DE1900883A1 - Spektroskopisches Geraet - Google Patents

Description

• Spektroskopisches Gerät Die Erfindung betrifft ein spektroskopisches Gerät, bei welchem die Streuung oder die Absorption und Reemission von Eingangsstrahlung benutzt wird und welches eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Bündels im wesentlichen kohärenter Strahlung, einen Bereich zum Einführen einer Probe und ein Ausgangsbestimmungssystem aufweist.
• Die Erfindung betrifft sorbit ein spektroskopisches Gerät, welches Cie Streuung, oder die Absorption und Reemission von Eingangsstrahlung durch eine Probe ausnutzt, und bezieht sich genauer gesagt auf ein solches Gerät, welches für industrielle oder sonstige Anwendungen verwendbar ist, die einen häufigen Austausch der Proben oder das Einsetzen großer Proben erforderlich machen.
• Jüngste Entwicklungen haben ein wachsendes Interesse an Geräten zur Streulicht- oder Reemissions-Spektroskopie als analytisches Werkzeug hervorgerufen zusätzlich zu üblichen spektroskopischen Geräten. Es ist anzunehmen, daß spektroskopische Systeme, die auf solchen Erscheinungen, wie Raman-Streuung oder Fluoreszenz-Emission beruhen, in ebenso großem Umfange Anwendung finden werden wie übliche Gpektrometer heute angewandt werden.
• Die gegenwärtig für solche Spektroskopie benutzten Systeme sind für viele Anwendungen ausreichend, wo die Geräte unter Laborbedingungen Anwendung finden, oder wo Die Anwendung zwar industriell ist aber in den Finden eines erfahrenen Bedienungsmannes liegt.
• Wenn die Anwendungen weiter verbreitet werden, müssen die Geräte so ausgebildet sein, daß sie auch von weniger erfahrenem Personal unter dem Druck eines Fabrikationsprozesses schnell benutzt werden kann.
• In dieser hinsicht ist ein wesentlicher Mangel der gegenwärtigen Gerste der stark begrenzte verfügbare Raum innerhalb der erforderlichen Bystemelemente zum Linführen einer Probenzelle. De Praxis der Fokussierung der Eingangsstrahlung verstärkt diesen Mangel, und die Verwendung des Fokussierungswinkelbereiches, welcher eine maximale Ausgangsintensität liefert (siehe die gleichzeitig eingereichte Patentanmeldung "Gerät zum Spektroskopieren" der gleichen Anmelderin), verminder-t auch den für die Einführung der Probe verfügbaren Raum. Dieses Problem ist von besonderer Bedeutung im Fall kürzlich entwickelter Systeme, welche einen laser als Lichtauelle verwenden, und zwar wegen des sehr kleinen Durchmessers des Laserstrahls.
• Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, den für die Probe in der beschriebenen Art von spektroskopischem Gerät verfügbaren Raum zu erweitern, so daß die Einführung und der Austausch der Küvette bequem und schnell auch von ungelerntem Personal durchgeführt werden kann.
• Eine weitere Schwierigkeit, die bei kleinen Systemen auftritt, besteht darin, daß, wenn die Auffangoptik des Systems groß genug gemacht wird, um ein Maximum an gestreuter oder emittierter Strahlung aufzufangen, sie dann auch Störstrahlung auffängt, die von anderen Gliedern des optischen System, gestreut wird, welche in der Nähe der Probe gehaltert sind, wenn nicht geeignete Ilttel, beispielsweise Blenden, benutzt werden. Es ist demgeämß wünschenswert, den Abstand zwischen diesen Gliedern und dem genutzten Probenbereich zu erhöhen, so daß Strahlung vGn anderen Objekten als der Probe bequem ausgeschaltet werden kann.
• Es ist zu. beachten, dag es nicht; einfach möglich ist, die ele Neit-er auseinander anzuordnen, um dieses Ziel zu erreichen. Wesentlich verbesserte Ausgangsintensitäten werden nur erreicht, wenn die Eingan sintensität hoch ist, beispielsweise indem das Bündel auf den @utzbereich der Probe entweder durch den Spiegel hinter der Probe oder durch eine Linsen-Spiegel-Kombination fokussiert wird. Das gilt jedoch nur, wenn @er Fokussierungswin@el innerhalb eines bevorzugten Bereiches liegt. Bei Wa@l einer neuen Linse oder eines neuen Spiegels, deren Lage weiter von dem Nutzbereich der Probe entiernt liegt, wir@ @ie Emissionsintensität vermindert, weil der Fokussierungswinkel nicht mehr innerhalb des bevorzugten @ereiches liegt. comit sind ewisse zusätzliche @ittel erforder-@ich, um den für die @inführung einer Küvette verfügbaren Raum zu @ergrö@ern.
• Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein spektroskopisches Gerät für Streulicht oder Reemission zu schaffen, welches einen erweiterten Raum für die Einführung der Küvette aufweist, Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein spektroskopisches Gerät für Streulicht oder Reemission zu schaffen, bei welchem das Auffangen von Störstrahlung vermindert werden kann.
• Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, ein spektroskopisches Gerät für Streulicht oder Reemission zu schaffen, bei welchem der freie Raum um den Brennbereich eines fokussierten Eingangsbündels erweitert wird, ao daß ein schneller und bequemer Gebrauch des Systems ermöglicht wird.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein spektroskopisches Gerät für Streulicht oder Reemission zu schaffen, bei welchem der Probenbereich groß ist und im ßbstana von den umgebenden Gliedern des Systems liegt.
• Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß zur Erweiterung des Probenbereiches Mittel zur Vergrößerung des Durchmessers des Bündels und zur Fokussierung des vergrößerten Bündels in dem Probenbereich vorgesehen sind.
• Kurz gesagt, wird nach einer Ausführungsform der Erfindung ein spektroskopisches Gerät vorgesehen, welches die Streuung oder Absorption oder Reemission von Eingangsetrahlung benutzt, und welches eine Quelle von im wesentlichen kohärenter Strahlung, Probenhalterungemittel im Strahlengang eines Strahlenbündels von der Lichtquelle und Auswertemittel zum Auffangen und Analysieren der von der Probe gestreuten oder emittierten Ausgangsetrahlung aufweist.
• Nach der Erfindung wird der für die Halterung der Probe verfügbare Raum dadurch vergrößert, daß erst der Bündeldurchmesser erweitert wird, beispielsweise mittels einer negativen Linse, und dann das erweiterte Bündel auf den Probenbereich fokussiert wird.
• Dadurch wird eine wesentliche Vergrößerung der Abstände erreicht, ohne daß der Fokussierungswinkel geändert wird. Insbesondere ist die Brennweite der Yokussierungsmittel größer als diejenige, die bei dem gleichen Pokussierungswinkel ohne vorheriges Erweitern des Bündels erforderlich wäre.
• Die Erfindung ist nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert: Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Gerätes, welches nach der Erfindung aufgebaut ist.
• figur 2 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
• Bei dem in Figur 1 dargestellten Gerät, beispielsweise einem Spektrometer, welches zur Messung der Raman-Streuung einer Probe geeignet ist, ist eine Quelle von monochromatischem licht, beispielsweise ein Laser 10 vorgesehen, welcher eine Energieversorgung 11, eine Gaskammer 12, Elektroden 13, zwischen denen eine Entladung erzeugt wird, und ein Paar von Spiegeln 14 aufweist, welche einen Resonanzhohlraum bilden, innerhalb dessen kohärentes monochromatisches licht erzeugt wird. Das Ausgangsbündel 15 des Lasers oder einer anderen, im wesentlichen kohärenten Lichtquelle wird über ein Linsensystem nach der vorliegenden Erfindung auf eine Probe gegeben, die in einer Küvette 16 angeordnet ist.
• Die Küvette kann von irgendeiner geeigneten Kammer gebildet werden, die eine geringe Menge des untersuchten Materials enthält. Im allgemeinen sind solche Küvetten wiederverwendbare 3ehälter, die (nicht dargestellte) Einlaß- und AuslaßrohranschltBsS aufweisen. Die Küvette ist mit durchlässigen Fenstern 17 versehen, um den Durchgang der Primärstrahlung und der emittierten oder gestreuten Strahlung zu gestatten.
• Bei einer typischen Anordnung ist das Gerät ausgelegt zur Messung einer Vielzahl von Proben, und es ist eine Folge von Küvetten 16 einzuführen. Die Küvettenhalterung enthält somit gewfihnlich eine Führung zum Einschieben der Küvette oder andere Mittel zum leichten Austauschen. Da die Erfindung mit jeder Art von Kiivettenhalterung verwendet werden kann, enthält die Zeichnung nur eine Darstellung eines darunter angeordneten Tragblocks 18. Es versteht sich, daß irgendwelche anderen Halterungsmittel benutzt werden können0 Bei einem transparenten Material wird das Bündel von dem Spiegel 19 reflektiert und durchläuft erneut seinen eignen Strahlengang, so daß es mehr als einmal durch die Probe hindurchtritt. Bei absorbierenden Materialien kann der Spiegel 19 entfallen. Das von der Probe gestreute oder reemittierte Licht wird von einem Linsensystem 20 aufgefangen und irgendeinem gebräuchlichen Meßsystem zugeführt. Das in Figur 1 beispielsweise dargestellte System enthält einen Monochromator 21 zur Abtastung des Ausgangsspektrums, eine Fotozelle 22 zur Umsetzung des Äusgangslichtstromes in ein elektrisches Signal, einen Integrator 23 und ein Elektrometer 24 zur Erzeugung einer geeigneten Anzeige oder Aufzeichnung des Ausgangsspektrums. Im Fall der Raman-Spektroskopie erzeugt die Probe charakteristische Änderungen der Frequenz der Eingangsstrahlung, und das Ausgangsspektrum ist somit eine Folge von Linien, die in ihrer Frequenz von der Frequenz der Eingangsstrahlung um diese charakteristischen Beträge abweichen.
• Nach der Erfindung gestattet das Linsensystem 25, welches zwischen dem Lichtquellenstrahl und die Probe eingesetzt ist, die Konstruktion eines Systems, welches so bequem und schnell zu benutzen ist, wie es bei industriellen Anwendungen erforderlich ist, während gleichzeitig der gewünschte Grad der BündelfQkussierung ermöglicht wird. Speziell enthält das Linsensystem Mittel, wie eine negative Linse 26, zum Auseinanderfächern des Bündels zu einem größeren Durchmesser und Fokussierungsmittel, wie eine positive Linse 27, durch-welche das Bündel auf einen kleinen Probenbereich gerichtet wird. Es können andere optische Anordnungen benutzt werden, um den gleichen Effekt wie die negative Linse zu erreichen. Der Vorteil dieses Systems gegenüber dem Stand der Technik liegt in der Erweiterung des zum Einführen der Probenküvette verftigbaren Volumens. Bei vorbekannten Geräten sind die Fokussierungslinse und der Spiegel, die dicht beieinanderliegen, sehr störend. Daher ist die Küvettengröße begrenzt, und die Küvette muß mit großer Sorgfalt eingesetzt werden, um ein Verkratzen irgendeines der optischen Teile, eine Verschiebung derselben aus kritischen Stellungen, usw., zu verhindern0 Diese Schwierigkeit wird noch verstärkt durch die Tatsache, daß es sich als wtlnschenswert herausgestellt hat, ein sehr kleines Lichtquellenbündel bei dieser Art von Spektroskopie vorzusehen, um die Menge des erforderlichen Probeiimaterials zu vermindern und den Bereich der Ausgangsemission zu konzentrieren. Weiterhin beruhen neuerdings entwickelte Geräte von wesentlich höherer Qualität auf Lasern, welche ein sehr enges Bündel erzeugen. Wie schließlich in der gleichzeitig eingereichten Anmeldung "Gerät zum Spektroskopieren" im einzelnen dargelegt ist, ist es möglich, einen wesentlichen Vorteil hinsichtlich der Ausgangsintensität zu erzielen, indem das Laserbündel, weiches auf die Probe gegeben wird, fokussiert wird. Die Grenzen des dabei zu beachtenden Bereiches von Fokussierungswinkel sind in der erwähnten Anmeldung angegeben, auf welche hierdurch Bezug genommen wird. Der nach Maßgabe dieser Grenzen benutzte Winkel ist jedoch gewöhnlich in der Grßenordnung von einigen Graden. Demgemäß war es bisher erforderlich, daß die Linse 27 eine Brennweite in der Größenordnung von 3 cm besitzt.
• Somit ist in allen diesen Beispielen, aber insbesondere in denjenigen, die in der Lage sind, bessere Ergebnisse'au liefern, für die Einführung der Küvette ein sehr kleiner Bereich verfügbar.
• Nach der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise der verfügbare Raum um einen Faktor 10 oder mehr erweitert werden, so daß es möglich ist, größere Zellen oder Zellen mit Mitteln zum Beheizen, Kühlen, usw., einzusetzen. Somit wird die Bequemlichkeit und die Geschwindigkeit der Benutzung dieses Gerätes erhöht.
• Es ist zu beachten, daß zwar'die Vorteile der Erfindung bisher im wesentlichen beschrieben und dargestellt sind an einem System, welches einen Laser benutzt, und auch mit einer Bündelfokussierung nach Art der erwähnten, gleichzeitig eingereichten Anmeldung arbeitet. Die Erfindung ist aber auch geeignet zur Verwendung in anderen Streulicht- oder Reemissions-Spektrometern, die eine andere Art von kohärenter Lichtquelle oder einen anderen Grad von Fokussierung besitzen.
• Figur 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Linsensystem 25 und der Küvettenbereichinnerhalb des Resonanzhohlraumes der kohärenten Lichtquelle liegen. Die Glieder dieses Systems, wie sie dargestellt sind, stimmen mit denjenigen von Figur 1 überein, außer daß der Laserspiegel auf der Seite der Probe weggelassen ist, und der Spiegel 19 als das zur Bildung-eines Resonanzhohlraumes erforderliche reflektierende Glied dient. Dieses System kann nur mit durchlässigen Proben benutzt werden. Obwohl sich durch Einsetzen der Linse und der Küvette einige Abschwächung der inneren Leistung ergibt, gestattet dieses System doch eine wesentliche Erhöhung der gesamten erhaltenen Ausgangsintensität infolge der wesentlichen Erhöhung der der Probe zugeführten leistung. bie Abschwächung des Bündels kann gering gehalten werden, indem auf den Oberflächen der linsen und Fenster, die in dem Hohlraum angeordnet sind, reflexmindernde Schichten vorgesehen werden, und indem diese Glieder soweit wie möglich für die Resonanzwellenlänge zu 100% durchlässig gemacht werden.
• bei Figur 2 enthält die Küvette nun auch den Spiegel 19 und die Linse 27 ansteile der Fenster 17. Dies vermindert die Anzahl der Glieder, die einen Verlust innerhalb des Laserhohlraumes hervorrufen. In diesem Falle wird Störstrahlung von der Linse und dem Spiegel mittels Blenden 28 vermindert, die innerhalb der Küvette gehaltert sind. Vorbekannte Systeme wären nicht groß genug, um die.
• bequeme Anwendung solcher Glieder zu gestatten. Auch die Notwendigeit, solche Blenden mit absoluter Genauigkeit anzuordnen, ist hier wesentlich geringer als in vorbekannten Systemen.
• Die erfindung hat es ermöglicht, einen Küvettenbereich, der bisher auf nur 6 cm zwischen dem Spiegel 19 und der Linse 27 beschränkt war, auf 30 cm zu erweitern. Das wurde erreicht, indem eine Der streuungslinse 26 vorgesehen wurde, welche ein 3-mm-Bü.ndel auf 15 m erweiterte, und zwar über eine Entfernung von 1 m, und indem dann eine Sammellinse 27 vorgesehen war, die eine Brennweite von 13,4 cm besaß. Bei diesem System wurde der i'okussierungswinkel des Bündels an der Probe ungeEindert gelassen.
• In der vorstehenden Beschreibung wurden die gewöhnlich von den Pachleuten benutzten Ausdrücke verwandt, um die Länge und den Ausgang von lasern zu beschreiben, d.h. der Laser wird beschrieben als eine ganze Zahl von Halbwellenlängen lang undFeinem im wesentlichen monochromatischen Ausgang. Praktisch schwingen laser tatsächlich bei einer Mehrzahl von Frequenzen, die um 1/10 bis 1/100 einer Wellenzahl voneinander getrennt sind, und die Länge ist nicht notwendigerweise genau gleich einer ganzen Zahl von Halbwellenlängen irgendeiner dieser Frequenzen. In den meisten Fällen sind jedoch diese Faktoren nicht bedeutsam, und daher sind die verwendeten Formulierungen mehr nach dem Gesichtspunkt der Einfachheit als nach dem der Genauigkeit gewählt. So wie sie hier verwendet sind, sollen diese Formulierungen die übliche Bedeutung haben. Natürlich ist die genaue Bedeutung dieser Formulierungen darin als Spezialfall enthalten.
• Obwohl spezielle Ausführungsformen der Erfindungen dargestellt und beschrieben sind, ist es für den Fachmann- offensichtlich, daß viele Änderungen und Abwandlungen daran vorgenommen werden können, ohne daß von der Erfindung und dem allgemeinen Erfindungagedanken abgewichen würde. Beispielsweise können die negative und positiven Linsen, die in den Figuren dargestellt sind, durch andere geeignete Mittel zum Zerstreuen und Sammeln des Bündels gemäß dem angegebenen Grundgedanken ersetzt werden. In ähnlicher Weise können andere Glieder des Systems so justiert werden, daß sie andere Arten von Spektroskopie gestatten, die auf Streuung oder Absorption und Reemission beruhen. Beispielsweise kann das System für Messungen ausgelegt werden, die auf Rayleigh- oder Brillouin-Streuung oder Fluoreszenzemission usw. beruhen. Die Ansprüche sollen daher alle solche Abwandlungen und Anderungen, die unter den Grundgedanken der vorliegenden Erfindung fallen, miterfassen.

Claims (7)

Patentansprüche

1. Spektroskopisches Gerät, bei welchem die Streuung oder die Absorption und Remission von Eingangsstrahlung benutzt wird und welches eine Lichtquelle zur Erzeugung eines Bündels im wesentlichen kohärenter Strahlung, einen Bereich zum Einführen einer Probe und ein Ausgangsbestimmungssystem aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erweiterung des Probenbereiches IIIittel (26) zur VergröBerung des Durchmessers des Bündels (15) und Mittel (27) zur Pokussierung des vergrößerten Bündels auf den Probenbereich vorgesehen sind.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerungsmittel eine Linse (26) negativer Brennweite und die Fo'zussierungsmittel eine Linse (27) positiver Brennweite aufweisen.

3. Gerbt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der den Fokussierungsmitteln (27) abgewandten Seite der Probe (16) kittel (19) zur Reflexion des Bündels zurück in sich selbst vorgesehen sind.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsmittel einen gekrümmten Spiegel (19) aufweisen, dessen Krümmungsradius im wesentlichen gleich seinem Abstand vom Brennpunkt der Fokussierungsmittel (27) ist.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungaquelle (10) einen Resonanzhohlraum aufweist und daß die Vergrößerungsmittel (26), die Fokussierungsmittel (27) und der Probenbereich innerhalb dieses Resonanzhohlraumes angeordnet sind.

6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Bokussierungsmitteln (27) und dem Probenbereich Blenden* angeordnet sind, welche die Strahlung auf *(28) einen Strahlengang innerhalb der Brennpunkteinhüllenden der Fokussierungsmittel (27) beschränken.

7. Gerat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussierungsmittel (27) in einem hinreichenden Abstand von den Bündelvergrößerungsmitteln (26) angeordnet sind, derart, daß die Bündelabmessungen an den Fokussierungsmitteln (27) wenigstens zweimal größer sind als an den Bündelvergrößerungamitteln (26).

L e e r s e i t e