DE2236251C3 - Magneto-optisches Polarimeter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein magneto-optisches Polarimeter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, einen linear polarisierten Lichtstrahl durch eint Prüfzelle zu schicken, in welcher das zu untersuchende Gas einem Magnetfeld ausgesetzt ist, um eine magneto-optische Drehung des Lichtstrahles von der ersten Polarisationsebene in eine zweite Polarisationsebene zu bewirken. Eine orthogonal, linear polarisierende Einrichtung analysiert dabei die Polarisationsebene des Lichtes nach dem Durchgang durch die Prüfzelle. um das magneto-optisch gedrehte Licht aus dem Lichtstrahl auszusondern. Ein Photovervielfacher erfaßt das magnetooptisch bezüglich der Polarisationsebene gedrehte Licht und leitet daraus ein elektrisches Signal her. Das der Prüfzelle zugeführte Magnetfeld wird moduliert, um eine Modulation des magneto-optisch gedrehten vom Photovervielfacher erfaßten Signals zu bewirken. Die Modulationskomponente wird synchron mit einer Harmonischen des Modulationssignals verglichen, um ein Ausgangssignal abzugeben, welches ein Maß für die Menge des in der untersuchten Proben magneto-optisch wirksamen Materials darstellt

Ein anderer Analysator für die magneto-optische Drehung einer untersuchten Substanz ist ähnlich wie die vorgehend beschriebene Vorrichtung aufgebaut und ist insofern verbessert als im optischen Strahlengang ein Modulator für die Drehung der Refe.renzpolarisationsebene vorgesehen und mit einer bestimmten Referenzmodulationsfrequenz moduliert ist um im Ausgangssignal des Detektors eine Signalkomponente für die Referenzmodulation abzugeben. Das Referenzsignal hat eine von der magneto-optischen Drehung in der Prüfzelle unabhängige Amplitude und wird aus dem zusammengesetzten elektrischen Signal abgetrennt und zur Kompensation der Schwankungen in der Übertragungscharakteristik der Elemente in dem Analysator bei der Messung der Signalkomponente für die magnetooptische Drehung verwendet. Dadurch wird ein besseres Meßergebnis über die Menge der untersuchten Probe erhalten.

Bei beiden Analysatoren für die magneto-optische Drehung wird die zweite Harmonische der Signalmodulationsfrequenz als Zeitbasis für die phasenempfindliche bzw. synchrone Gleichrichtung des durch die untersuchte Probe erzeugten Signals gemäß der magneto-optischen Drehung verwendet, um ein Ausgangssignal abzuleiten, das integriert und gemessen wird und ein Maß für die Zusammensetzung der Probe darstellt. Dabei ergibt sich das Problem, daß die erfaßte Signalkomponente mit der doppelten Modulationsfrequenz nicht linear von der untersuchten Probe abhängt. Daher ist es schwierig, die Vorrichtung derart zu eichen,

daß ein genaues Maß der Menge des -»bekannten Gases erhalten WErdeakaniL ₃ '

Der Erfindung liegt somit vor altem die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen der eingangs genannten Art zur Analyse der raagneto^optischen > Drehung einer Probe derart zu verbessern, daß ein elektrisches AusgangssigTisl erhalten wird, welchesüneär proportional zu der Menge des in der untersuchten Probe enthaltenen magneto-optisch wirksamen Bestandteiles ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgetnäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Es wird also sowohl eine Drehung der Proben-Polarisationsebene als auch der-iReferenz-Polarisattonsebene des Prüflichtstrahles vorgesehen and wenigstens eine _J5 der Polarisationsdrehungen mit einer solcnen Modulationsfrequenz vorgenommen, daß eine elektrische Signalkomponente mit einer Frequenz erzeugt wird, die wenigstens einem der Seitenbänder der Rotationsfrequenzen der Proben- und Referenz-Polarisationsebenen entspricht. Die Amplitude des Seitenbandsignals stellt dann ein Maß für die Menge des in der Probe enthaltenen, in dem vom Detektor erfaßten optischen Frequenzband magneto-optisch wirksamen Materials dar, wodurch das gemessene Seitenband-Ausgangssignal linear der Materialmenge in der untersuchten Probe entspricht.

Vorzugsweise wird die zu messende elektrische Seitenbandkomponeme synchron gegenüber einer Referenzfrequenz gemessen, die dem Seitenband der Referenz- und Probenmodulationsfrequenzen entspricht

Zweckmäßigerweise wird die Drehung der Referenz-Polarisationsebene des Prüflichtstrahles erreicht, indem der linear polarisierte Prüflichtstrahl durch ein magnetooptisch wirksames Refercnzmedium gelangt, das gleich einem der Probenbestandteile in der untersuchten Probe ist.

Die Einrichtung zur Drehung der Referenz-Polarisationsebene weist vorzugsweise mehrere magneto-optisch aktive Referenzmedien in dem Strahlengang des Prüfstrahles auf, wobei jedes dieser Referenzmedien einem der zu untersuchenden Bestandteile der Probe entspricht. Die Referenzmedien können auch getrennt und hintereinander längs des Prüflichtweges mit einer Einrichtung zur getrennten Modulation der magnetooplischen Drehungen der entsprechenden Referenzmedien angeordnet sein.

Im folgenden werden bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert; es stellen dar

F i g. 1 eine Vorrichtung zur Analyse der magneto-optischen Rotation einer Probe,

F i g. 2 Diagramme der Lichtintensität als Funktion der Wellenlänge für ein Lampenspektrum, für ein Lampenspektrum abzüglich der durch bestimmte Probenbestandteile bezüglich der Polarisationsebene gedrehten Komponenten und für magneto-optische Rotationsspektren für die Probenbestandteile,

F i g. 3 Zeitfolgediagramme der Polarisationsdrehung für drei verschiedene Mengen, nämlich die Polarisationsdrehung durch die Referenzzelle, die Polarisationsdrehung durch die Probenzelle und die kombinierte Polarisationsdrehung durch die Referenz- und Probenzellen,

F i g. 4 ein Blockschaltdiagramm einer anderen Ausführungsform eines Analysators für die magnetooptische Drehung der Polarisationsebene,

Fig.5 ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform desjenigen Teiles 4er Vorrichtung nach F i g. 1, der durch die Luden 5-5 abgegrenzt ist und

Fig.6 ein Blockdiagramm einer anderen Ausfühningsform desjenigen Teiles der Vorrichtung nach Fig. I.derdurch die linien 6-6 abgegrenzt ist

Gemäß Fig. 1 und 2 ist ein Analysator 1 für die magnetooptische Rotation vorgesehen. Der Analysator 1 enthält eine Lichtquelle öder Lampe 2, beispielsweise eine Deuteriumlampe, die ultraviolette Strahlung mit einer Spektraldichte über der Wellenlänge (A) gemäß der Kurve 3 in Fig.2 erzeugt Das von der Lampe 2 ausgesandte Licht gelangt durch eine Einrichtung 4 zur linearen Pölarisierung, beispielsweise ein Glan-Taylor-Prisma aus Kalzit oder Quarz, in eine Probenzelle 5, beispielsweise einen nichtrostenden Stahlzylinder mit 12,7 mm Innendurchmesser und 101mm Länge mit Quarzfenstern 6 und 7, welche die gegenüberliegenden Enden der Zelle 5 abschließen. Das zu untersuchende Strömungsmittel, beispielsweise ein Gas oder eine Flüssigkeit wird mittels einer Eingangsleitung 8 durch die Zelle 5 einer Ausgangsleitung 9 zugeführt Auf dem Zylinder Ut eine Magnetspule 11 aufgewickelt welche erregt wird, um ein relativ starkes axiales Magnetfeld H mit einer starken Komponente in Richtung des durch die Probenzelle 5 gelangenden Strahlenganges zu geben.

Die Wirkung des Magnetfeldes H auf die magnetooptisch aktiven Moleküle oder Atome in dem zu untersuchenden Strömungsmittel der Probe besteht darin, daß die Polarisationsebene des Lichtes derart gedreht wird, daß ein kleiner Anteil des Lichtes um 90" bezüglich der Polarisationsebene des auf die Probe auftreffenden Lichtstrahles gedreht wird. Das durch die Probenbestandteile bezüglich der Polarisationsebene gedrehte Licht tritt in der Spektralverteilung der Lampe bei verschiedenen Wellenlängen auf. Beispielsweise stellt die Kurve 12 in Fig.2 die Lampenspektralverteilung abzüglich derjenigen Komponenten des Lichtstrahles dar, die um 90° auf Grund des Durchgangs der Probenbestandteile gedreht sind, welche NO, SOj, CH₂O und NO2 aufweisen. Die Spektralverteilung der verschiedenen Lichtkomponenten, die um 90° gedreht worden sind, geht aus den Kurven 13,14,15 und 16 der F i g. 2 hervor.

Der die gedrehten Komponenten enthaltende Lichtstrahl gelangt durch eine zweite Einrichtung 17 zur linearen Polarisation, die als Polarisationsanalysator dient. Der Analysator 17 weist eine bezüglich des Polarisators 4 orthogonale Polarisationsrichtung auf. Der Analysator 17, welcher im wesentlichen wie der erste Polarisator 4 aufgebaut ist, dient dazu, die Lichtkomponenten 20 zu trennen, welche um 90° bezüglich derjenigen Komponenten 21 gedreht worder sind, welche nicht gedreht worden sind. Der Ausgangs strahl 20 des Polarisators 17 gelangt zu einen Photovervielfacher-Detektor 19. Der Strahl 20 besteh 9US den gedrehten Komponenten ähnlich denjenigen die durch die Kurven 13 bis 16 in F i g. 2 dargestellt sind Andererseits bildet der Analysator 17 aus den verbleibenden Lampenlicht gemäß der Kurve 12 de Fig.2 einen zweiten Ausgangsstrahl 21. Jeder de Ausgangsstrahlen 20 und 21 enthält im wesentlichen di gleiche Information, der Strahl 20 hat jedoch ei verbessertes Signal/Rauschverhältnis.

Die Magnetspule 11 zur Erzeugung des axii gerichteten Magnetfeldes H in der Probenzelle 5 wir durch einen Leistungsoszillator 23 mit einer Frequen

ωι gespeist. Dadurch wird eine entsprechende Änderung der magneto-optischen Drehung des Lichtes durch die magneto-optisch wirksamen Bestandteile in der Probenzelle 5 innerhalb der Lichtbanden hervorgerufen, die den magneto-optischen Spektren der F i g. 2 entsprechen. Die durch das magnetische Wechselfeld der Frequenz ωι bewirkte Drehung der Probenpolarisationsebene ergibt sich aus der Kurve 24 in Fi g. 3. Daraus folgt, daß die Polarisationsdrehung durch die Probenbestandteile zwischen +1 und -1° bei der Frequenz ωι schwankt.

In dem optischen Strahlengang ist auch ein Referenzmodulator 25 vorgesehen, um eine Referenzdrehung der Polarisationsebene des Lichtes hervorzurufen, welches durch den Modulator gelangt. Der Modulator 25 kann in verschiedener Weise aufgebaut sein. Beispielsweise kann er ein akusto-optisches Filter aufweisen, wie es beschrieben ist in »Acousto-Optic Tunable Filter«, Journal of the Optical Society of America, Band 59. Nr. 6, S. 744 bis 747, und das Filter kann auf die Mittenfrequenz des magneto-optischen Rotationsspektrums des untersuchten Probenbestandteiles abgestimmt sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Modulator 25 eine Referenzquelle ähnlich der Zelle 5 auf, die ein magneto-optisch wirksames Referenzmedium enthält, das einem bestimmten zu untersuchenden Probenbestandteil entspricht. Die Zelle wird einem axialen rieferenzmagnetfeld ausgesetzt, um eine magneto-optische Referenzdrehung der Polarisationsebene des Lichtes in einem Frequenzband zu erzeugen, das einem bestimmten Spektrum in der zu untersuchenden Probenzelle entspricht. Wenn der Bestandteil NO in der Probenzelle 5 erfaßt werden soll, würde die Referenzzelle 25 mit NO als magneto-optisch aktivem Medium gefüllt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine zweite Modulationsfrequenz ω₂ für den Modulator 25 durch ein Ausgangssignal von einem Leistungsoszillatur 26 abgeleitet und zur Modulation des Magnetfeldes der Referenzzelle 25 oder zur Abstimmung eines elektrisch veränderbaren, akustooptischen Filterelementes verwendet. Wenn die Referenzmodulationsfrequenz ω₂ doppelt so groß wie die Probenmodulationsfrequenz ωι ist, hat die durch den Modulator 25 bewirkte Referenzmodulation des Lichtes die Kurvenform 27 der Fig.3. Die kombinierte Referenzmodulation und Probenmodulation der Drehung der Polarisationsebene hat die Form der Kunze 28 in F i g. 3. Durch die Analyse mittels des Analysator 27 wird diese Wellenform in die Komponenten 2 ωι und 2 ω₂ und Seitenbandkomponenten (ωι + ω₂) und (ωι - ω₂) zerlegt. Der mathematische Ausdruck für die analysierten Signalkomponenten lautet:

K²CjHl (1 - cos 2o,₂i) K²C]H] (1 - cos 2«, 1)

ί 1 + _

+ K²C₁ C₂H₁ H₂ COS (r·., - n,₂) t - COS (m, + O₂) I \ ( I)

Dabei bedeutet K eine Konstante, C₂ die Konzentration des Referenzmediums, Q die Konzentration des Probenmediums innerhalb der erfaßten optischen Bandbreite, H\ und /Z₂ die magnetischen Spitzenfeldstärken in den entsprechenden Proben und Referenzzellen, /0 die Eingangslichtintensität und tdie Zeit

Aus F i g. 1 ist ersichtlich, daß die Amplitude von jeder der Seitenbandkomponenten linear von der Konzentration eines magneto-optisch aktiven Bestandteiles oder mehrerer Bestandteile in der Probenzelle 5 und in dem erfaßten Lichtband abhängt, wogegen die Amplituden der harmonischen Signale 2 ωι und 2 ω₂ nicht linear von der Konzentration des besonderen Bestandteiles in der untersuchten Probenzelle abhängen. Es wird daher angestrebt, die .Seitenbandkomponenten zu erfassen, um eine aufwendige Eichung des Analysators zu vermeiden.

Meßwerte der elektrischen Ausgangssignale vom Oszütator 23 für die Frequenz ωι und vom Oszillator 26 für die Frequenz ω₂ werden in einem Seitenbandgenerator 29 zusammengefaßt, um Seitenbandkomponenten zu erzeugen, die dann in einem Eingang eines synchronen Detektors 31 zur synchronen Erfassung des Ausgangssignaies des Photodetektors 19 zugeführt werden. Die getrennten Seitenbandkomponenten sind Gleichspannungssignale, welche einem Filter 32 zugeführt werdea um Wechselspannungsanteile zu entfernen und/oder das Ausgangssignal zu integrieren, welches dann einer Anzeigevorrichtung 33 zugeführt wird, um die Konzentrationsmenge des oder der magnetooptisch wirksamen Bestandteile in der Probenzelle 5 anzuzeigen.

Der Seitenbandgenerator 29 braucht keinen herkömmlichen Seitenbandgenerator gemäß F i g. I auf zuweisen, sondern er kann einen Signalgenerator enthalten, der beide Frequenzen wi und ω: erzeugt wodurch die Oszillatoren 23 und 26 ersetzt werden. Zusätzlich würde er eine Seitenbandfrequenz oder Seitenbänder der beiden Frequenzen ωι und ω₂ zur Synchronisation des Detektors 31 erzeugen. Daher umfaßt der Seitenbandgenerator 29 im weitesten Sinne lediglich eine Synchronisationsvorrichtung für den synchronen Detektor 31. Der Seitenbandgenerator 29 braucht keine sinusförmigen Ausgangssignale zu erzeugen, sondern kann lediglich einen Impulsgenerator aufweisen, um die Drehungen der Referenz- und Proben-Polarisationsebene impulsweise zu ändern und einen impulsförmigen Ausgang mit einer Seitenband-Impulswiederholungsfrequenz der Referenz- und Probenimpulsfrequenzen zur Synchronisation des Detektors 31 zu erzeugen.

Der. Detektor 31 kann einen Vorwärts/Rückwärtszähler, einen synchron gesteuerten Schalter oder einen phasenempfindlichen Detektor umfassen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält der synchrone Detektor 31 einen Vorwärts/Rückwärtszähler welcher (in einer Richtung) vorwärtszählt, während die spezielle Seitenbandkomponente im Ausgang des Photodetektors 19 einen Maximalwert hat und {in der entgegengesetzten Richtung) rückwärts in einem gleichen Zeitintervall zählt, indem die Seitenbandkomponente einen minimalen Wert hat. Auf diese Weise wird das Rauschen in dem Signa! eliminiert Die Vorrichtung gemäß F i g. 1 ist über den Konzentrationsbereich von Η)-³ bis 10~⁷ der Probenbestandteile verwendbar. Bei relativ niedrigen Konzentrationen, beispielsweise bei 10-'. wird im Ausgang des Photovervielfachers 19 ein relativ großes Hintergrundrauschen durch Rauschimpulse hervorgerufen, und das zu messende Signal kann viel kleiner als das Rauschen sein. Beispielsweise werden im Ausgang des Photovervielfachers 19 ungefähr I0⁴ unregelmäßig auftretende Impulse pro Sekunde erzeugt, wogegen das Signal nur ungefähr 100 Impulse pro Sekunde erzeugt.

Somit ist die Intensität des Signales ungefähr zwei Größenordnungen geringer als das Rauschen, aus dem es herausgesiebt werden muß.

Der Ausgang des Photovervielfachers 19 weist eine Reihe von Impulsen mit Impulsbreiten von ungefähr 5 ns und einer Frequenz auf, die vom niedrigen Ende des Bereichs bis zum hohen Ende des Bereichs von 10⁴ bis 100 MHz reicht. Die Impulse vom Ausgang des Photovervielfachers 19 werden einem nicht dargestellten Impulsverstärker zugeführt, der sie verstärkt. Der Impulsverstärker hat vorzugsweise eine relativ große Bandbreite zur Verstärkung der relativ kurzen Impulse und die Verstärkung verläuft logarithmisch, so daß die Impulse mit niedriger Intensität wesentlich mehr verstärkt werden als die Impulse hoher Intensität Auf diese Weise haben die Ausgangsimpulse eine relativ konstante Amplitude und können einfach in dem Vorwärts/Rückwärtszähler des Detektors 31 gezählt werden.

Bei der Addition der Zählrate wird das Signal zo automatisch integriert. Nach einer vorbestimmten Zähl-Zeitspanne wird das Ausgangssignal des Zählers einem nicht dargestellten Übertragungsspeicher zugeführt und dann in einer Anzeigevorrichtung 33 dargestellt, um ein Maß für die Konzentration eines ausgewählten Bestandteiles in der Probenzelle 5 abzugeben. Beim Fehlen eines ausgewählten optischen Filters in dem Lichtweg zwischen der Lampe 2 und dem Photodetektor 19, der nur einen bestimmten Anteil der Spektralverteilung der Lampe 3 auswählt werden alle magneto-optisch aktiven Probenbestandteile durch den Analysator 1 gemessen und durch die Anzeigevorrichtung 33 angezeigt Für einen bestimmten Probenbestandteil wird ein hoher Grad an Empfindlichkeit erreicht wenn der besondere Bestandteil als magnetooptisch aktives Referenzmedium in der Referenzvorrichtung 25 zur Drehung der Polarisationsebene verwendet wird. Der Vorteil des Analysators 1 der F i g. 1 besteht darin, daß das Ausgangssignal leichter geeicht werden kann, da der Ausgang linear von der Konzentration des bestimmten Probenbestandteiles in der Zelle 5 abhängt. Zusätzlich hat der Analysator eine erhöhte Empfindlichkeit im Vergleich zu den bekannten Detektorsystemen.

In der Gleichung 1 kann eine der Frequenzen ωι oder W₂ Null sein. Daher kann der Analysator gemäß F i g. 1 wesentlich vereinfacht werden, indem ein Permanentmagnet oder eine mit Gleichstrom gespeiste Magnetspule verwendet wird, um ein unveränderliches magnetisches Feld in der Probenzelle 5 oder in der Referenzvorrichtung 25 zu erzeugen, falls ein magnetooptisch aktives Medium verwendet wird. Andererseits kann eine feststehende Einrichtung zur Drehung der Polarisationsebene verwendet werden oder der Ausgangsanalysator 17 kann aus der 90° -Phasenlage bezüglich des Eingangspolarisators 4 beispielsweise um 45° gedreht werden, um die nicht oszillierende Referenzdrehung der Polarisationsebene zu erzeugen. Der Seitenbandgenerator 29 ist dann nicht mehr erforderlich, da das Seitenband lediglich eine von Null verschiedene Modulationsfrequenz, nämlich ωι oder <a₂ ist Ein Meßwert für diese Modulationsfrequenz wird dem Referenzeingang des synchron arbeitenden Detektors 31 zur synchronen Erfassung der Ausgangsspannung des Photodetektors 19 zugeführt.

Daher vereinfacht die Verwendung einer »Null«-Modulationsf requenz ω, oder ω₂ die Analysatorvorrichtung 1 beträchtlich. Es ergibt sich jedoch ein Empfindlichkeitsverlust, da eine derartige durch Gleichspannung gesteuerte Drehung der Polarisationsebene nicht von einer geringfügigen Fehlausrichtung des Eingangspolarisators 4 bezüglich des Polarisationsanalysators 17 unterschieden werden kann. Derartige geringfügige Fehlausrichtungen führen im Ausgangssignals des Detektors 31 zu einem unerwünschten Signal. Andererseits ist ein solcher vereinfachter Analysator 1 zweckmäßig zur Aufzeichnung von Konzentrationen von Probenbestandteilen in der Größenordnung von 10"⁶. Empfindlichkeiten von weniger als 10~⁶ werden vorzugsweise in einem Analysator 1 mit Modulationsfrequenzen ωι und ü)2 ungleich Null gemessen.

In Fig.4 ist eine andere Ausführungsform eines Analysators 35 dargestellt. Die Vorrichtung nach F i g. 4 ist im wesentlichen dieselbe, wie sie vorher in Verbindung mit F i g. 1 beschrieben wurde, jedoch weist der Modulator 25 mehrere verschiedene magneto-optisch aktive Referenzmedien in einem durch eine Magnetspule 36 erzeugten gemeinsamen Magnetfeld auf. Die Referenzmedien befinden sich in getrennten Zellen 37,38 und 39. Zusätzlich weist der Analysator 35 nunmehr eine bezüglich der Verstärkung geregelte Kompensationseinrichtung auf, um Schwankungen in den Bauteilen des Analysators 35 auszugleichen. Obwohl die Referenzmedien in verschiedenen Zellen 37 bis 39 dargestellt sind, können sie auch in einer gemeinsamen Zelle untergebracht werden, wenn sie nicht miteinander reagieren. Die Magnetspule 36 erzeugt ein Magnetfeld H parallel zum optischen Strahl in jeder der Referenzzellen 37 bis 39, um eine magneto-optische Referenzdrehung des Strahles bei den entsprechenden optischen Wellenlängen gemäß den magneto-optischen Rotationsspektren für die betreffenden Referenzmedien zu erzeugen. Die magnetooptische Referenzrotation ist mit einer Frequenz ω₂ moduliert die von einem Oszillator 26 erzeugt wird, wie vorher unter Bezugnahme auf F i g. 1 beschrieben wurde.

Der bezüglich der Polarisation analysierte Ausgangsstrahl 20 wird durch ein Prisma oder Gitter 41 zur räumlichen Trennung des Ausgangsstrahles 20 in zwei getrennte Strahlen 42, 43 und 44 entsprechend den verschiedenen Wellenlängen innerhalb der Spektralverteilung der Lampe verlegt Es sind mehrere Analysatorschlitze 45, 46 und 47 vorgesehen, um die räumlich zerlegten Strahlen 42, 43 und 44 verschiedenen Photodetektoren 19/4,19ßund 19Czuzuf uhren.

Es ist ein Schalter 48 vorgesehen, um einen speziellen Ausgang der Detektoren 19A bis 19C zu wählen. Das Seitenband-Ausgangssignal am Ausgang des ausgewählten Photodetektors 19 wird durch den synchron arbeitenden Detektor 31 synchron bezüglich eines Referenzsignals vom Seitenbandgenerator 29 gleichgerichtet um das Seitenbandausgangssignal zur Messung abzutrennen. Der Ausgang des Detektors 31 stellt im Falle eines Vorwärts/Rückwärtszählers ein Maß für das spezielle Seitenbandsignal dar, welches auf der Anzeigevorrichtung 33 dargestellt werden soll. In anderen Fällen kann das Ausgangssignal vom Detektor 31 integriert werden, um ein Anzeigesignal zu erhalten.

Eine Kompensationsvorrichtung 49 für die Verstärkung ist vorgesehen, um Schwankungen der optischen und elektrischen Transmissionsparameter des Analysators 35 auszugleichea Eine derartige Kompensationsvorrichtung ist in der US-PS (Ser. Nr. i 61 846) beschrieben. Die Kompensationsvorrichtung 49 verwendet das Referenzmodulations-Ausgangssignal im

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Ausgang des Photodetektors 19 zum Ausgleich bezüglich einem Bezugswert, um ein Fehlersignal für die Verstärkungskompensation abzuleiten, das zur Bestimmung der Integrationslänge oder der Zählzeitdauer des gemessenen Signals verwendet wird und Schwankungen in der Übertragungscharakteristik der Elemente in dem Analysator 35 ausgleicht

Das Ausgangssignal des Oszillators 26 wird in einer Verdopplerschaltung 51 verdoppelt und dann einem Eingang eines Detektors 52 zugeführt, der wie der Detektor 31 in verschiedener Weise aufgebaut sein kann. Der Detektor 52 erfaßt das Referenzmodulationssignal, um ein Ausgangssignal unabhängig von Schwankungen in der Probenzelle 5 abzuleiten. Dieses Referenzausgangssignal wird der Kompensationsscha!- tung 49 zugeführt, um die Verstärkung des Analysator anzupassen und Schwankungen der Parameter des Analysator 3,5 auszugleichen.

Der Vorteil des Analysators 35 in Fig.4 besteht darin, daß die Menge der verschiedenen Bestandteile in der Probenzelle 5 durch die Schaltvorrichtung 48 leicht für verschiedene Detektoren 19/4 bis 19C gemessen werden kann. Andererseits braucht nur ein Photodetektor vorgesehen werden und dieser Detektor und der ihm zugeordnete Schlitz ist an dem Prisma 41 drehbar, um nacheinanderfolgend verschiedene optische Banden zu erfassen, weiche durch die Schlitzbreite und die Winkellage des Detektors und des Schlitzes bezüglich des Prismas 41 bestimmt sind. Bei einer anderen Ausführungsform können der Detektor 19 und der Schlitz stationär angeordnet sein und das Prisma 41 gedreht werden, um nacheinander optische Banden des analysierten und räumlich zerlegten Prüfstrahles 20 in den Schlitz und Detektor 19 zu drehen.

In F i g. 5 ist eine andere Ausführungsform desjenigen Teils der Anordnung nach F i g. 1 dargestellt der mit den Linien 5-5 bezeichnet ist Der Modulator 25 enthält mehrere getrennte Referenzzellen 37 bis 39, wie an Hand von F i g. 4 erläutert wurde, und jede Referenzzelle hat ihre eigene zugeordnete Magnetspule 55,56 bzw. 57, um ein Magnetfeld in den entsprechenden Referenzzellen 37 bis 39 zu erzeugen. Jede Magnetspule 55 bis 57 wird bei einer getrennten Referenz-Modulationsfrequenz ω_Λ ω* bzw. u>_c betrieben, die von den

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Referenzoszillatoren 58,59 bzw. 61 abgeleitet ist.

Daher erzeugt der Referenzmodulator 25 mehrere verschiedene Seitenbandkomponenten gleichzeitig im Ausgang des Photodetektors 19. Diese Seitenbandkomponenten werden getrennt synchron durch die Detektoren 62,63 und 64 bezüglich Seitenbandreferenzsignalen erfaßt, die von Seitenbandgeneratoren 65,66 bzw. 67 abgeleitet sind. Die Seitenbandgeneratoren 65 bis 67 verbinden die Referenzsignale ω_Λ a>_b und et)_c mit der Probenmodulationsfrequenz ω,, um die entsprechenden Seitenbandreferenzsignale zu erzeugen, die den synchron betriebenen Detektoren 62 bis 64 zugeführt werden.

Der Ausgang der entsprechenden Detektoren 62 bis 64 wird Anzeigevorrichtungen 68 bis 7! zugeführt, um die Menge des entsprechenden Probenbestandteiles in der Probenzelle 5 nach Maßgabe des magneto-optisch wirksamen Referenzmediums darzustellen. Der Vorteil der Ausführungsform gemäß F i g. 5 besteht darin, daß eine zusätzliche Messung und Darstellung der verschiedenen getrennten Probenbestandteile erhalten wird.

In F1 g. 6 ist eine andere Ausführungsform desjenigen I eils der Vorrichtung dargestellt die in F i g. 1 durch die Linien 6 begrenzt ist Die Vorrichtung gemäß Fig.6 gleicht .m wesentlichen derjenigen der Fig.5, jedoch wird der Referenzmodulator 25 nunmehr schrittweise und nicht mehr gleichzeitig gespeist. Hierzu ist ein behälter 72 vorgesehen, um den Ausgang des Referenzosziüators 26 schrittweise mit verschiedenen Magnetspulen 55 bis 57 zu verbinden, die entsprechende Probenreferenzmedien 37 bis 35 umgeben, um eine ^s _p™^weise magneto-optische Referenzrotation des Pruflichtstrahles zu erhalten. Der Schalter 72 ist mit einem zweiten Schalter 73 verbunden, um die Modulation des entsprechenden magneto-optisch wirksamen Referenzmediums mit der entsprechenden Anzeigevorrichtung 68 bis 71 zu korrelieren. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist nur eine einzige Anze.ge erforderlich, und der Schalter 73 und die Einrichtung zur Verbindung des Schalters 72 und der Anzeigevorrichtung zur Korrelation eines der magnetooptisch aktiven Referenzmedien mit der Anzeigevorrichtung kann fortgelassen werden

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   22

   251 Äonsspekteen der verschiedene!» Referenzmediea id

   »fi Mägneto-op^sehes Polarimeter mit einer liefitqueUe, einem Polarisator, einer Probenaufnah-■me-Vorrichtung, mindestens einer Referenzprobe, einem Analysator some einem mit einer Ausgabevorrichtung für das Meßergebnis verbundenen Empfänger für das analysierte licht, wobei sowohl in der Probenaufnahme*Vorrichtung als auch in der Referenzprobe je ein Magnetfeld in Richtung des Lichtstrahls eraeugbjar ist, dadurch gekennzeichnet, daß a!e beiden Magnetfelder (Ά, Ha) WeGhtslanteJle verschiedener Frequenz («1, ω₂) enthalten und daß der Empfänger (19,31) selektiv auf die Summe und/oder Differenz der beiden Frequenzen (ωι, β>2) abgestimmt ist und an die Ausgabevorrichtung (33) ein der Intensitätsamplitude des Summen- und/oder Differenzfrequenz-Signals entsprechendes Signal abgibt
2. 2. Polarimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum synchronen Erfassen des Summen- und/oder Differenzfrequenzsignals bezüglich einer Referenzfrequenz vorgesehen ist, die eine Funktion der Seitenbandfrequenz ist.
3. 3. Polarimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzprobe wenigstens eine Komponente des zu untersuchenden Probenmaterials enthält.
4. 4. Polarimeter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzprobe in dem Strahlengang mehrere Referenzzellen (37, 38, 39) aufweist, die längs des Prüflichtstrahles angeordnet sind, wobei jede der Zellen ein verschiedenes Referenzmedium (NO, NO2. SOz) enthält, das einem anderen Bestandteil der zu untersuchenden Probe entspricht.
5. 5. Polarimeter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzprobe mehrere verschiedene Referenzmedien und eine Einrichtung (4t) zur Brechung des bezüglich der Polarisationsebene analysierten Lichtstrahles zur räumlichen Trennung des Lichtes in mehrere getrennte Lichtstrahlen aufweist, die jeweils einem gewissen unterschiedlichen Band optischer Frequenzen und verschiedenen magneto-optischen Rotationsspektralbanden der einzelnen Referenzmedien entsprechen.
6. 6. Polarimeter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzmedium (37, 38, 39) mehrere verschiedene Referenzmedien (NO, NO2, SO₂) entsprechend den verschiedenen Bestandteilen des zu untersuchenden Probenmateriales aufweist und die Einrichtung (55,56,57) zur Erzeugung eines Magnetfeldes für die Referenzmedien eine Einrichtung aufweist, die die verschiedenen Referenzmedien schrittweise dem Magnetfeld aussetzt und schrittweise eine Referenzdrehung der Polarisationsebene des Prüflichtstrahles erreicht.
7. 7. Polarimeter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzprobe mehrere verschiedene Referenzmedien aufweist und die Einrichtung zur Erzeugung des Magnetfeldes eine Einrichtung aufweist, durch welche das Magnetfeld den einzelnen Referenzmedien gleichzeitig zugeführt ist und eine gleichzeitige Referenzdrehung der Polarisationsebene des Prüflichtstrahles innerhalb der verschiedenen optischen Banden entsprechend den verschiedenen magneto-optischen Referenzrota-8, Polarimeter najäi Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Modulation des Magnetfeldes, vorgesehen ist, welchem die verschV denen Referenzmedien bei verschiedenen Modulationsfrequenzen ausgesetzt sind und elektrische Ausgangssignale gleichzeitig bei verschiedenen Seitenbandfrequenzen in dem zusammengesetzten elektrischen Ausgangssignal des Prüfßchtdetektors gebildet werden.