DE102014113354B4 - Method for spectrometry and spectrometer - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Spektrometrie an einer Probe (12) mit den Schritten Bereitstellen der Probe (12) in Form einer chemischen Substanz (14) zwischen mindestens zwei flächigen Abschnitten aus einem Verpackungsmaterial (15, 16, 17), Bestrahlen der Probe (12) mit elektromagnetischer Strahlung (2) mit einer Mehrzahl von Frequenzen oder einem Frequenzband aus einem Frequenzbereich von 1 GHz bis 30 THz, wobei die elektromagnetische Strahlung (2) unter einem Einfallswinkel α auf einen der flächigen Abschnitte aus Verpackungsmaterial (15, 16, 17) auftrifft, und frequenzaufgelöstes Erfassen eines Maßes für die Intensität der unter dem Einfallswinkel auf die Probe (12) gestrahlten und durch die Probe (12) transmittierten oder von der Probe (12) reflektierten elektromagnetischen Strahlung (2) als ein Spektrum,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zusätzlich die Schritte umfasst:
Bestimmen einer Art des Verpackungsmaterials (15, 16, 17) der Probe (12), Bestimmen eines mittleren Brewster-Winkels ΘB,Mittel für Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art bei einer Frequenz aus dem Frequenzbereich mit den Schritten Bestimmen eines Maximalwerts ΘB,max für den Brewster-Winkel von Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art,
Bestimmen eines Minimalwerts ΘB,min für den Brewster-Winkel von Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art und
Berechnen eines mittleren Brewster-Winkels ΘB,Mittel für Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art als Θ B , M i t t e l = Θ B , m i n + Θ B , m a x 2

Figure DE102014113354B4_0001

und
Einstellen des Einfallswinkels α, so dass gilt α = ΘB,Mittel.
Figure DE102014113354B4_0000
Method for spectrometry on a sample (12) comprising the steps of providing the sample (12) in the form of a chemical substance (14) between at least two planar sections of a packaging material (15, 16, 17), irradiating the sample (12) with electromagnetic Radiation (2) having a plurality of frequencies or a frequency band from a frequency range of 1 GHz to 30 THz, wherein the electromagnetic radiation (2) at an incident angle α on one of the flat sections of packaging material (15, 16, 17) impinges, and frequency-resolved acquisition of a measure of the intensity of the electromagnetic radiation (2) emitted at the angle of incidence on the sample (12) and transmitted through the sample (12) or reflected by the sample (12) as a spectrum,
characterized in that the method additionally comprises the steps of:
Determining a type of packaging material (15, 16, 17) of the sample (12), determining a mean Brewster angle Θ B, means for packaging materials (15, 16, 17) of this type at a frequency in the frequency domain, with the steps of determining Maximum value Θ B, max for the Brewster angle of packaging materials (15, 16, 17) of this type,
Determining a minimum value Θ B, min for the Brewster angle of packaging materials (15, 16, 17) of this type and
Calculating a mean Brewster angle Θ B, means for packaging materials (15, 16, 17) of this kind as Θ B . M i t t e l = Θ B . m i n + Θ B . m a x 2
Figure DE102014113354B4_0001

and
Adjusting the angle of incidence α such that α = Θ B, mean .
Figure DE102014113354B4_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Spektrometrie an einer Probe mit den Schritten, Bereitstellen der Probe in Form einer chemischen Substanz zwischen mindestens zwei flächigen Abschnitten aus einem Verpackungsmaterial, Bestrahlen der Probe mit elektromagnetischer Strahlung und einer Mehrzahl von Frequenzen oder einem Frequenzband aus einem Frequenzbereich von 1 GHz bis 30 THz, wobei die elektromagnetische Strahlung unter einem Einfallswinkel α auf einen der flächigen Abschnitte aus Verpackungsmaterial auftrifft, und frequenzaufgelöstes Erfassen eines Maßes für die Intensität der unter dem Einfallswinkel auf die Probe gestrahlten und durch die Probe transmittierten oder von der Probe reflektierten elektromagnetischen Strahlung als ein Spektrum.The present invention relates to a method for spectrometry on a sample comprising the steps of providing the sample in the form of a chemical substance between at least two planar sections of a packaging material, irradiating the sample with electromagnetic radiation and a plurality of frequencies or a frequency band from a frequency range of 1 GHz to 30 THz, wherein the electromagnetic radiation impinges on one of the flat sections of packaging material at an angle of incidence α, and frequency-resolved detection of a measure of the intensity of the radiated at the angle of incidence on the sample and transmitted through the sample or reflected from the sample electromagnetic Radiation as a spectrum.

In einem Frequenzbereich elektromagnetischer Strahlung zwischen einem 1 GHz und 30 THz, auch als Terahertz-Frequenzbereich oder ferninfraroter Frequenz- oder Spektralbereich bezeichnet, sind viele Materialien, wie zum Beispiel Papier, Pappe, Keramik und eine Reihe von Kunststoffen, transparent und können durchleuchtet werden. Daraus ergeben sich potentielle Anwendungen insbesondere für bildgebende Systeme in der Qualitätskontrolle, Verpackungskontrolle, Sicherheitskontrolle sowie für die Überwachung chemischer Reaktionen.In a frequency range of electromagnetic radiation between 1 GHz and 30 THz, also referred to as terahertz frequency range or far-infrared frequency or spectral range, many materials, such as paper, paperboard, ceramics and a variety of plastics, are transparent and can be screened. This results in potential applications in particular for imaging systems in quality control, packaging control, security control and for the monitoring of chemical reactions.

Dabei entspricht die Frequenz von 1 THz einer Wellenlänge der elektromagnetischen Welle von 300 µm und einer Photonenenergie von 4,14 meV bzw. von 33 Wellenzahlen. Die Strahlung ist mithin nicht ionisierend und trifft anders als beispielsweise Röntgenstrahlung am anderen Ende des elektromagnetischen Spektrums, nicht auf gesundheitliche Vorbehalte.The frequency of 1 THz corresponds to a wavelength of the electromagnetic wave of 300 μm and a photon energy of 4.14 meV or 33 wave numbers. The radiation is therefore non-ionizing and unlike, for example, X-radiation at the other end of the electromagnetic spectrum, it does not encounter health concerns.

Systeme, die in dem genannten Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums arbeiten, werden jedoch nicht nur zum Zwecke der Bildgebung, sondern auch zur Identifizierung von chemischen Substanzen, d.h. zur Spektrometrie, verwendet. Es hat sich nämlich gezeigt, dass bestimmte chemische Substanzen, beispielsweise solche, die wie Anthrax oder Sprengstoff sicherheitsrelevant sind, in dem genannten Frequenzbereich charakteristische Absorptionsbanden aufweisen. Gelingt es, ein Spektrum, d.h. ein frequenzaufgelöstes Maß für die Intensität der von einer chemischen Substanz reflektierten oder durch diese transmittierten elektromagnetischen Strahlung im genannten Frequenzbereich aufzunehmen, so kann dieses Spektrum mit bekannten Referenzspektren, die beispielsweise in einer Datenbank gespeichert sind, verglichen werden und die Substanz dadurch identifiziert werden.However, systems operating in said frequency range of the electromagnetic spectrum are used not only for the purpose of imaging but also for the identification of chemical substances, i. for spectrometry. It has in fact been found that certain chemical substances, for example those which are safety-relevant, such as anthrax or explosives, have characteristic absorption bands in the aforementioned frequency range. If it succeeds, a spectrum, i. To record a frequency-resolved measure of the intensity of the reflected or transmitted by a chemical substance electromagnetic radiation in said frequency range, this spectrum can be compared with known reference spectra, which are stored for example in a database, and the substance can be identified.

Von besonderem Interesse ist dabei die Identifizierung chemischer Substanzen in mehrlagigen Strukturen, so wie sie beispielsweise in Verpackungen, wie Kartons oder Briefumschlägen, vorliegen. Dabei hat es sich jedoch herausgestellt, dass selbst dann, wenn die in einer Verpackung enthaltene Substanz ein charakteristisches Spektrum in dem genannten Frequenzbereich aufweist, die Substanzen sich nicht immer eindeutig identifizieren lassen, da die Verpackung selbst zu Merkmalen, insbesondere Extinktionsmerkmalen, im Spektrum führt, welche die charakteristischen Absorptionen der eigentlichen chemischen Substanz überlagern.Of particular interest is the identification of chemical substances in multi-layered structures, such as those found in packaging such as cartons or envelopes. However, it has been found that even if the substance contained in a packaging has a characteristic spectrum in the aforementioned frequency range, the substances can not always be clearly identified, since the packaging itself leads to features, in particular extinction features, in the spectrum. which superimpose the characteristic absorptions of the actual chemical substance.

Die Veröffentlichung von S. Egert et al. „Spectroscopic study of containers and their content using high-resolution THz system“, IEEE Sensors Journal, Band 10, Nr. 3, S. 379-383, März 2010 offenbart ein THz-Spektrometer, bei welchem eine Probe unter dem Brewster-Winkel in der THz-Strahlung angeordnet ist.The publication of Egert et al. THz system, IEEE Sensors Journal, Vol. 10, No. 3, pp. 379-383, March 2010 discloses a THz spectrometer in which a sample is located at the Brewster angle in the THz radiation.

Die Veröffentlichung von R. Beigang et al. „Comparison ofterahertz technologies fordetection and identification of explosives“ Proceedings of SPIE, Band 9102 , offenbart einen Vergleich verschiedener THz Technologien zur Erfassung und Identifizierung einer Vielzahl von Explosivstoffen unter identischen Versuchsbedingungen.The publication by R. Beigang et al. "Comparison ofterahertz technologies fordetection and identification of explosives" Proceedings of SPIE, vol. 9102 discloses a comparison of various THz technologies for detecting and identifying a variety of explosives under identical experimental conditions.

Dem gegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Spektrometrie an einer chemischen Substanz in einer mehrlagigen Struktur sowie ein Spektrometer bereitzustellen, welche die Eindeutigkeit der Identifizierung einer chemischen Substanz in einer mehrlagigen Struktur anhand ihres Spektrums in dem genannten Frequenzbereich oder einem Ausschnitt daraus verbessern.In contrast, it is an object of the present invention to provide a method for spectrometry on a chemical substance in a multilayer structure and a spectrometer, which improve the uniqueness of the identification of a chemical substance in a multilayer structure on the basis of their spectrum in said frequency range or a section thereof ,

Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird gelöst durch ein Verfahren zur Spektrometrie an einer Probe mit den Schritten, Bereitstellen der Probe in Form einer chemischen Substanz zwischen mindestens zwei flächigen Abschnitten aus einem Verpackungsmaterial, Bestrahlen der Probe mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Mehrzahl von Frequenzen oder einem Frequenzband aus einem Frequenzbereich von 1 GHz bis 30 THz, wobei die elektromagnetische Strahlung unter einem Einfallswinkel α auf einen der flächigen Abschnitte aus Verpackungsmaterial auftrifft, und frequenzaufgelöstes Erfassen eines Maßes für die Intensität der unter dem Einfallswinkel auf die Probe gestrahlten und durch die Probe transmittierten oder von der Probe reflektierten elektromagnetischen Strahlung als ein Spektrum, -
wobei das Verfahren zusätzlich die Schritte umfasst: Bestimmen einer Art des Verpackungsmaterials (15, 16, 17) der Probe (12), Bestimmen eines mittleren Brewster-Winkels ΘB,Mittel für Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art bei einer Frequenz aus dem Frequenzbereich mit den Schritten Bestimmen eines Maximalwerts ΘB,max für den Brewster-Winkel von Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art, Bestimmen eines Minimalwerts ΘB,min für den Brewster-Winkel von Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art und Berechnen eines mittleren Brewster-Winkels ΘB,Mittel für Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art als Θ B , M i t t e l = Θ B , m i n + Θ B , m a x 2

Figure DE102014113354B4_0002
und Einstellen des Einfallswinkels α, so dass gilt α = ΘB,Mittel.At least one of the aforementioned objects is achieved by a method for spectrometry on a sample comprising the steps of providing the sample in the form of a chemical substance between at least two flat sections of a packaging material, irradiating the sample with electromagnetic radiation having a plurality of frequencies or one Frequency band from a frequency range of 1 GHz to 30 THz, wherein the electromagnetic radiation impinges on one of the flat portions of packaging material at an angle of incidence α, and frequency-resolved detecting a measure of the intensity of the irradiated at the angle of incidence on the sample and transmitted through the sample or electromagnetic radiation reflected from the sample as a spectrum,
the method additionally comprising the steps of: determining a type of packaging material ( 15 . 16 . 17 ) of the sample ( 12 ), Determining a mean Brewster angle Θ B, means for packaging materials ( 15 . 16 . 17 ) of this kind at a frequency from the Frequency range with the steps Determining a maximum value Θ B, max for the Brewster angle of packaging materials ( 15 . 16 . 17 ) of this kind, determining a minimum value Θ B, min for the Brewster angle of packaging materials ( 15 . 16 . 17 ) of this type and calculating a mean Brewster angle Θ B, means for packaging materials ( 15 . 16 . 17 ) of this kind as Θ B . M i t t e l = Θ B . m i n + Θ B . m a x 2
Figure DE102014113354B4_0002
and adjusting the angle of incidence α such that α = Θ B, mean .

Es ist die Grundidee der vorliegenden Erfindung, dass bei der Spektrometrie an einer chemischen Substanz zwischen zwei flächigen Abschnitten aus Verpackungsmaterial die flächigen Abschnitte aus Verpackungsmaterial aufgrund von Mehrfachreflexionen und den damit verbundenen Interferenzen Extinktionseffekte bei der frequenzaufgelösten Messung der Transmission oder Reflexion verursachen, die sich den eigentlichen charakteristischen Merkmalen des Spektrums der chemischen Substanz überlagern.It is the basic idea of the present invention that in the spectrometry of a chemical substance between two flat sections of packaging material, the flat sections of packaging material due to multiple reflections and the associated interference cause extinction effects in the frequency-resolved measurement of transmission or reflection, which is the actual superimpose characteristic features of the spectrum of the chemical substance.

Diese Effekte sind jedoch aufgrund der Mehrlagigkeit des flächigen Verpackungsmaterials winkelabhängig. Diese Winkelabhängigkeit ist darauf zurückzuführen, dass die Reflexion an den flächigen Abschnitten aus Verpackungsmaterial ebenfalls winkelabhängig ist. Tritt keine Reflexion an den Abschnitten aus Verpackungsmaterial auf, so folgt daraus, dass auch keine Interferenzeffekte durch Mehrfachreflexion an den Abschnitten aus Verpackungsmaterial auftreten.However, these effects are dependent on the angle due to the multilayer nature of the flat packaging material. This angular dependence is due to the fact that the reflection on the flat sections of packaging material is also dependent on the angle. If no reflection occurs on the sections of packaging material, it follows that no interference effects due to multiple reflection occur on the sections of packaging material.

Treten keine Interferenzeffekte durch Mehrfachreflexionen an den beiden flächigen Abschnitten aus Verpackungsmaterial auf, so treten in dem erfassten Spektrum die charakteristischen Merkmale der chemischen Substanz zwischen den beiden flächigen Abschnitten aus Verpackungsmaterial deutlicher zu Tage.If there are no interference effects due to multiple reflections on the two flat sections of packaging material, the characteristic features of the chemical substance between the two flat sections of packaging material become more apparent in the detected spectrum.

Die Reflexionen an den flächigen Abschnitten aus dem Verpackungsmaterial sind dann minimiert, wenn der Einfallswinkel α der elektromagnetischen Strahlung gleich dem Brewster-Winkel ΘB des Verpackungsmaterials bei einer Frequenz aus dem Frequenzbereich der Hochfrequenzstrahlung ist.The reflections on the planar sections of the packaging material are then minimized if the angle of incidence α of the electromagnetic radiation is equal to the Brewster angle Θ B of the packaging material at a frequency from the frequency range of the high-frequency radiation.

Dies gilt insbesondere dann, wenn die elektromagnetische Strahlung, welche auf die Probe gestrahlt wird, linear polarisiert ist, wobei die Schwingungsebene der elektromagnetischen Strahlung parallel zur Einfallsebene der elektromagnetischen Strahlung (sogenannte p-Polarisation) ist.This applies in particular when the electromagnetic radiation which is radiated onto the sample is linearly polarized, the oscillation plane of the electromagnetic radiation being parallel to the plane of incidence of the electromagnetic radiation (so-called p-polarization).

Chemische Substanzen, welche sich mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder des erfindungsgemäßen Spektrometers erfassen lassen sind beispielsweise Drogen wie Heroin, Methamphetamin oder Extasy, Sprengstoffe wie PETN, RDX oder SEMTEX-H, Füll- und Streckmittel wie α-Laktose, Paracetamol oder Koffein, oder sogenannte Simulantien wie β-Laktose, p-Aminobenzoesäure (PABA), Weinsäure, Maltose.Chemical substances which can be detected with one embodiment of the method according to the invention and / or the spectrometer according to the invention are, for example, drugs such as heroin, methamphetamine or extasy, explosives such as PETN, RDX or SEMTEX-H, fillers and extenders such as α-lactose, paracetamol or Caffeine, or so-called simulants such as β-lactose, p-aminobenzoic acid (PABA), tartaric acid, maltose.

Dabei kann die chemische Substanz in einer Ausführungsform in Form eines geometrisch definierten Körpers, beispielsweise einer Tablette, aber alternativ auch als Pulver vorliegen.In one embodiment, the chemical substance may be present in the form of a geometrically defined body, for example a tablet, but alternatively also as a powder.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient insbesondere der Erfassung von Gefahrstoffen in Briefumschlägen und Päckchen. Dabei wird es der Normalfall sein, dass die Proben, welche dem erfindungsgemäßen spektroskopischen Verfahren unterzogen werden, keine sicherheitsrelevanten Substanzen enthalten, sondern dass zwischen den flächigen Abschnitten aus Verpackungsmaterial unkritische Materialien, bspw. Papier oder Luft, angeordnet sind. Auch diese fallen im Sinne der vorliegenden Anmeldung unter den Begriff der chemischen Substanz.The inventive method is used in particular for the detection of hazardous substances in envelopes and parcels. In this case, it will be the normal case that the samples which are subjected to the spectroscopic method according to the invention contain no safety-relevant substances, but that uncritical materials, for example paper or air, are arranged between the flat sections of packaging material. These also fall within the meaning of the present application under the concept of chemical substance.

Eine Probe im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist eine Struktur aus mindestens drei Schichten oder Lagen, nämlich den beiden flächigen Abschnitten aus Verpackungsmaterial und der chemischen Substanz dazwischen.A sample in the sense of the present application is a structure of at least three layers or layers, namely the two flat sections of packaging material and the chemical substance in between.

In einer Ausführungsform weist die Probe mindestens drei, vorzugsweise aber genau drei, Lagen oder Schichten auf, beispielsweise eine Lage der chemischen Substanz in einem Briefumschlag aus Papier als dem Verpackungsmaterial der flächigen Abschnitte.In one embodiment, the sample has at least three, but preferably exactly three, layers or layers, for example a layer of the chemical substance in a paper envelope as the packaging material of the flat sections.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn die Probe neben der chemischen Substanz eine Umverpackung aus einem dielektrischen Material, vorzugsweise aus Papier, Pappe, Kunststoff oder Kunststofffolie, oder aber aus einer Kombination dieser Materialien, umfasst.An embodiment of the method according to the invention is particularly useful if the sample in addition to the chemical substance comprises an outer packaging of a dielectric material, preferably of paper, cardboard, plastic or plastic film, or from a combination of these materials.

Besonders ausgeprägt lassen sich die Vorteile der vorliegenden Erfindung dann realisieren, wenn die Probe aus der chemischen Substanz und einer Umverpackung aus Papier oder Pappe besteht. Insbesondere geeignet ist eine Ausführungsform der Erfindung zur Spektrometrie an einer chemischen Substanz in einem Umschlag aus Papier oder Pappe, einem Umschlag aus Papier oder Pappe mit einem Sichtfenster, einem wattierten Umschlag aus Papier oder Pappe oder einem Umschlag, welcher Papier oder Pappe sowie eine Luftpolsterfolie umfasst.Particularly pronounced, the advantages of the present invention can be realized if the sample consists of the chemical substance and an outer packaging made of paper or cardboard. Particularly suitable is an embodiment of the invention for spectrometry on a chemical substance in an envelope made of paper or paperboard, an envelope made of paper or cardboard with a viewing window, a padded envelope made of paper or cardboard or an envelope comprising paper or paperboard and a bubble wrap ,

Ein flächiger Abschnitt im Sinne der vorliegenden Anmeldung ist jeder Materialabschnitt, der dazu geeignet ist, eine Reflexion der elektromagnetischen Strahlung zu bewirken, sodass zusammen mit einer entsprechenden Reflektion von einem zweiten solchen flächigen Abschnitt aus Verpackungsmaterial ein Interferenzeffekt auftritt. Dies ist insbesondere gegeben für ebene flächige Abschnitte. In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Probe mindestens zwei ebene flächige Abschnitte auf, die im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Diese Bedingung ist im Sinne der vorliegenden Anmeldung beispielsweise bei einem Umschlag aus Papier oder Pappe erfüllt.A planar section in the sense of the present application is any section of material which is suitable for causing a reflection of the electromagnetic radiation, so that together with a corresponding reflection from a second such flat portion of packaging material an interference effect occurs. This is especially given for flat planar sections. In one embodiment of the invention, the sample has at least two flat planar sections, which are arranged substantially parallel to one another. This condition is met in the context of the present application, for example, in an envelope made of paper or cardboard.

Während Ausführungsformen denkbar sind, bei welchen die Probe zwei flächige Abschnitte aus jeweils einem Verpackungsmaterial aufweist, wobei sich die Verpackungsmaterialien der beiden flächigen Abschnitte voneinander unterscheiden, bestehen in einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die beiden flächigen Abschnitte aus dem gleichen Verpackungsmaterial.While embodiments are conceivable in which the sample has two flat sections each of a packaging material, wherein the packaging materials of the two flat sections differ from each other, in a particularly preferred embodiment of the invention, the two flat sections of the same packaging material.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Probe aus einer chemischen Substanz und genau zwei flächigen Abschnitten aus einem Verpackungsmaterial gebildet. Die Probe wird dann beispielsweise durch Eintüten der chemischen Substanz in einen Umschlag bereitgestellt. Es sind jedoch Ausführungsformen denkbar, bei welchen die Umverpackung mehr als zwei flächige Abschnitte aus einem Verpackungsmaterial umfasst.In one embodiment of the invention, the sample is formed from a chemical substance and exactly two flat sections from a packaging material. The sample is then provided by, for example, bagging the chemical substance into an envelope. However, embodiments are conceivable in which the outer packaging comprises more than two flat sections of a packaging material.

Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Terahertz-Frequenzbereich (THz-Frequenzbereich) ein Frequenzbereich von 1 GHz bis 30 THz, vorzugsweise jedoch ein Frequenzbereich von 100 GHz bis 5 THz, verstanden.For the purposes of the present application, the terahertz frequency range (THz frequency range) is understood as meaning a frequency range from 1 GHz to 30 THz, but preferably a frequency range from 100 GHz to 5 THz.

Um das charakteristische (Absorptions-)Spektrum einer chemischen Substanz erfassen zu können, ist es notwendig, die Substanz entweder mit einer Mehrzahl von voneinander verschiedenen Frequenzen oder einem ganzen Frequenzband aus dem genannten Frequenzbereich zu bestrahlen, wobei das Frequenzband auch den gesamten Frequenzbereich umfassen kann.In order to be able to detect the characteristic (absorption) spectrum of a chemical substance, it is necessary to irradiate the substance either with a plurality of mutually different frequencies or with an entire frequency band from the said frequency range, wherein the frequency band can also cover the entire frequency range.

Um die Spektren aufzunehmen, ist es erforderlich, ein Maß für die Intensität der unter dem Einfallswinkel auf die mehrlagige Struktur geleiteten und entweder durch die mehrlagige Struktur transmittierten oder von der mehrlagigen Struktur reflektierten elektromagnetischen Strahlung frequenzaufgelöst zu erfassen.In order to record the spectra, it is necessary to measure in a frequency-resolved manner a measure of the intensity of the electromagnetic radiation guided at the angle of incidence onto the multilayer structure and either transmitted through the multilayered structure or reflected by the multilayered structure.

Während es für die Realisierung der grundlegenden Idee der vorliegenden Erfindung zunächst unerheblich ist, ob das Spektrum der Probe in einer Reflexionsgeometrie oder in einer Transmissionsgeometrie erfasst wird, ist in einer Ausführungsform eine Transmissionsgeometrie, bei welcher sich die Probe zwischen einer Quelle für die elektromagnetische Strahlung und einem Detektor für die transmittierte Strahlung befindet, bevorzugt. In Transmissionsgeometrie sind die Absorptionslinien der zu identifizierenden chemischen Substanz ausgeprägter.While it is initially irrelevant to the realization of the basic idea of the present invention whether the spectrum of the sample is detected in a reflection geometry or in a transmission geometry, in one embodiment a transmission geometry in which the sample is located between a source for the electromagnetic radiation and a detector for the transmitted radiation is preferred. In transmission geometry, the absorption lines of the chemical substance to be identified are more pronounced.

Insbesondere dann, wenn die Messung bei dem Brewster-Winkel des Verpackungsmaterials oder mit nur sehr geringer Abweichung davon erfolgt, d.h. im Wesentlichen ohne dass Reflexionen an dem Verpackungsmaterial auftreten, ist das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Spektroskopie in Reflexionsgeometrie geeignet.In particular, when the measurement is made at the Brewster angle of the packaging material or with very little deviation therefrom, i. essentially without reflections on the packaging material, the method according to the invention is also suitable for spectroscopy in reflection geometry.

Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird der Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung auf die Probe immer als Abweichung zum Lot auf der Oberfläche eines der flächigen Abschnitte aus Verpackungsmaterial gemessen.For the purposes of the present application, the angle of incidence of the electromagnetic radiation on the sample is always measured as a deviation from the solder on the surface of one of the flat sections of packaging material.

Geht man von kollimierter, auf die Probe auftreffender elektromagnetischer Strahlung aus, so ist der Einfallswinkel im Sinne der vorliegenden Anmeldung der Winkel zwischen dem Lot auf dem flächigen Abschnitt aus Verpackungsmaterial in dem von der elektromagnetischen Strahlung bestrahlten Oberflächenbereich der Probe und einer Geraden parallel zur Ausbreitungsrichtung der kollimierten Strahlung.Assuming collimated electromagnetic radiation impinging on the sample, the angle of incidence for the purposes of the present application is the angle between the solder on the planar section of packaging material in the surface region of the sample irradiated by the electromagnetic radiation and a straight line parallel to the propagation direction of the sample collimated radiation.

Bei auf die Probe fokussierter elektromagnetischer Strahlung wird unter dem Einfallswinkel im Sinne der vorliegenden Anmeldung der Winkel zwischen dem Lot auf der Oberfläche der Probe bzw. deren Verpackungsmaterial und der Symmetrieachse des grob als Kegel beschreibbaren fokussierten Strahls der elektromagnetischen Strahlung verstanden.In the case of electromagnetic radiation focused on the sample, the angle of incidence in the context of the present application is understood to mean the angle between the solder on the surface of the sample or its packaging material and the axis of symmetry of the focused beam of the electromagnetic radiation which can be roughly described as a cone.

Unter einem Maß für die Intensität der elektromagnetischen Strahlung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere die Intensität der Strahlung selbst, aber auch das elektrische Feld der Strahlung, dessen Quadrat proportional zu der Intensität ist, verstanden.For the purposes of the present invention, a measure of the intensity of the electromagnetic radiation is understood in particular to mean the intensity of the radiation itself, but also the electric field of the radiation whose square is proportional to the intensity.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist das erfasste Spektrum ein Extinktionsspektrum, bei dem die Extinktion der elektromagnetischen Strahlung durch die Probe mit der chemischen Substanz gegen die Frequenz aufgetragen ist.In one embodiment of the invention, the detected spectrum is an absorbance spectrum in which the absorbance of the electromagnetic radiation through the chemical substance sample is plotted against the frequency.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann es zweckmäßig sein, wenn der Einfallswinkel α für jede Probe, deren Spektrum mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erfasst werden soll, individuell eingestellt wird. Dies setzt voraus, dass man zunächst das Verpackungsmaterial der flächigen Abschnitte der Probe analysiert, um dessen Brewster-Winkel zu bestimmen. In einer solchen Ausführungsform ist es dann zweckmäßig, wenn der Einfallswinkel gleich dem Brewster-Winkel des Verpackungsmaterials bei einer Frequenz aus dem Frequenzbereich ist.In one embodiment of the invention it may be expedient if the angle of incidence α is set individually for each sample whose spectrum is to be detected by means of the method according to the invention. This assumes that one first analyzes the packaging material of the flat sections of the sample in order to determine its Brewster angle. In such an embodiment, it is useful if the angle of incidence is equal to the Brewster angle of the Packaging material is at a frequency in the frequency range.

Gemäß der Erfindung soll jedoch ein und derselbe Einfallswinkel für eine Vielzahl von Proben verwendet werden. Dies unter der Voraussetzung, dass alle zu erfassenden Proben zwei flächige Abschnitte aus Verpackungsmaterial aufweisen, wobei alle Verpackungsmaterialien der zu spektroskopierenden Proben einen ähnlichen Brechungsindex in dem gewählten Frequenzbereich aufweisen und damit einen ähnlichen Brewster-Winkel. Zwei typische Arten von Verpackungsmaterial im Sinne der vorliegenden Anmeldung sind bspw. Papier und Pappe auf der einen Seite und Kunststoffe auf der anderen Seite.However, according to the invention, one and the same angle of incidence should be used for a plurality of samples. This is provided that all samples to be detected have two flat sections of packaging material, all packaging materials of the samples to be spectroscopically having a similar refractive index in the selected frequency range and thus a similar Brewster angle. Two typical types of packaging material in the context of the present application are, for example, paper and cardboard on one side and plastics on the other side.

Es wird zunächst die Art des Verpackungsmaterials der Probe bestimmt. Diese Bestimmung der Art des Verpackungsmaterials der zur spektroskopierenden Proben kann dabei in einer Ausführungsform der Erfindung dann erfolgen, wenn festgelegt wird, auf welche Proben mit welcher Art von flächigen Abschnitten aus einem Verpackungsmaterial das Verfahren grundsätzlich angewendet werden soll. Alternativ kann die Art des Verpackungsmaterials für jede individuellen Probe, die zur Spektroskopie ansteht, bestimmt und daraufhin der Einfallswinkel eingestellt werden. Ist die Art des Verpackungsmaterials der zu spektroskopierenden Probe bestimmt, so wird ein mittlerer Brewster-Winkel für Verpackungsmaterialien dieser Art bestimmt und der Einfallswinkel α so eingestellt, dass der Einfallswinkel α gleich dem mittleren Brewster-Winkel ΘB,Mittel ist.First, the type of packaging material of the sample is determined. In one embodiment of the invention, this determination of the type of packaging material for the specimen to be spectroscopically can then take place when it is determined to which samples with which type of areal sections of a packaging material the method is to be applied in principle. Alternatively, the type of packaging material for each individual sample pending for spectroscopy may be determined and then the angle of incidence may be adjusted. If the type of packaging material of the sample to be analyzed is determined, then a mean Brewster angle for packaging materials of this type is determined and the angle of incidence α is set so that the angle of incidence α is equal to the mean Brewster angle Θ B, average .

Es versteht sich, dass der auf diese Weise eingestellte Einfallswinkel α vom tatsächlichen Brewster-Winkel ΘB der konkreten zur spektroskopierenden Probe um ± 15° abweichen kann. Allerdings ist diese Abweichung des mittleren Brewster-Winkels ΘB,Mittel, vom tatsächlichen Brewster-Winkel ΘB des Verpackungsmaterials der konkreten Probe gering genug, dass immer noch die Vorteile einer Annäherung des Einfallswinkels an den tatsächlichen Brewster-Winkel ΘB realisiert werden.It is understood that the angle of incidence α set in this manner can deviate from the actual Brewster angle Θ B of the specific sample to be spectroscopically by ± 15 °. However, this deviation of the average Brewster angle Θ B, average , from the actual Brewster angle Θ B of the packaging material of the concrete sample is low enough that the advantages of approximating the angle of incidence to the actual Brewster angle Θ B are still realized.

Das Bestimmen eines mittleren Brewster-Winkels ΘB,Mittel für Verpackungsmaterialien einer Art umfasst zudem die folgenden Schritte: Bestimmen eines Maximalwerts ΘB,max für den Brewster-Winkel der Verpackungsmaterialien dieser Art, Bestimmen eines Minimalwerts ΘB,min für den Brewster-Winkel der Verpackungsmaterialien dieser Art und Berechnen eines mittleren Brewster-Winkels ΘB,Mittel für Verpackungsmaterialien dieser Art als Θ B , M i t t e l = Θ B , m i n + Θ B , m a x 2 .

Figure DE102014113354B4_0003
The determination of a mean Brewster angle Θ B, means for packaging materials of one kind, further comprises the following steps: determining a maximum value Θ B, max for the Brewster angle of the packaging materials of this kind, determining a minimum value Θ B, min for the Brewster angle the packaging materials of this type and calculating a mean Brewster angle Θ B, means for packaging materials of this kind as Θ B . M i t t e l = Θ B . m i n + Θ B . m a x 2 ,
Figure DE102014113354B4_0003

Ist die Art des Verpackungsmaterials bspw. „Papier und Pappe“ so beträgt der mittlere Brewster-Winkel ΘB,Mittel in einer Ausführungsform etwa 56°.If the type of packaging material is, for example, "paper and board", then the mean Brewster angle Θ B, means in one embodiment about 56 °.

In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren zusätzlich die Schritte: Vergleichen des erfassten Spektrums mit einem oder einer Mehrzahl von vorbestimmten und abgespeicherten Vergleichsspektren und Identifizieren der chemischen Substanz.In an embodiment of the invention, the method additionally comprises the steps of: comparing the detected spectrum with one or a plurality of predetermined and stored comparison spectra and identifying the chemical substance.

Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird auch durch ein Spektrometer für die Spektrometrie an einer chemischen Substanz in einer Probe gelöst, wobei das Spektrometer ausgestattet ist mit einer Quelle für elektromagnetische Strahlung mit einer Mehrzahl von Frequenzen oder einem Frequenzband aus einem Frequenzbereich von 1 GHz bis 30 THz, einem Detektor zum frequenzaufgelösten Erfassen eines Maßes für die Intensität der unter einem Einfallswinkel auf die Probe geleiteten und durch die Probe transmittierten oder von der Probe reflektierten elektromagnetischen Strahlung als einem Spektrum und der Probe in Form der chemischen Substanz zwischen mindestens zwei flächigen Abschnitten aus einem Verpackungsmaterial, wobei das Spektrometer (1) eine Steuereinrichtung (11) aufweist und das Spektrometer (1) so eingerichtet ist, dass der Einfallswinkel α, unter welchem die elektromagnetische Strahlung (2) auf die Probe (12) auftrifft, durch die Steuereinrichtung (11) einstellbar ist, wobei die Steuereinrichtung (11) so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Spektrometers (1) nach einer Eingabe einer Art des Verpackungsmaterials (15, 16, 17) in die Steuereinrichtung (11) einen mittleren Brewster-Winkel ΘB,Mittel für Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art bei einer Frequenz aus dem Frequenzbereich bestimmt, wobei der mittleren Brewster-Winkels ΘB,Mittel für Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art berechnet ist als Θ B , M i t t e l = Θ B , m i n + Θ B , m a x 2 ,

Figure DE102014113354B4_0004
wobei ΘB,max ein Maximalwert für den Brewster-Winkel von Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art ist und ΘB,min ein Minimalwert für den Brewster-Winkel von Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art ist, und wobei die Steuereinrichtung (11) so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Spektrometers (1) den Einfallswinkel α so einstellt, dass gilt α = ΘB,Mittel.At least one of the aforementioned objects is also achieved by a spectrometer for spectrometry on a chemical substance in a sample, the spectrometer being equipped with a source of electromagnetic radiation having a plurality of frequencies or a frequency band from a frequency range of 1 GHz to 30 THz, a detector for frequency-resolved detection of a measure of the intensity of the guided at an angle of incidence on the sample and transmitted through the sample or reflected by the sample electromagnetic radiation as a spectrum and the sample in the form of the chemical substance between at least two planar sections of a Packaging material, the spectrometer ( 1 ) a control device ( 11 ) and the spectrometer ( 1 ) is arranged so that the angle of incidence α, under which the electromagnetic radiation ( 2 ) to the test ( 12 ), by the control device ( 11 ) is adjustable, wherein the control device ( 11 ) is set up to operate in the operation of the spectrometer ( 1 ) after inputting one type of packaging material ( 15 . 16 . 17 ) into the control device ( 11 ) a mean Brewster angle Θ B, means for packaging materials ( 15 . 16 . 17 ) of this type is determined at a frequency from the frequency range, wherein the average Brewster angle Θ B, means for packaging materials ( 15 . 16 . 17 ) of this kind is calculated as Θ B . M i t t e l = Θ B . m i n + Θ B . m a x 2 .
Figure DE102014113354B4_0004
where Θ B, max is a maximum value for the Brewster angle of packaging materials ( 15 . 16 . 17 ) of this kind and Θ B, min is a minimum value for the Brewster angle of packaging materials ( 15 . 16 . 17 ) of this type, and wherein the control device ( 11 ) is set up to operate in the operation of the spectrometer ( 1 ) sets the angle of incidence α such that α = Θ B, mean .

Während das erfindungsgemäße Spektrometer mit jeder Art von Quelle und Detektor realisiert werden kann, welche es ermöglichen, gleichzeitig oder nacheinander verschiedene Frequenzen aus dem Frequenzbereich von 1 GHz bis 30 THz auf die Probe zu leiten und zu erfassen, eignen sich in besonderer Weise optoelektronische Ansätze zur kohärenten Erzeugung und Detektion der Terahertz-Strahlung für die Realisierung des erfindungsgemäßen Spektrometers.While the spectrometer according to the invention can be realized with any type of source and detector, which make it possible to simultaneously and successively different frequencies from the frequency range of 1 GHz to 30 THz to the sample to conduct and detect, in a special way optoelectronic approaches to coherent generation and detection of the terahertz radiation for the realization of the spectrometer according to the invention.

Um ein solches optoelektronisches Spektrometer mit einer Quelle und einem Detektor für den Frequenzbereich von 1 GHz bis 30 THz zu realisieren, weist dieses einen Laser, ein erstes optoelektronisches Hochfrequenzbauteil als Quelle sowie ein zweites optoelektronisches Hochfrequenzbauteil als Detektor für die elektromagnetische Strahlung und einen Strahlteiler, welcher so eingerichtet und angeordnet ist, dass er im Betrieb des Spektrometers einen Teil der von dem Laser emittierten elektromagnetischen Strahlung auf das erste Hochfrequenzbauteil leitet und einen Teil der von dem Laser emittierten elektromagnetischen Strahlung auf das zweite Hochfrequenzbauteil leitet, auf.To such an optoelectronic spectrometer with a source and a detector for the frequency range of 1 GHz to 30 THz too this has a laser, a first optoelectronic high-frequency component as a source and a second optoelectronic high-frequency component as a detector for the electromagnetic radiation and a beam splitter, which is arranged and arranged so that it is part of the electromagnetic radiation emitted by the laser during operation of the spectrometer leads to the first high-frequency component and directs a portion of the electromagnetic radiation emitted by the laser to the second high-frequency component, on.

In einer Ausführungsform eines solchen Spektrometers ist der Laser ein Laser zur Erzeugung ultrakurzer elektromagnetischer Impulse vorzugsweise mit einer Impulsdauer von 150 fs oder weniger.In one embodiment of such a spectrometer, the laser is a laser for generating ultrashort electromagnetic pulses, preferably with a pulse duration of 150 fs or less.

Das erste und das zweite optoelektronische Hochfrequenzbauteil als Quelle bzw. Detektor für die elektromagnetische Strahlung in einem Frequenzbereich von 1 GHz bis 30 THz ist in einer Ausführungsform jeweils alternativ ein photoleitfähiger Schalter oder ein elektrooptischer Kristall. Bei Verwendung eines elektrooptischen Kristalls werden die nicht-linearen Effekte im Kristall ausgenutzt, um aus der elektromagnetischen Strahlung des Lasers die elektromagnetische Strahlung in dem Frequenzbereich von 1 GHz bis 30 THz zu erzeugen.The first and second high-frequency optoelectronic components as electromagnetic radiation source and detector in a frequency range of 1 GHz to 30 THz are each alternatively a photoconductive switch or an electro-optic crystal in one embodiment. When using an electro-optic crystal, the non-linear effects in the crystal are exploited to generate from the electromagnetic radiation of the laser, the electromagnetic radiation in the frequency range of 1 GHz to 30 THz.

Bei der Verwendung eines photoleitfähigen oder photokonduktiven Schalters, gegebenenfalls in Kombination mit jeweils einer daran angeschlossenen Antenne, bewirkt das Auftreffen eines kurzen elektromagnetischen Impulses auf den photoleitfähigen Schalter bei einer entsprechenden elektrischen Vorspannung des Hochfrequenzbauteils einen kurzen Stromimpuls in dem Bauteil und somit die Abstrahlung eines breitbandigen Pulses im Terahertz-Frequenzbereich. Der kurze elektromagnetische Impuls des Lasers auf der Detektorseite dient demgegenüber dazu, den Detektor mit Hilfe des photoleitfähigen Schalters kurzzeitig zu Gaten, und so das elektrische Feld der gleichzeitig auf das Hochfrequenzbauteil des Detektors auftreffenden elektromagnetischen Strahlung im THz-Frequenzbereich messbar zu machen. Misst man an den Zuleitungen des photoleitfähigen Schalters des als Detektor verwendeten Hochfrequenzbauteils einen Strom, so lässt sich das Feld der elektromagnetischen Terahertz-Strahlung, welches auf das Hochfrequenzbauteil auftrifft, zeitaufgelöst erfassen.When using a photoconductive or photoconductive switch, optionally in combination with an antenna connected thereto, the impact of a short electromagnetic pulse on the photoconductive switch at a corresponding electrical bias of the high-frequency component causes a short pulse of current in the component and thus the emission of a broadband pulse in the terahertz frequency range. By contrast, the short electromagnetic pulse of the laser on the detector side serves to briefly gate the detector with the aid of the photoconductive switch, thus making it possible to measure the electric field of the electromagnetic radiation impinging on the high-frequency component of the detector in the THz frequency range. If a current is measured at the supply lines of the photoconductive switch of the high-frequency component used as the detector, then the field of the electromagnetic terahertz radiation which impinges on the high-frequency component can be detected in a time-resolved manner.

Das elektrische Feld der auf den Detektor auftreffenden elektromagnetischen THz-Strahlung treibt Ladungsträger in Längsrichtung über den Schalter. Dabei ist ein Stromfluss nur dann möglich, wenn gleichzeitig der photoleitfähige Schalter geschlossen ist, das heißt, der Schalter mit elektromagnetischer Strahlung des Lasers bestrahlt wird. Da der zum Schalten des photoleitfähigen Schalters verwendete elektromagnetische Impuls kurz gegenüber dem Zeitverlauf des elektrischen Feldes des von dem Detektor empfangenen Impulses im THz-Frequenzbereich ist, lässt sich das elektrische Feld des THz-Signals zeitaufgelöst abtasten bzw. messen, indem ein Zeitversatz zwischen dem auf den Schalter auftreffenden THz-Impuls und dem zum Schalten des photoleitfähigen Schalters verwendeten elektromagnetischen Impuls eingeführt und während der Messung variiert wird.The electric field of the electromagnetic THz radiation impinging on the detector drives charge carriers in the longitudinal direction over the switch. In this case, a current flow is only possible if at the same time the photoconductive switch is closed, that is, the switch is irradiated with electromagnetic radiation of the laser. Since the electromagnetic pulse used to switch the photoconductive switch is short of the time course of the electric field of the pulse received by the detector in the THz frequency range, the electric field of the THz signal can be time-resolved sampled by taking a time offset between the THz pulse striking the switch and the electromagnetic pulse used to switch the photoconductive switch are introduced and varied during the measurement.

Das so erfasste zeitaufgelöste elektromagnetische Feld lässt sich durch Fourier-Transformation in ein entsprechendes frequenzaufgelöstes Spektrum umwandeln.The time-resolved electromagnetic field thus detected can be converted by Fourier transformation into a corresponding frequency-resolved spectrum.

Es versteht sich, dass das Spektrometer in einer Ausführungsform mit einem photoleitfähigen Schalter als Detektor für die THz-Strahlung einen geeigneten Strom- oder Spannungsverstärker aufweist, welcher zum Erfassen der Ströme über den Schalter des Detektors mit diesem verbunden ist.It should be understood that in one embodiment, the spectrometer includes a photoconductive switch for detecting the THz radiation, a suitable current or voltage amplifier connected to it for detecting the currents through the switch of the detector.

Das optoelektronische Spektrometer mit den erfindungsgemäßen Hochfrequenzbauteilen lässt sich jedoch alternativ zu einem Laser mit kurzen elektromagnetischen Impulsen auch mit monochromatischer Laserstrahlung betreiben. Dazu stellt dann ein Laser oder auch zwei miteinander gekoppelte Laser zwei Laserfrequenzen mit einem Frequenzabstand, der gleich der zur Spektrometrie zu verwendenden elektromagnetischen Strahlung in dem Frequenzbereich von 1 GHz bis 30 GHz ist, bereit. Diese werden räumlich überlagert. Das so entstehende elektromagnetische Schwebungssignal wird auf die optoelektronischen Hochfrequenzbauteile als Quelle und Detektor geben. Das Schwebungssignal erzeugt hier dann monochromatische elektromagnetische Strahlung im THz-Bereich.However, the optoelectronic spectrometer with the high-frequency components according to the invention can also be operated with monochromatic laser radiation as an alternative to a laser with short electromagnetic pulses. For this purpose, a laser or even two lasers coupled together then provide two laser frequencies with a frequency spacing equal to the electromagnetic radiation to be used for the spectrometry in the frequency range from 1 GHz to 30 GHz. These are spatially superimposed. The resulting electromagnetic beating signal will be applied to the optoelectronic high frequency components as source and detector. The beat signal generates monochromatic electromagnetic radiation in the THz range.

In einer solchen Ausführungsform wird die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung im THz-Bereich durch Abstimmung der Differenzfrequenz zwischen den beiden von dem oder den Lasern generierten elektromagnetischen Strahlungsanteilen eingestellt bzw. durchgestimmt.In such an embodiment, the frequency of the electromagnetic radiation in the THz range is set or tuned by tuning the difference frequency between the two electromagnetic radiation components generated by the one or more lasers.

Das Spektrometer weist eine Steuereinrichtung auf und das Spektrometer ist so eingerichtet, dass der Einfallswinkel, unter dem die elektromagnetische Strahlung auf die Probe auftrifft, durch die Steuereinrichtung einstellbar ist, wobei die Steuerreinrichtung so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Spektrometers nach einer Eingabe einer Art des Verpackungsmaterials in die Steuereinrichtung einen mittleren Brewster-Winkel ΘB,Mittel für Verpackungsmaterialien dieser Art bestimmt und den Einfallswinkel α so einstellt, dass gilt α = ΘB,Mittel.The spectrometer has a control device and the spectrometer is set up such that the angle of incidence at which the electromagnetic radiation impinges on the sample can be set by the control device, wherein the control device is set up in such a way that, after the input of a Type of packaging material in the control means a mean Brewster angle Θ B, means for packaging materials of this type determined and the angle of incidence α adjusted so that α = Θ B, means .

Dabei kann die Eingabe der Art des Verpackungsmaterials der Probe insbesondere von einem Benutzer erfolgen. Für die Bestimmung des mittleren Brewster-Winkels ΘB,Mittel für die Art von Verpackungsmaterial bietet es sich an, dass die Steuereinrichtung einen Speicher aufweist, in welchem die mittleren Brewster-Winkel für verschiedene Arten von Verpackungsmaterialien gespeichert bzw. hinterlegt sind. In this case, the input of the type of packaging material of the sample can be done in particular by a user. For the determination of the average Brewster angle Θ B, means for the type of packaging material, it is recommended that the control means have a memory in which the average Brewster angles are stored for different types of packaging materials.

Dabei ist es grundsätzlich für die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Spektrometers unerheblich, ob zum Einstellen des Einfallswinkels die Probe gegenüber der Quelle und dem Detektor verschwenkt wird, sodass sich der Einfallswinkel ändert oder ob die Anordnung aus Quelle und Detektor gegenüber der feststehenden Probe gedreht wird.It is basically irrelevant to the operation of the spectrometer according to the invention, whether to adjust the angle of incidence, the sample is pivoted relative to the source and the detector, so that the angle of incidence changes or if the arrangement of source and detector with respect to the fixed sample is rotated.

Ein relatives Drehen oder Verschwenken zwischen Quelle und Detektor einerseits und der Probe andererseits lässt sich in einer Ausführungsform zum Einen mechanisch dadurch bewirken, dass die Probe oder die Anordnung aus Quelle und Detektor gegeneinander gedreht werden. Es sind jedoch auch rein elektronische Ausführungsformen möglich, bei welchen der Einfallswinkel über eine elektronische Strahlsteuerung, beispielsweise mit Hilfe eines Phased Array erreicht wird.In one embodiment, relative rotation or pivoting between the source and the detector on the one hand and the sample on the other hand can be effected mechanically on the one hand by rotating the sample or the arrangement of source and detector with respect to one another. However, purely electronic embodiments are also possible in which the angle of incidence is achieved via an electronic beam control, for example with the aid of a phased array.

Soweit zuvor Aspekte der Erfindung im Hinblick auf das erfindungsgemäße Spektrometer beschrieben wurden, so gelten diese auch für das entsprechende Verfahren zur Spektrometrie an einer chemischen Substanz in einer mehrlagigen Struktur und umgekehrt. Soweit das Verfahren mit einem Spektrometer gemäß dieser Erfindung ausgeführt wird, so weist dieses die entsprechenden Einrichtungen hierfür auf. Insbesondere sind Ausführungsformen des Spektrometers zum Ausführen der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens geeignet.As far as aspects of the invention have been described above with regard to the spectrometer according to the invention, these also apply to the corresponding method for spectrometry on a chemical substance in a multilayer structure and vice versa. As far as the method is carried out with a spectrometer according to this invention, this has the corresponding facilities for this purpose. In particular, embodiments of the spectrometer are suitable for carrying out the previously described embodiments of the method.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren deutlich.

  • 1 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein Spektrometer gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt eine graphische Darstellung der erfassten Extinktion der Probe aus 1 in Abhängigkeit von der Frequenz bei einem Einfallswinkel, der gleich dem mittleren Brewster-Winkel für die Art des Verpackungsmaterials der Probe ist.
  • 3 zeigt zum Vergleich eine grafische Darstellung der erfassten Extinktion der Probe aus 1 in Abhängigkeit von der Frequenz bei einem Einfallswinkel von 0°.
Further advantages, features and applications of the present invention will become apparent from the following description of an embodiment and the associated figures.
  • 1 shows a schematic plan view of a spectrometer according to the present invention.
  • 2 shows a graphical representation of the detected absorbance of the sample 1 depending on the frequency at an angle of incidence equal to the average Brewster angle for the type of packaging material of the sample.
  • 3 shows for comparison a graphical representation of the detected absorbance of the sample 1 as a function of the frequency at an angle of incidence of 0 °.

1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Spektrometers 1, bei welchem die elektromagnetische Hochfrequenzstrahlung 2 in einem Frequenzbereich von 1 GHz bis 30 THz mit photoleitfähigen Schaltern als Quelle 3 und Detektor 4 für die Hochfrequenzstrahlung 2 erzeugt und erfasst wird. 1 schematically shows the structure of a spectrometer according to the invention 1 in which the electromagnetic high-frequency radiation 2 in a frequency range of 1 GHz to 30 THz with photoconductive switches as a source 3 and detector 4 for the high-frequency radiation 2 is generated and recorded.

Herzstück des dargestellten Spektrometers 1 ist ein Laser 5 zur Erzeugung kurzer elektromagnetischer Impulse 6 im infraroten Spektralbereich. Die Impulsdauer der von dem Laser 5 erzeugten Impulse beträgt etwa 100 fs. Jeder von dem Laser 5 erzeugte Impuls 6 wird an einem Strahlteiler 7 in zwei räumlich getrennte Impulse 8, 9 etwa gleicher Leistung aufgeteilt. Dabei sind die Weglängen der optischen und Hochfrequenzsignale auf dem Pfad von dem Strahlteiler 7 und die Quelle 3 zu dem Detektor 4 einerseits und von dem Strahlteiler 7 über eine Verzögerungsstrecke 10 zu dem Detektor 4 andererseits so eingerichtet, dass das Hochfrequenzsignal 2 gleichzeitig mit den zweiten Teil 8 des Impulses 6, dessen erster Teil 9 die Erzeugung des Hochfrequenzimpulses 2 in der Quelle 3 bewirkt hat, auf den Detektor 4 auftrifft.At the heart of the spectrometer shown 1 is a laser 5 for generating short electromagnetic pulses 6 in the infrared spectral range. The pulse duration of the laser 5 generated pulses is about 100 fs. Everyone from the laser 5 generated pulse 6 is at a beam splitter 7 into two spatially separated impulses 8th . 9 split about the same power. The path lengths of the optical and high frequency signals are on the path from the beam splitter 7 and the source 3 to the detector 4 on the one hand and from the beam splitter 7 over a delay line 10 to the detector 4 on the other hand set up so that the high-frequency signal 2 simultaneously with the second part 8th of the impulse 6 , its first part 9 the generation of the high-frequency pulse 2 in the source 3 has caused the detector 4 incident.

In der dargestellten Ausführungsform bestehen die Quelle 3 und der Detektor 4 jeweils aus einem Hochfrequenzbauteil, welches als photoleitfähiger Schalter mit jeweils einer Antenne für die Hochfrequenzstrahlung 2 ausgestaltet ist.In the illustrated embodiment, the source is 3 and the detector 4 each of a high-frequency component, which as a photoconductive switch, each with an antenna for the high-frequency radiation 2 is designed.

Jedes der Hochfrequenzbauteile 3, 4 verfügt über eine Dipolstruktur als Antenne. Jeder der Dipolantennen weist in ihrer Mitte eine Unterbrechung auf, welche zusammen mit einem unter der Antennenstruktur liegenden photoleitenden Halbleitersubstrat einen photoleitfähigen Schalter bildet. Die von dem Laser 5 erzeugte elektromagnetische Strahlung in Form kurzer Impulse 6 wird auf diese photoleitfähigen Schalter fokussiert. Dabei ist es alternativ auch möglich die von dem Laser 5 erzeugte elektromagnetische Strahlung mit Hilfe optischer Lichtleitfasern auf die photoleitfähigen Schalter zu leiten. In einer solchen Ausführungsform ist es ggf. notwendig, die Dispersion, welche die einzelnen Impulse in der Faser erfahren vorzukompensieren.Each of the high frequency components 3 . 4 has a dipole structure as an antenna. Each of the dipole antennas has an interruption at its center which, together with a photoconductive semiconductor substrate underlying the antenna structure, forms a photoconductive switch. The one from the laser 5 generated electromagnetic radiation in the form of short pulses 6 is focused on these photoconductive switches. It is alternatively possible that of the laser 5 generate generated electromagnetic radiation by means of optical fibers on the photoconductive switch. In such an embodiment, it may be necessary to pre-compensate the dispersion experienced by the individual pulses in the fiber.

Sowohl die Quelle 3 als auch der Detektor 4 weisen für die jeweilige Dipolantenne jeweils zwei Zuleitungen auf.Both the source 3 as well as the detector 4 each have two leads for the respective dipole antenna.

In der dargestellten Ausführungsform ist das Halbleitersubstrat für den photoleitfähigen Schalter ein bei niedrigen Temperaturen gewachsenes Galliumarsenid mit kurzen Ladungsträgerlebenszeit bzw. Ladungsträgereinfangzeiten.In the illustrated embodiment, the semiconductor substrate for the photoconductive switch is a low-lived gallium arsenide with short carrier lifetime or charge carrier trapping times.

Im Betrieb des Spektrometers 1 wird an das als Quelle 3 verwendete Hochfrequenzbauteil eine rechteckförmig modulierte Vorspannung über die Zuleitungen der Antenne angelegt. Dabei dient die rechteckförmige Modulation dazu, die elektromagnetische Strahlung detektorseitig mit Hilfe eines Lock-In-Verstärkers erfassen zu können, dessen Referenzsignal an die Modulation der Vorspannung der Quelle 3 phasengekoppelt ist. Durch das kurzzeitige schließen des photoleitfähigen Schalters wird ein kurzer Stromimpuls über die Antenne bewirkt, welcher zur Abstrahlung eines breitbandigen Hochfrequenzimpulses 2 von der Antenne führt.In operation of the spectrometer 1 gets to that as a source 3 used high-frequency component a rectangular-modulated bias voltage applied via the leads of the antenna. The rectangular modulation is used to detect the electromagnetic radiation detector side with the aid of a lock-in amplifier, whose reference signal to the modulation of the bias of the source 3 is phase locked. The short-term closure of the photoconductive switch causes a brief current pulse through the antenna, which causes the emission of a broadband high-frequency pulse 2 from the antenna leads.

Betrachtet man das detektorseitig verwendete Hochfrequenzbauteil 4, so wird dort der über die Antenne und den von dieser gebildeten photoleitfähigen Schalter fließende Strom erfasst bzw. gemessen. Zu diesem Zweck ist das Hochfrequenzbauteil 4 mit einer Steuereinrichtung und Auswerteeinrichtung 11 verbunden. Diese wird im vorliegenden Fall von einem herkömmlichen Industrie-PC gebildet.Considering the high-frequency component used on the detector side 4 , the current flowing through the antenna and the photoconductive switch formed by it is detected or measured there. For this purpose, the high-frequency component 4 with a control device and evaluation device 11 connected. This is formed in the present case of a conventional industrial PC.

Dabei führt das auf die Antenne des Detektors 4 auftreffende elektromagnetische Feld des Hochfrequenzimpulses 2 zu einem Treiben von Ladungsträgern über die Antenne bzw. den Schalter und damit zu einem Strom. Allerdings kann der Strom über die Antenne nur in dem Moment fließen, wenn der photoleitfähige Schalter durch das Eintreffen eines elektromagnetischen Impulses 8 des Lasers 5 geschlossen ist. Da der elektromagnetische Impuls, welcher zum Schließen des photoleitfähigen Schalters detektorseitig verwendet wird, zeitlich kurz gegenüber dem auf die Antenne auftreffenden Hochfrequenzimpuls ist, kann durch Verschieben der Ankunftszeiten der beiden relativ zueinander mit Hilfe der Verzögerungsstrecke 10 das elektrische Feld des Hochfrequenz-Impulses 2 zeitlich aufgelöst abgetastet werden. Dieses zeitlich aufgelöste elektrische Feld des elektromagnetischen Hochfrequenzimpulses 2 kann mit Hilfe einer Fourier-Transformation in ein Intensitätsspektrum im Frequenzraum übertragen werden.This leads to the antenna of the detector 4 impinging electromagnetic field of high frequency pulse 2 to a driving of charge carriers via the antenna or the switch and thus to a stream. However, the current through the antenna can flow only at the moment when the photoconductive switch by the arrival of an electromagnetic pulse 8th the laser 5 closed is. Since the electromagnetic pulse used to close the photoconductive switch on the detector side is short in time to the high frequency pulse impinging on the antenna, by shifting the arrival times of the two relative to one another by means of the delay line 10 the electric field of the high frequency pulse 2 be scanned temporally resolved. This time-resolved electric field of the electromagnetic radio-frequency pulse 2 can be transmitted by means of a Fourier transformation into an intensity spectrum in the frequency domain.

In der dargestellten Ausführungsform des Spektrometers 1 aus 1 ist die Probe 12 auf einem Probenhalter 13 angeordnet.In the illustrated embodiment of the spectrometer 1 out 1 is the sample 12 on a sample holder 13 arranged.

Bei der Probe 12 handelt es sich in diesem Beispiel um eine Tablette 14 aus p-Aminobenzoesäure (PABA) mit einer Flächendichte von 0,1 mg/mm2. Diese PABA-Tablette ist in zwei Papiertüten 15, 16 sowie einen Briefumschlag 17 eingebettet. PABA dient als Modellsubstanz für andere, sicherheitsrelevante Substanzen bei der Erprobung von Spektrometern zur Erkennung von sicherheitsrelevanten chemischen Substanzen. PABA 14 bildet die zu erfassende chemische Substanz im Sinne der vorliegenden Anmeldung. Die Papiertüten 15, 16 sowie der Briefumschlag bilden insgesamt sechs flächige Abschnitte aus Verpackungsmaterial im Sinne der vorliegenden Anmeldung. Dabei ist PABA 14 zwischen drei flächigen Abschnitten auf der einen und drei flächigen Abschnitten des Verpackungsmaterials 15, 16, 17 auf der anderen Seite eingebettet.In the sample 12 this is a tablet in this example 14 from p-aminobenzoic acid (PABA) with a surface density of 0.1 mg / mm 2 . This PABA tablet is in two paper bags 15 . 16 as well as an envelope 17 embedded. PABA serves as a model substance for other, safety-relevant substances in the testing of spectrometers for the detection of safety-relevant chemical substances. PABA 14 forms the chemical substance to be detected within the meaning of the present application. The paper bags 15 . 16 as well as the envelope form a total of six flat sections of packaging material in the context of the present application. This is PABA 14 between three flat sections on the one and three flat sections of the packaging material 15 . 16 . 17 embedded on the other side.

Der Einfallswinkel α ist bei der dargestellten Ausführungsform des Spektrometers 1 aus 1 so eingestellt, dass er dem mittleren Brewster-Winkel ΘB,Mittel für Papier entspricht. Der Einfallswinkel α beträgt hier 56°.The angle of incidence α is in the illustrated embodiment of the spectrometer 1 out 1 adjusted so that it corresponds to the middle Brewster angle Θ B, means for paper. The angle of incidence α is 56 ° here.

Dabei wurde der mittlere Brewster-Winkel ΘB,Mittel für Papier als einer Art von Verpackungsmaterials der Probe 12 dadurch bestimmt, dass die Werte für den minimalen und den maximalen Brewster-Winkel ΘB,min, ΘB,max addiert und durch zwei geteilt wurden. Zwar kann der tatsächliche Brewster-Winkel für das Material des Briefumschlags 17 bzw. der Papiertüten 15, 16 der Probe 12 von diesem mittleren Brewster-Winkel ΘB,Mittel geringfügig abweichen, jedoch werden die Vorteile der Minimierung der Reflexionen in den Oberflächen des Verpackungsmaterials 15, 16, 17 dennoch realisiert.At this time, the average Brewster angle Θ B became mean for paper as a kind of packaging material of the sample 12 determined by adding the values for the minimum and maximum Brewster angles Θ B, min , Θ B, max and dividing by two. True, the actual Brewster angle for the material of the envelope 17 or the paper bags 15 . 16 the sample 12 from this mean Brewster angle Θ B, mean , however, the advantages of minimizing the reflections in the surfaces of the packaging material 15 . 16 . 17 nevertheless realized.

Es versteht sich, dass die Reflexionen an dem Verpackungsmaterial 15, 16, 17 nur dann minimiert werden können, wenn die auf die Probe 12 einfallende elektromagnetische Strahlung 2 p-polarisiert ist. D.h., dass die lineare Polarisation ist parallel zur Einfallsebene (der Ebene, die von dem Einfallslot und der Mittelachse der elektromagnetischen Strahlung 2 aufgespannt wird) orientiert. Zu diesem Zweck sind die abstrahlenden Dipole der Antennen der Quelle 3 und des Detektors 4 so ausgerichtet, dass sie ebenfalls parallel zur Einfallsebene und der Strahlung 2 liegen.It is understood that the reflections on the packaging material 15 . 16 . 17 can only be minimized when the on the sample 12 incident electromagnetic radiation 2 p-polarized. That is, the linear polarization is parallel to the plane of incidence (the plane defined by the incident slot and the central axis of the electromagnetic radiation 2 spanned). For this purpose, the radiating dipoles of the antennas of the source 3 and the detector 4 aligned so that they are also parallel to the plane of incidence and the radiation 2 lie.

In 2 ist nun das Extinktionsspektrum für eine Messung bei dem Einfallswinkel α von 56°, d.h. dem mittleren Brewster-Winkel ΘB,Mittel für die Art „Papier und Pappe“ des Verpackungsmaterials mit Hilfe des Spektrometers aus 1 dargestellt.In 2 is now the extinction spectrum for a measurement at the angle of incidence α of 56 °, ie the average Brewster angle Θ B, means for the type "paper and cardboard" of the packaging material using the spectrometer 1 shown.

Aufgetragen ist die Extinktion auf der y-Achse in beliebigen Einheiten sowie die Frequenz in Einheiten von THz auf der x-Achse. Deutlich erkennbar die für PABA charakteristischen Absorptionen bei etwa 0,6 THz und 0,8 THz.Plotted is the extinction on the y-axis in arbitrary units as well as the frequency in units of THz on the x-axis. Clearly visible are the absorptions characteristic of PABA at about 0.6 THz and 0.8 THz.

Das Spektrum aus 2 lässt sich einfach mit Referenzspektren, bspw. durch Korrelation, vergleichen und somit die erfasste chemische Substanz innerhalb des Verpackungsmaterials, vorliegend als PABA, identifizieren.The spectrum 2 can be easily compared with reference spectra, for example by correlation, and thus identify the detected chemical substance within the packaging material, in this case as PABA.

3 zeigt im Vergleich dazu ein Extinktionsspektrum, welches anders als in 1 dargestellt (und damit nicht erfindungsgemäß), bei einem Einfallswinkel α von 0°, d.h. bei senkrechter Inzidenz, gemessen wurde. Aufgrund der Mehrfachreflexionen an dem Verpackungsmaterial 15, 16, 17 sind insbesondere die charakteristischen Absorptionen der PABA-Tablette 14 bei 0,6 und 0,8 THz nicht identifizierbar, da sie von den Interferenzeffekten aufgrund der Mehrfachreflexion überlagert werden. 3 shows in comparison to an extinction spectrum, which is different than in 1 represented (and thus not according to the invention), at an angle of incidence α of 0 °, ie at a vertical incidence, was measured. Due to the multiple reflections on the packaging material 15 . 16 . 17 in particular are the characteristic absorptions of the PABA tablet 14 are not identifiable at 0.6 and 0.8 THz because they are superimposed by the interference effects due to multiple reflection.

In einer alternativen Ausführungsform des Spektrometers aus 1 ist der Probenhalter 13 ein Drehteller, welcher es ermöglicht, den Einfallswinkel α der elektromagnetischen Hochfrequenzstrahlung 2 auf die Probe 12 einzustellen. Diese Einstellung erfolgt in einer Ausführungsform mit Hilfe von Steuer- und Auswerteeinrichtung 11. Dabei stellt diese den Einfallswinkel α so ein, dass er gleich dem mittleren Brewster-Winkel für die Art von Verpackungsmaterial ist, welche die zu spektroskopierenden Proben aufweisen.In an alternative embodiment of the spectrometer 1 is the sample holder 13 a turntable, which makes it possible, the angle of incidence α of the electromagnetic high frequency radiation 2 to the test 12 adjust. This setting is made in one embodiment by means of control and evaluation 11 , In this case, this adjusts the angle of incidence α so that it is equal to the average Brewster angle for the type of packaging material which comprise the samples to be spectroscoped.

Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, dass sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.For purposes of the original disclosure, it is to be understood that all such features as will become apparent to those skilled in the art from the present description, drawings, and claims, even if concretely described only in connection with certain other features, both individually and separately any combination with other of the features or feature groups disclosed herein are combinable, unless this has been expressly excluded or technical conditions make such combinations impossible or pointless. On the comprehensive, explicit representation of all conceivable combinations of features is omitted here only for the sake of brevity and readability of the description.

Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. While the invention has been illustrated and described in detail in the drawings and the foregoing description, such illustration and description is exemplary only and is not intended to limit the scope of the protection as defined by the claims. The invention is not limited to the disclosed embodiments.

Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort „aufweisen“ nicht andere Elemente oder Schritte aus und der unbestimmte Artikel „eine“ oder „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.Variations of the disclosed embodiments will be apparent to those skilled in the art from the drawings, the description and the appended claims. In the claims, the word "comprising" does not exclude other elements or steps, and the indefinite article "a" or "an" does not exclude a plurality. The mere fact that certain features are claimed in different claims does not exclude their combination. Reference signs in the claims are not intended to limit the scope of protection.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Spektrometerspectrometer
22
HochfrequenzstrahlungRF radiation
33
Quellesource
44
Detektordetector
55
Laserlaser
66
elektromagnetischer Impuls im infraroten Spektralbereichelectromagnetic pulse in the infrared spectral range
77
Strahlteilerbeamsplitter
88th
zweiter Teil des Impulses 6 second part of the pulse 6
99
erster Teil des Impulses 6 first part of the impulse 6
1010
Verzögerungsstreckedelay path
1111
Steuer- und AuswerteeinrichtungControl and evaluation device
1212
Probesample
1313
Probenhaltersample holder
1414
PABA-TablettePABA tablet
15, 1615, 16
Papiertütepaper bag
1717
Briefumschlagenvelope

Claims (8)

Verfahren zur Spektrometrie an einer Probe (12) mit den Schritten Bereitstellen der Probe (12) in Form einer chemischen Substanz (14) zwischen mindestens zwei flächigen Abschnitten aus einem Verpackungsmaterial (15, 16, 17), Bestrahlen der Probe (12) mit elektromagnetischer Strahlung (2) mit einer Mehrzahl von Frequenzen oder einem Frequenzband aus einem Frequenzbereich von 1 GHz bis 30 THz, wobei die elektromagnetische Strahlung (2) unter einem Einfallswinkel α auf einen der flächigen Abschnitte aus Verpackungsmaterial (15, 16, 17) auftrifft, und frequenzaufgelöstes Erfassen eines Maßes für die Intensität der unter dem Einfallswinkel auf die Probe (12) gestrahlten und durch die Probe (12) transmittierten oder von der Probe (12) reflektierten elektromagnetischen Strahlung (2) als ein Spektrum, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zusätzlich die Schritte umfasst: Bestimmen einer Art des Verpackungsmaterials (15, 16, 17) der Probe (12), Bestimmen eines mittleren Brewster-Winkels ΘB,Mittel für Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art bei einer Frequenz aus dem Frequenzbereich mit den Schritten Bestimmen eines Maximalwerts ΘB,max für den Brewster-Winkel von Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art, Bestimmen eines Minimalwerts ΘB,min für den Brewster-Winkel von Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art und Berechnen eines mittleren Brewster-Winkels ΘB,Mittel für Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art als Θ B , M i t t e l = Θ B , m i n + Θ B , m a x 2
Figure DE102014113354B4_0005
und Einstellen des Einfallswinkels α, so dass gilt α = ΘB,Mittel.
Method for spectrometry on a sample (12) comprising the steps of providing the sample (12) in the form of a chemical substance (14) between at least two planar sections of a packaging material (15, 16, 17), irradiating the sample (12) with electromagnetic Radiation (2) having a plurality of frequencies or a frequency band from a frequency range of 1 GHz to 30 THz, wherein the electromagnetic radiation (2) at an incident angle α on one of the flat sections of packaging material (15, 16, 17) impinges, and frequency-resolved detection of a measure of the intensity of the electromagnetic radiation (2) emitted at the angle of incidence on the sample (12) and transmitted through the sample (12) or reflected by the sample (12) as a spectrum, characterized in that the method additionally the steps comprise: determining a type of packaging material (15, 16, 17) of the sample (12), determining a mean Brewster-W els B, means for packaging materials (15, 16, 17) of this type at a frequency from the frequency range with the steps of determining a maximum value Θ B, max for the Brewster angle of packaging materials (15, 16, 17) of this type, determining a minimum value Θ B, min for the Brewster angle of packaging materials (15, 16, 17) of this type and calculating a mean Brewster angle Θ B, means for packaging materials (15, 16, 17) of this type Θ B . M i t t e l = Θ B . m i n + Θ B . m a x 2
Figure DE102014113354B4_0005
and adjusting the angle of incidence α such that α = Θ B, mean .
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlung (2) linear p-polarisiert ist.Method according to the preceding claim, characterized in that the electromagnetic radiation (2) is linear p-polarized. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei flächigen Abschnitte aus Papier oder Pappe hergestellt sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the two flat sections are made of paper or cardboard. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei flächigen Abschnitte aus Kunststoff, vorzugsweise aus einer Kunststofffolie, hergestellt sind.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that the two sheet-like sections are made of plastic, preferably of a plastic film. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flächigen Abschnitte einen Umschlag bilden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the flat sections form an envelope. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Art des Verpackungsmaterials (15, 16, 17) Papier und Pappe ist und der mittlere Brewster-Winkel ΘB,Mittel von Papier und Pappe etwa 56°beträgt.Method according to Claim 1 , characterized in that the type of packaging material (15, 16, 17) is paper and paperboard and the average Brewster angle Θ B, means of paper and cardboard is about 56 °. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zusätzlich die Schritte aufweist: Vergleichen des erfassten Spektrums mit einem oder einer Mehrzahl von vorbestimmten Vergleichsspektren und Identifizieren der chemischen Substanz (14).Method according to one of the preceding claims, characterized in that the method additionally comprises the steps of: comparing the detected spectrum with one or a plurality of predetermined comparison spectra and identifying the chemical substance (14). Spektrometer (1) für die Spektrometrie an einer chemischen Substanz (14) in einer Probe (12) mit einer Quelle (3) ausgebildet zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlung (2) mit einer Mehrzahl von Frequenzen oder einem Frequenzband aus einem Frequenzbereich von 1 GHz bis 30 THz, einem Detektor (4) ausgebildet zum frequenzaufgelösten Erfassen eines Maßes für die Intensität der unter einem Einfallswinkel α auf die Probe (12) geleiteten und durch die Probe (12) transmittierten oder von der Probe (12) reflektierten elektromagnetischen Strahlung (2) als einem Spektrum und der Probe (12) in Form der chemischen Substanz (14) zwischen mindestens zwei flächigen Abschnitten aus einem Verpackungsmaterial (15, 16, 17), dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrometer (1) eine Steuereinrichtung (11) aufweist und das Spektrometer (1) so eingerichtet ist, dass der Einfallswinkel α, unter welchem die elektromagnetische Strahlung (2) auf die Probe (12) auftrifft, durch die Steuereinrichtung (11) einstellbar ist, wobei die Steuereinrichtung (11) so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Spektrometers (1) nach einer Eingabe einer Art des Verpackungsmaterials (15, 16, 17) in die Steuereinrichtung (11) einen mittleren Brewster-Winkel ΘB,Mittel für Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art bei einer Frequenz aus dem Frequenzbereich bestimmt, wobei der mittleren Brewster-Winkels ΘB,Mittel für Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art berechnet ist als Θ B , M i t t e l = Θ B , m i n + Θ B , m a x 2
Figure DE102014113354B4_0006
wobei ΘB,max ein Maximalwert für den Brewster-Winkel von Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art ist und ΘB,min ein Minimalwert für den Brewster-Winkel von Verpackungsmaterialien (15, 16, 17) dieser Art ist, und wobei die Steuereinrichtung (11) so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb des Spektrometers (1) den Einfallswinkel α so einstellt, dass gilt α = ΘB,Mittel.
Spectrometer (1) for spectrometry on a chemical substance (14) in a sample (12) having a source (3) designed to generate electromagnetic radiation (2) having a plurality of frequencies or a frequency band from a frequency range of 1 GHz to 30 THz, a detector (4) designed for frequency-resolved detection of a measure of the intensity of the guided at an angle of incidence α on the sample (12) and transmitted through the sample (12) or from the sample (12) electromagnetic radiation (2) as a spectrum and the sample (12) in the form of the chemical substance (14) between at least two flat sections of a packaging material (15, 16, 17), characterized in that the spectrometer (1) comprises a control device (11) and the spectrometer (1) is arranged so that the angle of incidence α at which the electromagnetic radiation (2) impinges on the sample (12) by the control device (11) e is adjustable, wherein the control device (11) is set up such that, during operation of the spectrometer (1), after an input of one type of packaging material (15, 16, 17) into the control device (11), a mean Brewster angle Θ B, Means for packaging materials (15, 16, 17) of this type determined at a frequency from the frequency range, wherein the average Brewster angle Θ B, means for packaging materials (15, 16, 17) of this type is calculated as Θ B . M i t t e l = Θ B . m i n + Θ B . m a x 2
Figure DE102014113354B4_0006
where Θ B, max is a maximum value for the Brewster angle of packaging materials (15, 16, 17) of this type and Θ B, min is a minimum value for the Brewster angle of packaging materials (15, 16, 17) of this type, and wherein the control device (11) is set up so that it adjusts the angle of incidence α in the operation of the spectrometer (1) such that α = Θ B, means .
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„Comparison ofterahertz technologies fordetection and identification of explosives" Proceedings of SPIE, Band 9102
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