Gasatmosphären für die PA-Spektroskopie

Häufig taucht die Frage auf, warum gerade Helium ein besonders geeignetes Gas für die photoakustische Spektroskopie (PAS) an Flüssigkeiten und Festkörpern ist. Im Prinzip lassen sich alle Gase verwenden, solange sie nicht die IR-Strahlung ganz oder teilweise im Frequenzgebiet der zu vermessenden Probe absorbieren. Um die Meßergebnisse zu optimieren, spielen zwei weitere Größen eine Rolle: die Gaskonstante R sowie die Helmholtz-Resonanz.

1. Gaskonstante R:
Nach dem (idealen) Gasgesetz gilt:

pV = mRT

Da das Volumen und die Masse des Gases innerhalb der photoakustischen Meßzelle während der Messung konstant bleiben, gilt:

p = RT / const.

D.h. die (spezifische) Gaskonstante R wirkt als natürlicher Verstärker der Temperaturabhängigkeit des Drucks innerhalb der PAS-Meßzelle; je größer R, desto ausgeprägter die Verstärkung und desto höher die Empfindlichkeit. In der folgenden Tabelle sind einige Gase mit ihrer jeweiligen (spezifischen) Gaskonstante R aufgeführt:

Gasart           R (in J/kg K)         Dichte (in kg/m³)
 Ar                        208                      1,784
 He                     2077                      0,1785
 O2                       260                       1,4289
 Luft                     287                       1,2929
 N2                       297                       1,25 
 Kr                         99                        3,708
 Xe                        63                        5,897

2. Helmholtz-Resonanz:
Jeder Hohlraum kann zu Resonanzschwingungen angeregt werden. Diese Schwingungen würden natürlich die Meßergebnisse erheblich stören. Die Lage der Resonanzen wiederum ist gasabhängig, genauer gesagt von der Gasdichte. Es gilt: je kleiner die Gasdichte, desto höher liegt die Frequenz der Eigenschwingung der Meßzelle. Im Falle des Heliums (Dichte: 0,1785 kg/m³) verbleibt ein Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 10 kHz, bei Luft (Dichte: 1,2929 kg/m³) würde nur ein Bereich von 1 Hz bis 3 kHz sinnvoll nutzbar sein. Oberhalb dieser Resonanzfrequenz sind zwar Messungen möglich, sie würden aber deutlich an Empfindlichkeit einbüßen.