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Spektrometer Die Erfindung bezieht sich auf ein Spektrometer mit einem
ebenen Gitter, das um eine parallel zu seinen Linien verlaufende Achse drehbar ist
In ständig wachsendem Umfang werden bei Infrarotspektrometern ebene Reflexionsgitter
verwendet, die innerhalb eines bestimmten Spektralbereiches ein erheblich höheres
Auflösungsvermögen zeigen als mit Prismen ausgestattete Geräte. Dabei ist es vorteilhaft,
wenn die Aufzeichnung des gewünschten Spektrums bei einer in Wellenlängen A oder
in vielen Fälen auch in Weflenzahlen v (=t/2) linearen Teilung der Abszisse erfolgen
kann.
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Es ist naheliegend, durch Verwendung einer Kurvenscheibe die Drehung
des Gitters in Abhängigkeit von der linear in Wellenlängen bzw. Wellenzablen geteilten
Abszisse einer Registriervorrichtung erfolgen zu lassen. Der Nachteil solcher Anordnungen
liegt darin, daß die Herstellung der Kurvenscheiben einen großen Aufwand notwendig
macht. Ihre Anpassung an das jeweilige Gerät erfordert einen erhöhten Justieraufwand.
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Es hat daher nicht an Bemühungen gefehlt, diese Kurvenscheiben durch
leichter herstellbare Steueranordnungen zu ersetzen. So ist bereits eine Anordnung
beschrieben, bei der das verwendete Gitter starr mit einem Hebel verbunden ist,
der sich unter dem Zug einer Feder mit seinem freien, einen kreisförmigen Querschnitt
aufweisenden Ende an eine ebene Leitfläche anlegt, die während der Funktion mittels
einer Spindel parallel zu sich selbst verschoben wird.
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Dadurch erfolgt dann die Drehung des Gitters. Diese Anordnung ist
allgemein unter der Bezeichnung »Sinus-Schraube« bekannt. Es liegt ein lineares
Verhältnis zwischen der Wellenlänge und der Anzahl der Gewindegänge der Spindel
vor.
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Auch ist bereits eine Anordnung bekannt, bei der zur Übertragung
der Bewegung auf das Gitter ein mit diesem fest verbundener Hebel vorhanden ist,
auf den ein Betätigungsorgan mit kreisförmigem Qerschnitt einwirkt. Dieses Betätigungsorgan
ist unter der Wirkung einer Schraube mit meßbarem Verstellweg in einer solchen Richtung
derart bewegbar, daß sich der Mittelpunkt des Teils mit kreisförmigem Querschnitt
auf einer durch die Drehachse des Gitters gehenden Geraden bewegt. Bei dieser Anordnung
ist eine lineare Beziehung zwischen den Drehungen der Schraube und dem Kehrwert
der Wellenlänge, d. h. aber der Wellenzahl gegeben.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
Gittersteuerung beim Spektrometer zu schaffen, die einfach im Aufbau ist, mit der
sich die bekannte Aufgabe, einen linearen Zusam-
menhang zwischen dem Gitterantrieb
und der Wellenzahl zu schaffen, einfach lösen läßt und die, falls erwünscht, zusätzlich
eine Änderung des Abbildungsmaßstabes auf einfache Weise gestattet.
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Gegenstand der Erfindung ist daher ein Spektrometer mit einem ebenen,
um eine parallel zu dessen Linien verlaufende Achse drehbaren Reflexionsgitter,
das sich gegenüber Bekanntem dadurch auszeichnet, daß das Gitter an einem Hebel
mit steuerbarer veränderlicher Länge befestigt ist, der drehbar um die Drehachse
des Gitters gelagert, sich unter Zug einer Feder mit seinem freien Ende an einer
planen, vorzugsweise parallel zu sich selbst verschieblich einstellbaren Leitfläche
gleitend anlegt. Die Erfindung besteht somit in der Zusammenfassung sämtlicher im
Anspruch 1 enthaltenen Merkmale. Die Längenänderung des Hebels ist beispielsweise
mittels einer biegsamen Welle vom Antrieb der Aufzeichnungsvorrichtung des Spektrometers
aus steuerbar.
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Die Erfindung ist an Hand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt Fig.
1 ein Reflexionsgitter im Schnitt, Fig. 2 eine geometrische Darstellung, Fig. 3
ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.
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Die Wellenzahl v = V ist dem Sinus eines noch näher zu definierenden
modulierten Einfallwinkels a' umgekehrt proportional. Daher werden bei einer kontinuierlichen
Drehung des Gitters um eine Achse parallel zu den Gitterfurchen in gleichen Zeitabständen
gleiche Wellenzahlenbereiche durchmessen, wenn der reziproke Sinuswert von a' ebenso
zeitlich konstant geändert wird.
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Nun ist bekanntlich die Dispersionscharakteristik eines ebenen Gitters
durch die allgemeine Gittergleichung wie folgt gegeben: m A = d (sin oc i sin ,B)
(1) dabei bedeutet m die Ordnungszahl, A die Wellenlänge, d die Gitterkonstante,
a und B die Ein- und Ausfaliswinkel.
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Bei den üblichen Infrarotspektrometern ist der Ausfallswinkel infolge
festliegender Eintritts- und Austrittsspalte nur um einen konstanten und im allgemeinen
kleinen Winkel a vom Einfallswinkel a verschieden. Außerdem arbeitet man gewöhnlich
nur in positiven Spektralordnungen, so daß m)O ist.
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Daraus ergibt sich für die obengenannte Gleichung die Form: m A =
d Ein o; + sin (°s + b)] (2) oder m # # = 2dsin(α + #/2) cos #/2 . (3) Faßt
man nun den für ein Spektrometer konstanten Faktor cos <3/2 mit der Gitterkonstanten
d zusammen und führt eine reduzierte Gitterkonstante d' = d cos <3/2 ein, und
ersetzt man weiterhin den Winkel a durch den um den konstanten Betrag <3/2 vergrößerten
Winkel a' = a + <3/2, so erhält man die vereinfachte Gleichung # = 2(d'/m)sinα'
(4) oder für die Wellenzahl v = 1/R = m/2d' l/sin a' . (5) Den Einfallswinkel a'
findet man in Fig. 2 als Winkel eines Dreiecks wieder, das sich zusammensetzt aus
einer parallel zur Ebene eines Gitters 10 und senkrecht zu den Gitterfurchen verlaufenden
Hypotenuse AB, der zur »Optischen Achse« parallelen Strecke AC und der Senkrechten
BC zu dieser GeradenAC. Die Lage der optischen Achse ist dadurch definiert, daß
sie mit der Normalen einen Winkel von a + <3/2 einschließt. Der reziproke Sinuswert
des von den Seiten A, B und B, C eingeschlossenen Winkels a' ist nach Gleichung
(5) der Wellenzahl v direkt proportional. Damit aber ist unter der Voraussetzung
der Verwendung eines bestimmten
Gitters in einem bestimmten Infrarotspektrometer
(also d' = const), der Benutzung des Gitters in einer bestimmten Ordnung (z. B.
m = 1) und bei Konstanthaltung der Strecke AC ein linearer Zusammenhang zwischen
der Strecke AB und der Wellenzahl v gegeben. Als Beispiel ist in Fig. 3 eine Anordnung
dargestellt, mit der sich das oben Ausgeführte darstellen läßt. Ein um den Zapfen
drehbares Reflexionsgitter 10 ist mit einem Träger 11 verbunden, in dem ein mit
einem Spindelgewinde versehener Bolzen 12 gelagert ist, der durch Drehen einer mit
entsprechendem Innengewinde versehenen Büchse 13 mittels einer biegsamen Welle 14
herausgedrückt oder eingezogen werden kann. Das freie Ende des Bolzens 12 ist mit
einer Kugel oder Rolle 15 versehen, die mittels einer Feder 16 an eine gerade Leitfläche
17 angedrückt wird. Die biegsame Welle 14 steht mit dem nicht dargestellten Antrieb
zum Wellenzahlvorschub der Registriereinheit in Verbindung, so daß die Länge des
ausgefahrenen Bolzenteils von dort aus gesteuert wird.
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Eine Änderung des Abbildungsmaßstabes der Wellenzahl in Richtung
der Abszisse der Registriereinheit läßt sich dabei leicht durch eine Parallelverschiebung
der Leitfläche 17 erreichen. Auch läßt sich natürlich die mechanische Steuerwelle
durch eine elektrische ersetzen.