DE2251422C3

DE2251422C3 - Device for splitting a narrow-band beam emerging from a monochromator

Info

Publication number: DE2251422C3
Application number: DE19722251422
Authority: DE
Inventors: Hans 5171 Stetternich Schwarz
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Filing date: 1972-10-20
Publication date: 1976-02-19

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufspaltung eines aus einem Monochromator austretenden schmalbandigen Strahlenbündels in mehrere räumlich getrennte Teilstrahlenbündel, von denen jedes einen Teilbereich des Gesamtspektralbcreiclis des Strahlenbündels einnimmt, wobei die Summe der Teilbereiche den Gesamtspektralbereich ergibt, mit einer Spiegelanordnung, die einen im Wege des Strahlenbündels angeordneten Zentralspiegel und eine der Anzahl der Teilstrahlenbündel entsprechende Anzahl von um den Zentralspiegel herum angeordneten Konkavspiegeln enthält, die von verschiedenen Oberflächenbereichen des Zentralspiegels reflektierte Strahlung jeweils auf einen Photovervielfacher lenken.The invention relates to a device for splitting one of a monochromator emerging narrow-banded bundle of rays into several spatially separated partial bundles of rays, from each of which is a part of the total spectrum of the beam, the sum of the sub-areas making up the total spectral range results, with a mirror arrangement which has a central mirror arranged in the path of the beam and a number corresponding to the number of partial beams and arranged around the central mirror Contains concave mirrors from different surface areas of the central mirror direct reflected radiation onto a photomultiplier.

Solche Vorrichtungen dienen zur Ergänzung von Monochromatoren, um ein aus einem Mon(x:hromator austretendes schmalbandiges Strahlenbündel in mehrere räumlich getrennte Teilstrahlenbündel zu zerlegen. Solche Vorrichtungen werden insbesondere verwendet, wenn die Strahlung nur innerhiilb sehr kurzer Zeitspannen auftritt und schwer reproduzierbar ist, so daß es nicht möglich ist, das Spektrum dieser Strahlung kontinuierlich oder schrittweise über die ganze Bandbreite hinweg zu untersuchen. Derartige Strahlungen fallen insbesondere auf dem Gebiet der Plasmaphysik, der Laserphysik oder beispielsweise auch bei Explosionsvorgängen an.Such devices are used to supplement monochromators in order to convert one from a mon (x: hromator emerging narrow-banded bundle of rays into several spatially separated partial bundles of rays disassemble. Such devices are particularly used when the radiation is only intrinsic occurs over a short period of time and is difficult to reproduce, so that it is not possible to determine the range of these Investigate radiation continuously or step by step across the entire bandwidth. Such Radiations fall in particular in the field of plasma physics, laser physics or, for example also in the event of an explosion.

Zur Aufspaltung von aus einem Monochromator austretender Strahlung hat man bisher eine Anordnung von Glasfasern verwendet, die einen der Breite des Eintrittsspaites des Monochromator«, entspre chenden Durchmesser aufweisen. Derartige Anordnungen lassen sich jedoch im kurzwelligen Strahlungsbereich, insbesondere im UV-Spektralbereich nicht verwenden, da es nicht möglich ist, geordnete Quarzfasern mit dem für diesen Strahlungsbereich ei ίο forderlichen Durchmesser herzustellen. Eine andere bekannte Maßnahme zum Aufspalten schmaler Spektralbereiche besteht darin, daß das von einem Monochromator gelieferte Bild des Eintritisspaltes zunächst vergrößert auf einen schmalen Facettenspiegel projiziert wird. Dabei betragen die Abmessungen der Spiegelflächen parallel zur Breite des Einirittsspaltes des Monochromator ein Mehrfaches der Breite des Eintrittsspaites. Die in verschiedene Richtungen reflektierte Strahlung wurde bei dieser Anordnung mittelsTo split the radiation emerging from a monochromator, an arrangement of glass fibers has been used which have a diameter corresponding to the width of the entry span of the monochromator. Such arrangements cannot, however, be used in the short-wave radiation range, in particular in the UV spectral range, since it is not possible to produce ordered quartz fibers with the diameter required for this radiation range. Another known measure for splitting narrow spectral ranges consists in that the image of the entrance slit supplied by a monochromator is initially projected enlarged onto a narrow facet mirror. The dimensions of the mirror surfaces parallel to the width of the entrance slit of the monochromator are a multiple of the width of the entrance slit. The radiation reflected in different directions was in this arrangement by means of

Umlenkspiegeln auf Photovervielfacher gelenkt (vergleiche dazu M. Keilhacker. H. Herold, J. Cooper, D. E. Roberts in »Plasma Physics and controlled nuclear fusion research«, International Atomic Energy Agency, Vol. I S. 319, Wien 1966 sowie ~ Ap-Deflecting mirrors directed to the photomultiplier (see M. Keilhacker. H. Herold, J. Cooper, D. E. Roberts, "Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research," International Atomic Energy Agency, Vol. I p. 319, Vienna 1966 and ~ Ap-

as plied Optics«, Vol.5, Nr. 1, 1966, Seiten 174 und 175). Die Anordnung von Facettenspiegeln hat jedoch den Nachteil, daß die Herstellung solcher Spiegel mit der für die Aufspaltung von im UV-Bereich liegenden Spektrallinien nötigen Facettenbreile auf cr-as plied Optics ", Vol.5, No. 1, 1966, pages 174 and 175). However, the arrangement of facet mirrors has the disadvantage that the manufacture of such mirrors with the facet widths required for the splitting of spectral lines in the UV range onto cr-

hebliche Schwierigkeiten stößt, weil es notwendig ist. bei den Facettenspiegeln Facettenbreiten mit einer Abmessung von größenordnungsmäßig ¹Z₅₁₁ mm vorzusehen. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, daß sie es nicht ermöglicht.runs into considerable trouble because it is necessary. Facet widths of the order of magnitude of ¹ Z ₅₁₁ mm must be provided for the facet mirrors. Another disadvantage of this known device is that it does not allow it.

kontinuierlich aufgefächerte Strahlenbündel auszusondern. Nachteilig ist ferner der verhältnismäßig komplizierte Aufbau.to reject continuously fanned out bundles of rays. Another disadvantage is the proportionate complicated structure.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Aufspaltung eines aus einem Monochromator austre-The object of the invention is to provide a device for splitting an emerging from a monochromator

tenden schmalbandigen Strahlenbündels in mehrere räumlich getrennte Teilstrahlenbündel zu schaffen, diü auch für den UV-Bereich anwendbar ist und die gleichwohl einen kompakten und widerstandsfähigen Aufbau aufweist, bei deren Verwendung keine optisehen Bänke hoher Präzision erforderlich sind, und die daher ohne weiteres an einen Spektralapparat angeschlossen werden kann; außerdem soll die Vorrichtung leicht justierbar sein und auf einfache Weise die Aufspaltung verschiedener Spektralbänder ermöglichen; die Vorrichtungsoll ferner einen möglichst einfachen Spiegelaufbau in einer raumsparenden Anordnung aufweisen und soll insbesondere eine bessere • Auflösung ermöglichen als die bisher bekannten Vorrichtungen. Dennoch soll die Vorrichtung in wirtschaftlicher Weise herstellbar sein.to create a narrow band of rays in several spatially separated partial rays, diü can also be used in the UV range and is compact and robust Has structure which do not require high precision optical banks when used, and which can therefore be easily connected to a spectral apparatus; in addition, the device should be easily adjustable and allow the splitting of different spectral bands in a simple manner; the device should also be as simple as possible Have mirror structure in a space-saving arrangement and should in particular have a better one • Enable resolution than the previously known devices. Nevertheless, the device should be economical Way to be producible.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß der Zentralspiegel ein Kreiszylinderspiegel ist, dessen Zylinderachse parallel zu der vom Eintrittsspalt des Monochromator vorgegebenen Längsrichtung des Querschnitts des Strahlenbündels ausgerichtet ist, und daß die Konkavspiegel auf einem Teilkreis, der in einersenkrecht auf der Zylinderachse stehenden Ebene liegt und seinen Mittelpunkt auf der Zylinderachse hat, derart angeordnet und so dimensioniert sind, daß jeder Konkavspiegel jeweils ein Teilstrahlenbündel aussondert, sowie derart gegen die Zylinderachse geneigt sind, daß der Strahlengang von den Konkavspie-This object is achieved in a device of the type mentioned in that the central mirror is a circular cylinder mirror whose cylinder axis is parallel to that of the entrance slit of the Monochromator is aligned predetermined longitudinal direction of the cross section of the beam, and that the concave mirror on a partial circle, the plane standing perpendicular to the cylinder axis lies and has its center on the cylinder axis, are arranged and dimensioned so that each concave mirror separates out a partial beam of rays and is inclined in this way towards the cylinder axis are that the beam path from the concave mirror

gel η zu Jen Pholovervielfachern durcii den Kreis/.vliridcrspiegel nicht behindert wird.gel η to the pholo multipliers through the circle / mirror mirror is not hindered.

Ein großer Vorzug der Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, daß keine NachvcruroHerun« erforderlich ir»t, was auch den \ ojieii -."incr'raumspa^ rcnden Anordnung ergibt.A great advantage of the device according to the invention consists in the fact that no postponement required ir »t, which is also the \ ojieii -." incr'raumspa ^ rcnding arrangement results.

Durch die Vorrichtung gemäß der Erfindung werden alsodie von einem Monochromator auf :!cnζνΊη-drisehen Spiegel fokussicrten Spektrallinien infolge der kontinuierlichen Wiiikeländerunn der /ylindrsehen Spiegelflache aufgefächert. Die Anordnung der auf dem Teilkreis angeordneten Spiegel ist zweckmäßig so, daß die Abbildung der aiii den zylindrischen Spiegel fallenden Strahlung ein Drittel der Mantelfläche nicht überschreitet. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Eiiindung ist der Kreiszylinderspiegel auswechselbar angeordnet. Dadurch wird erreicht, daß die Vorrichtung eemäß der Erfindung auf einfache Weise an Strahlung verschiedener Linienbreiten anpaßbar ist. So war es wie sich gezeigt hat - ohne weiteres moglieh, Linienbreiten zwischen 1 Λ und K) Λ zu messen Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es - wie sich ferner gezeigt hat - möglich, Linieinerbrciterungen von 0,1 A nachzuweisen. Ein weiterer Vorzug der Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, daß der Meßbereich praktisch ohne Nachjusticruim ueiindert werden kann. Die Vorrichtung gemäß der Erfindung eignet sich daher insbesondere zur Temperaturbestimmungin Plasmen. Dabei werden die Temperaturen durch Messung von Linienverbreiterungen bestimmt. Sie eignet sich ferner zur Messung von'Linien zur Dichtebestimmung in Plasmen und "zur Messung von Linienverschiebungen nach dem L «ppler-Effekt. By the device according to the invention also from a monochromator to:! cnζνΊη-drisehen Mirrors focused spectral lines as a result the continual change in changes in the cylinder Fanned out mirror surface. The arrangement of the mirrors arranged on the pitch circle is appropriate so that the figure of the aiii is the cylindrical The radiation falling on the mirror does not exceed a third of the surface area. According to an advantageous embodiment of the device according to the invention the circular cylinder mirror arranged interchangeably. This ensures that the device eemäß of the invention can be adapted in a simple manner to radiation of different line widths. So it was like has shown - without further ado, line widths between 1 Λ and K) Λ can be measured with the Device according to the invention - as has also been shown - it is possible to extend the lines of 0.1 A. Another advantage of the device according to the invention is that the measuring range changes practically without readjustment can be. The device according to the invention is therefore particularly suitable for determining temperatures Plasmas. The temperatures are determined by measuring line broadening. It is also suitable for measuring lines for determining density in plasmas and "for measuring line shifts according to the Lppler effect.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung dargestellt und wird im fnl^ende-i näher erläutert. Es zeigtIn the drawing is an embodiment of the Apparatus illustrated and will be more detailed in the fnl ^ ende-i explained. It shows

Fig. 1 schematisch die Anordnung der Vorrichtung in Verbindung mit einem Monochromator,1 schematically shows the arrangement of the device in connection with a monochromator,

Fig. 2 eine vergrößerte Seitenansicht der Vorrichtung gemäß Fig. 1 im Schnitt,FIG. 2 is an enlarged side view of the device according to FIG. 1 in section,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß Fig. 2FIG. 3 shows a plan view of the device according to FIG. 2

Wie aus Fig. I hervorgehl, gelangt die Strahlung - beispielsweise eines Plasmas 1 - über die Optik 2 und den Reflektor 3 durch den verstellbaren E.intritt'-'-.pait 4 in den Monochromator 5 und wird \on diesem auf den Kreiszylinderspiegel 6 fokussiert. Dabei wird die iokussierte Strahlung infolge der kontinuierlichen Winkeläiulerungde! Mantelfläche des zylindrischen Kreiszylinderspiegels 6 aufgefächert. Von dem Kreis/vlindcr-Npieiiel 6 wird die Strahlung dannAs can be seen from Fig. I, the radiation arrives - For example, a plasma 1 - via the optics 2 and the reflector 3 through the adjustable E. inlet '-'-. pait 4 into the monochromator 5 and is focused on the circular cylinder mirror 6. Included the focused radiation is due to the continuous Winkeläiulerungde! Lateral surface of the cylindrical Circular cylinder mirror 6 fanned out. The radiation is then generated by the circular pattern 6

ίο au! aul einem "leilkreis angeordneten K.onkn\spiegeln 7 reflektiert und dadurch in Teilbereiche aufgeteilt Die verschiedenen, unterschiedliche Intensität aufweisenden Strahlenbündel werden \on den aul dem I eilkreis angeordneten Konkavspiegeln 7 auf die mit - in der Zeichnung nicht dargestellten ■- Anzeigern m Verbindung stehenden Photovetv icUaehcrn 8 gelenkt. Die Breite der Konkavspiegel 7 ist abhängig von dem Absland de- Teilkreises, auf dem die Konkavspiegel 7 angeordnet sind, von der Mantelfläche des Kreiszylindeispiegeis 6. Sie ist außerdem abhängig von dem Rellcxionswinkel. der von dem Kreiszylinderspiegel 6 au! sie auflrefienden Strahlung. Unter Berücksichtigung dci ν 01 bezeichneten Abhängigkeit ist die Breite der auf dem Teilkreis .angeordneten Konkavspiegel 7 so bemessen, daß die Breite der von den Konkavspiegeln 7 reflektierten Snahlung der um den für alle Konkavspiegel 7 gleichen Proportionalitätsfaktor vergrößern"!! Breite de- Eintrittsspaltes des Monochromator- 5 entspricht.ίο ow! on a circle arranged in a circle 7 reflected and thus divided into sub-areas The different, different intensities Having bundles of rays are \ on the concave mirrors 7 arranged on the outer circle on the with - not shown in the drawing - indicators m connected Photovetv icUaehcrn 8 steered. The width of the concave mirror 7 is dependent on the Absland de- partial circle on which the concave mirror 7 are arranged on the outer surface of the Kreiszylindeispiegeis 6. It is also dependent of the angle of incidence. that of the circular cylinder mirror 6 ow! they absorb radiation. Under Consideration of the dependency denoted by dci ν 01 is the width of the .arranged on the pitch circle concave mirror 7 such that the width of the the concave mirrors 7 reflected Snahlung around Increase the proportionality factor which is the same for all concave mirrors 7 "!! Width of the entrance slit of the Monochromator- 5 corresponds.

Wie aus den 1 ig. 2 und .1 hervorgeht, ist der Kreiszvundei.-ipiei!·'! (y mittels einer justierbaren HaI-leiung H) .-.■:' ein../ Grundplatte 9 innerhalb einer 1 ialtexοι HChUHiSJ Ll fur die auf einem Teilkreis angeordneten Konkavspiegc' 7 - von denen in l'ig. 2 nur zwei dargestellt ;ind - so befestigt, daß die Konkavspiegel 7 aul einem leilkreis angeoidnel sind, dessen Mittelpunkt auf der Achse des Kreiszylinderspiegels 6 liegt. Die auf dem leilkreis angeordneten Konkavspiegel 7 weisen dabei - wie aus Fig. 2 hervorgeht -eine solche Neigung gegenüber der Senkrechten auf, daß der Strahlengang von den Konkavspiegeln 7 zu den PhotovcrvRltachern 8 nicht behindeil wird. Die Zahl der Photovervielfacher 8 entspricht der Zahl der auf dem Teilkreis angeordneten Konkavspiegel 7.As from the 1 ig. 2 and .1 is the Kreiszvundei.-ipiei! · '! (y by means of an adjustable Hal-line H) .-. ■: 'a ../ base plate 9 within a 1 ialtexοι HChUHiSJ Ll for the concave mirrors' 7 arranged on a pitch circle - of which in 1'ig. 2 only two shown; ind - fastened so that the concave mirrors 7 are angled to a semicircle, the center of which lies on the axis of the circular cylindrical mirror 6. The concave mirrors 7 arranged on the semicircle have - as can be seen from FIG. The number of photomultipliers 8 corresponds to the number of concave mirrors 7 arranged on the pitch circle.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

! Device for splitting one out of one Monochromator emerging narrow-banded bundles of rays in several spatially separated Partial bundles of rays, each of which is a part of the total spectral range of the bundle of rays occupies, with the sum of the sub-areas giving the total spectral range a mirror arrangement which has a central mirror arranged in the path of the beam and a number corresponding to the number of partial beams around the central mirror arranged concave mirrors contains, from different surface areas of the central mirror direct reflected radiation aiii a photomultiplier, characterized in that, that the central mirror is a circular cylinder mirror (6). whose cylinder axis is parallel to that of the entry slit (4) of the monochromator

(5) is aligned predetermined longitudinal direction of the cross section of the beam, and that the concave mirror (7) on a pitch circle that is perpendicular to the cylinder axis Plane lies and has its center on the cylinder axis, so arranged and dimensioned are that each concave mirror separates out a partial beam of rays, as well as against the cylinder axis are inclined so that the beam path from the concave mirrors (7) to the photomultiplier units (8) through the circular cylinder mirror

(6) is not hindered.

2. Device according to claim 1, characterized in that the circular cylinder mirror (6) is arranged interchangeably.