DE1942429C - Spektroskopische Meßeinrichtung zur Auflosung der Feinstruktur von jeweils zwei Spektralhnien - Google Patents

Description

ι 2

Die Erfindung bezieht sich auf eine spektroskopie signale der in Flg. 1 dargbsteljlton Einrichtung Meßeinrichtung zur Auflösung der Feinstruktur von entsprechend F i g. 2 dargestellten übergängen,

jeweils zwei Spektrallinien. Das gegenüber bekannten Spektroskopen grumdver-

Spektroskope bekannter Bauart arbeiten teilweiso schiedene Prinzip der Erfindung beruht auf den ijtamit Beugungsgittern, Prismen oder Interferenzen mit 5 tistischen Eigenschaften eines Photonenstrahls, der

einer Mehrzahl von parallelen Lichtstrahlen, die von einem Lichtstrahl entspricht. Es sei angenommen, daß

einer einzigen Lichtquelle mit Hilfe einer Linse erzeugt für die Feststellung von Photonen und Umwandlung

werden. Diese obengenannten bekannten Arten von derselben in elektrische Impulse ein Paar von idealen

Spektroskopen weisen eine Auflösung auf, die unter Photonendetektoren in den Abständen r_x und r„ von

. anderem von der Genauigkeit abhttngt, mit welcher io einer Lichtquelle angeordnet sind. Entsprechend der

diese Spektroskope hergestellt werden können, Wenn Glanberschen Theorie, die auf S. 63 von »Quantum

demzufolge Spektroskope eine hohe Auflösung auf- Optics and Electronics«, herausgegeben von C.

weisen sollen, so müssen sie mit einer üußerst hohen D e w i 11 (Gorden and Breach Science Publisher,

Genauigkeit hergestellt werden, so daß der Zeit- und New York, N. Y., 1965) beschrieben ist, kann die

Arbeitsaufwand zu deren Herstellung äußerst auf- ij Wahrscheinlichkeit P(r»I_y\ r_a, Z₈), daß zu einem

wendig werden. Zeitpunkt Z₁ ein Photon den im Abstand T₁ angeordne-

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine neue ten Detektor und gleichzeitig zu einem Zeitpunkt Z₂

Anordnung zur Auflösung von Hypeifeinstrukturen ein Photon den im Abstand r_a angeordneten Detektor

von zwei Spektrallinien zu schaffen, wobei die bisher erreicht, durch die folgende Gleichung ausgedrückt

üblichen optischen Dispersionsmittel, wie Prismen ao werden:
oder Gitter, nicht benötigt werden.

Erfindungsgeinäß wird dies dadurch erreicht, daß P(T₁, Z₁; r_a, Z₂)

der von einer Lichtquelle ausgesandte Lichtstrahl über _ <//£-(_{r (}/) £- (r_a, z_a)£^(r_a, l₃)EH^ri> h)l' > .

einen Lichtteiler an zwei getrennte Photonendetektoren " '

geleitet ist und daß die Ausgangssignale der Photonen- as CO

detektoren über Impulsverstärker einem UND-Kreis wobei

zugeführt sind, welcher beim gleichzeitigen Eintreffen /j- (,·, ή der negative Frequenzteil des Operators des

von zwei Impulsen innerhalb eines vorgegebenen elektrischen Feldes,

Zeitintervalls ein Ausgangssignal an einen Zähler _{£i(M) der positjve Frequen}zteil dieses Operators

^a ν -a c· · u. u ^3o und /'"> ^der Anfangszustand des Strahlungs-

Vorzugsweise s.nd Einrichtungen vorgesehen, um _fdd ' _{jst bevor die} ^e _Photonen den Detektor

die Zeitverzögerung zwischen den Ausgangsimpulsen erreichen sind

beider Verstärker zu verändern, um die Zählgeschwin- '

digkeit in Abhängigkeit der Zeitverzögerung zwischen Der Ausdruck auf der rechten Seite von Gleichung

den Aiisgangsimpulsen beider Verstärker aufzu- 35 (1) entspricht einem Mittelwert über »//>«.

zeichnen. Die Zeitverzögerungseinrichtungen sind Es sei nunmehr angenommen, daß — wie dies aus

vorzugsweise elektrische Verzögerungskreise, die mit der die Energieniveaus und unabhängigen Übergänge

den Verstärkern verbunden sind. Falls dies gewünscht der Elektronen einer Lichtquelle unter spektrosko-

sein sollte, können die Verzögerungskreise jedoch auch pischer Beobachtung darstellenden F i g. 2 ersichtlich

Einrichtungen zur Bewegung von wenigstens einem 40 ist — zwei unabhängige Übergänge verschiedener Art

der Detektoren in Richtung des Lichtteilers sein. von den Energieniveaus a' und b' stattgefunden haben,

Weitere Einzelheiten der Erfindung sollen im fol- wie dies durch die Pfeile in F i g. 2 angedeutet ist. genden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher Demzufolge werden zwei Photonen ausgesandt. Es erläutert und beschrieben werden, wobei auf die sei ferner angenommen, daß E_a und Eb den Energie-Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt 45 differenzen zwischen den Energiehöhen α und a! bzw.

F i g. 1 ein Blockdiagramm einer spektroskopischen b und b' entsprechen, wobei im Hinblick auf die

Meßeinrichtung gemäß der Erfindung, Energieniveaus α und b die entsprechenden Halbwerts-

F i g. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Energie- breiten von y₀ und y& in Winkelfrequenzen angegeben

niveaus für Atome oder Moleküle einer Lichtquelle, sind. Dann kann die in Gleichung (1) angegebene

wobei dürr' die Pfeile Übergänge zwischen zwei 50 Wahrscheinlichkeit P(r_lt Z₁; r_a, Z₂) berechnet werden,

Energieniveaus dargestellt sind, und wobei eine Annäherung durch folgende Gleichung

F i g. 3 eine Kurvendarstellung eines Ausgangs- gegeben ist:

(A BY , \ A . . n B . .

P(r\tii',i^r _tt,u)=\ -\ 1 + —-exp {— v_a Z₂- Z₁ } exp{ — ViIz₂-

\Ya Yb \Ya Yb

+ Pi(Ya p

wobei A und S durch Matrixelemente für die Über- der Wahrscheinlichkeit P(r_lt Z₁; '·■. Z₈) und die Abszisse gänge festgelegte Konstanten und fi die Plancksche 65 der Zeitverzögerung Z₂-Z₁ entspricht. Wie dies' in Konstante A dividiert durch 2 π ist. F i g. 3 dargestellt ist, ergibt sich eine gedämpfte

Die Gleichung (2) beschreibt eine Wellenform, wie Schwingung mit einem Amplitudenmaximum bei sie in F i g. 3 angezeigt ist, wobei die Ordinatenachse Ιζ—Ιχ — O, die graduell mit zunehmendem t%—ti

sowohl in positiver wie auch In negativer Richtung abnimmt. Von der Cosinusfunktion

cos

E\>

(U-h)

ergibt sich,
Periode

uufweist.

Eb\

Durch Substitution /1Α = |Α_α —A_oi ergibt sich:

_T ^ λα(λ_α Ι Δλ)_ ₌ λ\ Λ- λ_αΑλ

c A A c A A

Wenn Αλ 4 λ_α ist bzw. Xb ungefähr gleich groß wie Aa ist, dann ergibt sich:

νΑλ' ■

wobei angenommen sei, daß A₀ und Ab sich A annähert.

An Hand von Gleichung (2) ergibt sich, daß die Einhüllende der in F i g. 3 dargestellten Wellenform von den Halbwertbreiten γ_α und y& abhängt. Die Abhängigkeit ist für jede Art von Übergang verschieden. Beispielsweise ergeben die Kaskadenübergänge mit einem gemeinsamen oberen bzw. unteren Energieniveau eine etwas verschiedene Wellenform gegenüber der in F i g. 3 dargestellten Wellenform.

Demzufolge ergibt sich, daß für eine beliebige Wellenform — beispielsweise der in F i g. 3 dargestellten Wellenform — die Periode der oszillierenden Teile gemessen werden kann, während die Ausdrücke Ea-Eb und γ_α und y& geschätzt werden können, wobei Rechenmaschinen bekannter Bauweise eingesetzt werden können. Wenn es bereits bekannt ist, daß die Wellenlänge A„ angenähert der Wellenlänge Aj, und gleich A ist — wie sich dies auf Grund einer Messung mit einem gewöhnlichen Spektroskop ergibt — kann die Differenz zwischen beiden Wellenlängen an Hand von Gleichung (5) berechnet werden. Demzufolge kann die Art des Übergangs und die Feinstruktur der Energieniveaus bestimmt werden.

Im folgenden soll auf F i g. 1 Bezug genommen werden, in welcher eine spektroskopische Meßeinrichtung gemäß der Erfindung dargestellt ist. Diese Einrichtung besteht aus einer zu messenden Lichtquelle, einem die Strahlen der Lichtquelle 10 empfangenden, einem ein vorgegebenes spektrales Band hindurchlassenden optischen Filter 12 und einem beispielsweise als Halbspiegel oder aus einer halbversilberten Platte bestehenden Lichttoüer 14. Dieser Lichtteiler 14 ist im wesentlichen unter 45° gegenüber der Achse des Lichtstrahles angeordnet, so daß eine Hälfte des Lichtstrahles hindurchgelassen wird, während die andere Hälfte im wesentlichen senkrecht zu dieser Achse reflektiert wird.

Beide Teile der durch den Lichtteiler 14 hindurchgelassenen bzw. reflektierten Lichtstrahlen fallen auf Es sei angenommen, daß ω«, να und A» eine Winkelfrequenz, eine Frequenz und eine Wellenlänge ent-' sprechend der Energiedifferenz E_a angeben. Bs ergeben sich somitGleichungender Form Ea ^ ftω_β,ω_β ~2πν_α

-f » wobei c der lichtgeschwindigkeit

daß die gedämpfte Schwingung eine und Ve

entspricht, Demzufolge ist E_n gleich ~jj'-

^In ß'^eiclior

Weise ist E_b gleich -«J J-^e , wobei A₆ einer der Energie-

differenz £o entsprechenden Wellenlänge entspricht, Die Periode T kann demzufolge wie folgt berechnet werden:

c|A_e — h\

so ein Paar von Photonendetektoren 16, 17, welche beim Auffallen jedes Photons einen elektrischen Impuls erzeugen. Diese Detektoren 16, 17 sind vorzugsweise photoelektronische Vielfacher bekannter Bauart. Die Ausgangsimpulse der Detektoren 16, 17 werden durch

as Impulsverstärker IS, 19 verstärkt und veränderlichen Verzögerungskreisen 20, 21 zugeführt. Diese Verzögerungskreise 20,21 können den Impulsen innerhalb vorgegebener Grenzen eine beliebige Verzögerung in bezug auf den anderen Verzögerungskreis erteilen.

Die zeitverzögerten Impulse der Verzögerungskreise 20, 21 werden den beiden Eingängen eines UND-Kreises 22 zugeführt. Nur wenn die Impulse der Verzögerungskreise 20, 21 innerhalb eines kurzen Zeitintervalls — in dem folgenden Auflösezeit ge-

nannt — an den Eingängen des UND-Kreises 22 auftreten, wird am Ausgang dieses UND-Kreises 22 ein Impuls abgegeben. Wenn beispielsweise die Differenz zwischen "inem Zeitpunkt /„ zu welchem ein Photon auf den Detektor 16 fällt, und zu einem Zeitpunkt /.j, zu welchem ein Photon auf den Detektor 17 fällt, gleich der Größe τ --- T₁-J₂ ist, dann ist das UND-Gatter 22 so ausgelegt, daß es einen Ausgangsimpuls abgibt. Die Impulse des UND-Gatters 22 werden einem Zähler 24 zugeführt, in welchem dieselben gezählt werden.

Für den Betrieb der Meßeinrichtung können beliebige Steuereinrichtungen verwendet werden, um die Zeitdifferenz τ zwischen den Zeitpunkten Z₁ und /₂ diskret — d. h. von einem bestimmten Wert auf den nächsten diskreten Wert — oder kontinuierlich zu verändern, um eine veränderliche Ablesung an dem Zähler 24 zu ermöglichen. Die digitale Zählgeschwindigkeit pro Zeiteinheit wird einem geeigneten, nicht dargestellte.-! Digital-Analog-K onverter zuge-

führt, so daß sich ein entsprechender Analogwert ergibt. Der Analogwert wird dann einem X- V-Schreiber zugeführt, der die Verzögerungszeit entlang der X- Achse gegen die Zählgeschwindigkeit entlang der K-Achse darstellt. Der Konverter und Schreiber können

So bekannter Konstruktion sein und brauchen deshalb nicht weiter beschrieben zu werden.

Bei einem eine geeignete Auflösezeit aufweisenden UND-Gatter 22 ergeben sich Kurven, die der in F i g. 3 dargestellten Kurve entsprechen. Es ist fest-

gestellt worden, daß zur Beobachtung einer wie in F i g. 3 dargestellten gedämpften Schwingung die Auflösezeit A_t des UND-Kreises 22 nicht mehr als ein Viertel der Periode T der gedämpften Schwingung

sein muß. Wenn ein Paar von Wellenlängen in der Nähe der Größe λ liegt, dann muß demzufolge der UND-Kreis 22 eine Auslösezeit A₁ haben, die folgender Bedingung genügt:

rilTT· ⁽⁶⁾

4 cA λ

wie sich dies an Hand von Gleichung (5) ergibt. Aus der obigen Gleichung erhält man:

At-Δλ <

1 7?_

4 c

(7)

Dies bedeutet, daß, je niedriger der Wert von Δ λ ist, desto geringer die durch den Wert Δ t hervorgerufene Begrenzung ist. Wenn beispielsweise Δ λ = ΙΟ*⁴ A bei einer Wellenlänge von ungefähr 5000 A ist, dann muß Δ t nicht mehr als 2 · ICh⁸ Sekunden betragen.

Die durch den Schreiber sich ergebenden Kurven werden in der bereits in bezug auf den Zusammenhang mit F i g. 3 beschriebenen Art und Weise verarbeitet, um die Lichtquelle 10 spektroskopisch festzulegen, d. h. die bestimmte Art von Übergängen und die Struktur der Energiehöhen festzulegen.

Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für die Feststellung der hyperfeinen Struktur von Spektrallinien geeignet. Sie ist jedoch ebenfalls für Spektralanalysen von ausgesandtem Licht, und zwar nicht nur für die in F i g. 2 dargestellten Übergänge, sondern auch andere Übergänge — einschließlich Kaskadenübergänge mit einem gemeinsamen oberen und unteren Energieniveau — geeignet. Im letzteren Fall ergibt sich eine Kurve der gedämpften Schwingung, die hinsichtlich ihrer Form gegenüber der in F i g. 3 dargestellten etwas verschieden ist, die jedoch in ähnlicher Weise verarbeitet werden kann, wie dies bereits in bezug auf eine bestimmte Art von Übergängen und Struktur der Energieniveaus beschrieben worden ist.

Schließlich sei bemerkt, daß an Stelle einer Verwendung des Verzögerungskreises 20, 21 wenigstens einer der Detektoren 16 oder 17 in Richtung des Lichtteilers 14 bewegt werden kann, wodurch ebenfalls eine zeitliche Differenz zwischen den beiden Sätzen von Impulsen erzeugbar ist.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Spektroskopische Meßeinrichtung zur Auflösung der Feinstruktur von jeweils zwei Spektrallinien, dadurch gekennzeichnet, daß der von einer Lichtquelle (10) ausgesandte Lichtstrahl über einen Lichtteiler (14) an zwei getrennte Photonendetektoren (16, 17) geleitet ist und daß die Ausgangssignale der Photonendetektoren (16, 17) über Impulsverstärker (18, 19) einem UND-

ao Kreis (22) zugeführt sind, welcher beim gleichzeitigen Eintreffen von zwei Impulsen innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls ein Ausgangssignal an einen Zähler (24) abgibt.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch »5 gekennzeichnet, daß wenigstens in einem Meßast (14, 16, 20, 22) ein einstellbarer Verzögerungskreis (20) angeordnet ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in beiden Meßästen an den

3« Ausgängen der Impulsverstärker (18, 19) Verzögerungskreise (20, 21) angeordnet sind.

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Zeitverzögerung wenigstens ein Photonendetektor (16,17) in bezug auf seinen Abstand zum Lichtteiler (14) einstellbar ist.

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