DE1191131B

DE1191131B - Grating spectrometer

Info

Publication number: DE1191131B
Application number: DEB64530A
Authority: DE
Inventors: Jason Lewis Saunderson; Eliot Dubois
Original assignee: Baird Atomic Inc
Current assignee: Baird Atomic Inc
Priority date: 1960-10-27
Filing date: 1961-10-25
Publication date: 1965-04-15

Description

Gitterspektrometer Die Erfindung bezieht sich auf Spektrometer derjenigen Art, bei denen das von einer zu untersuchenden Probe ausgehende Licht durch einen Eintrittsspalt und eine Ablenkvorrichtung hindurch auf ein gebogenes Beugungsgitter gerichtet wird, das ein Spektrum erzeugt, von dem ausgewählte Komponenten oder Linien durch eine Mehrzahl von Austrittsspalten hindurch auf Photozellen gerichtet werden, um die Intensität der Linien des Spektrums zu bestimmen.Grating Spectrometers The invention relates to spectrometers of those Type in which the light emanating from a sample to be examined passes through a Entrance slit and a deflection device through onto a curved diffraction grating which produces a spectrum from which selected components or lines directed at photocells through a plurality of exit slits, to determine the intensity of the lines of the spectrum.

Da bei solchen Spektrometern eine außerordentlich hohe Genauigkeit der Lagebeziehung zwischen dem Eintrittsspalt, dem Gitter und den Austrittsspalten erforderlich ist, können beispielsweise durch Temperatur- oder Druckschwankungen hervorgerufene Mißausrichtungen auftreten, die zu fehlerhaften Meßergebnissen führen. Um diesen Nachteil zu beheben, ist bei einer bekannten Ausführung dem Spektrometer ein Hilfssystem zur automatischen Justierung der relativen Winkelorientierung zwischen Gitter und Austrittsspalten zugeordnet. Dieses Hilfssystem besteht aus einer Lichtquelle, die eine »Kontrollstrahlung« durch Beugung an dem Gitter auf ein zusätzliches Spaltsystem mit Photozelle richtet, die über zweckentsprechende Stromkreise einen Elektromotor steuert, welcher die Justierung der relativen Winkelorientierung durch korrigierendes Drehen der Ablenkvorrichtung bewirkt. An Stelle einer besonderen Kontrollstrahlungs-Lichtquelle kann auch eine Komponente des von der zu untersuchenden Probe ausgehenden Lichtes selbst verwendet werden. Because with such spectrometers an extremely high accuracy the positional relationship between the entrance slit, the grid and the exit slits is required, for example, due to temperature or pressure fluctuations caused misalignments occur, which lead to erroneous measurement results. In order to remedy this disadvantage, the spectrometer is a known design an auxiliary system for automatic adjustment of the relative angular orientation between Lattice and exit slits assigned. This auxiliary system consists of a light source, the one "control radiation" by diffraction at the grating onto an additional slit system with a photocell that directs an electric motor via appropriate circuits controls which the adjustment of the relative angular orientation by corrective Rotating the deflector causes. Instead of a special control radiation light source can also be a component of the light emanating from the sample to be examined can be used by yourself.

Es ist gefunden worden, daß trotz der Anordnung eines solchen Hilfssystems, welches eine automatische Justierung der relativen Winkelorientierung zwischen Gitter und Austrittsspalten bewirkt, dennoch fehlerhafte Meßergebnisse dadurch erhalten werden können, daß das Gitter infolge von Temperatur- oder Druckschwankungen oder anderen Einflüssen kleine Bewegungen gegen die Austrittsspalte und von ihnen weg ausführen kann, wodurch eine nachteilige Zerstreuung der auf die Austrittsspalte gerichteten Spektrallinien hervorgerufen wird. It has been found that, despite the arrangement of such an auxiliary system, which is an automatic adjustment of the relative angular orientation between grids and exit gaps caused, yet incorrect measurement results obtained thereby can be that the grid as a result of temperature or pressure fluctuations or other influences small movements towards and away from the exit slit can perform, whereby a disadvantageous dispersion of the on the exit gap directed spectral lines is caused.

Zweck der Erfindung ist, auch diese Fehlerquelle auszuschalten, und dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß bei einem Gitterspektrometer der eingangs genannten Art zusätzlich zu dem ersten Hilfssystem ein von diesem unabhängiges zweites Hilfssystem zur automatischen Justierung des Abstandes zwischen Gitter und Austrittsspalten vorgesehen ist. The purpose of the invention is to also eliminate this source of error, and this is achieved according to the invention in that in a grating spectrometer of the type mentioned at the outset, in addition to the first auxiliary system, an independent system second auxiliary system for the automatic adjustment of the distance between grids and Exit gaps is provided.

Dieses zweite Hilfssystem kann ähnlich wie das erste System eine Lichtquelle und ein zusätzliches Spaltsystem mit Photozelle aufweisen. Für die beiden Hilfssysteme kann eine gemeinsame Lichtquelle verwendet werden, die eine Kontrollstrahlung kurzer Wellenlänge und eine Kontrollstrahlung langer Wellenlänge liefern kann. Dabei ist es vorzuziehen, die Kontrollstrahlung kurzer Wellenlänge für die Korrektur der relativen Winkelorientierung und die Kontrollstrahlung langer Wellenlänge für die Korrektur des Abstandes zwischen Gitter und Austrittsspalten zu verwenden, da die langwellige Strahlung im allgemeinen stärker als die kurzwellige Strahlung zerstreut wird. This second auxiliary system can be similar to the first system Have a light source and an additional slit system with a photocell. For both Auxiliary systems, a common light source can be used, which is a control radiation short wavelength and a long wavelength control radiation. Included It is preferable to use the short wavelength control radiation for the correction of the relative angular orientation and the long wavelength control radiation for the Correction of the distance between the grid and the exit slits to be used, since the long-wave radiation is generally more scattered than short-wave radiation will.

Ein Ausführungsbeispiel eines Gitterspektrometers, das mit einem an sich bekannten ersten Hilfssystem zur automatischen Justierung der relativen Winkelorientierung zwischen Gitter und Austrittsspalten sowie erfindungsgemäß mit einem zweiten Hilfssystem zur automatischen Justierung des Abstandes zwischen Gitter und Austrittsspalten versehen ist, wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung erläutert, welche die Anordnung der Aufbauteile des Spektrometers teilweise in schaubildlicher und teilweise in schematischer Weise wiedergibt. An embodiment of a grating spectrometer with a known first auxiliary system for automatic adjustment of the relative Angular orientation between the grid and exit gaps and according to the invention with a second auxiliary system for automatic adjustment of the distance between grids and exit gaps is provided below in connection with the drawing explains which the arrangement of the structural parts of the spectrometer is partly in diagrammatic form and reproduces partially in a schematic manner.

Eine übliche Lichtbogenvorrichtung 10 weist zwei z. B. stiftförmige Elektroden 12 und 14 auf, die aus dem Material der zu untersuchenden Probe bestehen und durch Klammern 16 bzw. 18 in axialem Abstand voneinander gehalten werden. Die Lichtbogenvorrichtung 10 ist mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden, um zwischen den Elek- troden eine Funkenentladung zu erzeugen. Die Vorrichtung 10 liefert daher ein Licht, das in seiner spektralen Zusammensetzung für die zu untersuchende Probe charakteristisch ist. Dieses Licht fällt durch eine teilweise durchlässige und teilweise reflektierende, schräg angeordnete Platte 20, einen Eintrittsspalt 22 und eine drehbare Ablenkplatte 24 hindurch auf ein konkav gebogenes Beugungsgitter 26, das ein Spektrum des Lichtes der zu untersuchenden Probe erzeugt. Ausgewählte Komponenten oder Linien dieses Spektrums werden durch entsprechend angeordnete Austrittsspalte 28 hindurch auf Photozellen 30 gerichtet, die in Verbindung mit ihnen zugeordneten Integrierungsstromkreisen 32 eine Anzeige der Intensitäten dieser Spektrallinien liefern. A common arc device 10 has two e.g. B. pen-shaped Electrodes 12 and 14, which consist of the material of the sample to be examined and are held at an axial distance from one another by brackets 16 and 18, respectively. the Arc device 10 is connected to a voltage source, not shown, to switch between the elec- trode to generate a spark discharge. the Device 10 therefore delivers a light that, in its spectral composition is characteristic of the sample to be examined. That light falls through you partially transparent and partially reflective, inclined plate 20, an entry slit 22 and a rotatable baffle 24 therethrough onto a concave curved diffraction grating 26, which is a spectrum of the light to be examined Sample generated. Selected components or lines of this spectrum are through appropriately arranged exit gaps 28 directed through to photocells 30, the integration circuits 32 associated with them display a display of the intensities of these spectral lines.

Um selbst geringe Störungen der räumlichen Beziehung zwischen den verschiedenen Aufbauteilen des Spektrometers auf einem Minimum zu halten, sind diese Aufbauteile auf einem kräftigen A-förmigen Rahmen (nicht dargestellt) angeordnet. Jedoch können wegen des verhältnismäßig großen Abstandes zwischen dem an dem einen Ende des A-förmigen Rahmens angeordneten Gitter und den am anderen Ende des Rahmens angeordneten Eintritts-und Austrittsspalten Temperatur- und Druckschwankungen einerseits Anderungen der relativen Winkel-Orientierung zwischen dem Eintrittsspalt, dem Gitter und den Austrittsspalten und andererseits Änderungen des optisch genauen Abstandes zwischen dem Gitter und den Austrittsspalten hervorrufen. Um dadurch bedingte Fehler in den Messungen auszuschalten, sind die beiden nachstehend beschriebenen Hilfssysteme vorgesehen, die eine automatische Korrektur dieser störenden Erscheinungen bewirken. To even minor disturbances in the spatial relationship between the Keeping the various structural parts of the spectrometer to a minimum are these Body parts are arranged on a sturdy A-shaped frame (not shown). However, because of the relatively large distance between the one End of the A-shaped frame arranged grid and at the other end of the frame arranged inlet and outlet gaps, temperature and pressure fluctuations on the one hand Changes in the relative angular orientation between the entrance slit, the grid and the exit slits and, on the other hand, changes in the optically precise distance between the grid and the exit gaps. To errors caused by it The two auxiliary systems described below are to be switched off in the measurements provided, which cause an automatic correction of these disturbing phenomena.

Die beiden Hilfssysteme werden auf photoelektrischem Wege durch verschiedene Kontrollichtwellenlängen gesteuert, die aus dem eine Vielheit von Wellenlängen enthaltenden Licht ausgewählt werden, das in einer Gasentladungsröhre 34 erzeugt wird, die z. B. mit Quecksilberdampf gefüllt ist. Die beiden ausgewählten Wellenlängen werden gegen die schräg angeordnete Platte 20 gerichtet, von der sie durch den Eintrittsspalt 22 hindurch auf das Gitter 26 reflektiert werden. Durch Beugung an dem Gitter 26 wird das Licht der einen Wellenlänge durch zwei besondere Austrittsspalte 40 hindurch auf eine Photozelle 78 des die relative Winkelorientierung zwischen dem Gitter 26 und den Austrittsspalten 28 automatisch justierenden ersten Hilfssystems und das Licht der anderen Wellenlänge durch zwei besondere Austrittsspalte 41 hindurch auf eine Photozelle 112 des den Abstand zwischen dem Gitter 26 und den Austrittsspalten 28 automatisch justierenden zweiten Hilfssystems gerichtet. The two auxiliary systems are photoelectrically through different Control light wavelengths controlled from the containing a plurality of wavelengths Light can be selected that is generated in a gas discharge tube 34, the z. B. is filled with mercury vapor. The two selected wavelengths will be directed against the obliquely arranged plate 20, from which it passes through the entry gap 22 are reflected through onto the grating 26. By diffraction at the grating 26 the light of one wavelength is passed through two special exit slits 40 on a photocell 78 of the relative angular orientation between the grid 26 and the exit gaps 28 automatically adjusting the first auxiliary system and the Light of the other wavelength through two special exit slits 41 through a photocell 112 of the distance between the grid 26 and the exit slits 28 automatically adjusting second auxiliary system directed.

Die mit Quecksilber gefüllte Gasentladungsröhre 34 enthält zwei Fäden 64 und 66, die in Reihe über zwei Klemmen 68 und 70 geschaltet und an ihrer mittleren Verbindungsstelle durch einen Stab 72 ab gestützt sind. Eine an die in Reihe liegenden Fäden angelegte Wechselspannung erzeugt augenblickliche Potentialunterschiede zwischen den beiden Fäden. The gas discharge tube 34 filled with mercury contains two threads 64 and 66, which are connected in series via two terminals 68 and 70 and at their middle Connection point are supported by a rod 72 from. One to the ones in line Alternating voltage applied to threads creates instantaneous potential differences between the two threads.

Jedesmal, wenn dieser Unterschied genügend groß ist, tritt ein Durchschlag des Quecksilberdampfes in der Gasentladungsröhre 34 auf, wodurch ein Elektronenfluß erzeugt wird, der ein Glimmlicht entstehen läßt. Es können auch Gasentladungsröhren anderer Art verwendet werden; es ist nur erforder- lich, daß ihr Dampfdruck und ihr mechanischer Aufbau derart gewählt ist, daß sie beim Anlegen einer zweckentsprechenden Wechselspannung wechselnde Strahlungsquellen entstehen lassen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Röhre 34 die Wechselspannung über einen Ballastwiderstand 74 aus einer Wechselstromquelle 76 zugeführt. Es werden somit zwei Wellenlängen des Kontrollichtes benutzt, deren jede zwei Komponenten wechselnder Intensität aufweist.Every time this difference is large enough, a breakdown occurs of the mercury vapor in the gas discharge tube 34, whereby an electron flow is generated, which creates a glow light. Gas discharge tubes can also be used used in a different way; it is only required- Lich, that her vapor pressure and her mechanical structure is chosen so that it is appropriate when creating a Let alternating voltage arise from alternating sources of radiation. With the one shown Embodiment, the tube 34 is the alternating voltage via a ballast resistor 74 supplied from an AC power source 76. There are thus two wavelengths of the control light, each of which has two components of varying intensity.

Die beiden Komponenten der einen Wellenlänge für das erste an sich bekannte Justiersystem werden durch den Eintrittsspalt 22 hindurch auf das Gitter 26 gerichtet, welches sie durch Beugung gegen die ihnen zugeordneten beiden Austrittsspalte 40 richtet, die im Abstand übereinander angeordnet und in Querrichtung gegeneinander versetzt sind. Auf Grund der versetzten Anordnung der Austrittsspalte 40 gibt es eine Orientierung, bei welcher die Intensität der durch den oberen Spalt hindurchgehenden Strahlung genau gleich der Intensität der durch den unteren Spalt hindurchgehenden Strahlung ist. Bei einer anderen Orientierung hat entweder die durch den unteren Spalt oder die durch den oberen Spalt hindurchgehende Strahlung eine größere Intensität. The two components of the one wavelength for the first in itself known adjustment systems are through the entrance slit 22 through to the grid 26 directed, which they by diffraction against the two exit slits assigned to them 40 aligns, which are arranged at a distance one above the other and in the transverse direction against each other are offset. Due to the staggered arrangement of the exit gaps 40 there are an orientation at which the intensity of that passing through the upper gap Radiation exactly equal to the intensity of that passing through the lower gap Radiation is. In the case of a different orientation, either the one through the lower one Gap or the radiation passing through the upper gap has a greater intensity.

Die den beiden Austrittsspalten 40 zugeordnete Photozelle 78, der gleichgerichtete Energie aus einer Quelle 82 zugeführt wird und die eine Sammelanode enthält, erzeugt beim Ansprechen auf die beiden Komponenten der Wellenlänge eine Aufeinanderfolge von elektrischen Impulsen, die in ihrer Größe gleich sind, wenn die Strahlen richtig orientiert sind. The photocell 78 assigned to the two exit gaps 40, the rectified energy is supplied from a source 82 and which has a collecting anode contains, when responding to the two components of the wavelength, produces one A succession of electrical impulses, equal in size, if the rays are properly oriented.

Die von der Photozelle 78 erzeugten Impulse werden zum Steuern von zweckentsprechenden Stromkreisen beliebiger bekannter Art verwendet, um einen Elektromotor 36 in der einen oder anderen Richtung zu drehen und damit die Ablenkplatte 24 fortlaufend so einzustellen, daß eine vorbestimmte Orientierung der gegen die Austrittsspalte 28 gerichteten Lichtstrahlen aufrechterhalten wird. The pulses generated by the photocell 78 are used to control appropriate circuits of any known type used to power an electric motor 36 to rotate in one direction or the other and thus the baffle 24 continuously set so that a predetermined orientation of the opposite to the exit gap 28 directed light rays is maintained.

Das zweite Hilfssystem zur automatischen Justierung des Abstandes zwischen dem Gitter 26 und den Austrittsspalten 28 weist eine Grundplatte 42, die mit Bezug auf die als Lichtquelle dienende Gasentladungsröhre34 feststeht, und einen Träger 44 für das Gitter 26 auf. Die Grundplatte 42 ist mit einer Zunge 46 versehen, die in Gleiteingriff mit einer Nut 48 in dem Träger 44 steht, so daß der Träger 44 mit dem Gitter 26 durch die Drehung einer Spindel 50 mit Bezug auf die Grundplatte 42 verschoben werden kann. Die Spindel 50, die durch eine Gewindebohrung in dem Träger 44 hindurchgeht, ist an ihren Enden in auf der Grundplatte 42 fest angeordneten Armen 52 bzw. 54 drehbar gelagert. Auf das eine Ende der Spindel 50 ist ein Zahnrad 58 aufgekeilt, das über ein Ritzel 60 von einem Servomotor 62 in der einen oder anderen Richtung gedreht werden kann, um dadurch den Träger 44 mit dem Gitter 26 auf der Grundplatte 42 vorwärts oder rückwärts zu verschieben. The second auxiliary system for the automatic adjustment of the distance between the grid 26 and the exit gaps 28 has a base plate 42 which with respect to the gas discharge tube 34 serving as a light source is fixed, and a Support 44 for the grid 26. The base plate 42 is provided with a tongue 46, which is in sliding engagement with a groove 48 in the carrier 44 so that the carrier 44 with the grid 26 by the rotation of a spindle 50 with respect to the base plate 42 can be moved. The spindle 50, which is through a threaded hole in the Support 44 passes through is fixedly arranged at its ends in on the base plate 42 Arms 52 and 54 rotatably mounted. On one end of the spindle 50 is a gear 58 keyed, which via a pinion 60 from a servo motor 62 in one or can be rotated in the other direction, thereby connecting the carrier 44 to the grille 26 to move forward or backward on the base plate 42.

Die beiden Komponenten der zweiten Wellenlänge des Kontrollichtes aus der Gasentladungsröhre 34 werden durch den Eintrittsspalt 22 auf das Gitter 26 gerichtet, welches sie durch Beugung auf die beiden ihnen zugeordneten Austrittsspalte 41 richtet, die ebenfalls mit Abstand übereinander und in Querrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sind und in ähnlicher Weise wie die Spalte 40 arbeiten. Die den Austrittsspalten 41 zugeordnete Photozelle 112, die ähnlich wie die Photozelle78 ausgebildet ist, bildet einen Bestandteil des zweiten Hilfssystems und steuert über entsprechende Stromkreise den Servomotor 62, um eine Verschiebung des Trägers 44 in der einen oder anderen Richtung zu bewirken und dadurch den Abstand zwischen dem Gitter 26 und den Austrittsspalten 28 automatisch zu justieren. The two components of the second wavelength of the control light from the gas discharge tube 34 are through the entry slit 22 onto the grid 26 directed, which they by diffraction on the two exit slits assigned to them 41 aligns, which are also spaced one above the other and in the transverse direction against one another are staggered and operate in a similar manner to column 40. the the Photocell 112 associated with exit gaps 41, which are similar how the photocell 78 is designed forms part of the second auxiliary system and controls the servomotor 62 via appropriate circuits to move of the carrier 44 in one or the other direction and thereby the distance to adjust automatically between the grid 26 and the exit slits 28.

Claims

Claim: grating spectrometer with a light source in the direction of light, Entrance slit, a deflector, the grid, several exit slits and a first Auxiliary system, consisting of light source, additional slit system and photocell, for automatic adjustment of the relative angular orientation between the grid and Exit gaps are arranged, characterized in that a second, from the first independent auxiliary system (41, 50, 62) for automatic adjustment of the distance is provided between the grid and exit gaps.

References considered: U.S. Patents No. 2,937 561, 2 837 959, 2764909.