Anordnung zur spektroskopischen Untersuchung von angeregten Massenteilchen in einer Lichtquelle
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur spektro skopischen Untersuchung von angeregten Massenteil- chen in einer Lichtquelle mit einem Spektrometer, das einen von der Lichtquelle zu beleuchten bestimmten Hauptspalt, ein hinter dem Spalt befindliches Diffrak tionselement und eine hinter dem Diffraktionselement befindliche lichtempfindliche Schicht aufweist.
Gemäss der Erfindung zeichnet sich diese Anordnung dadurch aus, dass ein abbildendes Organ zwischen dem Hauptspalt und dem Diffraktionselement angeordnet ist, zwecks Erzeugung eines reellen Bildes der Lichtquelle auf der lichtempfindlichen Schicht in der Längsrich- tung des Hauptspaltes.
Im folgenden wird das Wort Ion für ein angeregtes Massenteilchen, sei es ein Atom oder ein Molekül, verwendet.
Jedes Ion emittiert eine grosse Anzahl von Spektrallinien, wobei angenähert alle von ihnen auf der lichtempfindlichen Schicht, insbesondere eine photo graphischle Platte, ein ähnliches Profil haben, obwohl die Intensität, d. h. die Schwärzung der Linie auf der lichtempfindlichen Emulsion der Platte aus Gründen der Wahrscheinlichkeit der Übertragung, bei jeder Linie verschieden ist.
Wenn eine Lichtquelle eine Mehrzahl von verschiedenen Arten von Ionen enthält, d. h. Ionen in ver schiedenen Stufen der Ionisation oder Ionen verschie- dener Metalle, und deren Verteilung in der Lichtquelle veränderlich ist, so ändern sich auch die Längen der Spektrallinien, welche den einzelnen Ionen zugehören.
Aus der Länge einer Linie, welche einer bekannten Stufe der Ionisation zugehört, ist es möglich, sich ein Bild über die Verteilung der Ionen der gleichen Stufe der Ionisation in der Lichtquelle zu machen. Zusätzlich ist es möglich, auch wenn nur eine kleine Anzahl der Linien bekannt ist, welche einer bestimmten Stufe der Ionisation zugehören, alle anderen Linien zu bestimmen, welche die gleiche Stufe der Ionisation aufweisen.
Das geschieht durch eine Gruppierung der Linien entsprechend ihrer Länge auf der Platte. Als Länge wird die Entfernung des Punktes in einer Linie vom Fuss punkt dieser Linie bezeichnet, welcher am stärksten die
Platte belichtet hat.
Wenn die Dichte der Ionen der Lichtquelle nicht gleichmässig ist, so ist das Bild der Bereiche mit hoher Ionendichte intensiver, da die photographische Platte an dieser Stelle mehr Licht erhalten hat, als im Bild der Bereiche mit niedriger Ionendichte. Durch eine
Untersuchung der Änderungen der Intensität einer
Spektrallinie entlang ihrer Länge ist es möglich, sich ein Bild über die Verteilung der Ionen zu bilden, wel- che die betreffende Linie in der Lichtquelle hervorru- fen.
Auf diese Weise kann die Verteilung der Dichte von Ionen in einer Lichtquelle bestimmt werden, wie auch eventuell die Verteilung von Ionen mit verschiede- ner Stufe der Ionisation in der Lichtquelle. Es ist auch eine Gruppierung aller Linien möglich, welche die gleiche
Stufe der Ionisation aufweisen.
Die Erfindung wird anhand einer in der Zeichnung schematisch dargestellten beispielsweisen Ausführung der Erfindung erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 ein Schema einer Lochkamera,
Fig. 2 ein Schema eines Gitter-Spektrometers mit streifend leinfallendlem Licht,
Fig. 3 eine normalisierte Darstellung der Verteilung von Ionen mit verschiedener Stufe der Ionisation in einer Lichtquelle,
Fig. 4 eine qualitative Darstellung der Bilder der spektralen Linien und
Fig. 5 ein erhaltenes Spektrum von Eisen.
In der Fig. 1 ist zur Erläuterung der Erfindung eine Lochkamera dargestellt, bei welcher mit 1 das Objekt, mit 2 eine Maske mit einem kleinen Loch 4 und das tatsächliche umgekehrte Bild mit 3 bezeichnet sind.
Aus der elementaren Geometrie folgt, dass das Ver hältnis der Vergrösserung b/a ist, wobei b und a die
Entfernungen vom Bild und vom Objekt zur Ebene des
Lochs sind.
In der Fig. 2 ist ein Gitter-Spektrometer mit strei fend einfallendem Licht dargestellt, welches einen be kannten Hauptschlitz 5 enthält, einen Hilfsschlitz 6, welcher der Begrenzung der Breite des Lichtes dient und nicht unbedingt nötig ist, ein Gitter 7, eine lichtempfindliche Platte 8 und eine Lichtquelle 9, welche eine positive Elektrode 10 und eine negative Elektrode 11 aufweist. Ein Strahl 14 führt nacheinander durch die Schlitze, auf das Gitter 7 und schliesslich auf die Platte 8.
Zusätzlich zum Hauptschlitz 5 und zum Hilfsschlitz 6 ist ein dritter Schlitz 12 vorgesehen, welcher sich zwischen dem Diffraktions ; Element, in diesem Falle dem Gitter 7, und dem Hauptschlitz 5 befindet, wobei die Länge des dritten Schlitzes senkrecht zur Länge des Hauptschlitzes verläuft. Da im vorliegenden Fall ein Hilfsschlitz verwendet ist, befindet sich der Schlitz 12 zwischen dem Hauptschlitz und dem Hilfsschlitz, wie dies in der Figur dargestellt ist.
Der dritte Schlitz 12, ist zwischen zwei begrenzenden Stellungen beweglich, welche einerseits durch den Schlitz 5 und andererseits durch den Schlitz 6 oderbei Fehlen des Schlitzes 6-das Diffraktions-Element 7 gebildet werden. Die Verschiebung kann durch eine beliebige bekannte Vorrichtung 13 erfolgen.
Der Schlitz 12 hat die Aufgabe, als die Offnung einer Lochkamera zu wirken. Da nur eine Abbildung in der Längsrichtung des Hauptschlitzes 5 angestrebt wird, wird anstatt eines Lochs ein Schlitz verwendet,' welcher senkrecht zur Richtung des Hauptschlitzes 5 steht. Die Verteilung der strahlenden Ionen von verschiedener I-onisationsstufe in der Lichtquelle in Funktion des Abstandes von der positiven Elektrode 10 gemessen längs einer Linie, die parallel zur Länge des Hauptschlitzes verläuft, ist für jede Stufe der Ionisation verschieden.
Die Fig. 3 zeigt in qualitativer Weise eine derartige Verteilung für die Spektren der sechsten, siebenten, achten und neunten Ordnung von Eisen, gemessen von der positiven Elektrode der Lichtquelle. Die höchsten Punkte der Verteilungen sind normalisiert. Bei der dargestellten Anordnung ist der Punkt dichtester Schwär- zung, d. h. der Punkt der stärksten Belichtung, auf einer spektralen Linie ein umgekehrtes, tatsächliches Bild des Punktes der dichtesten Verteilung der Ionen der betreffenden Stufe der Ionisation, welche dieser Linie zugehört. Die Linien der Ionen verschiedener Ionisationen haben verschiedene Höhen auf der photographischen Platte.
Wie bekannt ist, ist jede spektrale Linie einer bestimmten Stufe der Ionisation des Atoms oder der Moleküle zugeordnet. Die Atome oder Moleküle, wel che in der Lichtquelle angeregt werden, senden, wenn sie in einen Zustand mit niedrigerer Energie fallen, eine elektromagnetische Strahlung aus mit einer Wel lenlänge, die für diesen Übergang charakteristisch ist.
In der Fig. 4 wird qualitativ das dargestellt, was auf der photographischen Platte 8 erhalten wird, wenn in der Lichtquelle 9 die Verteilung der Ionen mit verschiedener Stufe der Ionisation nach der Fig. 3 verläuft.
Da die Maxima der Kurven der Verteilung in der Fig. 3 wie gesagt normalisiert wurden, ist jede der spektralen Linien auf ihrer Höhe E mit gleicher Breite dargestellt, was im allgemeinen nicht der Fall sein wird. Aus dem Vergleich der Fig. 3 und 4 folgt, dass die Höhe E jeder der Linien für ihre Stufe der Ionisation charakteristisch ist und dass sich das Profil jeder der Linien entsprechend der Kurve der Verteilung der Ionen verändert, die der bestimmten Stufe der Ionisation in der Lichtquelle zugeordnet ist.
In der Fig. 5 ist ein Spektrum von Eisen von 100 A bis 300 A dargestellt, wie dies tatsächlich nach dem beschriebenem Verfahren und mit der danach ausgebildeten Vorrichtung erhalten wird, wobei die Anordnung der Schlitze nach der Fig. 2 verwendet wurde. Die römischen Zahlen VI bis IX beziehen sich auf Spektra, die verschiedenen Zuständen der Ionisation zugehören. Da die Bilder der Linien in der Figur umgekehrt sind, muss die Figur um 180 gedreht werden, um die Höhen richtig darzustellen.
Die Schlitze 5 und 6 werden ausreichend lang gemacht, damit sie nicht die Lichtquelle verdecken und sind daher länger als die bisher verwendeten Schlitze.
Da vor der Platte keine Maske verwendet wird, werden die spektralen Linien in ihrer vollen Länge abgebildet.
Die Länge des Schlitzes 12 ist im allgemeinen grösser als mm.
Die Breiten der Schlitze 5,6 und 12 werden nach dem gewünschten Auflösungsvermögen bestimmt, nach der allgemeinen Regel, dass je enger die Schlitze sind, umso grösser das Auflösungsvermögen ist. Die Breite des Schlitzes 12, welche sich im Bereich von 0,2 bis 2,0 mm verändern kann, wird durch Überlegungen bezüglich des Auflösungsvermögens und der Intensität des Lichtes bestimmt, da mit einer Verbesserung des Auflösungsvermögens die Intensität des auf die Platte fallenden Lichtes vermindert wird.
Eine spezielle Ausführung der Vorrichtung nach der Fig. 2 hatte beispielsweise folgende Parameter und Merkmale : a) Die Lichtquelle 5 war eine Funkenentladung im Vakuum von der Art, wie sie von G. Ballofet in Ann.
Phys. 5,1256 (1960) auf der Seite 1249 beschrieben wurde, und zwar in einer derartigen Anordnung, dass die durch die Elektroden führende Achse zur Länge des Schlitzes 5 parallel war. Die Entfernung zwischen der Quelle und dem Hauptschlitz wurde nach Wunsch verändert. b) Die Längen der Lichtquelle 9 und der Schlitze 5 und 6 waren 7 mm, 10 mm und 10 mm.
Die Länge des Schlitzes 12 war grösser als 2 mm. c) Die Breiten der Schlitze 5,6 und 12 waren 0,005 mm, 2,0 mm und 0,2 mm. d) Die Abstände A, B, C und D waren 230 mm, 174 mm ; 96 mm und 34 mm, wobei in jedem Falle die Entfernung vom Mittelpunkt des Diffraktions-Elemen- tes 7 zur Lichtquelle 9, der Ebene des Schlitzes 5, der Ebene des Schlitzes 12 und der Ebene des Schlitzes 6 entsprechend der Darstellung in der Fig. 2 gemessen wurde.
Die Vergrösserung der spektralen Linie der Wel lenlänge 2 in ihrer Längsrichtung war
C + F
Y-
G wobei C die Entfernung der Mitte des Diffraktions- Elementes 7 zur Ebene des Schlitzes 12 war, F die Entfernung zwischen der Mitte des Diffraktions-Ele- mentes und dem Punkt, in welchem das Licht der spektralen Linie der Wellenlänge 2 die photographische Platte 4 erreicht und G die Entfernung zwischen der Lichtquelle 9 und dem Schlitz 12,
Durch Veränderung der Stellung des Schlitzes 12 kann die Höhe einer gegebenen Linie nach Wunsch verändert werden. Es kann auch die Trennung zwischen Höhen von Linien verschiedener Ionisation vergrössert oder je nach Wunsch verkleinert werden.
Um die Trennung zu vergrössern, wird der Schlitz zur Quelle verschoben, wodurch die Aufgabe der Unter scheidung von Linien der gleichen Stufe der Ionisation oder zwischen Linien verschiedener Stufen vereinfacht wird.
Obwohl eine besondere Ausführung der Erfindung beschrieben und dargestellt wurde, und zwar im Zu sammenhang mit einem Gitter-Spektrometer mit streifend einfallendem Licht, so ist die Erfindung allgemein bei Spektrometem für die Untersuchung von kontinuierlichen Spektren oder von diskontinuierlichen, linienförmigen Emissions-Spektren angeregter Atome, Ionen oder Moleküle verwendbar. Auch ist die Wahl der Lichtquelle nicht begrenzt.
Diese ist nur durch die Art der Untersuchung gegeben und kann ein Funken oder z. B. ein heisser Stern sein, da das entstandene Bild für die Quelle charakteristisch ist. Die Bezeichnung Licht bedeutet im Zu sammenhang mit der Erfindung nicht, das, s die Strahlung der Quelle im ganzen oder teilweise auf das sichtbare Spektrum begrenzt sein muss.