DE1472117A1 - Doppelstrahlspektrometer - Google Patents

Description

M 463 - He. 1 A 721 17

Garmisch-Partenkirohen, 6. Oktober 1965 Ha-HeιΗ

Patentanwalt
Dipl.-lr.g. Γ H. Huss

Garmisci - F'a!enl;irchen

Raihau-.:-r:..iJ3 1 ■;

Sir Howard Grubb Parsons 4 Co. Ltd., of Walkergate, Newcastle upon Tyne 6, ENGLAND

"Doppelstrahlspektrometer"

Die Erfindung betrifft Doppelstrahlspektrometer, bei welchen eine von einer geeigneten Quelle oder von mehreren quellen ausgehende Strahlung entlang zweier Strahlenwege, von welchen ein 3trahlenweg eine Probe enthält und der andere ein Vergleiohastrahlenweg ist, su einem Mono-Chromator geleitet wird, von dem aus bestimmte ausgewählte V/ellenlängen jedes Strahles nacheinander auf einen Strahlendetektor gerichtet werden, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das in einer Beziehung zur Energiedifferenz zwisohen den Strahlenwegen innerhalb des ausgewählten schmalen v/ellenlängenbandea steht.

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Die elektrischen Signale werden im allgemeinen dazu verwendet, einen Diagrammschreiber au steuern, bei dem eine Feder die Energieeohwanklingen in Abhängigkeit von der Wellenlänge oder Wellenzahl aufBelohnet.

Ss ist oft erwünscht, die Spektren in rereohiedener Weise registrieren zu können, und es ist daher «ine Aufgabe der Erfindung, die Anwendbarkeit derartiger Instrumente zu erweitern und es zu ermöglichen, die Spektren in einer oder in mehreren verschiedenen Arten zu registrieren.

Die Erfindung betrifft daher bei einem Spektrometer ein Verfahren der Erfassung des in zwei Strahlenwegen vorhandenen Energieverhältnisaes oder einer hiervon abhängigen Funktion, wobei die beiden Strahlenwege mit gleicher Frequenz, jedoch entgegengesetzter Phase,unterbrochen, elektrische Impulse konstanter Amplitude aber mit von der relativen Intensität der Strahlen in den beiden Strahlenwegen abhängiger Polarität erzeugt werden und dieses Verhältnis als Funktion der Differenz zwischen der Anzahl der negativen und positiven Impulse bestimmt wird.

Außerdem besteht die Erfindung in einer Vorrichtung zur Verwirklichung des im vorhergehenden Abschnitt definierten Verfahrens, bestehend aus einem Spektrometer mit zwei Strahlenwegen, einer Einrichtung zur Unterbrechung der beiden Strahlenwege alt gleicher Frequenz, jedoch entgegengesetzter Phase, einer Detektoreinrichtung, die abwechselnd von beiden Strahlenwegen Strahlung empfängt und

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dl« «mahnten elektrischen Impuls· sumindest mit der Unterbreoherfre <iuons auslöst sowie τοη diesen Impulsen gesteuert« Binriohtungan sur Erzeugung dar der in dem Spektrometer au unterauohenden Substans entapreohenden Spektren.

Bei einer AuafUhrungafom schließen die Einrichtungen aur 8pektrenerieugung ein in einem Strahlenweg Bewegbare· Dämpfungaglied ein, um die τοη der Detektoreinriohtung τοη jedem Strahlenweg empfangene Energie gleiohsumaohen sowie einen umateuerbaren Elektromotor, der Impulae der Detektoreinrichtung empfängt und dasu dient, daa genannte Dämpfungsglied in einem der Strahlenwege eu bewegen, wobei die Bewegungsrichtung dee Dämpfungsgliedes τοη der Polarität der rom genannten Motor empfangenen Impulse abhängt und sohliefilioh eine Registriereinrichtung sur Registrierung der Spektren.

Die τοη der Detektoreinriohtung ausgehenden Im. pulee kOnnen auoh einem Mehrkanal-Binärsähler angeführt werden, dessen Ausgang eine Loohatreifenstanse steuert,um einen Lochstreifen su erseugen, der in einem Digitaloomjvuter ausgewertet werden kann·

Die τοη der Detektoreinriohtung ausgehenden Impulse können gegebenenfalls weiterhin einem Impulesähler angeführt werden, um die Durchlässigkeit oder Abeorption einer Probensubetans, die im Spektrometer untersucht wird,

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digital BU registrieren. Jede dieser AuswertungsmOgliohkeiten der Auegangsimpulse kann in Verbindung mit einen Spektrometer einsein oder kollektir angewandt «erden«

Die Erfindung ist im folgenden anhand tine· Beispieles unter Bezugnahme auf die Zeiohnung, die eine Ausfuhrungeform eines erfindungegemäßen Spektrometer« sohtmatisoh darstelltt näher beschrieben«

Bei der beispielsweise dargestellten Verwirklichung der Erfindung wird die von einer Quelle 1 ausgehende Strahlung entlang zweier getrennter Strahlenwege 2 und J geführt» Ton welchen einer, nämlioh der Strahlenweg 2, die su untersuchende Probensubstani enthält, während der andere Strahlenweg 3 als Vergleiohsstrahl dient. Anschließend werden beide Strahlenwege mittels eines rotirenden Unterbrechers 4 unterbrochen und abweohselnd auf dem Eingangssohlitz eines Mono-ühromators 5 fokussiert, der eine Welltnlängtn-Autwähleinriohtung,z. B. ein Prisma oder ein Gitter tnthält· Dit Wellenlängen-Auswähleinriohtung wird langsam gedreht, um am Ausgangeschlitz des Mono-Chromators ein Spektrum vorbeizufahren. Die aus dem Auegangssohlitz ausfallende Strahlung fällt auf einen Detektor 6, der ein dem Bnergieinhalt dtr Strahlung entsprechendes elektrisches Signal erzeugt.

_o Sofern die Energie in beiden Strahlenwegen gltioh ist, oo wird rom Detektor kein Signal erzeugt und tint verbreitete ** Art dieser Instrumente arbeitet nach dem O-Abglelohsprinzip, J gemäB dem jedes Signal rom Dtttktor auf tintn Dämpfungekamm ο 7 übertragen wird, der sich in einem der Strahlenwege bewegt, τστ die von diesem Strahlenweg dem Detektor zugeführte

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Energie su verringern oder zu erhöhen, bis die Angleiohung beider Strahlenwege wieder hergestellt ist and der Detektor kein Signal erzeugt. Die Stellung des Dämpfungaglledes ist dann ein Kriterium des Verhältnisses des Energieinhalts der einseinen Strahlenwege, das oft als "Durchlässigkeit¹¹ der Probe bezeichnet wird.

Das Spektrometer weist auoh einen Trimmer θ auf, der einen vorläufigen Abgleioh des Instruments ermöglicht, um vor der Untersuchung Unterschiede in der Durchlässigkeit jedes Strahlenganges auszugleichen.

Das vorbeschriebene Spektrometer ist ein weitverbreitetes Instrument, wobei die verschiedensten Variationen bezüglich der optischen Glieder und ihrer gegenseitigen Zuordnung möglich sind.

Das Ausgangssignal des Detektors ist annähernd sinusförmig und seine Phase kann willkUrlioh als positiv oder negativ bezeichnet werden. Es kann z. B. als negativ gelten, wenn die Energie des Vergleichsstrahlenweges größer ist,als die des Probenstrahlenweges und als positiv, wenn sie kleiner ist.

Gemäß der Erfindung wird das sinusförmige Auegangssignal des Detektors in Impulse von kurzer Dauer, vorzugsweise mit einem Vielfachen der Signalfrequenz, umgewandelt. Diese Impulse weisen dann eine negative oder positiv· Polarität auf, je nach dem, ob die Energie des Vergleichsstrahler» weges größer oder kleiner als die des Probenstrahlenweges ist. Bestimmte auf die Polarität der Impulse ansprechende

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Einrichtungen betätigen dann den Däapfungskaaa 7, ua die Energieverteilung in den Strahlenwegen auszugleichen.

Wenn die Unterbrecherfrequenc beispielsweise 33 1/3 Hz (cycles/seo.) beträgt, dann könnten dl· Iapulse etwa Bit der zehnfachen Frequenz, also alt 333 1/3 Hs erzeugt werden.

Das Ausgangeaignal des Detektors wird einea besonderen 8pannungeerhöhenden Transformator 9 mit elektrostatischer und elektromagnetischer Abschirmung und danach einem Verstärker 10 zugeführt, der einen Synohrongleiohrlohter einschließt, dessen Ausgang eine Olelohspannung liefert, die z. B. bei Sinuswellen positiver Phase positiv und bei Sinuswellen negativer Phase negativ ist. Diese Oleichspannung wird dann im Wandleratroakreis eines Frequenzvervielfachers 11 alt einer Frequenz zerhaokt, die η mal größer ist, als die die Strahlen unterbrechend· Frequenz des Unterbrechers 4·

Der Ausgang des Frequenzvervielfaohers 11 liefert daher eine Folge von Iapuleen kurzer Dauer, die positiv sind, wenn der Detektor eine Sinuswelle positiver Phase und negativ, wenn der Detektor eine Sinuswelle negativer Phase erzeugt·

Die Anlaufneigung der Impulse, d. h. dl· neigung des von der lull-Linie ausgehenden Kurvenzugeβ (leading edges) auS einen vorbestimmten Wert haben, and dieser 1st

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tint funktion dt· Parametera dta Wandlers.

Sit poaitiT und negativ verlaufenden Impulse werden in Aggrtgat 12 getrennt und die negativen umgekehrt. Von hitr an gibt ta «wei Impulakanäle, τοη welchen einer aeintn Uraprung in dan positiven Phaatn an Detektorauegang hat, also beiapielaweiae tntapeohend dem Zuetand, daß die Durohläaaigkeit dea Yergleiohaetrahlenwegea geringer iat, ala dit dta Probenstrahlenwegee und dar andere Kanal in dan negativen Pnaeen an Detektorauegang,entsprechend beiapielaweiat dta Zuetand, dafl dia Durchlässigkeit dta Vergleiohsatrahltnwtgta grOßtr iat, ale dit dta Probenatrahlenwegea.

Si· anti Kanäle, welche offenaiohtlioh niemale gltiohstitig Impulse enthalten können, führen über eine logiatiaoha Einheit 13 au einem Sohritteohalt- oder Impulamotor 14· Sin derartiger Motor iat mit vielen Windungen veraehen und hat dit Eigenaohaft, daß atine Y/tllt eich intermittierend um einseine Winktlabaohnitte dreht. Wenn den Windungen Impulae tintr bestimmten logiaohen folge augeführt «erden, dreht aich die Welle stufenweise, beispielsweise im Uhrseigersinn, während aie aioh bei einer geänderten logischen Impulsfolge entgegen dem Uhraeigereinn drthtn kann·

Sit logiatiaehe Einheit 13 enthält swei Kreise aur Braeugung der logietischen Impulsfolgen fur die Drehungen dt· Motor· H la bs«. entgegen dem Uhrstigerainn. Jadtr dieeer Kxeise wird von einem tigtntn Impulekanal gespeist.

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Sie Welle des Motors 14 iat über ein Getriebe 15 mit dem Dämpfungskamm 7 verbunden.

Der Unterbrecher 4 wird von einem Motor 16 angetrieben, der mit einem Bezugsgenerator 17 gekoppelt ist, der dem Synchrongleichrichter im Verstärker 10 ein Beaugasignal liefert·

Sobald der Energiedurchlaee im Probenetrahlenweg bei einer bestimmten vom Mono-Chromator reflektierten Wellenlänge durch ein Abeorptionsband verringert wird, existiert das O-Abgleichsverhältnis am Detektor nicht mehr und im Detektorkreis wird eine Sinuswelle negativer Phase erseugt. Auf die vorbeachriebene Weise entstehen dann in einem der Kanäle Impulse, woduroh der Motor 14 in einer Richtung vorrückt, durch die der Dämpfungekamm 7 in den Vergleichsstrahl bewegt wird. Dies wird solange fortgesetzt, bis die Dämpfung durch den Kamm 7 im Vergleichestrahlenweg der Dämpfung durch das Absorptionsband im Probenetrahlenweg entspricht. Da su- diesem Zeitpunkt der O-Abgleioü am Detektor wieder hergestellt lit und daher in keinem Kanal Impulse vorhanden sind, kommt der Motor sum Stillstand.

Die Stellung des Dämpfungskammes 7 ist eint funktion der Absorption durch die Probe.

Bei Snergiegliichheit beider Strahlenwege wird vom Detektor kein Signal erzeugt.

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Nimmt man an, daß bei ausgeglichenen Strahlenwegen die Energiedurchlässigkeit jedes Strahlenweges T₁ ist, die Energiedurohlässigkeit der Probe T₂ und dass die Energiedurohlässigkeit des Dämpfungskammes 7 sich um T = eine Konstante für jeden empfangenen Impuls ohne RUoksicht auf die Polarität oder Ausgangsstellung ändert und daß ein positiver Impuls die Energiedurohlässigkeit vergrößert, während ein negativer sie verkleinert, dann ergibt sich, wenn "pⁿ die Anzahl der positiven Impulse und "q" die Anzahl der negativen Impulse zur Wiederherstellung des Snergieausgleichs naoh Einfahren der Probe ist,

(q - p) T · T₁ =» T₂* T₁ d.h. (q - p) T = T₂ oder (q -

Der Energiedurohlass der Probe ist daher der Differenz zwisohen den zur Wiederherstellung des Ausgleiche erforderlichen positiven und negativen Impulsen proportional. Mittels eines Impulszählera ist es möglich, die Knergiedurchlässigkeit der Probe als Funktion des Unterschiedes zwisohen den positiven und negativen Impulsen mwisohen den Stadien des änergieauegleiohe au registrieren.

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Die Anwendung der Impuls· ermöglicht die Verwendung eines Mehrkanal Binärzählers, dessen Ausgang eine Loohstrelfenstanze eteuert, die eine Aufzeichnung liefert» welche aufbewahrt und in einem Digitalcomputer ausgewertet werden kann.

Falls erwünscht, können die Loohstreij-en-Aufzeichnungen auch mittels eines Kurv anschreibe« in ein· graphische Darstellung umgewandelt werden. Eine weitere Mögliohkelt besteht darin, die Impulsfolge noch zusätzlich einem weiteren Impulsmotor mit Stufenausgang zuzuführen, um einen Diagrammschreiber zur Aufzeichnung des Spektrums fernzusteuern.

Eine zusätzliche Impulsfolge kann dazu dienen, einen Antrieb für die Einrichtung zur Wellenlängenauswahl la Mono-Chromator zu steuern.

Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Schaltungen zur Registrierung der Impulszählungen aufeinanderfolgender .'.'ellenlängenstufen, um einen Ausschnitt innerhalb eines ausgewählten Spektralbereichs festzulegen.

Ea ist offensichtlich, daß die Erzeugung einer Impuls· folge den Anwendungsbereich eines Spektrometer bedeutend erweitert, indem sie es ermöglicht, Spektren verschiedener Art getrennt oder gleichzeitig zu erzeugen.

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   1« Verfahren but Feststellung des EnergieVerhältnisses der Strahlung zweier Strahlenwege oder einer davon abhängigen Punktion bei einem Spektrometer, daduroh gekennzeichnet, daß beide Strahlenwege mit der gleichen Frequenz, jedoch entgegengesetzter Phase, unter br ο oben and elektrische Impulse mit konstanter Amplitude erzeugt «erden, deren Polarität τοη der relativen Intensität der Strahlung in den beiden Strahlenwegen abhängig ist und diese Verteilung als Punktion der Anzahl der positiven und negativen Impulse registriert wird.

   2· Vorrichtung but Durchführung des Verfahrens nach Anspruoh 1, gekenneeichnet durch ein Spektrometer mit ewei getrennten Strahlenwegen, eine EInrlohtung zur Unterbrechung der beiden Strahlenwege mit gleioher Frequenz, jedoch entgegengesetzter Phase, einer Detektoreinriohtung, welche abwechselnd von beiden Strahlen-Hegen Strahlung empfängt und die erwähnten elektrischen Impuls· mit mindestens der Unterbrecherfrequenz erzeugt sowie duroh die Impuls· gesteuerten Einrichtungen sur Brzeugunf von Spektren der in dem Spektrometer untersuchten Probensubetansen·

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   3. Vorrichtung nach Anspruoh 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen aur Erzeugung der Spektren ein Dämpfungsglied, das in einem der Strahlenwege bewegt werden kann, um die durch die Detektoreinrichtung von jedem Strahlenweg empfangene Energie auszugleichen sowie einen Elektromotor, welcher Impulee von der Detektoreinrichtung empfängt und die Stellung dee Dämpfungsgliedes im Str&hlenweg verändern kann, einechließen, wobei die Bewegungsrichtung dee Dämpfungsglledee von der Polarität der rom Motor empfangenen Impulee abhängt und Regietriereinrichtun^en zur Registrierung der Spektren»

   4· Vorrichtung nach Anspruoh 3, dadurch gekennzeichnet, daß die riegletriereinriohtungen auf die Bewegungen dee Dämpfungagliedee ansprechen.

   5. Vorrichtung nach Anspruoh 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Registriereinrichtungen von einem weiteren Elektromotor angetrieben werden, der ebenfalle von der Detektoreinrichtung ausgehende Impulse empfängt·

   6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektorausgang einem Mehrkanal Binärzähler zugefdhrt wird, dessen Ausgang wiederum eine Lochstreifenstanze steuert, um einen für die Auswertung in einen Digitaloomputer geeigneten Lochstreifen herzustellen.

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   7« Vorrichtung naoh Anspruch 2, daduroh gekennzeichnet, daß der Detektorausgang einem Impulszähler zugeführt wird, um digital die Durchlässigkeit oder Absorption einer durch das Spektrometer zu untersuchenden Probenaubatanz anzuzeigen.

   8. Vorrichtung naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet ι daß der Detektorausgnng einer Impulszähleinrichtung zugeführt wird, um die Impulsfolgen aufeinanderfolgender Y/ellenlängenabschnitte zu addieren,

   9« Spektrometer, gekennzeichnet durch zwei Strahlenwege., von welohen einer die Strahlung durch eine Probensubstanz leitet, während der andere ein Vergleichastrahlenv/eg ist5 einem von jedem der Strahlenwege Strahlung empfangenden Ilonochromator, der aus der einfallenden Strahlung eine schiaale Vellenlangenregion auswählt; einer Detektoreiiirichtung, welche von dem Lionochromator Strahlung empfängt und von dem Energieinhalt jedes Strahles abhängige elektrische Impulse erzeugt) einem jeden Strahl mit gleicher Frequenz, jedoch entgegengesetzter i'hase, unterbrechen en Unterbrecher, wodurch die Detektoreinrichtung die Strahlung abwechselnd von jedem Strahlenweg empfängt; und einem in einem otrahlenweg beweglichen Dämpfungsglied auia Ausgleich der von diesem 'Jtrnhlenweg dem Monochromator aufführten 'otrahlunnaintonsLtät, wobei dieses Dämpfungsglied in iktoh;in^igkeit von der Detektoreinrichtung entst-iimüenden Impulf3en bewegbar ist; einem zur ■Detektoreinrichtung gehörenden Detektor, der von den Strahlenwegen-Strahlung empfängt und ein Wecheelstromausgangeeignal mit der Unterbrecherfrequens erzeugt) Einrichtungen iur Ver-

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   Stärkung und aynohronen Gleichrichtung der vom Detektor kommenden Signale,um eine Gleichspannung zu erzeugen, deren Polarität von der relativen Intensität der von den beiden Strahlenwegen auf den Detektor fallenden Strahlung abhängig ist) einen Frequeiurrervl elf acher ,in welchem die Gleiohspannung mit einem Vielfachen der Unterbrecherfrequens unterbrochen wird, um eine elektrische Impulsfolge zu erzeugen! einen Impulstrenner, in welchem positive und negative Impulse getrennt und die negativen Impulse umgekehrt werden; einen Stufen- oder Impulsmotor, der mittels einer logistischen Einheit mit diesen Impulsen gespeist wird und sich Intermittierend um einzelne v/inke labschnitte vorwärts oder rüokwHrta dreht, entsprechend der Polarität der Impulse sowie Einrichtungen zur Verbindung des Impulsmotors mit dem beweglichen Dämpfungsglied.

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