DE1547398A1

DE1547398A1 - Vakuum-Spektrometer

Info

Publication number: DE1547398A1
Application number: DE19661547398
Authority: DE
Inventors: Conrads Dr Hans; Wilhelm Kohlhaas
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1966-11-17
Filing date: 1966-11-17
Publication date: 1970-02-19
Also published as: US3498720A; GB1184381A

Description

Kernforschungsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Amtl.Aktz: P 15 47 398.0

Vakuum-Spektrometer

Die 2rf inching betrifft ein Vakuum-Spektrometer, insbesondere zur Zerlegung des Lichtes im kurzwelligen Teil des Ultraviolette, In diesem Teil des Spektrums werden die Messungen unter Vakuum durchgeführt, um dia Absorption durch Luft auszuschalten. Dabei sind bei der' im allgemeinen verwendeten Eowland-Anordnung die Mittelpunkte des Eintrittsspaltes, des konkav ausgebildeten sphärischen Reflexionsgxtters und des gleichfalls konkaven Filmes oder bei der Polyehromator-Bauweise die Mittelpunkte der Austrittsspalte auf Punkten eines Kreises- des sogenannten Rowland-Kreises mit dem halben iradius des Eonkavgitters angeordnet. Bei dieser Anordnung weisen die in der meridionalen Ebene liegenden, in den Mittelpunkten des Gitters und des Filmes errichteten Normalen auf deii Mittelpunkt des Eowland-Kreises hin. Bei einem Vakkum-Spektrometer der vorgenannten Art wird streifender Lichteinfall verwendet.

Dabei ist folgendes zu beachten:

Das Verhältnis der Intensität von einfallender zu gebeugter

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Strahlung einer bestimmten V/ellenlänge hängt von dem Einfallswinkel ab, unter dem die Strahlung auf das Gitter auf trifft, und zwar erstreckt sich der Meßbereich in dem Maße auf den Bereich kurzer Wellenlängen, in dem sich der Einfallswinkel 90° nähert. Andererseits soll bei quantitativen Intensitätsmessungen der Einfallsv/inkel eigentlich möglichst klein sein, damit Strahlung höherer Ordnung unterdrückt wird. Man ist daher insbesondere bei der Verwendung eines Gitters mit starkem Blaze bestrebt, das Signal-Rausch-Verhältnis für jede Wellenlänge zu optimalisieren. Sollten also Gitterspektrometer für einen großen Wellenlängenbereich, beispielsweise einen Wellenlängenbereich, der zwischen 10 und 300 A liegt, verwendbar sein, so muß der Einfallswinkel veränderbar sein. Erstrebt wird dabei, daß der Einfallswinkel stetig veränderbar ist,

Gitterspektrometer, deren Einfallswinkel veränderbar ist, sind bekannt'. So ist es beispielsv/eise bekannt, daß das Gittjer und die Austrittsspalte an um den Mittelpunkt des Rowlandkreises ausschwankbaren Armen angeordnet sind (Applied Optics VoI,3, Nr, 1, 1964, ρ, 116), Durch Variation des Einfallswinkels wird hierbei aber die optische Achse des einfallenden Lichtstrahles gegen ein ruhendes Bezugssystem gedreht. Dies hat den Nachteil, daß - wenn beispielsweise die gleiche Zone der Lichtquelle betrachtet werden soll - entweder die Lichtquelle oder das Vakuum-Spektrometer gegenüber dem ruhenden System verschoben werden müssen. Eine Verschiebung der Lichtquelle ist jedoch in einer Reihe von Fällen, beispielsweise bei Thetapinch-Maschinen, extraterrestrischen Cbjekten oder dergleichen nicht möglich. Eine Verschiebung des

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. Vakuum-Spektrometers ist jedoch im allgemeinen nur mit große» Aufwand nöglich, da bei den bisher verwendeten Anordnungen die siit den optischen Teilen starr verbundenen Zubehörteile* Vakuunkessel, Pumpen und dergleichen sperrig sind ynd ein erhebliches Gewicht haben. Ein weiterer Nachteil 1st, daß eine Verschiebung des Vakuum-Spektrometers zu einer Verringerung der Justiergenauigkeit führen kann. Aus den vorgenannten Gründen war daher bisher die Durchführung aufeinanderfolgender Intensitätsmessungen-an nicht bewegbaren inhomogenen Lichtquellen wie Thetapinch-Masehinen, extraterr#trischen Objekten oder dergleichen im Vakuum-Ultra-Vioipit, das heißt etwa im Bereich von 10 A -V- 600 A . falcht möglich, wenn die Wellenlängen weit auseinander lagen. Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese Nachteile zu beseitigen und insbesondere ein Vakuum-Ultraviolett-Spektrometer mit ortsfester Achse für den einfallenden Strahl zu schaffen, bei dem der Einfallswinkel unter Vakuum kontinuierlich veränderbar ist. '

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Eintrittsspalt an einem um die senkrechte Hittelachse des Eintrittsspaltes schwenkbaren Lenkarm angeordnet ist, un dessen freiem Ende ein Lager zur drehbaren Lagerung der Schwenkhebel für'das Gitter· und den Detektor oder gegebenenfalls für die Detektoren vorgesehen ist. Dabei ist der Abstand der Mittelachsen des Eintrittsspaltes und des an dem Lenkarm vorgesehenen Lagers gleich dem Radius des Rowland-Kreises,

D,adurch wird erreicht, daß der Einfallswinkel durch Verschie ben des Mittelpunktes des liowland-Kreises den jeweiligen

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Anforderungen entsprechend veränderbar ist, während die Achse der einfallenden Strahlung ortsfest bleibt. Ein weiterer Vorteil des erfinduugsgemäßen Vakuum-Spektrometers besteht darin, daß der Einfallswinkel auch unter Vakuum auf einfache Weise verändert werden kann. Wegen der Einfachheit der Anordnung ist die Variation des Einfallswinkels mittels Fernsteuerung durchführbar, was insbesondere für Vakuum-Spektrometer von Bedeutung ist, die in Yfeltraumfahrzeugen angeordnet sind. Vorteilhaft ist ferner, daß änderungen des Einfallswinkels in sehr kurzer Zeit durchführbar sind. Wird gemäß der Erfindung die Haltevorrichtung für das Gitter in an sich bekannter Weise in gedrängter Bauweise ausgeführt, so wird dadurch erreicht, daß der Einfallswinkel bis zu einem Wert von 89° ein-·· stellbar ist. Dies ist ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Vakuum-Spektrometers. Ein ganz besonders großer Vorzug des erfindung^gemäßen Vahuum-ßpektrometers besteht darin, daß die Detektoren unabhängig von der jeweiligen Stellung des Gitters um den Mittelpunkt des Rowland-Kreißes schwenkbar sind, bo daß die Intensität in verschiedenen Wellenlängenbereichen aufgenommen werden kann.

Eine sehr vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Vakuum-Spektrometers besteht darin, daß ein Teil des Lenkarms als Platte ausgebildet ist, mit der der Eintrittsspalt fest verbunden ist und auf der das Gitter und der Detektor oder gegebenenfalls die Detektoren in an sich bekannter Weise mittels Rollen verfahrbar sind.

Dadurch wird erreicht, daß die Schwenkbewegungen von Eintrittsspalt, Gitter und Detektoren mit der für die Messungen erforderlichen hohen Genauigkeit in einer Ebene erfolgen.

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Dies gilt insbosondere dann, v/enn nach einev sehr zweckmässigen Ausführungsform des erfindungsgemäfißen Vakuum-Spektrometers das koaxial zur Mittelachse des Eintrittsspaltes angeordnete Lager für die Schwenkbewegung der Platte, auf der der Eintrittsspalt mittels einer an sich bekannten halterung befestigt ist, in einer Grundplatte angeordnet ist, an der zur Führung der schwenkbarem Platte sn sich bekannte Gleitstücke vorgesehen sind.

Fach einer weiteren s-3kr vorteilhaften .iur;jcstaltung des erfindungsgemäßen Val;uum-Spektro:aeters sind die Schwenkhebel übereinander gelagert, wobei die Detektoren mittels an sich bekannter Formstücke an den freien Enden dar Schwenkhebel so angebracht sind, daß die von der Lichtquelle ausgosandte Strahlung zu gleichen Teilen auf die Detektoren auftrifxt.

Dor Vorteil dieser o.v:Tindungsgemä3en Ausgestaltung des neuen Vr.kuiira-Gpektrometers besteht in folgendem: 3s ist häufig erforderlich, die relativen Intensitäten einer zeitlich veränderlichen Strahlung zweier verschiedener Wellenlängenbereiche zu messen und miteinander zu vergleichen. In diesem l^?flle wird das Spektrometer als seitauflösender Polychroma- 'co:: verwendet. Mittels des erfindungsgemäßen Vakuum-Spektrometers können nun die beiden Detektoren unabhängig voneinander und unabhängig von einer Bewegung des Gitters in zwei zur I.Ie.vidionalebene der Gitter parallelen, einander unmittelbar benachbarten Ebenen verschoben werden, und zwar können die Detektor an in zwo.·, beliebig zueinander benachbarte Stellungen geb:,'fi,<-;l-t werden. Dadurch ist es bei der Ver-„ondung zweier ze." b.rulösender Detektoren mit Hilfe des n Va-kLHiin-üpekfc.vOi.ioters möglich, die Abhängigkeit der

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Strahlungsintensität von der Zeit in zwei beliebig benachbarten, durch die Austrittsspaltweite bestimmten Wellenlängenbereiche aufzuzeichnen. Das heißt, es kann von beiden Detektoren gleichzeitig der zeitliche Verlauf der Intensität des gleichen .'/ellenlängenbereichs aufgezeichnet werden. Daraus ergibt sich die v/eitere Möglichkeit zu prüfen, ob die optische Achse des einfallonden Strahles in der Meridionalebene des Gitters liegt, eine Bedingung, die bekanntlich für quantitative Mossunüon erfüllt sein muß. Ebenso ist es möglich, wie ohne weiteres einleuchtend ist, die relative Empfindlichkeit beider De Lektor systeme und auch deren Zeitkonstante zu vergleichen, wodurch der Aussagewert für absolute Intensitätsnessungen erhöht v/ird.

Eine sehr zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß der um den in der Mittelachse des Eintrittsspalts liegenden Drehpunkt schwenkbare Lenkarm oder die Platte mit Lenkarm für den JJintrittsspalt sov/ie eier Schwenkhebel f-ür das Gitter in r.n sich bekannter '»eise durch je einen Stellmotor angetrieben v/ercien, wobei die 'lotoren miteinander gekoppelt sind oder wobei zur Umwandlung der Drehbewegung eines Motors in die Sobwenkbewegungen der Hebel in an sich bekannter Weise Getriebe vorgesehen sind.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vakuum-Spekti'omete.'s bestehen die Betektoren jeweils aus einem plattenförmigen ezintillierenden Körper, der mittel? eines an sich bekannten Lichtleiters mit einen Photomultiplier .verbunden ir. b. Dabei sind geiaiiä der Erfindung von den Szintillator vier aneinander grenzende Flächen-Verspiegelt, im rl 7on den vor 'S\.\ ".ban Csa zwei sclmalon Flächen bildet di :

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eine den Austi'ittsspalt, während die andere in r,n sich bekannter Weise mit dem Lichtleiter verbunden ist. Diese erfindungsgemäße Ausführungsform der; neuen Yakuum-Spektroraeters ist deshalb besonders vorteilhaft, weil dadurch die Verschiebung beider Detektoren in zwei einander unmittelbar benachbarten Ebenen ermöglicht wird.

XJm einen Austausch von Detektoren unterschiedlicher Austrittsspaltbreite in «einfacher V/eise zu ermöglichen, zugleich aber eine möglichst hohe Genauigkeit bei der Justierung zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß als Halterung für den plattenförmigen Szintillator ein in einem gleichschenkligen Prisma, dessen Winkelhalbierende durch den Mittelpunkt des Itowland-Kreises führt, lösbar befestigter zylindrischer Körper vorgesehen. Gemäß der Erfindung weist dieser zylindrische Körper zwei senkrechte, im rechten Winkel zueinander stehende Anschliffe auf, von denen .1er eine Anschliff mit der von einem Badius des liowland-Kreises und der Senkrechten bestimmten Ebene zusammenfällt.

Ein Äiisftihrungsbeispiel der, erHndungsgemäßen Vakuuia-Spektrometers ist in der Zeichnung schematise« dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 das neue Vakuum-Spektrometer in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 einen Detektor des Vakuum-Spektroraeters nach Fig. 1 in Zänzeldarstellung,

Fig. 3 eine Halterung für den Detektor nach Fig. in der Draufsicht,

Fig. 4 die Halterung nach Fig. 3 in der Seitenansicht.

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Wie aus der Zeichnung hervorgeht, gelangt der von der Lichtquelle 1 parallel zu der optischen Achse - in dem in der Zeichnung angegebenen Bezugssystem x,y,z ist das die x-Achse ausgehenden Strahl in den Eintrittsspalt 2 und fällt von dort in streifender Inzidenz auf das Gitter 3. Der Eintrittsspalt 2, das Gitter 3 und die Detektoren 4 und 5 sind in an sich bekannter Weise auf einem Rowland-Kreis angeordnet. Gemäß der Erfindung ist der Eintrittsspalt mittels einer an sich bekannten Halterun mit der Platte 10 verbunden. Um den Einfallswinkel bei ortsfester Achse des einfallenden Strahls zu verändern, sind der Schwenkhebel 7 in dem in dem Lenkarm ICa angeordneten Lager 8 und die Platte 10 um ein koaxial zur Mittelachse des Eintrittsspalts 2 angeordnetes Lager 16 in Pfeilrichtung drehbar gelagert.

Die Mittelachse des Eintrittsspalts 2 und die Mittelachse des Drehlagers 8 haben dabei gemäß der Erfindung einen Abstand, der dem Radius des Rovland-Kreises entspricht. Eine Schwenkung der Drehplatte 10 um ihren Drehpunkt in Lager 16 hat somit die Wirkung, daß der Mittelpunkt des Rowland-Kreises verschoben wird. Denn, da das Gitter 3 und die Detektoren 4. und 5 gemäß der Erfindung mittels der Schwenkhebel 7, 8 und

9 und mittels des Lagers 3 mit dem Lenkarm 10a schwenkbar verbunden sind, wird zugleich mit einer Schwenkbev/egung der Platte IC die Lage des Rowland-Kreises des gesamten Systems gegenüber der ortsfesten Strahlung verschoben.

Um zu erreichen, daß die Schwenkbewegungen des Gitters und der Detektoren mit der erforderlichen hohen Genauigkeit in einer Ebene erfolgen, sind daß Gitter 3 und die Detektoren 4 und 5 auf den Wagen 11,12, 13 mittels Rollen auf der Platte

10 verfahrbar angeordnet. Um sicherzustellen, daß die Platte

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10 in jeder ausgeschwenkten Stellung mit hinreichender Genauigkeit in horizontaler und zur Meridionalebene des Gitters parallelen Ebene verbleibt, ist gemäß der Erfindung eine f Tragplatte 14 mit Gleitstücken 15 vorgesehen, in der das mit ' der Mittelachse des Sintrittsspaltes 2 koaxiale Achslager für die Platte 10 vorgesehen ist. Eine sehr zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Vakuum-Spektrometers besteht darin, daß der Haltevorrichtung für das Gitter. 3 eine in azimutaler Richtung des Eowland-Kreises sehr gedrängte Bauform erteilt wird. Dadurch", v/ird erreicht, daß der Einfallswinkel bis zu einem Wert von 39° einstellbar ist. Wie aus Fig. 1 erkennbar, sind die Hebelarme 3 und 9 für die Detektor ren 4 und 5 in zueinander parallelen Ebenen bewegbar. Außerdem sind die Wagen 12 und 13 aus Formstücken so gebildet, tlaß von beiden Detektoren zugleich das gleiche Wellenlängenintervall aufgenommen v/erden kann, . j

In Fig. 2 ist ein Detektor wiedergegeben durch dea das j erfinduncsgeiTiäße Vakuum-Spektrometer in vorteilhafiter Weise vA2itsrausgestaltet v/ird, Dar Detektor besteht aus einem j Szintillator 17, de:: iilt Ausnahme der Flächen für den Licht- f eintritt und den_eLichtaustritt verspiegelt ist. Die nicht \ vorspiegelten Flächen sind - wie aus der Zeichnung hervor-.£.3ht - FO ausgebildet, daß die dom einfallenden Lichtstrahl zugekehrte Fläche zugleich den Äustrittsspalt bildet. Als ^r,rc:-.-liSto5f füi den Szintillator wird zweckmäßig eine an sich

■! bekannt3 Mischung aus Polycinyltoluol, p-Terphenyl und !

Diphenyl stilben verwendet. Es ist selbstverständlich möglich, auch irgendeinen anderen geeigneten Werkstoff zu verwenden. An die Flächen des Liclitaustritts des Szinitllators int in an sich bekanntor Vfeino ein Lichtleiter 3.3, der bei-

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spielsweise aus Glasfasern besteht, angeschlossen, um den Szintillator 17 mit dem Fhotoiaultiplier 19 zu verbinden.

Siii3 sehr zwackiuäSigo Halterung für den Detektor nach Fig. 2 besteht, wie aus den Fig. 2 und 4 hervorgeht, in einem Zylinder 20, der mit einem gleichschenkligen Prisma 21 lösbar verbunden ist. Dabei ist das Prisma an einem der beiden Schwenkhebel 3. oder C oder an einera der beiden ,'iagen 12 oder 1? des Prismas jeweils so angeordnet, daß die Winkelhalbierende il durch den Liittelpankt des I owland-Iireises geht, .in den Zylinder 20 sind zur Justierung des Jetsktors und zur Befestigung zwei senkrecht zueinander stehende plane Anschliffe vorgesehen, Von den beiden Anschliffen des 2ylinc!ers 2C liest eier eine in der senlireehten durch die Mittelachse Γ.Ι gehenden Zbena. L>±e dient zum Einjustieren der iezi Lichteintritt augeliehrten Pläche des Detektors. Uit den anderen Anschliff v/ir.-c* der Detektor z.B. mittels sine::- in der Zeichnung nicht dargestellten lHemnvorrichtung sum Anliegen gebracht. Dabei ist dieser Anschliff erfindungsgemäß unter Berücksichtigung der jeweiligen Dicke des verwendeten Szintillators 17 so vorgesehen, daß der Rowland-Kreis die Mittelachse der dem Lichteintritt zugekehrten Fläche schneidet. Der Zylinder 2C ist gegen Verdrehen un die senkrechte Achse in an sich bekannter u'eise durch die liut 21 und Feder 23 gesichert. Zur Verbindung des Zylinders Γ,-C mit dem Prisma 21 ist eine an sich bekannte lösbare Verbindung, beispielsweise eine Schraubenverbindtisg 22, vorgesehen.

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Claims

Patentansprüche

' 1. Yakuum-Spektrümeter, insbesondere zur Zerlegung und Aufzeichnung von Strahlungen, deren Wellenlänge zwischen 10 A und 500 A liegt mit sphärischem lieflexionsijitter, bei dem ISintrittsspalt, Gitter und Detektor oder gegebenenfalls mehrere Detektoren innerhalb eines Vakuumbehälterp auf einem Kreis (Rowland-Kreis) angeordnet sind, wobei dap Gitter und'der Detektor oder die Detektoren mittels Schwenkhebeln auf dem Jtöwland-Iireis verschiebbar sind, .(dadurch g e k e η η ζ e i c I: η e t, daß der Eintrittsspalt (2) an einem um seine senkrechte Mittelachse .schwenkbaren Lenkarm (10a), an dessen freiem Ende ein Lager (3) als Jxehpunkt für die Schwenkhebel (7,1,9) für das Gitter (3) und qen Detektor oder die Detektoren

angeordnet, ist
(4,5) vorgesehen ist,/wobei der Abstand der senkrechten Mittellinie der Eintrittsspaltes (^) und der Mittelachse des Lagers (5) gleich dem liadiuF des Itowland-Kreisec ist.

2. Vakuum-Spektrometer nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet, daß ein Teil des Lenkar-mes (10a) als platte (10) ausgebildet ist, mit der der Eintrittsspalt (2) fest verbunden ist und auf der das Gitter ■j[3) sowie die Detektoren (4,5) in an siel· bekennt er '»eise mittels Wagen (11,12,13) verfahrbar sind.

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a. Vakuum-Spektrometer nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c hue t_r daß für die Schwenkbewegumgen der Platte (10) und des Lenkarraes (IGa) in einer an sieh bekannten Tragplatte (14) ein Lager (IS) vorgesehen ist, wobei ah der Tragplatte(14) an sich bekannte Gleitstücke (15) für die Platte (10) angeordnet sind.

4. Vakuum-Spektrometer nach den Ansprüchen 1 bis 3, d adurch gekennzeichnet, daß? die Schwenkhebel (3,9) für die Detektoren (4,5) in an sich bekannter Weise in Drepunkt (3) übereinander gelagert sind, v.obei die Detektoren (4,5) mittels an eich bekannter Formstücke pn den freien Enden der Sehv/enkhebel (ß,9) so angebracht sind, daß die von der Lichtquelle (1) ausgesandte Strahlung zu gleichen Teilen auf die Detektoren (4,5) auf trifft, wenn die Schwenkhebel .(3,8) sinn in der gleichen Winkelstellung befinden.

Vakuura-Spektrometer nach den Ansprüchen 1 bis 4, d a durch gekennzeichnet, daß der Lenkarm (ICa) und gegebenenfalls die Platte (IC) sowie der Schwenkhebel (7) für das Gitter (3) in an sich bekannter iieise duich je einen Stellmotor, wobei die Motoren miteinander gekoppelt sind, oder in an sich bekannter Weise über Getriebe mittels eines Motors angetrieben sind»,

G. Vr.kuuia-Spektrometc:· r.r.ch clcn Ansprüchen 1 bis 4, £ 3 k e η η ζ e i c 1: η e t durch einen oder mehrere Detektoren, cer oder die aus einen ε,η sich bekannten plattenförmigen CzintillRtc;: (17), von eiern vier aneinan-

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der grenzende Flächen verspiegelt sind and worn dessen frei bleibend« Fläch« dl« eine den Auetrittespalt det, und ein·« mn eich bekannten »hotooultiplier <lt) fee* stehen, wobei zur Verbindung des Szintillator· (IT) und des Photoaultipliers (id) ein an sich bekannter Lichtleiter (10) vorgesehen ist,

7. Vakuuai-Spektreeator nach Anspruch 3, d * d u r c h gekennzeichnet, daß ftl· Halterung für den plattenförmigen Szintillator (17) ein in eineM gloichschenklifen Prisma (21), dessen Winkelhalblerende durch den Ülttelpunkt des Ro\v!and~iCreiees führt» lösbar befestigter aylincbischer Klrper <30> vorgesehen ißt, d«r zv/ei senkrechte im rechten Winkel zueinander stehende Anschlifflachen aufweint, von denen die ein· Fläche alt der von eine» Fadius des Rowland-Irelses und der »eekreehten beßtimmten Ebene aufaM«en_iäilt_#

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