DE2512625A1

DE2512625A1 - Monochromator

Info

Publication number: DE2512625A1
Application number: DE19752512625
Authority: DE
Inventors: Vernon Leroy Chupp
Original assignee: Varian Associates Inc
Current assignee: Varian Medical Systems Inc
Priority date: 1974-03-22
Filing date: 1975-03-21
Publication date: 1975-10-30
Also published as: DE2512625C2; JPS50159348A; FR2265077A1; US3936191A; FR2265077B1; GB1508659A; GB1508658A

Description

PATENTANWÄLTE
DR. CLAUS REINLÄNDER
•DIPL-ING. KLAUS D=RI-JHARDT ? R

D - 8 MOMCHEn 60 £0 \

ORTHSTRASSE12

Vl P395 D VARIAN Associates, Palo Alto, CaI., USA

Monochromator

Priorität: 22. März 1974 - USA - Serial Uo. 453 826

Die Erfindung betrifft allgemein die Spektrophotometrie und insbesondere Portschritte in der optischen Ankopplung an Monochromatoren und Kopplung zwischen Monochromatorsektionen.

Um das Verständnis der Erfindung und ihre Abgrenzung gegen den Stand der Technik zu erleichtern, ist es notwendig, gewisse Ausdrücke zu 'definieren. Ein Monochromator kann als optisches Filter betrachtet werden. Ein Doppelmonochromator ist dann ein System, welches dafür sorgt, daß die Strahlung zweimal gefiltert wird. Die Vorteile des Doppelmonochromators gegenüber dem Einfachmonochromator sind bessere spektrale Reinheit und Auflösung. In diesem Zusammenhang wird eine Monochromatorstufe als ein Satz aus optischen Elementen definiert, einschließlich einer Dispersionseinrichtung wie einem Gitter, die notwendig sind, Licht von einem Schlitz aufzunehmen, es auf die Dispersionseinrichtung auftreffen zu lassen und schließlich durch einen anderen Schlitz passieren zu lassen. Ein

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Doppelmonochromator kann dann entweder ein System-sein, welches die Strahlung einmal durch zwei getrennte Monochromator stufen schickt, oder ein System, das die Strahlung zweimal durch eine einzige Monochromatorstufe schickt. Die letztere Art wird häufig als Doppelpaß-Monochromator bezeichnet. Der Vorteil des Doppelpaßmonochromators gegenüber dem zweistufigen Monochromator ist hauptsächlich wirtschaftlicher Art. Der Doppelpaß-Monochromator ist gewöhnlich ein kompakteres System und erfordert weniger notwendige, aufwendige optische und mechanische Komponenten. Auch die mechanischen Probleme, die dadurch auftreten, daß die Bewegungen der beiden Monochromatorabschnitte ausreichend genau aufeinander abgestimmt werden müssen, werden wesentlich herabgesetzt.

Eine weitere Komplikation besteht darin, daß in jeder Art eines Doppelmonochromators die optischen Elemente so angeordnet v/erden können, daß die Dispersion des zweiten Teils entweder zur Dispersion des ersten Teils addiert oder dazu neigt, davon zu subtrahieren. Bei der Anordnung mit subtraktiver Dispersion ist die resultierende Gesamtdispersion gleich der eines Einzelmonochromators wegen der durch den Zwischenschlitz erzwungenen Bandbreitengrenze, während die gesamte resultierende Dispersion der additiven Anordnung doppelt so groß ist wie die des Einfachmonochromators. Da die Größe des Lichtflusses, die bei gegebener Auflösung durchgelassen wird, proportional der Dispersion ist, wird für die meisten Anwendungsfälle die additive Dispersion vorgezogen.

Bisher ist die Erreichung eines gewünschten Monochromatorwirkungsgrades durch eine Anzahl von Faktoren begrenzt worden. Beispielsweise werden im Falle eines Doppelpaß-Monochromators mit additiver Dispersion, bei dem Zwischen—

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schlitze auf der Monochromatorseite der Ebene oder Ebenen der Eingangs- und Ausgangsschlitze liegen, Bänder unerwünschter Strahlung wirksam durchgelassen, wodurch Filter oder selektive Detektoren erforderlich werden, um das Ansprechen auf solche ' Strahlungsbänder und dementsprechend wilde und irreführende Signale zu vermeiden und herabzusetzen (vergl. US.Patentschrift 2 922 331).

Externe Schlitzkoppelanordnungen (und genausogut einige interne) ergaben eine ernsthafte Fehlanpassung der Krümmung des Ausgangsschlitzes des ersten Abschnittes bei Abbildung auf den Eingangsschlitz des zweiten Abschnittes. Dementsprechend haben alle die beschriebenen Anordnungen mit sehr kurzen Schlitzen gearbeitet, so daß die Auflösung nicht ernsthaft verschlechtert wird, mit dem Ergebnis, daß der Lichtdurchsatz, d.h. die Größe des Lichtflusses, der für gegebene Auflösung durchgelassen werden kann, stark begrenzt ist, (vergl. US Patentschriften 2 922 331 und 3 567 323).

Durch die Erfindung soll eine Lösung dieser Probleme und Schwierigkeiten verfügbar gemacht werden, und zwar dadurch, daß Koppeloptiken außerhalb eines Monochromators oder zweier Monochromatorabschnitte vorgesehen v/erden, die in der Lage sind, einen Ausgangs- oder Eingangsschlitz auf einem Eingangs- bzw. Ausgangsschlitz oder einer Strahlquelle, Probenzelle oder Detektor in ungewöhnlich vorteilhafter V/eise abzubilden.

Eine Anwendung der Erfindung bezieht sich auf einen Doppelpaß-Monochromator mit additiver Dispersion, der einen Eingangsschlitz S^, Zwischenschlitze S_? und S- und einen Ausgangsschlitz S₄ aufweist, wobei die Schlitze gleiche Krümmung haben und auf dem Umfang eines Kreises angeordnet

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sind, der allgemein als Ebert-Kreis bezeichnet wird. Ein solcher Monochromator weist auch eine Strahldispersionseinrichtung im Strahlweg zwischen S₁ und S₂ ^uizwischen S₃ und S₄.auf, die eine Aperturblende definiert, und eine geeignete Spiegeleinrichtung, mit der der Strahl auf seinem Weg Zivi sehen S. und S und zwischen S₃ und S₄ reflektiert wird. Die verbesserte Koppeloptik außerhalb des Monochromator s bildet S_? auf S- ab und bildet auch die Aperturblende auf sich selbst zurück ab, und zwar für noch zu beschreibende Zwecke und in noch zu beschreibender Weise. In diesem Zusammenhang können die Koppeloptiken mit ungewöhnlichem Vorteil aus zwei sphärischen Spiegeln bestehen, die jeder den Radius "V^ ρ haben, wobei ρ gleich dem Radius des Ebert-Kreises ist, der durch die Schlitze definiert ist, und einem aus der Achse herausgesetzten, konkaven Zylinderspiegel, der zwischen den beiden sphärischen Spiegeln angeordnet ist. In diesem Zusammenhang liegen die Mittelpunkt der sphärischen Spiegel auf oder nahe dem Mittelpunkt des Ebert-Kreises.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Anwendung auf einen Einfachmonochromator, um den Eingangsschlitz S^ mit einer Lichtquelle zu koppeln, wobei ein externer sphärischer.Spiegel für diesen Zweck verwendet wird, der seinen Mittelpunkt am Mittelpunkt des Ebert-Kreises hat; ein solcher Spiegel ist auch brauchbar, um den Ausgangsschlitz Sp mit einem Detektor oder einer Probenzelle zu koppeln. Der-sphärische Spiegel hat auch einen Radius gleich ~V"2 ρ .In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß die Koppelaspekte der Erfindung mit sphärischem Spiegel auch in ähnlicher Weise bei einem Doppeicniromator mit subtraktiver Dispersion angewandt v/erden können, wie noch erläutert wird.

Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung sowie

509844/0316 .../5

Details von Ausführungsformen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Doppelmonochromators mit additiver Dispersion mit externen Koppeloptiken nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Stirnansicht des Monochromators nach Fig.l entsprechend der Linie 2-2. in Fig. 1.;

Ficj. 3 eine Fig. 1 entsprechende Ansicht jedoch entsprechend den Linien 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 eine Stirnansicht entsprechend der Linie 4-4 in Fig. 3;

Fig. 5 ein optisches Strahlendiagramm eines Systems, mit dem ein Ausgangsschlitz (erster Durchgang) eines Monochromators nach Fig. 1 bis 4 mit einem Eingangsschlitz (zweiter Durchlauf) gekoppelt wird, in horizontaler Betrachtungsrichtung;

Fig. 6 das Strahlendiagramm nach Fig. 5 bei vertikaler Betrachtungsrichtung;

Fig. 7 ein Blockdiagramm eines anderen Doppelpaß-Monochromators mit zugehörigen externen Koppeloptiken nach der Erfindung;

Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Einfachmonochromators mit externen Optiken, die den Ausgangsschlitz mit einer Probenkammer oder einem Detektor koppeln;

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- Ό —

Fig. 9 eine schematische Ansicht eines Einfachmonochroraators mit externer Optik, die den Eingangsschlitz mit einer Lichtquelle koppelt;

Fig.10 eine Seitenansicht eines Doppelmonochromators mit subtraktiver Dispersion;

Fig.11 eine Aufsicht auf den Monochromator nach Fig. 10;

Fig.12 eine Stirnansicht des Doppelmonochromators mit subtraktiver Dispersion nach Fig. 10 mit externen Koppeloptiken;

Fig.13 einen Teil eines Monochromators nach Fig. 1 mit zusätzlicher Feldlinse und

Fig;L4 und 15 die Kopplung von zwei getrennten Monochromator en,

Gemäß Fig. 1 bis 4 v/eist ein Monochromator 10 Einrichtungen (beispielsweise Backen 11-18) auf, die einen Eingangsschlitz S₁, Zwischenschlitze S~ und S~, und einen Ausgangsschlitz . S. bilden. Eine Dispersionseinrichtung, beispielsweise ein Gitter 19, ist im Strahlweg arischen Schlitz S. und S_? angeordnet, ebenso zwischen Schlitz S- und S^, wobei das Gitter eine Aperturblende definiert. Weiter sind Spiegeleinrichtungen, beispielsweise Spiegel Sektionen M₁..M^ vorgesehen, um den Strahl für die Passage zwischen den Schlitzen S^ und S₀ zu reflektieren, mit Dispersion durch Gitter 19, und um den Strahl für die Passage zwischen den Schlitzen S₃ und S^ zu reflektieren, mit Dispersion durch dieses Gitter. Das dargestellte Gitter ist durch additive Dispersionsrichtungen in den aufeinanderfolgenden Monochromatorabschnitten charakterisiert, von denen die erste mit dem Strahlweg zwischen S₁ und S₀ und die zweite mit dem Strahl-

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weg zwischen den Schlitzen S₃ und S^ assoziiert sind. Der vollständige Strahlweg ist in Form des Hauptstrahls dargestellt (Weg des Zentralstrahls bei nomineller Wellenlänge) , er besteht aus Strahl 20a von der Lichtquelle 21 sum Spiegel IYL zur Reflexion bei 22, Strahl 20b von M₁ zum Gitter 19 zur Dispersion, Strahl 20c vom Gitter zum Spiegel M₀ zur Reflexion bei 23, Strahl 2Od von Mp durch Zwischenschlitz S₀ zum Außenspiegel M« , Strahl 2Oe nach Reflexion bei 24 von M~ zum aus der Achse herausgesetzten zylindrischen, konkaven Spiegel N₀, , Strahl 2Of reflektiert bei 25 von M₀, zu Spiegel M~ , Strahl 20g reflektiert bei

26 von M„ zum Wiedereintritt in den Monochromator über se

Zwischenschlitz S₃, Strahl 20h reflektiert von Spiegel M₃ bei 27 zum gleichen Teil des Gitters 19 zur weiteren Dispersion, Strahl 2Oi vom Gitter 19 zum Spiegel M₄ zur Reflexion bei 28, und Strahl 2Oj reflektiert von M₄ zum Ausgang aus dem Monochromator durch schlitz S₄. Der Strahl 2Oj kann durch eine eine Probe enthaltende Zelle 29 auf einen Detektor 30 gerichtet sein. Die Strahlen 20a bis 2Od können als Strahlen des ersten Durchgangs betrachtet werden, ivährend die Strahlen 20g bis 2Oj als Strahlen des zweiten Durchgangs betrachtet v/erden können. Die Spiegel M₁...M₄, die als getrennt dargestellt sind, können auf einer einzigen sphärischen Fläche liegen", deren Zentrum außerhalb des Monochromator liegt, jedoch auf der Linie 35, die den -Winkel β zwischen den Hauptstrahlen 20b und 20c halbiert, oder den Winkel ß' zwischen den Strahlen 20h und 2Oi. Die Linie 35 steht normal zum Gitter, wenn das letztere sich in der Position nullter Ordnung befindet, oder in der Stellung, in der es als Spiegel wirkt. Jeder Abschnitt des Monochromators ist symmetrisch zu dieser Linie, und die Eintritts- und Austritts-Hauptstrahlen liegen parallel dazu, in der Anordnung, die erstmals von Ebert beschrieben worden ist.

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Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß die externe Koppeloptik, allgemein bei 31 angedeutet, im Strahlweg zwischen den Schlitzen Sp und S₃ angeordnet ist, um den Schlitz S_? durch irgendeinen gewünschten Spektralbereich auf S„ genau abzubilden, wobei diese Schlitze gekrümmt sind, ebenso wie die Schlitze S. und S₄. Fig. 2 zeigt die Schlitze S^...S^, die auf dem Ebert-Kreis 42 angeordnet sind, dessen Mittelpunkt bei 33 erscheint, wobei der Radius mit ρ bezeichnet ist. Weiter bildet das externe optische Koppelsystem die Aperturblende (oder das Gitter) wieder auf sich selbst ab, so daß Vignettierung reduziert wird und der Durchsatz verbessert wird, selbst bei großen Gitterwinkeln gegenüber der zentralen oder "Spiegel"-Stellung. Das wird dadurch erreicht, daß die beiden externen Spiegel M_? und M~ sphärisch gemacht werden, mit Radien r^, = r₀ = ΎΣ P » und mit einem gemeinsamen Mittelpunkt bei 33, der der Mittelpunkt des Ebert-Kreises 32 ist. Wenn das getan wird, wird der gekrümmte Schlitz S₀ als geradliniges Bild widergegeben, das in der Sektion normal zur Strahlachse liegt und in einer Ebene parallel zur Ebene der Schlitze. Tatsächlich ist das geradlinige Bild ein horizontales Schlitzbild,· das mit einem vertikalen Aperturbild (Gitterbild) zusammenfällt, wobei die Lage des vertikalen Schlitzbildes im optischen Raum zwischen M₂ und M_? sich unendlich nähert. Da das gleiche im umgekehrten Licht vom Eingangsschlitz S- des zweiten Monochromators geschehen würde, können diese beiden Bilder zusammenfallend gemacht werden, abgesehen vom Asymrnetriewinkel zwischen den beiden Abschnitten des Monochromators. Ein ebener Spiegel parallel zur Symmetrieebene zwischen den beiden Abschnitten des ■ Monochromators würde deshalb das Bild von Sp direkt zum Zusammentreffen mit S- drehen. Ein solcher flacher Spiegel, der im Zusammenwirken mit Spiegel Mp wirkt, würde jedoch die Position des horizontalen Bildes der Aperturblende im System nicht modifizieren, das zwischen die Spiegel M₀

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und M_o, fallen muß. Dieses Bild würde deshalb beim 2b

zweiten Durchgang nicht mit dem Gitter konjugiert sein, und Licht würde vom Gitter durch Vignettierung in der horizontalen Dimension verloren gehen, wenn nichts in dieser Hinsicht getan wird. Das liegt daran, daß es eine Eigenschaft eines sphärischen Spiegels ist, wenn dieser bei Versetzung um 45 aus der optischen Achse (90 zwischen den Zentralstrahlen der Strahlen) wie das bei den Spiegeln M₀ und M₀ der Fall ist, er doppelt soviel Brechkraft im horizontalen Schnitt (d.h. Schnitten, die die Zentralstrahlen enthalten) als im vertikalen Schnitt hat. Die horizontale Brechkraft ist gleich der Brechkraft des Spiegels, wie sie auf der optischen Achse benutzt wird, geteilt durch den Kosinus von 45°, oder mal ~V~2, während die vertikale Brechkraft gleich der Brechkraft auf der Achse multipliziert mit dem Kosinus von 45° ist,

p ,

oder geteilt durch y2. (Anmerkung: "Brechkraft" einer Linse oder eines Spiegels wird der Kehrwert der Brennweite verstanden«)

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dieses Problem zu behandeln. Beispielsweise könnten Sammellinsen, deren Achsen parallel zu den jeweiligen Schlitzen sind, wie im Schnitt in Fig. 13 dargestellt, nahe bei den Schlitzen angeordnet v/erden und könnten dafür sorgen, daß das erste Aperturblendenbild halbwegs zwischen dem Schlitz und dem Spiegel ML in diesem "horizontalen" schnitt liegt. Der Strahl würde dann zwischen den Spiegeln M₀ und M₀ kollimiert. Wenn die Zylinderlinsen ausreichend nahe an den Schlitzen lägen, würden sie die Schlitzabbildung nicht stören, so daß diese ungeändert bliebe. Eine solche Anordnung würde jedoch den großen Nachteil haben, daß diese Linsen achromatisch sein müßten oder aus unterschiedlichen

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- ίο -

Materialien für verschiedene Spektralbereiche bestehen müßten.

Eine einfachere Lösung dieses Problems besteht darin, daß ein sammelnder Zylinder Mp, anstelle des flachen Spiegels in der Mitte zwischen den Spiegeln M₀ und M₀ verwendet wird. Dieser Zylinder hat ausreichende Brechkraft, um ein Bild der Aperturblende im gleichen Abstand vom Spiegel M₀ zu erzeugen wie ihn das erste Bild vom Spiegel Mp hat. Mit anderen Worten er würde das System sowohl horizontal als auch vertikal symmetrisch machen, und arbeitet mir mit Spiegeln, die den bekannten Vorteil haben, bei allen Wellen gleiche optische Brechkraft zu haben. Da der zentrale Spiegel M₀, am horizontalen Schlitzbild angeordnet ist, und keine vertikale Brechkraft hat, modifiziert er die Bildeigenschaften des Schlitzes nicht merklich. In diesem Zusammenhang sind die optischen Schemenfiguren 5 und 6 zu beachten.

Es ist ein glücklicher Umstand, daß im "Vertikal"-Schnitt (senkrecht zur Ebene der Fig. 1) das Bild der Aperturblende (des Gitters), das gewöhnlich im Unendlichen liegt, oder nahezu im Unendlichen, wenn vom Ausgangsschlitz in den Monochromator gesehen wird, mit_dem Horizontalbild des Schlitzes zusammenfällt. Dadurch wird nicht nur die Größe des Strahls am Spiegel Mp, herabgesetzt, so daß der letztere relativ klein sein kann, sondern es wird auch die Vertikalabbildung symmetrisch gehalten.

Soweit bestimmbar ist ergibt diese Kombination von 45° Winkeln gegen die Achse und Spiegelabstand ρ von den Schlitzen mit einem Radius gleich ~}f~2 ρ überlegene Bildqualität gegenüber irgendeiner anderen Kombination von Parametern.

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- ti -

Eine Gleichung, mit der der Radius des Zylinderspiegeis M_. mit ρ in Beziehung gesetzt wird, lautet: R = ρ /2-cos(90°- Q)- p/2-sin Q

Tatsächlich wurde festgestellt, daß der auf diese Weise berechnete Radius so klein ist, daß eine erhebliche Abenation des Schlitzbildes eintritt. Dementsprechend wird vorzugsweise der Radius des Zylinder spiegeis um immerhin das Dreifache gegenüber dem durch die obige Gleichung erhaltenen Wert vergrößert. In diesem Falle ergibt sich etwas Vignettierung und dementsprechend Energieverlust durch "Übergröße¹· am Gitter beim zweiten Durchgang, das ist jedoch nicht problematisch, und tatsächlich ergibt sich selbst bei breiten Schlitzen 80 % des Signals, das sonst erhalten würde, während die Auflösung erheblich verbessert wird.

/des Spiegels In Fig. 2 ist zu beachten, daß die Achse/ M₀^ 'parallel zur Symrnetrieebene 49 liegt, und daß Ebenen normal ziir Ebene der Fig. 2, die durch die Strahlen 20e und 2Of verlaufen, unter Winkel Q relativ zur Ebene 49 liegen. In Fig. 1 haben die Spiegel Mp und M₀ eine Winkellage von 45° zur Achse, wie für M₀ dargestellt. Das Bild der Aperturblende wird geringfügig gegenüber der Orientierung des Gitters beim zweiten Durchlauf durch den Monochromator verdreht. Es kann auch etwas zu schmal sein, wenn der Radius für den Spiegel M₀. verwendet wird, der durch die obigsBeziehung berechnet wird. Diese Effekte bewirken in Kombination eine weitere Rechtfertigung für die* Verwendung eines etwas größeren Radius für den zylindrischen Spiegel als er sich theoretisch ergeben würde. Das Gitter kann dann vollständig mit Strahlung gefüllt v/erden und verbessert auf diese Weise die Auflösung.

Ein Schlitzvariationsmechanismus ist bei 40 in Fig. 2 an-

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gedeutet, und zwar beispielsweise als mit den Backen 11, 16, 13 und 18 verbunden.

Fig. 2 und 4 zeigen auch die Art und Weise, in der eine spektrale Überlappung eliminiert wird, d.h., daß das Gitter um seine Normale gedreht wird, so daß die Striche bewußt nicht senkrecht zur Symmetrieebene der beiden MonochromatorSektionen liegen. Mit anderen Worten, ein Durchgang des Monochromators verwendet das Gitter in der Ebene, und der andere Durchgang außerhalb der Ebene. In Fig. 1 bis 4 ist das Gitter so orientiert, daß die Striche parallel zu den Tangenten des Ebert-Kre.lses in der Mitte der Schlitze S^ und S„ liegen und unter einem Winkel 2 θ relativ zu den Tangenten des Ebert-Kreises an der Mitte der Schlitze S-, und S^.

Fig. 7 zeigt schematisch körperlich getrennte Monochromatoren, oder Monochromatorabschnitte, die bei 42 und 43 angedeutet sind, mit einer Lichtquelle 44, einem Probenraum 45 und einem Detektor 4G. Koppeloptiken.31a entsprechend der Koppeloptik 31 sind im Weg des Strahls 47 zwischen den Abschnitten 42 und 43 angeordnet, um S_? auf S-3 abzubilden, wie beschrieben. Der Monochromator abschnitt 42 enthält Eingangs- und Ausgangsschlitze S^ und Sp, und der Abschnitt 43 enthält Eingangs- und Ausgangsschlitze S~ und S,.

Fig. 14 und 15 zeigen Anordnungen zur Kopplung von zwei Monochromatoren. Gemäß Fig. 14 ist eine Zylinderlinse im Mittelpunkt angeordnet, während gemäß Fig. 15 ein Zylinderspiegel 210 verwendet v/ird.

Fig. 8 zeigt einen Einfachmonochromator 50 mit Backen 51 und 52, die einen Eingangsschlitz S^ bilden,' um einen

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Lichtstrahl von Strahlquelle 53 aufzunehmen, und Backen und 55, die einen Ausgangschlitz S^ bilden. Die beiden Schlitze sind gekrümmt und liegen auf einem Ebert-Kreis oder definieren diesen. Eine Dispersionseinrichtung, beispielsweise ein Gitter 56, liegt im Strahlweg zwischen den Schlitzen, und ein Antrieb für das Gitter ist bei dargestellt. Eine Spiegeleinrichtung, mit der der Strahl zum Diirchlauf zwischen den Schlitzen über die Dispersionseinrichtung reflektiert wird, weist Spiegelsektionen M₁ υη^ M₀ auf. Die entsprechenden Strahlen sind mit 5Ha... 5Hd bezeichnet.

Eine externe optische Koppeleinrichtung 59 weist einen sphärischen Spiegel Mi auf, der im Strahlweg zw5.schen Schlitz S₀ und Detektor 60 angeordnet ist, wobei eine Probenzelle 61 ebenfalls in diesem Strahlweg dargestellt ist (der durch ■ Strahlen 5He, 5Hf und 53g angedeutet ist). Der flache Spiegel 62 kann in der dargestellten Weise verwendet v/erden, um den vom Spiegel MI reflektierten Strahl neu zu richten. Der letztere ist sphärisch, hat einen Mittelpunkt im Mittelpunkt 63 des Ebert-Kreises, und sein Radius ist gleich "VT λ, wobei ρ dem Radius des Ebert-Kreises gleich ist. Diese Konfiguration erlaubt es, einen "geraden" Detektor zu verwenden, (d.h. einen Detektor mit gerader oder linearer öffnung) trotz der deutlichen Krümmung des Schlitzes 3_O, ohne daß Empfindlichkeit durch Dildkrümmungs-Pehlanpassung verloren geht. Stattdessen kann gewünschtenfalls die Schlitzzelle 61 im horizontalen Schlitzbildpunkt angeordnet sein, so daß eine kleinere Zelle verwendet v/erden kann, falls die Probenfläche oder das Probenvolumen begrenzt ist. Die Winkelstellung des Spiegels M₀^ von 45° gegen die Achse ist zu beachten. Die gleiche Anordmang kann in Fig. 1 gewünschtenfalls verwendet werden, wie schematisch durch Block 64 ange-

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deutet ist.

Pig. 9 ist ähnlich Fig. 3, jedoch sind die Positionen der Quelle, des Detektors und der Probenzelle umgekehrt, diese Elemente sind in Fig. 9 mit 53a, 60a bzw. 61a bezeichnet. Auch der sphärische Spiegel der Koppeloptik ist hier mit MA' bezeichnet, und der flache Spiegel mit 62a. Diese An-

CL. CX

Ordnung ermöglicht es, eine "gerade" Quelle (d.h. eine 'lineare Apertur der Lichtquelle) auf dem Eingangsschlitz S₁ abzubilden, mit der korrekten Krümmung für diesen Schlitz. Die gleiche Anordnung kann gewünschtenfalls in Fig. 1 verwendet werden, wie durch Block 65 angedeutet ist. Sowohl bei der Anordnung nach Fig. S als auch bei der nach Fig. 9 ist ein Vertikalbild der Aperturblende (Gitter) und ein gerades Horizontalbild der Schlitzblende an der Stelle der Quelle, Zelle oder Detektor vorhanden, je nach Lage des Falles.

Die Erfindung ist auch an eine subtraktive Version eines Doppelmonochromators anwendbar, für den ein Beispiel in Fig. 10 bis 12 dargestellt ist, liier definieren Backen 110 und 111 einen Eingangsschlits S^, Backen 112 und 113 definieren einen Zwischenschlitz S-, und Backen 114 und definieren einen Ausgangsschlitz; S-. Eine solche Struktur kann betrachtet werden als ob sie aufeinanderfolgende Abschnitte eines Doppelmonochromators definiert, der dazu dient, ein Wellenlängenband mit oberen und unteren Grenzen zu isolieren (vergl. in diesem Zusammenhang US Patentschrift 3 740 040).

Der dargestellte Monochromator weist ferner Strahlreflexionseinrichtungen im Strahlweg zwischen dem Eingangs- und Auscjangsschlitz auf, beispielsweise in Form eines sphärischen Kollimationsspiegels 116. Auch die Strahldispersionseinrichtung, beispielsweise ein einzelnes ebenes Gitter 117, er-

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streckt sich in den Strahlweg zwischen den Eingangs- und Zwischenschlitz, und in den Strahlweg zwischen Zwischenschlitz und Ausgangsschlitz. Weiterhin ist dieses Gitter gekennzeichnet durch entgegengesetzte Dispersionsrichtungen in den aufeinander folgenden Monochromatorabschnitten, von denen die erste mit dem Strahlweg zwischen S^, und S~ assoziiert ist, und die zweite mit dem Strahlweg zwischen Sp und S-. Der vollständige Strahlweg ist in Ilauptstrahl— form dargestellt, er umfaßt Strahl 115' von S^ sum Spiegel zur Reflexion bei 110, Strahl 115b vom Spiegel zum Gitter zur Dispersion, Strahl 115c vom Gitter zum Spiegel 116 zur Reflexion bei 119, Strahl 115d vom Spiegel zürn diagonalen Ilewton-Spiegel U₁ zur Reflexion bei 120, Strahl 115e vom Spiegel N^ durch Schlitz S~ zu einem diagonalen Newton-Spiegel Up zur Reflexion bei 121, Strahl 115f vom Spiegel Hp zum Spiegel 116 zur Reflexion als Strahl 115g, der zum Gitter 117 zurückkehrt, und Strahl 115h vom Gitter zum Spiegel zur Reflexion als Strahl 115i, der durch Schlitz 3, passiert. In diesem Zusammenhang können die Strahlen 115a...115d und ein Teil vom Strahl 115e vom Spiegel IL. zur Ebene des Zwischenschlitzes S₀ als Strahlen des ersten · Durchgangs betrachtet werden, während Strahlen, die den Rest des Strahls 115e und die Strahlen 115f bis 1151 umfassen, als Strahlen des zweiten Durchgangs betrachtet werden können. Ein solcher Doppelpaß-Monochromator ist weiter durch Symmetrie und Auslöschung von optischen Aberrationen gekennzeichnet.

Fig. 12 zeigt schematisch einen Strahl 115', der als Fluoreszenzstrahlung von einer flüssigen Probe 124 ausgeht, auf die Licht 25 auffällt. Die letztere stammt von Quelle 126 (beispielsweise ein Laser) und tritt durch optische Elemente 127, die einen Viertelwellenlängen-Verzögerer und einen elektrooptischen Modulator aufweisen können, wie in

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der DOS 2 251 597 beschrieben. Die vom Monochromator ausgehende Strahlung, die schematisch als Strahl 1151 dargestellt ist, läuft zu einem Photodetektor und augehöriger Elektronik und einem Aufzeichnungsmechanismus, der bei 128 angedeutet ist (vergl. US Patentschrift 3 013194) Ein rotierender Strahlzerhacker 70 in der Nähe des Schlitzes S₀ kann dazu verwendet werden, das Detektieren von Licht zu verhindern, das sum Ausgangsschlitz beim ersten Durchgang durch den Monochromator gestreut wird, in^dem mit Wechsellichtdetektierung gearbeitet wird (US Patentschrift 2 652 742).

Eine Backe des Zwischenschlitzes S₂ ist unabhängig justierbar, um die Breite des durchgelassenen Strahlungsbandes zu erhöhen oder zu verringern, und typischerweise ist nur die langwellige Grenze des Bandes so einstellbar.

Block 130 im Strahlweg 115j ist ähnlich Block 64 in Pig.l insoweit als er Koppeloptik gemäß Fig. 8 repräsentiert; in ähnlicher Weise entspricht Block 131 im Strahlweg 115 dem Block 65 in Fig. 1 insoweit als er Koppeloptik gemäß Fig. 9 repräsentiert.

Schließlich zeigt Fig. 13 die Verwendung von zylindrischen Feldlinsen 80 und 80* an Zwischenschlitzen S_? und S, eines Monochromators ähnlich dem in Fig. 1. Die Linsen 80 und 80' sind groß genug, um den vollen Strahl 84 aufzunehmen, wenn der Schlitz auf volle Breite gestellt ist. Sie lassen die Aperturblenden in aufeinander folgenden Abschnitten des Monochromators optisch konjugiert, um Vignettierung zu minimieren.

In Fig. 14 hat M_ die gleiche Funktion bei der "Begradigung" des Schlitzes S* wie ΜΛ bei «der Ausführungsform nach Fig.

• /17

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oder M₀ ¹ gemäß Fig. 9. Der Radius R₁ des sphärischen Spiegels M_Q ist gleich "VT" /r> , wobei /^₁ der Radius des Ebert-Kreises für den Monochromator Nr.1 ist. Die folgende Dimensionsbeziehung ist ebenfalls charakteristisch:

^sl ^{= b}l^+cl⁼ ^I

Hinsichtlich der Koppeloptik ist der Radius R₀ des sphärischen Spiegels MJ," , nämlich R₀ = VT P^, und der Radius des sphärischen Spiegels MJ^, nämlich R₃ = ~ΨΤ ß>_?1 wobei Pp der Radius des Ebert-Zirkels für den Monochromator Nr. 2 ist.

Hinsichtlich des zweiten Monochromators hat der sphärische Spiegel M' einen Krümmungsradius R, = *VT*P_O, und die folgende Dimensionsbeziehung existiert: a_o = b_o + C₀ = ρ _o. Schließlich sind die Krümmungsmittelpunkte ciller sphärischen Spiegel so plaziert, daß die Strahlen auf jeden Spiegel unter einem Auf treffvrinkel von 45° fallen. Es ist zu beachten, daß die Krümmungsmittelptmkte 217 und 218 für die Radien R^ und R^ nicht auf den Hittelpunkten der Ebert-Zirkel,' die den Schlitzen der beiden Monochromatoren zugeordnet sind, liegen brauchen und dort auch nicht liegen.

Fig. 15 zeigt einen anderen optischen Aufbau zur Kopplung von zv/ei Monochromatoren. Der vom Schlitz S₀ des Monochromator s Ur. 1 ausgehende Strahl wird zunächst vom sphärischen Spiegel M₀ reflektiert und läuft dann senkrecht zur Zeichenebene zur Reflexion vom Zylinderspiegel M₀, , und

IV
dann zum sphärischen Spiegel M₀ zur Reflexion zum flachen Spiegel 211. Der vom letzteren reflektierte Strahl tritt in den Monochromator Nr. 2 durch Schlitz S~ ein. Es ist zu beachten, daß die Strahldistanz vom Schlitz S₀ des Monochromators M₀ mit der AbmessungP,. (Radius des Ebert-Kreisei für Monochromator Nr. 1) angegeben ist. Auch der Strahl senkrecht zur Ebene der Fig. 15, der zwischen M^^V und

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verläuft, muß die Länge P₁ haben. Die Strahldistanz P₀

TV TV ' · ""

von Mp, nach M₀ (gleich dem Ebert-Kreis für Monochromator Ur. 2) ist ebenfalls gleich der Dimensionssumme a₀ + b_o,

XV "~ *~

wobei a_? die Strahldistaiis von M₀ zum Spiegel 211 ist, und b_o die Strahldistanz von 211 su S„ von Monochromator Mr. 2.

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Claims

Patentansprüche

1λ Doppelpaß-Monochromator mit additiver Dispersion, —bestehend aus einem Eingangsschlitz, zwei Zwischenschlitzen und einem Ausgangsschlitz, die eine einen Kreis definierende Krümmung haben, einer Dispersionseinrichtung im Strahlweg zwischen dem Eingangsschlitz und dem ersten Zwischenschlitz sowie im Strahlweg zwischen dem zweiten Zwischenschlitz und dem Ausgangsschlitz, die eine Aperturblende definiert, und einer Spiegeleinrichtung, mit der der Strahl zwischen dem Eingangsschlitz und dem ersten Zwischenschlitz über die Dispersionseinrichtung reflektiert wird, und mit denen der Strahl auch zwischen dem zweiten Zwischenschlitz und dem Ausgangsschlitz über die Dispersionseinrichtung reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlweg zwischen den beiden Zwischenschlitzen (S^, S₃) eine optische Kopplungseinrichtung angeordnet ist, mit der der erste Zwischenschlitz (Sg) auf dem zweiten Zwischenschlitz (S,) abgebildet wird und die Aperturblende auf sich selbst abgebildet wird.

2. Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Koppeleinrichtung einen sphärischen Spiegel (Mp ) aufweist, um den durch den ersten Zwischenschlitz (Sp) passierenden Strahl aufzunehmen, einen Zwischenspiegel (Mp^) , um den vom ersten Spiegel (Mp ) reflektierten Strahl aufzunehmen und zu reflektieren, und einen v/eiteren sphärischen Spiegel (Mp_c) mit dem der vom Zwischenspiegel (M_2b) reflektierte Strahl aufgenommen und zum zweiten Zwischenschlitz (S₃) reflektiert wird.

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3. Monochromator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schlitze (S^, S₂, S₃, S₄) mit dem Radius P angeordnet sind.

daß alle Schlitze (S₁, S₂, S₃, S₄) auf dem Ebert-Zirkel

4. Monochromator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sphärischen Spiegel (Mp , ^Mn_c) einen Radius gleich ίΠΓ P hat und die Hauptstrahlen, die auf die Spiegel auftreffen und von diesen reflektiert werden, etwa 45 zur Normalen an den Reflexionspunkten liegen.

5. Monochromator nach Anspruch 2,-dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenspiegel Mp, zylindrisch ist.

6. Doppelpaß-Monochromator mit additiver Dispersion, bestehend aus einem Eingangsschlitz, zwei Zwischenschlitzen und einem Ausgangsschlitz, die eine einen Kreis definierende Krümmung haben, einer Dispersionseinrichtung im Strahlweg zx^i sehen dem Eingangs schlitz und dem ersten Zwischenschlitz, sowie im Strahlweg zwischen dem zweiten Zwischenschlitz und dem Ausgangsschlitz, die eine Aperturblende definiert, und Spiegeleinrichtungen, mit denen der Strahl zur Passage zwischen dem Eingangsschlitz und dem ersten Zwischenschlitz· über die Dispersionseinrichtung reflektiert wird und der Strahl zwischen dem zweiten Zwischenschlitz und dem Ausgangsschlitz über die Dispersionseinrichtung reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Koppeleinrichtung im Strahlweg zwischen" den beiden Zwischenschlitzen (S₉, S-) angeordnet ist, um den ersten Zwischenschlitz (S₀) auf den zweiten Zwischenschlitz (S₃) .abzubilden, die einen sphärischen Spiegel (Mp ) aufweisen, der den durch den ersten Zwischenschlitz (S^) tretenden Strahl aufnimmt, einen zylindrischen Zwischenspiegel (Mp-, ) der den vom ersten Spiegel (Mp ) reflektierten Strahl aufnimmt und reflektiert, sowie einen sphärischen Spiegel (Mp ) um den vom Zwischen-

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spiegel (M„, ) reflelctierten Strahl aufzunehmen und zum ^J 2t>

zweiten Zwischenschlitz (S₃) zu reflektieren.

Monochromator mit zwei Abschnitten, bestehend aus einem Eingangs- und einem Ausgangsschlits des ersten Abschnittes und einem Eingangs- und Ausgangsschlitz des zweiten Abschnittes, einer ersten Dispersionseinrichtung im Strahlweg zv/ischen den Schlitzen des ersten Abschnittes und einer zweiten Dispersionseinrichtung im Strahlweg zv/ischen den Schlitzen des zweiten Abschnittes, wobei die beiden Dispersionseinrichtungen eine erste bzw. zweite Aperturblende definieren, und einer Spiegeleinrichtung, mit der der Strahl zwischen den Schlitzen des ersten Abschnittes über die erste Dispersionseinrichtung reflektiert wird und der Strahl zwischen den Schlitzen des zweiten Abschnittes über die zweite Dispersionseinrichtung reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daR eine optische Koppeleinrichtung im Strahlweg zv/ischen dem Ausgangsschlitz (S₀) des ersten Abschnittes und dem Eingangsschlitz (S-) des zweiten Abschnittes angeordnet ist, um die beiden Schlitze (S^i S~) abzubilden, die einen sphärischen Spiegel (Mp ) aufweist, um den durch den Ausgangsschlitz; (S₀) des ersten Abschnittes tretenden Strahl aufzunehmen, einen zylindrischen Zwischenspiegel (Mp_b) um den vom ersten Spiegel (Mp-.) reflektierten Strahl aufzunehmen und zu reflektieren, und einem zweiten sphärischen Spiegel (M_? ) um den vom Zwischenspiegel (M₀, ) reflektierten Strahl aufzunehmen und zum Eingangsschlitz (Sj des zweiten Abschnittes zu reflektieren, daß der Radius des ersten sphärischen Spiegels (M₀ ) "V^" P λ entspricht, wobei ρ ^ der Radius des durch die Krümmung der Schlitze (S^, S₀) des ersten Abschnittes definierten Kreises ist, der Radius des zweiten sphärischen Spiegels (Mp_c) "V2" P₂ entspricht, wobei ρ 2 der Radius des Kreises ist, der durch die Krümmung der Schlitze (S₃,S₄)

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des zweiten Abschnittes definierten Kreises ist, und daß die Krümmungsmittelpunkte der Spiegel derart angeordnet sind, daß die auf jeden Spiegel auftreffenden und von diesem reflektierten Strahlen einen Winkel von 90° definieren.

0. Monochromator, bestehend aus einem Eingangsschlitz, der einen Lichtstrahl von einer Quelle erhält, und einem Ausgangsschlitz, wobei beide Schlitze eine einen Kreis definierende Krümmung haben, einer Dispersionseinrichtung im Strahlweg zwischen den beiden Schlitzen, und einer Spiegeleinrichtung, mit der der Strahl zwischen den beiden Schlitzen über die Dispersionseinrichtung reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Koppeleinrichtung mit einem sphärischen Spiegel im Strahlweg zwischen der Quelle und dem Eingangsschlitz derart angeordnet ist, daß er den Eingangsschlitz auf der Quelle abbildet, ivobei der Mittelpunkt des Spiegels in der Mitte des definierten Kreises liegt, und jeder der sphärischen Spiegel einen Radius gleich "VT P hat, wobei p dem Radius des Kreises gleich ist.

9. Monochromator, bestehend aus einem Eingangsschlitz, der einen Lichtstrahl von einer Quelle erhält, und einem Ausgangsschlitz, wobei beide Schlitze eine einen Kreis definierende Krümmung haben, einer Dispersionseinrichtung im Strahlweg zwischen den beiden Schlitzen und einer Spiegeleinrichtung, mit der der Strahl zwischen den beiden Schlitzen über die Dispersionseinrichtung reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor und eine optische Koppeleinrichtung mit einem sphärischen Spiegel im Strahlweg zwischen dem Ausgangsschlitz und dem Detektor angeordnet ist, um den Aus-

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gangsschlitz auf dem Detektor abzubilden, wobei der Mittelpunkt des Spiegels auf dem Mittelpunkt des definierten Kreises liegt.

10. Monochromator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der sphärische Spiegel einen Radius gleich "Y? P hat, wobei f> gleich dem Radius des definierten Kreises ist.

11. Monochromator, bestehend aus einem Eingangsschlitz, der einen Lichtstrahl von einer Quelle aufnimmt, und einem Ausgangsschlitz, wobei beide Schlitze eine einen Kreis definierende Krümmung haben, einer Dispersionseinrichtung irn Strahlweg zwischen den beiden Schlitzen und einer Spiegeleinrichtung, mit der der Strahl zwischen den beiden Schlitzen über die Dispersionseinrichtung reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Probenselle vorgesehen ist und eine optische Koppeleinrichtung mit einem sphärischen Spiegel, der im Strahlweg zwischen dem Ausgangsschlitz und der Probenzelle angeordnet ist, um den Ausgangsschlitz auf der Probenzelle abzubilden, und daß der Mittelpunkt des Spiegels im Mittelpunkt des definierten Kreises liegt.

12. Monochromator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der sphärischen Spiegel einen Radius gleich

"V"? β hat, 'wobei ρ gleich dem Radius des definierten Kreises ist.

13. Monochromator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein justierbarer dritter Schlitz im Strahlweg zwischen den beiden Teilen der Dispersionseinrichtung angeordnet ist.

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14. Monochromator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein justierbarer dritter Schlitz im Strahlweg zwischen den beiden Teilen der Dispersionseinrichtung angeordnet ist.

15. Monochromator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein justierbarer dritter Schlitz im Strahlweg zwischen den beiden Teilen der Dispersionseinrichtung angeordnet ist.

16. Monochromator mit zwei Abschnitten, bestehend aus einem Eingangs- und einem Ausgangsschlitz im ersten Abschnitt und einem Eingangs- und einem Ausgangsschlitz im zweiten Abschnitt, einer ersten Dispersionseinrichtung im Strahlweg zwisehen den beiden Schlitzen des ersten Abschnittes und einer zweiten Dispersionseinrichtung im Strahlweg zivischen den beiden Schlitzen des zweiten Abschnittes, wobei die beiden Dispersionseinrichtungen jeweils eine Aperturblende definieren, und einer Spiegeleinrichtung, mit der der Strahl zwischen den beiden Schlitzen des ersten Abschnittes über die erste Dispersionseinrichtung reflektiert wird und der Strahl zwischen den beiden Schlitzen des zweiten Abschnittes über die zweite Dispersionseinrichtung reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Koppeleinrichtung im Strahlweg zid.schen dem Ausgangsschlitz (Sp) des ersten Abschnittes und dem Eingangsschlitz (Sg) des zweiten Abschnittes angeordnet ist, um die beiden Schlitze (S₀, S-.) abzubilden,die einen sphärischen Spiegel (M„ ) aufweist, um den durch den Ausgangsschlitz des ersten Abschnittes tretenden Strahl aufzunehmen, einen Zwischenspiegel (M₀.) um den vom ersten Spiegel (Mp ) reflektierten Strahl aufzunehmen und zu reflektieren, und einen zx^eiten sphärischen Spiegel (M_2c) um den vom

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Zwischenspiegel (ΙΊ_?, ) reflektierton Strahl aufzunehmen und ihn sum Eingangsschlitz (S-) des zweiten Abschnittes zu reflektieren, daß der Radius des ersten sphärischen Spiegels Cl-I-,_,) ~ψ~ Pt entspricht, wobei P₁ der Radius des Kreises ist, der durch die Krümmung der Schlitze des ersten Abschnittes definiert ist, der Radius des zweiten sphärischen Spiegels (M₀ ) Ύπ fi _o entspricht, v/ob ei fi> -, der Radius des Kreisen 5.st, der durch die Krümrnu.ng der Schlitze (S₀, S^) des zweiten Abschn5.ttes definiert ist, die Krümmungsmittelpunkte der Spiegel so plaziert sind, daß die auf jeden Spiegel axiftreffenden und von diesem reflektierten Strahlen einen V/inkel von 90 definieren, und eine Feldlinse am Ausgangsschlitz (S₀) des ersten Abschnittes und eine weitere Feldlinse am Eingan'
Abschnittes angeordnet ist.

ueitere Feldlinse am Eingangs schlitz (S-) des zv/eiten

17. Monochromator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersionseinrichtung aus'einem Gitter besteht, dessen Striche parallel zu den Tangenten des Ebert-Kreises an den Mittelpunkten der Schlitze des ersten Abschnittes ist und unter gleichen l/inkeln relativ zu den Tangenton an den Ebert-Kreis an den Mittelpunkten der Schlitze des zweiten Abschnittes liegen.

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