DE112014007080B4 - Grating spectrometer with switchable light path - Google Patents
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Abstract
Spektrometer für die optische Emissionsspektrometrie mit einer Strahlung aussendenden Quelle (11), einem Eintrittsspalt (2), einem Gitter (1) und Detektoren (3, 4, 5, 6), wobei im Betrieb die Strahlung von dem Eintrittsspalt (2) unter einem ersten Einfallswinkel (α1) gegen eine Gitternormale (N) auf das Gitter (1) fällt, dadurch gekennzeichnet, dass- ein erster Spiegel (7) an einer Stelle vorgesehen ist, an der die in nullter Ordnung an dem Gitter (1) reflektierte Strahlung auf den ersten Spiegel (7) fällt,- ein zweiter Spiegel (8) an einer Stelle vorgesehen ist, an der die in nullter Ordnung an dem Gitter (1) reflektierte Strahlung von dem ersten Spiegel (7) auf den zweiten Spiegel (8) fällt,- wobei der zweite Spiegel (8) so ausgerichtet ist, dass die an dem zweiten Spiegel (8) reflektierte Strahlung unter einem zweiten Einfallswinkel (α2) auf das Gitter (1) fällt,und dass wenigstens eine Blende (9) vorgesehen ist, die in den optischen Pfad zwischen dem Gitter (1), dem ersten Spiegel (7), dem zweiten Spiegel (8) und dem Gitter (1) zur wahlweisen Unterbrechung dieses Pfades einschaltbar ist,- das Gitter (1) ein Konkavgitter mit einem Krümmungsradius R ist, und das Gitter (1), der Eintrittsspalt (2) und die Detektoren (3, 4, 5, 6) in Rowlandanordnung aufgestellt sind,und dass die Summe der Abstände zwischen dem Gitter (1) und dem ersten Spiegel (7), zwischen dem ersten Spiegel (7) und dem zweiten Spiegel (8) sowie dem zweiten Spiegel (8) und dem Gitter (1) den Wert R▪[cos (α1) + cos (a2)] annimmt.Spectrometer for optical emission spectrometry with a radiation emitting source (11), an entrance slit (2), a grating (1) and detectors (3, 4, 5, 6), the radiation from the entrance slit (2) under a The first angle of incidence (α1) falls on the grating (1) against a grating normal (N), characterized in that a first mirror (7) is provided at a point at which the zero-order radiation reflected on the grating (1) falls on the first mirror (7), - a second mirror (8) is provided at a point at which the radiation reflected in the zero order on the grating (1) from the first mirror (7) onto the second mirror (8) - wherein the second mirror (8) is aligned such that the radiation reflected at the second mirror (8) falls on the grating (1) at a second angle of incidence (α2), and that at least one diaphragm (9) is provided that is in the optical path between the grating (1), the first mirror (7), the second mirror (8) and the grating (1) can be switched on to optionally interrupt this path, - the grating (1) is a concave grating with a radius of curvature R, and the grating (1), the entrance slit (2) and the detectors (3, 4, 5, 6) are set up in a Rowland arrangement, and that the sum of the distances between the grating (1) and the first mirror (7), between the first mirror (7) and the second mirror (8 ) as well as the second mirror (8) and the grating (1) assumes the value R▪ [cos (α1) + cos (a2)].
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Spektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The present invention relates to an optical spectrometer according to the preamble of
Die optische Emissionsspektrometrie (OES) verwendet Gitterspektrometer zur Bestimmung von Elementgehalten in einer Probe anhand einer Analyse der Strahlungsemission angeregter Atome. Dabei müssen große Spektralbereiche simultan gemessen werden - ausgehend vom tiefen UV bis ins nahe IR. Aufgrund der enormen Liniendichten und Komplexitäten der Atomemissionsspektren ist neben einer großen Bandbreite zusätzlich ein hohes spektrales Auflösungsvermögen erforderlich, um die Überlagerung benachbarter Fremdlinien zu verhindern. Dies trifft im Besonderen auf die OES-Analyse von Metallen zu.Optical emission spectrometry (OES) uses grating spectrometers to determine the element content in a sample based on an analysis of the radiation emission of excited atoms. Large spectral ranges have to be measured simultaneously - starting from deep UV to near IR. Due to the enormous line densities and complexities of the atomic emission spectra, in addition to a large bandwidth, a high spectral resolution is required in order to prevent the overlapping of neighboring extraneous lines. This is especially true for the OES analysis of metals.
Ein Beugungsgitter bewirkt eine Dispersion des Spektrums gemäß den Gleichungen:
Die Winkeldispersion Δβ/Δλ (Gl.2) gibt die Differenz des Beugungswinkels Δβ für zwei Wellenlängen an, die sich um den kleinen Betrag Δλ unterscheiden. Das spektrale Auflösungsvermögen des Spektrometers wird ganz wesentlich von der Winkeldispersion des Beugungsgitters bestimmt.The angular dispersion Δβ / Δλ (equation 2) indicates the difference in the diffraction angle Δβ for two wavelengths that differ by the small amount Δλ. The spectral resolution of the spectrometer is essentially determined by the angular dispersion of the diffraction grating.
Die Grenzwellenlänge λG kennzeichnet die Wellenlänge, für die der Beugungswinkel 90° erreicht wird (Gl.3). Größere Wellenlängen als λG werden an diesem Gitter nicht mehr gebeugt. Die Grenzwellenlänge muss also oberhalb der längsten Wellenlänge des darzustellenden Spektrums liegen. Gl.3 besagt, dass für die Beugung langer Wellenlängen der Abstand der Gitterfurchen d groß und die Beugungsordnung N niedrig gewählt werden müssen. Für eine hohe Winkeldispersion ist jedoch genau das umgekehrte Vorgehen notwendig. Nach Gl.2 wird eine hohe Winkeldispersion durch einen kleinen Furchenabstand oder eine hohe Beugungsordnung erzielt.The limit wavelength λ G characterizes the wavelength for which the diffraction angle 90 ° is reached (equation 3). Wavelengths greater than λ G are no longer diffracted at this grating. The cut-off wavelength must therefore be above the longest wavelength of the spectrum to be displayed. Equation 3 says that for the diffraction of long wavelengths, the spacing of the grating grooves d must be large and the diffraction order N must be selected as low. For a high angular dispersion, however, exactly the opposite procedure is necessary. According to equation 2, a high angular dispersion is achieved through a small groove spacing or a high diffraction order.
Die größte zu messende Wellenlänge bestimmt den Furchenabstand des Gitters und legt damit auch die Winkeldispersion fest. Die Forderungen nach großer spektraler Abdeckung und hoher Winkeldispersion lassen sich daher nicht gleichzeitig realisieren.The largest wavelength to be measured determines the groove spacing of the grating and thus also determines the angular dispersion. The requirements for large spectral coverage and high angular dispersion can therefore not be met at the same time.
Nach dem Stand der Technik werden zur Lösung des Konflikts zwei Wege beschritten. Der erste Weg besteht darin, verschiedene Beugungsordnungen eines Beugungsgitters gleichzeitig zu verwenden. Teile des Spektrums mit höherer Anforderung an die Winkeldispersion werden in höherer Beugungsordnung gemessen. Hierbei tritt das Problem auf, dass z.B. unter dem Beugungswinkel der Wellenlänge λ in zweiter Beugungsordnung gleichzeitig die Wellenlänge 2λ in erster Beugungsordnung erscheint. Es müssen daher Maßnahmen getroffen werden, um die sich überlagernden Beugungsordnungen getrennt zu detektieren. Diesen Ansatz verfolgen Echelle-Spektrometer. Hier werden viele, sich überlagernde Beugungsordnungen räumlich getrennt auf einen zweidimensionalen Arraydetektor abgebildet.According to the state of the art, two approaches are taken to resolve the conflict. The first way is to use different diffraction orders of a diffraction grating at the same time. Parts of the spectrum with higher demands on the angular dispersion are measured in a higher diffraction order. Here the problem arises that, for example, at the diffraction angle of the wavelength λ in the second diffraction order, the wavelength 2λ simultaneously appears in the first diffraction order. Measures must therefore be taken in order to detect the overlapping diffraction orders separately. Echelle spectrometers follow this approach. Here, many overlapping diffraction orders are mapped spatially separated on a two-dimensional array detector.
Aus der
Es hat sich herausgestellt, dass Echelle-Systeme aufgrund von Übersprecheffekten, welche die analytische Leistungsfähigkeit herabsetzen, weniger geeignet sind für die OES von Metallen.It has been found that echelle systems are less suitable for the OES of metals because of crosstalk effects which reduce the analytical performance.
Die Druckschrift
Der zweite Lösungsweg besteht darin, mehrere Spektrometereinheiten gleichzeitig in einem Gerät zu vereinen, wobei die jeweiligen Beugungsgitter unterschiedliche Furchenabstände besitzen. Auf diese Weise lassen sich ausgewählte Teile des Spektrums mit höherer Winkeldispersion darstellen als das Hauptspektrum. Die Verwendung mehrerer simultan messender Spektrometereinheiten in einem Gerät bringt jedoch Nachteile mit sich. Alle Einheiten müssen optisch in gleicher Weise an die Strahlungsquelle angekoppelt werden. Außerdem sind Konstruktionsaufwand und Materialeinsatz deutlich erhöht, wodurch hohe Kosten entstehen.The second approach is to combine several spectrometer units simultaneously in one device, with the respective diffraction gratings having different groove spacings. In this way, selected parts of the spectrum can be displayed with a higher angular dispersion than the main spectrum. However, the use of several spectrometer units measuring simultaneously in one device has disadvantages. All units must be optically coupled to the radiation source in the same way. In addition, the construction effort and the use of materials are significantly increased, resulting in high costs.
Die
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige und kompakte Anordnung eines optischen Spektrometers anzugeben, die einen breiten, ausgedehnten Wellenlängenbereich aufspaltet, wobei die Winkeldispersion möglichst hoch ist. Diese Aufgabe wird von einem optischen Spektrometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.It is therefore the object of the present invention to provide an inexpensive and compact arrangement of an optical spectrometer which splits up a broad, extended wavelength range, the angular dispersion being as high as possible. This object is achieved by an optical spectrometer with the features of
Bei einem Spektrometer für die optische Emissionsspektrometrie verläuft der Strahlengang der von einer Quelle im Wellenlängenbereich UV bis IR ausgesendeten Strahlung über einen Eintrittsspalt und ein Gitter zu Detektoren, wobei im Betrieb die Strahlung von dem Eintrittsspalt unter einem ersten Einfallswinkel gegen eine Gitternormale auf das Gitter fällt. Weil dabei zusätzlich ein erster Spiegel an einer Stelle vorgesehen ist, an der die in nullter Ordnung an dem Gitter reflektierte Strahlung auf den ersten Spiegel fällt, weiter ein zweiter Spiegel an einer Stelle vorgesehen ist, an der die in nullter Ordnung an dem Gitter reflektierte Strahlung von dem ersten Spiegel auf den zweiten Spiegel fällt, wobei der zweite Spiegel so ausgerichtet ist, dass die an dem zweiten Spiegel reflektierte Strahlung unter einem zweiten Einfallswinkel auf das Gitter fällt, weiter wenigstens eine Blende vorgesehen ist, die in den optischen Pfad zwischen dem Gitter, dem ersten Spiegel, dem zweiten Spiegel und dem Gitter zur wahlweisen Unterbrechung dieses Pfades einschaltbar ist sowie das Gitter ein Konkavgitter mit einem Krümmungsradius R ist, und das Gitter, der Eintrittsspalt und die Detektoren in Rowlandanordnung aufgestellt sind sowie die Summe der Abstände zwischen dem Gitter und dem Spiegel
Wenn weiter ein Filter in den optischen Pfad zwischen dem Eintrittsspalt und dem Gitter einschaltbar ist, sobald die Blende ausgeschaltet ist, können in diesem Filter die Wellenlängen des Spektrums absorbiert werden, das unter dem ersten Einfallswinkel am Ort der Detektoren entsteht. Bei ausgeschalteter Blende und eingeschaltetem Filter fällt nur das Spektrum des zweiten Einfallswinkels auf die Detektoren.If a filter can also be switched on in the optical path between the entrance slit and the grating, as soon as the diaphragm is switched off, the wavelengths of the spectrum can be absorbed in this filter that occurs at the first angle of incidence at the location of the detectors. When the diaphragm is switched off and the filter is switched on, only the spectrum of the second angle of incidence falls on the detectors.
Das zu messende Gesamtspektrum lässt sich auf diese Weise in zwei Teilabschnitte aufteilen, die nacheinander von den Detektoren gemessen werden. Die Winkeldispersion und somit die spektrale Auflösung in jedem der beiden Abschnitte kann wesentlich größer sein verglichen mit einer herkömmlichen Anordnung, bei der das Gesamtspektrum auf die Detektoren abgebildet werden muss.In this way, the total spectrum to be measured can be divided into two sections, which are measured one after the other by the detectors. The angular dispersion and thus the spectral resolution in each of the two sections can be significantly greater compared to a conventional arrangement in which the entire spectrum has to be mapped onto the detectors.
Vorzugsweise wird α2 > α1 gewählt, da in diesem Falle das Filterelement ein einfaches Langpassfilter sein kann. Aus Gl. 1 geht hervor, das mit α2 > α1 das zu
Vorzugsweise ist die Quelle eine Funkenanregungsquelle oder eine Bogenanregungsquelle oder ein induktiv gekoppeltes Plasma (ICP).Preferably the source is a spark excitation source or an arc excitation source or an inductively coupled plasma (ICP).
Schließlich können einer oder beide Spiegel mit fokussierenden Eigenschaften, beispielsweise als zylindrische oder sphärische Spiegel ausgeführt sein, um die Abbildungseigenschaften unter dem Einfallswinkel a2 zu verbessern.Finally, one or both mirrors can be designed with focusing properties, for example as cylindrical or spherical mirrors, in order to improve the imaging properties at the angle of incidence a2.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
-
1 : den Strahlengang eines erfindungsgemäßen Spektrometers in einer ersten Betriebsart; sowie -
2 : den Strahlengang des Spektrometers aus1 in einer zweiten Betriebsart.
-
1 : the beam path of a spectrometer according to the invention in a first operating mode; as -
2 : the beam path of the spectrometer off1 in a second mode of operation.
Die
Auf dem Rowlandkreis sind ein Eintrittsspalt
Das Spektrometer weist weiter einen ersten Spiegel
Weiter ist in dem Lichtweg zwischen dem Eintrittsspalt
Der Lichtweg der zu analysierenden Strahlung einer Quelle
Ein anderer Teil der Strahlung wird an dem Gitter
Der Wellenlängenbereich, der in der Anordnung aus
Die
Die Strahlung tritt in der Stellung aus
Die unter dem Winkel
Wenn man bei der Messung einer Probe während einer Emission von Strahlung die Stellungen der Blende
Auf diese Weise kann ein ausgedehntes Spektrum mit einem Gitter und einer kompakten Detektoranordnung gemessen werden, und das mit einer spektralen Auflösung die ansonsten einen doppelt so großen Detektorbereich oder eine zweite dispersive Anordnung erfordern würde. Das so geschaffene Spektrometer kann deshalb bei hoher Auflösung leichter, kompakter und preisgünstiger sein.In this way, an extended spectrum can be measured with a grating and a compact detector arrangement, and this with a spectral resolution that would otherwise require a detector area that is twice as large or a second dispersive arrangement. The spectrometer created in this way can therefore be lighter, more compact and cheaper with high resolution.
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