DE2055706A1 - Zweibundelspektrometer - Google Patents

Description

****«< U V. Philips' Gloeiiampenfobrialcen

. AttiNo., -pur. ζ_ο .

Anmt/düng vomi n * 2^-32·011
11 ffov 1970

. ÄT. 1970 ' va / WJM.

Zweibünde!spektrometer.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Zweibündelspektrometer mit einem Polarisationsschalter, der die Polarisationsebene der von einer Strahlungsquelle herrührenden Strahlung zwischen zwei zueinander senkrechten Lage hin und her schaltet.

Häufig ist es erforderlich, ■ dass die Menge eines Stoffes, wie Wasserdampf, in einem für Strahlung durchlässigen Medium, z.B. in einem Gas, bestimmt wird. Z.B. wurde Heliumgas als das Värmetransportmedium in einem gasgekühlten Kernreaktor vorgeschlagen; bei einem derartigen System ist es wichtig, das Vorhandensein von Wasserdampf im Heliumkreis zu prüfen, weil das Vorhandensein eines solchen Stoffes auf eine Störung hindeuten könnte« die beseitigt werden muss.

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PHB. 32O¹I- - 2 ~

Ein Zweistrahlspektrometer der eingangs erwähnten Art \sX aus der deutschen Patentanmeldung P 19 24 787.1 bekannt. In dieser bekannten Vorrichtung wird das aus dem Polarisationsschalter austretende Strahlenbündel von einem polarisationserapfindlichen Strahlenteiler in zwei Teil-· bündel, eines Signalbündel und eines Bezugsbündel, aufgespaltet. Diese Bündel durchlaufen verschiedene Lichiwege, in jo~

fe dem von denen eine Messzelle angeordnet ist.

Die Erfindung bezweckt, ein Zweibündelspektrometer au schaffen, in dem das Signalbündel und das Bezugsbimdel die gleichen Wege verfolgen und beide das zu prüfende Medium ; durchlaufen. Das Zweibündelspektrometer nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Strahlungsquelle und dem Polarisationsschalter nacheinander eine das Strahlenbündel in zwei Teilbündel mit zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen aufspaltende Polarisationsvorrichtung, eine Filtervorrichtung, mit deren Hilfe die Frequenz eines der

^ . Teilbündel auf ein schmales Frequenzband innerhalb der Strahlungsabsorptionsbande des Stoffes und die Frequenz des anderen Teilbündels auf ein ausserhalb der Strahlungsabsorptionsbande des Stoffes und des Mediums liegendes Frequenzband beschränkt wird, und ein Analysator angeordnet sind. Dadurch können wechselweise zwei Teilbündel durch das Medium hindurchgeschickt werden, von denen einer von dem Stoff abgeschwächt wird, während der andere nicht beeinflusst wird.

Nach einem weiteren Merkmal des erfindungsgeraSssen

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PHB. 320?¹.

"Z^oibüiidol.spekti'üiuetex'ss bestehen die Strahleneintritts- und -Aust rx t t söl'l nungen dos das zu prüfende Medium en I. ha J tendon Kaumos aus Strahlungsl ei tern, die eine derartig? Form aurweisen, dass die Teil bündel beim Eintreten in und beim Austreten aus dem Raum nahezu die gleiche räumliche Verteilung au !"weisen.

Vorzugsweise ist die Strahlungsquelle eine modulierte Strahlungsquelle, derart, dass die Strahlung eine Korn- ^ ponente mit gleichmässiger Intensität und eine Wechselkomponente mit einer bestimmten Frequenz enthält, welche Komponenten ein konstantes relatives Amplitudenverhältnis haben. Die Wechselkompoiiente liefert also ein Signal mit der Hpzupsamplituds" beim Vergleichen der Intensitäten des ersten und des zweiten Teilbündels.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines Zweibündel spektrometer s nach der Erfindung, und ^

Fig. 2 schematisch die in der Ausführungsform nacn Fig. 1 verwendete elektrische Schaltungsanordnung.

In Fig. 1 wird ein Heliumgasmuster über einen

Einlass 2 aus einer nicht dargestellten Heliumquelle in eine Musterzelle 1 eingeführt. Das Heliumgas kann über einen Auslass 3 zu der Quelle zurückgeführt werden. Eine Quelle.'+ von Infrarotstrahlung besteht aus einer Wolframlampe, die unterhalb ihres Nennwertes betrieben wird, um eine lange Lebensdauer und eine gleichmässige Strahlungsausbeute zu erzielen.

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pur?. τ: ο ' ·.

Von ei no r Linse ^ry wird die von der· Quollt? h ausgehende .Sfr;>'ilung in ein konvertierendes Itfindei umgewandelt. Zwei Poi.-irisaloren (> und 7 wi-ntl nebeneinander im Strahlengang hi'ifotder Linse 5 angeordnet. Die aus dem Polarisator 6 austretende Strahlung ist in der Zeichnungsebene linear polarisiert ur?d fällt auf ein Filter 8. Das Filter 8 lässt ein schmales Frequenzband durch, dessen mittlere Frequenz von 1,87 /um mit der Mitte der Wasserdampfabsorptionslinie zusammenfällt. Das

Jg Filter 8 weist vorzugsweise die Form eines Interferenzfilter." auf. Infolgedessen tritt aus dem Filter 8 ein erstes TeiJ-bündel 10 aus, das in der Zeichnungsebene linear polarisiert ist und ein schmales Frequenzband aufweist, das innerhalb der Wasserdampi'absorptionsbande von 1,87 /um liegt.

Die aus dem Polarisator 7 austretende Strahlung ist in einer zu der Zeichnungsebene senkrechten Richtung linear polarisiert und fällt auf ein Filter 9· Das Filter 9, das vorzugsweise gleichfalls die Form eines Interferenzfilter

^ aufweist, lässt ein schmales Frequenzband mit etwa einer Wellenlänge von 1,7 /um durch. Ein zweites Teilbündel 11 wird erhalten, das in einer Richtung senkrecht zu der des ersten Teilätrahles 10 linear polarisiert ist. Sowohl das Durchlassband des Filters 8 als auch das Durchlassband des Filters O liegen in einem Bereich, in dem Kohlendioxyd nahezu nicht strahlungsabsorbierend ist, so dass gegebenenfalls im Heliumgas vorhandenes Kohlendioxyd die relativen Intensitäten der beiden Teilbündel nicht wesentlich beeinflussen wird.

Die beiden Teilbündel 10 und 11 werden auf ein aus

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PHB. %>l> Ι ! .

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Granat be.sfceheiidort den Faraday-Effekt aufweisendes Element 12 gerichtet, das vorzugsweise aus einem Yttrium-Eisen-Granat (YIG) oder einem von diesem abgeleiteten Stoff besteht. Das Element 12 liegt in einem Magnetfeld, das durch den Strom einer Quelle 14 bestimmt wird» die als Funktion der Zeit einen rechteekforraigen Strom liefert, wie er durch das Strom-Zeit-Diagramm 22 dargestellt ist, welcher Strom eine symbolisch ' ' mit 13 bezeichnete Steuerspule erregt. Die Polarisationsebene j jedes der beiden vom Element 12 durchgelassenen Teilbündel 10· und 11» weist wechselweise Richtungen auf, die den beiden Werten entsprechen, die der Strom I in verschiedenen Intervallen der Zeit t annimmt; der rechteckförmige Strom hat eine derartige Grosse, dass diese beiden Lagen der Polarisationsebene für ein betreffendes Teilbündel senkrecht aufeinander stehen. Vorzugsweise sind die Stromwerte derartig, dass die Polarisationsebene wechselweise um etwa +45° und um etwa -45° in bezug auf die Polarisationsrichtung verdreht wird, die das Teilbündel beim Austreten aufweist, wenn das Feld gleich null % ist.

Die Teilbündel 10' und 11· erreichen dann einen Analysator 15» der in bezug auf die beiden zueinander senkrechten Polarisationsebenen der betreffenden Teilbündel eine derartige Lage einnimmt, dass die Teilbündel wechselweise entsprechend der Dauer der beiden respektlven Werte des Stromes I durchgelassen werden.

Die Teilbündel treten auf diese Weise nacheinander aus dem Analysator 15 aua und gelangen durch ein Fenster 16

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in die Musterzelle 1, in der sie auf einen Hohlspiegel 1? j ^uffalllen. Das Fenster 16 weist die Form eines Stralilungsleiters auf, in dem die ihn durchlaufende Strahlung wiederi. ■ " holte Male total an seinen Seitenflächen reflektiert wird, während die Länge des Leiters derartig ist, dass t>edLiß .Austreten djLe beiden Teilbündel derart miteinander ve1Hn*äfcJbi£ '.-( sind, dass sie nahes?« den gleichen Weg sowohl durch, die nach,,,

^ inn^n gerichtete Begrenzung des Fensters 16 als auch durch

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das Heliumgasmuster in der Musterzelle 1 verfolgen. Die Teilbündel werden vom Spiegel 17 reflektiert und auf die nach innen gerichtete Oberfläche eines zweiten Zellenfensters 18 fokussiert, dass die gleiche Form wie das Fenster 16 aufweisen kann« Beim Austreten aus dem Fenster 18 gelangen die Teilbündel auf das empfindliche Gebiet eines Infrarotstrahlungsdetektors 19» in dem vorzugsweise Bleisulphid als Photoleiter angewandt wird. Die relativen Intensitäten der beiden Teilbündel werden z.B. mittels einer in dem Gang eines der Bündel angebrachten veränderlichen öffnung, derart eingestellt, dass, wenn in dem Heliummuster in der Zelle 1 kein Wasserdampf vorhanden ist, das Ausgangssignal des Detektors 19 für die beiden Teilbündel gleich ist. Das Ausgangssigtuil des Detektors 19 wird synchron mit dem Strom-Zeit-Diagramm 22 moduliert urui dieses modulierte Ausgangssignal wird mit Hilfe einer Vorrichtung 20 sichtbar gemacht. Dieses Signal zeigt die durch. Absorption in dem in der Zelle 1 vorhandenen Wasserdampf herbeigeführte Verringerung der Intensität des ersten Teilbündeis in bezug auf die des zweiten Teilbündels axt. Der

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Betrag dipper Absorption i.sl ein Maos für die KonzeniJ^ation des gegebenenfalls in" dem Heliunigasmuster in der Zelle 1 \ urhandenen Wa.s.sprdampf'es.

Fig.. 2 zeigt schematise!! die Schaltungsanordnung,

dio beim Messen mit der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendet wi>. <'. Das Ausgangs signal einer Lichtquelle 24, die aus der Volframlanipe 4 besteht, wird von einem Modulator 25 derart gesteuert , dass die Intensität der emittierten Strahlung eine konstante Gleichstromkomponente und eine Wechselkomponente mit einer Frequenz von 30 Hz enthält. Das Verhältnis zwischen den Spitzenintensitäten der Gleichstrom- und Wechselstromkomponenten der emittierten Strahlung wird nahezu konstant gehalten.

Der Block 32 in dem Gang der von der Quelle 24 herrührenden Strahlung enthält das aus Yttrium-Eisen-Granat bestehende den Faraday-Effekt aufweisende Element 12 und die zugehörige Spule 13» die von der Quelle 14 gespeist wird, die einen rechteckigförmigen Strom liefert, dessen Viederliolungsfrequenz beträchtlich höher als die der von der Quelle 24 Λ

emittierten Wechselkomponente ist.

Das Ausgangssignal des Strahlungsdetektors 1Q vzrd von einem Vorverstärker 26 und einem Verstärker 27 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor verstärkt. Das Signal des Verstärkers 27 wird dem Eingang eines abgestimmten Verstärkers 29 mit einem festen Verstärkungsfaktor zugeführt, der bei der Frequenz des der den Faraday-Effekt aufweisenden Vorrichtung 32 zugeführten rechteckförmigen Stromes Resonanz aufweist. Das Ausgangssignal des Verstärkers 29 wird einem

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BAD ORlGtNAL

Synchrondemodulator 31 zugeführt, der tnit eine» signal der Quelle ΐ4 gespeist wird» i)as Ausgaii Synchrondemodulator^ 3t i$t ei¹¹ Signal, dessin Aircpli t-ycie v/»r dem Umterschied zwischen den Intensitäten ctes erstell unc. c'ee zweiten Teilbündels, die auf den Detektor T9 auffallen, κί·..— hängig ist» Die Intensität des zweiten Teilbündels wird ciurv das Vorhandensein von Wasserdampf nahezu nicht beeinflusst£ dieses Bündel dient also als Bezugsbündel. Die Intensität des ersten Teilbündels, die derart eingestellt ist, dass sie bei* Fehlen von Wasserdampf gleich der des zweiten Teil blinde L t- is! , wird um einen Betrag herabgesetzt, der von der Konzentration von Viasserdampf in dem Muster abhängig ist. Auf diese Weise wird durch das wechselweise Durchlassen der beiden Teilbünde" beim Vorhandensein von Wasserdampf im Muster ein Aus^an^esigr nal hervorgerufen, das dem Synchrondemodulator 31 e.ntwotDrn'-i.i.i. wird und dessen Amplitude also von der im Muster vorhandenen Wa s s er dampf menge abhängig iöt. _λ ■.....·.

Die Amplitude des Ausgangs signals des Syrichron-

demodulators 31 wird jedoch auch beeinflusst durch Änderungen von Parametern des Systems, wie die Empfindlichkeit des Strahlungsdetektors 19» die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 26 und 27, und von denjenigen Parametern, die die Intensitäten der auf den Strahlungsdetektor 19 auf fall eixd^n Teilbündel bestimmen, wie die Intensität der Quelle 2^1, die Durchlassfaktoren der Fenster 16 und 18, der Reflexiquskoeffizient des Spiegels 17» der Wirkungsgrad der StrahiungsXeitor und das Ausmass, in dem diese Strahlungsleiter ausgericlltet

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sind. Der Effekt cierartiger Änderungen im System wird für die beiden Teilbündel dadurch nahezu gleich gemacht, dass diese Teilbündel zwangsweise einen nahezu gleichen Weg durch die Zelle und durch die nach innen gerichteten Grenzflächen der Fenster 16 und 18 verfolgen, auf welchen Fenstern z.B. Staub niederschlagen kann.

Der Effekt derartiger Änderungen von Parametern des Systems auf die Amplitude des Ausgangssignals des Demodulators 31 wird von einer automatischen Verstärkungsregel^elia L-tung nahezu beseitigt, mit deren Hilfe die Amplitude des von der 3O Hz-Wechselkomponente der Quellenintensität abgeleiteten Signals und also auch die Amplitude des die Intensität des zweiten Teilbündels anzeigenden Signals can Ausgang des Verstärkers 27 mit veränderlichem Verstärkungsfaktor nahezu konstant gehalten werden.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 27 wird über

einen abgestimmten Verstärker 28 mit festem Verstärkungsfak- M tor, der bei der Frequenz der 30 Hz-Wechselkomponente der Quelle 2k Resonanz aufweist, einem Synchrondemodulator 30 zugeführt, der auch mit einem 30 Hz-»Bezugsausgangssignal des Modulators 25 gespeist wird. Mit Hilfe des Ausgangssignals des Demodulators 30 wird dann die Verstärkung des Verstärkers .?7 niit veränderlichem Verstärkungsfaktor derart geregelt, dass die Amplitude des 30 Hz-Signals am Ausgang dieses Verstärkers nahezu konstant gehalten wird. Wenn das Ausgangssignal des Demodulators 30 unter einen Mindestwert herabsinkt, was auf eine zu gro*ee Absorption der Strahlung z.B. infοLge des Vor- '

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handenseins von Staub auf den nach innen gerichteten über- ' flächen der Zellenfenster hindeutet, oder wenn dan Au^.-, iii{^J,ssignal wegfällt, was auf einen Defekt der Quell«» Γ-■'* liiiiUcutet, wix-d dieser Zustand in einer Alarmschaltung detek-tiort , 41,0 e^,n g·eeignestes Alarmsignal abgibt.

,Die Wirkung der₍ Verstärkungsregelschaltung €?rniö>>'-

licht es, dass durch Vermittlung von Ausgangs- und Alarm- *** m schaltungen 3k das ,Ausgangssignal des Synchrondemodulators 3 I zum sofortigen Sichtbarmachen der relativen Konzentration von Wasserdampf im Muster in einer geeigneten Anzeigevorrichtung verwendet werden kann, welche Anzeigevorrichtung derart überwacht werden kann, dass ein Alarmsignal abgegeben wird, wenn die Amplitude und somit die relative Wasserdampfkonzentration einen bestimmten Schwellwert überschreitet.

Eine mögliche Abwandlung des Zweibündelspektrometers nach der Erfindung besteht darin, dass die Musterzelle,

ti sich zwischen der Quelle 4 und der Linse 5 befindet. Dabei ■

muss die von der Quelle₍ k herrührende Strahlung, die die Zelle und die nach innen gerichteten Zellenfenster durchläuft, auf zweckmässige Weise in bezug auf die Bildung der beiden Teilbündel 10 und 11 derart vermischt werden, dass jede örtliche Schwächung der Strahlung auf dem Wege zu der Mustorzelle eine nahezu gleiche Herabsetzung der Intensität jedes der Teilbündel 10 und 11 zur Folge haben wird.

Die den Faraday-Effekt aufweisende Rotationsvorrichtung 12 kann auch durch eine Vorrichtung ersetzt werden, In der eine oder^: mehrere Platten verwendet werden, die aus

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einem Stoff' bestehen, der eine Rotation der Polarisationsebene in Abhängigkeit von einem angelegten elektrischen Feld herbeiführen kann.

Die Strahlung braucht nicht von einem Spiegel 1? in der Musterzelle 1 reflektiert zu werden, sondern kann über .das auf einer Seite der Zelle liegende Fenster Io durch dir* Zelle hin auf ein auf der anderen Seite der Zelle liegendes Fenster 18 gerichtet werden. Im Strahlengang kann eine LiriPe ™ angeordnet werden, mit deren Hilfe Strahlung aus dom Fenster 16 auf das Fenster 18 konzentriert werden kann. Die Linse kann auch fortgelassen werden, wenn die Intensität der Quelle h und die Empfindlichkeit des Detektors 19 genügend gross sind.

Die beschriebene Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf das Messen der relativen Wasserdampfmenge in Heliumgas, aber die Erfindung kann auch zum Messen der relativen Menge anderer in für Strahlung durchlässigen Medien M vorhandener Stoffe verwendet werden. Derartige Medium können gasförmig, flüssig oder fest sein, stets unter der Voraussetzung, dass geeignete Absorptions- und Bezugsbanden oder -Frequenzen für die beiden Komponenten auf die beschriebene Weise verwendet werden können.

OFHGiNAU !NSPECTgD 109822/1261

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Claims (2)

1. 205Ü706

   !'Uli. Ί .¹O I I . - 12 P A T E N TANS P » U C H E.

   , 1 J Zweibündelspektrometer mit einem Polarisaΐionsschalter, der die Polarisationsebene der von einer Strahlung quelle herrührenden Strahlung zwischen zwei zueinander senkrechten Lagen hin und her schaltet, dadurch gekennzeiclmol, dass zwischen der S t. rahlungsquelle und dem Polari sationssdin ter nacheinander eine das Strahlenbündel in zwei Teil bündel mit zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen aui'spaltende Polarisationsvorrichtung, eine Filtervorrichtung, die das Frequenz eines der Teilbündel auf ein schmales Frequenzband innerhalb der Strahlungsabsorptionsbande des Stoffes und die Frequenz des anderen Teilbündels auf ein ausserhalb der Strahlungsabsorptionsbande des Stoffes und des Mediums liegendes Frequenzband beschränkt» und ein Analysator angeordnet sind.
2. 2. Zweibündelspektrometer nach Anspruch 1, dadurch

   gekennzeichnet, dass die Strahlungseintritts- und -Austrittsöffnungen des das zu prüfende Medium enthaltenden Raumes aus Strahlungsleitern bestehen, die eine derartige Form aufweisen, dass die Teilbündel beim Eintreten in und beim Austreten aus dem Raum nahezu die gleiche räumliche Verteilung aufwoi^c: 3· Zweibündelspektrometer nach Anspruch I oder 2,

   dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle eine modulierte Strahlungsquelle ist, derart, dass die Strahlung eine Komponente mit gleichmässiger Intensität und eino Wcclusolkomponente mit einer bestimmten Frequenz enthält , we I die Komponenten ein konstantes relatives Ampl i tudenverhä 1 t jii s nut'-

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