arbeit ist ein Spektrometer auf Basis klassischer Absorptionsspektroskopie in einer Multireflexionszelle. Für dieses Spektrometer wurde als Strahlquelle ein Superkontinuumlaser verwendet. Der Vorteil dieses Spektrometers liegt in seiner Kompaktheit. Mit diesem Spektrometer wurden Absorptionsspektren von mehreren Reingasen und einem Gasgemisch über einen Wellenlängenbereich von 1500 nm – 1700 nm aufgenommen. Der qualitative Vergleich mit zu erwartenden Spektren, welche auf der HITRAN-Datenbank basieren, zeigte eine gute Übereinstimmung. Die quantitative Interpretierbarkeit der Daten war jedoch stark eingeschränkt aufgrund des hohen zufälligen und systematischen Fehlers der Messungen. Als Konsequenz aus der als nicht zufriedenstellend bewerteten quantitativen Interpretierbarkeit der Daten wurde eine alternative Messmethode gesucht, welche eine höhere Sensitivität und Genauigkeit ermöglicht. Die Wahl fiel auf die Cavity-Ring-Down-Spektroskopie, eine resonatorgestützte Variante der Absorptionsspektroskopie. Wesentliche Vorteile dieser Technik sind a) die Unabhängigkeit von Leistungsschwankungen der Strahlquelle, b) ein effektiver Absorptionsweg von bis zu mehreren Kilometern, welcher sich unmittelbar auf die Sensitivität der Messungen auswirkt, c) die Ermittlung absoluter Absorberkonzentrationen, ohne die Notwendigkeit einer Kalibrierung oder den Vergleich mit einer Referenzzelle und d) die Vernachlässigbarkeit von Absorptionen außerhalb des Resonators. Als notwendiger Zwischenschritt auf dem Weg zu einem breitbandigen CRD-Spektrometer wurde zunächst ein monochromatisches CRD-Spektrometer designt, aufgebaut und charakterisiert. Für die effektive Einkopplung von Strahlungsenergie in einen Resonator ist die Anpassung der Strahlparameter an die Mode des Resonators notwendig. Voraussetzung dieser Anpassung ist die Kenntnis der Strahlparameter, welche experimentell ermittelt wurden. Im Laufe des Aufbaus des Spektrometers ergab sich, dass trotz der Modenanpassung die Einkopplung der Strahlungsenergie in den Resonator gestört wurde. Daraufhin wurden systematisch mögliche Ursachen dieser Störung untersucht und das Spektrometer optimiert. Mit diesem optimierten Spektrometer wurden Spektren gemessen, welche sowohl qualitativ als auch quantitativ gut mit den zu erwartenden Spektren übereinstimmen. Als Nachweisgrenze dieses Spektrometers wurde ein Wert für den Absorptionskoeffizienten alpha von 10^-8 cm-1 bestimmt. Mit dem monochromatischen CRD-Spektrometer war es zudem möglich, isotopenspezifische Messungen durchzuführen. Für das breitbandige Spektrometer wurde als Strahlquelle eine ASE-Diode (amplified spontaneous emission) verwendet. Dabei handelt es sich um eine inkohärente Strahlquelle. Mittels Messungen nach dem Prinzip der Cavity-Enhanced-Absorptionsspektroskopie wurde die generelle Funktionalität des resonatorgestützten Spektrometers überprüft. Anschließend wurden die wellenlängenabhängigen Abklingsignale des leeren und des mit einem CO2-Luft-Gemisch gefüllten Resonators gemessen und ebenfalls mit den zu erwartenden Spektren verglichen. Qualitativ stimmen die experimentellen Spektren gut mit den zu erwartenden Spektren überein. Für die quantitative Interpretation der Daten wurde ein spezieller Algorithmus entwickelt, der die spektrale Auflösung des Systems berücksichtigt. Mit dem vorgestellten Spektrometer ist so die qualitative und quantitative Interpretation der Spektren möglich. Die Nachweisgrenze des breitbandigen Cavity-Ring-Down-Spektrometers wurde zu einem Wert von alpha = 8x10^-7 cm-1 bestimmt. Der systematischen und der zufällige Fehler der Messungen lagen bei Werten von ca. 1%. Bei diesem Spektrometer handelt es sich um einen Prototyp. Mittels Optimierung des Systems lassen sich sowohl der Wert der Nachweisgrenze als auch die Fehler der Messungen verbessern.
N2  - This thesis presents the design, set-up, characterisation and optimization of various spectrometers to be used for the analysis of gases and gas mixtures. The result of this optimization and its further development is a spectrally broadband cavity ring-down spectrometer (CRD spectrometer), which uses an incoherent light source that emits in the near-infrared. The starting point of the development was a spectrometer which is based on classic absorption spectroscopy inside a multipass cell. This spectrometer uses a supercontinuum laser as light source. The advantage of this spectrometer is its compactness. With this spectrometer, the spectra of various gases and a gas mixture were detected in the spectral range of 1500 nm to 1700 nm. The experimentally derived spectra are in good qualitative accordance to expected spectra based on the HITRAN database. Nevertheless, the qualitative interpretation of the data reveals significant systematic and random errors. As a consequence, a different spectroscopic approach was chosen. The method of choice was cavity ring-down spectroscopy. The advantages of this technique are a) the independence from power fluctuations of the light source, b) an effective absorption path length of up to several kilometres, c) absolute measurement of absorber concentration and d) independence of absorption outside of the cavity. As an important intermediate step on the way to the broadband CRD spectrometer, a monochromatic CRD spectrometer was designed, set up and characterised. To effectively couple light into the cavity, the beam parameters have to be matched to the cavity’s mode. Prerequisite of this mode matching is the knowledge of the beam parameters, which were determined experimentally. Despite this mode matching, the coupling of the light into the cavity turned out to be instable. The cause of that disturbance was systematically investigated, which let to an optimization of the system. The spectra measured with this optimized system were in very good qualitative and quantitative agreement with the expected spectra. The limit of detection of this spectrometer was determined to an absorption coefficient alpha of 10^-8 cm-1. Furthermore, isotope-selective measurements were performed. The light source of the broadband CRD spectrometer is an amplified spontaneous emission diode, which is an incoherent light source. The general functionality of the spectrometer was first tested by means of CEAS measurements (cavity enhanced absorption spectroscopy). Afterwards, the wavelength dependent ring-down signals of the empty cavity and the cavity filled with a CO2 air mixture were detected. The qualitative comparison with the expected data shows very good agreement. For the quantitative interpretation of the experimental data, a special algorithm was developed. Thereby the data measured with the presented spectrometer can be interpreted both qualitatively and quantitatively. The limit of detection of the broadband CRD spectrometer was determined to a value of alpha = 8x10^-7 cm-1. The systematic and the random error are in the range of 1 %. The presented spectrometer is a prototype. Therefore the systematic and random error will be improved by further optimization of the spectrometer.
KW  - Spektroskopie
KW  - Nahinfrarot (NIR)
KW  - Breitband
KW  - Cavity Ring-Down
KW  - Gassensorik
KW  - spectroscopy
KW  - near-infrared (NIR)
KW  - broadband
KW  - cavity ring-down
KW  - gas sensing
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-68952
ER  - 
TY  - THES
A1  - Herenz, Peter
T1  - A study of the absorption characteristics of gaseous galaxy halos in the local Universe
T1  - Untersuchung von Absorptionsstrukturen in den gasförmigen Halos von Galaxien im lokalen Universum.
N2  - Today, it is well known that galaxies like the Milky Way consist not only of stars but also of gas and dust. The galactic halo, a sphere of gas that surrounds the stellar disk of a galaxy, is especially interesting. It provides a wealth of information about in and outflowing gaseous material towards and away from galaxies and their hierarchical evolution. For the Milky Way, the so-called high-velocity clouds (HVCs), fast moving neutral gas complexes in the halo that can be traced by absorption-line measurements, are believed to play a crucial role in the overall matter cycle in our Galaxy. Over the last decades, the properties of these halo structures and their connection to the local circumgalactic and intergalactic medium (CGM and IGM, respectively) have been investigated in great detail by many different groups. So far it remains unclear, however, to what extent the results of these studies can be transferred to other galaxies in the local Universe. In this thesis, we study the absorption properties of Galactic HVCs and compare the HVC absorption characteristics with those of intervening QSO absorption-line systems at low redshift. The goal of this project is to improve our understanding of the spatial extent and physical conditions of gaseous galaxy halos in the local Universe. In the first part of the thesis we use HST /STIS ultraviolet spectra of more than 40 extragalactic background sources to statistically analyze the absorption properties of the HVCs in the Galactic halo. We determine fundamental absorption line parameters including covering fractions of different weakly/intermediately/highly ionized metals with a particular focus on SiII and MgII. Due to the similarity in the ionization properties of SiII and MgII, we are able to estimate the contribution of HVC-like halo structures to the cross section of intervening strong MgII absorbers at z = 0. Our study implies that only the most massive HVCs would be regarded as strong MgII absorbers, if the Milky Way halo would be seen as a QSO absorption line system from an exterior vantage point. Combining the observed absorption-cross section of Galactic HVCs with the well-known number density of intervening strong MgII absorbers at z = 0, we conclude that the contribution of infalling gas clouds (i.e., HVC analogs) in the halos of Milky Way-type galaxies to the cross section of strong MgII absorbers is 34%. This result indicates that only about one third of the strong MgII absorption can be associated with HVC analogs around other galaxies, while the majority of the strong MgII systems possibly is related to galaxy outflows and winds. The second part of this thesis focuses on the properties of intervening metal absorbers at low redshift. The analysis of the frequency and physical conditions of intervening metal systems in QSO spectra and their relation to nearby galaxies offers new insights into the typical conditions of gaseous galaxy halos. One major aspect in our study was to regard intervening metal systems as possible HVC analogs. We perform a detailed analysis of absorption line properties and line statistics for 57 metal absorbers along 78 QSO sightlines using newly-obtained ultraviolet spectra obtained with HST /COS. We find clear evidence for bimodal distribution in the HI column density in the absorbers, a trend that we interpret as sign for two different classes of absorption systems (with HVC analogs at the high-column density end). With the help of the strong transitions of SiII λ1260, SiIII λ1206, and CIII λ977 we have set up Cloudy photoionization models to estimate the local ionization conditions, gas densities, and metallicities. We find that the intervening absorption systems studied by us have, on average, similar physical conditions as Galactic HVC absorbers, providing evidence that many of them represent HVC analogs in the vicinity of other galaxies. We therefore determine typical halo sizes for SiII, SiIII, and CIII for L = 0.01L∗ and L = 0.05L∗ galaxies. Based on the covering fractions of the different ions in the Galactic halo, we find that, for example, the typical halo size for SiIII is ∼ 160 kpc for L = 0.05L∗ galaxies. We test the plausibility of this result by searching for known galaxies close to the QSO sightlines and at similar redshifts as the absorbers. We find that more than 34% of the measured SiIII absorbers have galaxies associated with them, with the majority of the absorbers indeed being at impact parameters ρ ≤160 kpc.
N2  - Galaxien bestehen nicht nur aus Planeten und Sternen, sondern sind u.a. auch von einer Hülle aus Gas und Staub, dem Halo, umgeben. Dieser Halo spielt für die Entwicklung der Galaxie eine zentrale Rolle, da er mit der galaktischen Scheibe wechselwirken kann. Für das Verständnis des galaktischen Materiekreislaufs ist es daher entscheidend, die Prozesse und Vorgänge sowie das Zusammenspiel der verschiedenen Gasphasen in diesem Übergangsbereich zum intergalaktischen Medium charakterisieren und verstehen zu können. In der vorliegenden Arbeit werden lokale Phänomene, die sogenannten Hochgeschwindigkeitswolken (HVCs), im Halo der Milchstraße mit Hilfe des Hubble-Weltraumteleskops analysiert und ausgewertet. Im Gegensatz zu dem normalen Halo Gas bewegen sich diese HVCs mit ungewöhnlich hohen Geschwindigkeiten durch die ̈ äußeren Bereiche der Milchstraße. Sie passen daher nicht in das Galaktische Ge- schwindigkeitsmodell und stellen eine eigene, wichtige Klasse von Objekten dar, welche mit der Galaxie wechselwirken und diese beeinflussen. Für die Analyse dieser HVCs werden mehr als 40 Spektren von extragalaktischen Hintergrundquellen statistisch untersucht, um u.a. den Bedeckungsanteil von verschiedenen niedrig-/mittel- und hochionisierten Metallen zu ermitteln. Wegen der Ähnlichkeit der Ionisationsparameter von einfach ionisiertem Silizium, SiII, und einfach ionisiertem Magnesium, MgII, ist es möglich, den Beitrag von HVCs zum Wirkungsquerschnitt von starken MgII Absorbern im lokalen Universum zu bestimmen. Es stellt sich heraus, dass, würde man von außen auf die Milchstraße schauen, Galaktische HVCs etwa 52 % zum totalen Wirkungsquerschnitt von starken MgII Absorptionssystemen in der Milchstraße beitragen. Weiterhin ergibt sich, dass nur etwa ein Drittel der starken MgII Absorptionssysteme in der Umgebung von Milchstraßen-ähnlichen Galaxien als HVC Gegenstücke identifziert werden kann. Betrachtet man die große Anzahl an bekannten MgII Absorptionssystemen folgt daraus, dass das HVC-Phänomen nicht alleine auf unsere Galaxie beschränkt ist, sondern im Gegenteil, weit verbreitet zu sein scheint. Weiterhin werden die Eigenschaften von Metallsystemen bei niedriger Rotverschiebung in Quasarspektren analysiert. Die Suche nach extragalaktischen Metallsystemen in einer Vielzahl von Spektren und deren statistische Auswertung bezogen auf ihre Ursprungsgalaxien ermöglicht es, neue Erkenntnisse über die typische Struktur von Halos Milchstraßen-ähnlicher Galaxien zu erlangen. Eine der Hauptfragestellungen ist die Identifizierung von entfernten Metallsystemen als HVC-Analoga. Dazu wurden weitere Quasarspektren des Hubble-Teleskops ausgewertet und mit den Ergebnissen über Galaktische HVCs verglichen. Es zeigt sich hierbei, dass z.B. in der Säulendichteverteilung von neutralem Wasserstoff eine deutliche zweikomponentige Struktur zu erkennen ist. Diese könnte das Resultat von zwei verschiedenen Absorber Populationen sein, wobei eine HVC-ähnliche Eigenschaften aufweist. Diese Absorptionssysteme besitzen im Mittel sehr ähnliche Eigenschaften wie Galaktische Absorber, z.B. in Bezug auf die Eigenschaften des Gases oder dessen Zusammensetzung. Das impliziert u.a., dass sich auch dazugehörige Galaxien innerhalb eines bestimmten Abstandes um diese Absorber befinden sollten. Diese Vermutung wird anhand der Daten exemplarisch für zweichfach ionisiertes Silizium, SiII, untersucht. Es stellt sich heraus, dass sich in mehr als 34 % der Fälle zugehörige Galaxien bei SiIII Absorbern befinden, wobei die Mehrheit sogar innerhalb des von uns ermittelten mittleren Detektionsradius von 160 kpc zu finden ist. Allgemein können wir viele Hinweise darauf finden, dass das HVC-Phänomen nicht nur auf die Milchstraße beschränkt, sondern weit verbreitet ist. Zusätzlich scheinen Metallsysteme in Quasarspektren gute Indikatoren für HVC-Analoga in der Umgebung von anderen entfernten Galaxien zu sein.
KW  - Halo
KW  - Hochgeschwindigkeitswolken
KW  - Galaxien
KW  - Spektroskopie
KW  - halo
KW  - high-velocity-clouds
KW  - galaxies
KW  - spectroscopy
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-70513
ER  -