CH359297A - Gitterschwenkvorrichtung an Spektrometern - Google Patents

Description

  



     Gitterschwenkvorrichtung    an Spektrometern
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung an   Spektrometern    mit einem ebenen Beugungsgitter, einem feststehenden Kollimator und Beobachtungsmitteln, zur Verschwenkung des Gitters um eine zu den Linien des Gitters parallele Achse.



   Die Gitterschwenkvorrichtung nach der Erfindung eignet sich speziell, aber nicht ausschliesslich für Infrarot-Spektrometer.



   Bei solchen   Spektrometern    werden die zuvor parallel gemachten Strahlen auf ein ebenes Beugungsgitter geworfen. Einige der gebeugten Strahlen werden einander verstärken, wenn die folgende Gleichung erfüllt ist : d sin   il    + d sin   i2 = n A,    wobei d den Abstand der Linien des Gitters, ii den Einfallswinkel,   i2    den Beu  gungswinkel, A die Wellenlänge    der betrachteten Wellen und n die Ordnung des betrachteten Spektrums bedeuten.



   Diese Gleichung wird häufig als Gittergleichung bezeichnet.



   Fig.   1    der beiliegenden schematischen Zeichnung bezieht sich auf die obige Gleichung.



   In vielen Infrarot-Spektrometern wird eine Littrow-Anordnung des Gitters verwendet, das heisst eine Anordnung, in welcher der Beugungswinkel gleich gross ist und auf derselben Seite einer Senkrechten zum Gitter liegt wie der Einfallswinkel. Bei einer solchen Anordnung ist also   il    =   i2 = i,    und die Gittergleichung lautet :    2dsini=nA   
Wenn sich das Gitter mit konstanter Winkelgeschwindigkeit dreht, so wird, vorausgesetzt, dass i klein sei, eine gute Approximation an eine lineare Wellenlängenskala erhalten. Immerhin nimmt i oft ziemlich grosse Werte   (45     oder mehr) an, und dann wird der entstehende Fehler, wenn man sin i durch i ersetzt, beträchtlich.



   Die erfindungsgemässe Vorrichtung weist einen fest mit dem Gitter verbundenen Hebel und ein mit dem Hebel in Berührung befindliches   Betätigungs-    glied auf, wobei zwischen dem letzteren und dem mit ihm in Berührung stehenden Teil des Hebels ein kreisförmiges Profil eingeschaltet und die Anordnung so ist, dass in einer Bezugsebene senkrecht zur Schwenkachse des Gitters die das Zentrum des kreisförmigen Profils und die Schwenkachse des Gitters verbindende Gerade mit einer Linie in der   Bezugs-    ebene senkrecht zur geradlinigen Bewegungsrichtung desjenigen Teiles, der mit dem Hebel in Berührung steht, einen Winkel einschliesst, welcher gleich dem arithmetischen Mittel des Einfall-und des Beugungswinkels der auf das Gitter auffallenden Strahlen ist, das Ganze derart,

   dass die Bewegungskomponente des Angriffspunktes des Betätigungsgliedes am Hebel in einer Richtung parallel zur Projektion   derBewegungs-    richtung desselben auf die Bezugsebene, proportional zur Bewegung des Betätigungsgliedes ist, das mit einer gleichmässigen Teilung versehen ist, mittels welcher eine unmittelbare Wellenlängenanzeige erhältlich ist.



   In der beiliegenden schematischen Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigt :
Fig.   1    den Weg der einfallenden Strahlung und der gebeugten Strahlung,
Fig. 2-4 verschiedene Ausführungsbeispiele,
Fig. 5 einen Schnitt in einer Ebene parallel zu den Gitterlinien einer Variante der Anordnung nach Fig. 2 und
Fig. 6 einen zu Fig. 5 analogen Schnitt einer Variante der Anordnung nach Fig. 3. 



   Eine erste Ausführungsform ist in Fig. 2 gezeigt, bei welcher ein Hebel AB bei A fest an einem ebenen Beugungsgitter G befestigt ist. Der Hebel ist mit seinem andern Ende B mittels einer Feder S in Kontakt mit einer Platte P an einer Mikrometerschraube M gehalten. Die Platte P besitzt eine ebene Oberfläche unter rechtem Winkel zur Achse der Schraube, auf welcher das Ende B des Hebels AB, das ein kreisförmiges Profil aufweist, gleiten kann. Das Ende des Hebels AB kann kugelförmig sein, es kann auch zylindrisch ausgebildet sein oder die Form einer Rolle haben.



   Um eine genau lineare Skala auch in solchen Fällen zu erhalten, wo der Einfallwinkel   i,    der Strahlung dem Beugungswinkel   i2    gleich ist, muss der Winkel BAH gleich dem Einfallwinkel der auf das Gitter fallenden Strahlung sein, wobei die Linie AH mit der Achse der Mikrometerschraube M einen rechten Winkel einschliesst.



   Wenn sich die Winkel   il    und i2 für eine Einstellung des Gitters gleich sind, werden sie sich natürlich für alle andern Stellungen gleichbleiben, vorausgesetzt, dass das Gitter so montiert wird, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, das heisst, dass die Anordnung so ist, dass der Einfallwinkel   il    der Strahlung und der Winkel BAH gleichzeitig zu-oder abnehmen, wenn das Gitter gedreht wird.



   Angenommen, dass bei einer Wellenlänge   2    (in Mikron) der Einfallwinkel i ist, während für die Wel  lenlänge      i    + 1 der Einfallwinkel auf i + a ansteigt und das Mikrometer um einen Betrag h verstellt wird, so gilt für die erste Ordnung : sin   i = # = BH also BH = AB#       2d AB 2d    und     # + 1 BH + h sin (i + a) + =   
2d AB
Durch Substitution des Wertes   BH    ergibt sich    #/2d+1/2d=#/2d    + h/AB folglich 1/2d = h/AB
Dadurch wird, wenn die Ganghöhe h der Mikrometerschraube 1 mm beträgt, diese Ganghöhe h immer dasselbe Wellenlängenintervall darstellen, und zwar für jede Einstellung des Gitters.

   Wenn ausserdem AB, ausgedrückt in cm, gleich 0, 2 d ist (d = Abstand der Gitterlinien in Mikron), so entspricht eine Bewegung der Mikrometerschraube um h = 1 mm einer Anderung der Wellenlänge um 1 Mikron für die erste Ordnung, 0, 5 Mikron für die zweite Ordnung usw. Wenn das Gitter z. B. 1000 Linien auf einen cm aufweist, so ist d   = 1000 cm= 10    Mikron und    AB=0, 2d=0, 2-10=2cm.   



   Die Länge des Hebels AB kann auf eine passendere Länge von 4 cm erhöht werden, indem die Bewegung h der Schraube auf 2 mm für eine Anderung der Wellenlänge um   1    Mikron erhöht wird.



   In der Anordnung nach Fig. 2 ist mit der Länge AB die Länge zwischen dem Punkt A des Hebels, um welchen sich das Gitter dreht, und dem Zentrum des Endes des Hebels gemeint.



   Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei welchem ABCD ein Parallelogramm ist, das aus starren, aneinander gelenkten Gliedern   AB,    BC, CD und DA gebildet ist, wobei das letztere in seiner Lage fest ist. Daher bleibt, wenn der Winkel DAB verändert wird, das Glied BC immer parallel zum Glied AD.



  Das Gitter G ist fest mit dem Glied AB verbunden, wobei das Zentrum der Drehung der Gitterplatte sich bei A befindet. Das Glied AD ist nicht unbedingt nötig, da die Punkte A und D feste Zapfen sind, die am Sockel des Spektrometers befestigt sind. Mit dem Glied BC ist ein Querstück EF unter rechtem Winkel fest verbunden, und dieses   Querstück    EF steht in Berührung mit dem Ende einer Mikrometerschraube M, die mit einem nicht dargestellten Kugelende versehen ist.



   Eine Feder S ist vorgesehen, um den Kontakt zwischen dem   Querstück    EF und der Mikrometerschraube M aufrechtzuerhalten.



   Auch hier ist der Winkel BAH gleich dem Einfallwinkel, und AB, in cm ausgedrückt, wird numerisch gleich 0, 2 d Mikron (d = Abstand der Gitterlinien) gemacht, mit dem Resultat, dass eine Bewegung h der Schraube um 1 mm genau 1 Mikron für die erste Ordnung, 0, 5 Mikron für die zweite Ordnung usw. darstellt.



   Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 3 dadurch,   dal3    das   Querstück    EF eine   Rolle J trägt    und mit derselben auf der Oberfläche einer flachen Scheibe P der Mikrometerschraube M aufliegt, deren Achse parallel zu BC verläuft. Die Oberfläche der Scheibe ist genau im rechten Winkel zur Achse der Mikrometerschraube und ist gross genug, um eine seitliche Bewegung der Rolle zu erlauben, wenn die Schraube gedreht wird.



   Statt der Rolle J könnte auch eine um eine Achse drehbare Kugel vorgesehen sein.



   Für den allgemeineren Fall, wo Einfallswinkel und   Beugungswinkelverschieden    sind, kann man schreiben : d [sin   il    + sin   (i, + b)]    =   n #, wobei # gleich i2-i1    und für ein gegebenes Spektrometer konstant ist.



   Aus der trigonometrischen Regel sin   A + sin B = 2    sin 1/2 (A + B) cos   1, (AB)    ergibt sich    sin ii + sin (i, d   
2 sin   1/2      (2it    +   b)    cos   1/2 (i1-i1-#) =   
2 sin (il + 2) cos 2. 



   Wenn (il   + BAH    darstellt, so ist     # BH # sin (i1 +) = =
2d cos   
2 für die erste Ordnung.



   Wenn nun der Winkel BAH um a vergrössert wird und die Mikrometerschraube um die Strecke h verschoben wird, um eine Wellenlänge A +   1    zu ergeben,    dann ist # BH+h # + 1 sin (i1 + + a) = = 2 AB 2d (cos )    wobei2
2d   cos-   
2 woraus sich ergibt :     # h # 1  + = +   
2d cos   #    AB 2d cos   #    2d cos   #   
2 2 2 oder h 1
AB 2d cos
2 oder    AB    = 2dll cos
2 Wiederum wie bei den Ausführungsformen nach den Fig. 2 und Fig. 3 kann eine genau lineare Skala erhalten werden, wenn der Winkel BAH gleich i1 +   #/2    gemacht wird.

   Wenn AB (in cm) numerisch gleich 2dh       cos 2 (d = Abstand der Gitterlinien in Mikron) gemacht wird, so entspricht eine Bewegung h der Mikrometerschraube um 1 mm wie oben einer Anderung der Wellenlänge um   1    Mikron. Wenn das Gitter 1000 Linien pro cm aufweist, also d = 10 Mikron ist, und wenn h--1 mm für eine Anderung der Wellenlänge um   1    Mikron sein soll, so wird   
AB = 0, 2 d. cos= 2 cm. cos
2 2    Wie oben erwähnt, kann die Länge AB auf einen passenderen Wert vergrössert werden, indem die Bewegung h für eine Wellenlängenänderung um 1 Mikron zu 2 mm gewählt wird.



   Bei allen oben angegebenen   Ausführungsbeispie-    len wurde angenommen, dass der Hebel, die Mikrometerschraube und die einfallende Strahlung alle in derselben Ebene liegen, das heisst in einer Ebene unter rechtem Winkel zu den Linien des Gitters.



   Wenn die Mikrometerschraube und der Hebel sich in verschiedenen Ebenen   befänden,    wären die Gleichungen immer noch richtig, vorausgesetzt, dass die verwendeten Winkel sich auf die Projektion der Rotationsachse der Mikrometerschraube oder des Hebels oder von beiden in eine Ebene, die mit den Rillen des Gitters rechte Winkel bildet, beziehen. Ähnlich muss für die Gleichungen, welche die Länge des   Betäti-    gungshebels angeben, die Länge der Projektion des Betätigungshebels auf eine Ebene unter rechtem Winkel zu den Linien des Gitters eingesetzt werden.



   In den Fig. 5 und 6 sind Schnitte durch Varianten der Ausführungsformen nach Fig. 2 bzw. Fig. 3 dargestellt, in welchen die Achse der Mikrometerschraube M mit Normalebenen n zu den Gitterlinien einen Winkel   #    einschliessen. Die Schnittebenen stehen-ebenso wie die Gitterebene-senkrecht auf den Zeichnungsebenen der Fig. 2 und 3. In diesen Fällen   mu#    in die Gleichung für den Abstand AB die Verschiebung ho der Punkte B eingesetzt werden.



  Diese Verschiebung   ho,    ausgedrückt durch die Verschiebung h der Mikrometerschraube in Richtung ihrer Achse, wird bei den Anordnungen nach den Fig. 2 und 4, wenn die Oberfläche der Platte P senkrecht zur Schraubenachse steht,   gleich h0 = h #sec #, wie    aus Fig. 5 hervorgeht. Damit wird also    AB = 2#d#h0#cos#/2=-2#d#h#sec # # cos #/2   
Für die Anordnung nach Fig. 3 ergibt sich aus Fig. 6,   da#    h0   = h#cos #,    womit    AB = 2#d#h#cos##cos #/2    wird. Hierbei ist vorausgesetzt,   dal3    die Oberfläche des Querstückes EF und die Oberfläche des Gitters in Ebenen senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 3 liegen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Vorrichtung an Spektrometern mit einem ebenen Beugungsgitter, einem feststehenden Kollimator und Beobachtungsmitteln, zur Verschwenkung des Gitters um eine zu den Linien des Gitters parallele Achse, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe einen fest mit dem Gitter verbundenen Hebel und ein mit dem Hebel in Berührung befindliches Betätigungsglied aufweist, wobei zwischen dem letzteren und dem mit ihm in Berührung stehenden Teil des Hebels ein kreisför- miges Profil eingeschaltet und die Anordnung so ist, dal3 in einer Bezugsebene senkrecht zur Schwenkachse des Gitters die das Zentrum des kreisförmigen Profils und die Schwenkachse des Gitters verbindende Gerade mit einer Linie in der Bezugsebene, welche senkrecht zur geradlinigen Bewegungsrichtung desjenigen Teiles,

   der mit dem Hebel in Berührung steht, einen Winkel einschliesst, welcher gleich dem arithmetischen Mittel des Einfall-und des Beugungswinkels der auf das Gitter auffallenden Strahlen ist, das Ganze derart, dass die Bewegungskomponente des Angriffspunktes des Betätigungsgliedes am Hebel, in einer Richtung parallel zur Projektion der Bewegungsrichtung desselben auf die Bezugsebene, proportional zur Bewegung des Betätigungsgliedes ist, das mit einer gleichmässigen Teilung versehen ist, mittels welcher eine unmittelbare Wellenlängenanzeige erhältlich ist.

   UNTERANSPRUCHE 1. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungsglied eine Schraube ist.

   2. Vorrichtung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube eine ebene Fläche trägt, mit der das vom Gitter abgewandte Ende des Hebels in Berührung gehalten ist.

   3. Vorrichtung nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der ebenen Fläche in Berührung stehende Ende des Hebels kugelförmig ausgebildet ist.

   4. Vorrichtung nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der ebenen Fläche in Berührung stehende Ende des Hebels aus einer Rolle besteht.

   5. Vorrichtung nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der senkrechte Abstand der Schwenkachse des Hebels vom Zentrum des kreisförmigen Profils am mit dem Betätigungsglied in Berührung stehenden Ende des Hebels numerisch gleich einem Wert 2dh cos 2 sec 0 ist, worin d gleich dem Abstand der Linien des Gitters in Mikron ist, 6 gleich der Differenz zwischen dem Beugungs-und dem Ein fallwinkel von auf das Gitter fallenden Strahlen, h der Weg der Schraube in Richtung ihrer Drehachse entsprechend einer Wellenlängendifferenz von 1 Mikron, und 0 der von der Achse der Schraube mit einer senkrecht zur Richtung der Striche auf dem Gitter verlaufenden Ebene eingeschlossene Winkel.

   6. Vorrichtung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Gitter fest verbundene Hebel eines von vier starren, aneinander angelenkten, ein Parallelogramm bildenden Gliedern ist, von denen ein erstes im Raume fest angeordnet ist und ein zweites, mit dem Gitter verbundenes Glied mit dem ersten Glied und einem dritten, zum ersten Glied parallelen Glied gelenkig verbunden ist, wobei dieses dritte Glied einen Querarm trägt, welcher an der Mikrometerschraube angreift.

   7. Vorrichtung nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vier starren Glieder so aneinander angelenkt sind, dal3 dieselben einen Rahmen bilden, dessen Projektion auf eine Ebene senkrecht zu den Gitterstrichen ein Parallelogramm ist.

   8. Vorrichtung nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das feste erste Glied zwei feste Zapfen aufweist, um welche die zu demselben nicht parallelen Glieder schwenkbar sind.

   9. Vorrichtung nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dal3 der Querarm mit dem Ende der Mikrometerschraube in Berührung steht.

   10. Vorrichtung nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dal3 der Querarm auf einer ebenen, senkrecht zur Achse der Mikrometerschraube stehenden Fläche einer an der Mikrometerschraube befestigten Platte aufliegt, wobei das Ende des Querarms so geformt ist, dass der Abstand zwischen einem auf dem Querarm, in einer Senkrechten zur ebenen Fläche durch die Berührungsstelle liegenden festen Punkt und dem Berührungspunkt konstant bleibt.

   11. Vorrichtung nach Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Querarm mit einem kugeligen oder zylindrischen Teil auf der ebenen Fläche der von der Mikrometerschraube bewegten Platte aufruht.

   12. Vorrichtung nach Unteranspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der senkrechte Abstand der Schwenkachse des zweiten Gliedes von dessen Anlenkstelle am dritten den Querarm tragenden Glied, numerisch gleich dem Wert 2dh cos 2 sec 0 ist, wo d der Abstand der Linien des Gitters in Mikron ist, 6 die Differenz zwischen dem Beugungs-und dem Einfallwinkel der auf das Gitter fallenden Strahlen ist, h der Weg der Mikrometerschraube in Richtung ihrer Achse entsprechend einer Wellenlängendifferenz von 1 Mikron und st der Winkel zwischen der Achse der Mikrometerschraube, und zwar in einer Ebene senkrecht zu den Linien des Gitters.

   13. Vorrichtung nach Unteranspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Querarmes, welcher auf der Mikrometerschraube aufliegt, eben ist.

   14. Vorrichtung nach Unteranspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der senkrechte Abstand der Schwenkachse des zweiten Gliedes von dessen Anlenkstelle am dritten den Querarm tragenden Glied numerisch gleich dem Wert 2dh cos 2 cos 0 ist, wobei d der Abstand der Linien des Gitters in Mikron ist, 8 die Differenz zwischen dem Beugungs-und dem Einfallwinkel der auf das Gitter fallenden Strahlen ist, h der Weg der Mikrometerschraube in Richtung ihrer Achse entsprechend einer Wellenlängendifferenz von 1 Mikron, und 0 der Winkel zwischen dieser Achse und einer Ebene senkrecht zu den Linien des Gitters.