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Gitterspektrophotometer Die Erfindung betrifft ein Gitterspektrophotometer
mit einem Monochromator, bei dem ein durch einen Eingangs spalt tretendes Strahlenbündel
parallelgerichtet und auf ein zur Abtastung eines Spektrums verschwenkbares . Reflexionsbeugungsgitter
geleitet wird und durch einen Ausgangsspalt in Abhängigkeit von der Stellung des
Beugungsgitters bestimmte Wellenlängen des Bündels auf einen Strahlungsempfänger
fallen.
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Ein Gitter arbeitet am besten in einem Wellenlängenbereich, in welchem
die Wellenlänge der beobachteten Strahlung in der Größenordnung der Gitterkonstante
liegt. In diesem Bereich erhält man die beste Ausbeute an gebeugter Energie, während
man ungünstigere Verhältnisse erhält, wenn die Wellenlänge der Strahlung stark von
der Gitterkonstante abweicht. Aus diesem Grunde kann man mit einem Beugungsgitter
nur in einem begrenzten Wellenlängenbereich unter optimalen Bedingungen arbeiten.
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Das gilt in stärkerem Maße für Echelette-Gitter, das sind Reflexionsgitter,
bei denen sägezahnförmige Gitterfurchen vorgesehen sind, um unter einem bestimmten
Winkel (Glanzwinkel), unter dem die gebeugte Strahlung vornehmlich beobachtet werden
soll, eine optimale Intensität zu erhalten. Ein solches Gitter ist im allgemeinen
brauchbar zwischen 0,5 f und 1,5 j in der ersten Ordnung, wenn n die Frequenz der
Strahlung ist, die unter dem Glanzwinkel beobachtet wird. Es treten dann Schwierigkeiten
auf, wenn man ein Spektrum über einem großen Wellenlängenbereich abtasten will.
Bei bekannten Spektrophotometern arbeitet man aus diesem Grunde mit mehreren Gittern
von unterschiedlicher Gitterkonstante und/oder unterschiedlichen Glanzwinkeln. Jedoch
hat sich bei bekannten Geräten der Austausch eines Gitters durch ein anderes als
schwierig erwiesen. Beispielsweise muß bei manuellem Ausbau eines Gitters und Einbau
eines anderen ein beachtlicher Zeitverlust auftreten. Weiterhin ergeben sich Ausrichtschwierigkeiten
beim Einbau des neuen Gitters und es besteht immer das Risiko, daß das Gitter beschädigt
wird.
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Es ist aus diesem Grunde eine Anordnung vorgesehen worden, bei der
ein Gitter aus mehreren in einer Ebene liegenden Gitterabschnitten besteht, deren
Gitterfurchen zueinander parallel sind und die unterschiedliche Gitterkonstanten
im Verhältnis 1 : 2, 1 : 3 usw. und/oder unterschiedliche Glanzwinkel besitzen.
Auf dieses Gitter wird ein paralleles Strahlenbündel geleitet, das nur einen Teil
der Gitterfläche ausfüllt. Zur Abtastung des Spektrums wird das Gitter um eine außerhalb
der Gitterebene liegende und zu den Gitterfurchen parallele Achse verschwenkt, wodurch
einmal der Einfallswinkel des Strahlenbündels in bezug auf das Gitter und damit
die beobachtete Wellenlänge verändert und außerdem bewirkt wird, daß das parallele
Strahlenbündel quer zu den Gitterfurchen über das Gitter wandert und so nacheinander
auf die verschiedenen Gitterabschnitte fällt. Auf diese Weise kann man erreichen,
daß stets wenigstens für einen Teil des einfallenden Strahlenbündels eine günstige
Ausbildung des Gitters gegeben ist. Bei dieser bekannten Anordnung kommt es sehr
darauf an, daß die Gitterkonstanten der verschiedenen Gitterabschnitte entweder
genau gleich sind, wenn sich die Gitterabschnitte nur im Glanzwinkel unterscheiden,
oder in einem genau ganzzahligen Verhältnis stehen, da man bei unterschiedlichen
Gitterkonstanten mit den verschiedenen Gitterabschnitten in unterschiedlichen Ordnungen
arbeitet, wenn in einer Zwischenstellung das Strahlenbündel teils auf den einen
und teils auf den anderen Gitterabschnitt fällt. Diese Bedingung ist nicht leicht
einzuhalten und Unterschiede der Gitterkonstanten bringen einen Verlust an Auflösung
mit sich. Die Energieausbeute ist geringer als wenn man ausschließlich mit einem
für den jeweiligen Wellenlängenbereich eingerichteten Gitter arbeitet, da das Strahlenbündel
in den Zwi-
schenstellungen nur teilweise auf dem neuen und zum
Teil noch auf dem vorangehenden Gitterabschnitt auftritt. Es wird ferner nicht das
erreicht, was eigentlich anzustreben wäre, nämlich daß kürzere Wellenlängen mit
einem Gitter kleinerer Gitterkonstanten aber ebenfalls in der ersten Ordnung beobachtet
werden.
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Es ist ein Autokollimationsspektralgerät mit zwei wahlweise benutzbaren,
auf einer drehbaren Halteeinrichtung befestigten Prismen bekannt, bei denen das
eine beispielsweise aus Glas und das andere aus einem Salzkristall besteht. Je nach
dem gewünschten Wellenlängenbereich wird mit dem einen oder mit dem anderen Prisma
gearbeitet. Da sich das Glasprisma auf seiner Rückseite verspiegeln läßt, das Salzprisma
jedoch nicht, sind die Prismen derart Rücken-an-Rücken angeordnet, daß die Rückseite
der Verspiegelung des Glasprismas zugleich als Autokollimationsspiegel für das Salzprisma
verwendbar ist. In ähnlicher Weise könnte man auch zwei Gitter unterschiedlicher
Gitterkonstante auf einem drehbaren Tisch Rücken-an-Rücken anordnen, so daß durch
eine 180°-Drehung des Tisches wahlweise das eine oder das andere Gitter in den Strahlengang
des Spektrometers einschwenkbar ist. Es ergibt sich aber bei solchen Anordnungen
das Problem, daß beim Gitterwechsel der normalen Wellenlängen-Abtastbewegung eine
Drehbewegung um einen sehr genau definierten Winkel überlagert werden muß. Jedes
der Gitter muß ja in seiner Arbeitsstellung eine wohldefinierte Lage relativ zu
dem Strahlengang aufweisen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Gitterspektrophotometer
mit mehreren Gittern wahlweise nur eines dieser Gitter in wohldefinierter Lage in
den Strahlengang einzuschalten.
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Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Kombination der nachstehenden
Merkmale: a) Es sind zwei Gitter Rücken-an-Rücken in einem Gitterträger angeordnet
b) Der Gitterträger ist drehbar in einem Zwischenglied gelagert und an dem Zwischenglied
sind zwei ferromagnetische Teile und an dem Gitterträger Permanentmagnete mit Planflächen
vorgesehen, von denen wahlweise einer an einer entsprechenden Planfläche eines der
ferromagnetischen Teile zur Anlage gebracht werden kann, wodurch der Gitterträger
mit dem Zwischenglied in zwei festen Winkellagen verbunden werden kann, bei denen
jeweils eines der Gitter im Strahlengang des Monochromators liegt. c) Der Wellenlängen
antrieb zur Abtastung des Spektrums greift an dem Zwischenglied an, während auf
dem Gitterträger zum Wechseln der Gitter eine Drehbewegung über einen Reibtrieb
einleitbar ist, wodurch der eine Permanentmagnet von dem zugehörigen ferromagnetischen
Teil des Zwischengliedes abgerissen und der andere an das zugeordnete ferromagnetische
Teil zur Anlage gebracht wird.
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Bei der Erfindung wird wahlweise nur eines der Gitter voll in den
Strahlengang eingeschaltet. Es entfallen somit die geschilderten Nachteile der eingangs
beschriebenen Gitteranordnung. Durch die Verwendung eines Zwischengliedes auf das
die Wellenlängen-Abtastbewegung eingeleitet wird und mit dem
der eigentliche Gitterträger
in zwei definierten Lagen verbindbar ist, wird beim Gitterwechsel eine überlagerte
Drehung um einen genau definierten Winkel gewährleistet. Durch die erfindungsgemäße
magnetische Kupplung mit aneinanderliegenden Planflächen sind die Lagen der Gitter
relativ zu dem Zwischenglied und damit dem Wellenlängenantrieb mit hoher Genauigkeit
bestimmt. Trotzdem kann die Kupplung beim Gitterwechsel- durch Abreißen der Magnete
leicht gelöst werden. Dadurch, daß der Gitterwechselantrieb über einen Reibtrieb
auf den Gitterträger eingeleitet wird, kommt es auf den genauen Drehwinkel des Gitterwechselantriebs
nicht an. Die Gitter drehen sich relativ zu dem Zwischenglied um einen Winkel, der
durch die Magnetanschläge bestimmt ist.
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Eine überschüssige Drehbewegung des Gitterwechselantriebs wird durch
Schlupf des Reibtriebes aufgenommen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Antrieb des Gitterträgers
zur Gitterumschaltung über ein Reibrad erfolgt, welches so ausgebildet ist, daß
es die Antriebsverbindung nur auf einem Winkelbereich des Gitterträgers von ungefähr
1800 herstellt. Dabei kann der Antrieb für den Gitterwechsel über eine volle Umdrehung
erfolgen. Es wird aber nur auf einer halben Umdrehung die Antriebsverbindung zum
Gitterträger über den Reibtrieb hergestellt. Bei normalen Arbeiten des Gerätes ist
der Reibtrieb außer Eingriff mit dem Gitterträger.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt
und im folgenden beschrieben: Fig. 1 ist eine Unteransicht eines erfindungsgemäßen
Gitterspektrophotometers, F i g. 2 zeigt die Gitterwähleinheit im Schnitt, Fig.
3 ist eine Vorderansicht der Einheit von Fig. 2 rund Fig.4 ist ein Schnitt längs
der LinieIV-IV von Fig. 3.
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Die Gitterhalterung Die Konstruktion der zweifachen Gitterhalterung
58 ist in Fig. 2 bis 4 im einzelnen dargestellt. In einem Loch in der Gerätegrundplatte
74 ist eine zylindrische Lagerhülse70 mit einem Befestigungsflansch 72 mittels Befestigungsschrauben
angebracht.
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Die Bohrung der Hülse 70 enthält zwei Kugellager 78 und 80. In diesen
Lagern ist ein zylindrisches Glied 82 drehbar gelagert, welches an seinem oberen
Ende einen Bund 84 aufweist, durch welchen es in seiner Lage gehalten wird. Das
untere Ende des Gliedes 82 ist mit einem Abtaststeuerarm 86 durch einen geeigneten
Kragen88 und eine Schraube90 verbunden.
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Der Bund 84 des Gliedes 82 trägt ein Winkelstück 92, welches mittels
Schrauben 94 (Fig. 4) befestigt ist.
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An jedem Ende des Winkelstückes 92 ist eine ferromagnetische Scheibe
96, 98 vorgesehen. Eine Bewegung des Steuerarmes 86 wird direkt auf das Winkelstück
92 übertragen, welches die Scheiben 96,98 trägt.
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In dem zylindrischen Glied 82 ist eine Welle 100 angeordnet, welche
in dem Glied 82 in Gleitlagern 102, 104 drehbar ist. An dem oberen Ende der Welle
100 ist ein kreisrunder Tisch 106 befestigt. Auf dem Tischl06 sind geeignete Gitterklammern
108, 110 zur Aufnahme von Gittern 54, 56 Rücken-gegen-Rücken angebracht. An der
Unterseite des Tisches 106 befindet sich ein Magnetwinkel 112, welcher zwei
entgegengesetzt
orientierte Permanentmagnete 114, 116 trägt, die nach den Teilen 96, 98 ausgerichtet
sind.
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Am unteren Ende der Welle 100 befindet sich eine Bereichswechselscheibe
118, welche mit der Welle 100 mittels einer Schraube 120 befestigt ist. Um den Rand
der Scheibe 118 ist ein Gummi-O-Ring 122 gelegt.
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Der Bereichswechselmechanismus Seitlich von der Scheibe 118 ist ein
Sektorrad 124 angeordnet, welches einen gerändelten Rand 126 besitzt, der sich über
einen Bogen von etwa weniger als 1800 erstreckt. Das Sektorrad ist so angeordnet,
daß bei einer Verdrehung der gerändelte Rand 126 in Kontakt mit dem 0-Ring 122 gelangt
und die Bereichswechselscheibe 118 antreibt.
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Das Sektorrad 124 wird von einer Riemenscheibe 128 angetrieben, welches
auf der gleichen Welle sitzt.
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Die Riemenscheibe 128 trägt einen Treibriemen, der zu einer Antriebsriemenscheibe
geführt ist, welche auf der Welle eines Bereichswechselmotors sitzt.
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Der Antriebsmechanismus für die Wellenlängenabtastung Der Antriebsmechanismus
für die Wellenlängenabtastung wird entweder von einem Schnellabtastmotor 184 (F
i g. 1) oder von einem Langsamabtastmotor 186 mittels einer Treibriemenscheibe 188
und eines Riemens 190 in Bewegung geestzt. Der Riemen 190 treibt eine Riemenscheibe
192, welche auf einer Registriertrommelwelle 194 sitzt. Die Registriertrommelwelle
194 betätigt über ein Getriebe die Spaltprogrammscheibe 144.
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Die Abtastbewegung des Gitters wird erzeugt durch die Welle 194 und
die Riemenscheibe 200 mittels eines Metallbandes 202, welches einen Sinusmechanismus
steuert, wie er in F i g. 1 dargestellt ist.
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Das Band 202 schlingt sich um die Riemenscheibe 192 und ist mittels
Schrauben 206 an einem verschiebbar geführten Schlitten 204 befestigt. Von dem Schlitten
204 läuft ein Riemen 205 um Riemenscheiben 210 und 208. Ein zweiter Riemen 207 umschlingt
die Riemenscheibe 192. Die Riemen 205 und 207 sind durch eine Feder 212 gespannt.
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Die Wellenlänge der von dem Gitter ausgehenden Strahlung, die durch
den Ausgangsspalt des Monochromators tritt, ist proportional dem Sinus des mittleren
Winkels zwischen dem Einfalls- und dem Beugungswinkel. (Dieser kann als Winkellage
des Gitters angesehen werden.) Der Gitterantrieb besteht aus einem Funktionentrieb,
welcher von der Registriertrommelwelle 194 über das Band 202 und die Riemen 205,
207 angetrieben wird. Wenn das Gitter verdreht wird, wickelt sich das Band 202 von
der Riemenscheibe200 proportional zu dem Sinus des Gitterwinkels ab. Infolgedessen
steht die Trommelstellung in einem linearen Verhältnis zu der am Ausgangsspalt erscheinenden
Wellenlänge.
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Die vorerwähnte Beziehung wird mittels eines Schlittens 204 erreicht,
welcher auf parallelen Führungen 214 geleitet und eine Leiste 215 trägt, die so
angeordnet ist, daß sie senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung bleibt. Der Abtaststeuerarm
86 trägt eine Rolle 216, welche ständig in Kontakt mit der Leiste 215 bleibt. Dieser
Kontakt wird mittels eines Klemm-
hebels 218 aufrechterhalten, welcher bei 220 schwenkbar
gelagert ist und eine Klemmrolle 222 trägt, die an der der Rolle 216 entgegengesetzten
Seite der Sinusleiste 215 anliegt. Mittels einer Klemmfeder 224 werden die Rollen
216 und 222 ständig zusammengedrückt.
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Man erkennt, daß der Abstand zwischen der Welle 100 und der Rolle
216 längs des Abtaststeuerarmes 86 die Hypothenuse eines rechtwinkligen Dreiecks
ist und der von der Leiste 215 durchlaufene Weg im wesentlichen einer Kathede des
Dreiecks entspricht.
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Somit ist der von der Leiste 215 durchlaufene Weg stets proportional
dem Sinus des Winkels, welcher seinen Scheitel auf der Welle 100 hat.
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Wirkungsweise Das erfindungsgemäße Gerät arbeitet wie folgt: Wenn
die Welle 100 (Fig.2) in einer Richtung in ihrer Endstellung verdreht ist, berührt
der Magnet 114 (F i g. 4) die Scheibe 96 und haftet daran. In dieser Stellung ist
eines der Gitter 54, 56 in dem von dem Reflektor 52 ausgehenden, parallelgerichteten
Strahlenbündel angeordnet.
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Wenn entweder der Schnell- oder der Langsamabtastmotor 184, 186 läuft,
dreht sich die Riemenscheibe 192 über den Riemen 190 mit und verdreht die Welle
194, die daran befestigte Schreibtrommel und die Riemenscheibe 200. Wenn die Riemenscheibe
200 weiterläuft, zieht das Band 202 den Schlitten 204 (F ig. 1) längs der Führungen
214 und verlagert so die Sinusleiste 215, beispielsweise nach 215'. Der Steuerarm86
bewegt sich somit nach 86', weil er durch den Klemmhebel 218 an der Sinusleiste
215 in Anlage gehalten wird. Während dieser normalen Abtastperiode ist das Sektorrad
124 außer Eingriff mit dem O-Ring 122 auf der Scheibe 118.
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Wie man aus Fig.2 entnehmen kann, wird die Bewegung des Steuerarmes
86 direkt über eine Drehung des zylindrischen Gliedes 82, das Winkelstück 92, Magnet
114 und Tisch 106 auf die Gitter übertragen.
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Wenn man die Gitter wechseln will, um einen anderen Frequenzbereich
zu untersuchen, wird der Bereichswechselmotor 138 angeschaltet. Der Antriebsriemen
130 dreht das Sektorrad 124. Der ge rändelte Rand 126 kommt in Eingriff mit dem
0-Ring 22 und dreht die Welle 100 um etwas weniger als 1800, wobei er den Magneten
114 (Fig.2 bis 4) von der Scheibe 96 abreißt und den Magneten 116 an der Scheibe
98 zu Anlage bringt.
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Das bewirkt, daß die Gitter 54 und 56 ihre Stellungen vertauschen
und ein neues Gitter in das von dem Reflektor 52 ausgehende parallelgerichtete Bündel
gebracht wird.