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Spektrometer Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Spektrometer
der Art, bei welcher ein ebenes Beugungsgitter zur Erzeugung von Spektren verwendet
wird.
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Insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, ist die vorliegende
Erfindung anwendbar auf Infrarotspektrometer.
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Bei solchen Spektrometern läßt man eine parallele Strahlung auf ein
ebenes Liniengitter, das ein Original oder eine Kopie sein kann, fallen. Durch dieses
Gitter wird die Strahlung gebeugt. Einige der abgebeugten Strahlen verstärken einander,
wenn die folgende Gleichung erfüllt wird: d o sin ii + d sin i2 = nA Hierin ist
d der Abstand der auf dem Beugungsgitter eingeritzten Linien, in ist der Einfallswinkel
i2 ist der Beugungswinkel, h ist die Länge der betreffenden untersuchten Welle,
und n schließlich ist eine ganze Zahl, welche die Ordnungszahl des Spektrums anzeigt.
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Diese Gleichung wird häufig als die Gittergleichung bezeichnet.
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Die Fig. 1 der schematischen Zeichnungen bezieht sich auf die obige
Gleichung.
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Bei Infrarotspektrometern wird gewöhnlich eine Littrow-Anordnung
eines ebenen Beugungsgitters verwendet. In diesem Falle nimmt die Gittergleichung
die folgende Form an: 2 d sin i = wobei i1 = i2 = i ist.
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Für kleine Werte von i kann sin ii gesetzt werden. Dann ist 2 dem
Winkel i proportional, und man erhält eine linear geteilte Wellenlängsskala.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung
zur Drehung eines ebenen Linienbeugungsgitters mittels einer Schraube oder eines
anderen, eine geradlinige Bewegung hervorrufenden Antriebsmittels und zwar in solcher
Weise, daß man eine genau lineare Beziehung zwischen den Drehungen der Schraube
und dem Kehrwert der Wellenlänge bezw. der Wellenzahl erhält.
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Der vorliegenden Erfindung zufolge ist das ebene Linienbeugungsgitter
eines Spektrometers in an sich bekannter Weise drehbar um eine Achse parallel zu
den Linien auf der Oberfläche des Gitters, und die Bewegung wird dem Gitter erteilt
mittels eines Hebelarmes, der mit dem Gitter starr verbunden ist, wobei der Hebelarm
betätigt wird durch eine Bauelement, dessen Umfang teilweise in Berührung steht
mit einer geraden Kante des Hebelarms, welche Kante bzw. deren Verlängerung durch
die Drehachse des Beugungsgitters hindurchgeht, wobei ferner der Teil des Umfangs
des betätigenden Bauelements, der mit der erwähnten geraden Kante in Berührung steht,
kreisförmig ist und das betätigende Bauelement gezwungen wird, sich unter der Einwirkung
einer Schraube in einer solchen Richtung zu bewegen, daß der Krümmungsmittelpunkt
des kreisförmigen Teils sich auf einer Geraden bewegt, die durch die Drehachse des
Beugungsgitters hindurchgeht.
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Gemäß einem weiteren Kennzeichen der vorliegenden Erfindung wird
der Winkel, welchen der Hebelarm bzw. dessen Projektion auf die Ebene senkrecht
zu den Linien des Beugungsgitters mit der Bewegungsrichtung des den Hebel betätigenden
Bauelements oder deren Projektion auf die gleiche Ebene bildet, gleichgemacht der
Summe aus dem Einfallswinkel der auf das Beugungsgitter fallenden Strahlen und der
halben Differenz zwischen dem Beugungswinkel und dem Einfallswinkel der Strahlen
auf das Beugungsgitter.
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Gemäß einem weiteren Kennzeichen der vorliegenden Erfindung ist die
Schraube, welche ihre Bewegung auf das den Hebel betätigende Bauelement überträgt,
eine Mikrometerschraube.
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Gemäß einem weiteren Kennzeichen der vorliegenden Erfindung wird
der Krümmungsradius des kreisbogenförmigen Teils des den Hebel betätigenden Bauelements
gleich 50 h cos d/2, wobei d der Abstand d der Linien auf dem Beugungsgitter in
Mikron ist, 8 die Differenz zwischen dem Beugungswinkel und dem Einfallswinkel und
h die Verschiebung des Endes der Schraube entsprechend 100 Wellenzahlen im Beugungsspektrum
1. Ordnung.
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Gemäß einem weiteren Kennzeichen der vorliegenden Erfindung wird
die Bewegung der Schraube auf das den Hebel betätigende Bauelement durch ein keilförmiges
Bauelement übertragen, wobei das letztere entweder an dem betätigenden Bauelement
befestigt ist oder mit demselben ein einziges Bauteil bildet.
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Gemäß einem letzten Kennzeichen der vorliegenden Erfindung wird die
Bewegung der Schraube auf das den Hebel betätigende Bauelement durch einen weiteren
Hebelarm übertragen.
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In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 die Bahnen der einfallenden und der
gebeugten Strahlen auf das Gitter zu bzw. von demselben fort; Fig. 2 bis 4 zeigen
drei Beispiele für die Ausführung der vorliegenden Erfindung.
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Bei der in Fig. 2 als Beispiel dargestellten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird ein ebenes Linienbeugungsgitter P so gedreht, daß es
sich um eine Achse bewegt, die durch A geht und parallel ist zu den Linien auf der-
Oberfläche des Gitters.
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AB ist ein an dem Beugungsgitter starr befestigter Arm, welcher bzw.
dessen Verlängerung durch den Punkt A, um welchen sich das Beugungsgitter dreht,
geht. Der Arm AB wird durch ein Bauelement C betätigt, wobei der Teil des Umfanges
des letzteren, welcher mit dem Arm AB in Berührung steht, kreisförmig ist. Dieses
Bauelement C ist gezwungen, sich längs eines Durchmessers zu bewegen, der durch
A hindurchgeht, wenn die Schraube M, vorzugsweise eine Mikrometerschraube, gedreht
wird. Die Achse der Schraube bildet zweckmäßigerweise eine Verlängerung von AO,
obwohl das nicht gerade unbedingt erforderlich ist; 0 ist -der Mittelpunkt des kreisförmigen
Umfangsteils. Der Arm AB wird durch die Feder S in Berührung mit Gehalten. Ferner
ist eine feste Geradführung EF vorgesehen, so daß eine flache Seite von C längs
derselben gleiten kann. Die Schraube wird zweckmäßigerweise mit einem abgerundeten
Ende versehen, welches sich an eine gehärtete Fläche von C anlegt.
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Das Bauelement C kann im übrigen kegelförmig ausgeführt werden, und
zwar in einer Richtung, die senkrecht zu der Ebene des Papiers steht Es sei angenommen,
daß der Einfallswinkel bei der Wellenzahl
gleich i ist, während bei der Wellenzahl AT - 100 der Winkel um a auf i + a zunimmt,
und ferner daß die verwendete Schraube eine Mikrometerschraube ist, die sich dabei
in ihrer Längsrichtung um 0,1 Zoll (2,54 mm) bewegt. Dann gilt für die erste Ordnung
sin i = # = 10 000 = r , 2d 2Nd AO vorausgesetzt daß BAO gleich dem Einfallswinkel
i ist und unter Beachtung der Tatsache, daß AB eine Tangente an den kreisförmigen
Teil des Umfangs des Bauelements C ist, wobei r der Radius dieses kreisförmigen
Umfangs ist. Ist der Winkel BAO für die eine Einstellung gleich dem Einfallswinkel,
dann bleiben natürlich die Winkel bei allen anderen Einstellungen des Beugungsgitters
gleich.
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In ähnlicher Weise gilt 2d.(N-100) AO-h. sowie 200.d h = sowie =
.
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10000 r 10 000 r 0,1 Zoll an der Mikrometerschraube stellt also stets
das
gleiche Wellenzahlintervall bei jeder beliebigen Einstellung des Beugungsgitters
dar, und wenn zu-501, sätzlich r (in Zoll) = d (d in Mikron), dann sind sind 0,1
Zoll genau gleich 100 cm-1 in der 1. Ordnung, 20Ocm-1 in der 2. Ordnung usf. Beispielsweise,
hat das Beugungsgitter 2400 Linien auf den Zoll, dann wird d = 10,583 Mikron und
2 r = 0,9449 Zoll (24 mm).
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Fig. 3 erläutert eine wahlweise Ausführungsform zur Übertragung der
Mikrometerbewegung auf das Bauelement C. Eine keilförmige Platte ist entweder mit
C starr verbunden oder aus einem Stück mit C angefertigt, wobei die Gerade F G in
der Verlängerung von EF liegt. Das Ende der Mikrometerschraube legt sich an die
gerade Kante GH an, und wenn nun die Schraube vorwärts gedreht wird, dann ist C
gezwungen, iängs EG nach links zu gleiten. Ist der Winkel FGH gleich y, und wird
die Mikrometerschraube um die Strecke S einwärts geschraubt, dann bewegt sich C
um eine entsprechende Strecke S cotg r. Diese Konstruktion hat den Vorzug, ein Mittel
zu liefern, um die Mikrometerskala genau zu machen, denn es ist lediglich notwendig,
denWinkel FGH so lange zu verändern, bis man das gewünschte Resultat erreicht hat.
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Die Fig. 4 zeigt eine abgeänderte Konstruktion, wobei ein bei J angelenkter
Hebelarm 1K verwendet wird, um beim Hineinschrauben der Mikrometerschraube das Bauelement
C in der Richtung LOA zu bewegen, wobei die Anlagestelle für die Schraube bei N
ist. Die Schraube ist bei N kugelförmig abgerundet, und auch das Bauelement C mit
dem kreisförmigen Teilumfang hat bei L einen kugelförmigen Ansatz, der sich an den
Hebelarm 1K anlegt.
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Für den allgemeinen Fall der Fig. 1, wo die Einfalls- und die Beugungsmittel
verschieden voneinander sind. kann man die Gleichung aufstellen: d [sin il + sin
(i1 + #)] =nÄ Hierin ist 8 = i2il und bei einem gegebenen Spektrometer konstant.
Nun ist aber sir in + sin (il + b) = 2 sin (i1 + b/2) cos d/2 = A und in der 1.
Ordnung # sin(i1. <3/2) = .
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2d . cos . #/2 Wiederum kann man eine genaue lineare Wellenzahlenskala
erhalten, wenn der Winkel BAO gleich il + b/2 gemacht wird und eine Bewegung der
Schraube, also einer Mikrometerschraube, von 0,1 Zoll 100 cm-1 darstellt, vorausgesetzt,
daß r 5 (in Zoll) = d . cos8/2 (d in Mikron) ist. Wie zuvor entspricht einer Strecke
von 0,1 Zoll am Mikrometer 200 cm-l in der 2. Ordnung, usw.