DE19900308A1

DE19900308A1 - Echelle-Spektrometer geringer Baugröße mit zweidimensionalem Detektor

Info

Publication number: DE19900308A1
Application number: DE1999100308
Authority: DE
Inventors: Heinz Falk; Alexander Termanis
Original assignee: Spectro Analytical Instruments GmbH and Co KG
Current assignee: Spectro Analytical Instruments GmbH and Co KG
Priority date: 1999-01-07
Filing date: 1999-01-07
Publication date: 2000-07-13
Anticipated expiration: 2019-01-08
Also published as: DE19900308B4

Abstract

Es wird ein leistungsfähiges Spektrometer mit linearen Abmessungen kleiner als 120 mm beschrieben, welches im Spektralbereich von oberhalb 800 nm bis unterhalb 150 nm anwendbar ist. Das erfindungsgemäße Spektrometer arbeitet mit gekreuzter Dispersion durch Echelle-Gitter und Prisma und weist durch eine optimierte geometrische Anordnung von asphärischem Kollimatorspiegel und sphärischem Kameraspiegel eine weitgehend stigmatische Abbildung der Eintrittsapertur auf einen zweidimensionalen segmentierten Empfänger auf. In Abhängigkeit von den gewählten Spektrometerparametern kann eine spektrale Auflösung bis zu 10 pm erreicht werden. Das erfindungsgemäße miniaturisierte Spektrometer eignet sich insbesondere für den Einsatz in der Atomemissionsspektrometrie.

Description

1. Hintergrund der Erfindung

Die Anforderungen an optische Spektrometer für die analytische Chemie sind auf Grund der Forderungen nach einer Ausweitung des verfügbaren Spektralbereiches und gleichzeitiger Erhöhung des spektralen Auflösungsvermögens gewachsen. Als Beispiel sei hier der Einsatz optischer Spektrometer für Emissionsanalyse mittels ICP (Inductive Coupled Plasma) genannt, wobei der Spektralbereich bis in den kurzwelligen Bereich von 120 nm mit einem gewünschten spektralen Auflösungsvermögen von kleiner 10 µm erweitert wurde [1]. Inzwischen konnte gezeigt werden, daß die oben genannten Forderungen nur mit erheblichem Aufwand durch Spektrometeranordnungen mit eindimensionaler Verteilung der Spektralelemente erfüllt werden können. Vielmehr eignen sich dazu Geräte, welche eine zweidimensionale Anordnung der Spektralelemente verwenden, z. B. durch Spektrometer mit gekreuzter Dispersion zumeist durch Kombination von einem Echelle-Beugungsgitter mit einem Dispersionsprisma als Querdisperser [2]. Eine entscheidende Voraussetzung für die praktische Nutzung zweidimensionaler Spektralverteilungen ist die Verfügbarkeit geeigneter segmentierter Detektoren für die nachzuweisende Strahlung.

Die bisher realisierten Echelle-Spektrometer mit Flächenempfängem sind noch relativ groß, mit typischen Brennweiten von 300 bis 500 mm [2, 3]. Nachteile der bestehenden Anordnungen sind neben der Baugröße ein relativ komplizierter optischer Aufbau und die Notwendigkeit der Verwendung speziell angepaßter segmentierter Detektoren (Arrays), deren Entwicklung einerseits Kosten mit sich bringt und andererseits Designänderungen infolge wechselnder Anwendungsforderungen erschwert.

Die erfindungsgemäß zu lösende Aufgabe besteht also darin, ein optisches Spektrometer mit zweidimensionalem Detektor vorzustellen, welches im Spektralbereich von 120 bis 900 nm einsetzbar ist, dessen größte lineare Abmessung etwa kleiner 150 mm ist und mit handelsüblichen Arrays, wie zum Beispiel den in Videorecordem eingesetzten CCD-Detektoren, ausgerüstet werden kann.

2. Erfindungsbeschreibung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, indem die Bauelemente eines zweidimensional dispergierenden Spektrometers, bestehend aus Eintrittsapertur, erstem Konkavspiegel, Echellegitter, Prisma, zweitem Konkavspiegel und Array- Detektor derart angeordnet werden, daß die im genutzten Spektralbereich auftretenden Abberationen vernachlässigbar klein werden. Im Einzelnen besitzt der erste Konkavspiegel, der Kollimator, eine optimierte torische Oberfläche mit unterschiedlichen Krümmungsradien senkrecht und parallel zur Einfallsebene, wobei der Mittelpunktsstrahl durch die Eintrittsapertur und das Zentrum des Kollimators mit dem von letzterem reflektierten Strahl zum Zentrum des Echelle-Gitters einen möglichst kleinen Winkel von ca. 10° einschließt. Analog erscheint das in Ausbreitungsrichtung der Strahlung hinter dem Echelle-Gitter angeordnete Dispersionsprisma unter einem relativ kleinen Winkel von ca. 20° gegenüber dem Mittelpunktsstrahl Kollimator zum Echelle-Gitter. Durch die vorher definierte Anordnung wird der hinter dem Dispersionsprisma angeordnete zweite Konkavspiegel, der sphärische Kameraspiegel, mit seinem Zentrum nur um wenige Winkelgrad gegenüber dem Mittelpunktsstrahl durch die Eintrittsapertur in Richtung Echelle-Beugungsgitter angeordnet.

Im Vergleich zu bekannten Echelle-Spektrometern mit zweidimensionaler Dispersion ist die erfindungsgemäße Anordnung geeignet mit einer minimalen Anzahl von optischen Elementen eine weitgehend stigmatische Abbildung der Eintrittsapertur in die Detektorebene zu erreichen. Zum Beispiel kann dieses Ergebnis bei bekannten Anordnungen nur durch zusätzliche optische Elemente, wie Schmidt-Platte und Feld- Korrekturspiegel (4) oder einem tetraedrischem Aufbau mit zusätzlichen Aperturbegrenzern (5) erreicht werden. In allen diesen Fällen läßt sich der Aufbau nicht soweit verkleinern wie die erfindungsgemäße Lösung.

3. Ausführungsbeispiel

Die erfindungsgemäße Anordnung soll nachfolgend an einem Beispiel näher erläutert werden.

Ein schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung ist in Abb. 1 etwa maßstabsgerecht als Draufsicht dargestellt. Die Grundfläche der Montageplatte (8) beträgt etwa 120.90 mm. Die zu analysierende Strahlung tritt durch die Eintrittsapertur (1) ein. Der Verlauf der Strahlung ist durch die mit Pfeilen versehenen Zentralstrahlen gekennzeichnet. Die von der Strahlung ausgefüllten Raumwinkel sind jeweils durch die Begrenzungen der optischen Bauelemente vorgegeben und sind in Abb. 1 zur Vereinfachung nicht eingezeichnet. Das Öffnungsverhältnis beträgt ca. f/10. Nach Durchtritt der Strahlung durch die Eintrittsapertur (1) mit einem typischen Durchmesser von 30 µm wird sie durch den torischen Spiegel mit 70 mm Brennweite parallelisiert und trifft auf das Echelle-Beugungsgitter (3) mit ca. 50 Strichen/mm parallel zur Zeichenebene. Die vom Echelle-Gitter senkrecht zur Zeichenebene gebeugte Strahlung gelangt auf das Dispersionsprisma (4) mit einem brechenden Winkel von ca. 55°, von welchem es innerhalb der Zeichenebene zerlegt wird. Die nun in zwei zueinander senkrechte Richtungen zerlegte Strahlung gelangt auf den Kameraspiegel (5), dessen optisch wirksame Fläche etwa das Vierfache der Fläche des Kollimatorspiegels (2) entspricht. Vom Kameraspiegel (5) wird die dispergierte Strahlung auf den zweidimensional segmentierten Strahlungsempfänger (6) in Form eines Echellogrammes abgebildet. Die Ansteuerung des Empfängers und die Datenvorverarbeitung erfolgen mit Hilfe der Elektronikkarte (7).

In Abb. 2 ist der vom Echellogramm bedeckte Teil des segmentierten Empfängers dargestellt. Die von Linien des Eisenspektrums belegten Pixel sind als kleine Quadrate in Abb. 2 eingetragen. Die Ausschnittsvergrößerung zeigt benachbarte Eisenlinien, welche noch getrennt werden können.

4. Literatur

1 P. Heitland, K. Krengel-Rothensee und U. Richter, GIT Laborfachzeitschr. 42, 779 (1998).
2 M. J. Pilon, M. B. Denton, R. G. Schleicher, P. M. Moran and S. B. Smith, JR., Appl. Spectrosc. 44, 1613 (1990).
3 T. W. Barnard, M. I. Crockett, J. C. Ivaldi and P. L. Lundberg, Anal. Chem. 65, 1225 (1993).
4 T. W. Barnard, M. I. Crockett, J. C. Ivaldi und P. L. Lindberg, Anal. Chem. 65, 1225 (1993).
5 H. Becker-Roß und S. V. Florek, Spectrochim. Acta B 52, 1367 (1997).

Claims

1. Optisches Spektrometer bestehend aus einer Eintrittsapertur, einem Kollimatorspiegel, einem Echelle-Beugungsgitter, einem Dispersionsprisma, wobei die Dispersionsebene des Echelle-Beugungsgitters parallel zur brechenden Kante des Dispersionsprismas verläuft, einem Kameraspiegel und einem zweidimensional segmentierten Empfänger dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimatorspiegel eine torische Oberfläche besitzt, die Eintrittsaperturebene im Abstand des halben Torusradius R(p) parallel zur brechenden Kante des Dispersionsprismas angeordnet ist, ferner der in der dazu senkrechten Ebene liegende Torusradius R(s) um 1.5% bis 2.5% kleiner ist als R(p), ferner das Zentrum der Eintrittsapertur mit dem Scheitelradius des Kollimatorspiegels einen Winkel von etwa 5° bildet, ferner das Dispersionsprisma etwa mittig zwischen Echelle-Beugungsgitter und sphärischem Kameraspiegel angeordnet ist, ferner das Echelle-Beugungsgitter etwa symmetrisch zwischen Scheitel des Kollimatorspiegels und dem Zentrum des Dispersionsprismas angeordnet ist, ferner der ebene segmentierte Empfänger vom Scheitel des sphärischen Kameraspiegels im Abstand von dessen halbem Krümmungsradius R(k) angeordnet ist, wobei R(k) etwa gleich 0,9.R(p) ist und der Abstand zwischen den Zentren von Eintrittsapertur und segmentiertem Empfänger kleiner als 0,9.R(p) gewählt ist und der Scheitelradius des Kameraspiegels mit dem Zentrum des segmentierten Empfängers einen Winkel von etwa 6° bildet.

2. Optisches Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der torische Kollimatorspiegel aus Metall besteht, welches mit Hilfe eines optische Qualität gewährleistenden Herstellungsverfahrens bearbeitet wurde.

3. Optisches Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Komponenten Kollimatorspiegel, Beugungsgitter, Prisma und Kameraspiegel unter Einhaltung der erforderlichen Lagetoleranzen fest auf eine mechanisch stabile Trägerplatte montiert, insbesondere auf die Trägerplatte geklebt sind.

4. Optisches Spektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte aus Metall besteht.

5. Optisches Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsapertur durch einen Lichtwellenleiter, insbesondere einem solchen mit dem erforderlichen Durchmesser von ca. 20 µm gebildet wird.

6. Optisches Spektrometer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsapertur einen rechteckigen Querschnitt besitzt, wobei insbesondere die zur brechenden Kante des Dispersionsprismas parallele Seite der Eintrittsapertur kürzer ist als die dazu senkrechte Seite.

7. Optisches Spektrometer nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich der gesamte optische Aufbau in einem thermostatisierten gasdichten Gehäuse befindet, wobei letzteres mit einem transparenten Gas, vorzugsweise mit Argon gefüllt ist.