CH647326A5 - Monochromator mit gitteranordnung. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Monochromator gemäss Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Monochromatoren sind in vielen Ausführungsformen bekannt und dienen dazu, bestimmte, ausgewählte Wellenlängen von einer Bestrahlungsquelle abzutrennen und damit zu «isolieren». Dies erfolgt im allgemeinen in der Weise, dass das interessierende Spektrum abgetastet wird. Bei Absorptions-Photometern kann die Stärke der Absorption durch eine Probe bei unterschiedlichen Wellenlängen zur Identifizierung der Probe und ihrer Konzentration herangezogen werden. Bei der Anwendung für Detektoren für die Flüssig-Chromatographie kann die Abtastung durch die Beobachtung bei einer oder mehreren spezifischen Wellenlängen ersetzt werden. Für jeden Einsatzfall ist es jedoch wichtig, dass die zu beobachtenden Wellenlängen sehr exakt, d. h. mit grösstmöglicher Genauigkeit, ausgewählt werden können.

Ein Monochromator enthält normalerweise ein Gehäuse mit einem Eintrittsspalt für die Strahlung und einem Austrittsspalt für die Strahlung. Die Strahlung von einer geeigneten Quelle, wie beispielsweise einer Lampe, wird auf den Eintrittsspalt fokussiert. Ein als Kollimator dienender Spiegel ist in dem Gehäuse angebracht, wobei sein Brennpunkt zwischen dem Eintrittsspalt und dem Austrittsspalt liegt. Dieser Spiegel kolli-miert die empfangene Strahlung, so dass die entstehende parallel gerichtete Strahlung auf ein Dispersionselement fallen kann, wie beispielsweise ein optisches Gitter. Das Gitter zerlegt die Strahlung in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge, so dass ein sehr schmaler Wellenlängenbereich durch den Kollimator auf den Austrittsspalt des Monochromators zurückfokussiert werden kann.

Das Gitter ist so angebracht, dass es exakt, d.h. mit genau definierter Geschwindigkeit, gedreht werden kann; die Grösse der Drehung ist mit der Ausgangs-Wellenlänge des Monochromators korreliert. Bei einer herkömmlichen Ausführungsform wird dies mittels eines sogenannten «Sinus-Stangen-Mechanismus» erreicht. Bei einer solchen Konstruktion bewegt eine Verstellschraube eine Stange vorwärts oder zurück; diese Stange dient als Steuerkurven-Oberfläche. Ein angelenkter Antriebsarm ist mit seinem Gelenkende an dem Gitter angebracht, während sein anderes Ende einen Nockenstössel bzw. einen Steuerhebelarm aufweist, der an der Steuerkurven-Oberfläche anliegt. Wie im folgenden im Detail erläutert werden soll, ist die Grösse der Bewegung der Steuerkurven-Oberfläche und damit die Zahl der von der Verstellschraube zurückgelegten Drehungen proportional zu dem Sinus des Winkels, um den sich das Gitter dreht. Ein Nachteil dieser herkömmlichen Konstruktion liegt darin, dass die Steuerkurven-Oberfläche relativ lang ist; ausserdem werden unerwünschte Drehmoment-Effekte erzeugt, wenn sich der Steuerhebelarm dem jeweiligen äusseren Ende der Steuerkurvenoberfläche nähert; diese Drehmoment-Effekte müssen überwunden werden, was weitere konstruktive Massnahmen erforderlich macht.

In Gitter-Monochromatoren werden üblicherweise Filter eingesetzt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass Gitter, anders als Prismen, gebeugte Strahlen höherer Ordnung erzeugen, die unterdrückt werden müssen. Dies wird durch Einführung von Filtern in den Strahlengang erreicht, und zwar üblicherweise am Eintrittsspalt oder am Austrittsspalt. Bei der Drehung des Gitters müssen jedoch verschiedene Filter für die verschiedenen Wellenlängenbereiche eingesetzt werden. Um optimale Ergebnisse zu erhalten, müssen die Gitter rasch und exakt mit der Änderung der Wellenlänge ausgetauscht werden.

Ein weiteres, bei Gitter-Monochromatoren auftretendes Problem liegt darin, dass der Antrieb für das Gitter sehr exakt arbeiten muss. Es ist jedoch nicht einfach, Verstellschrauben zu erhalten, die mit der gewünschten Genauigkeit ausgelegt sind. Geringe Änderungen in dem geraden Verlauf oder der Rundheit sowie andere Schwankungen, die während des Gewindeschneid-

Prozesses auftreten, führen oft zu unerwünschten Fehlern und Mängeln, die kompensiert werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen vereinfachten und relativ preisgünstigen Monochromator vorzuschlagen, 5 der die gleiche Genauigkeit wie sehr viel kostspieligere Geräte hat. Ausserdem soll ein Monochromator mit einer verbesserten Gitterlagerung, mit einer verbesserten Antriebsmechanik für das Gitter, mit einem Verstellschraubenmechanismus, der unerwünschte Änderungen in der Bewegungsbahn dämpft, sowie mit io einem verbesserten Mechanismus für den Austausch der Filter geschaffen werden.

Dies wird durch einen verbesserten Monochromator der eingangs genannten Art erreicht, der die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 aufweist. 15 Der Monochromator kann in einem optischen Analysegerät eingesetzt werden. Im Vergleich mit den herkömmlichen Monochromatoren zeichnet sich dieser Monochromator durch eine vereinfachte Konstruktion aus. Trotzdem weist dieser Monochromator Merkmale und Leistungseigenschaften auf, welche 20 die angestrebte, hohe Genauigkeit ermöglichen; dazu kann ein neuer Sinus-Stangen-Antriebsmechanismus für das Gitter gehören sowie ein Auswechselmechanismus für die Filter.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen 25 Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Monochromators nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Monochromator nach Fig. 1, wobei der Eintrittsspalt und der Austrittsspalt zu erkennen sind 30 und der Filtermechanismus getrennt dargestellt ist;

Fig. 3 eine ähnliche Figur wie Fig. 2, wobei jedoch die Spaltbereiche getrennt dargestellt sind;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Monochromators mit dem Austauschmechanismus für die Filter;

35 Fig. 5 eine Stirnansicht des Monochromators nach Fig. 1;

Fig. 6 eine Ansicht von der rechten Seite auf den Monochromator nach Fig. 5;

Fig. 7 einen Teil-Querschnitt durch den Verstellschrauben-Bereich des Antriebsmechanismus für das Gitter;

40 Fig. 8 eine explodierte Ansicht eines Teils des Verstell-schrauben-Mechanismus;

Fig. 9 eine Draufsicht auf den Monochromator nach der Erfindung;

Fig. 10 eine Ansicht von unten auf einen Teil des Monochro-45 mators nach der Erfindung;

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht der Lagerung für das Gitter;

Fig. 12 einen Querschnitt im wesentlichen längs der Linie 12-12 von Fig. 9, wobei der Verlauf des Strahlengangs durch den so Monochromator zu erkennen ist;

Fig. 13 einè perspektivische Ansicht des Monochromators nach der Erfindung, wobei eine Stufe des Bewegungsablaufs des Auswechselmechanismus für die Filter dargestellt ist;

Fig. 14 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 13, wobei eine weitere 55 Stufe des Bewegungsablaufs des Auswechselmechanismus für die Filter dargestellt ist;

Fig. 15 eine Fig. 5 ähnelnde Vorderansicht, wobei jedoch das Filter-Auswahlelement in der angehobenen Lage dargestellt ist;

Fig. 16 ein Diagramm zur Erläuterung des Bewegungsablaufs 60 eines herkömmlichen Sinusstangen-Antriebs für das Gitter, und

Fig. 17 ein Fig. 16 ähnelndes Diagramm zur Erläuterung des Bewegungsprinzips des verbesserten Sinusstangen-Antriebs für das Gitter.

Insbesondere in Fig. 1 ist ein Monochromator dargestellt, der 65 gemäss dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Dieser Monochromator weist ein Gehäuse 10 mit einer Art Giesskastenkonstruktion (cas box-like construction) auf, die gemäss der Darstellung in Fig. 1 zum linken Ende hin etwas

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schmaler wird, so dass eine schmale Stirnwand 12 entsteht. Ein Antriebsmechanismus 14 für Filter und/oder Gitter ist auf der Seite des Gehäuses angebracht. Eine Filteranordnung 16 ist hin-und herbewegbar an der Vorderseite des Gehäuses gelagert und kann mittels des Antriebsmechanismus 14 für die Filter und/oder das Gitter mittels einer Kurbelwelle 18 betätigt werden, wie im folgenden erläutert werden soll.

Wie man in Fig. 3 erkennen kann, weist die schmale Stirnwand 12 des Gehäuses eine rechteckige, durchgehende Öffnung 20 mit vertikalen Aussparungen 22 auf jeder Seite auf. Ein vertikaler Schlitz bzw. Spalt 24 durch die Stirnwand 12 verläuft von der Öffnung20 aus nach unten. Über der Öffnung 20 ist in den Aussparungen 22 ein rechtwinkliger Spalt-Positionierblock 26 angebracht, der eine relativ grosse, rechtwinklige Öffnung 28 aufweist. Zwei Positionierstifte 30,32 erstrecken sich jeweils von dem Block 26 aus über bzw. unter die Öffnung 28. Zwei weitere, etwas längere Führungsstifte 34 verlaufen auf jeder Seite der Öffnung 28 nach vorne.

Gegen den Spalt-Positionierblock 26 und über der Öffnung 28 ist eine relativ dünne Metallspaltplatte 36 angebracht, die einen oberen Eintrittsspalt 38 und einen unteren Austrittsspalt 40 für die Strahlung definiert. Die Platte 36 wird mit Hilfe von Löchern 42 positioniert, die mit den Stiften 30 und 32 ausgerichtet sind. Zwei grössere Löcher 43 sind in den Seiten der Platte 36 vorgesehen, um die Führungsstifte 34 aufzunehmen. Die Spaltplatte 36 wird in ihrer Lage gegen den Block 26 mit Hilfe von zwei O-Ringen 48,50 gehalten, die auf den Positionierstiften 30,32 angebracht sind, wie man in Fig. 2 erkennen kann. In dem Gehäuse 10, und zwar gegen seine Rückwand, wie in Fig. 12 dargestellt ist, ist ein kollimierender Spiegel 52 angebracht, d. h. ein die Strahlung parallel richtender Spiegel. Der Spiegel 52 befindet sich in einer solchen Lage, dass sein Brennpunkt zwischen dem Eintrittsspalt 38 und dem Austrittsspalt 40 hegt.

Im folgenden soll die Gitteranordnung 54 erläutert werden, die in dem Gehäuse 10 angebracht ist. Diese Anordnung ist im Detail in Fig. 11 zu erkennen. Sie weist einen druckgegossenen Gitterblock 56 auf, der im wesentlichen rechtwinklig ist und auf seiner vorderen (gemäss der Darstellung 11 der hinteren) Oberfläche eine reflektierende Gitterkopie-Oberfläche 58 (replicated reflec-tivegrating surface = Reflexions-Beugungsgitter-Oberfläche) trägt (siehe Fig. 12). Von seiner hinteren Oberfläche ragen obere 60 und untere 62 Schultern nach aussen. Diese Schultern befinden sich gemäss der Darstellung in Fig. 1 am rechten Ende des rechtwinkligen Blocks 56. Ein Einstellappen bzw. Einstellelement 64 erstreckt sich ebenfalls von der hinteren Oberfläche des Blocks 56 aus nach hinten, jedoch zum linken Ende hin. Zwischen den Schultern 60,62 befinden sich zwei hinten vorstehende, im Abstand voneinander angeordnete Stifte 66,68, wobei der Stift 66 etwas tieferliegt als der Stift 68. Von den Seitenkanten des Blocks 56 stehen zwei ausgerichtete Federhalterungsstifte 70 nach aussen vor.

Der Gitterblock 56 wird gegen eine Gitterwelle 72 gehalten, die eine sich durch sie erstreckende Querstange 74 trägt. Die Welle 72 trägt ausserdem eine vertikale Einstellschraube 76, die an dem Einstellgriff 64 anliegt sowie eine horizontale Einstellschraube 78, die an dem linken Ende der Rückseite des Gitterblocks 56 anliegt. Der Gitterblock 56 wird dadurch in seiner Lage gehalten, dass die Schultern 60,62 mittels einer im allgemeinen U-förmigen Federklemme 80 an der Querstange 74 anliegt. Die Klemme bzw. der Clip 80 weist nach aussen verlaufende Schenkel 82 sowie einen mittleren Bereich 84 auf; die Schenkel 82 sind gebogen, so dass sie rund um die Federhaltungsstifte 70 gehakt werden können. Der mittlere Bereich 84 kommt in Klemmeingriff mit der Gitterwelle jc2, so dass die Gitterwelle 72 nach innen gegen den Block 56 und nach oben gegen den Stift 66 und das Einstellelement 64 gedrückt wird.

Die Anordnung aus dem Gitter und der Gitterwelle nach Fig. 11 ist in dem Gehäuse 10 dadurch befestigt, dass die Enden der

Welle 72 in zwei ausgerichteten Schlitzen 86 sitzen, die sich von den unteren Kanten der Seitenwände des Gehäuses 10 nach oben erstrecken, wie man in Fig. 6 erkennen kann. Die oberen Enden der Schlitze 86 haben V-Form, wie durch das Bezugszeichen 88 5 angedeutet ist. Die Gitteranordnung 54 wird durch zwei Federn in sattem Eingriff mit den V-förmigen Bereichen 88 der Schlitze 86 gehalten. Eine Federhalterung 90 (siehe Fig. 9) ist über dem oberen Ende des Gehäuses 10 angebracht; ihre verlängerten Enden enthalten Öffnungen 92,94. Ein Ende einer Feder 96 ist in io die Öffnung 92 eingehakt, während ihr unteres Ende mit der Gitterwelle 72 durch ein Verbindungsglied 98 gekoppelt ist; dieses Verbindungsglied kann aus einem Material mit niedriger statischer Reibung bestehen, wie beispielsweise Azetal. Das Verbindungsglied 98 wird durch einen Stift 100 gehalten, der 15 durch die Welle 72 erstreckt.

Das gegenüberliegende Ende der Gitterwelle 72 wird in seinem entsprechenden Schlitz 86 durch eine Feder 102 gehalten, die an ihrem oberen Ende mit der Öffnung 94 und an ihrem unteren Ende mit einem Stift 104 verbunden ist, der sich von 20 einem Antriebsarm 106 für das Gitter nach aussen erstreckt.

Ein Ende 108 des Antriebsarms 106 ist gegabelt, wie man in Fig. 6 erkennen kann, so dass er mittels einer Kombination Schraube/Mutter im Klemmeingriff mit dem Ende der Gitterwelle 72 kommt. Das gegenüberhegende Ende des Antriebsarms 25 106 trägt einen Steuerkurvenhebel 112, der gegen die Kraft der Feder 102 durch den Antriebsmechanismus für das Gitter nach unten gehalten wird, wie im folgenden Abschnitt erläutert werden soll.

In diesem Abschnitt wird der Antriebsmechanismus für das 30 Gitter im Detail beschrieben.

Gemäss der vorliegenden Erfindung wird das Gitter durch eine Verstellschraube in der Weise gedreht, dass die Drehung der Schraube proportional zu dem Sinus des Winkels der Gitterdrehung ist. Die Einrichtung, mit der dies erreicht wird, soll unter 35 besonderer Bezugnahme auf die Fig. 16 und 17 beschrieben werden.

In Fig. 16 ist schematisch ein Gitter G dargestellt, an dem ein Antriebsarm mit einer Länge h angebracht ist, der an seinem Ende in einen Steuerkurvenhebel F ausläuft. Dieser Steuerkur-40 venhebel wird durch eine vertikal bewegliche Antriebsstange B gesteuert. Betrachtet man das Dreieck, das von dem Antriebsarm h, einer Basislinie b und der Höhe a des Steuerkurvenhebels F gebildet wird, so stellt man fest, dass der Sinus des Winkels a, um den sich das Gitter G dreht, gleich

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ist. Es lässt sich weiterhin erkennen, dass bei der Bewegung der 50 Antriebsstange B nach oben bzw. nach unten der Steuerkurvenhebel F dem dargestellten Bogen folgt, so dass beispielsweise der Sinus des Winkels der Drehung durch

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gegeben ist, wenn er den Punkt F' erreicht. Da h konstant bleibt, folgt also, dass der Sinus a proportional zu a ist. Wie oben erwähnt wurde, hat diese herkömmliche Konstruktion den Nach-60 teil, dass eine relativ lange Antriebsstange B verwendet werden muss; dadurch ergeben sich jedoch Drehmomentprobleme, wenn sich der Steuerkurvenhebel F in der Nähe der Endlagen seiner Bahn befindet.

In Fig. 17 ist dargestellt, wie dieses Problem mit dem Grundge-65 danken der vorliegenden Erfindung überwunden wird. Die Lösung könnte kurz wie folgt definiert werden: Statt eine lange Stange vertikal zu verschieben, wird eine kurze Stange B ' längs einer Linie bewegt, die eine Sehne des Bogens darstellt, der von

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dem Steuerkurvenhebel F beschrieben wird. Wenn die Stange B ' längs der Bahn bewegt wird, wie in Fig. 17 durch die Pfeile angedeutet ist, führt dies zu einer Geometrie, die der nach Fig. 16 ähnelt, wird die Verwendung einer viel kürzeren Antriebsstange ermöglicht. Wenn der Winkel zwischen der Längsrichtung der Bewegung der Antriebsstange B ' und der Vertikalen konstant bleibt, bleibt auch die Bewegungsstrecke der Antriebsstange proportional zu dem Sinus des Winkels a. Es ist jedoch wichtig, dass die Oberfläche der Stange B' in einem solchen festen Winkel zu ihrer Bewegungsrichtung bleibt. Betrachtet man nun Fig. 17 so, dass die Bewegungsrichtung der Stange B ' in vertikaler Richtung angeordnet ist, so wird die praktische Anwendung der schematischen Darstellung der erfindungsgemässen, im folgenden beschriebenen Ausführungsform klar.

Eine Seitenwand des Gehäuses 10 enthält einen nach unten gerichteten Vorsprung 114 (siehe Fig. 15), an dem ein unterer Träger 116 mitels eines mit einem Gewinde versehenen Bolzens 118 und einer Mutter 120 angebracht ist. Ein identischer, oberer Träger 122 ist in ähnlicher Weise an dem oberen Ende des Gehäuses 10 befestigt und mit dem unteren Träger 116 ausgerichtet. Bei einer Ausführungsform werden diese Träger aus Acetal hergestellt. Zwischen den Trägern 116,122 wird vertikal eine Stahlführungsstange 124 gehaltert. Parallel zu der Führungsstange 124 ist zwischen den Trägern eine Schraubenwelle 126 angebracht, die auf ihrem mittleren Bereich zwischen dem oberen und unteren Träger eine Verstellschraube 128 aufweist. Die Bewegung der Verstellschraube nach oben wird durch eine Dichtungsscheibe 129 (siehe Fig. 7) begrenzt, die in Anlage an die Basis einer Aussparung 122a in dem Träger 122 kommt. Das untere Ende 130 der Welle 126 erstreckt sich unter den unteren Träger 116. Eine Feder 131 zwischen einer ähnlichen Aussparung 116a in dem Träger 116 und der Verstellschraube 128 will die Schraubenwelle 126 in der angehobenen Lage halten. Das obere Ende der Schraubenwelle 126 erstreckt sich durch und über den oberen Träger hinaus und trägt einen Wellenlängen-Auswahlknopf 132 (siehe Fig. 6).

Auf der Führungsstange 124 ist verschiebbar ein Gleitstück 134 aus Acetal mit einem zylindrischen Bereich 136 angebracht, der die Führungsstange 124 umgibt und auf der Führungsstange mittels eines Metallhülsenlagers 138 verschoben werden kann. Das untere Ende des Gleitstückes 134 trägt einen Betätigungslappen 140, der gemäss der Darstellung in Fig. 6 nach rechts vorsteht. Die Funktion dieses Lappens soll im folgenden beschrieben werden. Gemäss der Darstellung in Fig. 6 steht ausserdem von dem Gleitstück 134 nach links ein U-förmiger Anschlag 142 vor, der die Verstellschraube 128 umgibt und im Abstand von ihr angeordnet ist, wie man in Fig. 8 erkennen kann. Eine Schulter 144 steht vor dem Anschlag 142 nach unten und hinter der Verstellschraube 128 vor, wie man in Fig. 6 erkennen kann. Die Schulter 144 weist eine geneigte, lineare Steuerkur-ven-Oberfläche 146 auf, die nach unten gegen den Steuerkurvenhebel 112 des Antriebsarms 106 für das Gitter und gegen die Kraft der Feder 102 anliegt.

Insbesondere aus den Fig. 7 und 8 kann man erkennen, wie die Drehung der Verstellschraube 128 auf das Gleitstück 134 übertragen wird. Dabei sind die primären Elemente eine Antriebsmutter 148 auf der Verstellschraube 128, eine kardanische bzw. Gimbal-Scheibe 150 aus Nylon und ein schmaler Stahlstift 152, der parallel zu der Verstellschraube 128 von dem Anschlag 142 aus nach oben verläuft. Die Gimbal-Scheibe 150 ähnelt in vielen Beziehungen einer herkömmlichen Scheibe; sie unterscheidet sich jedoch in folgendem wesentlichen Punkt von herkömmlichen Scheiben: Ihre obere Oberfläche ist in Form von zwei geneigten Ebenen ausgebildet, die sich längs eines Durchmessers schneiden, so dass ein erhöhter Grat bzw. eine Kante 154 entsteht. Ihre untere Oberfläche ist in ähnlicher Weise ausgebildet, so dass ein diametraler Grat 156 entsteht, der um 90° zu dem Grat 154 versetzt ist. Die Scheibe 150 enthält auch ein Loch 158,

das locker den Stift 152 aufnimmt. Ein Loch 160 erstreckt sich ausserdem von der unteren Oberfläche der Antriebsmutter 148 nach oben, um das Ende des Stiftes 152 aufzunehmen und dadurch eine Drehung der Mutter zu verhindern. Um eine 5 Trennung bzw. Lockerung der Anordnung aus Anschlag, Scheibe und Mutter zu verhindern, ist eine Federklemme bzw. ein Federclip 162 vorgesehen, der zwei im Abstand voneinander angeordnete, L-förmige Federarme 164 aufweist; diese Federarme 164 sind so angeordnet, dass sie über der Mutter 148 liegen io und jeweils mit einem nach unten ragenden Finger 166 versehen sind, der mit einer der Flächen des Kopfes der Mutter in Eingriff kommt. Das untere Ende des Federclips 162 verengt sich sehr stark und ist gebogen, so dass ein kurzer Lappen 168 für den Eingriff mit dem Boden bzw. dem unteren Ende des Anschlags 15 bzw. des runden Vorsprungs 142 entsteht.

Im folgenden soll der Filterwechselmechanismus 16 erläutert werden, der in der Nähe der Vorderwand 12 des Gehäuses 10 angeordnet ist und einen vertikal verlängerten, gegossenen Filterträger 170 aus Nylon aufweist. Auf der hinteren Oberfläche 20 des Filterträgers 170 sind zwei vertikale, parallele Nuten 172 (siehe Fig. 15) ausgebildet, von denen jede einen der Führungsstifte 34 aufnimmt, die von dem Spaltpositionierblock 26 vorstehen. Der Träger 170 enthält ein langgestrecktes, vertikales Fenster 174, das durch frei erhöhte Rippen 176 begrenzt wird. 25 Zwischen den Rippen und über dem Fenster 174 sind zwei Filter 178,180 angebracht. Selbstverständlich können bei Bedarf weitere Filter hinzugefügt werden. Am unteren Ende des Fensters 174 ist ein Schlitz 182 vorgesehen, der ein Ende einer Schraubenfeder 184 in dem Gehäuse 10 aufnimmt (siehe Fig. 12). Das 30 gegenüberliegende Ende der Feder 184 ist mit einer Querstange 186 verbunden, die mit ihren Enden in ausgerichteten Schlitzen 188 in den gegenüberliegenden Seitenwänden des Gehäuses 10 angebracht ist. An dem unteren Ende des Filterträgers 170 ist ein

Loch 190 ausgebildet.

35 An dem unteren Ende der Stirnwand 12 des Gehäuses 10 ist ein Nylonträger 192 angebracht, der an seiner vorderen Oberfläche einen kleinen, abgerundeten Vorsprung 194 (siehe Fig. 6) trägt. Die Feder 194 hält den Filterträger 170 in einer Lage, in der er an diesem Vorsprung sowie an den Führungsstiften 34 anliegt. Die 40 Kurbelwelle 18 erstreckt sich über die Länge des Gehäuses 10 und wird bei ihrem hinteren Ende durch einen Lappen bzw. eine Öse 196 gehalten, der bzw. die von der Rückseite des Gehäuses 10 nach unten vorsteht. In der Nähe ihres vorderen Endes wird die Kurbelwelle 18 drehbar durch eine Öffnung 198 in dem 45 Träger 192 (siehe Fig. 15) gelagert. Der Bereich der Kurbelwelle 18, der sich vor dem Träger 192 befindet, ist in Form eines U gebogen, wie durch das Bezugszeichen200 angedeutet ist, wobei das Ende der Kurbelwelle 18 in das Loch 190 in dem Filterträger 170 eindringt. In der Nähe des Antriebs 14 für die Filter und/oder 50 das Gitter ist die Kurbelwelle 18 ebenfalls gebogen, so dass ein versetzter Kü'fbelbereich 202 (siehe Fig. 6) entsteht.

Aus Fig. 4 kann man erkennen, dass der obere Träger 122 und der untere Träger 116 jeweils ausgerichtete Schlitze 204,206 enthalten, die lose die jeweiligen oberen und unteren Enden 55 einer Steuerkurvenplatte 208 aufnehmen. Das obere Ende der Steuerkurvenplatte 208 ist relativ breit und trägt einen Stift 210 (siehe Fig. 7), der sich in einer Aussparung 212 erstreckt, die mit dem Schlitz 204 in Verbindung steht. Das untere Ende der Steuerkurvenplatte 208 weist eine Zunge 214 (siehe Fig. 13,14) 60 auf, die wesentlich schmaler als der Schlitz 206 ist und unter dem unteren Träger 116 an einer konisch zulaufenden Kante 216 endet. Die Steuerkurvenplatte 208 definiert einen vertikalen Schlitz 218, durch den sich der Betätigungslappen 140 an dem Gleitstück 134 erstreckt. Wie in den Figuren dargestellt ist, ist der 65 Schlitz 218 (treppenförmig) abgestuft, so dass zwei Steuerkurven-Schultern 220,222 entstehen. Die Steuerkurvenplatte 208 enthält auch einen seitlich vorstehenden Arm 224, der mit einer Bohrung versehen ist, so dass er in dieser Bohrung den Kurbelbe

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reich 202 der Kurbelwelle 18 durchgehend aufnehmen kann.

Eine Schraubenfeder226 ist zwischen dem oberen Träger 122 und dem oberen Ende des Schlitzes 218 in der Steuerkurvenplatte angeordnet. An dem unteren Ende der Einstellwelle 126 ist ein schwenkbares Teil («Flipper») 228 aus Nylon angebracht, so dass es sich mit ihr dreht. Das schwenkbare Teil 228 enthält einen aus der Mitte versetzten Schlitz, der einen relativ dünnen, elastischen Finger 228a bildet. Die Länge des schwenkbaren Teils 228 reicht aus, um den Abstand von dem unteren Ende 130 der Schraubenwelle zu der Zunge 214 an der Steuerkurvenplatte 208 zu überspannen.

Im folgenden soll die Funktionsweise des erfindungsgemässen Monochromators beschrieben werden.

Fig. 12 stellt den Strahlengang durch den Monochromator nach der vorliegenden Erfindung dar. Die Strahlung von einer äusseren Quelle wird an dem Eintrittsspalt 38 abgebildet. Das Licht von dem Eintrittsspalt fällt auf den kollimierenden Spiegel 52. Die kollimierte bzw. parallel gerichtete, den Spiegel verlassende Strahlung fällt auf die Oberfläche 58 des Gitters, wo sie gebeugt und auf herkömmliche Weise reflektiert wird. Die gebeugte Strahlung wird durch den Spiegel 52 erneut abgebildet, so dass ein ausgewählter Teil dieser Strahlung den Monochromator an dem Austrittsspalt 40 verlässt.

Im folgenden soll der Antrieb für das Gitter beschrieben werden.

Die Wellenlänge der den Monochromator verlassenden Strahlung wird mittels des Wellenlängen-Auswahlknopfes 132 gesteuert. Bei der Drehung dieses Knopfes bewegt sich die Antriebsmutter 148, die durch den Stift 152 an einer Drehung gehindert wird, auf der Einstellschraube 128 nach oben oder nach unten und nimmt dabei das Gleitstück 134 mit, das durch den Steuerkurvenhebel 112 an dem federgespannten Antriebsarm 106 vertikal nach oben gegen die Mutter 148 vorgespannt wird. Wie oben unter Bezugnahme auf Fig. 8 erläutert wurde, befindet sich die Gimbal-Scheibe 150 zwischen dem runden Vorsprung 142 und der Antriebsmutter 148 und kann sich ebenfalls nicht drehen, da eine Rotation durch den Stift 152 verhindert wird. Wegen der Grate 154,156 wirkt diese Scheibe wie eine kardanische Aufhängung, um Schwingungen mit verschiedenen Frequenzen, Unregelmässigkeiten und andere Nicht-Linearitäten in der Bewegung der Nut 148 auszumitteln und damit zu dämpfen, die durch etwaige Ungenauigkeiten in der Einstellschraube 128 verursacht werden. Etwaige Abweichungen von dem geraden Verlauf (Krümmungen) der Schraube werden durch die Schwenkbewegung um den Stift 152 in eine Richtung und durch das Gleitstück 134 aufgenommen, das um die Führungsstange 124 in die andere Richtung geschwenkt werden kann. Die Verwendung dieser neuen Konstruktion bietet auch eine relativ preisgünstige und nicht mit extremer Toleranz gefertigte Verstellschraube die Genauigkeit, die normalerweise nur eine sehr viel kostspieligere und exakte Verstellschraube hat. Der Clip 162 dient dazu, eine etwaige Lockerung bzw. Lösung der verschiedenen Elemente des Antriebs zu verhindern.

Es wird angenommen, dass die Funktionsweise des Sinusstan-gen-Antriebsmechanismus für das Gitter aus der obigen Beschreibung in Verbindung mit Fig. 16 und 17 verständlich geworden ist. Wie dort erwähnt wurde, ist die geneigte Steuer-kurven-Oberfläche 146 viel kürzer als die horizontalen bzw. waagrechten Steuerkurven-Oberflächen, die bei den Monochromatoren nach dem Stand der Technik verwendet wurden. In beiden Fällen ergeben sich jedoch die gleichen Resultate, dass nämlich die lineare Bewegung der Oberfläche und damit die

Drehung des Knopfs 132 proportional zu dem Sinus des Winkels ist, um den sich das Gitter dreht.

Im folgenden soll die Lagerung des Gitters beschrieben werden.

5 Die oben in Verbindung mit Fig. 11 erläuterte Lagerung des Gitters ermöglicht die exakte, anfängliche Einstellung des Gitters. Die Justierung der vertikalen Einstellschraube 76 gegen den Einstellappen 64 bewirkt, dass das Gitter um den Stift 66 geneigt wird. Die Justierung der horizontalen Einstellschraube 78 dreht io das Gitter um die Querstange 74. Die Wirkung der Federn 102 und 96 zieht die Gitterwelle 72 nach oben in den V-förmigen Bereich 88 der Schlitze 86, so dass sich ein exakter Zweipunktsitz ergibt und keine weiteren Lager erforderlich sind.

Im folgenden soll die Filterauswahl beschrieben werden.

Der Filterwechselmechanismus ist so ausgelegt, dass bei ausgewählten Lagen des Gitters die Filter automatisch ausgewechselt werden. Dies wird aus den Fig. 4, 5,13,14 und 15 ersichtlich.

Dabei soll zunächst auf Fig. 5 Bezug genommen werden; hier 20 ist der Filterträger 170 in seiner untersten Lage dargestellt, so dass sich das obere Filter 178 über dem Eintrittsspalt befindet. In dieser Lage wird das U-förmige Ende 200 der Kurbelwelle 18 nach unten bewegt, wie ebenfalls dargestellt ist. Gleichzeitig wird der Betätigungslappen 140 des Gleitstückes 134 zu der in Fig. 4 25 dargestellten Lage angehoben, so dass er sich durch den oberen Bereich des Schützes 218 in der Steuerkurvenplatte 208 und über die obere Steuerkurvenschulter220 erstreckt. Wenn die Schraubenwelle 126 gedreht wird, um das Gleitstück 134 nach unten zu bewegen, verschiebt sich auch der Lappen 140 nach unten, bis er 30 in Anlage an die oberste Steuerkurvenschulter 220 kommt, wie in Fig. 13 dargestellt ist. Die fortgesetzte Drehung der Schraube bewirkt, dass der Lappen 140 die Steuerkurvenplatte 208 gegen die Kraft der Feder 226 nach unten drückt, wodurch sich die konische Kante 216 der Zunge 214 in die Bahn des schwenkbaren 35 Teils 228 vorschiebt.

Wenn der elastische Finger228a des schwenkbaren Teils bzw. «Flippers» 228 die Zunge 214 berührt, drückt er ihn, gemäss der Darstellung in Fig. 14, nach rechts. Der auf den Kurbelbereich 202 der Kurbelwelle 18 wirkende Arm224 der Steuerkurven-40 platte 208 bewirkt, dass er sich in Richtung gegen den Uhrzeigersinn, gemäss der Darstellung in Fig. 14, oder in Richtung des Uhrzeigersinns, gemäss der Darstellung in Fig. 5 und 15, dreht. Die Kurbelwelle 18 bewegt sich also in die in Fig. 15 gezeigte Lage, wodurch der Filterträger 170 angehoben wird, um den 45 unteren Filter 180 über dem Eintrittsspalt anzuordnen. In ähnlicher Weise kann die untere Schulter 222 der Steuerkurvenplatte 208 dazu verwendet werden, ein weiteres, drittes Filter über dem Eintrittsspalt anzuordnen. In der umgekehrten Richtung der Drehung der Verstellschraube fallen die Schultern 220,222 von so dem Betätigungslappen 140 ab.

Schliesslich soll noch auf den Spaltpositionierblock eingegangen werden.

Oben wurde erläutert, dass der Spaltpositionierblock 26 von dem Gehäuse 10 des Monochromators getrennt und in der 55 Öffnung 20 in der Stirnwand 12 angeordnet ist. Der Grund hierfür ist, dass die Positionierung der Spaltplatte, nämlich im Brennpunkt des kollimierenden Spiegels 52, ein sehr kritischer Parameter eines solchen Monochromators ist. Mittels der hier erläuterten Anordnung kann der Spaltpositionierblock 26 in 60 einer sehr exakt definierten Lage angeordnet werden, wobei ein Klebstoff, wie beispielsweise Epoxidharz, verwendet wird, nachdem der kollimierende Spiegel 52 in dem Gehäuse angebracht ist.

M

8 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

1. 647 326

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Monochromator, mit einem Gehäuse mit einem Eintrittsspalt und mit einem Austrittsspalt für die Strahlung, mit einer die Strahlung von dem Eintrittsspalt kollimierenden Anordnung in dem Gehäuse, mit einer optischen Gitteranordnung für die Zerlegung der kollimierten Strahlung nach Wellenlängen und mit einer Anordnung für die Ausstrahlung eines ausgewählten Teils der zerlegten Strahlung aus dem Austrittsspalt, dadurch gekennzeichnet, dass die die Strahlung ausstrahlende Anordnung umfasst wenigstens ein optisches Filter (178,180), eine Anordnung (18,170) zur wahlweisen Positionierung des optischen Filters (178,180) in dem Strahlengang der den Austrittsspalt (40) verlassenden Strahlung, eine drehbare Halterung (56) für die optische Gitteranordnung (54) und eine Anordnung zur Drehung dieser Halterung (56) mit einem Steuerkurvenarm (106), der mit der Halterung (56) zur Drehung mit ihr um eine Achse verbunden ist und ein der Steuerkurve (146) folgendes Kurvenfolgeelement (112) aufweist, das in einer vorgegebenen Armlänge von der Drehachse der Halterung (56) angeordnet ist, so dass es sich bei der Drehung des Steuerkurvenarmes (106) um die Achse längs eines Bolzens bewegt, wobei die Armlänge der Hypotenuse eines rechtwinkligen Dreieckes entspricht, das den Drehwinkel der Halterung (56) enthält sowie eine Anordnung (134,142) mit einer beweglichen Steuerkurve (146), die so angeordnet ist, dass sie den Steuerkurvenarm (106) um eine Strecke, die proportional zu dem Sinus dieses Winkels ist, vor-bzw. rückwärts bewegt und eine Einrichtung (128,148,150,162), welche die Steuerkurve (106) so nach vorne und nach hinten bewegt, dass sie gleichzeitig im wesentlichen längs des gesamten Bogens verschoben wird, den das Kurvenfolgeelement (112) durchläuft.
2. 2. Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Bewegung nach vorne und nach hinten eine eine lineare Führung (124) definierende Einrichtung und eine Positionierungseinrichtung (128) aufweist, welche wahlweise die die Steuerkurvenoberfläche (146) definierende Einrichtung (142) längs der linearen Führung positioniert.
3. 3. Monochromator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungseinrichtung eine drehbare Versteilschraube (128), die im wesentlichen parallel zu der linearen Führung (124) verläuft, und eine auf die Drehung der Versteilschraube (128) ansprechende Einrichtung (148,150) aufweist, um die die Steuerkurve (146) definierende Einrichtung (142) längs der linearen Führung (124) zu verschièben.
4. 4. Monochromator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Drehung der Verstellschraube (128) ansprechende Einrichtung eine Antriebsmutter (148) auf der Verstellschraube (128), ein kardanisches Element (150) zwischen und im Kontakt mit der Antriebsmutter (148) und der die Steuerkurve (146) definierenden Einrichtung (142) und eine Einrichtung (152) aufweist, welche die Drehung der Antriebsmutter (148) und des kardanischen Elementes (150) relativ zu der die Steuerkurvenoberfläche (146) definierenden Einrichtung (142) verhindert.
5. 5. Monochromator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das kardanische Element eine ringförmige Scheibe (150) mit einer ersten Fläche, die einen ersten, diametralen, im Kontakt mit der Antriebsmutter (148) befindlichen Grat (154) bildet, und mit einer zweiten Fläche aufweist, die einen zweiten, diametralen, im Kontakt mit der die Steuerkurvenoberfläche (146) definierenden Einrichtung (142) gehaltenen Grat (156) aufweist, der im wesentlichen senkrecht zu dem ersten Grat (154) verläuft.
6. 6. Monochromator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Flächen der Scheibe (150) jeweils erste und zweite geneigte Ebenen aufweisen, die sich schneiden, wobei die Schnittlinie den jeweiligen Grat (154,156) bildet.
7. 7. Monochromator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die die Drehung verhindernde Einrichtung einen Stift (152) aufweist, der sich in die Antriebsmutter (148), das kardanische Elemente (150) und die die Steuerkurvenoberfläche (146) definierende Einrichtung (142) erstreckt, wobei der Stift (152) im wesentlichen parallelzu der Drehachse der Verstellschraube (128) verläuft.
8. 8. Monochromator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierungsanordnung für die optischen Filter (178,180) eine Halterungseinrichtung (170), die alternativ das Filter in einer ersten Lage in dem Strahlengang und in einer zweiten Lage ausserhalb des Strahlenganges haltert, und eine Betätigungseinrichtung (18,208) aufweist, welche die Halterungseinrichtung (170) in Abhängigkeit von der Bewegung der Steuerkurvenoberfläche (146) zwischen der ersten und der zweiten Lage verstellt.
9. 9. Monochromator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung eine Steuerkurvenplatte (208) umfasst, die hin- und herbewegbar in der Nähe der linearen Führung (124) und im wesentlichen parallel zu dieser angebracht ist und eine weitere Steuerkurve (218) definiert, ein von der die Steuerkurve (146) definierenden Einrichtung (142) getragenes Betätigungsglied (140), das in dieser weiteren Steuerkurve (218) bewegbar ist, wobei wenigstens eine durch die Steuerkurve (218) gebildete Steuerkurvenschulter (220) so angeordnet ist, dass das Betätigungsglied (140) mit dieser in Berührung bringbar ist, um die Steuerkurvenplatte (208) aus einer ersten in eine zweite Lage hin- und herzubewegen, weiterhin eine von der Verstellschraube (128) zur Drehung mit ihr getragene Einrichtung (228,228a), die so angeordnet ist, dass sie die Steuerkurvenplatte (208) berührt, wenn sie in die zweite Lage bewegt wird, und diese ausserdem im wesentlichen senkrecht zur Richtung ihrer Hin- und Herbewe-gungin eine dritte Lage verschiebt, und eine auf die Bewegung der Steuerkurvenplatte in die dritte Lage ansprechende Einrichtung (224,18) zur Betätigung der Filterhalterungseinrichtung (170) zwischen ihrer ersten und ihrer zweiten Lage.
10. 10. Monochromator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die dritte Lage der Kurvenplatte (208) ansprechende Einrichtung eine Kurbelwelle (18) aufweist.
11. 11. Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drehbare Halterung für die Gitteranordnung (54) eine drehbare Welle (72), eine an der Welle (72) angebrachte Querstange (74), einen Tragblock (56) für das Gitter (54) mit einer vorderen Oberfläche, die das optische Gitter (54) haltert, und einer hinteren Oberfläche, eine erste und zweite, im Abstand voneinander angeordnete Schwenkeinrichtung (60,62) zur schwenkbaren Halterung der hinteren Oberfläche des Tragblockes (56) gegen die Querstange (74) auf gegenüberliegenden Seiten der Welle (72), eine längs der Welle im Abstand von der Querstange angeordnete Einrichtung (78), welche den Tragblock (56) in einer Drehbewegung um die Querstange (74) an der Schwenkeinrichtung (60,62) justiert, eine Einrichtung (64,66, 76) die den Tragblock (56) in einer Kippbewegung längs der Welle um eine Achse justiert, die im wesentlichen gegenseitig senkrecht zu der Welle (72) und zu der Querstange (74) ist und eine Einrichtung (80) aufweist, die den Tragblock (56) elastisch an der Welle (72) und der Querstange (74) haltert.
12. 12. Monochromator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Drehjustierung eine Schraube (78) aufweist.
13. 13. Monochromator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Justierung mittels der Kippbewegung eine Schraube (76) aufweist.
14. 14. Monochromator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Befestigungseinrichtung eine Klemmfeder (80) aufweist.

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