DE1622983C - Spektrometer mit Zonenelementen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf Spektrometer mit Zonenelementen, wie sie beispielsweise in der französischen Patentschrift 1 249 247 beschrieben sind. Bekanntlich sind derartige Spektrometer an Stelle der üblichen Ein- und Austrittsspalte jeweils mit einem Zonenelement versehen, welches jeweils eine Folge verschiedener Zonen mit unterschiedlicher Durchlässigkeit für die zu analysierende Strahlung umfaßt, wobei das Bild des Eintrittselements, das durch eine monochromatische Strahlung entsteht, deren Wellenlänge derjenigen des Dispersionssystems (Prisma oder Gitter) in seiner Einstellposition entspricht, eine zonenmäßige Überlagerung des Austrittselements bildet.

Bei zahlreichen bekannten Ausführungsformen spektrometrischer Geräte wird ein sogenanntes Wechsellichtverfahren verwendet, oder die gewünschte Information wird durch Vergleich der Intensitäten der beiden Strahlenbündel gewonnen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Zonenelement-Spektrometer zu schaffen, bei dem eine besondere Vorrichtung zur Zerhackung oder der Bildung zweier Strahlenbündel nicht erforderlich ist. Diese Vorrichtung wird üblicherweise als optischer Kommutator bezeichnet.

Dabei soll das Spektrometer nach der Erfindung auch ohne optischen Kommutator die Empfindlichkeit und den Lichtleitwert eines Gerätes mit Kommutator besitzen und ansonsten in der üblichen Weise funktionieren.

Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Spektrometer gelöst. Ein solches Spektrometer ist vorzugsweise im Bereich der Infrarotstrahlung verwendbar.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel ergänzend beschrieben.

Fig. 1 ist die Ansicht eines Zonenelements in einem Spektrometer nach der Erfindung;

F i g. 2 ist eine schematische Ansicht in größerem Maßstab;

Fig. 3 zeigt das Schema eines Spektrometer nach der Erfindung;

F i g. 4 ist ein Diagramm;

F i g. 5 ist ein Diagramm;

F i g. 6 ist ein Diagramm gemäß F i g. 5, jedoch für ein Spektrometer mit Spalten;

F i g. 7 ist eine Ansicht in vergrößertem Maßstab eines Zonenelements einer anderen Ausführungsform;

F i g. 8 ist ein Diagramm;

F i g. 9 ist ein Diagramm;

Fig. 10 zeigt das Schema eines Spektralphotometers.

Die Beschreibung bezieht sich vorerst auf Fig. 1, in der ein Eintritts- oder Austrittselement eines spektrometischen Gerätes dargestellt ist, und auf F i g. 2, die eine schematischere Ansicht in vergrößertem Maßstab zeigt. Ein Eintritts- oder Austrittselement ist durch einen Kreisumfang 10 begrenzt und umfaßt ein Zentrum 11 und eine kreisförmige Oberfläche, die in ringförmige Zonen 12 durch Umfangskreise 13„_,, 13„_₂ usw. mit abnehmendem Radius unterteilt ist, bis zum Umfangkreis IS₁ mit dem kleinsten Radius.

Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Ringe 12 gleich groß, und der Radius des Kreises 13_X entspricht der Größe 1 der Ringe. Im übrigen weist ein Ring zu beiden Seiten einer durch das Zentrum 11 verlaufenden Geraden 14-14 zwei unterschiedliche Durchlässigkeiten der spektral zu analysierenden Strahlung auf. So ist z. B. die über der Geraden 14-14 befindliche obere Hälfte des äußeren Ringes für die Strahlung undurchlässig, während die untere Hälfte des Ringes durchlässig ist. Bei dem angrenzenden Ring ist die obere Hälfte 12_n__t für die Strahlung durchlässig, während die untere Hälfte 12^₁ undurchlässig ist; desgleichen ist die obere Hälfte 12„_₂ des Ringes (n — 2) undurchlässig, während die untere Hälfte des angrenzenden Ringes 12,1 _₂ durchlässig ist, usw. Der obere Teil 12_X des durch den Umfang 13, begrenzten Kreises ist durchlässig, und der untere Teil 12,' ist undurchlässig.

Die undurchlässigen Zonen sind vorzugsweise reflektierend ausgebildet.

F i g. 3 zeigt die schematische Ansicht eines Spektrometers nach der Erfindung. Hierbei ist vorgesehen, daß das Ausgangsstrahlenbündel 20 von den reflektierenden Ringen des Austrittselements 21 gebildet wird, welches fest angebracht ist. Es reflektiert das

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Strahlenbündel 22, das von einem Monochromator bündeis auf dieser Wellenlänge übertragen wird. 23, 25 kommt. Das Eintrittselement 28 ist um eine Diese Strahlungsenergie ist auf dem Diagramm Achse Z, die senkrecht zu seiner Ebene durch das durch die horizontale Linie II in Fig. 9 dargestellt. Zentrum 11 verläuft, drehbar angeordnet. Das zu Es sei nun der in der Praxis häufigere Fall beanalysierende Strahlenbündel 29 wird durch einen 5 trachtet, wo das Eintrittsstrahlenbündel 29 Strahlest angebrachten Spiegel 30 sowie durch einen klei- lungsenergie auf einer unterschiedlichen Wellenlänge nen konkaven Spiegel 31 auf die Stirnfläche des Ein- überträgt. Man stelle sich für einen Augenblick vor, trittsgitters geworfen und durchquert auf diese Weise das Dispersionssystem 25 befinde sich in der Einstelldie durchlässigen Ringe des Eintrittsgitters. position für eine Wellenlänge A₀ der Eintrittsstrah-

Das Eintrittselement 28 kann mittels einer photo- ίο lung. Während der Drehung des Eintrittselements 28

graphischen Technik, ausgehend von einer Zeich- wird der mittels des Austrittsstrahlenbündels 20 auf

nung in großem Maßstab, gewonnen werden. Das der Einstellwellenlänge I₀ beförderte Strahlungsfluß

Austrittselement 21 erhält man durch Photographic- gemäß dem unter I auf dem Diagramm von F i g. 9

ren des Eintrittselements 28 durch das Spektrometer. gezeigten Schema moduliert. Im Gegensatz dazu wer-

Das feststehende Austrittselement 21 ist so ange- 15 den die auf jeder beliebigen anderen Wellenlänge ordnet, daß sein Durchmesser 14-14, der die Halb- mittels des Strahlenbündels 20 beförderten Energiekreise mit unterschiedlicher Durchlässigkeit trennt, ströme nicht moduliert, wobei jeder durch eine parallel zur Dispersionsrichtung verläuft. Horizontale dargestellt werden kann, deren Ordinate

Wenn bei Drehung des Eintrittselements 28 dieses je nach der Größe der auf der betrachteten Wellen-

sich in einer solchen Position befindet, daß das Bild 20 länge durch das Eintrittsstrahlenbündel 29 beförder-

der Hälfte 32 des Kreises 10, wie es in F i g. 1 über ten Energie mehr oder weniger hoch erscheint,

der Geraden 14-14 gezeigt ist, genau die obere Hälfte Eine strahlungsempfindliche Vorrichtung 33, welche

des Gitters 21 überlagert — und dann das Bild der in dem Weg des Austrittsstrahlenbündels 20 angeord-

Hälfte 32' des Eintrittsgitters genau die untere Hälfte net ist, gibt nun an ihrem Ausgang 34 ein Signal ab,

des Gitters 21 überlagert —, so wird die gesamte 25 wie es auf dem Diagramm III von F i g. 9 dargestellt

Strahlung bei der eingestellten Wellenlänge, welche ist und aus der Addition des Diagramms I mit dem

das Eintrittselement 28 durchquert, durch das Aus- Diagramm II resultiert.

trittsgitter 21 durchgelassen. Wenn die Position des Der Ausgang 34 der Vorrichtung 33, welche eine

Eintrittselements 28 jedoch um eine halbe Drehung Photozelle oder eine Golayzelle usw. sein kann, wird

von der vorgenannten abweicht, so wird durch das 30 mit einem Wechselstromverstärker 40 verbunden, der

Austrittselement 21 überhaupt nichts von der ge- auf eine Frequenz abgestimmt ist, die derjenigen der

nannten Strahlung durchgelassen, da die Bilder für Drehbewegung des Eintrittsgitters 28 entspricht, wo-

die genannte Wellenlänge aller durchlässigen Halb- bei letztere eine Funktion der Meßvorrichtung 33 ist.

kreise des Eintrittselements in diesem Falle alle nicht Der Verstärker 40 bleibt unempfindlich gegenüber

durchlässigen Halbkreise des Austrittselements 21 35 Eingangssignalen, die praktisch konstant sind, wie es

überlagern. in dem Diagramm II gezeigt ist. Er verstärkt vorzugs-

Die Veränderung der durch das Austrittsstrahlen- weise das Eingangssignal gemäß dem Diagramm I,

bündel 20 auf der eingestellten Wellenlänge beför- dessen Frequenz genau der Abstimmungsfrequenz

derten Energie ist in dem Diagramm I von F i g. 9 entspricht. Das an dem Ausgang 41 des Verstärkers

schematisch dargestellt, in dem die Positionswinkel 40 erscheinende Signal entspricht somit der auf der Ein-

des Eintrittselements 28 von einer beliebigen Aus- Stellwellenlänge beförderten Strahlungsmenge, wobei

gangsposition aus in Abszissen eingetragen sind, und die auf den anderen Wellenlängen beförderten Ener-

die Werte der auf einer bestimmten Wellenlänge gien keinen Einfluß auf das Signal am Austritt des

durch das Strahlenbündel 20 beförderten Energie in Verstärkers ausüben.

Ordinaten, wobei der mittels des Eintrittsstrahlen- 45 Wenn das Dispersionssystem langsam zum Ein-

bündels 29 auf dieser Wellenlänge beförderte Ener- stellen der Wellenlänge gedreht wird, wird am Aus-

giefiuß als zeitlich konstant betrachtet wird. Falls tritt des spektrometrischen Gerätes, z.B. mittels eines

sich das Element 28 mit gleichförmiger Geschwindig- Schreibstiftes, ein Diagramm gezeichnet, das den auf

keit dreht, können die in Abszissen eingetragenen den verschiedenen Wellenlängen übertragenen Ener-

Werte ebenfalls als Maß für die Zeit angesehen 50 gien entspricht,

werden. Das Gerät funktioniert in ähnlicher Weise wie in

Handelt es sich beim Strahlenbündel 29 um eine dem oben beschriebenen Fall bei einer anderen Ausmonochromatische Strahlung, jedoch mit einer von führungsform der Erfindung, in welcher das Ausder vorherigen leicht abweichenden Wellenlänge, wo- trittselement drehbar ist, während das Eintrittsbei die Differenz zwischen den Wellenlängen größer 55 element fest angebracht ist. In diesem Fall wird das ist als das Auflösungsvermögen des Gerätes, so ist Austrittselement vorzugsweise in seiner durchlässigen die mittels des Strahlenbündels 29 beförderte Energie Form verwendet.

die gleiche wie im vorhergehenden Fall. Das Disper- F i g. 4 ist eine Reproduktion in verkleinertem

sionssystem, das nicht verändert wurde, befindet sich Maßstab eines Diagramms, das mittels eines mit

also für diese neue Wellenlänge nicht mehr in seiner 60 einem Eintritts- und einem Austrittselement gemäß

Einstellposition; das Spektrometer erzeugt daher ein Fig. 1 versehenen Spektrometers erzeugt wurde. Es

Bild des Eintrittselements 28, dessen Konturen nicht ist die Aufzeichnung der 5641-A-Linie einer Queck-

mit den Konturen des Austrittselements 21 zusam- silberdampflampe.

menfallen; es ist eine Verschiebung parallel zu der Fig. 5 zeigt eine Aufzeichnung der Absorptions-Richtung des Durchmessers 14-14 eingetreten. 65 bande des Wasserdampfes zwischen 1,8 und 2μ in

Unter diesen Bedingungen erfolgt während der einem Gerät, das mit dem gleichen Eintritts- und

Drehung der Scheibe 28 keine spürbare Veränderung Austrittselement versehen ist.

der Energiemenge, die mittels des Austrittsstrahlen- Vergleichsweise zeigt F i g. 6 die Aufzeichnung der

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gleichen Absorptionsbande bei Gebrauch des glei- terials des Eintrittselements 107. Auf der Seite 106 chen Gerätes, das jedoch mit herkömmlichen Spalten sind die Zonen abwechselnd durchlässig und unversehen ist, wobei die Größe der Spalte der Größe durchlässig, und auf der Seite 109 sind die Zonen der im oben beschriebenen Fall benutzten Ringe ent- ebenfalls abwechselnd durchlässig und undurchlässigspricht. 5 reflektierend. Auf diese Seite wird das Strahlenbündel

Die Größe der Ringe eines Gitters steht in einem 104 nach der Reflexion durch den Spiegel 110 geumgekehrten Verhältnis zu dem Auflösungsvermögen worfen.

des Spektrometers: je größer dieses gewünscht wird, Aus dem Strahlenbündel 103 erzeugt die Eintritts-

desto kleiner sind die Ringe zu wählen. vorrichtung 107 nach dem Durchqueren ein Strahlen-

Bei einer anderen Ausführungsform des Spektro- io bündel 111 und aus dem Strahlenbündel 104 ein

meters nach der Erfindung dient das Eintrittselement Strahlenbündel 112. Diese beiden Strahlenbündel

nicht, wie in F i g. 3 gezeigt, zum Durchlassen, son- sind räumlich benachbart. Sie werden durch einen

dem zum Reflektieren von Strahlung. Der Spiegel 30 Spiegel 128 auf das Dispersionssystem 129 reflektiert,

ist in diesem Fall weggelassen, und nur der kleine und die entsprechenden dispergierten Strahlenbündel

konkave Spiegel 35 leitet das Eintrittsstrahlenbündel 15 114 und 115 werden durch erneute Reflexion durch

29 zum Eintrittselement 28. Für diese Ausführungs- den Spiegel 128 auf das Austrittselement 116 ge-

form ist die Bahn des Strahlenbündels bis zum Ein- worfen. Dies besteht aus einer Scheibe, die um eine

trittselement gepunktet dargestellt. Achse 117 drehbar angeordnet ist, welche senkrecht

Bei der Ausführungsform des Ein- und Austritts- zu deren Ebene durch das Zentrum 118 geht. Die

elements gemäß F i g. 7 verändern sich die Durch- 20 Scheibe 116 umfaßt zwei Gruppen von Zonen mit

messer, die die Zonen mit unterschiedlicher Durch- unterschiedlicher Durchlässigkeit, die durch halb-

lässigkeit begrenzen, gemäß der Quadratwurzel aus kreisförmige Bögen begrenzt sind, welche von den

der Anzahl der gesamten aufeinanderfolgenden Bildern des Eintrittselements 107 überlagert werden.

Durchmesser: sie sind also 1, Y2, ΥΊ> usw. propor- Die Zonen des Austrittselements sind abwechselnd

tional. 25 durchlässig und undurchlässig.

F i g. 8 zeigt eine Aufzeichnung der grünen Linie Das das Austrittselement durchquerende Strahlen-

von 5641 A einer Quecksilberdampflampe mittels bündel 120 wird durch einen Spiegel 121 auf eine

eines Spektrometers, das mit einem Eintritts- und Fotozelle 122 reflektiert, auf die ein Wechselspan-

einem Austritselement nach F i g. 7 versehen ist. nungsverstärker 123 folgt, der auf die Frequenz der

In diesen verschiedenen Ausführungsformen ist das 30 periodischen Rotation des Eintrittselements 107 oder Spektrometer für die innere Streustrahlung unemp- auf ein Vielfaches dieser Frequenz abgestimmt ist.
findlich, die die Messungen verfälscht, wie es bei Wenn die Ein- und Austrittsvorrichtung dem in einem Spektrometer mit zwei Strahlenbündeln, ins- F i g. 7 gezeigten Typ entsprechen, ist der die Einbesondere bei Messungen im Infrarot der Fall ist. trittsvorrichtung 107 in Halbkreise unterteilende

Das kreisförmige Element kann an Stelle der oben 35 Durchmesser in der Weise angeordnet, daß sein durch

beschriebenen Teilung in zwei Halbkreise in vier das Spektrometer auf die Austrittsvorrichtung 116

oder sechs usw. Abschnitte von gleicher Winkelgröße geworfenes Bild zur Dispersionsvorrichtung par-

unterteilt sein, so daß die Abschnitte zu beiden allel ist.

Seiten der Unterteilungslinie jedes beliebigen Ringes Der zu untersuchende Stoff 124 befindet sich in

eine unterschiedliche Durchlässigkeit für die Strah- 40 einem der von der Quelle 100 erzeugten Strahlen-

lung aufweisen. Dadurch kann die Frequenz des bündel, ζ. B. in dem Strahlenbündel 103, das somit

Signals ohne Erhöhung der Drehgeschwindigkeit des als Meßstrahlenbündel anzusehen ist, während das

Elements erhöht werden. Strahlenbündel 104 als Bezugsstrahlenbündel gilt, in

Fig. 10 zeigt ein Gerät, das als Zweistrahlspektral- dem in bekannter Weise eine Dämpfungsvorrichtung

photometer verwendet werden kann. Ausgehend von 45 126 angebracht wird.

der durch die Quelle 100 ausgesandten Strahlungs- Wenn die Probe 124 in das Meßstrahlenbündel 103 energie erzeugen zwei ebene Spiegel 101 und 102 gebracht ist, wird die Dämpfungsvorrichtung 126 verzwei Strahlenbündel 103 und 104, die unter sich schoben, so daß am Austritt des Wechselspannungsgleiche Energien übertragen. Das Strahlenbündel 103 Verstärkers 123 das Null-Signal wiederhergestellt ist", wird von einem Spiegel 105 auf die Stirnfläche 106 50 wobei das Maß der Verschiebung der Absorption der eines Eintrittselements 107 reflektiert, welche zwei Probe proportional ist.

Gruppen unterschiedlicher Zonen aufweist, die durch Wie durch die Linie 127 schematisch dargestellt um das Zentrum 108 angeordnete Kreisbögen be- ist, kann zwischen dem Wechselspannungsverstärker grenzt sind und die den oben erwähnten Bedingungen 123 und der Dämpfungsvorrichtung 126 eine Regeunterliegen. Die Zeichnung der kreisförmigen Zonen 55 lung bestehen, und zwar in der Weise, daß die Dämpauf der Seite 106 ist mit der der Zonen auf der Seite fungsvorrichtung 126 derart verstellt wird, daß das 109 identisch. Tatsächlich genügt die Aufzeichnung Ausgangssignal des Verstärkers 123 auf dem Wert einer einzigen Seite infolge der Transparenz des Ma- Null gehalten wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Spektrometer mit einem Eingangs- und einem Ausgangszonenelement mit je zwei Gruppen unterschiedlich durchlässiger Zonen, wobei das Ausgangselement von Zone zu Zone dem Bild des Eingangselements bei einer Einstellwellenlänge überlagert ist, welche einer bestimmten Stellung des Dispersionssystems entspricht, gekennzeichnet durch ein Eingangselement (28) und ein Ausgangselement (21), dessen Zonen (12) konzentrische Kreisringe bilden, welche durch einen oder mehrere Durchmesser des Kreises in Segmente unterschiedlicher Strahlungsdurchlässigkeit geteilt sind, wobei eines der Elemente.(28) um die Achse des Kreises drehbar ist und das andere Element (21) feststeht.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eintrittselement (28) ao Zonen aufweist, die abwechselnd transparent oder reflektierend ausgebildet sind (F i g. 3).

3. Spektrometer nach Anspruch 1, welches als Zweistrahl-Spektralphotometer zur Messung der Absorption einer Probe ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiedervereinigung von Probe- (103) und Vergleichsstrahlenbündel (104) durch ein rotierendes Zonenelement (107) erfolgt, das abwechselnd transparente und reflektierende Zonen aufweist (F i g. 10).

4. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringe der Zonenelemente gleiche Breite aufweisen (F i g. 1).

5. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aufeinanderfolgenden Radien der Zonenelemente entsprechend den Quadratwurzeln aufeinanderfolgender ganzer Zahlen zunehmen (Fig. 7).

6. Spektrometer nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreise in eine geradzahlige Anzahl von gleich großen Sektoren mit abwechselnder Strahlungsdurchlässigkeit unterteilt sind.