Polarimeter
Die Erfindung betrifft ein Polarimeter mit einem Polarisator, einem Analysator und einem hinter dem Analysator angeordneten Strahlungsempfänger, bei welchem zwischen Polarisator und Analysator eine optisch aktive Probe eingebracht werden kann, bei welchem der Polarisator durch magnetische Mittel zu mechanischen Drehschwingungen um die Bündelachse erregt wird und bei welchem das Ausgangssignal des Skahlungsempfän gers phasenempfindliche Abgleichmittel beaufschlagt, die bei Drehung der Polarisationsebene ein Nachdrehen des Analysators bewirken.
Bei bekannten Polarimetern wird durch einen Polarisator, beispielsweise ein Nicol'sches Prisma, ein Lichtstrahlenbündel polarisiert und das polarisierte Strahlenbündel durch die Probe geleitet. Hinter der Probe ist ein Analysator vorgesehen, der beispielsweise ebenfalls von einem Nicol'schen Prisma gebildet werden kann. Wenn der Analysator verdreht wird, ändert sich die Intensität des durch den Analysator hindurchgehenden Lichtes.
Wenn man einmal annimmt, dass in dem Gerät keine Probe enthalten ist oder eine solche, die keine Drehung der Polarisationsebene bewirkt, dann hat man maximale Intensität, wenn die Polarisationsrichtung von Polarisator und Analysator zueinander parallel sind und minimale Intensität (praktisch Dunkelheit), wenn Polarisator und Analysator gekreuzt zueinander stehen. Wenn die Probe eine Drehung der Polarisationsebene bewirkt, dann tritt die Dunkelheit bei einer anderen Stellung des Analysators auf. Die Winkelabweichung dieser Stellung von der Stellung, in welcher ohne die Probe Dunkelheit auftrat, gibt die Drehung der Polarisationsebene, die durch die Probe hervorgerufen wird.
Es hat sich nun gezeigt, dass die Stellung minimaler Intensität verhältnismässig schwer mit der erforderlichen Genauigkeit gefunden werden kann. Das liegt an der Empfindlichkeitsschwelle des Auges und an depolarisierenden Vorgängen in der Versuchsanordnung. Es tritt ein verhältnismässig grosser Winkelbereich auf, in welchem die Helligkeit gleichmässig gering erscheint. Es sind deshalb sog. Halbschattenpolarimeter vorgesehen worden. Bei diesen wird bekanntlich aus dem Nicol'schen Prisma des Analysators beiderseits seiner Symmetrieebene ein schmaler Keil herausgeschnitten. Die beiden Hälften werden wieder verkittet. Ihre Polarisationsebenen sind um einen kleinen Winkel gegeneinander verdreht und ergeben zwei Gesichtsfelder, die durch Verdrehen des Analysators auf gleiche Helligkeit eingestellt werden.
Bei diesen Polarimetern wird die Drehung der Polarisationsebenen nicht durch den Winkel gemes- sen, um den sich die Ebene geringster Helligkeit (hinter dem Analysator) dreht, sondern durch den Winkel, um den die Symmetrieebene zwischen zwei Ebenen gleicher Helligkeit durch die Probe verdreht worden ist; und diese Messung ist wesentlich genauer.
Es sind auch Halbschattenpolarimeter mit automatischem Abgleich bekannt. Bei diesen wird durch eine Lochscheibe o. dgl. abwechselnd das eine oder das andere Gesichtsfeld abgedeckt. Hinter dem Analysator ist ein Strahlungsempfänger angeordnet, der bei unabgeglichenem Zustand periodisch abwechselnd mit unterschiedlichen Intensitäten beaufschlagt ist. Das so erhaltene Ausgangssignal des Strahlungsempfängers wird einem phasenempfindlichen Demodulator zugeführt, der synchron mit der Lochscheibe gesteuert wird. Der Ausgangsmesswert des Demodulators bewirkt über einen Stellmotor eine Verdrehung des Analysators so lange, bis die auf den Strahlungsempfänger fallenden Intensitäten einander gleich sind und das Wechselstromsignal am Strahlungsempfänger verschwindet.
Derartige Halbschattenpolarimeter haben gewisse Nachteile: Sie erfordern eine genaue optische Justierung, eine sehr homogene Probe, da diese von zwei getrennten Strahlenbündeln durchsetzt wird, und sie erlauben aus dem gleichen Grunde nicht die Anwendung von Küvetten mit kleinem Rohrdurchmesser.
Es sind weiterhin Polarimeter bekannt, bei denen anstelle des Halbschatten-Polarisators und einer Zerhackerscheibe oder Lochblende ein einfacher Polarisator (z. B. ein Nicol'sches Prisma oder ein Glan-Thompson Prisma) vorgesehen ist und bei welchen eine perio dische Schwingung der Polarisationsebene mittels eines Faraday-Wobblers erfolgt. Ein solcher nutzt bekanntlich den Faraday-Effekt aus, der darin besteht, dass in einer längsmagnetisierten Substanz (Glas) eine Drehung der Polarisationsebene erfolgt, die der Weglänge oder Dicke d der Substanz und meist der Feldstärke H proportional ist a = R.d.H, wobei R eine frequenzabhängige Materialkonstante, die sog. Verdetsche Konstante ist.
Wenn man die magnetische Feldstärke periodisch ändert, dann erhält man eine entsprechend periodische Verdrehung der Polarisationsebene um eine Ruhelage. Hinter dem Analysator ergibt sich dann eine entsprechende periodische Änderung der Helligkeit, welche ein Wechselstromsignal am Ausgang eines hinter dem Analysator angeordneten Strahlungsempfängers erzeugt. Die Phasenlage dieses Signals in bezug auf die das Magnetfeld erzeugende Wechselspannung hängt davon ab, wie der Analysator zu dem Polarisator eingestellt ist.
Wenn bei Abwesenheit einer Probe die Polarisationsebene des Analysators gegenüber der des Polarisators nach der einen Seite verdreht ist, dann hat das Ausgangssignal des Strahlungsempfängers sein Maximum bei starkem positivem Magnetfeld, wenn der Analysator nach der anderen Seite verdreht ist, dann tritt das Maximum des Ausgangssignals bei starkem negativem Magnetfeld, d. h. umgekehrter Feldrichtung auf. Wenn die Polarisationsebenen von Analysator und Polarisator übereinstimmen, dann erhält man das Maximum des Ausgangssignals beim Nulldurchgang des Magnetfeldes. Die Phasenlage des Ausgangssignals gegenüber der das Magnetfeld erzeugenden Wechselspannung (bzw. dem Strom) gibt also eine Information über die gegenseitige Lage der Polarisationsebenen von Polarisator und Analysator.
Man kann also in Abhängiglieit von dieser Ausgangsspannung den Analysator automatisch in die ab geglichene Lage nachdrehen. Bei eingebrachter Probe gilt das gleiche für die Lage der gedrehten Polarisationsebene zum Analysator.
Das kann ebenfalls mittels eines phasenempfindlichen Demodulators geschehen. Dieser muss mit einer solchen Spannung gesteuert werden, dass. sich bei Über- einstimmung der Polarisationsebenen der Ausgangswert Null ergibt. Im abgeglichenen Zustand muss also die Signalspannung 900 gegenüber der Steuerspannung des Demodulators phasenverschoben sein.
Auch diese Anordnungen haben gewisse Nachteile.
Die Schwingungsamplitude der Polarisationsebene ist von der Wellenlänge des polarisierten Lichtes abhängig. Da meist Gläser mit hoher Verdetscher Konstante verwendet werden, sind solche Faraday-Wobbler für ultraviolettes Licht undurchlässig, so dass der Messbereich des Polarimeters auf das sichtbare Spektrum begrenzt bleibt. Das Glas muss ausserdem spannungsfrei sein. Deshalb müssen mechanische und thermische Belastungen vermieden werden.
Es sind ferner Anordnungen bekannt, bei denen der Analysator oder der Polarisator mechanisch eine periodische Drehschwingbewegung ausführt. Man kann hier als Polarisator ein einfaches Nicolsches Prisma mit einem relativ scharfen Messstrahlenbündel verwenden.
Es wird nicht durch zusätzliche Mittel der Spektralbereich begrenzt. Die Polarisationsebene schwingt für alle Wellenlängen um den gleichen Winkel. Diese bekannte Anordnung kann sehr robust ausgebildet werden, so dass sie nicht so störanfällig hinsichtlich mechanischer und thermischer Beanspruchung ist, wie die letzterwähnten bekannten Polarimeter. Bei einer weiteren bekannten Anordnung dieser Art ist der Polarisator bzw. der Analysator in einem Rahmen angeordnet, der nach vier Richtungen durch radiale, federnde Arme gehalten wird. An dem Rahmen sind tangentiale wechselstromgespeiste Magnetspulen vorgesehen, die mit feststehenden Magnetankern zusammenarbeiten und den Rahmen zu Schwingungen mit der Frequenz des Wechselstromes erregen.
Eine solche Anordnung ist bekanntlich, vom konstruktiven Standpunkt aus gesehen, unbefriedigend. Die Schwingungsamplitude des Polarisators bzw. Analysators kann hierbei nur klein sein, einmal, weil die Schwingung nur durch die elastische Verformung der vier radialen Arme ermöglicht wird, und ein so vorgespanntes, mechanisches System naturgemäss relativ steif ist, zum anderen, weil die magnetischen Kräfte zwischen den Magnetspulen mit ihren Kernen und den stationären Ankern nur auf sehr geringe Abstände hin wirksam sind. Die Erregerkraft ändert sich sehr stark mit dem Abstand zwischen Spulenkern und Anker, so dass auch bei sinusförmigen Spulenströmen eine nichtharmonische Erregerkraft und eine nichtharmonische Schwingung des Polarisators entsteht. Das bietet zusätzliche Schwierigkeiten bei der Verarbeitung des Empfängersignals.
Es ist ferner relativ schwierig, die bekannte Anordnung genau zu justieren. Die Magnetanker und Magnetspulen müssen so ausgerichtet sein, dass die Erregerkraft genau tangential wirkt, und die federnde Lagerung des Rahmens muss nach allen Seiten gleichmässig erfolgen. An derenf alls führt der Polarisator bzw. Analysator keine reine Drehschwingbewegung sondern eine undefinierte Pendelbewegung aus, was ebenfalls zu Störungen und Messfehlern führen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte mechanische Konstruktion vorzusehen, bei welcher ebenfalls ein Polarisator oder Analysator durch Magnetkräfte mechanisch in Schwingung versetzt wird, bei welcher aber die geschilderten Nachteile der bekannten Anordnung vermieden werden.
Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dass der Polarisator mit einem Magnetanker verbunden ist, der im Luftspalt eines mit einer Wechselspannung erregten Elektromagneten drehbar gelagert ist.
Man erhält dann eine wohldefinierte Drehschwingbewegung, ähnlich wie bei dem Messwerk eines Drehspulinstrumentes. Der Polarisator kann eine Drehschwingbewegung um relativ grosse Winkel ausführen, ohne daran durch die Mechanik in unerwünschter Weise gehindert zu sein, und die einem bestimmten Strom entsprechende Magnetkraft ändert sich bei der Schwingbewegung nur unwesentlich, so dass keine Verzerrung des Erregersignals erfolgt.
Man kann den Magnetanker mittels einer radialen Blattfeder an eine Ruhelage fesseln und seine Schwingbewegung begrenzen, aber diese Blattfeder dient nicht, wie bei der bekannten Anordnung zur Zentrierung und Halterung des Polarisators, und es braucht daher nur eine einzige solche Blattfeder vorgesehen zu werden, die entsprechend weich bemessen werden kann.
Zweckmässig ist es, wenn der Magnetanker von einem zylindrisch ausgebildeten, diametral magnetisierten Permanentmagneten gebildet wird, der von konkavzylindrischen Polflächen des Elektromagneten umschlossen wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Abbildungen dargestellt und im folgenden beschrieben:
Fig. 1 zeigt ein Polarimeter in Oberansicht mit abgenommener Haube.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie A-B von Fig. 1 und
Fig. 3 zeigt einen Schnitt längs der Linie C-D von Fig. 1.
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht der Schwingpolarisatoreinheit und
Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch den Schwingpolarisator selbst.
Fig. 6 ist eine schematische Darstellung des Polarisators und
Fig. 7 und 8 veranschaulichen die Wirkungsweise der Anordnung von Fig. 6.
Es soll zunächst anhand der schematischen Fig. 6 die Wirkungsweise des Polarimeters erläutert werden:
Mit S ist eine Lichtquelle bezeichnet, von welcher ein Strahlenbündel durch einen Schwingpolarisator P geleitet wird, der magnetisch in noch zu beschreibender Weise von einem 50-Hertz-Netz in Drehschwingungen versetzt wird. Hinter dem Schwingpolarisator P erhält man also polarisiertes Licht, dessen Polarisationsebene periodisch um die Bündelachse schwingt. Dieses Bündel durchsetzt dann eine Probe PR, einen Analysator A und fällt auf einen Strahlungsempfänger E, der in der schematischen Darstellung als Photozelle gezeigt ist.
Der Empfänger E liefert ein Signal, dessen Phasenlage bei feststehendem Analysator A von der Drehung abhängt, welcher die Polarisationsebene des Lichtes in der Probe PR unterworfen war. Es sei einmal angenommen, dass der Polarisator P symmetrisch zur Papierebene von Fig. 6 schwingt. Die Polarisationsrichtung des Analysators A liege ebenfalls in der Papierebene von Fig. 6 und die Drehung der Polarisationsebene durch die Probe PR sei Null. Dann erhält man die Verhältnisse, die in Fig. 7 dargestellt sind. Fig. 7a veranschaulicht die Schwingungen, des Polarisators P um die in der Papierebene von Fig. 6 liegende Mittelstellung 10.
Von dieser Mittelstellung 10 aus schwingt der Polarisator mit seiner Polarisationsebene periodisch und harmonisch nach links (-a) bis in die gestrichelt dargestellte Endlage 12 und dann zurück durch die Mittellage 10 hindurch (+a) bis in die andere zu 12 symmetrische Endlage 14. Wenn die Drehung der Polarisationsebene in der Probe PR Null ist, dann folgt die Polarisationsebene vor dem Analysator A genau den Bewegungen des Polarisators P, d. h., die Polarisationsebene des auf den Analysator A fallenden Strahlenbündels schwingt um die Bündelachse symmetrisch zur Polarisationsebene 16 des Analysators A in eine Endstellung 18 (Fig. 7b) und zurück in die andere Endstellung 20.
In Fig. 7c ist der Winkel zwischen den Polarisationsebenen des Analysators A und des auf diesen auftreffenden Strahlenbündels für optische Drehung Null als Funktion der Zeit aufgetragen, wobei als Nullpunkt der Zeitachse der Zeitpunkt gewählt ist, an welchem der Polarisator P durch seine Mittelstellung hindurchgeht. In Fig. 7d ist weiterhin das Ausgangssignal des Empfängers E dargestellt, welches sich bei der gezeigten Schwingung der Polarisationsebene des auf den Analysator A fallenden Bündels ergibt. Die durch den Analysator A durchtretende Intensität hat Maxima beim Nulldurchgang der Schwingung der Polarisationsebene und somit hier beim Nulldurchgang der Polarisatorschwingungen, weil dann die Polarisationsebenen von Strahlenbündel und Analysator übereinstimmen.
Die Intensität hat Minima bei maximaler Auslenkung der Polarisationsebene und im vorliegenden Fall des Folari- sators P.
Fig. 8 zeigt die Verhältnisse für den Fall, dass die Probe PR die Polarisationsebene des durch den Polarisator P polarisierten Lichtes um einen Winkel r dreht.
Der Polarisator P schwingt also (Fig. 8a) in genau der gleichen Weise wie in Fig. 7a, jedoch schwingt die Pola- risationsebene des Strahlenbündels hinter der Probe PR und vor dem Analysator A in der in Fig. 8b dargestellten Weise, um eine gegen die Polarisationsebene des Analysators A geneigte Mittellage 22 zwischen den Endlagen 18' und 20'. Fig. 8c veranschaulicht mit Kurve 24 den zeitlichen Verlauf dieser Schwingungen analog der Darstellung von Fig. 7c und Fig. 8d (analog Fig. 7d) und zeigt in Kurve 26 den zugehörigen zeitlichen Verlauf des Empfängersignals.
Kurve 28 in Fig. 8c zeigt die Schwingung der Polarisationsebene bei einem kleineren optischen Drehwinkel der Probe PR, und Kurve 30 zeigt die Schwingung der Polarisationsebene bei entgegengesetzter Drehung (+ y) der Polarisationsebene durch die Probe PR. Die Kurven 32 und 34 in Fig. 8d zeigen die zugehörigen Empfängersignale.
Aus den Kurven in Fig. 7 und 8d erkennt man, dass das Empfängersignal eine Komponente mit der Schwingungsfrequenz des Polarisators P erhält, welche um so grösser und ausgeprägter wird, je grösser die Drehung y der Polarisationsebene in der Probe PR ist, je stärker also die Mittellage 22 der Polarisationsebene des auf den Analysator A fallenden Bündels von der Polarisationsebene 16 des Analysators A abweicht. Aus Fig. 7d ist ersichtlich, dass bei symmetrischer Schwingung (optischer Drehung Null) die Komponente mit der Grundfrequenz (50 Hertz) im Empfängersignal verschwindet. Bei einer geringen optischen Drehung (Kurve 28) rücken zwei Maxima etwas zusammen, während der Abstand zu den benachbarten Paaren von Maxima sich vergrössert.
Man erkennt, dass hier schon eine gewisse Fourier Komponente von der Grundfrequenz vorhanden ist, wenn auch der Grundcharakter der Kurve 32 weitgehend noch dem der Kurve in Fig. 7d entspricht. Bei einer stärkeren optischen Drehung (Kurve 24 in Fig. 8c) überwiegt dagegen im Empfängersignal (Kurve 26 in Fig. 8d) bereits die Komponente mit der Grundfrequenz.
Wenn die Drehung der Polarisationsebene in der Probe PR nach der entgegengesetzten Richtung erfolgt, also im Uhrzeigersinn in Fig. 8b, so erfolgt im Empfängersignal ebenfalls ein Zusammenrücken zweier Maxima und eine Vergrösserung des Abstandes von dem benachbarten Paar von Maxima. Diese Verhältnisse sind durch die Kurven 30 und 34 in Fig. 8c und d dargestellt. Man sieht daraus, dass auch in diesem Falle die Komponente mit der Schwingungsfrequenz des Polarisators um so stärker in Erscheinung tritt, je grösser die Drehung der Polarisationsebene in der Probe ist. Bei einer solchen Drehung der Polarisationsebene im Uhrzeigersinn hat diese Komponente mit der Grundfrequenz jedoch gegenüber Kurve 26 eine Phasenverschiebung von 1800.
Bei der Kurve 34 liegen die Maxima im linken Teil der Periode von Fig. 8d, bei der Kurve 26 dagegen im rechten.
Man erkennt daraus, dass das Empfängersignal bei einer Drehung der Polarisationsebene eine Fourier
Komponente von der Frequenz der Polarisatorschwin gungen erhält, und zwar hat diese Komponente a) eine um so grössere Amplitude, je grösser die
Drehung der Polarisationsebene in der Probe ist; b) eine von zwei um 1800 verschiedenen Phasenlagen, je nachdem, ob die Probe rechts- oder linksdrehend ist.
Diese Eigenschaften können ausgenutzt werden, um durch Nachdrehen des Analysators A einen automatischen Abgleich zu erzielen. Zu diesem Zweck wird das Empfängersignal über einen Verstärker V als Steuerspannung einem Ferrarismotor M zugeführt, an dessen Erregerwicklung die Netzspannung liegt, die auch den Schwingpolarisator P zu Schwingungen erregt. Je nach der Grundkomponente der Empfängersignale relativ zu den Polarisatorschwingungen und damit zur Netzspannung, dreht der Ferrarismotor M rechts- oder links herum. Er dreht um so schneller, je grösser die Verdrehung y der Mittellage 22 (Fig. 8b) der Schwingungen gegen über der Polarisationsebene 16 des Analysators ist. Der Ferrarismotor M verdreht über ein geeignetes Getriebe den Analysator A so lange, bis ein Abgleich erfolgt und die Steuerspannung des Ferrarismotors zu Null geworden ist.
Dann hat die Polarisationsebene 16 des Analysators relativ zu den Schwingungen der Polarisationsebene des auf den Analysator fallenden Lichtes wieder die in Fig. 7b dargestellte Lage erreicht, bei welcher die Endlagen 18, 20 der Schwingungen symmetrisch zur Polarisationsebene 16 des Analysators A liegen und das Ausgangssignal des Empfängers E keine Komponente von der 50-Hertz-Grundfrequenz mehr enthält (Fig. 7d).
Der Analysator A ist dann der durch die Probe PR um den Winkel y verdrehten Polarisationsebene nachgedreht worden. Mit dem Analysator wird ein Zählwerk Z angetrieben, an welchem der Drehwinkel mit grosser Genauigkeit digital abgelesen werden kann. Bei dieser Anordnung dient der Ferrarismotor gleichzeitig als phasenempfindlicher Demodulator und als Stellmotor.
Er ergibt sich hierdurch eine höchst einfache und be triebssichere Anordnung.
Die konstruktive Ausführung eines beschriebenen Polarimeters ist in Fig. 1 bis 5 dargestellt. In Fig. 1 ist mit 36 ein Grundkörper bezeichnet, auf welchem die wesentlichen Teile des Polarimeters angeordnet sind. An der vorderen schrägen Seitenfläche 38 des Grundkörpers 36 ist eine Platte 40 mit den verschiedenen Schaltund Regelknöpfen für den Betrieb des Gerätes vorgesehen. Das Bezugszeichen 42 bezeichnet einen Rändelknopf zur Regelung des Verstärkers 44, der an dem in Fig. 1 linken Ende des Grundkörpers 36 auf einem Chassis 46 angeordnet ist, welches sich senkrecht zur oberen Fläche des Grundkörpers 36 quer über diesen erstreckt. Durch einen Schalter 48 ist der Verstärker und das übrige Messteil des Gerätes eine und ausschaltbar. Der Einschaltzustand wird an einer Kontroll-Lampe 50 angezeigt.
Die Lichtquelle, die von einer in den Abbildungen nicht sichtbaren Quecksilberdampflampe gebildet wird, ist mittels eines Schalters 52 getrennt ein- schaltbar. Mittels eines Druckknopfschalters 54 kann die Lichtquelle -nach Einschalten des Schalters 52 gezündet werden. Mit 56 ist ein Rändelknopf bezeichnet, durch den über mechanische Übertragungsglieder ein Filterrad 58 verdrehbar ist, das wahlweise eines von mehreren Filtern unterschiedlicher spektraler Durchlässigkeit in den Strahlengang einbringt.
An der rückwärtigen schrägen Seitenfläche 60 des Grundkörpers 36 sind auf einer Platte 62 ein Netzanschlusssteckersockel 64 und zwei Sicherungen 66 angebracht. Von dem Netzanschlusssteckersockel 64 laufen Kabel 68, die durch Schellen 70 am Grundkörper 36 befestigt sind, zu den verschiedenen Verbrauchern, nämlich u. a. dem Verstärker 44, einem Ferrarismotor M (vgl. auch Fig. 6) und einem Verteiler 72. Über einen Stecker 74 und ein Kabel 76 ist die Strahlungsquelle S (Fig. 6) an Spannung gelegt, die in einem gesonderten Lampengehäuse 78 angeordnet ist. Das Lampengehäuse 78 ist durch Schrauben 80 an das in Fig. 1 rechte Ende des Grundkörpers 36 angeschraubt. Es ist oben mit lichtabschirmenden Lüftungsöffnungen 82 versehen.
Das Gerät ist mittels einer Haube 84 (Fig. 2 und 3) abgedeckt, welche jedoch im Mittelteil die noch zu schildernde Probenhalterung und das Zählwerk Z (Fig. 1 und 6) frei zugänglich lässt.
Das von der Lichtquelle S ausgehende Bündel fällt durch eine Öffnung des Lampengehäuses 78 auf eine Linse 84, die in einem Halter 86 gehalten wird, der auf den Grundkörper 36 aufgeschraubt ist. Ein Filterrad 58 mit einer Mehrzahl von Filtern 87 mit unterschiedlichen spektralen Durchlassbereichen ist mittels eines Zapfens 88 an einem Lagerteil 90 drehbar gelagert, das ebenfalls auf den Grundkörper 36 aufgeschraubt ist. Das Filterrad 56 weist zwei nebeneinanderliegende Umfangsnuten 92 und 94 auf, in denen zwei Zugseile 96 bzw. 98 gegensinnig zueinander aufgewickelt und mit ihrem einen Ende mittels Schrauben 100 bzw. 102 befestigt sind.
Das Filterrad 58 ragt durch einen Durchbruch 104 des Grundkörpers 36 hindurch nach unten, wie aus Fig. 2 besonders deutlich erkennbar ist. Unter dem Grundkörper 36 ist ein Winkelstück 106 (Fig. 2) mittels Schrauben 108 befestigt. Am unteren freien Ende des Winkelstückes ist ein Lagerkörper 110 befestigt. In dem Lagerkörper 110 sind zwei gleichachsige (in Fig. 2 hintereinanderliegende) Umlenkrollen 112 mit waagerechter Achse und zwei Umlenkrollen 114, 116 gelagert, die gleichachsig etwa im Abstand des Durchmessers der Rollen 112 mit etwa vertikalen Achsen angeordnet sind.
Die Seile 96 und 98, die um den Filterrotor herumgelegt sind, sind über je eine der Rollen 112 und um die Rollen
116 bzw. 114 geführt, so dass sie dann parallel zur Vorderfläche 38 des Grundkörpers 36 zu dem Rändelknopf 56 laufen. Auf der Achse des Rändelknopfes 56 sitzt eine Trommel 118, an welcher die Enden der Seile 96,
98 befestigt und auf welche die Seile zueinander gegensinnig aufgewickelt sind. Mit 120 und 122 sind Spannrollen bezeichnet, die einen straffen Seilzug gewährleisten. Durch Drehen des Rändelknopfes 56 kann das Fil- terrad 58 nach beiden Richtungen verdreht werden. In der einen Richtung wickelt sich das Seil 96 vom Filterrad 58 ab und auf die Trommel 118 auf, während das Seil 98 von der Trommel 118 ab und auf das Filterrad 58 aufgewickelt wird.
Beim Drehen des Knopfes 56 in der entgegengesetzten Richtung ist es umgekehrt: Das Seil 98 wird vom Filterrad 58 ab- und auf die Trommel
118 aufgewickelt, während das Seil 96 von der Trommel ab und auf das Filterrad 58 aufgewickelt wird. Auf diese Weise ergibt sich mit einfachen mechanischen Mitteln eine vollständig zwangsschlüssige Verstellbar keit des Filterrades nach beiden Richtungen. Die An ordnung ist billig, robust im Aufbau und in hohem
Grade betriebssicher.
Links von dem Filterrad 58 ist in Fig. 1 die
Schwingpolarisatoreinheit angeordnet, die in Fig. 2 in Vorderansicht erkennbar ist, während Fig. 4 eine Seiten ansicht zeigt und in Fig. 5 gesondert die schwingenden
Teile mit dem Polarisationsprisma im Schnitt gezeigt sind.
Die Schwingpolarisatoreinheit 120 weist einen Rah men 122 von rechteckiger Grundform auf, der mit einem Fuss 124 mittels Schrauben 126 auf den Grundkörper 36 aufgeschraubt ist. An dem Rahmen 122 sind drei Paare von Rollen 128, 129; 130, 131 und 132, 133 jeweils gleichachsig zueinander gelagert. Die Rollen 128, 130, 132 und dementsprechend die Rollen 129, 131 und 133 sind etwa in den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks mit horizontaler Grundlinie angeordnet. Zwischen den drei Rollenpaaren 128-133 ist der Schwinger 134 drehbar gelagert. Die Rollen 130, 131 und 132, 133 sind starr in Lageraugen des Rahmens 122 gelagert. Die Rollen 128 und 129 sind dagegen an Lagerteilen 136, 138 gelagert, die durch eine an beiden Enden mittels Schrauben 140 mit dem Rahmen verbundene Blattfeder 142 federnd nach unten gedrückt werden.
Auf diese Weise ist der Schwinger 134 eindeutig und spielfrei gelagert. Durch die Halterung an zweimal drei Punkten kann keine mechanische Über- und keine Unterbestimmung erfolgen. Die oberen Rollen 128, 129 drücken den Schwinger nach unten gegen die Rollen 130-133, so dass jedes Spiel vermieden wird.
An dem Rahmen 122 ist mittels Schraubenbolzen 144 ein Blechpaket 146 von U-förmiger Grundform befestigt, welches das Joch eines Elektromagneten bildet, welches in der Mitte von einer Wicklung 148 umschlossen ist und einen noch zu beschreibenden Magnetanker des Schwingers 134 mit konkaven Polflächen und relativ engem Luftspalt umschliesst. Die Wicklung liegt an einem üblichen 50-Hertz-Netz an.
Der Schwinger 134 ist am besten in Fig. 5 erkennbar. Es weist ein Gehäuse 150 von zylindrischer Grundform auf, das zwei Laufflächen 152 und 154 für die Rollen 128, 130, 132 bzw. 129, 131, 133 besitzt. In das Gehäuse 150 ist eine Hülse 156 eingesetzt, welche mit ihrer Stirnfläche an einer Schulter 158 des Gehäuses 150 zur Anlage kommt.
In der Hülse 156 sitzt unter Zwischenlage eines stoss- und spannungsdämpfenden Körpers 160 das Schwingprisma P. Eine Blende 162 liegt an der linken Stirnfläche der Hülse 156 an, und ein in das Gehäuse 150 eingeschraubter Schraubring 164 sichert die Blende 162 und die Hülse 156 mit dem Prisma P in dem Gehäuse 150.
Am rechten Ende in Fig. 5 weist das Gehäuse 150 einen Kragen 166 auf. Auf den Kragen 166 ist ein ringförmiger zweipoliger Permanentmagnet 168 aufgeschoben und durch eine auf den Kragen 166 aufgeschraubte Scheibe 170 gesichert. Die Zwischenräume zwischen Gehäuse 150, Kragen 160, Scheibe 170 und Magneten 168 sind mit einer geeigneten Vergussmasse ausgefüllt.
Der Schwinger 134 weist unten einen Ansatz 172 auf, der eine Blattfeder 174 zwischen zwei Schneiden 176 hält. Hinter den Schneiden erweitert sich der die Blattfeder 174 aufnehmende Schlitz zu einer kreisrunden axialen Bohrung 178 (Fig. 2 und 5), so dass sich das eingespannte Ende der Blattfeder 174 in der Papierebene frei gegenüber dem Schwinger 134 verkanten kann. Die Blattfeder 174 ist einmal an einem Querstück 180 gelagert, das am Rahmen 122 befestigt ist. Zu diesem Zweck sitzt auf der Blattfeder 174 ein geschlitzter Haltekörper 182, der seinerseits in einem Schlitz des Querstückes 180 mittels einer Schraube 184 und Unterlegscheibe 186 festklemmbar ist.
Das Querstück 180 weist zwei weitere schräg verlaufende Schlitze 188, 190 auf, durch welche Klemmschrauben 192, 194 hindurchgeführt sind, die in den Rahmen 122 hineingeschraubt werden und das Querstück 180 mit in gewissen Grenzen einstellbarer Winkellage an den Rahmen 122 anzuschrauben gestatten. Zur Feineinstellung der Blattfeder 174 kann das untere freie Ende der Blattfeder 174 in einer Ringnut 196 eines Stellkörpers 198 geführt sein, der sich quer über den unteren Teil des Rahmens 122 erstreckt und durch eine Gewindeführung 200 sehr feinfühlig verstellt werden kann.
Bei dieser Anordnung ist der Schwinger 134 durch die Blattfeder 174 an eine Ruhelage gefesselt. Die Ruhelage kann durch Lösen der Klemmschraube 192, 194 und Einstellung des Querstückes 180 justiert werden. Eine Feinjustage kann durch Verstellung des Stellkörpers 198 erfolgen, der auf das untere Ende der Blattfeder drückt. Durch Verschieben des Haltekörpers 182 längs der Blattfeder 174 und Festklemmen des Haltekörpers mittels der Schraube 184 an dem Querstück 180 kann die wirksame Länge der Blattfeder 174 und damit deren Federkonstante verändert werden. Man kann die Federkonstante dann so abstimmen, dass die Eigenfrequenz des aus Schwinger 134 und Feder 174 bestehen den Systems mit der Erregerfrequenz übereinstimmt, so dass das System in Resonanz schwingt.
Diese Erregung des Systems erfolgt mittels des Permanentmagneten 1 beschreibender Weise angetrieben wird und natürlich einen zentralen Durchbruch für den Durchtritt des Strahlenbündels aufweist. Über das Schneckenrad 134 ist der Analysator A verdrehbar.
Das aus dem Analysator A austretende Strahlenbündel fällt auf einen als Sekundärelektronenvervielfacher ausgebildeten Strahlungsempfänger E, dem über ein Kabel 236 die Speisespannung zugeführt wird, die in einem Hochspannungsnetzteil 238 bekannter Art erzeugt wird, das in einem gesonderten Gehäuse 240 innerhalb des Grundkörpers 36 angeordnet ist. Das Ausgangssignal des Empfängers E wird über den Verstärker 44 als Steuerspannung dem Ferrarismotor M (Fig. 1, 3 und 6) zugeführt, der an eine Rippe 242 eines Getriebegehäuses 244 angeflanscht ist. Das Gehäuse 244 ist mit einem Fuss 246 ebenfalls auf den Grundkörper 36 aufgeschraubt. Auf der Welle 248 des Motors M sitzt ein Rad 250 mit einer Gummi- oder Kunststoffwulst, welches an einem Reibrad 252 anliegt. Das Reibrad 252 ist mit einer Welle 254 im Gehäuse 244 gelagert. Am anderen Ende der Welle 254 sitzt ein Zahnrad 256.
Das Zahnrad 256 steht mit einem zweiten, darunterliegenden Zahnrad 258 in Eingriff, das in einem auf den Grundkörper 36 aufgeschraubten Schneckengehäuse 260 gelagert ist. Auf der durchgehenden Welle 262 des Zahnrades 258 sitzt eine erste Schnecke, die in den Abbildungen nicht sichtbar ist. Diese erste Schnecke steht mit einem in Fig. 3 erkennbaren Schneckenrad 264 in Eingriff, auf dessen vertikal im Gehäuse 260 liegender Welle eine zweite Schnecke 266 sitzt. Die Schnecke 266 steht in Eingriff mit dem Schneckenrad 234 zur Verdrehung des Analysators A.
Der Ferrarismotor M verdreht also den Analysator A über das beschriebene Getriebe mit starker Untersetzung, solange er eine Steuerspannung mit Netzfrequenz erhält. Geschwindigkeit und Richtung der Motordrehung hängen von Grösse und Phasenlage der Steuerspannung ab.
Auf der Welle 254 sitzt ein Kettenrad 268, das mittels einer Kette 270 ein auf der Welle des Zählwerkes Z sitzendes Kettenrad 272 antreibt.
Auf diese Weise wird der Analysator A sehr feinfühlig der Drehung der Polarisationsebene nachgedreht, während die Grösse der Nachdrehung am Zählwerk Z mit grosser Genauigkeit angezeigt wird.
Das Bezugszeichen 274 bezeichnet einen Spannungsstabilisator bekannter Bauart.
Durch die geschilderte Konstruktion wird ein Polarimeter geschaffen, welches grosse Einfachheit und Robustheit mit hoher Anzeigegenauigkeit verbindet.
Wesentlich für dieses vorteilhafte Ergebnis sind vor allem: a) die Lagerung des Polarisators und Analysators in den Rollen 128-133, b) der Antrieb des Schwingpoiarisators mittels eines etwa nach Art eines Motors oder eines Drehspulmess- wertes ausgebildeten Magnetsystems, c) der Antrieb des Analysators mittels eines Ferrarismotors, dem die gradlinig verstärkte und nur gegebenenfalls gesiebte Empfängerspannung als Steuerspannung zugeführt wird, wodurch der Ferrarismotor in einem als phasenempfindlicher Demodulator und als Stellmotor wirkt und eine komplizierte Elektronik vermieden wird, d) die Verwendung eines Zählwerkes zur digitalen Anzeige der Analysatordrehung, das zusammen mit dem stark untersetzenden Getriebe für die Nachdrehung des Analysators über einen Reibtrieb angetrieben wird und e)
die beschriebene Ausbildung eines Filterrades zur
Untersuchung der verschiedenen Spektralbereiche, das von einem an der Frontplatte des Gerätes angeordneten
Stellknopf über einen neuartigen Seilzug rein mechanisch angetrieben werden kann.
Polarimeter
The invention relates to a polarimeter with a polarizer, an analyzer and a radiation receiver arranged behind the analyzer, in which an optically active sample can be introduced between the polarizer and the analyzer, in which the polarizer is excited by magnetic means to mechanical torsional vibrations around the beam axis and at which the output signal of the Skahlungsempfän gers applied to phase-sensitive adjustment means that cause the analyzer to rotate when the plane of polarization is rotated.
In known polarimeters, a light beam is polarized by a polarizer, for example a Nicol prism, and the polarized beam is passed through the sample. An analyzer is provided behind the sample, which can also be formed, for example, by a Nicol prism. When the analyzer is rotated, the intensity of the light passing through the analyzer changes.
If one assumes that the device does not contain a sample or one that does not cause a rotation of the polarization plane, then one has maximum intensity when the polarization direction of the polarizer and analyzer are parallel to each other and minimum intensity (practically darkness) when polarizer and analyzer are crossed to each other. If the sample causes a rotation of the plane of polarization, then the darkness occurs with a different position of the analyzer. The angular deviation of this position from the position in which darkness occurred without the sample gives the rotation of the plane of polarization which is caused by the sample.
It has now been shown that the position of minimum intensity is relatively difficult to find with the required accuracy. This is due to the sensitivity threshold of the eye and to depolarizing processes in the experimental set-up. A relatively large angular range occurs in which the brightness appears uniformly low. So-called penumbral polarimeters have therefore been provided. In these, as is known, a narrow wedge is cut out of the Nicol prism of the analyzer on both sides of its plane of symmetry. The two halves are cemented again. Their planes of polarization are twisted against each other by a small angle and result in two fields of view, which are set to the same brightness by rotating the analyzer.
With these polarimeters, the rotation of the polarization planes is not measured by the angle by which the plane of lowest brightness (behind the analyzer) rotates, but by the angle by which the plane of symmetry between two planes of equal brightness has been rotated by the sample ; and this measurement is much more accurate.
Penumbral polarimeters with automatic adjustment are also known. In these, one or the other field of view is alternately covered by a perforated disk or the like. A radiation receiver is arranged behind the analyzer, to which different intensities are applied periodically in alternation when the state is unbalanced. The output signal of the radiation receiver obtained in this way is fed to a phase-sensitive demodulator which is controlled synchronously with the perforated disk. The output measured value of the demodulator causes a rotation of the analyzer via a servomotor until the intensities falling on the radiation receiver are equal to one another and the alternating current signal at the radiation receiver disappears.
Penumbral polarimeters of this type have certain disadvantages: they require precise optical adjustment, a very homogeneous sample, since two separate bundles of rays pass through it, and for the same reason they do not allow the use of cuvettes with a small tube diameter.
There are also polarimeters known in which instead of the penumbra polarizer and a chopper disk or aperture plate, a simple polarizer (z. B. a Nicol'sches prism or a Glan-Thompson prism) is provided and in which a periodic oscillation of the polarization plane by means of a Faraday wobbler. As is well known, such a device uses the Faraday effect, which consists of a rotation of the polarization plane in a longitudinally magnetized substance (glass), which is proportional to the path length or thickness d of the substance and mostly to the field strength H a = RdH, where R is a frequency-dependent material constant, which is the so-called Verdet constant.
If you change the magnetic field strength periodically, you get a corresponding periodic rotation of the polarization plane around a rest position. Behind the analyzer there is then a corresponding periodic change in brightness, which generates an alternating current signal at the output of a radiation receiver arranged behind the analyzer. The phase position of this signal in relation to the alternating voltage generating the magnetic field depends on how the analyzer is set to the polarizer.
If, in the absence of a sample, the polarization plane of the analyzer is rotated to one side with respect to that of the polarizer, then the output signal of the radiation receiver has its maximum in the case of a strong positive magnetic field; if the analyzer is rotated to the other side, the maximum of the output signal occurs strong negative magnetic field, d. H. reverse field direction. If the polarization planes of the analyzer and polarizer match, the maximum output signal is obtained when the magnetic field crosses zero. The phase position of the output signal in relation to the alternating voltage (or current) generating the magnetic field therefore provides information about the mutual position of the polarization planes of the polarizer and analyzer.
Depending on this output voltage, you can automatically turn the analyzer into the same position. If the sample is introduced, the same applies to the position of the rotated polarization plane in relation to the analyzer.
This can also be done using a phase-sensitive demodulator. This must be controlled with such a voltage that. If the polarization planes match, the output value is zero. In the balanced state, the signal voltage 900 must therefore be phase-shifted with respect to the control voltage of the demodulator.
These arrangements also have certain disadvantages.
The oscillation amplitude of the polarization plane depends on the wavelength of the polarized light. Since glasses with a high Verdetscher constant are mostly used, such Faraday wobblers are impermeable to ultraviolet light, so that the measuring range of the polarimeter is limited to the visible spectrum. The glass must also be free of tension. Therefore mechanical and thermal loads must be avoided.
Arrangements are also known in which the analyzer or the polarizer mechanically carries out a periodic rotary oscillating movement. A simple Nicol prism with a relatively sharp measuring beam can be used here as a polarizer.
The spectral range is not limited by additional means. The plane of polarization oscillates at the same angle for all wavelengths. This known arrangement can be made very robust, so that it is not as susceptible to mechanical and thermal stress as the last-mentioned known polarimeter. In a further known arrangement of this type, the polarizer or the analyzer is arranged in a frame which is held in four directions by radial, resilient arms. Tangential AC-fed magnetic coils are provided on the frame, which work together with stationary magnet armatures and excite the frame to vibrate at the frequency of the alternating current.
Such an arrangement is known to be unsatisfactory from a structural point of view. The oscillation amplitude of the polarizer or analyzer can only be small, on the one hand because the oscillation is only made possible by the elastic deformation of the four radial arms, and such a pretensioned, mechanical system is naturally relatively stiff, and on the other hand because the magnetic forces between the magnetic coils with their cores and the stationary armatures are only effective at very short distances. The excitation force changes very strongly with the distance between the coil core and armature, so that even with sinusoidal coil currents, a non-harmonic excitation force and a non-harmonic oscillation of the polarizer arise. This presents additional difficulties in processing the receiver signal.
It is also relatively difficult to adjust the known arrangement precisely. The magnet armatures and magnet coils must be aligned so that the excitation force acts exactly tangentially, and the resilient mounting of the frame must be uniform on all sides. Otherwise, the polarizer or analyzer does not perform a pure rotary oscillation movement but an undefined pendulum movement, which can also lead to interference and measurement errors.
The invention is based on the object of providing an improved mechanical construction in which a polarizer or analyzer is also mechanically caused to vibrate by magnetic forces, but in which the described disadvantages of the known arrangement are avoided.
According to the invention, this is achieved in that the polarizer is connected to a magnet armature which is rotatably mounted in the air gap of an electromagnet excited with an alternating voltage.
A well-defined torsional oscillation movement is then obtained, similar to the measuring mechanism of a moving-coil instrument. The polarizer can perform a rotary oscillating movement through relatively large angles without being hindered by the mechanics in an undesirable manner, and the magnetic force corresponding to a certain current changes only insignificantly during the oscillating movement, so that the excitation signal is not distorted.
You can tie the armature to a rest position by means of a radial leaf spring and limit its oscillating movement, but this leaf spring is not used, as in the known arrangement for centering and holding the polarizer, and therefore only one such leaf spring needs to be provided, which accordingly can be dimensioned softly.
It is expedient if the magnet armature is formed by a cylindrically designed, diametrically magnetized permanent magnet, which is enclosed by concave-cylindrical pole faces of the electromagnet.
An embodiment of the invention is shown in the figures and described below:
Fig. 1 shows a polarimeter in a top view with the hood removed.
Fig. 2 shows a section along the line A-B of Figs
FIG. 3 shows a section along the line C-D of FIG. 1.
4 shows a side view of the oscillating polarizer unit and
Fig. 5 shows a longitudinal section through the oscillating polarizer itself.
Fig. 6 is a schematic representation of the polarizer and
FIGS. 7 and 8 illustrate the operation of the arrangement of FIG. 6.
The mode of operation of the polarimeter will first be explained with reference to the schematic Fig. 6:
S denotes a light source from which a beam of rays is passed through an oscillating polarizer P, which is magnetically vibrated by a 50 Hertz network in a manner to be described below. So polarized light is obtained behind the oscillating polarizer P, the plane of polarization of which oscillates periodically around the beam axis. This bundle then passes through a sample PR, an analyzer A and falls on a radiation receiver E, which is shown in the schematic representation as a photocell.
The receiver E delivers a signal, the phase position of which depends on the rotation to which the polarization plane of the light in the sample PR was subjected when the analyzer A is stationary. Let it be assumed that the polarizer P oscillates symmetrically to the plane of the paper of FIG. The direction of polarization of the analyzer A also lies in the plane of the paper of FIG. 6 and the rotation of the plane of polarization through the sample PR is zero. The relationships shown in FIG. 7 are then obtained. FIG. 7 a illustrates the oscillations of the polarizer P around the central position 10 lying in the plane of the paper of FIG. 6.
From this middle position 10, the polarizer oscillates with its plane of polarization periodically and harmoniously to the left (-a) to the end position 12 shown in dashed lines and then back through the middle position 10 through (+ a) to the other end position 14 which is symmetrical to 12 the rotation of the polarization plane in the sample PR is zero, then the polarization plane in front of the analyzer A exactly follows the movements of the polarizer P, i.e. That is, the plane of polarization of the beam falling on the analyzer A oscillates about the beam axis symmetrically to the plane of polarization 16 of the analyzer A into one end position 18 (FIG. 7b) and back into the other end position 20.
In Fig. 7c the angle between the polarization planes of the analyzer A and the incident beam for optical rotation zero is plotted as a function of time, the point in time at which the polarizer P passes through its central position is selected as the zero point of the time axis. In Fig. 7d the output signal of the receiver E is also shown, which results from the shown oscillation of the plane of polarization of the beam falling on the analyzer A. The intensity passing through the analyzer A has maxima at the zero crossing of the oscillation of the polarization plane and thus here at the zero crossing of the polarizer oscillations, because then the polarization planes of the beam and the analyzer coincide.
The intensity has minima at maximum deflection of the polarization plane and in the present case of the folarizer P.
8 shows the relationships in the event that the sample PR rotates the plane of polarization of the light polarized by the polarizer P by an angle r.
The polarizer P thus oscillates (FIG. 8a) in exactly the same way as in FIG. 7a, but the polarization plane of the beam oscillates behind the sample PR and in front of the analyzer A in the manner shown in FIG the plane of polarization of the analyzer A inclined central position 22 between the end positions 18 'and 20'. FIG. 8c uses curve 24 to illustrate the temporal course of these oscillations analogously to the representation of FIGS. 7c and 8d (analogous to FIG. 7d) and shows the associated temporal course of the receiver signal in curve 26.
Curve 28 in FIG. 8c shows the oscillation of the plane of polarization with a smaller optical angle of rotation of the sample PR, and curve 30 shows the oscillation of the plane of polarization with the opposite rotation (+ y) of the plane of polarization by the sample PR. Curves 32 and 34 in FIG. 8d show the associated receiver signals.
From the curves in FIGS. 7 and 8d it can be seen that the receiver signal receives a component with the oscillation frequency of the polarizer P, which becomes greater and more pronounced the greater the rotation y of the plane of polarization in the sample PR, i.e. the stronger the The central position 22 of the plane of polarization of the bundle falling on the analyzer A deviates from the plane of polarization 16 of the analyzer A. From Fig. 7d it can be seen that with symmetrical oscillation (optical rotation zero) the component with the fundamental frequency (50 Hertz) disappears in the receiver signal. In the case of a slight optical rotation (curve 28), two maxima move somewhat together, while the distance to the neighboring pairs of maxima increases.
It can be seen that a certain Fourier component of the fundamental frequency is already present here, even if the fundamental character of curve 32 largely still corresponds to that of the curve in FIG. 7d. In the case of a stronger optical rotation (curve 24 in FIG. 8c), on the other hand, the component with the fundamental frequency already predominates in the receiver signal (curve 26 in FIG. 8d).
If the polarization plane in the sample PR is rotated in the opposite direction, i.e. clockwise in FIG. 8b, two maxima are brought closer together in the receiver signal and the distance from the adjacent pair of maxima is increased. These relationships are shown by curves 30 and 34 in FIGS. 8c and d. It can be seen from this that in this case too, the greater the rotation of the polarization plane in the sample, the stronger the component with the oscillation frequency of the polarizer. With such a clockwise rotation of the polarization plane, however, this component with the fundamental frequency has a phase shift of 1800 compared to curve 26.
In curve 34, the maxima are in the left part of the period of FIG. 8d, in curve 26, however, in the right.
It can be seen from this that the receiver signal has a Fourier effect when the plane of polarization is rotated
Component of the frequency of the polarizer oscillations receives, namely this component a) has a greater amplitude, the greater the
Is rotation of the plane of polarization in the sample; b) one of two different phase positions around 1800, depending on whether the sample is clockwise or counterclockwise.
These properties can be used to achieve an automatic adjustment by turning the analyzer A. For this purpose, the receiver signal is fed via an amplifier V as a control voltage to a Ferrari motor M, on whose excitation winding the mains voltage is applied, which also excites the oscillating polarizer P to oscillate. Depending on the basic component of the receiver signals relative to the polarizer oscillations and thus to the mains voltage, the Ferrari motor M rotates clockwise or counterclockwise. It rotates faster, the greater the rotation y of the central position 22 (FIG. 8b) of the oscillations with respect to the plane of polarization 16 of the analyzer. The Ferrari motor M rotates the analyzer A via a suitable gear until an adjustment takes place and the control voltage of the Ferrari motor has become zero.
Then the polarization plane 16 of the analyzer relative to the oscillations of the polarization plane of the light falling on the analyzer has again reached the position shown in Fig. 7b, in which the end positions 18, 20 of the oscillations are symmetrical to the polarization plane 16 of the analyzer A and the output signal of the Receiver E no longer contains any component of the 50 Hertz base frequency (Fig. 7d).
The analyzer A has then been rotated after the polarization plane rotated by the angle y by the sample PR. A counter Z is driven by the analyzer, on which the angle of rotation can be read digitally with great accuracy. In this arrangement, the Ferrari motor serves both as a phase-sensitive demodulator and as a servomotor.
This results in an extremely simple and reliable arrangement.
The structural design of a polarimeter described is shown in FIGS. 1 to 5. In Fig. 1, a base body is designated by 36 on which the essential parts of the polarimeter are arranged. A plate 40 with the various switch and control buttons for operating the device is provided on the front inclined side surface 38 of the base body 36. Reference numeral 42 denotes a knurled knob for regulating the amplifier 44, which is arranged at the end of the base body 36 on the left in FIG. 1 on a chassis 46 which extends perpendicular to the upper surface of the base body 36 across the latter. The amplifier and the rest of the measuring part of the device can be switched on and off by a switch 48. The switch-on state is displayed on a control lamp 50.
The light source, which is formed by a mercury vapor lamp not visible in the figures, can be switched on separately by means of a switch 52. By means of a push button switch 54, the light source can be ignited after switching on the switch 52. With a knurled knob 56 is designated, by means of which a filter wheel 58 can be rotated via mechanical transmission elements, which optionally introduces one of several filters of different spectral permeability into the beam path.
A mains connection plug socket 64 and two fuses 66 are attached to a plate 62 on the rear inclined side surface 60 of the base body 36. Cables 68, which are fastened by clamps 70 to the base body 36, run from the mains connection plug socket 64 to the various consumers, namely u. a. the amplifier 44, a Ferrari motor M (see also FIG. 6) and a distributor 72. The radiation source S (FIG. 6) is connected to voltage via a plug 74 and a cable 76 and is arranged in a separate lamp housing 78. The lamp housing 78 is screwed to the right-hand end of the base body 36 in FIG. 1 by screws 80. It is provided with light-shielding ventilation openings 82 at the top.
The device is covered by a hood 84 (FIGS. 2 and 3), which, however, leaves the sample holder and the counter Z (FIGS. 1 and 6) freely accessible in the middle part.
The bundle emanating from the light source S falls through an opening in the lamp housing 78 onto a lens 84 which is held in a holder 86 which is screwed onto the base body 36. A filter wheel 58 with a plurality of filters 87 with different spectral transmission ranges is rotatably mounted by means of a pin 88 on a bearing part 90, which is also screwed onto the base body 36. The filter wheel 56 has two circumferential grooves 92 and 94 lying next to one another, in which two tension cables 96 and 98 are wound in opposite directions and are fastened at one end by means of screws 100 and 102, respectively.
The filter wheel 58 protrudes downward through an opening 104 in the base body 36, as can be seen particularly clearly from FIG. An angle piece 106 (FIG. 2) is fastened under the base body 36 by means of screws 108. A bearing body 110 is attached to the lower free end of the angle piece. In the bearing body 110 two coaxial (in Fig. 2 one behind the other) deflection rollers 112 with a horizontal axis and two deflection rollers 114, 116 are mounted, which are coaxially arranged approximately at the distance of the diameter of the rollers 112 with approximately vertical axes.
The cables 96 and 98 wrapped around the filter rotor are each over one of the pulleys 112 and around the pulleys
116 and 114, so that they then run parallel to the front surface 38 of the base body 36 to the knurled knob 56. On the axis of the knurled knob 56 sits a drum 118 on which the ends of the ropes 96,
98 attached and on which the ropes are wound in opposite directions. With 120 and 122 tension pulleys are designated, which ensure a tight cable pull. By turning the knurled knob 56, the filter wheel 58 can be turned in both directions. In one direction, the cable 96 unwinds from the filter wheel 58 and onto the drum 118, while the cable 98 is unwound from the drum 118 and wound onto the filter wheel 58.
When the knob 56 is turned in the opposite direction, the opposite is true: the cable 98 is removed from the filter wheel 58 and onto the drum
118 is wound while the rope 96 is wound off the drum and onto the filter wheel 58. In this way, with simple mechanical means, a completely positive adjustment of the filter wheel in both directions results. The arrangement is cheap, robust in structure and high
Degree of operational reliability.
To the left of the filter wheel 58 in FIG. 1 is the
Arranged oscillating polarizer, which can be seen in Fig. 2 in front view, while Fig. 4 shows a side view and in Fig. 5 separately the oscillating
Parts with the polarizing prism are shown in section.
The oscillating polarizer unit 120 has a frame 122 of a rectangular basic shape, which is screwed onto the base body 36 with a foot 124 by means of screws 126. On the frame 122 are three pairs of rollers 128, 129; 130, 131 and 132, 133 each mounted coaxially to one another. The rollers 128, 130, 132 and accordingly the rollers 129, 131 and 133 are arranged approximately in the corners of an equilateral triangle with a horizontal base line. The oscillator 134 is rotatably mounted between the three pairs of rollers 128-133. The rollers 130, 131 and 132, 133 are rigidly mounted in bearing eyes of the frame 122. The rollers 128 and 129, on the other hand, are mounted on bearing parts 136, 138 which are resiliently pressed downwards by a leaf spring 142 connected to the frame at both ends by means of screws 140.
In this way, the oscillator 134 is mounted clearly and without play. Because it is held at two three points, no mechanical over- or under-determination can occur. The upper rollers 128, 129 press the vibrator down against the rollers 130-133, so that any play is avoided.
A laminated core 146 of U-shaped basic shape is fastened to the frame 122 by means of screw bolts 144, which forms the yoke of an electromagnet, which is enclosed in the middle by a winding 148 and a magnet armature of the oscillator 134, which is still to be described, with concave pole faces and relatively narrow Air gap encloses. The winding is connected to a standard 50 Hertz network.
The transducer 134 is best seen in FIG. It has a housing 150 of cylindrical basic shape which has two running surfaces 152 and 154 for the rollers 128, 130, 132 and 129, 131, 133, respectively. A sleeve 156 is inserted into the housing 150, the end face of which comes to rest against a shoulder 158 of the housing 150.
In the sleeve 156 sits with the interposition of a shock and stress-absorbing body 160, the oscillating prism P. A screen 162 rests on the left end face of the sleeve 156, and a screw ring 164 screwed into the housing 150 secures the screen 162 and the sleeve 156 with the Prism P in the housing 150.
At the right end in FIG. 5, the housing 150 has a collar 166. An annular two-pole permanent magnet 168 is pushed onto the collar 166 and secured by a disk 170 screwed onto the collar 166. The spaces between housing 150, collar 160, disk 170 and magnets 168 are filled with a suitable potting compound.
The oscillator 134 has an extension 172 at the bottom which holds a leaf spring 174 between two cutting edges 176. Behind the cutting edges, the slot receiving the leaf spring 174 widens to form a circular axial bore 178 (FIGS. 2 and 5) so that the clamped end of the leaf spring 174 in the plane of the paper can tilt freely with respect to the oscillator 134. The leaf spring 174 is mounted on a cross piece 180 which is fastened to the frame 122. For this purpose, a slotted holding body 182 is seated on the leaf spring 174, which in turn can be clamped in a slot of the crosspiece 180 by means of a screw 184 and washer 186.
The crosspiece 180 has two further inclined slots 188, 190 through which clamping screws 192, 194 are passed, which are screwed into the frame 122 and allow the crosspiece 180 to be screwed onto the frame 122 with an angular position that can be adjusted within certain limits. For fine adjustment of the leaf spring 174, the lower free end of the leaf spring 174 can be guided in an annular groove 196 of an adjusting body 198, which extends transversely over the lower part of the frame 122 and can be adjusted very sensitively by a threaded guide 200.
In this arrangement, the oscillator 134 is tied to a rest position by the leaf spring 174. The rest position can be adjusted by loosening the clamping screw 192, 194 and adjusting the crosspiece 180. A fine adjustment can be made by adjusting the adjusting body 198, which presses on the lower end of the leaf spring. By moving the holding body 182 along the leaf spring 174 and clamping the holding body to the crosspiece 180 by means of the screw 184, the effective length of the leaf spring 174 and thus its spring rate can be changed. The spring constant can then be adjusted so that the natural frequency of the system consisting of oscillator 134 and spring 174 matches the excitation frequency, so that the system oscillates in resonance.
This excitation of the system takes place by means of the permanent magnet 1 is driven in a descriptive manner and naturally has a central opening for the beam to pass through. The analyzer A can be rotated via the worm wheel 134.
The beam emerging from the analyzer A falls on a radiation receiver E designed as a secondary electron multiplier, to which the supply voltage is fed via a cable 236, which is generated in a high-voltage power supply 238 of a known type, which is arranged in a separate housing 240 within the base body 36. The output signal of the receiver E is fed via the amplifier 44 as a control voltage to the Ferrari motor M (FIGS. 1, 3 and 6), which is flanged to a rib 242 of a gear housing 244. The housing 244 is also screwed onto the base body 36 with a foot 246. A wheel 250 with a rubber or plastic bead is seated on the shaft 248 of the motor M and rests against a friction wheel 252. The friction wheel 252 is supported by a shaft 254 in the housing 244. A gear 256 is seated at the other end of the shaft 254.
The gear 256 meshes with a second, underlying gear 258, which is mounted in a worm housing 260 screwed onto the base body 36. On the through shaft 262 of the gear 258 sits a first worm, which is not visible in the figures. This first worm meshes with a worm wheel 264 that can be seen in FIG. 3, on the shaft of which a second worm 266 sits vertically in the housing 260. The worm 266 meshes with the worm wheel 234 to rotate the analyzer A.
The Ferrari motor M rotates the analyzer A via the described gear with high reduction as long as it receives a control voltage with mains frequency. The speed and direction of the motor rotation depend on the size and phase position of the control voltage.
A chain wheel 268 is seated on the shaft 254 and drives a chain wheel 272 seated on the shaft of the counter Z by means of a chain 270.
In this way, the analyzer A is very sensitively rotated after the rotation of the polarization plane, while the size of the after rotation is displayed on the counter Z with great accuracy.
Reference numeral 274 denotes a known type of voltage stabilizer.
The construction described creates a polarimeter which combines great simplicity and robustness with high display accuracy.
The following are essential for this advantageous result: a) the mounting of the polarizer and analyzer in the rollers 128-133, b) the drive of the oscillating poiarizer by means of a magnet system designed roughly like a motor or a moving coil measurement value, c) the drive of the Analyzer by means of a Ferrari motor, to which the rectilinear amplified and, if necessary, screened receiver voltage is fed as a control voltage, whereby the Ferrari motor acts as a phase-sensitive demodulator and as a servomotor and complex electronics are avoided, d) the use of a counter for digital display of the analyzer rotation, which is driven together with the strongly reducing gear for the subsequent rotation of the analyzer via a friction drive and e)
the described training of a filter wheel for
Investigation of the different spectral ranges, that of one placed on the front panel of the device
Adjustment knob can be driven purely mechanically via a new type of cable pull.