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.
Grid swivel device on spectrometers
The present invention relates to a device on spectrometers with a flat diffraction grating, a fixed collimator and observation means for pivoting the grating about an axis parallel to the lines of the grating.
The grid swivel device according to the invention is particularly, but not exclusively, suitable for infrared spectrometers.
In such spectrometers, the rays that have been made parallel are thrown onto a flat diffraction grating. Some of the diffracted rays will reinforce each other if the following equation is satisfied: d sin il + d sin i2 = n A, where d is the spacing of the lines of the grating, ii is the angle of incidence, i2 is the angle of diffraction, A is the wavelength of the waves under consideration and n mean the order of the spectrum under consideration.
This equation is often referred to as the grid equation.
Figure 1 of the accompanying schematic drawing relates to the above equation.
A Littrow arrangement of the grating is used in many infrared spectrometers, that is to say an arrangement in which the diffraction angle is the same size and is on the same side of a perpendicular to the grating as the angle of incidence. With such an arrangement we have il = i2 = i, and the lattice equation is: 2dsini = nA
If the grating rotates at constant angular velocity, provided that i is small, a good approximation to a linear wavelength scale is obtained. After all, i often takes on fairly large values (45 or more), and then the error that arises when replacing sin i with i becomes considerable.
The device according to the invention has a lever firmly connected to the grille and an actuating member in contact with the lever, a circular profile being switched on between the latter and the part of the lever in contact with it and the arrangement being such that in a reference plane perpendicular to the pivot axis of the grid, the straight line connecting the center of the circular profile and the pivot axis of the grid with a line in the reference plane perpendicular to the rectilinear direction of movement of the part that is in contact with the lever, encloses an angle equal to that arithmetic mean of the angle of incidence and the angle of diffraction of the rays striking the grating, the whole is such,
that the movement component of the point of application of the actuator on the lever in a direction parallel to the projection of the same direction of movement on the reference plane is proportional to the movement of the actuator, which is provided with a uniform division, by means of which a direct wavelength display is available.
In the accompanying schematic drawing, some exemplary embodiments of the subject matter of the invention are shown, namely:
1 shows the path of the incident radiation and the diffracted radiation,
Fig. 2-4 different embodiments,
5 shows a section in a plane parallel to the grid lines of a variant of the arrangement according to FIGS
6 shows a section, analogous to FIG. 5, of a variant of the arrangement according to FIG. 3.
A first embodiment is shown in FIG. 2, in which a lever AB is fixedly attached at A to a flat diffraction grating G. The other end B of the lever is held in contact with a plate P on a micrometer screw M by means of a spring S. The plate P has a flat surface at right angles to the axis of the screw on which the end B of the lever AB, which has a circular profile, can slide. The end of the lever AB can be spherical, it can also be cylindrical or have the shape of a roller.
In order to obtain an exactly linear scale even in cases where the angle of incidence i, the radiation is equal to the diffraction angle i2, the angle BAH must be equal to the angle of incidence of the radiation falling on the grating, the line AH with the axis of the micrometer screw M. includes a right angle.
If the angles i1 and i2 are the same for one setting of the grille, they will of course remain the same for all other positions, provided that the grille is mounted as shown in FIG. 2, that is, the arrangement is so is that the angle of incidence il of the radiation and the angle BAH simultaneously increase or decrease when the grating is rotated.
Assuming that at a wavelength 2 (in microns) the angle of incidence is i, while for the wavelength i + 1 the angle of incidence increases to i + a and the micrometer is adjusted by an amount h, then for the first order: sin i = # = BH so BH = AB # 2d AB 2d and # + 1 BH + h sin (i + a) + =
2d AB
Substituting the value BH results in # / 2d + 1 / 2d = # / 2d + h / AB consequently 1 / 2d = h / AB
As a result, if the pitch h of the micrometer screw is 1 mm, this pitch h will always represent the same wavelength interval for each setting of the grating.
In addition, if AB, expressed in cm, equals 0.2 d (d = distance between the grid lines in microns), a movement of the micrometer screw by h = 1 mm corresponds to a change in wavelength of 1 micron for the first order, 0.5 Microns for the second order, etc. If the grid is e.g. B. has 1000 lines per cm, then d = 1000 cm = 10 microns and AB = 0, 2d = 0, 2-10 = 2 cm.
The length of the lever AB can be increased to a more suitable length of 4 cm by increasing the movement h of the screw to 2 mm for a 1 micron change in the wavelength.
In the arrangement of FIG. 2, the length AB means the length between the point A of the lever about which the grille rotates and the center of the end of the lever.
Fig. 3 shows another embodiment in which ABCD is a parallelogram which is formed from rigid, hinged links AB, BC, CD and DA, the latter being fixed in position. Therefore, when the angle DAB is changed, the link BC always remains parallel to the link AD.
The grid G is rigidly connected to the link AB with the center of rotation of the grid plate at A. The link AD is not absolutely necessary because the points A and D are fixed pegs that are attached to the base of the spectrometer. A crosspiece EF is fixedly connected to the link BC at a right angle, and this crosspiece EF is in contact with the end of a micrometer screw M which is provided with a ball end (not shown).
A spring S is provided to maintain contact between the crosspiece EF and the micrometer screw M.
Here, too, the angle BAH is equal to the angle of incidence, and AB, expressed in cm, is made numerically equal to 0.2 d microns (d = distance between the grid lines), with the result that a movement h of the screw by 1 mm is exactly 1 micron for the first order, 0.5 microns for the second order, and so on.
The embodiment according to FIG. 4 differs from that according to FIG. 3 in that the crosspiece EF carries a roller J and with the same rests on the surface of a flat disk P of the micrometer screw M, the axis of which runs parallel to BC. The surface of the disc is exactly at right angles to the axis of the micrometer screw and is large enough to allow lateral movement of the roller when the screw is turned.
Instead of the roller J, a ball rotatable about an axis could also be provided.
For the more general case, where the angle of incidence and the angle of diffraction are different, one can write: d [sin il + sin (i, + b)] = n #, where # is equal to i2-i1 and is constant for a given spectrometer.
The trigonometric rule sin A + sin B = 2 sin 1/2 (A + B) cos 1, (AB) results in sin ii + sin (i, i
2 sin 1/2 (2it + b) cos 1/2 (i1-i1- #) =
2 sin (il + 2) cos 2.
If (represents il + BAH, then # BH # sin (i1 +) = =
2d cos
2 for the first order.
If now the angle BAH is increased by a and the micrometer screw is shifted by the distance h to result in a wavelength A + 1, then # BH + h # + 1 sin (i1 + + a) = = 2 AB 2d ( cos) where 2
2d cos-
2 resulting in: # h # 1 + = +
2d cos # AB 2d cos # 2d cos #
2 2 2 or h 1
AB 2d cos
2 or AB = 2dll cos
As in the embodiments according to FIGS. 2 and 3, an exactly linear scale can be obtained if the angle BAH is made equal to i1 + # / 2.
If AB (in cm) is made numerically equal to 2dh cos 2 (d = distance of the grid lines in microns), then a movement h of the micrometer screw by 1 mm corresponds to a change in the wavelength by 1 micron as above. If the grating has 1000 lines per cm, i.e. d = 10 microns, and if h - 1 mm is to be for a change in wavelength of 1 micron, then becomes
AB = 0, 2 d. cos = 2 cm. cos
2 2 As mentioned above, the length AB can be increased to a more suitable value by choosing the movement h for a wavelength change of 1 micron to be 2 mm.
In all of the exemplary embodiments given above, it was assumed that the lever, the micrometer screw and the incident radiation all lie in the same plane, that is to say in a plane at right angles to the lines of the grating.
If the micrometer screw and lever were in different planes, the equations would still be correct, provided that the angles used relate to the projection of the axis of rotation of the micrometer screw or lever, or both, into a plane right with the grooves of the grid Forms angle, relate. Similarly, for the equations specifying the length of the operating lever, the length of the projection of the operating lever onto a plane at right angles to the lines of the grid must be substituted.
In FIGS. 5 and 6, sections through variants of the embodiments according to FIG. 2 and FIG. 3 are shown, in which the axis of the micrometer screw M with normal planes n to the grid lines enclose an angle #. The cutting planes, like the grid plane, are perpendicular to the drawing planes in FIGS. 2 and 3. In these cases, the displacement ho of the points B must be inserted into the equation for the distance AB.
This displacement ho, expressed by the displacement h of the micrometer screw in the direction of its axis, is equal to h0 = h #sec #, as shown in FIG 5 is apparent. This means that AB = 2 # d # h0 # cos # / 2 = -2 # d # h # sec # # cos # / 2
For the arrangement according to FIG. 3, FIG. 6 shows that # h0 = h # cos #, whereby AB = 2 # d # h # cos ## cos # / 2. It is assumed here that the surface of the crosspiece EF and the surface of the grid lie in planes perpendicular to the plane of the drawing in FIG.