DE1598523C3 - Hochfrequenz-Spektrometer und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents
Hochfrequenz-Spektrometer und Verfahren zu dessen BetriebInfo
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- DE1598523C3 DE1598523C3 DE1598523A DEH0055073A DE1598523C3 DE 1598523 C3 DE1598523 C3 DE 1598523C3 DE 1598523 A DE1598523 A DE 1598523A DE H0055073 A DEH0055073 A DE H0055073A DE 1598523 C3 DE1598523 C3 DE 1598523C3
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur HF-Spektralanalyse einer Probe, bei welchem der in einer
Absorptionszelle befindlichen Probe ein HF-Signal zugeführt, die Resonanzbedingung der Absorptionszelle moduliert und die Veränderung des HF-Signales
auf Grund der Absorption der Probe in der Resonanzzelle gemessen wird.
Aus dem Buch »Microwave Spectroscopy« McGraw Hill, New York, 1955, Seiten 418 bis 420,
ist ein Hochfrequenz-Spektrometer mit einer modulierten Stark-Zelle bekannt. Auf den Seiten 425 bis
427 der gleichen Vorveröffentlichung ist ein HF-Spektrometer mit einer Brückenschaltung beschrieben,
in deren einem Arm die Absorptionszelle mit der Probe und in derem Abgleicharm einstellbare
Abschwächer- und Phasenschieberelemente enthalten sind, welche derart eingestellt werden können,
daß die Signale am Ausgang der Brücke sich bis auf die Leistungsschwankungen ausgleichen, die durch
die Absorption der Probe in der Zelle bedingt sind. Bei dieser Anordnung wird das resultierende Ausgangssignal
der Brückenschaltung auf eine feste Zwischenfrequenz umgesetzt und einem Zwischenfrequenzverstärker
zugeführt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hochfrequenzspektrometer und Verfahren zu dessen
Betrieb zu schaffen, durch welches Absorptionssignale simuliert oder kompensiert werden können,
um das gemessene Signal auf einfache Weise zu eichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das eingangs genannte Verfahren zur HF-Spektralanalyse einer
Probe erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Probe während der Modulation der Resonanzbedingung
der Absorptionszelle gleichzeitig ein weiteres HF-Signal zugeführt wird, welches die gleiche
Frequenz wie das erste HF-Signal hat, mit der gleichen Frequenz wie die Resonanzbedingung der Absorptionszelle
moduliert wird und vor der Einspeisung in die Absorptionszelle dem ersten HF-Signal
hinzugefügt wird und daß die Amplitude und Phase dieses weiteren HF-Signales derart eingestellt werden,
daß das durch die Absorption der Probe in der Resonanzzelle hervorgerufene Meßsignal kompensiert
wird, so daß die zur Kompensation erforderlichen Amplituden- und Phasenverstellungen ein Maß für
den Absorptionskoeffizienten der Probe darstellen.
Auch kann das eingangs genannte Verfahren zur HF-Spektralanalyse einer Probe erfindungsgemäß
derart durchgeführt werden, daß nach der Messung der durch die Absorption der Probe bedingten. Veränderung
des HF-Signales die Resonanzbedingung der Absorptionszelle konstant gehalten und der
Probe ein weiteres HF-Signal zugeführt wird, wel-
ches die gleiche Frequenz wie das erste HF-Signal hat, mit der gleichen Frequenz wie zuvor die Resonanzbedingung
der Absorptionszelle moduliert wird und vor der Einspeisung in die Absorptionszelle
dem ersten HF-Signal hinzugefügt wird, und daß die Amplitude und Phase des weiteren modulierten HF-Signales
derart eingestellt werden, daß ein Meßsignal von der Größe des zuvor während der Modulation
der Resonanzbedingung erhaltenen Absorptionssignals erzeugt wird, und die hierzu erforderlichen
Amplituden- und Phaseneinstellungen ein Maß für den Absorptionskoeffizienten der Probe darstellen.
Die Erfindung betrifft femer einHF-Spektrometer
zur Durchführung der genannten Verfahren mit einem HF-Sender, mit einer die zu untersuchende
Probe enthaltenden Absorptionszelle, die über einen HF-Kanal an den HF-Sender angeschlossen ist, mit
einer mit einem Modulations-Oszillator verbindbaren Einrichtung zur Erzeugung eines zeitlich veränderlichen
Feldes in der Absorptionszelle zwecks Modulation der Resonanzabsorptionsbedingung, und mit
einer auf diese Modulationsfrequenz ansprechenden Meßeinrichtung zum Empfang der Resonanz-Absorptionsstrahlung,
bei dem erfindungsgemäß vorgesehen ist, daß der HF-Sender mit der Absorptionszelle über einen weiteren, einen Modulator, einen
Abschwächer und einen Phasenschieber enthaltenden HF-Kanal verbunden ist, der am Eingang der
Absorptionszelle mit dem ersten HF-Kanal zusammengefügt ist und daß der Modulator über eine
Steuerleitung an den Modulationsoszillator anschließbar ist.
Es können somit Simulations- und Kompensationsmessungen über die Absorption von Proben vorgenommen
werden, bei denen der Absolutwert des Absorptionskoeffizienten der Probe gemessen und auf
einfache Weise geeicht wird.
Schließlich kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Meßgenauigkeit
dadurch erhöht und die Schaltungsanordnung dadurch einfach aufgebaut werden, daß ein Schalter
vorgesehen ist, der den Modulationsoszillator entweder mit der Einrichtung zur Erzeugung des zeitlich
veränderlichen Feldes oder mit dem Modulator verbindet.
Der Modulationsoszillator bestimmt auch die Frequenz, auf die die Meßeinrichtung abgestimmt ist.
Die Erfindung wird an Hand des in der Zeichnung dargestellten Blockschaltbildes eines Mikrowellenspektrometers
näher erläutert.
Eine ein Mikrowellensignal liefernde Signalquelle 9 ist über einen Abschwächer 11 und eine
Reihe von Richtungskopplern 13 bis 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 über einen Richtungskoppler 23 und einen Abschwächer 25 zugeführt. Die
Ausgangssignale der Absorptionszelle 27 und des Abschwächers 21 werden in einem Richtungskoppler 29
vereinigt und einem Mikrowellendetektor 31 zugeführt. Vom Nebenarm des Richtungskopplers 13 wird
ein Signal über einen dritten Signalweg mit einem Abschwächer 33, einem Modulator 35, einem Abschwächer
37 und einem Phasenschieber 39 dem Nebenarm des Richtungskopplers 23 zugeführt.
Im Betrieb wird ein zu untersuchendes Medium mittels einer Vakuum- und Probenentnahmeanlage
41 in die Absorptionszelle 27 eingeführt. Der Pegel der Mikrowellenleistung in der Zelle 27 wird durch
die Abschwächer 11 und 25 bestimmt. Wenn das Dipolmoment von Molekülen der Probe zu bestimmen
ist, wird als Absorptionszelle eine Starreffekt-Zelle verwendet, die eine Elektrode 43 enthält, die in der
Probe ein elektrisches Feld erzeugt. 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 Stark-Effekt-Modulationszellen anwenden, im
folgenden wird sie der Einfachheit halber jedoch nur am Beispiel einer Stark-Effekt-Zelle beschrieben. Die
folgende Erläuterung gilt also im Prinzip auch für Zeeman-Effekt-Zellen.
Die Probe in der Zelle 27 zeigt bei einer bestimmten Frequenz des von der Quelle 9 gelieferten Mikrowellen-Signals
einen Resonanzanstieg der Leistungsabsorption. Die Frequenz, bei der das Absorptionsmaximum
liegt, hängt von der Stärke des elektrostatischen Feldes ab, das durch die Modulationsspannung an der Elektrode 43 erzeugt wird. Der De-
tektor 31 spricht dementsprechend auf Änderungen des Pegels der Leistungsabsorption an, die bei der
Frequenz der Modulationsspannung auftreten, die von einer die Stark-Effekt-Zelle ansteuernden Verstärkerstufe
45 geliefert wird.
Das Ausgangssignal des Detektors 31 wird einem abgestimmten Voltmeter 47 mit Oszillator 48 zugeführt,
die eine Anzeige dieser Änderungen der dem Detektor zugeführten Mikrowellenleistung an einem
Meßgerät 49, einem schreibenden Registriergerät 51, einem Oszillographen od. dgl. liefern. Der Oszillator
48 im abgestimmten Voltmeter 47 bestimmt die Modulationsfrequenz und die Frequenz, auf die das
Voltmeter abgestimmt ist.
Um den Detektor 31 bei einem Leistungspegel zu betreiben, der unabhängig von der Leistung in der
Stark-Effekt-Zelle 27 ein Optimum hinsichtlich des Störabstandes und der Empfindlichkeit ergibt, ist
zwischen den Richtungskopplern 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 dem Betrag nach praktisch die
gleiche Mikrowellenleistung durchgelassen 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 für einen optimalen Betrieb des Detektors 31 eingestellt wird. Hierdurch
kann die Leistung in der Stark-Effekt-Zelle 27 unabhängig vom Leistungspegel am Detektor 31 eingestellt
werden. Wenn der Leistungspegel in der Stark-Effekt-Zelle 27 kleiner ist, als für einen optimalen
Betrieb erforderlich ist, kann die Leistung von der Absorptionszelle und dem Hilfsarm bei entsprechender
Einstellung des Phasenschiebers 19 addiert werden.
Nachdem man vom Ausgang des Detektors 31 eine Anzeige der Leistungsabsorption in der Stark-Effekt-
S5 Zelle 37 erhalten hat, wird ein Schalter 53 umgeschaltet,
um das Signal vom Oszillator 48 einem Modulationsverstärker 55 zuzuführen, der seinerseits
ein Signal an den Modulator 35 liefert, um die Lei-
5 6
stung des vom Modulator übertragenen Mikrowellen- wird und der Pegel der dem Detektor 31 zugeführten
signals zu modulieren. Der dritte Signalzweig, der Mikrowellenleistung dementsprechend praktisch konzwischen
die Koppler 13 und 23 geschaltet ist und stant gehalten wird. Die Einstellungen der Abdie
Elemente 33 bis 39 enthält, liefert an den De- schwächer 33 und 37 ergeben dann eine Anzeige
tektor 31 ein Signal, das die Amplitudenmodulation 5 des Absorptionskoeffizienten der in der Stark-Effektder
Mikrowellenleistung, die durch die Leistungs- Zelle 27 befindlichen Probe. Der Pegel der den parabsorption
in der Zelle 27 unter der Einwirkung des allelen Zweigen zugeführten Leistung wird durch
periodischen Stark-Effekt-Modulationsfeldes bewirkt einen Leistungsmonitor 57 angezeigt, dieser zeigt also
wird, simuliert oder nachbildet. Der Phasenschieber praktisch das Doppelte der Leistung des der Stark-39
wird so eingestellt, daß die Anzeige am Meß- io Effekt-Zelle 27 zugeführten Signals an.
gerät 49 oder Registriergerät 51 usw. ein Maximum Es kann außerdem der Phasenwinkel der durch ist, und die Abschwächer 33, 37 werden dann so die Probe in der Zelle 27 bewirkten Leistungsabsorpverstellt, daß die Anzeige am abgestimmten Volt- tion bestimmt werden, indem man den Phasenmeter 47 wieder denselben Wert wie bei der Stark- schieber 19 und den Abschwächer 21 so abgleicht, Effekt-Modulation in der Zelle 27 hat. Die Skalen- 15 daß die Leistung von der Zelle kompensiert wird, einstellungen der Abschwächer 33 und 37 entsprechen Der Phasenschieber 19 und der Abschwächer 21 dann dem Absorptionskoeffizienten der Probe in der werden dann so eingestellt, daß sich der optimale Stark-Effekt-Zelle 27, unabhängig von den Eigen- Leistungspegel am Detektor 31 ergibt, wenn ein schäften des Detektors, da dieser während beider neuer Leistungspegel des Signals am Ausgang des Messungen mit dem gleichen Leistungspegel betrie- 20 Abschwächers 21 gleich dem Leistungspegel dieses ben wurde. Ausganges bei 0 dividiert durch den Cosinus des Der dritte Signalzweig, der die Elemente 33 Winkels der Phasenverschiebung ist. Hierdurch ist bis 39 enthält, kann auch gleichzeitig mit der gewährleistet, daß das Signal am Detektor 31 in der Modulation der Stark-Effekt-Zelle betrieben wer- Phase um 90° bezüglich des Signals am Ausgang den und nicht anschließend, wie oben beschrieben 25 des Abschwächers 21 verschoben ist. Der mit optiwurde. Bei dieser Betriebsart werden Amplitude malern Leistungspegel arbeitende Detektor 31 spricht und Phase des durch den dritten Signalzweig ge- daher in erster Linie auf Leistungsänderungen an, lieferten Signals so eingestellt, daß die durch die die ihre Ursache in Änderungen des Phasenwinkels Stark-Effekt-Zelle bewirkte Modulation kompensiert der Leistungsabsorption in der Zelle 27 haben.
gerät 49 oder Registriergerät 51 usw. ein Maximum Es kann außerdem der Phasenwinkel der durch ist, und die Abschwächer 33, 37 werden dann so die Probe in der Zelle 27 bewirkten Leistungsabsorpverstellt, daß die Anzeige am abgestimmten Volt- tion bestimmt werden, indem man den Phasenmeter 47 wieder denselben Wert wie bei der Stark- schieber 19 und den Abschwächer 21 so abgleicht, Effekt-Modulation in der Zelle 27 hat. Die Skalen- 15 daß die Leistung von der Zelle kompensiert wird, einstellungen der Abschwächer 33 und 37 entsprechen Der Phasenschieber 19 und der Abschwächer 21 dann dem Absorptionskoeffizienten der Probe in der werden dann so eingestellt, daß sich der optimale Stark-Effekt-Zelle 27, unabhängig von den Eigen- Leistungspegel am Detektor 31 ergibt, wenn ein schäften des Detektors, da dieser während beider neuer Leistungspegel des Signals am Ausgang des Messungen mit dem gleichen Leistungspegel betrie- 20 Abschwächers 21 gleich dem Leistungspegel dieses ben wurde. Ausganges bei 0 dividiert durch den Cosinus des Der dritte Signalzweig, der die Elemente 33 Winkels der Phasenverschiebung ist. Hierdurch ist bis 39 enthält, kann auch gleichzeitig mit der gewährleistet, daß das Signal am Detektor 31 in der Modulation der Stark-Effekt-Zelle betrieben wer- Phase um 90° bezüglich des Signals am Ausgang den und nicht anschließend, wie oben beschrieben 25 des Abschwächers 21 verschoben ist. Der mit optiwurde. Bei dieser Betriebsart werden Amplitude malern Leistungspegel arbeitende Detektor 31 spricht und Phase des durch den dritten Signalzweig ge- daher in erster Linie auf Leistungsänderungen an, lieferten Signals so eingestellt, daß die durch die die ihre Ursache in Änderungen des Phasenwinkels Stark-Effekt-Zelle bewirkte Modulation kompensiert der Leistungsabsorption in der Zelle 27 haben.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Verfahren zur HF-Spektralanalyse einer Probe, bei welchem der in einer Absorptionszelle
befindlichen Probe ein HF-Signal zugeführt, die Resonanzbedingung der Absorptionszelle moduliert
und die Veränderung des HF-Signales aui Grund der Absorption der Probe in der Resonanzzelle
gemessen wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Probe während der Modulation der Resonanzbedingung der Absorptionszelle
gleichzeitig ein weiteres HF-Signal zugeführt wird, welches die gleiche Frequenz wie das
erste HF-Signal hat, mit der gleichen Frequenz wie die Resonanzbedingung der Absorptionszelle
moduliert wird und vor der Einspeisung in die Absorptionszelle dem ersten HF-Signal hinzugefügt
wird und daß die Amplitude und Phase dieses weiteren HF-Signales derart eingestellt wer- aa
den, daß das durch die Absorption der Probe in der Resonanzzelle hervorgerufene Meßsignal
kompensiert wird, so daß die zur Kompensation erforderlichen Amplituden- und Phasenverstellungen
ein Maß für den Absorptionskoeffizienten der Probe darstellen.
2. Verfahren zur HF-Spektralanalyse einer Probe, bei welchem der in einer Absorptionszelle
befindlichen Probe ein HF-Signal zugeführt, die Resonanzbedingung der Absorptionszelle moduliert
und die Veränderung des HF-Signales auf Grund der Absorption der Probe in der Resonanzzelle
gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Messung der durch die Absorption
der Probe bedingten Veränderung des HF-Signales die Resonanzbedingung der Absorptionszelle konstant gehalten und der Probe ein weiteres
HF-Signal zugeführt wird, welches die gleiche Frequenz wie das erste HF-Signal hat,
mit der gleichen Frequenz wie zuvor die Resonanzbedingungen der Absorptionszelle moduliert
wird und vor der Einspeisung in die Absorptionszelle dem ersten HF-Signal hinzugefügt wird
und daß die Amplitude und Phase des weiteren modulierten HF-Signales derart eingestellt werden,
daß ein Meßsignal von der Größe des zuvor während der Modulation der Resonanzbedingung
erhaltenen Absorptionssignals erzeugt wird, und die hierzu erforderlichen Amplituden- und Phaseneinstellungen
ein Maß für den Absorptionskoeffizienten der Probe darstellen.
3. HF-Spektrometer zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einem
HF-Sender, mit einer die zu untersuchende Probe enthaltenden Absorptionszelle, die über einen
HF-Kanal an den HF-Sender angeschlossen ist, mit einer mit einem Modulationsoszillator verbindbaren
Einrichtung zur Erzeugung eines zeitlich veränderlichen Feldes in der Absorptionszelle zwecks Modulation der Resonanzabsorp-
tionsbedingung und mit einer auf diese Modula- " tionsfrequenz ansprechenden Meßeinrichtung
zum Empfang der Resonanzabsorptionsstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß der HF-Sender (9)
mit der Absorptionszelle (27) über einen weiteren, einen Modulator (35), einen Abschwächer
(37) und einen Phasenschieber (39) enthaltenden HF-Kanal verbunden ist, der am Eingang der
Absorptionszelle (27) mit dem ersten HF-Kanal (11, 13, 15, 17, 23) zusammengeführt ist, und
daß der.Modulator (35) über eine Steuerleitung an den Modulationsoszillator (48) anschließbar
ist.
4. HF-Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter (53) vorgesehen
ist, der den Modulationsoszillator (48) -entweder mit der Einrichtung (43) zur Erzeugung des zeitlich
veränderlichen Feldes oder mit dem Modulator (35) verbindet.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US342487A US3317827A (en) | 1964-02-04 | 1964-02-04 | Microwave spectrometer having individually adjustable reference and test channels |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
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DE1598523B2 DE1598523B2 (de) | 1973-12-13 |
DE1598523C3 true DE1598523C3 (de) | 1974-07-18 |
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ID=23342037
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE (1) | DE1598523C3 (de) |
FR (1) | FR1428067A (de) |
GB (1) | GB1086283A (de) |
Families Citing this family (2)
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---|---|---|---|---|
US3416077A (en) * | 1965-09-22 | 1968-12-10 | Wiltron Co | Multifunction high frequency testing apparatus in which r.f. signals are converted to intermediate frequencies and processed by common electronic circuits |
US5792404A (en) * | 1995-09-29 | 1998-08-11 | The Procter & Gamble Company | Method for forming a nonwoven web exhibiting surface energy gradients and increased caliper |
-
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- 1964-02-04 US US342487A patent/US3317827A/en not_active Expired - Lifetime
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- 1965-02-04 DE DE1598523A patent/DE1598523C3/de not_active Expired
- 1965-02-04 GB GB4940/65A patent/GB1086283A/en not_active Expired
Also Published As
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---|---|
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GB1086283A (en) | 1967-10-04 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |