DE1497616A1

DE1497616A1 - Spectrographic method and device

Info

Publication number: DE1497616A1
Application number: DE19661497616
Authority: DE
Inventors: Webb Robert John
Original assignee: UK Atomic Energy Authority
Current assignee: UK Atomic Energy Authority
Priority date: 1965-10-08
Filing date: 1966-09-30
Publication date: 1969-07-10
Also published as: GB1103320A

Description

Spektrographisches Verfahren und Gerät Die Erfindung bezieht sich auf spektrographische Verfahren und Geräte. Spectrographic Method and Apparatus The invention relates to on spectrographic methods and devices.

Es ist allgemein bekannt, daß die spektrographische Vorrich--tung nach Czerny-Turner Objekt- und Bildspalte /image slits/, konkave Objekt- und Bildspiegel und ein Beugungsgitter aufweist, wobei die ANordnung deart ist, daß Licht von dem Objektspalt her durch den Objektesiegel auf das Beugungsgitter hin kondensiert bzw. ver-Cichtet w-ird und das Spektrum vom Beugungsgitter dann durch den Bildspiesel auf den Bildspolt hin fokussiert wird. Dies ist ein zwcckmä#iges kompaktes und kleines spektrograhisches Gerät und wird zweckmäßig dazu verwendet, die Intensität von spezifischen Linien zu bestimmen. It is well known that the spectrographic device According to Czerny-Turner object and image column / image slits /, concave object and image mirror and a diffraction grating, the arrangement being such that light from the The object gap is condensed or condensed towards the diffraction grating through the object seal. It is then destroyed and the spectrum from the diffraction grating through the image mirror is focused on the image pole. This is a functional compact and small spectrographic device and is expediently used to determine the intensity of specific lines.

Es hat sich nun herausgestellt, daß ein Doppelstrahlgerät gewisse Vorteile insofern auSweisen würde, als es möglich wäre, gleichzeitige $Messungen entweder im Hinblick auf unterschiedliche Linien oder auf die gleiche Linie von verschiedenen Lichtquellen her durchzuführen. Genauer ausgedrückt, könnte auf diese Weise ein Doppelstrahlgerät für die gleichzeitige Analyse für zwei Elemente an getrennten Stellen in einer gegebenen Probe oder für die Analyse für ein einziges Element in zwei proben, beispielsweise eine unbekannte und eine Standardprobe, verwendet werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein solches Dopoelstrahlgerät zu schaffen. It has now been found that a double jet device certain Would have advantages in that it would be possible to take simultaneous measurements either with regard to different lines or to the same line of different light sources. More precisely, it could be based on this Way a double beam device for simultaneous analysis for two elements at separate ones Place in a given sample or for analysis for a single element in two samples, for example an unknown and a standard sample, can be used. It is therefore the object of the invention to create such a double jet device.

Gemä# der Erfindung ist ein spektrographisches Cerät vorgesehen, bei welchem die Czerny-T@uner-Vorrichtung verwendet wird, bei welcher die üblichen Objekt- und BIldspalteinrichtungen beide als Objektspalte verwendet werden und eine zusätzliche Bildempfangsvorrichtung optisch nahe an jedem der beiden Objekt spalte Angeordnet ist, um dadurch der Wirkung nach ein Doppelstrahlgerät zu schaffen. According to the invention, a spectrographic device is provided, in which the Czerny-T @ uner device is used, in which the usual Object and image splitting devices can both be used as an object column and one additional image receiving device optically close to each of the two objects column Is arranged to thereby create a double jet device in terms of effect.

Es ist offensichtlich, daß, wenn das Gerät bei der gleichzeitigen Bestimmun, von zwei Elementen in einer einzigen Probe verwendet wird, die beiden Objektspaite durch optische tri-ttel, beispielsweise einen halbversilberten Spiegel eher von einem einzieren Spalt her als von zwei physikalischen Spalten her vorgesehen werden können. Die Bildspaltvorrichtung wird eindeutig in die richtige Stellung gebracht, und zwar optisch dicht an den Objekt spalten, kann-aber zur Bequemlichkeit beim Betrieb bzw. zur betriebsmäßigen Vereinfachung räumlich davon durch die Verwendung von Planspiegeln in bekannter Weise auf Abstand gehalten werden. It is obvious that when the device is at the same time Determine if two elements are used in a single sample, the two Object spines through optical tri-tels, for example a semi-silver-plated mirror provided from a single gap rather than from two physical gaps can be. The image splitting device is clearly in the right one position brought, and optically close to the object split, but can-but for convenience in operation or for operational simplification spatially away from it through the use be kept at a distance by plane mirrors in a known manner.

Auf diese leise wird gemäX einem weiteren Merkmal der Erfindung ein spektrographisches Gerad geschaffen, welches sich zusammensetzt aus einem Beugungsgitter, aus ersten und zweiten Objektspalten, aus ersten und zweiten Konkavspiegeln, welche entsprechend ausgerichtet sind, um Licht von den Objektspalten zu empfangen und dieses auf das Beugungsgitter zu richten, sowie aus ersten und zweiten Bildspalten, wobei die Spiegel so angeordnet bzw. ausgerichtet sind, daß sie Licht vom Beugungsgitter empfangen und dieses auf die Bildspalten richten, wobei Licht vom ersten Objekt spalt nach dem ersten Spiegel, dem Beugungsgitter, dem zweiten Spiegel und dem ersten Bildspalt geleitet wird und Licht vom zweiten Objektspalt nach dem zweiten Spiegel, dem Beugungsgitter, dem ersten Spiegel und dem zweiten Bildspalt geleitet wird. According to a further feature of the invention, this is quietly achieved spectrographic straight line created, which is composed of a diffraction grating, from first and second object columns, from first and second concave mirrors, which are appropriately aligned to receive light from the object columns and to direct this onto the diffraction grating, as well as from the first and second image columns, wherein the mirrors are arranged or oriented to take light from the diffraction grating receive and direct this to the image columns, with light from the first object split after the first mirror, the diffraction grating, the second mirror and the first Image slit is guided and light from the second object slit to the second mirror, the diffraction grating, the first mirror and the second image slit.

In bekannter Ueise ist das Beugun@sgitter drehbar an reordnet, um die gewünschten oder verlangten Linien im Spektrum auszuwählen. In a known way, the diffraction grating is rotatably arranged to select the desired or required lines in the spectrum.

Um eine räumliche Trennung zwischen den Bild- und Objektspelten herbelzuführen, wird der Lichtweg zwischen den Wonkavspiegeln und ihren entsprechenden Bildspalten in gewünschter Weise mittels @lanspiegel gebeugt bzw. abgelenkt, und um unterschiedliche @ellenlängen zu ermöglichen, welche an den beiden Bilds. alten empfangen werden sollen, ist einer der Planspiegel zusammen mit seinbm Rildspals nch wunsch in eine bestimmte stellung einstellbar. In order to create a spatial separation between the image and object spaces, becomes the path of light between the wonkav mirrors and their corresponding image columns bent or deflected in the desired way by means of @lanspiegel, and by different @ ellenlängen to enable which on the two picture. old be received is one of the plane mirrors together with his Rildspals in one certain position adjustable.

In sehr zweckmäßiger Weise wird die IntensSEt der Linien im Spektrum mittels Fotozellen gemessen, welche hinter den entspreohenden Bildspalten angebracht sind, und zusätzliche Fotozellen können vorgesehen werden, um die Hintergrundbeleuchtung in der Nähe der zu messenden Linien zu messen. In a very convenient way, the intensity of the lines in the spectrum measured by means of photocells, which are attached behind the corresponding picture columns are, and additional photocells can be provided to control the backlight measure near the lines to be measured.

Wenn das Gerät dazu verwendet wird, zwei lemente in einer einzigen Probe zu bestimmen, ist es angebracht, virtuelle bzw Scheinquellen zu verwenden, die sich beide als Bilder der gleichen Quelle herleiten lassen. When the device is used, two elements in one To determine the sample, it is appropriate to use virtual or dummy sources, both of which can be derived as images from the same source.

Eine Ausführungsart der Erfindung wird nunmehr anhand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung beschrieben, und zwar zeigt Fig. 1 ein Gerät für die Bestimmung von zwei Elementen in einer Probe, Fig. 2 eine Vergrbßerung des in Fig. 1 dargestellten spektrographischen Gerätes, während Fig. 3 die Quellenanordnung veranschaulicht. An embodiment of the invention will now be based on it, for example Described reproducing drawing, namely Fig. 1 shows a device for the determination of two elements in a sample, FIG. 2 is an enlargement of that shown in FIG spectrographic device, while Fig. 3 illustrates the source arrangement.

Gemäß der Zeichnung und insbesondere nach Fig. 1 ist das Gerät so ausgelegt, daß es das glei'chzeitige Messen des Sauerstoff- und Stickstoffgehalts einer kleinen Stahlprobe ermöglicht, und es weist eine Lichtquelle 1 auf, welche in Fig. 9 genauer dargestellt ist, ferner eine Vakuumvorrichtung 2, das spektrogrphische Zubehör 3, welches in Fig. 2 ausführlicher dargestellt ist, sowie ein Aufzeichnungsgerät 4. In Fig. 1 ist das Aufzeichnungsgerät nur im Hinblick auf ein einziges Element dargestellt, ein gleiches gerät Würde Jedoch im Hinblick auf das andere Element vorgesehen. According to the drawing and in particular according to FIG. 1, the device is like this designed that it is the simultaneous measurement of the oxygen and nitrogen content allows a small steel sample, and it has a light source 1, which is shown in more detail in Fig. 9, also a vacuum device 2, the spectrogrphische Accessory 3, which is shown in more detail in Fig. 2, and a recording device 4. In Fig. 1, the recorder is only in terms of a single element However, a similar device would be illustrated with respect to the other element intended.

Die Lichtquelle 1 ist in Fig. 3 ausführlioher dargestellt und Weist eine Edelstahl-Kammer 5 auf, welche von einem KUhlwassermantel 6 umgeben ist, wobei diese Kammer 5 eine Grundplatte 7 aufweist, welche daran mittels Zwischenlegens eines Dichtringes 8 befestigt ist, wobei diese Grundplatte 7 einen Glasvervarbindungsbauteil 9 trägt, der einen Kathodenstab 10 stützt, welcher eine Graphit-Kathode 11 an seinem oberen Ende trägt. Der obere Teil der Kammer 5 ist durch einen Deckelbauteil 12 abgeschlossen, und ein Schieberventil 13 sitzt zwischen der Kammer 5 und dem Deckelbauteil 12, so daß der Deckelbauteil von der Kammer 5 getrennt werden kann. The light source 1 is shown in detail in FIG. 3 and shows a stainless steel chamber 5, which is surrounded by a KUhlwassermantel 6, wherein this chamber 5 has a base plate 7, which thereon by means of interposing a sealing ring 8 is attached, this base plate 7 being a Glasvervarbindungsbauteil 9 carries, which supports a cathode rod 10 which has a graphite cathode 11 on his upper end bears. The upper part of the chamber 5 is covered by a cover component 12 completed, and a slide valve 13 sits between the chamber 5 and the cover component 12, so that the cover component can be separated from the chamber 5.

Dieser Deckelbauteil weist einen turmartigen Drehkopf 14 auf, welcher eine axiale Bohrung 15 und eine Vielzahl von kreisartig angeordneten Bohrungen 16 hat. Die axiale Bohrung 15 ist mit einer axialen Bohrung 17 innerhalb des Deckelbauteils 12 verbunden, und eine der exzentrischen Bohrungen 16 steht mit einer Schrägbohrung 18 in Verbindung, welche in die axiale Bohrung 17 flihr-t. Die Bohrungen 15, 16 sind durch ein Quarzfenster 19 verschlossen, und die Bohrung 17 führt in das Innere einer hohlen Anode 20, welche unmittel bar huber der Kathode 11 angeordnet ist. Die Anordnung ist derart, daß es durch Drehen des Drehkopfes 14 ermöglicht wird, in den Bohrungen 16 befindliche Proben die Schrägbohrung 18 hinunter und durch die Anode hindurch in die Kathode fallen zu lassen. Licht von einer Mntladung, welche zwischen Ano~de und Nathode stattfindet, wird von der Kammer mittels des Quarzfensters 19 und eines weiteren Fensters 21 abgenommen.This cover component has a tower-like rotating head 14, which an axial bore 15 and a multiplicity of bores 16 arranged in a circle Has. The axial bore 15 is with an axial bore 17 within the cover component 12 connected, and one of the eccentric bores 16 is with an inclined bore 18 in connection, which flihr-t into the axial bore 17. The holes 15, 16 are closed by a quartz window 19, and the bore 17 leads into the interior a hollow anode 20, which is arranged directly above the cathode 11 bar. The arrangement is such that by turning the rotating head 14 it is made possible Samples located in the bores 16 down the inclined bore 18 and through the To drop the anode into the cathode. Light from a discharge, which takes place between the anode and the cathode, is controlled by the chamber by means of the quartz window 19 and a further window 21 removed.

Die Kathodenkammer 1 ist durch geeignete Rohrleitungen mit einer Rückpumpe 22 verbunden, und eine WIeliumgas-Absaugvorrichtung ist bei 23 angedeitet, wodurch der Druck innerhalb der Kathode kammer auf etwa 8 mm Quecksilber gehalten werden kann. Es wurde festgestellt, daß die atomaren Spektren von Saderstoff und Stickstoff bei einer Temperatur von etwa 18500C wirkungsvoll erregt werden, wenn dieser Gasdruck und ein Strom von etwa 0t85 Ampere bei 500 Volt angewandt werden. Die Proben können bis zu etwä 200 mg wiegen (wobei 20 bis 50 mg bevorzugt werden), und unter diesen Bedingungen schmelzen die Proben in dem Kathodenbecher, die Gasspektren werden erregt, es werden aber keine Eisenspektren erregt. Folglich kann eine Vielzahl von Analysen durchgeführt werden, ohne daß es erforderlich ist, den Kathodenbecher zu wechseln. The cathode chamber 1 is through suitable piping with a Return pump 22 is connected, and a helium gas suction device is attached at 23, thereby reducing the pressure inside the cathode chamber to about 8 mm of mercury can be held. It was found that the atomic spectra of oxygen and nitrogen are effectively excited at a temperature of around 18500C, when that gas pressure and current of about 0.55 amps at 500 volts are applied. The samples can weigh up to approximately 200 mg (20 to 50 mg are preferred), and under these conditions the samples melt in the cathode cup, the gas spectra are excited, but no iron spectra are excited. Consequently, can be a multitude of analyzes can be carried out without the need for the cathode can switch.

In der Praxis wird das Sauerstoffspektrum in dem Raum zwischen Anode und Kathode erregt und wird daher durch das Fenster 21 beobachtet. Das Stickstoffspektrum wird jedoch im Kathode becher erregt und daher durch das Fenster 19 beobachtet, wobei ein Spiegel 24 verwendet wird, um das Licht nach dem Spektrographen 3 zu lenken. In practice, the oxygen spectrum is in the space between the anode and cathode are excited and therefore observed through the window 21. The nitrogen spectrum is however excited in the cathode cup and therefore observed through the window 19, a mirror 24 being used to direct the light towards the spectrograph 3.

Gemäß Fig. 2 wird das Licht vom Fenster 21 durch einen crsten Objektspalt 25 geleitet und an einer ersten Konkavspiegelfläche 26 auf ein Beugungsgitter 27 reflektiert, von welchem es nach einem zweiten Konkavspiegel 28 und von dort nach einem Planspiegel 29 und einer ersten Bildspaltvorrichtung 30 reflektiert wird. Der Bildspalt 30 liegt optisch in der Nähe eines zweiten Objekt spalts 31, der Planspiegel 29 sorgt für eine räumliche Trennung. Das Licht, das durch den ersten Bildspalt 30 hindurchgeleitet wird, wird durch eine Foto zelle 32 gesammelt, welche die Intensität der in Frage kommenden Ldnie mi#t. Um die Hintergrundveränderungen auszugleichen, wird die Bildspaltvorrichtung 30 von einem Schrägspiegel gebildet, welcher eine zentrale Öffnung aufweist, die den eingentlichen Spalt bildet. Auf diese Weise wird Hintergrundlicht vom Spiegel 30 nach einer zweiten photozelle 33 reflektiert, welche die Hintergrund-IntenBität mißt, Um die Einstellung der Vorrichtung zu gewährlsisten und um die auegewählte Linie auf den Bildspalt 30 zu bekommen, ist das Beugungagitter 27 in bekannter Weise drehbar angeordnet. According to Fig. 2, the light from window 21 is through a crst object gap 25 and at a first concave mirror surface 26 onto a diffraction grating 27 reflected, from which it to a second concave mirror 28 and from there to a plane mirror 29 and a first image splitting device 30 is reflected. The image gap 30 is optically close to a second object gap 31, the plane mirror 29 ensures a spatial separation. The light that comes through the first crevice 30 is passed through, is collected by a photo cell 32, which the intensity the line in question with. To compensate for the background changes, will the image splitting device 30 formed by an oblique mirror, which has a central Has opening that forms the actual gap. This way it becomes background light reflected from the mirror 30 to a second photocell 33, which the background intensity measures in order to guarantee the setting of the device and the selected To get a line on the image gap 30, the diffraction grating 27 is known in the art rotatably arranged.

Das Liqht vom Fenster 19 erreicht den zweiten Objektspalt 31 ueber den Spiegel 24 und wird allgemein in der umgekehrten Riohtung über den Spiegel 28, das Beugungsgitter 27 und den Spiegel 26 nach einem zweiten Planspiegel 34 geleitet und von dort nach einer zweiten Bildepaltvorricheung 35, welcher eine Fotozelle 36 zugeordnet ist, wobei der Hintergrund mittels einer Fotozelle 37 gemessen wird. Um die betreffende Linie am zweiten Bildspalt aussuwählen, sind der Spiegel 34, der Spalt 35 und die Fotozellen 36, 37 in Richtung des Pfeiles A beweglich, und zwar allgemein' quer zum Lichtstrahl vom Spiegel 26 her. The light from the window 19 reaches the second object gap 31 over the mirror 24 and is generally reversed over the mirror 28, the diffraction grating 27 and the mirror 26 passed to a second plane mirror 34 and from there to a second Bildepaltvorricheung 35, which is a photocell 36 is assigned, the background being measured by means of a photocell 37. To select the line in question at the second image slit, the mirror 34, the gap 35 and the photocells 36, 37 movable in the direction of arrow A, and generally transversely to the light beam from the mirror 26.

Gemäß Fig. 1 speist die Foto zelle 36 einen ersten Integrator 38, welcher einen Verstärker 39 speist, und in ähnlicher Weise speist die Foto zelle 37 einen Verstärker 40 über einen Integrator 41. Am Ende der Integrationsperiode, welche zweckmäßig bei etwa 180 Sekunden mittels einer automatischen Steuervorrichtung 42 festmittels gelegt wird, werden die Spannungen in den Verstärkern 39 und 40/eine8 Digitalspannungsmessers 43 verglichen, welcher mit einer automatischn Schreibvorrichtung /print-out device/ 44 gekuppelt ist. Die automatische Steuervorrichtung 42 steuert auch in geeigneter Weise eine Uochspsnnungs-Gleichstronquelle 45, um die Entladung in der Kathodenkammer 1 herbeizuführen. Ähnliche Geräte wie das bei 4 dargestellte werden auoh im Hinblick auf die Fotozellen 32 und 33 für die Bestimmung des anderen Elementes vorgesehen. According to Fig. 1, the photo cell 36 feeds a first integrator 38, which feeds an amplifier 39, and similarly feeds the photo cell 37 an amplifier 40 via an integrator 41. At the end of the integration period, which expediently at about 180 seconds by means of an automatic control device 42 is set means, the voltages in the amplifiers 39 and 40 / a8 Digital voltmeter 43 compared to that of an automatic writer / print-out device / 44 is coupled. The automatic control device 42 controls also suitably a DC voltage source 45 to supply the discharge in the Bring cathode chamber 1. Similar devices like that at 4 are also shown with regard to the photocells 32 and 33 for the Determination of the other element provided.

Bei einem Versuch, bei welchem das obige Gerät verwendet wurde, sind gleichzeitige Bestimmungen des Sauerstoff- und des Stickstoffgehalts von Stehlproben durchgeführt worden, und die Ergebnisse sind in Tabelle I aufgeführt, und zwar im Vergleich zu Analysen von Proben, bei welchen Standardtechniken verwendet werden. Probe Sauerstoff Sticketoff Vorliegendes Vakuum- $Vorliegendes Chemi- Verfahren Schmelsung Verfahren sches Stendard Verfahren E N.B.S. No. 101E 0,022 0,020 0,038 0,039 N.B.S. No. 125 0,016 0,028 0,005 0,004 N.B.S. No. 343 0,019 0,020 0,073 0,074 N.B.S. No. 81 0,016 0,038 0,020 0,018 I Niedrig-legierter Stahl 1 0,016 0,0145 0,014 0,016 Niedrig-legierter Stahl 2 0,004 0,0035 0,007 0,006 @ "National Bureau of STandards". Standard-Probe @ "British Iron and Steel Research Association". Standard-Proben.In an experiment using the above apparatus, simultaneous determinations of oxygen and nitrogen contents were made on steal samples and the results are shown in Table I, compared to analyzes of samples using standard techniques. Sample oxygen sticketoff Existing vacuum $ Existing chemical Process smelting process sches Stendard procedure E. NBS No. 101E 0.022 0.020 0.038 0.039 NBS No. 125 0.016 0.028 0.005 0.004 NBS No. 343 0.019 0.020 0.073 0.074 NBS No. 81 0.016 0.038 0.020 0.018 I. Low-alloy Steel 1 0.016 0.0145 0.014 0.016 Low-alloy Steel 2 0.004 0.0035 0.007 0.006 @ "National Bureau of STandards". Standard sample @ British Iron and Steel Research Association. Standard samples.

Die Erfindung betrifft auch Abänderungen der im beiliegenden Patentanspruoh 1 umrissenen Ausführungsform und bezieht sich vor allem auch auf sämtliche Erfindungsmerkmale, die im einzelnen -oder in Hombination -. in der gesamten Beschreibung und Zeichnung offenbart sind. The invention also relates to modifications to the appended claims 1 outlined embodiment and relates above all to all features of the invention, the individually - or in combination -. throughout the description and drawing are disclosed.

Patentansprüche Claims

Claims

Claims 1. Spectrographic device using the Czerny-Turner device, characterized in that the usual object and image splitting devices both can be used as an object column and an additional image receiving device optically placed in the vicinity of each of the two object gaps to thereby be effective to create a double-beam device.

2. Spectrographic device according to claim 1, characterized in that that there is a diffraction grating, first and second object column, first and second concave mirror, which are appropriately positioned to allow light from the object gaps receive and direct the light towards the diffraction grating, as well as first and second ; Bis-column, the mirrors are arranged so that they light from the diffraction grating receive and direct this to the image columns, in which light from the first object gap after the first mirror, the diffraction grating, the second mirror and the first Image slit guided and light from the second object slit to the second mirror, the Diffraction grating, the first mirror and the second image slit is guided.

3. Spectrographic device according to claim 1 or 2, characterized gekenneeichnet that the two object columns by optical means from etnevi individual physical Gap are provided forth.

4. Spectrographic device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that that the spatial separation of the image and ObJektspal te the light path between the Concave mirrors and their corresponding image columns deflected by means of plane mirrors st.

5. Spectrographic device according to claim 4, characterized in that that in order to enable different wavelengths to be received at the two image columns be, one of the plane mirrors across the Liolitweg together with its image slit in a certain position can be adjusted.

6. Spectrographic device according to claim 1 to 5, characterized in that that to measure the intensity of the lines in the spectrum photocells behind the corresponding Image columns are attached.

7. Spectrographic device according to claim 6, characterized in that that additional photocells are provided to the backlight in the Measure the proximity of the lines to be measured.

8. Spectrographic device according to claim 7, characterized in that that the image gaps are each formed by an oblique mirror, which one has central opening through which light the photocell for the relevant line reached, and there '. the bevel light after the photocell for the background reflected