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Die Erfindung betrifft ein schnellregistrierendes Spektralphotometer
mit einem Monochromator und einer gegenüber einem Dispersionselement in seiner Spaltebene
verschiebbaren Lichtquelle.
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Die bisher bekannten schnellarbeiten Spektralphotometer und zeitauflösenden
Spektrographen können, z.B. nach A. H. Gabriel, J. Sci. Instr., 37 (1960), S. 50,
entsprechend dem ihnen zugrunde liegenden Prinzip in folgender Weise aufgeteilt
werden: Das Spektrum wird durch die Bewegung eines oder mehrerer vor oder hinter
dem Dispersionselement rotierender oder schwingender Spiegel schnell abgetastet,
z.B. G. C. Pimentel und K. C. Herr, J. Chim. Phys., 61 (1964), S. 1509, durch die
Bewegung eines Eintrittsspalts des Monochromators, z. B. nach der U. S. S. R.-Patentschrift
129 039, oder durch schnelle zeitliche Veränderung der Dispersions- oder Durchlässigkeitseigenschaften
des das Spektrum zerlegenden Elements, z. B. durch ein Ultraschall-Beugungsgitter
oder einen Ultraschall-Durchlässigkeitsfilter nach der USA.-Patentschrift 3 012
467.
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Das durch ein Dispersionselement zerlegte Spektrum wird senkrecht
dazu auf verschiedene Weise zeitlich aufgelöst, beispielsweise durch die Bewegung
der Abbildung der Strahlungsquelle längs des Eintrittsspalts (A. H. G a b r i e
l, a. a. O.), durch die Bewegung des Austrittsspalts, z. B. nach der U. 5.5. R.-Patentschrift
124 164, durch die Aufnahme auf einem sich schnell bewegenden Film oder mittels
eines Bildwandlers, z. B. nach E. Fünfter und F. R ö l er, Z. angew. Physik, 7 (1955),
S. 131.
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Ein wichtiger Nachteil der nach dem ersten Prinzip arbeitenden Anordnungen
liegt darin, daß entweder die Geschwindigkeit des Abtastens eines Spektrums durch
die Geschwindigkeit und Trägheit des beweglichen Bauelements des optischen Systems
beschränkt ist oder - im Falle der Ultraschallanordnungen - das spektrale Auflösungsvermögen
sehr gering ist. Außerdem erfolgt, besonders bei beweglichen Spiegeln, die Messung
periodisch nur in einem kleinen Bruchteil der Zeit, während der die spektral zu
beobachtenden Phänomene auftreten, weil wegen der Kleinheit der nutzbaren Winkel
das gesamte Maßsystem während relativ langer Zeitintervalle leer läuft, z.B. bei
dem von 0. D. Dmitrievskii, Opt. i. Spektr., 16 (1964), S. 1061, beschriebenen Dreispiegelsystem.
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Die nach dem zweiten Prinzip gebauten Geräte sind imstande, die Messungen
genügend schnell auszuführen, arbeiten aber nur nach einem Einstrahlprinzip. Deshalb
sind sie zwar zu Messungen der Emissionsspektren gut geeignet, nicht aber zu eigentlichen
Messungen der Absorptionsspektren, die ein Doppelstrahlsystem erfordern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein schnellregistrierendes
Spektralphotometer zu schaffen, das keine beweglichen optischen Bauteile enthält
und somit mit besonders hohen Abtastgeschwindigkeiten arbeitet.
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Bei dem Spektralphotometer gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe
dadurch gelöst, daß als Lichtquelle ein Leuchtpunkt einer Elektronenstrahlröhre
verwendet wird, der sich über die Oberfläche eines Leuchtschirmes von genügend kurzer
Nachleuchtdauer und weitem Strahlungsspektrum bewegt. Infolge der Anwendung einer
trägheitslosen Steuerung des Monochromators erreicht man eine außerordentlich große
Geschwindigkeit des Abtastens des Spek-
trums und den zusätzlichen Vorteil, daß eine
genaue Synchronisierung des Abtastvorganges mit der gleichzeitig ablaufenden zu
untersuchenden Erscheinung möglich wird. Das spektrale Auflösungsvermögen hängt
dabei vor allem von dem verwendeten Monochromator ab und kann nach Wunsch gewählt
werden.
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Es ist besonders vorteilhaft, synchron mit dem Abtastvorgang eine
rasterartige Bildwiedergabe der Spektralkurven in einem rechtwinkligen Koodinatensystem
durchzuführen, wobei als Anzeigegerät eine Bildröhre verwendet wird, deren Vertikalablenkgenerator
mit dem Ablenkelement der Elektronenstrahlröhre gekoppelt ist und deren Horizontalablenkgenerator
mit einer Vergleichseinrichtung gekoppelt ist, deren Eingang mit dem hinter der
zu untersuchenden Probe angebrachten photelektrischen Detektor zusammengeschaltet
ist und deren Ausgang an die Kathode der Bildröhre geschaltet ist.
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Eine leichte Regelbarkeit des Abtastbereiches besteht darin, daß
ein Generator mit dem Ablenkelement der Elektronenstrahlröhre über ein Dämpfungsglied
gekoppelt ist,:was eine Einstellung des Spektralbereiches ermöglicht.
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Das beschriebene Spektralphotometer kann man vorteilhaft als ein
Doppelstrahlsystem anordnen, wobei seine Meßvorrichtung mit einem Strahlungsteiler
versehen ist, der das Bündel der monochromatischen Strahlen teilt, sowie mit zwei
Meßkammern für die zu untersuchende Probe und die Vergleichsprobe, durch welche
die aufgeteilten Strahlungsbündel treten.
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Die beschriebene Doppelstrahlanordnung gestattet, die korrekten Spektren
vorzugsweise dadurch einfach und sofort zu messen, daß der in der Kammer für die
Vergleichsprobe angebrachte Detektor nach dem Rückkopplungsprinzip über eine zur
Regulierung der Strahlungsintensität des Leuchtfleckes dienende Einrichtung an die
Kathode der Elektronenstrahlröhre angeschaltet ist.
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Diesen Regulierungsvorgang kann man vorteilhaft dadurch verwirklichen,
daß die Strahlungsstärkeausgleichseinrichtung eine Verstärkerröhre aufweist, deren
Gitter an den Detektor geschaltet ist und deren Ausgang über eine Diode von durch
einen Spannungsteiler bestimmtem Potential an die Kathode der Elektronenstrahlröhre
angeschaltet ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt
und beschrieben.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein Spektralphotometer nach der Erfindung;
F i g. 2 zeigt ein Blockschaltbild des Spektralphotometers nach der Erfindung; F
i g. 3 zeigt ein elektrisches Schaltbild der in einer Rückführschaltung wirkenden
Strahlungsstärkeausgleichseinrichtung.
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Das als Ausführungsbeispiel zu erläuternde schnellregistrierende
Spektralphotometer nach der Erfindung besteht aus einem elektrisch gesteuerten Monochromator
I, einer Meßvorrichtung II und einem Anzeigegerät III.
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Der elektronisch gesteuerte Monochromator des in den Zeichnungen
dargestellten Spektralphotometers besteht aus einer Elektronenstrahlröhre 1 und
einem optischen System. Die Elektronenstrahlröhre ist mit einem Leuchtschirm 2 von
kurzer Nachleuchtdauer und breitem Strahlungsspektrum versehen sowie mit äußeren
Ablenkeinrichtungen 3, die das von der
Kathode 28 ausgestrahlte
Elektronenstrahleiibündel 4 ablenken.
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Das optische System des Monochromators besteht in seiner einfachsten
Lösung aus einer Kammer 5, innerhalb welcher ein Dispersionselement angeordnet ist,
wie z. B. ein Prisma 6 oder ein Beugungsgitter, und aus in der Zeichnung nicht dargestellten
Elementen, die das Strahlenbündel sammeln. Die Kammer 5 ist mit einem weiten Eingangsspalt
7 vor dem Leuchtschirm 2 der Elektronenstrahlröhre 1 und mit einem schmalen Ausgangsspalt
8 versehen.
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Die Meßvorrichtung II besteht aus zwei Kammern, nämlich der Kammer
9 für die zu untersuchende Probe 10 und der Kammer 11 für die Vergleichsprobe 12.
Außerdem ist ein Strahlenteiler 14, z. B. ein halbdurchlässiger Spiegel, vorhanden,
welcher das Bündel 13 des monochronmatischen Lichtes des optischen Systems in zwei
Bündel 15 und 16 aufteilt. Eines dieser Bündel durchläuft die zu untersuchende Probe
10, das zweite die Vergleichsprobe 12. Die Probenkammer 11 ist an ihrem Eingang
mit einem Reflexionselement 17, z. B. einem Spiegel, versehen, das die Richtung
des Bündels 16 verändert. An den beiden Kammerausgängen sind photoelektrische Detektoren
18 und 19 mit gleicher Charakteristik angeordnet.
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Das Anzeigegerät III des Spektralphotometers (vgl. F i g. 2) besteht
aus einer Anzeigevorrichtung in Gestalt einer Bildröhre 20 für rasterartige Wiedergabe,
einem Vertikalablenkgenerator 21, der einerseits an das Vertikalablenkelement der
Röhre 20 und andererseits über ein einstellbares Dämpfungsglied 22 an die Ablenkelemente3
der Elektronenstrahlröhre ausgeschaltet ist, und aus einem an das Horizontalablenkelement
der Bildröhre 20 angeschalteten Ablenkgenerator 23. Der Ausgang des Ablenkgenerators
ist an eine mit einem photoelektrischen Detektor 18 verbundene Vergleichseinrichtung
25 angeschaltet.
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Der Ausgang der Vergleichseinrichtung 25 ist auf das Gitter der Kathode
der Bildröhre 20 geschaltet.
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Ein Ausgleichssystem 27 am Kammerausgang 11 ist durch einen photoelektrischen
Detektor 19 gesteuert. Dabei gleicht das System die Strahlungsstärke im gesamten
spektralen Meßbereich aus. Sein Ausgang ist auf die Kathode 28 der Elektronenstrahlröhre
1 geschaltet.
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Das Ausgleichssystem 27 für die Strahlungsintensität im spektralen
Meßbereich ist in F i g. 3 dargestellt. Es besteht aus einem einstufigen Widerstandsverstärker29,
dessen Eingang auf einen Belastungswiderstand des photoelektrischen Detektors 19
geschaltet ist, wobei dieser Detektor in der Meßkammer 11 mit der Vergleichsprobe
12 angebracht ist. Der Ausgang des Widerstandsverstärkers ist durch eine Diode 30
an einen Spannungsteiler 31 geschaltet.
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Dieser bestimmt den Stromeinsatzpunkt des Leitungsstromes der Diode
30 und ist mit einem Element, z. B. mit der Kathode 28 der Elektronenstrahlröhre
1, zusammengeschaltet. In dem Gitterstromkreis der Röhre 1 liegt eine Vorrichtung
24 zur Steuerung der Mittelstärke des Elektronenbündels.
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Die Funktion des Spektralphotometers nach der Erfindung wird nachfolgend
erklärt. Die Kathode 28 der Elektronenstrahlröhre 1 erzeugt einen Elektronenstrahl
4, der im magnetischen oder elektrischen Feld durch das Ablenkelement 3 abgelenkt
wird. Dadurch wird das Verschieben einer Strahlungsquelle 26 auf dem Leuchtschirm
2 verursacht. Diese Bewegung ist
gesteuert durch den Verlauf des in dem Vertikalablenkgenerator
21 erzeugten Ablenkstromes, der zu dem Ablenkelement 3 der Elektronenstrahlröhre
1 über das zur Regelung der Intensität dieses Stromes dienende Dämpfungsglied 22
geleitet wird. Derselbe Stromverlauf wird von dem Generator 21 an das Vertikalablenkelement
der Bildröhre 20 angelegt. Die Strahlen der Strahlungsquelle 26, die sich längs
des Spaltes 7 verschiebt, werden im Monochromator spektral zerlegt und in der Ebene
des Austrittsspalts 8 fokussiert. Jeder Lage des Leuchtpunktes 26 in dem Spalt 7
entspricht eine genau bestimmte Wellenlänge der durch den Spalt 8 durchgehenden
Strahlung.
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Einem vollen Durchgang des Punktes 26 längs des Leuchtschirmes 2 entspricht
ein vollständiges Abt tasten des Spektrums im Bereich der durch die Eigenschaften
des Leuchtstoffes gegebenen Wellenlängen.
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Dieser Bereich kann auch durch Veränderung der Bewegungsamplitude
des Leuchtpunktes bzw. Leuchtfleckes26, d. h. der Ablenkstromamplitude, reguliert
werden. Dies wird mit Hilfe des Dämpfungsgliedes 22 erreicht. Nach dem Durchgang
durch den Austrittsspalt8 wird das Bündel-13 der über der Zeit veränderlichen monochromatischen
Strahlung durch den Strahlungsteiler 14 aufgeteilt, wobei das Bündel 15 die zu untersuchende
Probe 10 durchläuft und auf den photoelektrischen Detektor 18 fällt, während das
zweite Bündel 16, nachdem es von dem Spiegel 17 reflektiert wurde, die Vergleichsprobe
12 durchläuft und auf den Detektor 19 fällt.
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Das in dem photoelektrischen Detektor 18 erhaltene elektrische Signal,
das proportional zur Intensität der durch die zu untersuchende Probe 10 durchgelassenen
Strahlung ist, wird an den Eingang der Vergleichseinrichtung 25 angelegt.
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Die Wirkung der Vergleichseinrichtung 25 besteht in einem Vergleichen
des von dem Detektor 18 erhaltenen Signals mit einem periodischen Signal, das dieser
Einrichtung von dem Ablenkgenerator 23 zugeführt wird.
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Im Augenblick des Ausgleiches der Spannung, die der Vergleichseinrichtung
25 von dem Detektor 18 zugeführt wird, und der Spannung des Ablenkgenerators 23
entsteht ein Impuls. Dieser wird von der Vergleichseinrichtung 25 auf das Kathodengitter
der Bildröhre 20 übertragen und verursacht im Moment seines Anliegens das Entstehen
eines Lichtfleckes auf dem Bildröhrenschirm. Die Zeit, die dem Moment der Entstehung
dieses Impulses entspricht, ist dem Wert der zu vergleichenden Spannung und damit
auch der Strahlungsstärke der auf den photoelektrischen Detektor 18 fallenden Strahlung
proportional. Der Zeit des Ausgleiches beider Spannungen entspricht gleichzeitig
eine genau bestimmte Lage des Lichtfleckes auf den Bildröhrenschirm 20. Gleichzeitig
wird ein Zeilenraster erzeugt, d. h. eine vertikale Bewegung des Lichtfleckes. Seine
Lage auf dem Röhrenschirm 20 entspricht der genau bestimmten Lage des Leuchtfleckes
26 auf dem Leuchtschirm 2, also einer bestimmten Wellenlänge.
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Auf diese Weise bestimmt der Lichtfleck auf dem Röhrenschirm 20 mit
seiner senkrechten Koordinate die Wellenlänge der Strahlung und mit der waagerechten
Koordinate den Durchlässigkeitswert, also die Stärke der durch die zu untersuchende
Probe 10 durchgelassenen Strahlung. Da dem vollen Verlauf der Rasterung, also der
vollen Bewegungsamplitude des Leuchtfleckes 26 bzw. einem Zyklus der Spektrumabtastung
viele
(z. B. ungefähr 1000) waagerechte Durchgänge entsprechen, bekommt man auf dem Bildröhrenschirm
20 eine Punktfolge. Diese Punktfolge bildet auf dem Schirm eine spektrophotometrische
Kurve, die der Zusammensetzung der untersuchten Probe im Augenblick der Spektrumabtastung
entspricht.
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Das zweite Bündel 16 der monochromatischen Strahlung, das die Vergleichsprobe
12 durchläuft, fällt auf einen photoelektrischen Detektor 19 von derselben Charakteristik
wie der des Detektors 18. Der Wert der an dem in den photo elektrischen Detektorstromkreis
19 eingeschalteten (F i g. 3) Belastungswiderstand erzeugten Spannung ist also proportional
zur Intensität der von dem Leuchffleck 26 ausgestrahlten Strahlung und auch zu der
Empfindlichkeit der Detektoren 18 und 19 auf die Strahlung der einzelnen Wellenlängen.
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Um für verschiedene Wellenlängen an dem Detektorausgang 19 eine konstante
Spannung zu erreichen, wird diese an das Verstärkerröhrengitter 29 zwecks Verstärkung
und Phasenumkehrung angelegt. Danach wird diese an eine Diode30 von einer konstanten
Polarisationsspannung angelegt, die durch den Spannungsteiler 31 bestimmt ist. Wenn
die Strahlungsstärke der Lichtquelle 26 zu groß wird, wird die Ausgangsspannung
des Verstärkers 29 höher als die Polarisationsspannung der Diode 30 und verursacht
durch ihr Leitendwerden eine Erhöhung der Kathodenspannung der Kathode 28 der Elektronenstrahlröhre
1. Sie verursacht damit auch eine entsprechende Verminderung der Intensität des
Elektronenbündels 4 und der Strahlungsintensität des Leuchtfleckes 26 bis zu einem
Wert, bei welchem die Ausgangsspannung des Verstärkers 29 gleich der Polarisationsspannung
der Diode 30 wird und gleichzeitig das der durch die Vergleichsprobe durchgehenden
Strahlung entsprechend Signal am Ausgang des Detektors 19 bei allen Wellenlängen
der Strahlung einen konstanten gewünschten Wert erreicht. Infolgedessen bekommt
-man nach der Entfernung der untersuchten Probe 10 aus der Kammer 9 eine ausgeglichene
senkrechte Linie auf dem Bildröhrenschirm 20, die der 1 000/oigen Durchlässigkeit
entspricht.