DE1447246B2 - Spektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein bekanntes Spektrometer, das wie folgt arbeitet: Die zu analysierende Strahlung tritt durch ein Eintrittszonenelement ein, wird durch ein dispergierendes System in einzelne monochromatische, sich gegebenenfalls zum Teil überdeckende Bilder des Eintrittszonenelements spektral zerlegt; eine Teilstrahlung fällt abhängig von der Einstellung des dispergierenden Systems auf das Austrittszcnenelement, und mindestens ein Teil hiervon gelangt von diesem zu Nachweismitteln; jedes monochromatische Bild des Eintrittszonenelements wandert bei einer Verstellung des dispergierenden Systems über das Austrittszonenelement hinweg und verursacht im Bereich der genauen Überlagerungsstelle einen starken Intensitätsanstieg oder Intensitätsabfall des Ausgangssignals.

Ein solches Spektrometer ist in der französischen Patentschrift 1249 247 beschrieben. Durch diese französische Patentschrift ist auch ein Zonenelement bekanntgeworden, welches folgende Merkmale aufweist: es enthält zwei Scharen von Zonen, wobei eine Zone folgende Eigenschaften hat: sie ist entweder a) lichtdurchlässig, b) reflektierend oder c) absorbierend; die beiden Scharen unterscheiden sich dabei in ihren Eigenschaften a) bis c); die Flächensummen beider Scharen sind im wesentlichen einander gleich; durch eine Translation parallel zur Ausbreitungsrichtung des Spektrums kann das Zonenelement mit sich selbst nicht zur Deckung gebracht werden.

Beim Spektrometer nach der genannten französischen Patentschrift wird ein dispergierendes System benutzt, welches das einfallende Licht entsprechend seiner Wellenlänge in Dispersionsrichtung ablenkt. In der das Austrittszonenelement enthaltenden Ebene entsteht dann nicht ein einziges Bild des Eintrittszonenelements, sondern, gegeneinander verschoben und sich gegebenenfalls zum Teil überdeckend, so viele Bilder des Eintrittszonenelements, wie das zu untersuchende Licht verschiedene Wellenlängen enthält. Wenn das dispergierende System verstellt wird, dann wandern die einzelnen Bilder des Eintrittszonenelements über das Austrittszonenelement hinweg, was als Durchgang bezeichnet werden kann.

Beim Spektrometer nach der genannten französischen Patentschrift bedecken die einzelnen Bilder des Eintrittszonenelements mindestens einen Teil des Austrittszonenelements; dadurch wird die darin enthaltene Strahlung in zwei Strahlenbündel aufgeteilt, und es wird die Differenz der Intensitäten der beiden Strahlenbündel gebildet. Dieses Differenzsignal hat beim Durchgang einer Spektrallinie eine im wesentlichen dreieckförmig ausgebildete Gestalt. Werden die Intensitäten der beiden Strahlenbündel einzeln betrachtet, dann ergibt sich, ausgehend von einer geringen Anfangsintensität bei Beginn der Überlagerung, ein lineares Ansteigen der Intensitäten des einen Lichtbündels bei immer besseren Überlagerungsstellungen. Infolge der Eigenschaft der Zonenelemente nimmt jedoch die Intensität des anderen Strahienbündels im gleichen Maße ab. Die Differenz der Intensitäten der beiden Strahlenbündel ergibt demnach in Überlagerungsstellung ein Maximum.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das in dem beschriebenen Zonenelement-Spektrometer erzeugte Signal ohne die Verwendung von Differenzbildungsmitteln auswertbar zu machen.

Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um die monochromatischen Bilder des Eintrittszonenelements periodisch gegenüber dem Austrittselement zu verschieben, so daß nur im Bereich der genauen Überlagerungsstellung die Intensität der zu den Nachweismitteln gelangenden Strahlung mit der Frequenz der periodischen Verschiebebewegung schwankt und daß die Ausgangsspannung der Nachweismittel an sich bekannten elektronischen Einrichtungen zugeführt wird, weiche nur die Signalanteile dieser Frequenz auswerten.

Der Grund dafür, daß die Intensität und damit das erzeugte Signal nur im Bereich der genauen Überlagerungsstellung schwankt, liegt im folgenden: Es sei angenommen, daß das Austrittszonenelement durchlässige und undurchlässige Zonen aufweist. Überdeckt nun das Bild des Eintrittszonenelements das Austrittszonenelement nur teilweise, dann fällt ebensoviel Strahlung auf die durchlässigen Zonen wie auf die absorbierenden Zonen, auch wenn das Bild des Eintrittszonenelements periodiscli schwankt; wird jedoch durch die Verstellung des dispergierenden Systems der Bereich der genauen Überlagerungsstellung eingestellt, dann fällt bei der periodischen Bewegung mehr Licht z. B. auf die durchlässigen Zonen, wenn das Bild des Eintrittszonenelements sich auf die genaue Überlagerungsstellung hin bewegt, und es fällt weniger Licht auf die durchlässigen Zonen, wenn es sich von dort wegbewegt. In der genauen Überlagerungsstellung wird demnach ein Maximum des periodischen Wechsels der Intensität der durch das Austrittszonenelement fallenden Strahlung festgestellt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an Hand der Zeichnung besprochen. Dabei zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungform eines erfindungsgemäßen Spektrometers,

F i g. 2 eine schematische Ansicht eines Eintrittszonenelements,

F i g. 3 eine schematische Ansicht eines entsprechenden Austrittszonenelements,

F i g. 4 ein Austrittszonenelement mit einem überlagerten Bild des Eintrittszonenelements für verschiedene Stellungen während ihrer Relativbewegung,
F i g. 5 eine der F i g. 4 entsprechende Ansicht einer Ausführungsabwandlung,

F i g. 6 bis 8 verschiedene Signalverläufe,
F i g. 9 eine weitere Ausführungform eines Spektrometers,

F i g. 10 ein Zonenelement für ein Spektrometer

5« nach F i g. 9,

Fig. 11 ein weiteres Zonenelement für ein Spektrometer nach F i g. 9,

F i g. 12 ein weiteres Zonenelement.

Es sei zunächst F i g. 1 betrachtet. Die Strahlung einer Strahlungsquelle S soll einer Spektralanalyse unterworfen werden. Ein aus der Strahlungsquelle S kommendes Strahlenbündel P fällt auf ein Eintrittszonenelement G. Das Eintrittszonenelement G weist entsprechend der in der Einleitung gegebenen Definition zwei Scharen von Zonen auf. Die Zonen der einen Schar sind für die Strahlung durchlässig, während die Zonen der anderen Schar absorbierend sind. Durch das Eintrittszonenelement G tritt somit ein strukturiertes Strahlenbündel P₁, dessen helle Stellen den durchlässigen Zonen und dessen dunkle oder abgeschattete Stellen den absorbierenden Zonen entsprechen. Nach Reflexion an einem Kollimatorspiegel M fällt das Strahlenbündel P₁ auf ein disper-

gierendes System, welches bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein um eine Achse r drehbares Gitter R ist. Das Gitter R sorgt für die spektrale Zerlegung der zu untersuchenden Strahlung. Entsprechend der Lage des dispergierenden Systems zum Kollimatorspiegel M gelangt ein Einzelbündel P, zum Kollimatorspiegel M zurück. Je nach der Lage des dispergierenden Systems und der spektralen Zusammensetzung des Strahlenbündels P₁ wird eine Anzahl von solchen Einzelbündeln gebildet, welche jeweils ein oder mehrere im Sinne der Dispersionsrichtung benachbarte monochromatische Bilder des Eintrittszonenelements enthalten. Nach erneuter Reflexion am Spiegel M fallen die Strahlenbündel F₂ auf ein Austrittszonenelement G', das ebenfalls entsprechend der in der Einleitung gegebenen Definition ausgebildet ist und durchlässige und absorbierende Zonen aufweist. Ein Teil der auf das Austrittszonenelement G' auftreffenden Strahlung, nämlich die die durchlässige Zonen durchsetzende Strahlung, fällt demnach als Strahlenbündel P₃ auf einen weiteren Umlenkspiegel m und von dort auf ein Nachweismittel oder Empfänger D. Das Austrittszonenelement G' ist entsprechend dem Bild des Eintrittszonenelements G geformt und kann dadurch gewissermaßen als »Sieb« für die Bilder dienen, d. h., nur bei genauer Uberlagerungsstellung eines monochromatischen Bildes des Entrittszonenelements G mit dem Austrittszonenelement G' gelangt eine der Intensität des monochromatischen Bildes entsprechende Strahlung zum Empfänger D. Bei allen anderen Stellungen gelangt ebensoviel Strahlung auf die durchlässigen wie auf die absorbierenden Zonen des Austrittszonenelements G'.

Wird das dispergierende System R verstellt, dann wandern die Bilder des Eintrittszonenelements G über das Austrittszonenelement G' hinweg. Bei den Stellungen ohne genaue Überlagerung, bei der bezüglich des betrachteten monochromatischen Bildes ebensoviel Strahlung auf die durchlässigen wie absorbierenden Zonen des Zonenelements fällt, ändert sich die Intensität der durchfallenden Strahlung nur entsprechend der Überlagerungsfläche des Bildes des Eintrittszonenelements G mit dem Austrittszonenelement G'. In unmittelbarer Nähe der genauen Uberlagerungsstellung, wenn also das Bild des Eintrittszonenelements das Austrittszonenelement vollständig überdeckt, nimmt die durchfallende Strahlung jedoch stark zu, und in der genauen Überlagerungsstellung fällt bezüglich des betrachteten monochromatischen Bildes die gesamte Strahlung durch die durchlässigen Zonen des Austrittszonenelements G' hindurch und gelangt zu den Nachweismitteln D. Diese Intensität ist etwa doppelt so groß wie die bei der ungenauen Überlagerung, und sie ist nur für einen kleinen Spektralbereich gegeben, nämlich für einen der schmälsten Zone des Austrittszonenelements entsprechenden Bereich. Wenn also das dispergierende System R verstellt wird, so daß das betrachtete monochromatische Bild über das Austrittszonenelement G' wandert, dann wird die in F ig. 8 aufgezeichnete Charakteristik erzielt. Einem linearen Anstieg mit schwacher Steigung (I-II) folgt eine linerarer Anstieg mit starker Steigung (II-III), dann ein linearer Abstieg mit starker Neigung (III-IV) und ein linearer Abstieg mit schwacher Neigung (IV-V). Die Ordinate der F i g. 8 entspricht der Lichtintensität oder einer von dieser abgeleiteten Spannungsgröße, und die Abszisse ist die Einstellung des dispergierenden Systems oder eine von dieser Einstellung abgeleitete Größe, beispielsweise die Zeit.

Damit nun die genaue Überlagerungsstelluns jedes der monochromatischen Bilder des "Eintrittszonenelements erkennbar ist, werden die monochromatischen Bilder des Eintrittszonenelements G geeenüber dem Austrittszonenelement G' periodisch verschoben. Befindet sich ein solches monochromatisches Bild

ίο des Eintrittszonenelements G in genauer Überlagerungsstellung mit dem Austrittszonenelement G'. dann ergibt sich dabei eine starke Schwankung der Intensität der durchfallenden Strahlung.

Zur Erzeugung der periodischen Verschiebebewegung sind gemäß einer ersten Ausführungsform Einrichtungen vorgesehen, welche dem Eintrittszonenelement G eine periodische Bewegung in dessen Ebene erteilen, wie dies z. B. durch den Doppelpfeil / für eine zu der Ausbreitungsrichtung des Spek-

ao trums senkrechte Richtung schematisch angedeutet ist. Dabei ist das Austrittszonenelement G' ortsfest angeordnet.

In F i g. 1 sind schematisch Antriebseinrichtungen 20 dargestellt, welche dem Eintrittszonenelement G eine periodische Schwingbewegung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung des Spektrums erteilen, wobei die Übertragungsmittel 21 zwischen den Antriebseinrichtungen 20 und dem Zonenelement G Einrichtungen 22 zur Anfangseinstellung der Stellung des Eintrittszonenelements G aufweisen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine periodische Drehbewegung im Sinne einer Rotation oder einer Pendelbewegung um eine durch das Zentrum des Eintrittszonenelements oder Austrittszonenelements gehende Achse ausgeführt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann dem Austrittzonenelement G' eine periodische Bewegung in dessen Ebene erteilt werden, wie dies schematisch durch den punktierten Doppelpfeil f angedeutet ist, wobei dann das Eintrittszonenelement G ortsfest bleibt. Bei dieser Ausführung sind auch die oben für die Bewegung des Eintrittszonenelements G besprochenen Abwandlungen möglich.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch dem Spiegel M oder einer anderen in dem Apparat enthaltenen optischen Vorrichtung eine Drehbewegung um eine Achse erteilt werden, wie schematisch durch den Doppelpfeil Z₁ angedeutet, welche zur Ausbreitungsrichtung des Spektrums parallel liegt. Hierbei sind das Eintrittszonenelement G und das Austrittszonenelement G' ortsfest angeordnet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann dem dispergierenden System/? eine Pendelbewegung geringer Amplitude um die Achse r erteilt werden, wie dies schematisch durch den Doppelpfeil // dargestellt ist, wobei dann das Eintrittszonenelement G, das Austrittszonenelement G' und der Spiegel M ortsfest angeordnet sind. Diese Ausführungsform ist jedoch nur anwendbar, wenn das Spektrometer nicht mit

6ü Wellenlängenabtastung arbeiten soll.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind das Eintrittszonenelement und das Austrittszonenelement an einem gemeinsamen Rahmen oder Gestell angebracht, welchem eine periodische Bewegung erteilt wird. Hier wird die spiegelbildliche Umkehrung ausgenutzt, welche durch eine ungerade Zahl von optischen Spiegelungen zwischen dem Eintrittszonenelement und dem Austrittszonenelement vorhanden ist.

5 6

Bei einer Ausführungsform, welche besonders vor- gegenüber des Austrittszonenelements periodisch teilhafte Ergebnisse geliefert hat, werden Zonen- eine Translationsbewegung senkrecht zu der Auselemente G gemäß F i g. 2 benutzt, bei denen die breitungsrichtung des Spektrums erteilen. Diese einzelnen Zonen durch gleichseitige Hyperbeläste Bewegungen sind schematisch durch den zu dem begrenzt sind. Der Arbeitsteil dieses Eintrittszonen- 5 Doppelpfeil F senkrechten Doppelpfeil f in F i g. 3 elements wird durch ein Quadrat 10 begrenzt, dessen angedeutet.

Seiten mit 11, 12, 13 und 14 bezeichnet sind. Der Gemäß einer ersten Möglichkeit der Translations-Mittelpunkt O des Quadrats liegt auf der optischen bewegung ist eine der Grenzlagen des Bildes des Achse des Apparats. Der erste Quadrant, welcher Eintrittszonenelements, welche schematisch bei H₁ durch die der Schar von gleichseitigen Hyperbeln io in F i g. 4 durch die Lage einer seiner Seiten dargeangehörenden halben Mittellinien 15 und 16 des stellt ist, die Lage, in v/elcher es mit dem Austritts-Quadrats begrenzt wird, enthält auf der Figur nicht- zonenelement zusammenfällt, während die bei H₂ schraffierte durchlässige Zonen Z₁ und diesen be- schematisch dargestellte Lage der anderen Grenzlage nachbarte, mit ihnen abwechselnde, auf der Figur der periodischen Bewegung entspricht,
schraffierte absorbierende Zonen Z₁, wobei die Gren- 15 Gemäß einer anderen Ausführungsform (Fig. 5) zen zwischen den Zonen durch Bögen von gleich- entspricht keine Grenzlage H₁ und 12, des Bildes seitigen Hyperbeln H₁ gebildet werden, welche ge- des Eintrittszonenelements der Koinzidenzstellung meinsame Asymptoten haben und auf der zu der mit dem Austrittszonenelement, so daß dieses Zuhalben Mittellinie 16 parallelen Seite 12 jeweils glei- sammenfallen in einer Zwischenstellung des Bildes ehe Abschnitte abschneiden, welche das Auflösungs- 20 des Eintrittszonenelements auftritt,
vermögen des Spektrometers bestimmen. Die Anord- Das jeweils beweglich geführte Zonenelement weist nungen der Hyperbelbögen in den drei anderen zweckmäßig an seinen zu der Ausbreitungsrichtung Quadranten sind in bezug auf die Mittellinien sym- des Spektrums parallelen Rändern zwei sehr schmale metrisch. Die Zone Z₀ des zu dem ersten Qudranten Randstreifen auf, welche abgedeckt oder abgeschnitin bezug auf die halbe Mittellinie 15 symmetrischen 25 ten sind, so daß bei der periodischen Verschiebe-Quadranten, welche den halben Mittellinien 15 und bewegung das Bild des Eintrittszonenelements nicht 17 benachbart ist, ist absorbierend. Die der Zone Z₂ über den Rand des Austrittszonenelements zu liegen benachbarte Zone Z₃ des dritten Quadranten ist kommt.

durchlässig, und die den Zonen Z₁ und Z₃ benach- Bei Anwendung der Verschiebebewegung hat die

barte Zone Z₄ ist absorbierend. 30 durch das Austrittszonenelement tretende Strahlungs-

Die in F i g. 2 gegebene Darstellung des Eintritts- energie in Abhängigkeit von der Zeit den in F i g. 6

Zonenelements ist schematisch. In Wirklichkeit weist bzw. 7 dargestellten Verlauf (Abszisse ist die Zeit t,

ein in der Praxis benutztes Zonenelement eine ver- Ordinate ist die Strahlungsenergie E). Der Wert der

hältnismäßig große Anzahl von Zonen auf, nämlich Maxima entspricht der durch das Eintrittszonen-

von mehreren Hundert. 35 element getretenen Energie der betrachteten Wellen-

Das Austrittszonenelement G' (F i g. 3) ist so be- länge, während die Minima anzeigen, daß bei ungeschaffen, daß es zonenweise den von dem Apparat nauer Oberlagerungsstellung etwa die Hälfte dieser gelieferten monochromatischen Bildern des Eintritts- Energie nachgewiesen wird.

zonenelements G überlagert werden kann. Für einen Die Frequenz des in diesem Diagramm (F i g. 6) Abbildungsmaßstab 1:1 hat somit das Austritts- 40 dargestellten Signals ist gleich der Frequenz der zonenelement G' einen Umriß 10', welcher mit dem Schwingbewegung in dem Fall der Anordnung gemäß Umriß 10 des Eintrittszonenelements G identisch ist, F i g. 4. Die Frequenz des Signals beträgt das Dop- und die Hyperbeln H' sowie die Zonen geben inner- pelte der Frequenz der Schwingbewegung bei der des Quadrats 10' das gleiche Muster wie die Hyper- Anordnung gemäß F i g. 5, weil die Stellung der unbeln H und die Zonen innerhalb des Quadrats 10 45 genauen Überlagerung doppelt so häufig auftritt,
wieder. So ist die den halben Mittellinien 15' und 16' Wenn man jetzt ohne Veränderung der Stellung benachbarte Zone Z₁' des ersten Quadranten des des dispergierenden Systems auf das Eintrittszonen-Austrittszonenelements durchlässig wie die Zone Z₁ element eine Strahlungsenergie fallenläßt, deren usw. Durch die weiteren in F i g. 3 mit einem Strich Wellenlänge der Einstellwellenlänge benachbart ist, indizierten Bezugszeichen sind die dem Eintritts- 50 wird keine Veränderung der Intensität der nachgezonenelement G entsprechenden Einzelheiten gekenn- wiesenen Strahlung festgestellt, d. h., das Signal, zeichnet, die in F i g. 2 mit den entsprechenden un- welches die durch das Austrittszonenelement auf diegestrichenen Bezugszeichen versehen sind. ser Wellenlänge tretende Energie darstellt, hat die

Bei einer weiteren Ausführungsform sind die La- Form einer waagerechten Geraden, wie in F i g. 7

gen der Zonen der beiden Scharen umgekehrt, d. h., 55 dargestellt.

bei dieser Ausführungsform würde, wenn das Ein- In F i g. 8 ist eine Abszisse eingezeichnet, welche trittszonenelement die in F i g. 2 dargestellte Ausbil- der Vorstellung des dispergierenden Systems R entdung beibehält, das Austrittszonenelement gemäß spricht. Nach oben ist als Ordinate die Strahlungs-F i g. 3 eine absorbierende Zone Z₁', eine durch- intensität E aufgetragen. Im oberen Teil des Dialässige Zone Z'₄ usw. aufweisen. 60 gramms der F i g. 8 ist die durch das Austrittszonen-

Das Austrittszonenelement wird zweckmäßig auf element durchtretende monochromatische Strahlung

fotografischem Wege aus dem Eintrittszonenelement ohne die oszillierende Verschiebebewegung darge-

erhalten, wobei die Fotografie durch das Spektro- stellt. Im unteren Teil des Diagramms der F i g. 8 ist

meter hindurch erfolgt. dagegen das nachgewiesene Signal bei Anwendung

Mit einem Eintrittszonenelement und Austritts- 65 der oszillierenden Verschiebebewegung aufgezeichnet,

zonenelement der schematisch in F i g. 2 dargestellten Das untere Teildiagramm der F i g. 8 kann ebensogut

Art ausgerüstetes Spektrometer weist Einrichtungen als Spannungs-Zeit-Diagramm interpretiert werden,

auf, weiche dem Bild des Eintrittszonenelements Zwischen den Stellungen II bis IV des dispergieren-

den Systems wird demnach eine Wechselspannung infolge der geringen Amplitude der Schwingbewegung

bzw. ein pulsierender Gleichstrom erhalten, dessen verwirklichen und so erforderlichenfalls ein sehr

Frequenz entweder der Verschiebefrequenz oder dem schnelles Abtasten der Wellenlängen ermöglichen.

Doppelten der Verschiebefrequenz entspricht, je Sind im Strahlenbündel P₂ mehrere monochromati-

nachdem, ob eine Verschiebung entsprechend F i g. 4 5 sehe Bilder des Eintrittselements G nebeneinander

oder 5 durchgeführt wird. Die Amplitude des vorhanden, dann wird ein Ausgangssignal am Emp-

Wechselspannungsanteils des pulsierenden Gleich- fänger D erhalten, welches aus der Überlagerung von

Stroms reicht vom Wert 0 für die Lage b bis zum mehreren Diagrammen der Art nach F i g. 8 entsteht,

maximalen Wert für die Lage d und sinkt wieder für Bei der Ausführungsform der F i g. 9 erfüllt ein

die Lage / auf den Wert 0. io einziges Zonenelement H die Aufgabe des Eintritts-

Durch elektronische Auswertung dieses Signals, fensters und des Austrittsfensters und ist zwischen z. B. in einem auf die Frequenz abgestimmten der zu analysierenden Strahlenquelle S und dem Wechselstromverstärker, kann man in Abhängigkeit Kollimatorspiegel M angeordnet. Der Mittelpunkt c der Verstellung des dispergierenden Systems ein ist ein Symmetriepunkt und liegt im Brennpunkt des Signal erhalten, welches der durch das Eintritts- 15 Kollimatorspiegels M. Das Zonenelement weist entzonenelement tretenden Strahlungsenergie der ein- sprechend der in der Einleitung gegebenen Definition gestellten Wellenlänge proportional ist. Der untere eine Serie von undurchlässigen Zonen g, welche Teil der F i g. 8 stellt ein solches Signal dar; der wenigstens auf ihrer der Strahlenquelle S abgewand-Abszissenwert des Maximums ist für die nachgewie- ten Seite reflektierend sind, und eine Serie von durchsene Wellenlänge kennzeichnend, während die Ordi- 20 lässigen Zonen t auf. Die von der Strahlenquelle S nate für die auf dieser Wellenlänge auftretende ausgehende Strahlung P wird durch das Eintritts-Energie kennzeichnend ist. zonenelement im Sinne eines Strahlenbündels P₁

Ausgehend von einem solchen dreieckförmigen strukturiert und vom Kollimatorspiegel M auf das

Signal wird das Auflösungsvermögen wie üblich Gitter R geworfen. Wenn die von der Strahlenquelle

durch die Halbwertsbreite des betrachteten Dreieck- 25 ausgesandte Strahlung polychromatisch ist, zerlegt

signals definiert. das Gitter R die einfallende Strahlung spektral und

Es wurde festgestellt, daß ein mit den Zonenele- erzeugt somit eine Vielzahl von Strahlenbündeln P₂.

menten nach den F i g. 2 und 3 ausgestattetes Spek- Entsprechend der Einstellung des dispergierenden

trometer ein Auflösungsvermögen hat, das einem Systems R wird ein Strahlenbündel P₂, welches höch-

Spaltspektrometer entspricht, dessen Spaltbreite 30 stens noch engbenachbarte Wellenlängen aufweist,

gleich der Länge des Abschnitts ist, welcher auf einer von dem Kollimatorspiegel M auf das Zonenele-

Seite des Zonenelements (F i g. 2) von zwei aufein- ment H zurückgeworfen. Die reflektierenden Zonen g

anderfolgenden Hyperbelästen begrenzt ist. Wie bei des Zonenelements H reflektieren einen Teil der

einem Spaltspektrometer ist die Nachweisempfind- Strahlenbündel P₂, wodurch ein Strahlenbündel P₃

lichkeit zur Eintrittsfläche der zu untersuchenden 35 entsteht. Das Zonenelement H steht nicht genau senk-

Strahlung porportional. Diese Eintrittsfläche ent- recht auf der Richtung der Strahlen P, so daß das

spricht beim Zonenelement-Spektrometer der Hälfte Strahlenbündel P₃ auf den Spiegel m fällt und auf

der Fläche des Eintrittszonenelements. Da die Fläche den Empfänger D konzentriert wird,

des Eintrittszonenelements jedoch mehrere hundert- Fig. 10 zeigt ein ZonenelementH mit quadrati-

mal größer als die Spaltfläche eines Spaltspektro- 40 schem Umriß und mit gleichseitigen Hyperbeln als

meters gewählt werden kann, ist die Nachweisemp- Zonengrenzlinien, wie es bei einer Anordnung gemäß

findlichkeit des Zonenelement-Spektrometers ent- F i g. 9 verwendet werden kann. Die in bezug auf den

sprechend größer. Mittelpunkt c punktsymmetrischen Zonen 21 und 22

Es wurde gefunden, daß die Schwingungsamplitude sind beide durchlässig, die ebenfalls in bezug auf

im Verhältnis zur Länge des das Auflösungsvermögen 45 den Mittelpunkt c punktsymmetrischen Zonen 23 und

bestimmenden Abschnitts einen Wert zwischen V2 24 sind beide reflektierend, was durch gekreuzte

und 2 aufweisen soll, also in der Größenordnung der Schraffuren angedeutet ist.

schmälsten Zone des Zonenelements liegen soll. Bei dem in Fig. 11 schematisch dargestellten

Bei einem durch ein Quadrat mit 30 mm Seiten- Zonenelement ist die Zone 25 durchlässig und die zu

länge begrenzten Eintritts- oder Austrittszonenele- 50 der Zone 25 in bezug auf den Mittelpunkt c punkt-

ment und einem Abschnitt von 0,1 mm liegt also die symmetrische Zone 26 reflektierend, was durch ge-

Schwingungsamplitude zwischen 0,05 und 0,2 mm. kreuzte Schraffuren angedeutet ist. Die Zone 27 ist

Anstatt einer Translationsbewegung kann auch undurchlässig und reflektierend, und die zu der Zone

eine Drehbewegung angewendet werden. Wenn die 27 in bezug auf den Mittelpunkt c punktsymmetrische

Drehbewegung pendelnd erfolgt, ist eine Amplitude 55 Zone 28 ist durchlässig. Ein Zonenelement H gemäß

in der Größenordnung von 10 Bogenminuten zweck- dieser Ausführungsform ist in F i g. 9 verwendet. Die

mäßig. Drehschwingungen werden zweckmäßig für Bewegung wird, wie bereits im Zusammenhang mit

Eintritts- und Austrittszonenelemente mit geradlinig F i g. 1 erläutert, durchgeführt. Erfolgt die Bewegung

begrenzten Zonen angewendet. durch Verschieben des Zonenelements H im Sinne

Die Frequenz der Schwingbewegung wird zweck- 60 des Doppelpfeils /, dann wird bei einer Schwingungsmäßig so gewählt, daß die Periode der Schwingung amplitude, welche dem Abstand der Linien 12' von mindestens fünfmal kleiner und vorzugsweise min- von der Linie H₁ oder 12₂ (F i g. 5) entspricht, eine destens zehnmal kleiner als die Zeit ist, welche das Verschiebung des auf dem Austrittszonenelement Spektrometer zur Bestreichung einer bestimmten liegenden Bild des Eintrittszonenelements um einen Wellenlänge braucht, d. h. die Zeit, welche der Ver- 65 doppelten Betrag erhalten, d. h. die Schwingungsschiebung des Spektrums um eine dem Auflösungs- amplitude des Bildes des Eintrittszonenelements entvermögen gleiche Breite entspricht. Man kann ohne spricht dem Abstand der Linie H₁ zur Linie 12₂.
Schwierigkeit eine sehr hohe Schwingungsfrequenz Durch die dreifache Reflexion (am Kollimator-

spiegel M, am Gitter R und wieder am Kollimatorspiegel M) ist das Bild der Eintrittsfläche spiegelbildlich auf die Austrittsfläche abgebildet. Wenn demnach das dispergierende System R auf eine in der Strahlung vorhandene Wellenlänge genau eingestellt ist, dann gelangt die bezüglich dieser Wellenlänge durch die durchlässigen Zonen tretende Strahlung (P₁) als Strahlenbündel P₂ genau auf die reflektierenden Zonen des Zonenelements H und von dort zu den Nachweismitteln D. Beim »doppelten« Zonenelement H haben demnach die durchlässigen Zonen des Eintritts und die reflektierenden Zonen des Austritts die Funktion, die Strahlung weiterzuleiten, und die absorbierenden Zonen des Eintritts und die durchlässigen Zonen des Austritts haben die Funktion, die Strahlung unwirksam zu machen. Die Gesamtanordnung hat einen geringen Platzbedarf sowie ein geringes Gewicht und ist besonders einfach, da das Zonenelement H sowohl die Aufgabe des Eintrittsfensters als auch des Austrittsfensters erfüllt.

Diese Autokollimationsanordnung gestattet in bekannter Weise, die in einem Spektrometer vorgesehenen Kollimatoreinrichtungen besser auszunutzen (Littrow-Anordnung).

In Fig. 13 sind schematisch dargestellt: als Kreis 34 der Bereich, in dem die durch die Kollimatoreinrichtung verursachten geometrischen Aberrationen annehmbar sind, als getrennte Eintritts- und Austrittszonenelemente die Umrisse G und G und als einzig vorhandenes Zonenelement der Umriß E. Der Vergleich der Fläche des quadratischen Umrisses E und der Fläche des Umrisses G oder G' zeigt, daß unter sonst gleichen Bedingungen das mit einer Autokollimationsanordnung arbeitende Spektrometer eine größere Lichtstärke und somit größere Nachweisempfindlichkeit aufweist.

Das Zonenelement H des Spektrometer mit Autokollimation wird zweckmäßig auf folgende Weise hergestellt: Ausgegangen wird von einem zur Hälfte hergestellten Zonenelement. Die andere Hälfte des Zonenelements wird durch Fotografieren von dieser ersten Hälfte durch, den Apparat hindurch, d. h. durch die Kollimatorvorrichtung oder die Kollimatorvorrichtungen und das dispergierende System hindurch, erhalten. Für diese Fotografie wird das dispergierende System zweckmäßig in eine mittlere Einstellung gebracht. Hierdurch werden die dem Spektrometer anhaftenden Aberrationen berichtigt, wobei infolge der spiegelbildlichen Abbildung diese Berichtigung sowohl für die erste als auch für die zweite Hälfte des Zonenelements gilt. Eine derartige Ausführungsform gestattet, mit einem bestimmten dispergierenden System ein verhältnismäßig sehr breites Spektralintervall zu analysieren.

F i g. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Zonenelements, welche besonders im Hinblick auf die Verwendung der Kollimatoreinrichtungen zweckmäßig ist. Das Zonenelement besteht aus vier Quadranten 30 bis 33, auf denen jeweils gleichseitige Hyperbeln als Zonengrenzlinien entsprechend der in der Einleitung gegebenen Definition eingezeichnet sind. Die Seiten der Quadranten, an denen die Zonengrenzlinien auftreffen, liegen im Innern des Zonenelements. Eine derartige Ausführung gestattet, den Einfluß der geometrischen Aberrationen eines Kollimatorspiegels der bei M dargestellten Art zu verringern, da die Abstände der Teile der Vorrichtung, in welchen die Zonenerenzlinien sehr nahe beieinanderliegen, von der optischen Achse des Spiegels unter sonst gleichen Verhältnissen kleiner als bei den Ausführungen gemäß Fig. 2, 3 und 10, 11 sind.

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Spektrometer, bei dem die zu analysierende Strahlung durch ein Eintrittszonenelement eintritt und durch ein dispergierendes System in monochromatische, sich gegebenenfalls zum Teil überdeckende Bilder des Eintrittszonenelements spektral zerlegt wird, wobei eine Teilstrahlung abhängig von der Einstellung des dispergierenden Systems auf das Austrittszonenelement fällt und mindestens ein Teil davon zu Nachweismitteln gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um die monochromatischen Bilder des Eintrittszonenelements (G, H) periodisch gegenüber dem Austrittszonenelement (G') zu verschieben, so daß nur im Bereich der genauen Uberlagerungsstellung die Intensität der zu den Nachweismitteln (D) gelangenden Strahlung mit der Frequenz der periodischen Verschiebebewegung schwankt und daß die Ausgangsspannung der Nachweismittel (D) an sich bekannten elektronischen Einrichtungen zugeführt wird, welche nur die Signalanteile dieser Frequenz auswerten.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Einrichtungen auf die doppelte Frequenz der periodischen Verschiebebewegung abgestimmt sind.

3. Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der periodischen Verschiebebewegung in der Größenordnung der schmälsten Zone des Zonenelements (G, H) liegt.

4. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Bewegung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Spektrums erfolgt.

5. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der periodischen Verschiebebewegung des Bildes des Eintrittszonenelements groß gegenüber der Geschwindigkeit der Wanderbewegung dieses Bildes infolge der Verstellung des dispergierenden Systems ist.

6. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zonenelement (G, H) punktsymmetrisch aufgebaut ist und daß dieser Symmetriepunkt gleichzeitig Mittelpunkt des Zonenelements (G, H) ist.

7. Spektrometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zonen des Zonenelements (G, H) durch gleichseitige Hyperbeläste begrenzt sind (Fig. 2, 3, 10, 11).

8. Spektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die als Zonengrenzlinien verwendeten Hyperbeläste so angeordnet sind, daß ihre Wölbung zum Rand des Zonenelements gerichtet ist (F i g. 12).

9. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dal? Eintrittszonenelement und Austrittszonenelemeni als ein einziges Zonenelement (H) ausgebildei sind und daß die Eigenschaften »Lichtdurch-

lässigkeit« und »Reflexion« bezüglich des Eintrittszonenelements und des Austrittszonenelements gegeneinander vertauscht sind.

10. Spektrometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zonenelement (H) in einer Littrow-Anordnung Verwendung findet.

11. Spektrometer nach Anspruch 1 mit 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem periodisch bewegten Zonenelement an den zur Ausbreitung des Spektrums parallelen Rändern zwei schmale Randstreifen angebracht sind, so daß bei der

periodischen Verschiebebewegung das Bild des Eintrittszonenelements nicht über den Rand des Austrittszonenelements zu liegen kommt.

12. Spektrometer nach Anspruch 9 mit 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Zonenelement (H) aus einer Hälfte desselben dadurch hergestellt wird, daß man die zweite Hälfte über eine Fotografie der ersten Hälfte erzeugt, die durch die Kollimatorvorrichtung oder durch die Kollimatorvorrichtung und das dispergierende System hindurch hergestellt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen