English Title: Optimizing the fluorescence excitation of Anisole for gas exchange measurements

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PDF, German - main document Download (8MB) | Lizenz: Optimierung der Fluoreszenzanregung von Anisol für Gasaustauschmessungen by Lache, Johann Michael underlies the terms of Creative Commons Attribution 4.0

Abstract

In dieser Arbeit wird die Eignung von Anisol als Tracer zur wasserseitigen Aufnahme von Konzentrationsprofilen mithilfe von laserinduzierter Fluoreszenz untersucht und der Einsatz in einer durch Wind getriebenen, welligen Wasseroberfläche am Aeolotron, einem ringförmigen Wind-Wellen-Kanal, getestet. Zur Fluoreszenzanregung wurde ein durchstimmbarer, gepulster UV-Laser verwendet, mit dem sich Laserpulse mit Wellenlängen zwischen 220 nm und 280 nm in 0,1 nm-Schritten erzeugen lassen. Die mittlere Energie der Pulse beträgt 3 mJ bei 20 Hz Pulsfrequenz. Durch einen qualitativen Vergleich der Fluoreszenzintensität einer Anisol-Sättigungskonzentration von 1 % in wässriger Lösung nach Messung mit einer UV-Kamera konnte eine optimale Anregungswellenlänge von etwa 269 nm ermittelt werden. Die Anregung ist allerdings in einem breiten Band um dieses Optimum (255 nm bis 275 nm) ähnlich gut erreichbar und erlaubt die Verwendung von breitbandigeren Lichtquellen wie z. B. LEDs. Zusätzlich wird die luftseitige Fluoreszenz durch Quencheffekte des molekularem Luftsauerstoff stärker unterdrückt als wasserseitig. Bei Testmessungen am Aeolotron wurde die Anwendbarkeit von Anisols als Tracer für Gasaustauschmessungen überprüft. Bei diesen wurde gezeigt, dass sowohl die Bestimmung von vertikalen Konzentrationsfeldern als auch die Visualisierung der wasserseitigen Massengrenzschicht selbst mit geringen Sättigungskonzentrationen von < 0,4 % möglich ist.

Translation of abstract (English)

In this work, the suitability of anisole as a tracer for water-side recording of concentration profiles using laser-induced fluorescence is investigated and its use in a wind-driven, wavy water surface is tested on the Aeolotron, a ring-shaped wind-wave channel. A tunable, pulsed UV-laser was used for fluorescence excitation, with which laser pulses with wavelengths between 220 nm to 280 nm can be generated in 0.1 nm steps. The average energy of the pulses is 3 mJ at a pulse frequency of 20 Hz. By qualitatively comparing the fluorescence intensity of an anisole saturation concentration of 1 % in aqueous solution after measurement with a UV-camera, an optimum excitation wavelength of around 269 nm was determined. However, excitation is similarly achievable in a broad band around this optimum (255 nm to 275 nm) and allows the use of broadband light sources such as LEDs. In addition, the fluorescence on the air side is more strongly suppressed by quenching effects caused by molecular oxygen in the air compared to the water side. The applicability of anisole as a tracer for gas exchange measurements was examined in test measurements at the Aeolotron. These showed that both the determination of vertical concentration fields and the visualization of the water-side mass boundary layer are possible even with low saturation concentrations of < 0.4 %.