DE19813950C1 - Spektrometeranordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spektrometeranordnung, vorzugsweise zur Emissions- und Absorptionsanalyse einer Probe durch UV-VIS-Spektrometrie, mit einer Beleuchtungs- und Abbildungseinrichtung (1), in die eine Küvette (4) mit der Probe eingeordnet ist, und bei der das von der Beleuchtungs- und Abbildungseinrichtung (1) kommende Licht durch einen Eintrittsspalt (6) auf ein dispergierendes Medium, vorzugsweise ein abbildendes optisches Gitter (9), und von dort auf die Sensorelemente eines Photoempfängers (10) gerichtet ist, dessen Sensorelementen ein gasgefüllter Zwischenraum vorgeordnet ist. DOLLAR A Bei einer solchen Spektrometeranordnung schließt die zwischen dem Eintrittsspalt (6) und dem dispergierenden Medium ausgebildete optische Achse (17) mit der optischen Achse (8) der Beleuchtungs- und Abbildungseinrichtung (1) einen Winkel alpha = 180 DEG +- beta mit beta NOTEQUAL 0 DEG ein, wobei der Winkel beta so bemessen ist, daß der Mittenstrahl eines vom dispergierenden Medium auf die Sensorelemente gerichteten, durch eine ausgewählte Wellenlänge lambda charakterisierten Strahlungsanteiles senkrecht auf die Sensorempfangsfläche trifft.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spektrometeranordnung, vorzugsweise zur Emissi­ ons- und Absorptions-Analyse einer Probe durch UV-VIS-Spektrometrie, bei der das die Probe durchdringende Licht auf ein dispergierendes Medium, etwa ein abbildendes op­ tisches Gitter, gerichtet ist und von diesem dispergierend auf die in einem Array ange­ ordneten Sensorelemente eines Photoempfängers gelenkt wird. Den Sensorelementen ist ein für dieses Licht transparentes Schutzfenster und ein gasgefüllter, sich zwischen Schutzfenster und Sensorempfangsfläche erstreckender Zwischenraum vorgeordnet.

Im Stand der Technik sind verschiedenartig ausgestaltete Geräte und Anordnungen nach dieser Grundfunktion bekannt; ihr prinzipieller Aufbau ist in Fig. 1 dargestellt und wird nachfolgend kurz erläutert.

Zwischen einer Beleuchtungseinrichtung und einer Abbildungseinrichtung ist eine Kü­ vette mit der zu untersuchenden Probe angeordnet. Im Abbildungsstrahlengang befin­ det sich eine optisch dispergierende Einrichtung, wobei die optischen Achsen der Be­ leuchtungs-, der Abbildungs- und der dispergierenden Einrichtung miteinander fluch­ tend auf einer gemeinsamen Geraden liegen.

In einem Lampenhaus, von dem Licht des gesamten Spektralbereiches ausgeht, mit dem die Probe in der Küvette durchstrahlt werden soll, ist mindestens eine Lichtquelle vorgesehen. Mit einer an sich bekannten, zeichnerisch nicht dargestellten Optik wird ein Lichtbündel geformt, das in der Probe wellenlängenselektiv abgeschwächt wird. Dieses Lichtbündel wird mit der Abbildungslinse auf den Eintrittsspalt der dispergie­ renden Einrichtung fokussiert.

Das durch den Eintrittsspalt tretende Licht beleuchtet ein dispergierendes Medium, im konkreten Fall ein abbildendes Gitter, auf einer Fläche, die von der Größe der Blende, die der Abbildungslinse vorgeordnet ist, abhängt. Das Gitter bildet den Eintrittsspalt auf einen Festkörper-Array-Photoempfänger ab, der aus einer zeilenweisen Anordnung einzelner Sensorelemente, beispielsweise Photodioden, besteht.

Vorzugsweise ist die dispergierende Einrichtung so ausgelegt, daß der Mittenstrahl vom Eintrittsspalt auf den Scheitelpunkt des Gitters trifft und von da aus ein Teilstrahl mit der Wellenlänge, für die das System berechnet ist, auf die Mitte des Photoempfängers gelenkt wird. Dieser Teilstrahl ist in Fig. 2 als Strahl B dargestellt; er trifft senkrecht auf das Schutzfenster 12 des Photoempfängers 10 und auf die Sensorempfangsfläche 15.

Teilstrahlen mit Wellenlängen, die außerhalb der senkrecht auf die Sensorempfangsflä­ che 15 treffenden Mittenwellenlänge des Strahles B liegen, wie beispielsweise die Strahlen A und C, treffen unter einem von der Senkrechten abweichendem Winkel auf das Schutzfenster 12 bzw. auf die Sensorempfangsfläche 15.

Wie in Fig. 2 weiterhin dargestellt, werden die Stahlen A, B und C teilweise von der Sen­ sorempfangsfläche 15 reflektiert und gelangen so durch die Gasfüllung im Zwischen­ raum zwischen dem Schutzfenster 12 und der Sensorempfangsfläche 15 hindurch zur Innenfläche des Schutzfensters 12, von wo aus wiederum ein Teil der Strahlung zur Sensorempfangsfläche 15 zurückgeworfen wird.

Diese mehrfach reflektierten Anteile der Strahlung haben zwar die Wellenlängen der Strahlen A und C, ihre Auftrefforte sind aber bis zu mehreren Zehntel Millimeter gegen­ über der ersten Auftreffstelle auf der Sensorempfangsfläche 15 versetzt. Da zum Zweck der analytischen Auswertung jedoch jedes der Sensorelemente 14 des Photoempfän­ gers 10 einer bestimmten Wellenlänge zugeordnet ist, täuscht dieser Versatz eine Strahlung mit real nicht vorhandener Wellenlänge vor. Diese vorgetäuschte Strahlung wird im folgenden als Falschlicht bezeichnet.

Das Falschlicht wirkt sich so aus, daß der Fuß einer schmalen Spektrallinie im Linien­ diagramm verbreitert wird, wie das in Fig. 3.1 anhand der Hg-Linie 253 nm dargestellt ist, oder daß eine an sich scharfe Absorptionskante verschliffen wird. Letzteres bedeu­ tet, daß schmale Absorptionsbanden mit einer zu geringen Extinktion gemessen wer­ den. Das beschränkt den Dynamikbereich des Systems und kann bei schmalen Spek­ trallinien in der Nähe breiterer Spektrallinien zu einer Linienüberdeckung und damit zum Verschwinden von Schultern an Absorptionsbanden führen. Als Falschlicht wird bei einer Wellenlänge von 200 nm mit 1,2%-iger Kaliumchloridlösung ein Wert von 4% ge­ messen, die Forderung in Normen beträgt 1%.

Falschlicht entsteht außerdem auch deshalb, weil das Gitter den Eintrittsspalt aufgrund systematischer optischer Abbildungsfehler nicht exakt auf die zugeordneten Senso­ relemente des Photoempfängers abbildet. Diese Fehler sind physikalisch bedingt und um so größer, je weiter der Ursprung der Strahlung vom Scheitel der beleuchteten Git­ terfläche entfernt liegt, das heißt je größer der Anteil der außeraxialen Strahlung an der Gesamtstrahlung ist.

Das Falschlicht entsteht auch in Spektrometeranordnungen, bei denen das Licht von der Lichtquelle zur Probe und/oder von da zur dispergierenden Einrichtung über Licht­ leiter übertragen wird.

Das spektrale Auflösungsvermögen bei der Spektralphotometrie hängt unter anderem von der Breite des Eintrittsspaltes ab. Um das Profil einer Spektrallinie oder einer Ab­ sorptionsbande unabhängig von dem zufälligen Auftreffen auf die Sensorelemente (die sogenannten Pixel) eines Array-Empfängers bestimmen zu können, müssen mindestens drei nebeneinander liegende Pixel belichtet werden. Üblicherweise wird die Breite des Eintrittsspaltes mit 50 µm gewählt bei einer Pixelbreite von 25 µm. Aufgrund der opti­ schen Abbildungseigenschaften der dispergierenden Einrichtung jedoch wird auf dem Empfänger das Bild des Eintrittsspaltes auf 5 bis 6 Pixel verbreitert, was zur Folge hat, daß 2 bis 3 Pixel mehr belichtet werden als bei einer exakten Abbildung.

Mit einem Eintrittsspalt von 50 µm Breite und einer Schnittweite des dispergierenden Mediums von 116 mm wird eine spektrale Halbwertsbreite erreicht, die der spektralen Bandbreite von 2,5 bis < 3 Pixeln entspricht und bei einem Spektrometer mit ca. 0,8 nm/Pixel bei etwa 2 nm bis 3 nm liegt. Das spektrale Auflösungsvermögen, ge­ messen mit Toluol in n-Hexan, beträgt dabei < 2 nm.

Der übliche Spektralbereich eines UV-VIS-Spektrometersystems reicht von 190 nm bis 1000 nm; die Strahlung, die die Sensorempfangsfläche senkrecht erreicht, hat hierbei eine Wellenlänge von etwa 600 nm. Für viele analytische Aufgaben wird der Spektralbe­ reich von 200 nm bis 600 nm genutzt. Die Bewertung von UV-VIS-Spektrometersystemen bezüglich des Falschlichtes und der spektralen Auflösung erfolgt im Bereich von 200 nm bis 340 nm.

In JP 3-272425 A ist eine Spektrometeranordnung der vorgenannten Art beschrieben, bei der zum Zweck der Erhöhung des Auflösungsvermögens der Eingangsspalt beweglich angeordnet ist. Hierzu ist eine Spaltbaugruppe auf einen um einen Drehpunkt schwingenden Träger montiert, der mit einem Piezoantrieb gekoppelt ist. Durch eine wellenlängenabhängige Ansteuerung des Piezoantriebens wird erreicht, daß Licht bestimmter Wellenlängen auf jeweils zugeordnete Einzelelemente des Photoempfängers gerichtet wird. Die Ausgangssignale dieser Photoempfänger werden dann entsprechend ausgewertet. Die Entstehung von Falschlicht wird hierbei allerdings nicht verhindert, wenn, wie weiter oben beschrieben, dem Photoempfänger ein Schutzfenster vorgeordnet ist.

In der Spektrometeranordnung nach EP 0 690 295 B1 ist die Verwendung eines Photoempfängers vom CCD-Typ vorgesehen, bei dem der Empfangsfläche ein Schutzfenster vorgeordnet ist. Hier wird der Entstehung von Falschlicht durch eine Beschichtung der Empfangsfläche mit einem Antireflexmaterial vorgebeugt, wobei die Dicke der Beschichtung in Abhängigkeit von der Einfallsrichtung und der Wellenlänge des Lichtes abhängig ist. Das Aufbringen dieser Schicht ist technologisch aufwendig, außerdem ist nicht auszuschließen, daß die Beschichtung Intensitätsverluste bezüglich des zu den Einzelsensoren gelangenden Lichtes zu Folgen hat.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer Spektrome­ teranordnung der vorbeschriebenen Art das spektrale Auflösungsvermögen zu erhöhen und die Genauigkeit der Spektralanalyse zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die zwischen dem Eintrittsspalt und dem dispergierenden Medium ausgebildete optische Achse mit der optischen Ach­ se der Abbildungseinrichtung einen Winkel α = 180° ± β mit β ≠ 0° einschließt. Der Schnitt­ punkt der beiden optischen Achsen liegt dabei im Eintrittsspalt, und der Winkel β ist so bemessen, daß der Mittenstrahl eines vom dispergierenden Medium auf die Sensorele­ mente gerichteten, durch eine ausgewählte Wellenlänge λ charakterisierten Strahlen­ bündels senkrecht auf die Sensorempfangsfläche trifft.

Durch diese Anordnung, bei der die optische Achse der dispergierenden Einrichtung nicht wie beim Stand der Technik auf einer Geraden mit der optischen Achse der Abbil­ dungseinrichtung liegt, trifft das die Probe durchsetzende Lichtbündel außerhalb des Gitterscheitelpunktes auf das Gitter, und das von dieser außermittig beleuchteten Git­ terfläche ausgehende Spektrallicht erreicht senkrecht die Sensorempfangsfläche an der Stelle, die der kritischsten Empfangsposition bezogen auf den gewünschten Spektralbe­ reich entspricht. Auf diese Weise wird das Falschlicht in dem bevorzugt zu analysieren­ den Spektralbereich bedeutend reduziert und damit das spektrale Auflösungsvermögen erhöht bzw. die Genauigkeit der Spektralanalyse verbessert.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Beleuchtungs- und die Abbildungseinrichtung einerseits und die dispergierende Einrichtung andererseits je­ weils als kompakte Baueinheiten ausgeführt und mit einander zugewandten Bezugsflä­ chen zur gegenseitigen Lagefixierung ausgestattet sind. Damit läßt sich die Einstellung des Winkels β zwischen den optischen Achsen der beiden Baueinheiten leicht bewerk­ stelligen, indem die Bezugsflächen in einer vorgegebenen Lage zueinander positioniert und in dieser Lage fixiert werden.

In verschiedenen Ausgestaltungsvarianten der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die der Beleuchtungs- und Abbildungseinrichtung zugeordnete Bezugsfläche parallel zur optischen Achse der Abbildungseinrichtung und die der dispergierenden Einrichtung zugeordnete Bezugsfläche parallel zur optischen Achse der dispergierenden Einrich­ tung ausgerichtet sind. Damit kann die Einstellung des Winkels β durch Vorgabe einer dem Winkel β entsprechenden Schrägstellung beider Bezugflächen zueinander vorge­ nommen werden; der Winkel zwischen den beiden Bezugsflächen ist damit die Maßver­ körperung des Winkels zwischen den beiden optischen Achsen.

Zur definierten Einstellung des Winkels β können vorteilhaft Keile mit unterschiedlichen Keilwinkeln dienen, wobei die vorzusehenden Keilwinkel den Wertebereich des Winkels β wiedergeben. Die Keile werden dem einzustellenden Winkel β entsprechend ausge­ wählt und zwischen die Bezugsflächen eingebracht. Durch Verspannen beider Bezugs­ flächen gegen die Flächen des Keiles wird eine definierte Lagefixierung der Baugruppen erzielt.

Alternativ zur vorgenannten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß mindestens eine der Bezugsflächen bereits um den einzustellenden Winkel β gegen die optische Achse der ihr zugeordneten Baueinheit geneigt ist, wodurch bei gegeneinander vorgespann­ ten Bezugsflächen der Winkel β zwischen den optischen Achsen beider Baueinheiten vorgegeben ist.

Bei dieser Ausgestaltungsvariante kann auf die Verwendung von Keilen im Sinne von Zwischenlagen verzichtet werden. Um den Winkel β auch bei dieser Ausgestaltung va­ riieren zu können, ist es denkbar, mindestens eine der Bezugsflächen gegenüber der zugeordneten optischen Achse schwenkbar und innerhalb des Wertebereiches ±β fest­ stellbar anzuordnen.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, daß die Baueinheit "dispergierende Einrichtung" unter Beibehaltung des zwischen den opti­ schen Achsen eingestellten Winkels β und unter Beibehaltung des Schnittpunktes der beiden optischen Achsen in Richtung der optischen Achse der Baueinheit "Beleuch­ tungs- und Abbildungseinrichtung" verschiebbar angeordnet ist. Mit dieser Verschie­ bung wird erreicht, daß auf den Photoempfänger bei allen in Frage kommenden Wel­ lenlängen ein zumindest etwa gleich starkes Signal trifft.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Baueinheit "dis­ pergierende Einrichtung" oder die Baueinheit "Beleuchtungs- und Abbildungseinrich­ tung" auf einem Führungsschlitten befestigt ist, der eine Drehung der betreffenden Einrichtung um den Schnittpunkt der beiden optischen Achsen und auch eine Längs­ verschiebung in Richtung auf die optischen Achsen der jeweils anderen Einrichtung ermöglicht. Damit ist auf unkomplizierte Weise die Veränderung des Winkels β zwi­ schen den optischen Achsen beider Baueinheiten möglich und zugleich ist auch die Möglichkeit gegeben, das Empfangssignal für den Photoempfänger in Abhängigkeit von der bevorzugten Wellenlänge λ wie oben dargelegt durch Längsverschiebung zu opti­ mieren.

Die Erfindung kann weiterhin derart ausgestaltet sein, daß der Winkel β einen Wert zwi­ schen +6° und -6° hat, ausgenommen β = 0°. Eine besonders bevorzugte Konfiguration der Anordnung wird erzielt, wenn der Winkel β = +6° ist, der ausgewählte Strahlungsan­ teil die Wellenlänge λ = 200 nm aufweist, als dispergierendes Medium ein optisches Git­ ter mit 248 Linien/mm und einem Krümmungsradius von 116 mm vorgesehen ist und der Photoempfänger aus 1024 Sensorelementen besteht, die auf einer Länge von 25,6 mm zeilenförmig angeordnet sind.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn in der Abbildungseinrichtung eine Abbildungslinse und eine der Abbildungslinse vorgeordnete Blende vorgesehen und die Abbildungslinse und die Blende so aufeinander abgestimmt sind, daß ein meridionaler Ausleuchtungs­ winkel auf das dispergierende Medium von 1,5° bis 4,5° und ein saggitaler Ausleuch­ tungswinkel von 6,8° bis 13,6° erzielbar sind.

Eine weitere Erhöhung der Genauigkeit bei der Analyse bzw. des Auflösungsvermögens der Anordnung wird erzielt, wenn der Eintrittsspalt unter Berücksichtigung des Abbil­ dungsmaßstabes der Abbildungslinse eine Breite aufweist, die der 1,2- bis 1,5fachen Breite eines Sensorelementes entspricht. Durch diese Breite sollte im Zusammenwirken mit den Abbildungseigenschaften des dispergierenden Mediums eine Spektrallinie des Lichtes mindestens drei, vorzugsweise vier nebeneinander liegende Sensorelemente des Photoempfängers beleuchtet.

Im Rahmen der Erfindung liegt es auch, daß das Schutzfenster und die Sensoremp­ fangsfläche gewölbt ausgebildet sind, so daß nicht nur der Strahlungsanteil mit der Mittenwellenlänge (vgl. Strahl A in Fig. 2), sondern auch die außeraxialen bzw. alle dis­ pergierend auf das Schutzfenster bzw. die Sensorempfangsfläche gerichteten Strah­ lungsanteile senkrecht auf die Sensorempfangsfläche treffen. Schutzfenster und Senso­ rempfangsfläche sind dabei entgegengesetzt zum dispergierenden Medium gekrümmt.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 den Aufbau eines Spektrometersystems nach dem Stand der Technik

Fig. 2 die Lichtreflexionen zwischen der Empfangsfläche des Photoempfängers und der Innenfläche des Schutzfensters

Fig. 3.1 ein mit einem nach dem Stand der Technik ausgestalteten Spektrometer aufgenommenes Spektrogramm

Fig. 3.2 ein mit der erfindungsgemäßen Spektrometeranordnung aufgenommenes Spektrogramm

Fig. 3.3 ein Spektrogramm mit Winkel β < 6°

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung

Fig. 5 eine Aufbauvariante der erfindungsgemäßen Anordnungen

In der Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung nach Fig. 4 ist eine Be­ leuchtungs- und Abbildungseinrichtung 1 dargestellt, bei der in einem von der Licht­ quelle 2 ausgehenden Lichtbündel 3 eine Küvette 4 mit einer zu analysierenden Probe angeordnet ist. Das Lichtbündel 3 ist mit Hilfe einer Abbildungslinse 5 auf den Ein­ trittsspalt 6 einer beispielsweise als Kompaktspektrometer 7 ausgebildeten dispergie­ renden Einrichtung fokussiert. Dabei haben Lichtquelle 2 und Abbildungslinse 5 eine gemeinsame optische Achse 8.

Das Kompaktspektrometer 7 ist mit einem abbildenden optischen Gitter 9 ausgestattet, durch welches das vom Eintrittsspalt 6 kommende Licht dispergierend auf einen Pho­ toempfänger 10 gerichtet ist. Zwischen dem Eintrittsspalt 6 und dem Scheitelpunkt 11 des Gitters 9 ist die optische Achse 17 des Kompaktspektrometers 7 ausgebildet.

Gemäß Fig. 2 weist der Photoempfänger 10 ein Schutzfenster 12 mit einer Innenfläche 13 sowie mehrere in einer Zeile angeordnete Sensorelemente 14 auf. Die lichtempfind­ lichen Flächen der einzelnen Sensorelemente 14 liegen gemeinsam in der ebenen Sen­ sorempfangsfläche 15. Der Zwischenraum 16 zwischen der Innenfläche 13 und der Sensorempfangsfläche 15 ist mit einem Gas gefüllt.

Erfindungsgemäß liegt, wie in Fig. 4 dargestellt, die optische Achse 17 des Kom­ paktspektrometers 7 nicht wie bei den bekannten Spektrometeranordnungen in der geradlinigen Verlängerung 18 der optischen Achse 8, sondern die beiden optischen Achsen 8 und 17 schließen einen Winkel α ein, der um einen Betrag β von 180° ab­ weicht. Das heißt, die optische Achse 17 des Kompaktspektrometers 7 ist gegen die optische Achse 8 der Beleuchtungs- und Abbildungseinrichtung 1 um den Winkel β ge­ neigt. Der Winkel β liegt beispielhaft im Bereich zwischen -6° und +6°. Der Schnittpunkt der beiden Achsen 8 und 17 befindet sich im Eintrittsspalt 6.

Das Lichtbündel 3 leuchtet auf dem Gitter 9 eine Fläche aus, deren Mitte in einem Ab­ stand neben dem Scheitelpunkt 11 liegt, der sich aus dem Winkel β und der eintritts­ spaltseitigen Schnittweite des Gitters 9 ergibt. Die Mitte dieser ausgeleuchteten Fläche liegt, unter der Voraussetzung eines Gitters 9 mit 116 mm Schnittweite und unter der Annahme eines für maximale Falschlichtreduzierung bei Wellenlänge λ = 200 nm bevor­ zugten Winkels β = 6°, etwa 12 mm neben dem Scheitelpunkt 11.

Das von der ausgeleuchteten Gitterfläche ausgehende Spektrallicht fällt auf den Pho­ toempfänger 10, wobei die Wellenlänge, die senkrecht auf die Sensorempfangsfläche 15 trifft, eine andere ist als die Wellenlänge, die bei α = 180° bzw. bei β = 0° senkrecht auf die Empfangsfläche 15 trifft. So fällt beispielsweise die Strahlung, die der Wellenlänge λ ≈ 200 nm entspricht, an einem Ort 19 senkrecht auf den Photoempfänger 10, wenn der Winkel β = 6° beträgt, ein Gitter 9 mit 248 Linien/mm und einem Radius von 116 mm vorgesehen ist und der Photoempfänger 10 eine Länge von 25,6 mm hat und mit 1024 Sensorelementen (Pixeln) ausgestattet ist, deren Längenausdehnung jeweils 25 µm be­ trägt.

Die Strahlung der Wellenlänge λ ≈ 200 nm trifft damit (wie der Strahl B in Fig. 2) senkrecht auf das Schutzfenster 12 bzw. auf die Empfangsfläche 15. Die das Falschlicht verursa­ chenden Reflexionen bei der Wellenlänge λ ≈ 200 nm treten deshalb nicht mehr auf.

Die Auswirkung der Schrägstellung der optischen Achse 17 des Kompaktspektrometers 7 zur optischen Achse 8 der Beleuchtungs- und Abbildungseinrichtung 1 um einen Winkel β ≠ 0° zeigen Fig. 3.2 und Fig. 3.3 anhand des Spektrogramms der Umgebung der Hg-Linie bei λ = 253 nm. Dasselbe Spektrum bei β = 0° ist in Fig. 3.1 dargestellt.

Aus dem Vergleich von Fig. 3.1 und Fig. 3.2 ist ersichtlich, daß in Fig. 3.2 bei Position a die Hg-Linie schmaler ist und bei Position b der bis λ = 240 nm schräg abfallende Verlauf der Kurve fehlt, der in Fig. 3.1 seine Ursache in dem Falschlicht hat, das von der Linie 253 nm herrührt.

Die schwache Linie Hg 237 nm bei Position c kann erst in Fig. 3.2 eindeutig als Linie erkannt werden. Das bedeutet, daß die beschriebene erfindungsgemäße Anordnung das Falschlicht reduziert und dadurch auch das Auflösungsvermögen selektiv verbessert.

Wird beispielsweise Winkel β = 10° gewählt, dann verlagert sich wie in Fig. 3.3 dargestellt der schräge falschlichtbedingte Abfall der Kurve auf die andere Seite der Linie Hg 253 nm, das heißt zu den höheren Wellenlängen hin. Der Winkel β ist dann zu groß.

Die erfindungsgemäße Neigung der beiden optischen Achsen 8 und 17 gegeneinander bzw. die Schrägstellung des Kompaktspektrometers 7 gegenüber der Beleuchtungs- und Abbildungseinrichtung 1 ist nicht auf die Verwendung von Kompaktspektrometern beschränkt. Sie ist prinzipiell auch vorteilhaft anwendbar bei anderen üblichen Spek­ trometermontierungen, bei denen ein Photoempfänger 10 mit einem Schutzfenster 12 verwendet wird.

Der Abbildungslinse 5 ist eine Blende 20 vorgeordnet, mit der Form und Größe der ausgeleuchteten Gitterfläche beeinflußbar ist. Die Größe der ausgeleuchteten Gitterflä­ che ergibt sich als Produkt aus der Öffnung der Blende 20 und dem Abbildungsmaß­ stab.

Von wesentlicher Bedeutung im Hinblick auf die Verbesserung der Genauigkeit der Spektralanalyse ist die Verringerung der Abbildungsfehler durch Reduzierung der au­ ßeraxialen Strahlen in der Meridionalebene, in der Eintrittsspalt 6, Gitterscheitel 11 und Photoempfänger 10 liegen. Weniger stark dagegen wird das Falschlicht durch die au­ ßeraxialen Strahlen in der Saggitalebene beeinflußt.

Insofern hat sich eine auf dem Gitter 9 beleuchtete Fläche von etwa 4 mm Breite und 20 mm Höhe als vorteilhaft erwiesen, die von einer Blende 20 mit einer Öffnung von 2 mm × 10 mm bei einer Spektrometerschnittweite von 116 mm und einem Abbildungs­ maßstab 1 : 2 erzeugt wird. Damit ist eine ausreichende Strahlungsenergie für kurzzeiti­ ge Messungen gewährleistet, und das Falschlicht wird in Verbindung mit der erfin­ dungsgemäßen Neigung der beiden optischen Achsen 8 und 17 um β = 6° zueinander auf einen Wert ≦ 1% bei λ = 200 nm, gemessen mit einer 1,2%-igen (w/v) Kaliumchloridlö­ sung, reduziert. Bei Spektrometeranordnungen nach dem bisherigen Stand der Technik dagegen liegt der Wert des Falschlichtes bei 4%.

Die Blende 20 kann in der Breite von 1,5 mm bis 3 mm und in der Höhe von 6 mm bis 12 mm variiert werden. Die sich dadurch ergebenden Aperturwinkel betragen in der Meridionalebene 1,7° bis 3.4° und in der Saggitalebene 6,8 bis 13,6°.

Zur weiteren Verbesserung der spektralen Auflösung kann der Eintrittsspalt 6 des Kompaktspektrometers 7 soweit reduziert werden, daß die Summe aus der Spaltbreite und aus der den Abbildungseigenschaften des Spektrometers entsprechenden Verbrei­ terung des Bildes des Eintrittsspaltes 6 auf dem Photoempfänger 10 mindestens der Breite von drei Sensorelementen (Pixeln) entspricht. Beispielhaft kann bei einem Kom­ paktspektrometer 7 mit einer eingangseitigen Schnittweite von 116 mm ein Eintritts­ spalt 6 mit der 1,2fachen Breite eines Sensorelementes, das entspricht 30 µm, genutzt werden.

Mit einer derartigen Ausgestaltung der Erfindung in Verbindung mit einem Winkel β = 6° und der Einstellung der Apertur mit der Blende 20 von 2 mm × 10 mm ergab die Auswer­ tung der Spektrallinien einer Hg-Niederdrucklampe Halbwertsbreiten von 1,3 nm bis 1,5 nm im Spektralbereich von 190 nm bis 1014 nm. Die spektrale Auflösung, gemessen am Toluol in n-Hexan bei 266/269 nm, beträgt bei der gewählten Anordnung 1 nm im Vergleich zu einer Auflösung von 2 nm, die mit einem herkömmlichen Aufbau erzielbar ist.

Spektrometeranordnungen, die über einen großen Spektralbereich vom UV bis zum IR arbeiten, benötigen im allgemeinen zwei Strahlungsquellen, die in verschiedenen Spek­ tralbereichen emittieren. Wird als Abbildungslinse 5 kein chromatisch korrigiertes Ab­ bildungssystem, sondern eine einzelne Linse aus Quarz oder einem anderen Material benutzt, dann werden die verschiedenen Wellenlängen in unterschiedlichen Abständen von dieser Linse fokussiert. Die Wellenlänge, die an der Stelle des Eintrittsspaltes 6 fokussiert wird, erzeugt ein stärkeres Signal am Photoempfänger 10 als andere Wellen­ längen. Um jedoch für alle in Frage kommenden Wellenlängen ein annähernd gleiches Signal zu erreichen, wird bei feststehender Abbildungslinse 5 das Kompaktspektrome­ ter 7 in der Richtung der optischen Achse 8 der Lichtquelle 2 verschoben.

Das wird bei den Spektrometeranordnungen nach Stand der Technik durch eine Ver­ schiebung entlang der gemeinsamen optischen Achse von Lampenhaus und Spektro­ meter vorgenommen. Sollen die beiden optischen Achsen 8 und 17 aber erfindungsge­ mäß einen Winkel α = 180° ± β mit β ≠ 0 einschließen, kann das, wie in Fig. 5 dargestellt, durch einen zwischen zwei Bezugsflächen 21 und 22 beigelegten Keil 23, der den ge­ wünschten Winkel β als Keilwinkel hat, erreicht werden. Im dargestellten Fall ist die Bezugsfläche 21 dem Kompaktspektrometer 7 bzw. der optischen Achse 17 und die Bezugsfläche 22 der optischen Achse 8 zugeordnet. Weiterhin kann eine der beiden Bezugsflächen 21 oder 22, vorzugsweise die Bezugsfläche 22, als Verschiebefläche die­ nen, so daß auf einfache Weise eine Justierung der optischen Achsen 8,17 zueinander möglich ist.

Denkbar ist dagegen auch, daß die der optischen Achse 8 zugeordnete Bezugsfläche 22 gegen die optischen Achse 8 bereits um den Winkel β geneigt ist. In diesem Fall stehen sich die beiden Bezugsflächen 21, 22 bereits parallel gegenüber, so daß das Beilegen eines Keiles mit dem Keilwinkel der Größe β nicht erforderlich ist.

Weitere Ausgestaltungen können vorsehen, nur einen Keil, jedoch mit über den gesam­ ten Wertebereich des Winkels β von +6° bis -6° verstellbarem Keilwinkel beizulegen oder mindestens eine der Bezugsflächen 21, 22 in der Relation zu der jeweils zugeordneten optischen Achse 8 bzw. 17 um den genannten Winkelbereich verstellbar anzuordnen.

Bei Verwendung eines Keiles mit verstellbarem Keilwinkel oder mit einer um den Winkel β verstellbaren Bezugsfläche 21 oder 22 kann die Wellenlänge λ, die bevorzugt senk­ recht auf die Empfangsfläche 15 treffen soll, variiert werden. Allerdings muß dabei ge­ währleistet sein, daß der Schnittpunkt beider optischer Achsen 8, 17 stets im Eintritts­ spalt 6 verbleibt.

Eine erfindungsgemäße Ausgestaltung ist auch insofern denkbar, als beispielsweise das Kompaktspektrometer 7 auf einem Führungsschlitten angeordnet ist, der sowohl um den Wertebereich ±β schwenkbar als auch in Richtung zur optischen Achse 8 ver­ schiebbar ist.

Bezugszeichenliste

1

Beleuchtungs- und Abbildungseinrichtung

2

Lichtquelle

3

Lichtbündel

4

Küvette

5

Abbildungslinse

6

Eintrittsspalt

7

Kompaktspektrometer

8

optische Achse

9

optisches Gitter

10

Photoempfänger

11

Scheitelpunkt

12

Schutzfenster

13

Innenfläche

14

Sensorelemente

15

Empfangsfläche

16

Zwischenraum

17

optische Achse

18

Verlängerung

19

Ort

20

Blende

21

,

22

Bezugsfläche

23

Keile

Claims (11)

1. Spektrometeranordnung, vorzugsweise zur Emissions- und Absorptions-Analyse einer Probe durch UV-VIS-Spektrometrie, mit einer Beleuchtungs- und einer Abbil­ dungseinrichtung, zwischen denen die Probe (4) angeordnet ist, und mit einer op­ tisch dispergierenden Einrichtung, in welche das von der Abbildungseinrichtung kommende Licht durch einen Eintrittsspalt (6) eintritt und auf ein dispergierendes Medium, vorzugsweise ein abbildendes optisches Gitter (9), gerichtet ist, von dem es auf die in einem Array angeordneten Sensorelemente (14) eines Photoempfän­ gers (10) gelenkt wird, wobei den Sensorelementen (14) ein transparentes Schutz­ fenster (12) und ein gasgefüllter, sich zwischen Schutzfenster (12) und Senso­ rempfangsfläche (15) erstreckender Zwischenraum (16) vorgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß die zwischen dem Eintrittsspalt (6) und dem dispergierenden Medium ausge­ bildete optische Achse (17) mit der optischen Achse (8) der Abbildungseinrich­ tung einen Winkel a = 180° ± β mit β ≠ 0 einschließt,
• 2. wobei der Schnittpunkt der beiden optischen Achsen (8,17) im Eintrittsspalt (6) liegt und der Winkel β so bemessen ist,
• 3. daß der Mittenstrahl eines durch eine ausgewählte Wellenlänge λ charakterisier­ ten Strahlenbündels senkrecht auf die Sensorempfangsfläche (15) trifft.

2. Spektrometeranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ leuchtungseinrichtung und die Abbildungseinrichtung einerseits und die disper­ gierende Einrichtung andererseits jeweils als kompakte Baueinheiten ausgeführt und mit einander zugewandten Bezugsflächen (21, 22) zur gegenseitigen Lagefi­ xierung verbunden sind.

3. Spektrometeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Beleuchtungs- bzw. der Abbildungseinrichtung zugeordnete Bezugsfläche (22) par­ allel zur optischen Achse (8) der Abbildungseinrichtung und die der dispergieren­ den Einrichtung zugeordnete Bezugsfläche (21) parallel zur optischen Achse (17) der dispergierenden Einrichtung ausgerichtet sind und zur Einstellung des Winkels β wahlweise Keile (23) mit unterschiedlichen Keilwinkeln, die dem Wertebereich des Winkels β entsprechen, zwischen die Bezugsflächen (21, 22) einbringbar sind.

4. Spektrometeranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß minde­ stens eine der Bezugsflächen (21, 22) zur Lagepositionierung beider Baueinheiten gegen die optische Achse (8, 17) der zugeordneten Baueinheit um den Winkel β ge­ neigt ist, wodurch bei gegeneinander vorgespannten Bezugsflächen (21, 22) der Winkel β zwischen den optischen Achsen (8, 17) eingestellt ist.

5. Spektrometeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die dispergierende Einrichtung unter Beibehaltung des zwischen den optischen Achsen (8, 17) eingestellten Winkels β und des Schnittpunktes beider optischer Achsen (8, 17) in Richtung der optischen Achse (8) der Abbildungseinrich­ tung verschiebbar angeordnet ist.

6. Spektrometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die dispergierende Einrichtung und/oder die Beleuchtungs- und Ab­ bildungseinrichtung auf einem Führungsschlitten befestigt sind, der eine Drehung um den Schnittpunkt der beiden optischen Achsen (8, 17) sowie eine Längsver­ schiebung jeweils in Richtung auf die optische Achse (8 oder 17) der anderen Ein­ richtung ermöglicht.

7. Spektrometeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Winkel β einen Wert zwischen +6° und -6° hat, ausgenommen β = 0°.

8. Spektrometeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Winkel den Wert β = 6° hat, der ausgewählte Strahlungsanteil die Wellenlänge λ = 200 nm aufweist, als dispergierendes Medium ein optisches Git­ ter (9) mit 248 Linien/mm und einem Krümmungsradius von 116 mm vorgesehen ist und der Photoempfänger (10) aus 1024 Sensorelementen (14) besteht, die auf einer Länge von 25,6 mm zeilenförmig angeordnet sind.

9. Spektrometeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Abbildungseinrichtung eine Abbildungslinse (5) und eine der Abbildungslinse (5) vorgeordnete Blende (20) vorgesehen und Abbildungslinse (5) und Blende (20) so aufeinander abgestimmt sind, daß ein meridionaler Aus­ leuchtungswinkel auf das dispergierende Medium von 1,5° bis 4, 5° und ein saggi­ taler Ausleuchtungswinkel von 6,8° bis 13,6° erzielbar ist.

10. Spektrometeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Eintrittsspalt (6) unter Berücksichtigung des Abbildungs­ maßstabes der Abbildungslinse (5) eine Breite aufweist, die der 1,2- bis 1,5fachen Breite eines Sensorelementes (14) entspricht und durch die im Zusammenwirken mit den Abbildungseigenschaften des dispergierenden Mediums eine Spektrallinie des Lichtes mindestens drei, vorzugsweise vier nebeneinander liegende Sensorele­ mente (14) beleuchtet.

11. Spektrometeranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Schutzfenster (12) und die Sensorempfangsfläche (15) ge­ wölbt ausgebildet sind, wodurch alle vom dispergierenden Medium auf den Pho­ toempfänger (10) gerichteten Strahlungsanteile senkrecht auf die Sensorempfangs­ fläche (15) treffen.