DE2617258A1

DE2617258A1 - Verfahren und vorrichtung zur spektroskopischen gasanalyse

Info

Publication number: DE2617258A1
Application number: DE19762617258
Authority: DE
Inventors: Joseph John Barrett
Original assignee: Allied Chemical Corp
Current assignee: Allied Corp
Priority date: 1975-04-21
Filing date: 1976-04-20
Publication date: 1976-12-02
Also published as: FR2308918A1; GB1523224A; JPS51129289A; CA1058416A; US4011013A; FR2308918B3

Description

Dr. Hans-Heinrich Willrath

Dr. Dieter Weber Dipl.-Phys. Klaus Seiffert

PATENTANWÄLTE

D-62 WIESBADEN 2 g 17258 V/Ii Postfach 6145 Gustav-Freytag-Stra6e 25 ® (06121) 372720 Telegrammadresse: WILLPATENT Telex: 4-186247

12. April 1975

File 7000-109 5

ed Chemical Corporation, Columbia 'load and Park Avonu? Morris To'-mship, ^Morris Count", Ns**.·/ Jersey / U Γ> Λ

^erfahren und Vorrichtung zur spektroskopischen Gasanalyse.

itTt£ 21. April 1975 in USA, S^rial-Mo. 569 394

Die ürfindung betrifft die Spektroskopie und bezieht sich insbesondere auf ein verfahren und r»ine Vorrichtung zur Erfassung und quantitativen Messung gasförniger Bestandteile durch gleichzeitiges Durchlassen ihrer periodischen Spektren.

Bei einer bekannten für die spektroskopische Gasanalyse verwendeten Vorrichtung wird durch Streuung in einen Gas erzeugtes Licht gesammelt und zu einem Interferometer durchgelassen, welches so

/2

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b~strich~'*i 1st, da 3 tr^nnscharf gleichzeitig die Raman-Drehsnektrer. r-lnes vorgewählten Bestandteils des Gases durchge-Iri^sf?"" ^T'^rd?r>. w-^r Au^Ta^g rl-*¹= Interf-TCi^ters wird zu einer' erfaßbarer Signal η^τηαe^Tmn<^elt und dargestellt.

⁷^i.:-⁰" d=r Hauptprobleme dieser Verrichtung ist die Schwierigkeit der A^alvs^ 3^?ir geringer '^iig^.n gasförniger Bestandteile. T-=r ?ui^::-jn.ng 'Is-? Tnterf-roriRters gibt ein Signal mit relativ niedriger Tn.t""Tifit wieder, '-/^lche^ h'iufig durch Spektral-Int-^rf^ΏΓ"πζ zwischen ^a^ap-Droiispektren des zu analysierenden ^as^s und Snei^tr^ri gleichzeitig vorhardansr Gase verändert oder a'->g«deckt ^τ-ΛχΛ. "Oas Prolilen wire! Jsogonclers schwierig, wenn das zu analysierende C-a·=; an einer von der ^T7Or£ichtung entfernten Stelle angeordnet ist. Um diese Probleme zu verringern, ist es notwendig ge^^sen, die Vorrichtung nit sehr empfindlichen Gestaltung"-;-, urd Kombinationen von Detektoren, Filtern, Steuars^st-ner. und dergleichen zu vorsehen, die relativ tau»*- sind.

Die vorliegende Erfindung schafft eir.e Vorrichtung iiit verbesserter Crpfindlichkeit f:ir die spektroskonische Gasanalyse. Di-^se ^T/_orri_c;_atung hat oine strahlungsquelle zur Erzeugung mehrerer im Abstand überlagerter Strahlen einer irtonochroniatisohor. ■"trahluo.g. Oer Strahlungsquelle ist eine Abstinmeinrichtung zugeordnet zur .einstellung der Frequenzdifferenz zwischen den Strahlen benachbarter Prermenz, un sie im x-zesentlich-n gleich ein^r ungeraden ganzen Untermenge der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektralkonponenten das periodischen Spektrums für einen ausgewählten Bastandteil des Gases +) (subiuuitipie) 609849/0866

BAD ORIGINAL

zu machen. Uine Projektionseinrichtung ist vorgesehen, ui.i die Strahlen durc¹-* das Gas zu richten und eine 3tr?U3trahlung vorzusehen. Die durch jeden Strahl erzeugte Straustrahlung hat eine getrennte Gruppe von Gpoktralkonponenten, die in der Frequenz periodisch sind, und die Spektralkomponanter. für den vorgewählten Bestandteil werden überlagert, un in den von durch kombinierte Streuung der Strahlung erzeugten Spektrum das periodische Spektrum für den vorgewählten Bestandteil zu bilder. Eire primäre interferometrische Einrichtung ist geeignet ausgebildet, um die Streu-Strahlung zur trennscharfen Trennung des periodischen Spektrums von dieser Einrichtung aufzunahmen und dar, periodische Spektrum in der Form eines erfaßbaren Signals durchzulassen. Die primäre interferemetrische Einrichtuncj hat eine interferenzerzsugsnde Einrichtung zur Schaffung mehrerer Durchlaßfenster, die in regelmäßigen Fraquenzabständan angeordnet sind, wobei der Frequenzabstand zwischen benachbarten Fenstern so eingestellt wird, daß er im wesentlichen gleich der Frequanzdifferenz zwischen den Strahlen benachbarter Frequenz ist. Eine Frequenz-Schiebeeinrichtung ist der Abstimr.einrichtung zum Verschieben der Frequenzen der Strahlen bezüglich der Frequenzen der Durchlaßfenster derart zugeordnet, daß die Frequenz für einen gegebenen Strahl im wesentlichen auf halbem vieg zwischen zwei gegebenen benachbarten Durchlaßfenstern der primären interferometrischen Einrichtung angeordnet ist, wodurch das erfaßbare Signal einSttBlfmist, v/elcher von den überlagerten Spektrallinien des periodischen Spektrums abgeleitet ist und eine Intensität hat, die im wesentlichen gleich ihrer Summe ist.

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Ferner sorgt die Erfindung für ein Verfahren zur spektroskopischen Gasanalyse mit folgenden Schritten/ Erzeugen mehrerer, im Abstand überlagerter Strahlen einer monoc hromatischen Strahlung; Einstellen der Frequenzdifferenz zwischen Strahlen benachbarter Frequenz derart, daß sie im wesentlichen gleich einer ungeraden ganzzahligen Untermenge der Froquenzdifferenz zwischen benachbarten Spektralkomponenten des periodischen Spektrums für einen vorgewählten Bestandteil des Gases ist; Richten der Strahlen durch das Gas zur Erzeugung von Streustrahlung, die von jedem der Strahlen mit Spektralkomponenten erzeugt ist, die in der Frequenz periodisch sind, und den Spektralkomponenten für den ausgewählten überlagerten Bestandteil, um in den von der kombinierten Streuung der Strahlen erzeugten Spektren das periodische Spektrum für den ausgewählten Bestandteil zu bilden; interferometrisches Trennen de» periodischen Spektrums von der Streustrahlung dadurch, daß die Streustrahlung durch mehrere Durchlaßfenster gerichtet wird, die in regelmäßigen Frequenzabständen vorgesehen sind, wobei der Frequenzabstand zwischen benachbarten Fenstern im wesentlichen gleich der Frequenzdifferenz zwischen den Strahlen benachbarter Frequenz ist; Verschieben der Frequenzen der Strahlen bezüglich der Frequenzen der Durchlaßfenster derart, daß die Frequenz eines gegebenen Strahls im v/esentlichen auf halbem Weg zwischen zwei gegebenen Durchlaßfenstern angeordnet ist; und Durchlassen des getrennter periodischen Spektrums in der Form eines erfaßbaren Signal?, welches ein Streifen oder Rand ist, welcher von den überlagerten Spektrallinien des periodischen *) (submultiple) 609849/0866

Spektrums abgeleitet, ist und eins Intensität hat, die im wesentlichen gleich ihrer Summe ist.

Die Strahlungsquelle weist vorzugsweise eine sekundäre intarferometrische Einrichtung auf, die ähnlich der primären interferone tr i sehen Einrichtung verschiedene Ausführungsformen haben kann. Vorzugsweise ist jede der primären und sekundären ■Enterferometrischen Einrichtung ein Fabry-Perot-Interferometer .(FPI) ,wobei die sekundäre interf erometrische Einrichtung eine Spiegeltrennung d₇ hat, die so eingerichtet ist, daß sie gleichzeitig jedes gegebene Paar mehrerer Strahlen benachbarter Frequenz bei einer Frequenzdifferenz durchlassen, welche in Wechselbeziehung zu der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektralkomponenten des periodischen Spektrums für eine vorgewählte Molekularsorte des Gases steht und wobei die primäre interferometrische Einrichtung eine Spiegeltrennung d.. hat, die so eingestellt ist, daß sie gleichzeitig alle Drehspektren des periodischen Spektrums der vorgewählten Art durchläßt. Diese Bedingungen erhält man, wenn gilt:

und d„

S)IB

wobei d.j die Spiigeltrennung des primären FPI, d₂ die Spiegeltrennung des sekundären FPI, n₁ und n₂ ungerade ganze Zahlen sind, /U, die Brechzahl des Mediums zwischen den Spiegeln ist

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und B die molekulare Drehkonstante der Sorte ist. Für eine gegebene Molekularsorts und eine gegebene Erregerfrequenz bestehen die Drehsnaktren bei einer einzigartigen Gruppe ~ von Frequenzen. Jedes dieser Spektren kann in der Frequenz geschoben v/erden, um mehrere Spektralkomponenteii derselben Periodizität wie die dieser Spektren zu erzeugen. Das Schieben der Frequenz mehrerer solcher Spektren durch ein Differential, welches im wesentlichen gleich dem Frequenzabstand dazwischen ist, erzeugt ein Spektrum, in welchem nor die Spektren der vorgewählten Arten überlagert werden. Öie Identifikation dar Sorten mit einer speziellen Gruppe von Drehspektren wird dadurch wirksam gemacht, daß iSan die Spiegeltrennungen der primären und sekundären interferontetrischen Einrichtungen bestlirtitEt, bsi welchen im wesentlichen alle die Rotations Spektren der Sorten gleichzeitig durchgelassen werden. In vorteilhafter TJeise wird die Intensität des erfaßbaren Signals nicht durch andere rtolekular Sorten beeinträchtigt als die _f welche für die Anzeige bestimmt ist. Ferner hat das erfaßte oder angezeigte Signal eine Intensität, die im wesentlichen gleich der Summe einer Vielzahl von Drehspektrallinien, ist, deren jede von einer Vielzahl überlagerter Drehlinien abgeleitet ist. Die Spektralinterferenz wird minimal gehalten, die Empfindlichkeit der Vorrichtung wird erhöht und höchstempfindliche Formen und Kombinationen von Detektoren, Filtern und Steuersystemen, sind nicht notwendig. Demgemäß gestattet das Verfahren und die Vorrichtung g=OT?i.e der Erfindung die Erfassung uitä. die genauere Messung von gasförmigen Bastandteilen bei geringeren Kosten, als Systene, bei welchen die Streuung des Gases durch einen

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zigen Strahl monochromatischer Strahlung bewerkstelligt wird.

Weitere Votteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung t™ Zusammenhang mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm unter Darstellung der Vorrichtung zur spektroskopischen Gasanalyse,

Fig. 2 ein schematisches Diagramm der Vorrlchtuna der Figur 1,

Fig. 3 eine schem*tische Darstellung von Spektren, die in einer Streustrahlung enthalten sind, welche durch mehrere Strhllen der Vorrichtung der Figur 1 zusammen mit einem periodischen Spektrum erzeugt wird, welches aus überlagerten Linien dieser Spektren zusammengesetzt ist,

F<bg. 4 ein Blockdiagramm unter Darstellung einer anderen Ausführungsform der Vorrichtung nach Figur 1 und

Fig. 5 eine teilweise abgebrochene Seitenansicht unter Darstellung einer Einrichtung zur Modulierung der Strahlerzeugungseinrichtung nach den Figuren 1 und 2.

Es werden jetzt bevorzugte Ausführungsbeispiele geschrieben. Eine Hrehspektren$*RifJfti#§ Strahlung findet man in jedem der sichtbaren, infraroten und ultravioletten Frequenzbereiche.

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Folglich arbeitet die Erfindung mit einer Strahlung mit ein^m relativ breiten Frequenzbereich. Zu Zwecken der Darstellung wird die Erfindung in Verbindung rait einer Vorrichtung uitLeinem Verfahren zur ."!essung von Raman-Drehspektren eines Gases beschrieben, welches von der Strahlung vom sichtbaren Frequenzbereich gestreut wird. Bei dieser Anwendung ist die Erfindung besonders geeignet, um quantitativ kleine Bestandteile eines Gases, wie z. B. Luft, zu erfassen und zu messen. Man wird verstehen, daß die Erfindung unter Verwendung einer Strahlung von einem beliebigen Bereich der vorstehenden Frequenzbereiche praktiziert werden kann und daß sie für ähnliche und sogar unterschiedliche Benutzungen verwendet werden kann, wie z. B. die Analyse von Schwingungs-Drehspektren, die Bestimmung molekularer Gasbestandteile und dergleichen.

In Figur 1 ist eine bevorzugte Vorrichtung für die spektroskopische Gasanalyse gezeigt. Die allgemein mit 10 bezeichnete Vorrichtung hat eine Strahlungsquelle 12 zur Erzeugung mehrerer, im Abstand liegender, überlagerter Strahlen 14 einer monochromatischen Strahlung. Der Strahlungsquelle 12 ist eine Abstimmeinrlchtung 16 zugeordnet zum Abstimmen der Frequenzdifferenz zwischen Strahlen benachbarter Frequenz, um sie im wesentlichen gleich einer ungeraden ganzzahligen Untermenge (submultiple), n, der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektralkomponenten des periodischen Spektrums eines vorgewählten Bestandteiles des Gases zu machen. Eine Projektionseinrichtung 18 ist vorgesehen, um die Strahlen 14 durch das

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Gas in die Kammer 20 zur Erzeugung einer Streustrahlung 22 zu führen. Die durch jeden der Strahlen 14 erzeugte Streustrahlung 22, die in Figur 3 als 14 __a gezeigt ist, hat eine

getrennte Grupne von SOektralkonnonenten 24 , die in der £ i ·. *. a—e

Frequenz periodisch sind. Die Snektralkonponentsn 2 4 für

a—s

den vorgewählten Bestandteil werden überlagert, urn in dem Spektrum 26, welches durch die kombinierte Streuung der Strahlen 14 hervorgerufen ist, das periodische Spektrum 30 für den vorgewählten Bestandteil zu bilden. Eine primäre interferometrische Einrichtung 23 ist geeignet ausgebildet, um die otreustrahlung 22 für eine trennscharfe Trennung des periodischen Spektrums aufzunehmen sowie zum Durchlassen des periodischen Spektrums 30 in Fora eines erfaßbaren Signals 32. Die primäre interferometrische Einrichtung 28 hat eine interferenzerzeugende Einrichtung zur Schaffung einer Mehrzahl von Durchlaßfenstern, die in der Frequenz in regelmäßigen Abständen angeordnet sind, wobei der Frequenzabstand zwischen benachbarten Fenstern so eingestellt ist, daß ar im wesentlichen gleich der Frequenzdifferenz zwischen Strahlen benachbarter Frequenz ist. Eine Frequenz-Schiebeeinrichtung 34 ist der Abstimmeinrichtung 16 zugeordnet zum Verschieben der Frequenzen der Strahlen 14 bezüglich der Frequenzen dar Durahlaßfenster, so daß die Frequenz eines gegebenen Strahles im wesentlichen auf der Hälfte zwischen zwei gegebenen benachbarten Fenstern der primären interferometrischen Einrichtung 28 angeordnet ist, wodurch das erfaßbare Signal 32 ein Rand oder Streifen ist, welcher von den überlagerten Spektrallinien des periodischen Spektrums 30 abgeleitet ist und eine Intensität hat, die im wesentlichen gleich

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ihrer Summe ist. Das erfaßbare Signal 32 wird von der primären interfarometrischen Einrichtung 28 zu einer Detektoroder Anzeigeeinrichtung 36 durchgelassen, welche seine Intensität anzeigt.

Insbesondere kann geriäS der Darstellung in Figur 3 die Strahlungsquelle 12 einen Farbstofflaser, der allgemein bei 38 gezeigt ist, aufweisen, der geeignet ausgestaltet ist, um durch die Energie von einer Blitzlichtlampe 40 oder von einem gepulsten Stickstofflaser, einem frequenzgedoppalten, gepulsten Rubinlaser oder dergleichen und eine Strahlerzeugungseinriühtung 48 erregt zu werden. Der Farbstofflaser 38 weist (1) eine Zelle 42 mit einem Farbstoff und (2) einen Laserraum bzw.- Hohlraum mit einem teilweise durchlässigen Ausgangsspiegel 44 und einem optischen Element 46 zur Erzeugung von Laserstrahlung auf. Die Farbstoffe, die zur Verwendung in den Farbstofflaser 38 geeignet sind, können einige der herkömmlich benutzten sein, die bei Erregung Licht mit Frequenzen im Durchlässigkeitsbereich des zu analysierenden Gases emittieren. Typische Farbstoffe weisen auf: Rhodamin 6G, Kiton Rot, Cresylviolett, Nilblau und dergleichen.

Die von dem Farbstoff in der Farbstoffzelle 42 emittierte Strahlung ist kontinuierlich über einen breiten Frequenzbereich abstimmbar. Die Strahlen-Erzeugungseinrichtung 48 trennt die Strahlung in mehrere im Abstand überlagerte Strahlen 14 einer monochromatischen Strahlung, die von der Strahlungsquelle 12

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■■11 —

über den Ausgangsspiegel 44 durchgelassen werden. Die Erzeugung des erfaßbaren Signals 32 ist am wirksamsten, wenn die von dem Farbstofflaser 38 emittierte Strahlung eine Linienbreite und Freguenzstabilität etwa gleich der oder geringer als die Linienbreite der DrehspektrEn des zur Erfassung bzw. Anzeige bestimmten Gases ist.

Die Verwendung eines gepulsten Farbstofflasers als Strahlungsquelle 12 zusammen mit einem zeitgetakteten, elektronischen Anzeigesystems gestattet die Bestimmung der Verunreinigungskonzentration öftd des Ortes einer Gasprobe in einer Entfernung von der Vorrichtung 10. Beispielsweise kann durch Versehen der Vorrichtung 10 mit (1) einer Einrichtung zur Messung der Zeit, die erforderlich ist, um einen Laserimpuls in die Probe hineinzusenden und ein Rückkehrsignal zu empfangen, welches von dem Streulicht darin hervorgerufen ist, und (2) einer Einrichtung zur Messung der Amplitude des Rückkehrsignals der Abstand der Probe von der Vorrichtung 10 sowie ihrer Ver,junreinigungskonzentration leicht erhalten werden. Ein gepulster Laser, der geeignet ausgebildet ife-fc, um die Veranreinigungskonzentration und die Lage in der oben beschriebenen Weise zu bestimmen, weist vorzugsweise eine Einrichtung zur Erzeugung einer Strahlung mit einer Linienbreite und einer FrequenzStabilität auf, die etwa gleich oder kleiner ist als die Linienbreite der Drehspektren des zur Aufzeichnung bestimmten Gases.

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Dii= s tr ah lung s er zeugende Einrichtung 48 kann verschiedene Forraen haben. Bei einer Aus führung sforn der Vorrichtung 10 v/eist die strahlensrzeugende Einrichtung 43 eine interferenzerzeugende Einrichtung auf zur Schaffung mehrerer Durchlaßfenster, die in der Frequenz in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Die strahlenerzeugende Einrichtung 48 ist in dem Raum des Farbstofflasers 38 im Strahlenweg von Farbstoff angeordnet.

Die Abstimmeinrichtung 16 ist an der sekundären interferomatrischen Einrichtung angeschlossen und weist eine Einrichtung zur varänderliehen Steuerung der Frequenz jeder Ordnung auf. Die Abstimneinrichtung ist so eingestellt/ daß die Frequenzdifferenz zwischen Strahlen benachbarter Frequenz im wesentlichen gMch ist einer ungeraden ganzen höheren Wurzel (submultiple) η der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektralkoraponenten des periodischen Spektrums für einen vorgewählten Bestandteil eines Gases. Im allgemeinen ist dieses periodische Spektrum dasjenige, welches durch die Streuung eines geringen Bestandteils des Gases erzeugt wird, wie z. B. das periodische Raman-Drehspektrum von Schwefeldioxid oder Kohlenstoffraonoxid in einer Probe Luft.

Eine dem Farbstofflaser 38 zugeordnete Projektionseinrichtung führt mehrere im Abstand liegende, überlagerte Strahlen 14 in das in der Probenkammer 50 befindliche Gas in einer Richtung hinein, welche als bessere Bezugsrichtung als im wesentlichen

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horizontal angesehen wird, selbstverständlich aber auch in einer anderen gewünschten beliebigen Richtung liegen kann. Dia Rainan-Streustrahlung von dein Gas in der Probenkammer 50 wird gesammelt, kollimiert und zu der primären interferometrischen Einrichtung 28 durch eine Strahlungs-Vorbehandlungseinrichtung 52 durchgelassen, die eine Linse oder ein anderes geeignetes optisches System sein kann. Solange das Gas Moleküle enthält, die von linearer oder symmetrischer Art sind, zeigt die Streustrahlung von der Kammer 50 in der Frequenz periodische SpektralJtoinponenten.

Die primäre interferometrische Einrichtung 28 weist eine interferenzerzeugende Einrichtung zur Schaffung mehrerer Durchlaßfenster auf, die in der Frequenz in regelmäßigen Abständen liegen,und kann mit einer Einrichtung zur veränderlichen Steuerung der Frequenz jeder Ordnung versehen sein. Die primäre interferometrischen Einrichtung 28 ist in Reihe mit dem Farbstofflaser 38 im Weg der gestreuten Strahlung von der Probenkammer 50 und der Strahlungs-Vorbehandlungseinrichtimg 52 angeordnet. Ihre interferenzerzeugende Einrichtung ist so eingestellt, daß der Frequenzabstand zwischen benachbarten Fenstern oder der Spektralbereich im wesentlichen gleich der Frequenzdifferenz zwischen den Strahlen 14 benachbarter Frequenz ist.

Eine Frequenzschiebeeinrichtung ist der Abstimmeinrichtung 16 zugeordnet zum Verschieben der Frequenzen der Strahlen

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relativ zu den Frequenzen der Durchlaßfenster. Die Frequenz-Schi^beeinrichtung ist so eingestellt, daß die Frequenz eines gegebenen Strahles in wesentlichen auf der Hälfte zwischen benachbarten Durchlaßfenstern der primären interferometrischen Einrichtung 23 angeordnet ist. Wenn die Frequenz-Schiebeeinrichtung auf diese Weise eingestellt ist, wird das periodische Spektrum der vorgewählten Spektren durch, die primäre interferometrische Einrichtung 28 in Form eines Streifens durchgelassen und wird dadurch trennscharf von der Straustrahlung getrennt. Das getrennte Spektrum schafft ein erfaßbares Signal 32, welches erfaßt bzw. angezeigt, gemessen und aufgezeichnet wird, wie nachfolgend beschrieben wird.

Die Strahlungsquelle 12 und die Abstimmeinrichtung 16 wirken zusammen, um das gleichzeitige Durchlassen mehrerer.im Abstand liegender, überlagerter Strahlen 14 monochromatischer Strahlung zu bewirken. Jeder Strahl 14 erzeugt ein Raman-Drehspektrum mit periodischen Spektralkoinponenten für den ausgewählten Bestandteil des Gases, welche nachfolgend als die vorgewählten periodischen Spektralkomponenten bezeichnet werden.Die Abstimmeinrichtung 16 schiebt die Frequenz der Strahlen um ein Differential, welches im wesentlichen gleich dem Frequenzabstand dazwischen ist, wodurch alle vorgewählten periodischen SpektralkOpponenten, die dadurch erzeugt sind, dieselbe Pariodizität (bzw. Periodenzahl) haben und überlagert sind, um ein kombiniertes Spektrum zu bilden, welches das periodische Spektrum des

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vorgewählten Bestandteils enthält. In UbsrraschenderSfeise wird jede Spektrallinie des periodischen Spektrums für den vorgewählten Bestandteil, welcher in dem kombinierten Spektrum enthalten ist, von einer Vielzahl von Spektrallinien abgeleitet und hat eine Intensität, die ira wesentlichen gleich ihrer Summe ist. Die primäre inter f er oraetrische Einrichtung 28 bewirkt das trennscharfe gleichzeitige Durchlassen aller Spektrallinien des periodischen Spektrums für den vorgewählten Bestandteil und erzeugt dadurch ein Signal mit dem zusätzlichen Spektralmerkmal, welches nach der Streuung durch die kombinierte Tätigkeit der Strahlungsquelle 12 der Abstimmeinrichtung 16 erzeugt ist. Folglich veranlaßt die Kombination von Interferenzen, welche durch die primäre und die sekundäre intarferometrische Einrichtung erzeugt sind, die primäre interferometrische Einrichtung 28, ein erfaßbares Signal durchzulassen (welches von den kombinierten Intensitäten im wesentlichen aller überlagerter Spektrallinien in dem periodischen Spektrum für den vorgewählten Bestandteil abgeleitet ist), welches größer ist als das eines beliebigen gegebenen Bestandteils des periodischen Spektrums, das in dem kombinierten Spektrum zugegen ist.

Anschaulich für die Art und Weise, wie die Mehrfach-Frequenzerregung benutzt werden kann, um das periodische Spektrum 26 zu erzeugen, ist der Fall der Raman-Drehstreuung durch lineare Moleküle, die bei einer einzigen optischen Frequenz ttu

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erregt sind. Für die Stokes-Zweigiinien ist die Raman-Frequenz der Drehlinie b3.i der Quantenzahl J

= W₀ - (4B - 6D) (J + 3/2) + 3D(J + 3/2) ^J (1)

wo D die Zentrifugal-Verzeichnungskonstante ist, welche die schwache Abweichung des Drehspektrums an der genauen 4B-Periodizität erklärt. Die Spitzenintensität der J-ten Stokes-Linie ist

K_s (J) = K(B/T)

3 (J+l) (J+2) 2(2J+3)

exp

-BJ(J+l)hc/kT

(2)

wo K eine ProportionaU-tätstonstante ist, T die absolute Temperatur ist und h, c und k Planck¹sehe -Konstante, bzw. die Lichtgeschwindigkeit bzw. die Boltznann-Konstante sind. Für den Anti-Stokes-Zweig sind die entsprechende Raman-Frequenz und die Spitzenintensität gegeben durch

+ (4B - 6D) (J + 3/2) - 8D(J +3/2)

(3)

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H_A(J)

= K (B/T)

3(J+1)(J+2)

2(2J+3)

3XO I -B

-B(J+2)(J+3)hc/kT

Die intensivste Drehlinie tritt für die Drehquantenzahl J auf,

welche gageben ist durch die Gleichung

(4)

J =

kT/(s3hc)

1/2

(5)

wo J auf den nächsten ganzzahligen Wert aufgerundet wird.

Für die primäre und sekundäre interferometrische Einrichtung kann man zwei Fabry-Perot-Interferometer mit unterschiedlichen Spiegelabständen verwenden. Das Fabry-Perot-Interferometer besteht aus zwei ebenen verspiegelten Platten, die zueinander parallel in Flucht liegen. Interferenzstreifen werden durch Mehrfachrefldtionen von Licht zwischen den verspiegelten Oberflächen erzeugt. Wenn I. die Intensität des einfallenden Lichtes.ist, dann ist die Intensität des Lichtes (I) , vrelche von dem Fabry-Perot-Interferometer durchgelassen ist, durch die Airy-Funktion gegeben

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C_t = I_± . T²/(l-R)² . (1 + F sin² φ/2)"¹ (6)

wo T + R + A = 1 und φ die Phasendifferenz ist zwischen interferierenden Strahlen und gleich ist

φ = 41T]XUd (7)

für senkrecht auf dia Interferometerspiegel auffallende Strahlen. Die Durchlässigkeit, das Reflektionsvermögen und der Absorptionsgrad der Fabry-Perot-Spiegel werden dargestellt durch die Symbole T, R bzw. A. Das Symbol "pi bezeichnet die Brechzahl des Mediums zwischen den Fabry-Perot-Spiegeln, und d ist die Spiegeltrennung. Die Wellenzahl U) (in Einheiten von cn ) ist gleich dem Reziproken der Wellenlänge des einfallenden Lichtes. Durchlässigkeitsmaxima von I treten auf für sinus <f>/2 gleich Mull. Folglich gilt

(8)

wo m = 0, 1, 2, ... und die Ordnung der Interferenz bezeichnet. Für einen festen Wert der Spiegeltrennung d treten die Maximalwerte der durchgelassenen Lichtintensität für das

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Frequenzintervall &iö des einfallenden Lichtes auf, gleich

wo Δϋ bekannt ist als der freie Spektralbereich des Interferometers. Deshalb verhält sich das Fabry-Perot-Interferometer wie ein Kammfilter mit Durchlässigkeitsfenstern, die in der Frequenz um einen Betrag gleich Au) in regelmäßigen Abständen liegen.

Wenn ein Fabry-Perot-Interferometer als die zweite interferomfetrische Einrichtung 48 (in Figur 2 gezeigt) verwendet wird, besteht der Ausgang des Farbstofflasers aus einer räumlichen überlagerung von Lichtstrahlen in regelmäßigem Frequenzabstand, wobei die Frequenztrennung zwischen benachbarten Strahlen gleich ist dem freien Spektralbereich Δθ) der sekundären interferometrischen Einrichtung 48. Wenn der freie Spektralbereich Διύ der sekundären interferometrischen Einrichtung so ausgewählt wird, daß er gleich 4B/n_ ist, wobei B die Drehkonstante des für die Analyse bestimmten Gases ist und n„ eine ungerade ganze Zahl ist, dann haben die Ausgangsstrahlen des Farbstofflasers eine Frequenzverteiltjng, die gegeben ist durch

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_{ωο +} I /iiÜ do)

wo iOq eine Frequenz im Zentruni des Farbstofflaser-Verstärkungsbereichs ist und Jl die ganzzahligen Werte annimmt ..., -2, -1 , 0, 1, 2/ .... Der Farbstofflaser-Verstärkungsbereich ist das FrequenzIntervall über welchem Laserschwingungen auftreten können. Der Maximalwert! der

ganzen Zahl tist begrenzt durch die Frequenzbreite W des Farbstofflaser-Verstärkungsbereiches. Folglich gilt

= W n₂/(8B). (11)

Deshalb besteht die Mehrfach-Frequenzerregung aus 2 Jl +1 diskreten Frequenzen.

Um die Analyse zu vereinfachen, sei angenommen, daß die Wirkungen der Zentrifugal-Verzeichnungskonstanten D in den Gleichungen (1) und (3) vernachlässigbar sind. Diese Annahme dürfte gültig sein, weil für typische Moleküle

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das Verhältnis D/B der Drehkonstanten in der Größenordnung von 10 liegt. Dann können die Frequenzen der Raman-Drehlinien, xvelche durch die einzige Frequenz Wq erzeugt sind, ausgedrückt werden als

_A = U₀ + 4B(J + 3/2) (12)

wo die Minus- und Pluszeichen sich auf Stokes- bzw. Anti-Stokes-Linien beziehen. Unter Verwendung der Mehrfach-Frequenzerregung der Ranan-Drehspektren werden die Frequenzen der einzelnen Raman-Drehlinian durch die Gleichung gegeben

ω_{3 A} = ω₀ + I (4B/n₂) + 43(J + 3/2) (13)

wobei der ganzteilige Wert von X sich von - 2 bis Ä ver-

m in

ändert und die Drehquantenzahl J ganzzahücj^e Werte von Null bis zu einer oberen Grenze annimmt, die als der Wert der Drehquantenzahl J definiert werden kann, für welche die Grossen der Stokes- und Anti-Stokes-Intensitätsglelchungen (2) und (4) vernachlässigbar werden. Die Analyse kann weiter dadurch vereinfacht werden, daß man n₂ in Gleichungen (13) gleich EINS setzt und jetzt nur die Stokes-Zweiglinien berücksichtigt. Die Gleichung (13) wird dann zu

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ω_σ = UL, + 4BJL - 4B(J + 3/2)

- 6B + 4B (£ -J)

(14)

Für ^= j, haben die Raman-Linien die Frequenz (u>0 - 6B) ; d. h. für S- = 0 ist die Erregerfrequenz cüq und die J=O Stokes-Linie hat die Frequenz (uq -6B) ; für X=I ist die Erregerfrequenz (WQ +4B) und die J = 1-Stokes-Linie hat die Frequenz (Wq -6B) usw. Deshalb ist das sich ergebende Raman-Signal bei der Frequenz ( (jq -6B) gleich der Überlagerung der Raman-Drehlinien mit unterschiedlichen J-Werten, deren jeder durch eine untärschiedliche Erregerfrequenz erzeugt war. Für Jl = J + 1 wird dieser Prozess wiederholt, und das sich ergebende Raman-Signal erscheint bei der Frequenz ((Jq -10B).

Im allgemeinen ist die Gesamtzahl der Frequenzen aller Stokes-Linien, welche durch die Mehrfach-Frequenzerregung erzeugt werden,

=ω₀ -6B + 4B

I-

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und die entsprechende Zahl der Antl-Stokes-Frequenzen ist

«_A =

+ 6B + 4B

S. + J

e =- a j=o

(16)

Die Frequenzen der Raman-Linien bezüglich Wo > dem sich ergebenden Spektrum 26, sind

W_R = O)₀

2B (2j + 1)

(17)

wo j eine ganze Zahl mit Werten von Null bis (JA I + J.,) ist.

I m¹! M

Für einen Wert von n₂ (Gleichung 10) ungleich Eins kann die Gleit chung (17) geschrieben werden als

= ^ω

(2B/n₂)

(18)

Für JL· ^ J,. und im Frequenzintervall uq - 2 B ft _m ist die Anzahl der Stokes- und Anti-Stokes-Linien_f die überlagert werden, um eineRaman-Frequenz im Spektrum 26 zu bilden, gleich 2J_M· Die gesamte Bestrahlungsstärkebei einer einzigen Raman-Frequenz (welche einem speziellen J-Wert in Gleichung (17) entspricht)

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in dem Spektrum 26 ist

Γ [ν J>. ι ο ' ⁺ V^J)-v] ⁽¹⁹⁾

wo ■£ ' = j + J + 1 für Stokes-Linien und S. " = j -J-I für Anti-Stokes-Linien und I- die Bestrahlungsstärke der 2-ten Linie der Ilehrfach-Frequenzerregung ist. Die Gesamtbestrahlungsstärke bei im wesentlichen allen Raman-Frequenzen im Spektrum 26 ist

I_T(._R)=2 ^ I

j=0 J=O

j ₊ J ₊

Wenn die primäre interferometrische Einrichtung 28 ein Fabry-Perot-Interferometer ist, dessen freier Spektralbereich gleich 4B gesetzt ist, wird das sich ergebende Raman-Spektrum 26 trennscharf durch das Fabry-Perot-Interferometer durchgelassen, wenn die Durchlaßspitzen des Interferometers mit den Frequenzen %»0 + (2B/n₂) (2j + 1) zusammenfallen. Für diesen Fall

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hat der durchgelassene Streifen eine Bestrahlungsstärke, die im wesentlichen gleich dan Bestrahlungsstärken aller einzelner Raman-Drehlinien für das für die Analyse bestimrate Gas ist. Für andere in der Probe vorhandene Gase werden ihre Raman-Drehlinien nicht in der Frequenz überlagert sein. Die intensivsten Stokes- und Anti-Stokes Dreh-Raman-Linien traten für die Drehquantenzahl J auf, welche durch die Gleichung (5) gegeben ist. Um die intensivsten Stokes- und Anti-Stokes-Linien in dem sich ergebenden Spektrum 26 genau überlagert zu haben, sind die Spiegeltrennungen für die erste und für di? zweite interferometrische Einrichtung gegeben durch die Gleichungen:

_± « Ti₁/ 81L iß - 4D(J_m + 3/2)³/(2J_m

= n₂/

{■

4D(J

3/2)°/(2J_m + 3)

(22)

wo d·^ und d^ sich auf die primäre bzw. sekundäre interferometrische Einrichtung beziehen, n, und η ungerade ganze Zahlen sind und D die Zentrifugal-Verzeichnungskonstante ist.

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Eine Moduliereinrichtung 54 ist der Strahl-Erzeugüngseinrichtung 48 zum Modulieren der Phasendifferenz φ zugeordnet, um die Intensität des Streifens zu verändern. Die MolduIiereinrichtung 54 kann andererseits auch der primären interferometrischen Einrichtung 23 zugeordnet werden. Um das Maximal modulierte Signal von dem zur Anzeige bestimmten Streifen zu erhalten, wird der Modulierbereich auf etwa 1/2 der Frequenzbreite des Streifens eingestellt. Andererseits kann der Modulierbereich auf vorbestimmte Teile des Streifens beschränkt werden, um die Intensität des modulierten Signals zu steigern. Allgemein gesagt sollte der Hodulierbereich nicht größer als der Frequenzabstand zwischen benachbarten Ordnungen sein.

Das erfaßbare Signal 32 von der primären interferometrischen Einrichtung 28 wird gesammelt und in der Ebene der Blende 55 durch eine Linse 57 fokusalert. Die Linse 57 wird so eingestellt, daß der Hittelpunkt des Signals 32 auf der Blende 59 angeordnet ist. Die Intensität des Teils des Signals 32, welcher durch die Blende 59 hindurchgeht, wird von einem Fotovervielfacher 61 erfaßt, bzw. angezeigt. Eine phasenempfindliche Detektor- oder Anzeigeeinrichtung 63, wie z. B. ein Lnck-in-Verstärker, ist geeignet ausgebildet, um das Signal von dem Fotovervielfacher 61 aufzunehmen und die Inten^eitätsveränderung des für die Analyse bestimmten Streifens zu erfassen. Der Ausgang der phasenempfindlichen Anzeigeeinrichtung 63 wird von einer Anzeige- und Aufzeichnunaseinrichtung 65 dargestellt, die ein Oszilloskop und einer» Kartenschreiber aufweisen kann.

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In Figur 5 sind eine Strahl-Erzeuqungseinrichtung 48 und die Moduliereinrichtung54 in größerer Einzelheit gezeigt. Die dargestellte Strahl-Erzeugunqseinrichtung ist ein Fabry-Perot-Interferometer (FPI)_;das durch Verändern der Phasendifferenz φ zwischen interferierenden Strahlen in herkömmlicher Weise bestrichen wird. Die Abtast- oder Bestreichungsverfahren, wie z. B. die, bei welchen der Druck des Gases zwischen den Spiegeln des FPI geändert wird, um den optischen Weg zwischen den Spiegeln zu ändern, können auch benutzt werden. Demgemäß sollte die in Figur 3 gezeigte Strahl-Erzeugijngselnrichtung 48 im Sinne der Darstellung und nicht im beschränkenden Sinne aufgelegt werden. Vorzugsweise ist jede Öer Strahl-Erzeugungseinrichtungen 48 und der primären interferometrischen Einrichtung 28 ein FPI, die in der gleichen Weise aufgebaut sind. Somit kann die primäre interferometrische Einrichtung 28 in derselben Weise wie die Strahl-Erzeugungseinrichtung 48 aufgebaut sein, wie nachfolgend in größerer Einzelheit beschrieben wird. Eine solche Einrichtung hat zylindrische Luftlager 56 und 58, die normalerweise bei etwa 2,11 kg/cm (30 psi) arbeiten und gemeinsam einen hohlen Mekallzylinder 60 von einer Länge von etwa 35 cm stützen, der aus nicht rostendem Stahl oder dergleichen hergestellt ist. D6b Außendurchmesser des Zylinders 60 ist auf etwa 4 cm durch spitzenloses Einstechschleifen hergestellt. Der Innendurchmesser des Zylinders 60 beträgt etwa 3,5 cm. Jedes Luftlager 56 bzw. 58 ist etwa 8 cm lang und hat einen Außendurchmesser von etwa 5 cm sowie einen Innendurchmesser von etwa 4 cm. Die Trennung zwischen den Zentren de» Luftlager beträgt etwa 20 cm.

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Einer der Spiegel 62 dar Strahl-Erzeugungseinrichtung 48 ist fest auf dem Ende 64 des Zylinders 60, z. B. durch einen Klebstoff oder dergleichen, angebracht. Dia ebene Oberfläche des Spiegele 62 liegt im wesentlichen senkrecht zur Drehachse des Zylinders. Der andere Spiegel 66 ist fest an der Moduliereinrichtung 54 angebracht, wie nachfolgend beschrieben wird. Jedes der Luftlager 56 und 58 ruht in genauen v-Blocks einer Basisplatte (nicht dargestellt) , die so behandelt ist, daß sie äußere Schwingungen dämpft. Die zu analysierende Strahlung tritt in die Strahl-Erzeugungseinrichtung am Ende 68 des Zylinders 60 ein. Ein Wagen oder Schlitten 70 wird zur horizontalen Bewegung mittels ainer Präzisionsschraube 72 veranlaßt und hat einen Kupplungsarra 62, der mittels mechanischer Befestigungsmittel, wie z. B. Schrauben 88, fest am Schlitten und am Zylinder angebracht ist, wie noch beschrieben wird, wodurch der Zylinder 60 mit der linearen Bewegung versehen ist, die notwendig ist, um die Strahl-Erzeugungseinrichtung 48 zu bestreichen. Die Präzisionsschraube 72 ist über ein Getriebe 76 an einen digitalen Schrittmotor 74 angekoppelt. Die Bestreichungs- bzw. Abtastgeschwindigkeit des Interferometers wird entweder dadurch gesteuert, daß das Getriebeverhältnis der Anordnung 76 verändert wird , oder mittels magnetischer Kupplungen oder dergleichen oder durch Veränderung des Pulsgeschwindigkeitseingangs zu dem digitalen Schrittmotor. Bei der in dieser Art beschriebenen Vorrichtung kann die Bestreichungs- bzw. Abtastgeschwindigkeit über einen

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Bereich verändert wprden, der so groß ist wie 10 bis
1 oder mehr.

Um genau die lineare Bewegung auf den Zylinder 60 zu übertragen, isb eine Manschette 78 mit einer Glasplatte 80, die
an der Manschette fest angeklebt ist, fest am Zylinder 60
angebracht. Der Kopplungsarm 62 v/eist eine aus nicht rostendem Stahl oder dergleichen bestehende Kugel 86 auf, die
einein Ende 84 des Armes zugeordnet ist. Ein Permanentmagnet
90 ist am Ende 84 des Kupp lungs armes 82 in der 2-Iähe der Kugel 36 angebracht. VJecjen der magnetischen Anziehung zwischen der Manschette 73 und den Magnet 90 wird dia Kugel in Berührung mit der Glasplatte 80 gehalten. Dadurch wird ein Berührungspunkt niedriger Reibung vorgesehen. Die an diese üerührungsstelle durch dia lineare Bewegung des Schlittens 70 erzeugt? Berührungskraft kann entweder dadurch eingestellt werden, daß man die Trennung zwischen dem Magnet 90 und dar Manschette 78 verändert oder daß man die Stärke des Magneten 90 herabsetzt.

Eine Schnittansicht einer Ausführungsform von Moduliereinrichtung 54 ist in Figur 5 gezeigt. Andere Gestaltungen von Moduliereinrichtungen 54 können auch verwendet werden. Vorzugsweise hat die ftodialiereinrichtung 54 ein hohlzylindrisches Teil 92 aus piezoelektrischer Keramik. DiG Innen- und Außenwand 94 und des zylindrischen Teils 92 sindmt einem elektrisch leitenden Material beschichtet, wie z. B. Silber oder dergleichen.

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Isolierte!la 93 und 100, die aus einem Isoliermaterial bestehen, wie z. B. Keramik oder dergleichen, sind an dem zylindrischen Teil 92 an den Enden 102 bzw. 104 durch einen geeigneten Klebstoff, wie z. B. ein Epoxyharz, angebracht. Der Spiegel G6 ist fest an dem Isolierteil 98 durch einen Klebstoff derart angebracht, wie er zur Befestigung des Spiegels 62 am Ende 64 des Zylin^ders 60 benutzt wird. Um diesen Spiegel 66 parallel zum Spiegel 62 zu halten,wird der Isolierkörper 100 durch Klebung fest an der Fläche 106 des Halteteils 108 angebracht. Die äußere Fläche 110 des Ilalteteils 108 steht mit mehreren differenziellen Schraubenmikrometern in Verbindung, die in herkömmlicher Waise eingestellt sein können, um für eine präzise Winkelausrichtung des Spiegels 66 zu sorgen. Dia Elektroden 114 und 116 sind an der Innenwand 94 bzw. Aussenwand 96 angebracht. Eine Spannung, die z. B. eine Sinus-Wellenform oder eine quadratische Wellenform hat, wird von einer Nisderstrom-Hochspannungs-Energieversorgung 101 auf die Elektroden 114 und 116 aufgebracht. Nach Aufbringen der Spannung veranlaßt man die Regulierung bzw. Modulation des zylindrischen Teils 92 in einer linearen Richtung, wodurch die Intensität des Signals 32 verändert x^ird. Wenn die von der Energieversorgung 101 auf die Elektroden 114 und 166 aufgebrachte Spannung eine Rechteck-Wellenform hat, können die Spannungsgrenzen der Wellenform so eingestellt werden, daß die Intensität des zu erfassenden Streifens vom Signal 32 sich zx^ischen ihren Maximal- und Minimalwerten verändert. Eine synchrone Detektoreinrichtung ist zur Anzeige oder Erfassung der Differenz in der Photonen-Zahlung zwischen den Maximal- und Minimalwerten des modifizier-

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ten Streifens für jede Periode der Rechteckwelle vorgesehen, um eine Signalzählung und eine Ansammlung der Signalzählung eine vorgewählte Zeit lang über eine vorgewählte Periodenanzahl der Rechteckwelle zu erzeugen, wobei die vorgewählte Zeitdauer und die vorgewählte Periodenanzahl sich umgekehrt mit der Intensität des modifizierten Streifens verändern. Infolgedessen werden die Genauigkeit der Detektoreinrichtung .und damit die Empfindlichkeit der Vorrichtung 10 um einen Faktor in der Größenordnung von etwa 100 oder mehr vergrößert.

Die Vorrichtung 10, die hier beschrieben ist, kann selbstverständlich im Rahmen der Erfindung auf zahlreiche Weisenmodifiziert werden. Z. B. kann jede Strahl-Erzeugungseinrichtung 48 und die primäre interferometrische Einrichtung 28 eine feste Etaioneinheit sein, welche durch Steuerung ihrer Temperatur abgestimmt ist. Eine Art fester Etaioneinheit, die geeignet ist, besteht aus gesinterter Kieselerde, die gegenüberliegende Oberflächen hat, welche poliert, eben, parallel und mit Silber, einem dielektrischen Material oder dergleichen für ein hohes Reflektionsvermögen bei einem vorgewählten Frequenzbereich beschichtet sind. Die Dicke der in der Strahl-Erzeugungseinrichtnng 48 verwendeten Etaioneinheit kann so ausgewählt werden, daß der Spektralbereich der Etaioneinheit etwa einer ungeraden ganzzahligen höheren Wurzel her Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektralkomponenten des periodischen Spektrums für einen vorgewählten Bestandteil des Gases entspricht. Die Feinabstimmung der Feststoff-Etaioneinheit, welche in der ⁺) (aubmultiple)

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Strahlen-Erzeugungseinrichtung 43 benutzt ist, wird durch Temperatursteuerei nrichtungen beeinträchtigt, durch welche folglich die optische Weglänge gesteuert wird, um die Frequenz der Strahlen bezüglich der Frequenzen der Durchlaßfenster der primären interferonetrischen Einrichtung 28 derart zu verschieben, daß die Frequenz eines gegebenen Strahles im x^esentlichen auf der Hälfte zwischen benachbarten Durchlaßfenstern angeordnet ist. Die Dicke der in der primären interferoiaetrischen Einrichtung 28 verwendeten Etaioneinheit kann so ausgewählt werden, daß ihr Spektralbereich etwa der Frequenzdifferenz zwischen Strahlen benachbarter Frequenz entspricht. Die Feinabstimmung der Feststoff-Etaioneinheit, welche in der sekundären interferometrischen Einrichtung verwendet wird, wird durch die Schaffung von Einrichtungen zur Steuerung der Temperatur und dadurch der optischen Weglänge beeinträchtigt, um die Durchlässigkeifeshöchstwerte benachbarter Ordnungen mit den ' Spektrallinien der Komponenten des gegebenen periodischen Spektrums zusammenfallen zu lassen. Wie oben bemerkt muß die zu analysierende Strahlung 22 nicht allein eine Raman-Streustrahlung sein, sondern kann eine beliebige Streustrahlung aus den sichtbaren, infraroten und ultravioletten Frequenzbereichen sein, welche in der Frequenz periodische Spektralkomponenten hat. Die Strahlungs-Vorbehandlungseinfiichtung 42 und die Moduliereinrichtung 54 können separat mit der Vorrichtung kombiniert sein, obwohl ihre kollektive Verwendung zu maximaler Empfindlichkeit führt und deshalb

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bevorzugt ist. Dia Abstimmeinrichtung 16 und die Frequenz-Schiebeeinrichtung 34 können andererseits der primären interferometrigehen Einrichtung 23 zugeordnet sein. Die gesteigerte Empfindlichkeit der Vorrichtung macht sie insbesondere geeignet für die Erfassung oder Anzeige von an encfernten Orten befindlichen Gasbestandteilen, dia in dem unteren 21illionstel-Bereich zugegen sind. Deshalb muß das Gas nicht in einer Pfobenkammer angeordnet sein,sondern kann stattdessen an von der Vorrichtung 10 entfernten Stellung vorliegen, wie z. B. in der Größenordnung von bis zu 30 km (15 Meilen) Abstand.

Im Betrieb der bevorzugten Vorrichtung erzeugt die Strahlungsquelle 12 mehrere räumlich überlagerte Strahlen 14 einer monochromatischen Strahlung. Die Frequenzdifferenz zwischen den Strahlen 14 benachbarter Frequenz wird durch die Abstimmeinrichtung 16 so eingestellt, daß sie im v/esentlichen gleich einer ungeraden ganzzahligen höheren Wurzel η der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektralkomponenten des periodischen Spektrums für einen vorgewählter. Bestandteil des Gases ist. Die Projektionseinrichtung 18 richtet die Strahlen 14 durch das Gas, um eine Streustrahlung 22 hervorzurufen, die in der Frequenz periodische Spektralkonponenten hat, welche für den vorgewählten Restandteil überlagert werden, um in dem durch das kombinierte Streuen der Strahlen erzeugten Spektrum ein erfaßbares Signal 32 zu bilden, welches sich aus dem periodischen Spektrum für den vorgewählten Bestandteil zusammensetzt. Eine primäre interferometrische Einrichtung 28 nimmt die Streustrahlung 22 auf und trennt das erfaßbare Signal 22 trennecharf

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von dieser. Die primäre interfarometrische Einrichtung 28 richtet di-^ StKustrahlung 22 durch ra<3hrere Durchlaßfenster, die in der Frequenz in regelmäßigen Abständen liegen, wobei der Pr<=iqui?nzabstand zwischen benachbarten Durchlaßfenstern so eingestellt ist, daß er im wesentlichen gleich der Frequanzdifferenz zwischen Strahlen benachbarter Frequenz ist. Eine Frequenz-Schiebaeinrichtung 34, welche der Abstimmeinrichtung 16 zugeordnet ist, verschiebt die Frequenzen der Strahlung 14 relativ zu den Frequenzen der Durchlaßfenster der primären interferometrischen Einrichtung 28, so daß die Frequenz eines gegebenen Strahles im wesentlichen halb zwischen seinen benachbarten Durchlaßfengtern" angeordnet ist. Das sich ergebende Signal 32 von der primären interferometrischen Einrichtung 28 wird durch die Anzeige- und Aufzeiahnungseinrichtung 65 dargestellt.

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Claims

Patentansprüche

1.1 Verfahren zur spektroskopischen Analyse von Gas, gekenn- —' zeichnet durch folgende Schritte:

a) Brzeugen mehrerer räumlich überlagerter strahlen einer monochromatischen ,Strahlung)

b) Einstellen der Frequenzdifferenz zwischen den Strahlen benachbarter Frequenz, so daß sie im wesentlichen gleich einer ungeraden ganzen höheren Wurzel (submultiple) der Frequenzdifferenz tswischen benachbarten Spektralkomponenten des periodischen Spektrums für einen vorgewählten Bestandteil des Gases ist;

c) Richten der Strahlen durch das Gas zur Erzeugung einer Streustrahlung, die von jedem Strahl erzeugt ist mit in der Frequenz periodischen Spektralkomponente^,wobei die Spektralkomponenten für den vorgewählten Bestandteil derart überlagert werden, daß sie in dem von der kombinierten Streuung der Strahlen erzeugten Spektrum das periodische Spektrum für den vorgewählten Bestandteil bilden;

d) Interferometrisches brennen des periodischen Spektrums von der Streustrahlung durch Richten der Streustrahlung

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durch mehrere' Durchlaßf^nster, die in der Frequenz in regelmäßigen Abständen liegen, wobei der Frequenzabstand zwischen benachbarten Fenstern in wissentlichen gleich der Frequsnzdifferenz zwischen den Strahlen benachbarter Frequenz ist; Verschieben der Frequenzen der Strahlen relativ zu den Frequenzen der Durchlaßfenster derart, daß die Frequenz eines gegebenen Strahls im wesentlichen halb zwischen zwei gegebenen benachbarten Durchlaßfenstern li^gt und

f) Durchlassen des getrennten periodischen Spektrums in der Form einps erfaßbaren Signals, welches ein Streifen ist, der von den überlagerten Spektrallinien des periodischen Spektrums abgeleitet ist und eine Intensität hat, die im wesentlichen gleich ihrer Summe ist.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch:

a) eine Strahlungsquelle zur Erzeugung mehrerer räumlich überlagerter Strahlen einer monochromatischen Strahlung;

b) eine Abstimmeinrichtung zur Einstellung der Frequenzdifferenz zwischen den Strahlen benachbarter Frequenz derart, daß diese im wesentlichen gleich einer ungeraden ganzen höheren Wurzel der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten

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Spektralkomponenten des periodischen Spektrums für ^ain°n vorgewählten Bestandteil des Gases ist;

c) aine Projektionseinrichtung zum Richten der Strahlen durch das Gas und Erzeugen einer Streustrahlung, die durch jeden Strahl mit in der Frequenz periodischen Spektralkomponenten erzeugt ist- wobei die Spektralkomponenten des vorgewählten uestandteils derart überlagert sind, daß sie in dem durch das kombinierte Streuen der Strahlung erzeugten Spektrum ein periodisches Spektrum für den vorgewählten '"^«tandteil formen;

d) eina primäre interferometrische Einrichtuna zur Aufnahme der Streustrahlung für die trennscharfe Trennung des periodischen Spektrums von dar Strahlung und Durchlassen des periodischen Spektrums in Form eines erfaßbaren Signals, wobei die primäre interferometrische Einrichtung eine interfarenzerzeugende Einrichtung hat zur Schaffung mehrerer Durchlaßfenster in regelmäßigem Frequenzabstand, wobei der Frequenzabstand zwischen benachbarten Fenstern derart eingestellt ist, daß er im wesentlichen gleich den Frequenzdifferenzen zwischen Strahlen benachbarter Frequenz ist; und

e) Frequenzvarschiebaeinrichtung, welche der Abstinrieinrichtung zugeordnet ist, zum Verschieben dar Frequenzen der

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- 33

Strahlen relativ zu den Frequenzen der Durchlaßfenster, so daß di° Frequenz eines gegebenen Strahls im wesentlichen halb zwischen benachbarten Durchlaßfenstern der primären interferometrischen Einrichtung angeordnet ist, wobei das erfaßbare Signal ein Streifen ist, der von den überlagerter. Spektrallinien des periodischen Spektrums abgeleitet ist und eine Intensität hat, die im wesentlichen gleich ihrer Summe ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle einen Farbstofflaser mit einer Farbstoffzelle aufweist, die ein Farbstoffmaterialmittel zur Erregung des Farbstoffes aufweist und einen Laserraum aufweist mit einem optischen Element und einem teilweise durchlässigen Ausgangsspiegel zur Erzeugung und zum Durchlassen der Laserstrahlen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Farbstoff nach Erregung Strahlung emittiert, welche Frequenzen in dem Durchlässigkeitsbereich des Gases hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Detektoreinrichtung für die Anzeige der Intensität des Signals.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch einen piezoelektrischen Zylinder als Moduliereinrichtung zum Modulieren oder Regulieren der Phasendifferenz zwischen interferierenden Strahlen der Strahlung zur Veränderung der Intensität des Streifens, wobei der Modulier- bzw. Regulierbereich nicht

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größar ist als der Frequenzabstand zwischen benachbarten Ordnungen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erregung des Farbstoffes ein gepulster Laser ist und daß dar Laser einen Zeitgetakteten elektronischen Detektorsystem zugeordnet ist, welches (1) eine Einrichtung zur !Messung des Zeitintervalles aufweist, welche erforderlich ist, um einen Impuls von dem Laser in die Probe des Gases zu senden und ein · Rückkehrsignal zu empfangen, welches von dem darin gestreuten Licht hervorgerufen ist, und (2) eine Meßeinrichtung für die Amplitude des Rückkehrsignals aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzsichnet, daß die Strahlungsquelle eine Strahlen-Erzeugungseinrichtung zur Trennung der Strahlung in mehrere räumlich überlagerte Strahlen einer monochromatischen Strahlung aufweist.

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