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 claim 1.

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: λ N = d [ sin α + sin β ]

Figure DE112014007080B4_0001
Δβ / Δλ = N/ [ d cos β ] ,  f u ¨ r kleine  Δλ
Figure DE112014007080B4_0002
λ G : = d/N [ sin α + 1 ]
Figure DE112014007080B4_0003
mit λ= Wellenlänge, N= Beugungsordnung, d= Abstand der Gitterfurchen, α= Einfallswinkel, β= Beugungswinkel und λG= Grenzwellenlänge.A diffraction grating causes a dispersion of the spectrum according to the equations: λ N = d [ sin α + sin β ]
Figure DE112014007080B4_0001
Δβ / Δλ = N / [ d cos β ] , f u ¨ r small Δλ
Figure DE112014007080B4_0002
λ G : = d / N [ sin α + 1 ]
Figure DE112014007080B4_0003
with λ = wavelength, N = diffraction order, d = spacing of the grating furrows, α = angle of incidence, β = diffraction angle and λ G = cutoff wavelength.

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 US 2005 / 0 179 895 A1 und der DE 10 2006 017 705 A1 sind solche Spektrometer für die optische Emissionsspektrometrie bekannt.From the US 2005/0 179 895 A1 and the DE 10 2006 017 705 A1 such spectrometers for optical emission spectrometry are known.

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 GB 765 441 A zeigt ein anderes Spektrometer in Rowland-Aufstellung.The pamphlet GB 765 441 A shows another spectrometer in Rowland setup.

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 US 2001 / 0 046 047 A1 zeigt ein Instrument zur Spektroskopie, das mehrere Spektrometereinheiten kombiniert.the US 2001/0 046 047 A1 shows an instrument for spectroscopy that combines several spectrometer units.

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 claim 1.

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 7, zwischen dem Spiegel 7 und dem Spiegel 8 sowie dem Spiegel 8 und dem Gitter den Wert R▪[cos (α1) + cos (α2)] annimmt, kann am Ort der Detektoren entweder ein Spektrum basierend auf dem ersten Einfallswinkel oder zwei sich überlagernde Spektren basierend auf dem ersten Einfallswinkel und auf dem zweiten Einfallswinkel erzeugt werden. Die Auflösung dieser beiden Teilspektren ist nach der Gittergleichung von der Strichzahl des Gitters abhängig. Wenn das gesamte Spektrum kontinuierlich auf die Detektoren abgebildet werden soll, ist die Strichzahl und damit die Auflösung begrenzt. Da das Spektrum nach dieser Erfindung in zwei Teilspektren aufgeteilt werden kann, kann ein Gitter mit höherer Strichzahl verwendet werden, was eine höhere Winkeldispersion bietet.In a spectrometer for optical emission spectrometry, the beam path of the radiation emitted by a source in the UV to IR wavelength range runs through an entrance slit and a grating to detectors, with the radiation from the entrance slit falling onto the grating at a first angle of incidence against a grating normal during operation. Because a first mirror is additionally provided at a point at which the radiation reflected in the zero order on the grating falls on the first mirror, a second mirror is also provided at a point at which the radiation reflected in the zero order on the grating falls from the first mirror onto the second mirror, the second mirror being aligned such that the radiation reflected at the second mirror falls onto the grating at a second angle of incidence, further at least one diaphragm is provided which is in the optical path between the grating , the first mirror, the second mirror and the grating can be switched on to optionally interrupt this path, and the grating is a concave grating with a radius of curvature R, and the grating, the entrance slit and the detectors are set up in a Rowland arrangement, as well as the sum of the distances between the grating and the mirror 7th , between the mirror 7th and the mirror 8th as well as the mirror 8th and the grid the value R▪ [cos ( α1 ) + cos ( α2 )], either a spectrum based on the first angle of incidence or two superimposed spectra based on the first angle of incidence and on the second angle of incidence can be generated at the location of the detectors. According to the grating equation, the resolution of these two partial spectra depends on the number of lines in the grating. If the entire spectrum is to be displayed continuously on the detectors, the number of lines and thus the resolution are limited. Since the spectrum according to this invention can be divided into two partial spectra, a grating with a higher number of lines can be used, which offers a higher angular dispersion.

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 α1 gehörige Spektrum kurzwelliger als das zu α2 gehörige Spektrum. Daher kann das zu α1 gehörende Spektrum leicht durch einem Langpassfilter mit geeignet gewählter Filterkante unterdrückt werden. In Abhängigkeit von einer Steuerung werden entweder die Blende oder das Filter eingeschaltet und so das Spektrum automatisch umgeschaltet. Die Steuerung kann vorzugsweise auf ein gemeinsames Stellglied wirken.Preferably, α2> α1 is chosen, since in this case the filter element can be a simple long-pass filter. From Eq. 1 shows that with α2> α1 this is the case α1 corresponding spectrum shorter-wave than that to α2 appropriate spectrum. Hence this can be too α1 belonging spectrum can easily be suppressed by a long-pass filter with a suitably selected filter edge. Depending on a control, either the diaphragm or the filter are switched on and the spectrum is switched over automatically. The control can preferably act on a common actuator.

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 aus 1 in einer zweiten Betriebsart.
An exemplary embodiment of the invention is described below with reference to the drawing. Show it:
  • 1 : the beam path of a spectrometer according to the invention in a first operating mode; as
  • 2 : the beam path of the spectrometer off 1 in a second mode of operation.

Die 1 zeigt schematisch den Strahlengang und die Anordnung der optischen Komponenten eines erfindungsgemäßen Spektrometers in einer Draufsicht auf die Beugungsebene. Das Spektrometer weist eine RowlandAnordnung auf, in der ein konkaves, reflektierendes Gitter 1 mit einem gegebenen Krümmungsradius R den Rowlandkreis mit dem Radius ½ R und dem Mittelpunkt M bestimmt. Die Gitternormale N zeichnet die optische Symmetrieachse des Gitters 1 aus. Gegen die Gitternormale N werden die eingangs genannten Winkel α= Einfallswinkel und β= Beugungswinkel gemessen.the 1 shows schematically the beam path and the arrangement of the optical components of a spectrometer according to the invention in a plan view of the diffraction plane. The spectrometer has a Rowland arrangement in which a concave, reflective grating 1 with a given radius of curvature R determines the Rowland circle with the radius ½ R and the center M. The grating normal N draws the optical symmetry axis of the grating 1 the end. The angles α = angle of incidence and β = angle of diffraction mentioned at the beginning are measured against the normal N of the grating.

Auf dem Rowlandkreis sind ein Eintrittsspalt 2 sowie mehrere Detektoren 3, 4, 5 und 6 angeordnet. Die Detektoren 3 - 6 sind in diesem Ausführungsbeispiel als CCD-Zeilensensoren in linearer Anordnung ausgeführt.There is an entrance slit on the Rowlandkreis 2 as well as several detectors 3 , 4th , 5 and 6th arranged. The detectors 3 - 6 are designed in this embodiment as CCD line sensors in a linear arrangement.

Das Spektrometer weist weiter einen ersten Spiegel 7 und einen zweiten Spiegel 8 auf. Im Lichtweg zwischen dem ersten Spiegel 7 und dem zweiten Spiegel 8 ist eine schaltbare Blende 9 angeordnet, die den Lichtweg an dieser Stelle je nach Schaltstellung vollständig blockieren (wie in 1 dargestellt ist) oder freigeben kann.The spectrometer also has a first mirror 7th and a second mirror 8th on. In the light path between the first mirror 7th and the second mirror 8th is a switchable shutter 9 arranged that completely block the light path at this point depending on the switch position (as in 1 is shown) or can release.

Weiter ist in dem Lichtweg zwischen dem Eintrittsspalt 2 und dem Gitter 1 ein schaltbares Filter 10 vorgesehen, das sich in einer ersten Schaltstellung wie in 1 dargestellt vollständig außerhalb des Lichtwegs befindet und in einer zweiten Schaltstellung innerhalb des Lichtwegs befindet. Das Filter 10 ist ein Langpassfilter, das alle Wellenlängen passieren lässt, die größer als eine bestimmte Wellenlänge sind, und alle Wellenlängen absorbiert, die kleiner als die bestimmte Wellenlänge sind.Next is in the light path between the entrance slit 2 and the grid 1 a switchable filter 10 provided, which is in a first switch position as in 1 shown is located completely outside the light path and is in a second switching position within the light path. The filter 10 is a long-pass filter that allows all wavelengths larger than a certain wavelength to pass and absorbs all wavelengths that are smaller than the certain wavelength.

Der Lichtweg der zu analysierenden Strahlung einer Quelle 11 von dem Eintrittsspalt 2 verläuft in 1 also unter dem Winkel α1 zur Gitternormalen N bis zu dem Gitter 1. Hier wird ein Teil in nullter Ordnung unter dem Winkel - α1 zu dem ersten Spiegel 7 reflektiert, von dort aus in Richtung auf den zweiten Spiegel 8, der Teil nullter Ordnung wird aber an der Blende 9 vollständig absorbiert.The light path of the radiation to be analyzed from a source 11 from the entrance slit 2 runs in 1 so under the angle α1 to the grid normal N to the grid 1 . Here is a part in the zeroth order under the angle - α1 to the first mirror 7th reflected from there in the direction of the second mirror 8th , but the part of the zeroth order is at the aperture 9 completely absorbed.

Ein anderer Teil der Strahlung wird an dem Gitter 1 in erster Ordnung gebeugt und unter dem wellenlängenabhängigen Winkel β1 spektral zerlegt und trifft dann auf die Sensoren 3 - 6, die auf dem Rowlandkreis angeordnet sind und auf denen in bekannter Weise Bilder des Eintrittsspaltes in den verschiedenen Wellenlängen entstehen.Another part of the radiation is on the grating 1 bent in the first order and at the angle dependent on the wavelength β1 spectrally broken down and then hits the sensors 3 - 6 , which are arranged on the Rowland circle and on which images of the entrance slit arise in the various wavelengths in a known manner.

Der Wellenlängenbereich, der in der Anordnung aus 1 auf die Detektoren 3 - 6 fällt, ist nicht der gesamte zu analysierende Wellenlängenbereich von UV bis rot, sondern nur der kurzwellige Teil, beispielsweise von 150 nm bis 350 nm.The wavelength range that is made up in the arrangement 1 on the detectors 3 - 6 falls, the entire wavelength range to be analyzed is not from UV to red, but only the short-wave part, for example from 150 nm to 350 nm.

Die 2 zeigt die Anordnung aus 1 in einer anderen Schaltstellung. Hier ist die schaltbare Blende 9 aus dem Lichtweg herausgefahren, so dass der Weg zwischen dem ersten Spiegel 7 und dem zweiten Spiegel 8 frei ist. Außerdem ist das Filter 10 in den Lichtweg hineingefahren, so dass nur der langwellige Teil der von der Quelle 11 ausgehenden Strahlung den Lichtweg von dem Eintrittsspalt 2 zu dem Gitter 1 passieren kann. der kurzwellige Teil des Spektrums wird absorbiert.the 2 shows the arrangement 1 in another switch position. Here is the switchable iris 9 moved out of the light path so that the path between the first mirror 7th and the second mirror 8th free is. In addition, this is a filter 10 driven into the light path so that only the longwave part is from the source 11 outgoing radiation the light path from the entrance slit 2 to the grid 1 can happen. the short-wave part of the spectrum is absorbed.

Die Strahlung tritt in der Stellung aus 2 also von der Quelle 11 durch den Eintrittsspalt 2 und wird in dem Filter 10 gefiltert. Der langwellige Teil fällt dann unter dem Winkel α1 auf das Gitter 1. Da der Beugungswinkel β wellenlängenabhängig ist, wird der langwellige Teil der Strahlung zwar in erster Ordnung gebeugt, liegt aber außerhalb des Bereichs, den die Detektoren 3 - 6 erfassen. Der langwellige Teil wird aber auch unter dem Winkel -α1 in nullter Ordnung ohne Dispersion an dem Gitter 1 reflektiert und auf den ersten Spiegel 7 gelenkt. Von dort aus wird der langwellige Teil dann zu dem zweiten Spiegel 8 reflektiert, der die Strahlung wieder auf das Gitter 1 zurück wirft, jedoch nun unter einem anderen Einfallswinkel α2, der in diesem Ausführungsbeispiel größer ist als α1.The radiation emerges in the position 2 so from the source 11 through the entrance slit 2 and is in the filter 10 filtered. The long wave part then falls under the angle α1 on the grid 1 . Since the diffraction angle β depends on the wavelength, the long-wave part of the radiation is diffracted in the first order, but lies outside the range that the detectors can use 3 - 6 capture. The long wave part is also at the angle -α1 in zero order with no dispersion on the grating 1 reflected and on the first mirror 7th steered. From there the long wave part then becomes the second mirror 8th which reflects the radiation back onto the grating 1 throws back, but now at a different angle of incidence α2 , which in this embodiment is greater than α1 .

Die unter dem Winkel α2 auf das Gitter 1 fallende Strahlung wird in erster Ordnung gebeugt und fällt dann unter dem wellenlängenabhängigen Beugungswinkel β2 auf die Detektoren 3 - 6. Dort liegt nun der langwellige Teil der Strahlung an, die von der Quelle 11 ausgeht. Das Spektrum, beispielsweise von 300 nm bis 800 nm kann nun erfasst werden. Das Filter 10 verhindert dabei, dass der kurzwellige Teil des Spektrums auf die Detektoren 3 - 6 fällt und das gewünschte Signal überlagert.The one under the angle α2 on the grid 1 falling radiation is diffracted in the first order and then falls on the detectors at the wavelength-dependent diffraction angle β2 3 - 6 . The long-wave part of the radiation from the source is now present there 11 goes out. The spectrum, for example from 300 nm to 800 nm, can now be recorded. The filter 10 prevents the short-wave part of the spectrum from reaching the detectors 3 - 6 falls and superimposes the desired signal.

Wenn man bei der Messung einer Probe während einer Emission von Strahlung die Stellungen der Blende 9 und des Filters 10 umschaltet, können so einmal der kurzwellige Teil gemessen werden, wie in 1, und dann der langwellige Teil, wie in 2. Die Blende 9 und das Filter 10 werden zweckmäßig mit einem gemeinsamen Stellantrieb 12 simultan umgeschaltet.If one considers the positions of the diaphragm when measuring a sample during an emission of radiation 9 and the filter 10 switches, the short-wave part can be measured once, as in 1 , and then the long wave part, as in 2 . The aperture 9 and the filter 10 are expedient with a common actuator 12th switched simultaneously.

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.

Claims (7)

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) against a grating normal (N) falls on the grating (1), characterized in that - a first mirror (7) is provided at a point where 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 are in the optical path between the grating (1), the first spi egel (7), the second mirror (8) and the grating (1) can be switched on for the optional interruption of 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 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)]. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Filter (10) in den optischen Pfad zwischen dem Eintrittsspalt (2) und dem Gitter (1) wahlweise einschaltbar ist.Spectrometer after Claim 1 , characterized in that a filter (10) can optionally be switched into the optical path between the entrance slit (2) and the grating (1). Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (10) ein Langpassfilter ist.Spectrometer after Claim 2 , characterized in that the filter (10) is a long pass filter. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von einer Steuerung entweder die Blende (9) oder das Filter (10) eingeschaltet ist.Spectrometer according to one of the preceding Claims 2 or 3 , characterized in that either the diaphragm (9) or the filter (10) is switched on as a function of a controller. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quelle (11) eine Funkenanregungsquelle oder eine Bogenanregungsquelle oder ein induktiv gekoppeltes Plasma (ICP) ist.Spectrometer according to one of the preceding claims, characterized in that the source (11) is a spark excitation source or an arc excitation source or an inductively coupled plasma (ICP). Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gilt: α2 > α1.Spectrometer according to one of the preceding claims, characterized in that the following applies: α2> α1. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Spiegel (7, 8) eine gekrümmte Oberfläche besitzt.Spectrometer according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the mirrors (7, 8) has a curved surface.
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