Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Gasrefraktometrie

Hochgenaue Bestimmung des Brechungsindex der Luft in Abhängigkeit von den Umgebungsparametern
mittels Refraktometer-Zellen

Zur Messung der Länge endmaßähnlicher Körper in Luft, ist es notwendig, den Brechungsindex der Luft genau zu bestimmen. Prinzipiell bieten sich hierbei zwei Möglichkeiten: 1) Bestimmung des Brechungsindex aus den sehr genau zu bestimmenden Umweltparametern (Druck, Temperatur, Luftfeuchte, CO₂-Gehalt) mittels empirischer Gleichungen und 2) interferometrische Bestimmung des Brechungsindex der Luft durch Vergleich des Lichtweges in Luft mit einem Lichtweg im Vakuum. Im Präzisionsinterferometer befindet sich dazu eine Vakuumkammer direkt neben dem Probekörper.

Die Refraktometer-Methode bietet den Vorteil, dass der so gemessene Brechungsindex dem der Luft in Probennähe entspricht. Die Bestimmung mittels empirischer Gleichungen setzt dagegen deutlich höhere Ansprüche an die Homogenität der Luft voraus, da die Luftparameter, Feuchte und Temperatur, lokal unterschiedlich sein können.

Bild 1 zeigt den Strahlengang durch die Vakuumkammer und ein Beispiel für ein Bild der Interferenzphase innerhalb und außerhalb der Refraktometerkammer.

Bild 1

Die Bestimmung des Interferenzbruchteils erfolgt ähnlich wie bei der Messung der Länge endmaßähnlicher Körper durch Mittelung der Interferenzphase innerhalb genau festgelegter Bereiche (kreisförmig in Bild 1, rechts) und anschließender Differenz-
bildung. Notwendig ist dabei die Kenntnis einer Nullkorrektion, welche Inhomogeni-
täten der an die Vakuumkammer angesprengten Quarzplatten (Brechungsindex, Dicke) berücksichtigt. Durch die Möglichkeit das Präzisionsinterferometer zu evakuieren lässt sich die Nullkorrektion direkt messen. Dadurch wird die Gesamtunsicherheit der Refraktometermessung deutlich reduziert.

Neben der Notwendigkeit der genauen Kenntnis des Brechungsindex der Luft für die Berechnung der Licht-Wellenlänge bei der interferentiellen Längenmessung bietet die Messung des Brechungsindex mittels Refraktometerkammer im Präzisionsinter-
ferometer die Möglichkeit, die empirische Gleichung für die Abhängigkeit des Brechungsindex der Luft von den Umweltparametern zu überprüfen bzw. hinsichtlich deren Gültigkeitsbereich zu erweitern und die Unsicherheit zu verringern.
So wurde mit dem Präzisionsinterferometer die Abhängigkeit der Luftbrechzahl von der Wellenlänge und von Temperatur, Druck, Feuchte und CO₂-Gehalt der Luft im sichtbaren Spektralbereich mit einer sehr geringen Unsicherheit beschrieben.

Höchst-genaue Bestimmung des Brechungsindex von Bestandteilen der Luft mittels "Längenrefraktometer"

Im Gegensatz zur oben beschriebenen Bestimmung des Brechungsindex mittels Refraktometerkammer basiert die Messung beim "Längenrefraktometer" auf der Beobachtung der Interferenz eines Probekörpers, dessen Länge zuvor im Vakuum sehr genau (interferentiell) gemessen wurde.

Bild 2 zeigt ein Schema des Strahlverlaufes im "Längenrefraktometer".
Dieser unterscheidet sich nicht vom "normalen" Fall der interferentiellen Längenmessung (siehe Präzisionsinterferometer).

Bild 2

Die Anwesenheit des Testgases bewirkt eine Abnahme der Länge des Probekörpers durch Kompression. Dies muss bei der Bestimmung des Brechungsindex des Testgases berücksichtigt werden. Das Verfahren ist am besten für Untersuchungen bei relativ kleinen Drücken (bis ca. 50 hPa) geeignet. Wird ein wasserhaltiges Testgas benutzt, so kommt es an Oberflächen zur Adsorption von Wasser (in Bild 2 blau gezeichnet). Dieser Effekt hängt von verschiedenen Parametern ab. Bedingt durch die Geometrie der Strahlen hebt sich der Effekt (an Frontfläche/Endplatte) im Gegensatz zur Refraktometerkammer jedoch auf.