DE2512625C2 - Doppelmonochromator - Google Patents

Description

h) die Dispersionseinrichtung (19) nur ein einziges 20

dispergierendes Element aufweist und eine Die Erfindung betrifft einen Doppelmonochromator

Aperturblende definiert, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

i) die reflektierende Einrichtung (Mi, M₂, M₃. M₄, Ein solcher Doppelmonochromator ist bekannt (DE-

M_{2 a}, Mib, M_2c) derart ausgebildet ist daß das OS 19 21 553). Dieser bekannte Doppelmonochromator

dispergierende Element sowohl im Strahlweg 25 ist mit zwei getrennten Dispersionsgittern versehen; die

zwischen Eingangsspalt (Si) und erstem Zwi- Konstruktion ist nicht dazu geeignet einen Doppelweg-

• schenspalt (S₂) als auch im Strahlweg zwischen monochromator aufzubauen, bei dem der Strahlengang

zweitem Zwischenspalt (S₃) und Austrittsspalt mehrfach über oder durch die gleiche Dispcrsionsein-

(S₄) liegt und daß das dispergierende Element richtung verläuft

auf sich selbst ausgebildet wird, 30 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den be-

j) die reflektierende Einrichtung aus einer Spie- kannten Doppelmonochromator in der Weise abzuwan-

geleinrichtung (Mi, M₂, Mj, M₄) und einer opti- dein, daß ein Doppelwegmonochromator mit mehrfa-

schen Kopplungseinrichtung (M₂*, M₂b, M_2c) eher Ausnutzung der gleichen Dispersionseinrichtung

besteht, geschaffen wird.

k) die Spiegeleinrichtung (Mi, M₂. M₃, M₄) derart 35 Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des

ausgebildet ist, daß der Strahl zwischen dem Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Eintrittsspalt (Si) und dem ersten Zwischenspalt Spezielle Ausgestaltungen der Erfindung, die zur Er-

(5₂) über die Dispersionseinrichtung (19) reflek- zielung einer besseren Abbildungsqualität beitragen, ertiert wird und der Strahl zwischen dem zweiten geben sich aus den Ansprüchen 2 bis 6.
Zwischenspalt (S₃) und dem Austrittsspalt (S₄) 40 Die Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläuebenfalls über die Dispersionseinrichtung (19) tert werden; es zeigt

reflektiert wird, F i g. 1 eine schematische Ansicht eines Doppelmono-

I) die optische Kopplungseinrichtung einen ersten chromators mit additiver Dispersion nach der Erfin-

sphärischen Spiegel (M₂,), einen Zwischenspie- dung;

gel (M₂b) sowie einen weiteren sphärischen 45 Fig.2 eine Stirnansicht des Monochromator nach

Spiegel (M_{2 c}) aufweist und den ersten Zwi- F i g. 1 entsprechend der Linie 2-2 in F i g. 1;

schenspalt (S₂) auf den zweiten Zwischenspalt F i g. 3 eine F i g. 1 entsprechende Ansicht, jedoch ent-

(5₃) abbildet und sprechend der Linie 3-3 in F i g. 2;

m) der erste sphärische Spiegel (M₂ „) den durch Fig.4 eine Stirnansicht entsprechend der Linie4-4 in

den ersten Zwischenspalt (S₂) gelangenden 50 F i g. 3 und

Strahl aufnimmt und zum Zwischenspiegel F i g. 5 einen Teil eines Monochromator nach F i g. 1

(M₂ b) reflektiert, der den vom ersten sphäri- mit zusätzlicher Feldlinse.

sehen Spiegel (M₂₀) reflektierten Strahl auf- Gemäß Fig. 1 bis4 weist ein Monochromator 10 Einnimmt und zum weiteren sphärischen Spiegel richtungen (beispielsweise Backen) 11 —18 auf, die einen (M₂c) reflektiert, der den vom Zwischenspiegel 55 Eintrittsspalt Si, Zwischenspalte S₂ und S₃ und einen (M₂ b) reflektierten Strahl aufnimmt und zum Austrittsspalt S₄ bilden. Eine Dispersionseinrichtung, zweiten Zwischenspalt (S₃) reflektiert. beispielsweise ein Gitter 19, ist im Strahlweg zwischen

Spalt Si und S₂ angeordnet und ebenso zwischen Spalt

2. Doppelmonochromator nach Anspruch 1, da- S₃ und S₄, wobei das Gitter eine Aperturblende definiert, durch gekennzeichnet, daß alle Spalte (Si, S₂, S₃, S₄) 60 Weiter sind Spiegeleinrichtungen (beispielsweise Spieauf dem Ebert-Kreis (32) mit dem Radius ρ angeord- gelabschnitte) Mi... M₄ vorgesehen, um den Strahl auf net sind. dem Weg über die Spalte Si und S₂, das Gitter 19 und die

3. Doppelmonochromator nach Anspruch 2, da- Spalte S₃ und S₄ zu reflektieren. Das dargestellte Gitter durch gekennzeichnet, daß die sphärischen Spiegel ist durch additive Dispersion in den aufeinanderfolgen-(M₂ a, M₂c) einen Radius gleich ]/2p haben und die 65 den Monochromatorabschnitten charakterisiert, von Hauptstrahlen, die auf die sphärischen Spiegel auf- denen der erste dem Strahlweg zwischen Si und S₂ und treffen und von diesen reflektiert werden, 45° zur der zweite dem Strahlweg zwischen den Spalten S₃ und Normalen an den Reflexionspunkten liegen. S₄ angeordnet ist. Der vollständige Strahlweg ist in

Form des Hauptstrahls dargestellt (Weg des Zentralstrahls bei nomineller Wellenlänge), er besteht aus Strahl 20a von der Lichtquelle 21 zum Spiegel M\ zur Reflexion bei 22, Strahl 206 von M\ zum Gitter 19 zur Dispersion, Strahl 20c vom Gitter zum Spiegel M₂ zur Reflexion bei 23, Strahl 2Odvon Ai₂ durch Zwischenspalt S₂ zum Außenspiegel M_{1 a}. Strahl 2Oe nach Reflexion bei

24 von M₂ * τντη aus der Achse her ausgesetzten zylindrischen, konkaven Spiegel M₂ b, Strahl 20/reflektiert bei

25 von M₂ b zu Spiegel M_{2 a} Strahl 20g reflektiert bei 26 von M_2c zum Wiedereintritt in den Monochromator über Zwischenspalt S₃, Strahl 20Λ reflektiert von Spiegel Mi bei 27 zum gleichen Teil des Gitters 19 zur weiteren Dispersion, Strahl 20/ vom Gitter 19 zum Spiegel Ma zur Reflexion bei 28, und Strahl 20y reflektiert von M₄ zinn Ausgang aus dem Monochromator durch Spalt S₄. Der Strahl 2Oj kann durch eine eine Probt enthaltende Zelle 29 auf einen Detektor 30 gerichtet sein. Die Strahlen 20a bis 2Od können als Strahlen des ersten Durchgangs betrachtet werden, während die Strahlen 20^ bis 2Oy als Strahlen des zweiten Durchgangs betrachtet werden können. Die Spiegel Mi... M₄, die als getrennt dargestellt sind, können auf einer einzigen sphärischen Fläche liegen, deren Zentrum außerhalb des Monochromators liegt, jedoch auf der Linie 35, die den Winkel β zwischen den Hauptstrahlen 206 und 20c halbiert, oder den Winkel ß' zwischen den Strahlen 20Λ 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.

Die externe Koppeloptik, allgemein bei 31 angedeutet, ist im Strahlweg zwischen den Spalten S₂ und S3 angeordnet, um den Spalt S₂ durch irgendeinen gewünschten Spektralbereich auf S₃ genau abzubilden, wobei diese Spalte gekrümmt sind, ebenso wie die Spalte Si und S₄. F i g. 2 zeigt die Spalte Si... S₄, die auf dem Ebert-Kreis 32 angeordnet sind, dessen Mittelpunkt bei 33 erscheint, wobei der Radius mit ρ bezeichnet ist. Weiter bildet das externe optische Koppelsystem die Aperturblende (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_{2 a} und Mi₁. sphärisch gemacht werden, mit Radien Ti = Z₂ = l/2 (> und mit einem gemeinsamen Mittelpunkt bei 33, der der Mittelpunkt des Ebert-Kreises 32 ist. Wenn das getan wird, wird der gekrümmte Spalt S2 als geradliniges Bild wiedergegeben, das in der Sektion normal zur Strahlachse liegt und in einer Ebene parallel zur Ebene der Spalte. Tatsächlich ist das geradlinige Bild ein horizontales Spaltbild, das mit einem vertikalen Aperturbild (Gitterbild) zusammenfällt. Da das gleiche im umgekehrten Licht vom Eingangsspalt S3 des zweiten Monochromators geschehen würde, können diese beiden Bilder zusammenfallend gemacht werden, abgesehen vom Asymmetriewinkel zwischen den beiden Abschnitten des Monochromators. Ein ebener Spiegel parallel zur Symmetrieebene zwischen den beiden Abschnitten des Monochromators würde deshalb das Bild von S₂ direkt zum Zusammentreffen mit Ss drehen. Ein solcher flacher Spiegel, der im Zusammenwirken mit Spiegel M_{2 a} wirkt, würde jedoch die Position des horizontalen Bildes der Aperturblende im System nicht modifizieren, das zwischen die Spiegel M_{2 a} und M₂ & fallen muß. Dieses Bild würde deshalb beim zweiten Durchgang nicht mit dem Gitter konjugiert sein, und Licht würde vom Gitter durch Vignettierung in der horizontalen Dimension verlorengehen, wenn nichts in dieser Hinsicht getan wird. Das liegt daran, daß ein sphärischer Spiegel, der um 45° aus der optischen Achse versetzt ist (90° zwischen den Zentralstrahlen der Strahlen), wie das bei den Spiegeln M₂ a und M₂ c der Fall ist, doppelt so viel Brechkraft im

to 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 |/2, während die vertikale Brechkraft gleich der Brechkraft auf der Achse multipliziert mit dem Kosinus von 45° ist, oder geteilt durch j/2. (Anmerkung: Unter »Brechkraft« einer Linse oder eines Spiegels wird der Kehrwert der Brennweite verstanden.)

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, dieses Problem zu behandeln. Beispielsweise können Sammellinsen, deren Achsen parallel zu den jeweiligen Spalten sind, wie im Schnitt in Fig.5 dargestellt, nahe bei den Spalten angeordnet werden und können dafür sorgen, daß das erste Aperturblendenbild halbwegs zwischen dem Spalt und dem Spiegel M_{2 a} in diesem »horizontalen« Schnitt liegt. Der Strahl wird dann zwischen den Spiegeln M2 _a und M_2c kollimiert. Wenn die Zylinderlinsen ausreichend nahe an den Spalten liegen, stören sie die Spaltabbildung nicht, so daß diese ungeändert bleibt. Eine solche Anordnung hat jedoch den großen Nachteil, daß diese Linsen achromatisch sein müssen oder aus unterschiedlichen Materialien für verschiedene Spektralbereiche bestehen müssen.

Eine einfachere Lösung dieses Problems besteht darin, daß ein sammelnder Zylinder M₂1 anstelle des flachen Spiegels in der Mitte zwischen den Spiegeln M₂ „ und M_2c verwendet wird. Dieser Zylinder hat ausreichende Brechkraft, um ein Bild der Aperturblende im gleichen Abstand vom Spiegel M_{2 c} zu erzeugen, wie ihn das erste Bild vom Spiegel M_2a hat. Mit anderen Worten, er wird das System sowohl horizontal als auch vertikal symmetrisch machen, und arbeitet nur mit Spiegeln, die den bekannten Vorteil haben, bei allen Wellenlängen gleiche optische Brechkraft zu haben. Da der zentrale Spiegel M2 j, am horizontalen Spaltbild angeordnet ist, und keine vertikale Brechkraft hat, modifiziert er die Bildeigenschaften des Spaltes nicht merklich. 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 Ausgangsspalt in den Monochromator gesehen wird, mit dem Horizontalbild des Spaltes zusammenfällt. Dadurch wird nicht nur die Größe des Strahles am Spiegel M₂ b 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 Spalten mit einem Radius gleich \j2p überlegene Bildqualität gegenüber irgendeiner anderen Kombination von Parametern.
Eine Gleichung, mit der der Radius des Zylinderspiegels M₂ b mit ρ in Beziehung gesetzt wird, lautet:

R = p/2 ■ cos(90° -Θ) = p/2 ■ sin θ

Tatsächlich wurde festgestellt, daß der auf diese Weise berechnete Radius so klein ist, daß eine erhebliche Aberration des Spaltbildes eintritt. Dementsprechend wird beispielsweise der Radius des Zylinderspiegels um immerhin das Dreifache gegenüber dem durch die obige Gleichung erhaltenen Wert vergrößert. In diesem Falie ergibt sich etwas Vignettierung und dementsprechend Energieverlust durch »Übergröße« am Gitter beim zweiten Durchgang, das ist jedoch nicht problematisch, und tatsächlich ergibt sich selbst bei breiten Spalten 80% des Signals, das sonst erhalten würde, während die Auflösung erheblich verbessert wird.

In Fi g. 2 ist zu beachten, daß die Achse des Spiegels Mi b parallel zur Symmetrieebene 49 liegt und daß Ebenen normal zur Ebene der F i g. 2, die durch die Strahlen 2Oe und 20/verlaufen, unter Winkel θ relativ zur Ebene 49 liegen. In F i g. 1 haben die Spiegel Mt, und Mi₀ eine Winkellage von 45° zur Achse, wie für M2 , 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 Mi b verwendet wird, der durch die obige Beziehung 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 werden und verbessert auf diese Weise die Auflösung.

Ein Spaltverstellmechanismus ist bei 40 in F i g. 2 angedeutet, und zwar beispielsweise als mit den Backen 11,16,13 und 18 verbunden.

F i g. 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 Monochromatorabschnitte liegen. Mit anderen Worten, ein Durchgang des Monochromators verwendet das Gitter in der Ebene und der andere Durchgang außerhalb der Ebene. In F i g. 1 bis 4 ist das Gitter so orientiert, daß die Striche parallel zu den Tangenten des Eben-Kreises in der Mitte der Spalte Si und 52 liegen und unter einem Winkel 2 θ relativ zu den Tangenten des Ebert-Kreises an der Mitte der Spalte S3 und S₄.

In F1 g. 1 ist schematisch durch Blöcke 64 und 65 angedeutet wo zusätzlich eine Koppeloptik ähnlich der beschriebenen, jedoch vereinfacht vorgesehen werden kann, um einen »geraden« Detektor verwenden zu können {d. h. einen Detektor mit gerader oder linearer öff- 5ö nung) trotz der deutlichen Krümmung des Spaltes S2, ohne daß Empfindlichkeit durch Bildkrümmungs-Fehlanpassung verloren geht bzw. eine »gerade« Quelle (d. h. eine lineare Apertur der Lichtquelle) auf dem Eingangsspalt Si abzubilden, mit der korrekten Krümmung für diesen Spalt

Schließlich zeigt F i g. 5 die Verwendung von zylindrischen Feldlinsen 80 und 80' an Zwischenspalten Sz und S3 eines Monochromators ähnlich dem in Fig. 1. Die Linsen 80 unds 80' sind groß genug, um den vollen Strahl 84 aufzunehmen, wenn der Spalt auf volle Breite gestellt ist Sie lassen die Aperturblenden in aufeinanderfolgenden Abschnitten des Monochromators optisch konjugiert, um Vignettierung zu minimieren.

65

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2

4. Doppelmonochromator nach Anspruch 1, 2

Patentansprüche: oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischen

spiegel (M₂ b) zylindrisch ist

1. Doppelmonochromator mit additiver Disper- 5. Doppelmonochromator nach Anspruch 1, 2

sion, bestehend aus 5 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Feldlin

se (80) an den Zwischenspalten (S₂, S₃) angeordnet

a) einem Eintrittsspalt (Si), ist

b) wenigstens einem Zwischenspalt (S₂, S₃), 6. Doppelmonochromator nach einem der An-

c) einem Austrittsspalt (S₄), Sprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die

d) einer Dispersionseinrichtung (19) und 10 Dispersionseinrichtung (19) aus einem Gitter be-

e) einer reflektierenden Einrichtung (Mu M₂, M₃, steht, dessen Striche parallel zu den Tangenten des M₄, M₂ * M₂ b, M_{2 c}), Ebert-Kreises (32) am Mittelpunkt des Eintritts- und

des ersten Zwischenspaltes (Sj. S₂) sind und unter

dadurchgekennzeichnet, daß gleichen Winkeln relativ zu den Tangenten an den

15 Ebert-Kreis (32) am Mittelpunkt des zweiten Zwi-

f) ein erster (S₂) und ein zweiter (S₃) Zwischen- sehen- und des Austrittsspaltes (£3, S₄) liegen,
spalt vorgesehen sind,

g) alle Spalte (Si, S₂, S₃, S₄) kreisförmig gekrümmt