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Hochfrequenz-Spektrometer Die Erfindung betrifft ein Hochfrequenz-
oder Mikrowellen- Spektrometer, bei du die Mikrowellenlei@tung, die eine z.B. flüssigen
oder gasförmigen Medium in einer Abeorptionea.lle zugeführt wird, und die Mikrowellenleistung,
die zu eine Detektor gelangt, unabhängig einstellbar sind um eine hohe Empfindlichkeit
und
Vielseitigkeit zu erreichen. Die Frfindung betrifit ferner Anordnungen in Mikrowellenspektrometern,
die eine Anzeige des absoluten Wertes des Absorptionskoeffizienten einer in einer
Absorptionszelle befindlichen Probe liefer@.
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Die Erfindung geht von einem Mikrowellenspektrometer aus, das zwei
parallele Signalwege mit einem gemeinsamen Detektor und eine# im einen Signalweg
angeordnete Absorptionszelle enthält.
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Bin Merkmal der Erfindung besteht darin, in einem Mikrowellenspektrometer
eine Anordnung zum Einspeisen eines simulierten Absorptionssignales in einen der
ignaiwege vorzusehen, um den Einfluß von Eigenschaften des Detektorn auf die Genauigkeit
von Absorptionsmessungen auszuschalten.
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Durch die Erfindung soll ferner ein neurtiges Mikrowellenspektrometer
angegeben werden, das eine Absolutanzeige von Abeorptionskoeffizienten einer untersuchten
Probe liefert und eich auch bei Verwendung einer kurzen Abeorptionsselle durch extrem
hohe Signalempfindlichkeit auszeichnet.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Mikrowell.nsignal
einer bestimmten Frequenz über einen Sig naiweg einer zu untersuchenden Probe zugeführt,
die sich in einer Ab.orptionsaelle, z,B. einer Stark-
Effektabsorptionszelle
befindet. Dasselbe Mikrowellensignal wird mit dem am Ausgang der Abeorptionzelle
auftretenden Signal mit einer solchen Phasenlage vereinigt, daß praktisch das ganze
Mikrowellensignal kompensiert wird und nur ein Bruchteil der gesamten Mikrowellenleistung
zu einem Mikrowellendetektor gelangt. Ilierduroh kann die der in der Absorptionszelle
befindlichen Probe zugeführte Mikrowellenleistung in einem weiten Bereich geändert
werden während die dem Detektor zugeführte Leistung im wesentlichen unverändert
bleibt. Der Detektor spricht auf die Schwankungen in der Leistung an, die ihre Ursache
in Änderungen der Leistungesbsorption bei periodischen Schwankungen der Abeorptionserregung
in der Absorptionezelle (z.B. eines elektrostatischen Feldes in einer Stark-Effektzelle),
die zwischen bestimmten Erregungspegeln verlaufen, haben; zwischen die das Mikrowellensignal
einer gewünschten Frequenz liefernde ignalquelle und den Detektor ist ein dritter
Signalaweig geschaltet, der eine Änderung der Mikrowellenleistung erzeugt, die wenigstens
annäherend gleich den Leistungsschwankungen ist, die durch den veränderhohen Absorptionserregungspegel
verursacht werden, welcher der Probe in der Abeorptionszelle zugeführt wird.
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Man erhält dabei eine Absolutanzeige des Abeorptionskoeffizienten
der Probe in der Absorptionszelle, wenn der dritte Signalzweig so abgeglichen iet,
daß der Detektor
eine identische Anzeige erzeugt.
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Die erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, die ein Blockschaltbild
eines Mikrowellenspektrometers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt.
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Eine ein Mikrowellensignal liefernde Signalquelle 9 ist über einen
Abechwächer 11 und eine Reihe von Richtungskopplern 13 - 17 an einen Phasenschieber
19 und einen Abschwächer 21 angeschlossen, die einen von zwei Signalwegen bilden.
Vom Nebenarm des RIchtungskopplers 17 wird einer Absorptionszelle 27 ein Signal
tiber einen Richtungekoppler 23 und einen Abechwächer 25 zugeführt.
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Die Ausgangssignale der Absorptionszelle 27 und des Abschwächere 21
werden in einen Richtungskoppler 29 vereinigt und einem Mikrowellendetektor 31 zugeführt.
Vom Nebenarm des Rlchtuntekopplers 13 wird ein signal über einen dritten Signalweg
mit einem Abschwächer 33, einem Modulator 35, einem Abechwächer 37 und einem Phasenschieber
39 dem Nebenarm des Richtungskopplers 23 zugefUhrt.
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Im Betrieb wird ein zu untersuchendes Medium mittels einer Vakuum-
und Probenentnahmenanlage 41 in die Absorp tionezelle 27 eingeführt. Der Pegel der
Mikrowellenleistung in der Zelle 27 wird durch die Abschwächer 11 und 25 bestimmt.
enn das Dipolmoment von Molekülen der Probe zu bestimmen ist, wird als Absorptionszelle
eine
S@arkeffekt-Zelle verwendet, die eine Elektrode 43 enthält,
die in der Probe ein elektrischen Feld erzeugt.
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Zur Bestimmung des Molekularen Spins oder Drehimpulses von Molekülen
der Probe wird eine Zeeman-Effekt-Zelle verwendet, die eine Spule zum Erzeugen eines
Magnetfeldes in der Probe enthält. Die Erfindung läßt sich sowohl in Verbindung
mit Zeeman-Effekt-- als auch mit tark-Efiekt-btodulationezellen anwenden, im folgenden
wird sie der Einfachheit halber Jedoch nur am Beispiel einer Stark-Effekt-Zelle
beschrieben. Die folgende Erläuterung gilt also im rrinzip auch für Zeeman-Effekt-Zellen.
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Die Probe in der Zelle 27 seigt bei einer bestimmten Frequenz des
von der Quelle 9 gelieferten Mikrowellen-Signale einen Resonanaanstieg der Leistungsabsorption.
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Die Frequenz, bei der das Absorptionsmaximum liegt, hängt von der
Stärke des elektrostatischen Feldes ab, das duroh die Modulationsspannung an der
Elektrode 43 erzeugt wird. Der Detektor 31 sprioht dementsprechend auf Änderungen
des Pegels der Leistungsabsorption an, die bei der Frequenz der Modulationespannung
auftreten, die von einer die Stark-=Effekt-Zelle ansteuernden Verstärkerstufe 45
geliefert wird.
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Das Ausgangssignal des Detek@ors 31 wird einem abgestimmten
Voltmeter
und Onzillator 47 zugeführt, die eine Anzeige dieser Änderungen der dem Detektor
zugeführten Mikrowellenleistung an einem Meßgerät 49, einem schreienden Registriergerät
51, einem Oszillographen oder dergleichen liefern. Der Oozillator im abgestimmten
Voltmeter 47 beetimmt die Modulationsfrequenz und die Frequenz, auf die das Voltmeter
abgestimmt ist.
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Um den Detektor 31 bei einem Leintungspegel zu betreiben, der unabhängig
von der Leistung in der Stark-@ffekt-Zelle 27 ein Optimum hinsichtlich des Störabstandes
und der Empfindlichkeit ergibt, ist zwischen den Richtungskopplorn 17 und 29 ein
weiterer Signalweg vorgesehen, der parallel zu dem die Stark-Effekt-Zelle enthaltenden
Signalweg.verläuft. Der Abschwächer 21 und der Phasenschieber 19 in diesem Hilfssignalweg
oder Nebenzweig werden so abgeglichen, daß dti Betrag nach praktisch die gleiche
Mikrowellenleistung durchg@lassen wird wie von der Stark-Effekt-Zelle 27, Jedoch
mit entgegengesetzter Phasenlage. Bei der Vereinigung der beiden Signale im Koppler
29 entsteht ein resultierendes Signal, dessen Leistungspegel fUr einen optimalen
Betrieb des Detektore 31 eingestellt wird. Hierdurch kann die Leistung in der Stark-Effekt-Zelle
27 unabhängig vom Leistungepegel am Detektor 31 eingestellt werden. Wenn di. Leistungepegel
in
der Stark-Effekt-Zelle 27 kleiner iet als für einen optimalen Betrieb des Detektors
31 erforderlich ist, können die Leistung von der Absorptionnzelle und dem ffilfsarm
bei entsprechender Einstellung des Phasenschiebers 19 addiert werden.
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Nachdem man vom Auegang des Detektors 31 eine Anzeige der Leistungsabsorption
in der S Stark-Effekt-Zelle 37 erhalten hat, wird »eit Schalter 53 umgeschaltet
um das Signal vom abgestiimten Voltmeter und Oszillator 47 einem Modulationsverstärker
55 zuzuführen, der seinerseite ein Signal an den Modulator 35 liefert um die Leistung
des vom Modulator Abertragenen Mikrowellensignals zu modulieren. Der dritte @ignalzweig,
der zwischen die Koppler 13 und 23 geschaltet ist, und die Elemente 33 bis 39 enthält,
liefert an den Detektor 31 ein Signal, das die Amplitudenmodulation der Mikrowellenleistung,
die durch die Leistungsabsorption in der Zelle 27 unter der Einwirkung des periodischen
Stark-Effekt-Modulations feldes bewirkt wird, simuliert oder nachbildet. Der Phasenschieber
39 wird so eingestellt, daß die Anzeige am Lleßgerät 49 oder Registriergerät 51
usw. ein Maximum iet und die Abschwächer 33, 37 werden dann so verstellt, daß die
Anzeige am abgestimmten Voltmeter und Oszillator 47 wieder denselben Wegt wie bei
der Stark-Effekt-Modulation in der Zelle 27 hat. Die Skaleneinstellungen der Abschwächer
33 und 37 entsprechen dann dem Absorptionekoeffizienten
der Probe
in der Stark-Effekt-Zelle 27, unabhängig von den Eigenschaften des Detektors, da
dieser mit während beider Messungen dem gleichen Leistungspegel betrieben wurde.
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Der dritte Signalzweig, der die Elemente 33 bie 39 enthält, kann auch
gleichzeitig mit der Modulation der Stark-Effekt-Zelle betrieben werden und nicht
anschliessend, wie oben beschrieben wurde. Bei dieser Betriebsart werden Amplitude
und Phase des durch den dritten Signalzweig gelieferten Signals so eingestellt,
daß die durch die Stark-Effekt-Zelle bewirkte Modulation kompensiert wird und der
Pegel der dem Detektor 31 sugefahrten Mikrowellenleistung dementsprechend praktisch
konstant gehalten wird. Die Einstellungen der Abschwächer 33 und 37 ergeben dann
eine Anzeige des Absorptionskoeffidienten der in der Stark-Effekt-Zelle 27 befindlichen
Probe. Der Pegel, der den parallelen weigen sugeffhrten Leistung wird durch einen
Leistungemonitor 57 angezeigt, dieser seigt also praktisch das Doppelte der der
Leistung der Starkeffekt-Zelle 27 zugeführten Signales an.
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Eo kann außerdem der Phasenwinkel der durch die Probe in der Zelle
27 bewirkten 1Jeietungsab.orption Jbestint werden, indem man den Phasenschieber
19 und den Abschwächer 21 so abgleicht, daß die Leistung von der
Zelle
kompensiert wird. Der Phasensohieber 19 und der Abschwächer 21 werden dann so eingestellt,
daß eich der optimale Leistungspegel am Detektor 31 ergibt, wenn ein neuer @eistungspegel
des Signale am Ausgang des Abschwächers 21 gleich dem @eistungspegel dieses Ausganges
bei 0 di@ idiert durch den Cosinus des Winkels der Phasenverschiebung ist. hierdurch
ist gewährleistet, daß das Signal am Detektor 31 in der Phase um 900 bezüglich des
Signales am Ausgang des Abschwächers 21 verschoben ist.
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Der mit optimalen Leistungspegel arbeitende Detektor 31 spricht daher
in erster Linie sui Leistungsänderungen an, die ihre Ursache in Änderungen des Phasenwinkels
der Leistungsabsorption in der Zelle 27 haben.