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Gitterspektrometer mit Vorzerlegung Die Erfindung betrifft ein Gitterspektrometer
mit Vorzerlegung.
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Es sind Gitterspektrometer mit Prismenvorzerlegung bekannt. Bei einem
solchen wird durch einen Prismenmonochromator ein enger Spektralbereich ausgefiltert
und auf den Eingangsspalt des eigentlichen Gitterspektrometers geleitet. Durch diese
Vorzerlegung wird sichergestellt, daß am Ausgangsspalt des Gitterspektrometers keine
Strahlung aus unerwünschten anderen Ordnungen erscheinen kann. Es ist auch bekannt,
zur Ausschaltung unerwünschter Ordnungen bei Gitterspektrometern statt eines Prismenmonochromators
ein Filter vorzusehen. Für die Abtastung eines größeren Spektralbereiches müssen
dann mehrere verschiedene Filter vorgesehen werden, die nacheinander in den Strahlengang
eingeschwenkt werden können. Bei üblichen Anordnungen dieser Art sitzen die Filter
auf einem Filterrad.
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Die Verwendung eines Prismenmonochromators hat den Vorteil, daß die
durchgelassene Wellenlänge kontinuierlich veränderbar ist, so daß nicht - wie bei
einem Filterrad - bei der Umschaltung von einem Wellenlängenbereich zum anderen
von dem Schreiber Umschaltzacken geschrieben werden können. Für die Abtastung des
Spektrums wird bei einem Filtergerät eine relativ große Anzahl von Filtern benötigt.
Ein Prismenmonochromator hat jedoch den Nachteil, daß sein Wellenlängenbereich durch
den Durchlässigkeitsbereich des Prismenmaterials begrenzt ist. Bei Verwendung eines
KBr-Prismas in einem Ultrarot-Spektralphotometer ist der Prismenmonochromator beispielsweise
in einem Bereich von 2,5 bis 25 ist brauchbar.
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Bei größeren Wellenlängen beginnt das Kaliumbromid zu absorbieren.
Man könnte durch Wahl eines anderen Materials für das Prisma, etwa von Cäsiumjodid,
den nutzbaren Wellenlängenbereich des Prismenmonochromators noch etwas vergrößern
Ein solches Prisma wird aber sehr teuer. Andererseits würde man zur Überdeckung
des gleichen Wellenlängenbereiches von 2,5 bis 25 bei einem Filtergerät nicht weniger
als neun verschiedene Filter benötigen.
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Erfindungsgemäß wird daher vorgesehen, daß in dem Spektralbereich,
in dem Prismen ohne wesentliche Absorption zur Verfügung stehen, ein Prisma in an
sich bekannter Weise zur Vorzerlegung verwendet wird, daß außerhalb dieses Bereiches
das Prisma durch in den Strahlengang in an sich bekannter Weise einführbare Spiegel
wahlweise aus dem Strahlengang ausschaltbar und dafür ein Filter, wie an sich bekannt,
zur Vorzerlegung in den Strahlengang einführbar ist und daß in an sich bekannter
Weise ein Eingangsspalt und ein Ausgangsspalt angeordnet sind.
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Es bleiben also auf dem größten Teil des Wellenlängenbereiches die
Vorteile des Prismenmonochromators erhalten. Aber dort, wo das Prismenmaterial absorbiert,
verwendet man ein Filter. Man braucht dann nicht extrem teures Prismenmaterial zu
verwenden und kann trotzdem mit relativ geringem Aufwand einen für praktische Zwecke
ausreichenden Wellenlängenbereich erfassen. Beispielsweise kann man bei einem Ultrarot-Spektralphotometer
in dem Bereich von 2,5 bis 25es mit einem Kaliumbromidprisma arbeiten. Dann wird
das Prisma »kurzgeschlossen«, und man kann mit einem einzigen Filter noch den Bereich
von 25 bis 45 tt erfassen. Bei einem reinen Filtergerät hätte man für den Bereich
von 2,5 bis 45 tt insgesamt zehn Filter benötigt.
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Das »Kurzschließen« des Prismenmonochromators kann vorteilhafterweise
in der Form erfolgen, daß die Prismenvorzerlegung mittels eines bekannten Littrow-Monochromators
erfolgt, daß in den parallelen Strahlengang von dem Prisma ein erster Spiegel einschwenkbar
ist, welcher das Licht auf einen feststehenden zweiten Spiegel lenkt, und daß der
zweite Spiegel das Licht auf den ersten Spiegel zurück und auf den Ausgangsspalt
des Monochromators über ein Filter leitet. Es werden dann für Prismen- und Filterbetrieb
die gleichen abbildenden optischen Glieder benutzt, und es braucht nur ein Spiegel
bewegt zu werden, so daß der Aufbau sehr einfach wird. Dabei wird man im allgemeinen
dafür sorgen, daß die optische Weglänge des Strahlenganges über die Spiegel genau
so groß ist wie die Weglänge des Strahlenganges durch das Prisma und über den Littrow-Spiegel,
was sich ja bei dem geschilderten Strahlengang ohne weiteres realisieren läßt.
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Es geht nach der Erfindung der Strahlengang einmal durch das Prisma
und das andere Mal nicht. Das
Prisma bewirkt nun bekanntlich eine
Krümmung des Spaltbildes, so daß der Ausgangsspalt des Prismenmonochromators gekrümmt
ist. Diese Krümmung fällt weg, wenn der Strahlengang nur über die Spiegel geleitet
wird und das Prisma aus dem Strahlengang ausgeschaltet ist. Bei einem engen Eingangsspalt
würde sich somit ohne das Prisma der Ausgangsspalt des Prismenmonochromators nur
teilweise überdecken. Das hätte einen unerwünschten Energieverlust zur Folge. Auf
der anderen Seite hat, der Eingangsspalt des Prismenmonochrómators bei Filterbetrieb
keinerlei Einfluß auf die durchgelassene Wellenlänge, welche ja ausschließlich durch
das Filter bestimmt wird. In weiterer Ausbildung der Erfindung wird aus diesem Grunde
vorgesehen, daß bei Filterbetrieb der Eingangsspalt des Monochromators weit geöffnet
wird. Eine besonders vorteilhafte Konstruktion hierfür erhält man dadurch, daß die
beiden Spaltbacken des Monochromatoreingangsspaltes an parallelen, gegensinnig bewegbaren
Seil- oder Bandteilen befestigt sind, so daß sie bei einer Bewegung der Seil- oder
Bandteile gegensinnig mitgenommen werden, und daß beide Seil- oder Bandteile über
eine dazwischenliegende und quer zur Seilrichtung bewegbare Rolle geführt sind.
Durch eine Querbewegung der letzteren Rolle kann dann erreicht werden, daß sich
die Spaltbacken auseinanderbewegen, so daß eine Öffnung des Monochromatorspaltes
erfolgt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt
und im folgenden beschrieben: Fig. 1 zeigt den Strahlengang des erfindungsgemäßen
Prismenvormonochromators; Fig. 2 zeigt schematisch die Spaltsteuerung; Fig. 3 zeigt
eine konstruktive Ausführung der Spaltsteuerung und F i g. 4 zeigt einen Schnitt
längs der Linie IV-IV von Fig. 3.
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Mit 10 ist der Eingangsspalt des Prismenvormonochromators bezeichnet,
12 ist der Ausgangsspalt des Vormonochromators, der zugleich den Eingangsspalt des
- nicht dargestellten - Gitterteiles bildet. Im Strahlengang sind in Fig. 1 der
Einfachheit halber nur die Büdelachsen eingezeichnet. Das durch den Eingangs spalt
10 tretende Strahlenbündel wird von einem Hohlspiegel 14 in üblicher Weise parallel
gerichtet und fällt bei Prismenbetrieb durch das Prisma 16, z. B. ein Kaliumbromidprisma,
und auf den Littrow-Spiegel 18. Der Littrow-Spiegel 18 wirft das Bündel zurück,
und nach einem zweiten Durchgang durch das Prisma 16 wird es von dem Hohlspiegel
14 über einen Planspiegel 20 auf dem Ausgangsspalt 12 gesammelt. In dem Prisma erfährt
das Bündel bei jedem Durchgang eine spektrale Zerlegung, d. h., die verschiedenen
Wellenlängen werden unterschiedlich gebrochen. Der gezeichnete Strahlengang gilt
für eine bestimmte Wellenlänge, und durch Verschwenken des Littrow-Spiegels 18 können
nacheinander die verschiedenen Wellenlängen auf dem Ausgangsspalt gesammelt werden.
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Das ist der gebräuchliche Strahlengang des Littrow-Monochromators.
Mit dieser Anordnung kann man bei Verwendung eines Kaliumbromidprismas bis zu einer
Wellenlänge von ungefähr 25 p arbeiten. Bei größeren Wellenlängen beginnt dann das
Prisma 16 zu absorbieren. Aus diesem Grund ist dann ein Spiegel 22 in den parallelen
Strahlengang zwischen Hohlspiegel 14 und Prisma .16 einschwenkbar. Dieser
Spiegel
reflektiert, das Strahlenbündel in der - gestrichelt eingezeichneten Weise auf einen
feststehenden Planspiegel 24. Der Planspiegel 24 wirft das Strahlenbündel auf den
Spiegel 22 zurück, und zwar in der Weise, daß es von dem Spiegel 22 genauso auf
den Hohlspiegel 14 gelenkt wird, als käme es von dem Littrow-Spiegel 18. Das Strahlenbündel
wird daher ohne spektrale Zerlegung auf dem Ausgangsspaltl2 des Prismenvormonochromators
(und Eingangsspalt des Gitterteiles) gesammelt. Gleichzeitig ist ein Filter 26 in
den Strahlengang eingeschwenkt worden, welches beispielsweise einen Spektralbereich
von 25 bis 45 tt durchläßt.
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F i g. 2 zeigt schematisch die Vorrichtung zur Spaltverstellung.
Bei Prismenbetrieb müssen Eingangsspalt 10 und Ausgangsspalt 12 nach einem Programm
synchron verstellt werden. Zu diesem Zweck ist ein Seil 28 vorgesehen, das um eine
Rolle 30 über 1800 herumgelegt und vorzugsweise an dieser befestigt ist und mit
den Enden über Spannfedern 32, 34 am Gehäuse 36 befestigt ist. Sie brauchen nicht
unbedingt befestigt zu sein, wenn die Spannung der Seile so ist, daß ein Rutschen
praktisch ausgeschlossen ist. Das Seil bildet daher zwei parallel sich erstreckende
Seilteile, und bei einer Drehung der Rolle 30 im Uhrzeigersinn bewegt sich der obere
Teil des Seiles nach rechts in F i g. 2 und wickelt sich auf die Rolle 30 auf, wobei
die Feder 32 gedehnt wird, während sich der untere Teil des Seiles von der Rolle
30 abwickelt und die Feder 34 sich entspannt.
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An den beiden Teilen des Seiles 28 sind Spaltbacken 38, 40 des Spaltes
12 befestigt, welche durch Führungen 42, 44 parallel geführt sind. Bei einer Verdrehung
der Rolle 30 im Uhrzeigersinn werden somit die Spaltbacken einander angenähert und
die Spaltbreite verringert, während aber der Schwerpunkt des Spaltes 12 erhalten
bleibt, weil sich beide Spaltbacken gegensinnig bewegen. Bei einer Drehung der Rolle
30 entgegen dem Uhrzeigersinn wird der Spalt 12 entsprechend geöffnet. Die Verdrehung
der Rolle 30 erfolgt in an sich bekannter, nicht dargestellter Weise durch eine
Spaltprogrammsteuerung.
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In entsprechender Weise erfolgt eine Verstellung des Spaltes 10.
Dessen Spaltbacken 46 und 48 sind in Führungen50, 52 parallel geführt und an zwei
parallel sich erstreckenden Teilen eines Seiles 54 befestigt. Das Seil 54 ist über
Rollen 56 und 58 geführt.
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Die Rolle 58 wird durch eine Feder 60 nach rechts gezogen, um das
Seil 54 gespannt zu halten. Die Feder 60 dient also nur zur Spannung; sie hat mit
der Spaltverstellung nichts zu tun; die Rollen 30 und 56 sind gehäusefest und werden
gemeinsam von der Spaltprogrammsteuerung verdreht. Die Rolle 56 wird bei Prismenbetrieb
ebenfalls nach dem Spaltprogramm verdreht. Das ist in F i g. 2 dadurch angedeutet,
daß die Rollen 30 und 56 auf einer gemeinsamen Welle 62 sitzend dargestellt sind.
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Für Filterbetrieb muß der Spalt 10 weit geöffnet werden, weil das
Prisma 16 im Strahlengang in Wegfall kommt und daher das Spaltbild des Spaltes 10
aus den geschilderten Gründen nicht mehr mit der Form des Spaltes 12 übereinstimmen
würde. Der Spalt 12, der zugleich den Eingangsspalt des Gitterteils darstellt, muß
aber weiterhin einem Spaltprogramm folgen.
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Zu diesem Zweck ist das Seil 54 über eine weitere Rolle 64 geführt,
die quer zur Seilrichtung aus der
dargestellten in die gestrichelt
eingezeichnete Lage verschoben werden kann. Außerhalb des Seiles 56 sind Paare von
Rollen 66 und 68 vorgesehen, um welche das Seil 56 bei der einen oder der anderen
Stellung der Rolle 64 herumgeführt wird, so daß die Parallelität der Seilteile im
Bereich der Spaltbacken 46 und 48 nicht beeinträchtigt wird.
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Wenn die Rolle 64 bei feststehender Rolle 56 nach oben in die gestrichelte
Lage bewegt wird, dann wird rechts davon der obere Teil des Seiles mit der Spaltbacke
46 nach links bewegt. Der untere Teil des Seiles mit der Spaltbacke 48 wird entsprechend
entspannt und nach rechts gezogen. Der Spalt 10 wird also weit geöffnet, ohne daß
der Spalt 12 davon beeinflußt würde. Die geschilderte Bewegung der Rolle 64 wird
eingeleitet, wenn von Prismenbetrieb auf Filterbetrieb umgeschaltet werden soll.
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Fig. 3 und 4 zeigen eine konstruktive Ausführung der Steuerung für
den Spalt 10, und zwar ist in F i g. 3 der Spalt in weit geöffneter Stellung gezeigt,
wozu die Rolle 64 nach oben bewegt ist. Die Parallelführung für die Spaltbacken.46
und 48 besteht aus Stäben 70 und 72 an der Spaltbacke 46 sowie Stäben 74 und 76
an der Spaltbacke 48. Die Stäbe70 und 72 liegen oberhalb an einem Rollenpaar 78,
80 bzw. unterhalb an einer Rolle 82 an. Die Stäbe 74 und 76 der anderen Spaltbacke
48 sind zwischen dem Rollenpaar 78, 80 bzw. der Rolle 76 geführt. In jeder Stellung
ist demnach jede Spaltbacke durch drei Punkte eindeutig geführt. Die Verstellung
der Rolle 64 erfolgt mittels eines Motors 84 durch einen Exzenter 86 (Fig. 4). Der
Exzenter 86 ist auf einer Welle 88 vorgesehen. Die Rolle 64 ist mittels eines Kugellagers
90 auf dem Exzenter 86 gelagert. Die Welle 88 wird von dem Motor 84 über Kegelräder
92, 94, eine vertikale Welle 96 und eine Schnecke 98 sowie ein Schneckenrad 100
verdreht, welches auf der Welle 88 sitzt.