DE2623857A1

DE2623857A1 - Verfahren und vorrichtung zur spektroskopischen temperaturmessung

Info

Publication number: DE2623857A1
Application number: DE19762623857
Authority: DE
Inventors: Joseph J Barrett
Original assignee: Allied Chemical Corp
Current assignee: Allied Corp
Priority date: 1975-06-05
Filing date: 1976-05-28
Publication date: 1976-12-16
Also published as: JPS51151171A; CA1062035A; GB1511188A; FR2313668B2; FR2313668A2; US4057349A

Description

Priorität vom 5. Juni 1975 in USA, Serial No. 584 O85

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Temperaturmessung von Gasen über das selektive Durchlassen ihrer periodischen Spektren.

Bei den herkömmlich verwendeten Vorrichtungen zur spektroskopischen Messung von Gastemperaturen wird durch Streuung in dem Gas erzeugtes Licht gesammelt und zu einem Spektrometer durchgelassen, dessen Bandpaß abgetastet wird, um nacheinander die Raman-Drehspektren des Gases durchzulassen. Die Intensität jeder Spektral-Linie wird als Funktion der Frequenz aufge-

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zeichnet und zur Berechnung der Gastemperatur verwendet. Es ist auch vorgeschlagen worden, die Gastemperatur spektroskopisch durch Übertragen oder Durchlassen dieses Streulichtes zu einem Strahlspalter zu messen, welcher einem Paar von Interferenzfiltern zugeordnet ist, die geeignet ausgebildet sind, um einzelne Spektral-Linien oder Strahlbänder aus bestimmten Teilen des Raman-Drehspektrums des Gases durchzulassen. Ein von den AusgangsSignalen der Interferenzfilter abgeleitetes Intensitätsverhältnis wird zur Berechnung der Gastemperatur verwendet.

Eines der Hauptprobleme einer solchen Vorrichtung besteht in der Schwierigkeit der genauen Temperaturmessung von Gasen, die an entfernten Orten zugegen sind. Das Ausgangssignal vom Spektrometer stellt ein Signal mit relativ niedriger Intensität dar, welches häufig durch Spektralinterferenz zwischen Raman-Drehspektren des zu messenden Gases und Spektren gleichzeitig vorhandener Gase unsichtbar gemacht wird. Die Verwendung eines Strahlspalters vermindert die Lichtmenge, welche zu jedem zugeordneten interferenzfilter durchgelassen wird und folglich auch die Intensität des Ausgangssignals jedes Interferenzfilters. Um außerdem die vorgenannte Spektralinterferenz minimal zu halten, werden die Interferenzfilter so eingestellt, daß sie Signale mit relativ niedriger Intensität, die aus begrenzten Spektralbereichen abgeleitet sind, durchlassen. Aus den vorstehenden Gründen ist die Raman-Drehstreuung oft für die Temperaturmessung von Gasen an entfernten Stellen zu intensiv.

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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung mit einer vergrößerten Empfindlichkeit zur spektroskopischen Messung der Temperatur gasförmiger Materialien. Diese Vorrichtung weist eine Lichtkonditionier- bzw. Vorbereitungseinrichtung zum Sammeln, Kollimieren und Durchlassen von Licht auf, welches durch die .streuung in dem Gas erzeugt ist und in der Frequenz periodische Spektralkomponenten hat. Eine interferometrische Einrichtung, die geeignet ausgebildet ist, um dieses Licht aufzunehmen, trennt die periodischen Spektren trennscharf von dem Licht und läßt di e Spektren in Form eines erfaßbaren Signals durch, welches in eiier Beziehung zur Temperatur des Gases steht. Diese interferometrische Einrichtung weist eine interferenzerzeugende Einrichtung zur Schaffung mehrerer Durclilaßfenster auf, die in regelmäßigen Frequenzabständen angeordnet sind. Der Frequenzabstand zwischen benachbarten Fenstern oder der Spektralbereich der interferometrischen Einrichtung wird so eingestellt, daß abweichend von einem ungeradzahligen Integralteiler (submultiple = 1/3» 1/5» 1/7» 1/9 usw.) η der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektralkomponenten des periodischen Spektrums einer Molekularsorte des Gases dieser ungeradzahlige integrale Teiler mindestens drei ist, um einen Spaltstreifen mit ersten und zweiten Zweigen der Bestandteile zu erzeugen. Diese interferometrische Einrichtung weist auch eine Abtasteinrichtung auf, um die Durchlaßspitzen benachbarter n-ter Ordnungen mit den Spektrallinien jedes Zweiges der Bestandteile im wesentlichen zusammenfallen oder koinzi-

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dieren zu lassen. Jeder Zweig des Spaltstreifens wird von mehreren periodischen Spektrallinien abgeleitet und hat eine integrierte Intensität, die im wesentlichen gleich ihrer Summe ist. Die Intensität jedes Zweiges des Spaltstreifens wird durch eine Signalvorbehandlungseinrichtung gemessen, und das Intensitätsverhältnis der Zweige wird von einem Detektor angezeigt und aufgezeichnet, wobei das Intensxtätsverhältnxs in bestimmter Beziehung zur Gastemperatur steht.

Ferner bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bestimmung der Gastemperatur durch Analysieren von Licht mit in derFrequenz'periodischen Spektralkomponenten, wobei das Licht gesammelt, kollimiert und in Form eines Strahlenwegs durchgelassen wird; periodische Spektren werden interferometrisch von dem Licht dadurch separiert, daß man das Licht durch mehrere Durchlaßfenster führt, die in der Frequenz in regelmäßigen Abständen liegen, wobei der Frequenzabstand zwischen benachbarten Fenstern so eingestellt wird, daß er von einem ungeradzahligen Integralteiler η der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektralkomponenten des periodischen Spektrums des Gases oder eines Bestandteiles desselben abweicht, wenn das Gas eine Mischung von Gasen aufweist, wobei der ungeradzahlige Integralteiler mindestens drei ist, um einen Spaltstreifen mit ersten und zweiten Zweigen der Komponenten zu erzeugen, wobei der Strahlenweg abgetastet wird, um die Durchlaßspitzen benachbarter n-ter Ordnungen im wesentlichen mit den Spektrallinien jedes Zweiges der Komponenten zusammenfallen oder koinzidieren zu lassen; ein erfaßbares Signal wird

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durchgelassen, welches aus dem Spaltstreifen zusammengesetzt ist, wobei jeder Zweig des Spaltstreifens aus einer Mehrzahl von Spektrallinien abgeleitet ist und eine integrierte oder Gesamtintensität hat, die im wesentlichen gleich ihrer Summe ist; es wird die Intensität jedes Zweiges gemessen; und es wird das Intensitätsverhältnis der Zweige erfaßt und angeze%t, wobei das Intensitätsverhältnis in bestimmter Beziehung zur Temperatur des gasförmigen Materials steht.

Obwohl das der Analyse unterzogene Licht von einer äusseren Quelle erhalten werden kann, wird es gewöhnlich durch die Vorrichtung erzeugt. Somit weist die Vorrichtung vorzugsweise eine Lichtquelle zur Erzeugung mono-chromatischen Lichtes auf. Ein der Lichtquelle zugeordneter Projektor führt das monochromatische Licht durch das Gas, um Streulicht zu erzeugen, welches in der Frequenz periodische Bestandteile oder Komponenten hat. Licht-Vorbehandlungseinrichtungen sind vorgesehen zum Sammeln, Kollimieren und Durchlassen des Streulichtes zu einer interferometrischen Einrichtung der beschriebenen Art,

Verschiedene bekannte interferometrische Einrichtungen können geeignet ausgebildet sein, um bei der vorstehenden Vorrichtung Anwendung zu finden. Vorzugsweise ist die interferometrische Einrichtung ein Fabry-Perot-Interferometer (FPl) mit einer Spiegeltrennung d, die so eingestellt ist,

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daß alle Drehlinien einer Molekülsorte oder eines Bestandteils des Gases in Form eines erfaßbaren Signals durchgelassen werden, welches mit dessen Temperatur in einem bestimmten Verhältnis steht. Diese Bedingung erhält man, wenn gilt

, η

8/u(ßi 60B /co ) / ^K o'

wobei d die Spiegeltrennung des FPI ist, η eine ungerade ganze Zahl, /U die Brechzahl des Mediums zwischen den Spiegeln und B die molekulare Drehkonstante der Sorte ist. Für eine gegebene Molekularsorte sind die Drehkonstante B und die Spiegeltrennungen d zum Durchlassen aller Raman-Drehlinien der Probe einzigartige Mengen. Die Intensitätsverteilung der durchgelassenen Spektren verändert sich direkt mit der Temperatur der Probe. Folglich wird die Temperatur der Probe, welche ein spezielles Raman-Drehspektrum erzeugt, dadurch bestimmt, daß man die Spiegeltrennung des FPI so einstellt, daß alle Raman-Drehspektren der Sorte in d/er Form eines Spaltstreifens durchgelassen werden, der einen ersten Zweig (bestehend aus Stokes-Drehlinien) und einen zweiten Zweig (bestehend aus Anti-Stokes-Drehlinien) enthält, die Spitzenintensität jedes Zweiges mißt und das Intensitätsverhältnis der Zweige bestimmt. In vorteilhafter Weise ist die Durchflußleistung des FPI beachtlich größer als die eines Spektrometers oder Strahlspalters, dem zwei Interferenzfilter zugeordnet sind. Außerdem hat das erfaßte Signal ein Paar

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von Zweigen, deren jeder von mehreren Spektrallinien abgeleitet ist und eine integrierte oder Gesamtintensität hat, die im wesentlichen gleich ihrer Summe ist. Die Spektralinterferenz wird minimal gehalten. Die Empfindlichkeit der Vorrichtung ist erhöht, und sehr empfindliche Ausführangsformen und Kombinationen von Detektoren, Lichtquellen, Filtern und Steuersystemen sind unnötig. Folglich gestatten das Verfallen und die Vorrichtung gemäß der Erfindung eine genauere Messung der Gastemperaturen mit geringeren Kosten, als bei Systemen, bei welchen die Spektren nacheinander oder aus beschränkten Teilen des Spektrums durchgelassen werden.

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

Fig. 1 ein Blockdiagramm unter Darstellung der Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur von Gasen durch Analysieren von Licht mit in der Frequenz periodischen Spektralkompoenten.

Fig. 2 ein schematisches Diagramm der Vorrichtung nach Fig. 1, die zusätzlich eine Einrichtung zur Erzeugung von diese Spektren tragendes Licht aufweist,

Fig. 3 eine teilweise abgeschnittene Seitenansicht unter Darstellung der Einrichtung zum Modu-lieren oder Einrichten der interferometrischen Einrichtung der Fig. 1 und 2,

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Fig. 4 ein Diagramm unter schematischer Darstellung der Spitzenintensitäten vorgewählter Spektralkomponenten und ihrer relativen Stellungen in einem gegebenen Streifen,

Fig. 5 ein Diagramm unter schematischer Darstellung eines Spaltstreifenprofils für die Spektralkomponente der Fig. k,

Fig. 6 ein Diagramm unter Darstellung eines berechneten Spaltstreifenprofils für Stickstoffgas,

Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung berechneter Intensitätsverhältnisse für unterschiedliche Streifenzahlen des Spaltstreifens für Stickstoffgas bei Temperaturen von 200° K, 300°K und 400°K,

Fig. 8 ein Diagramm unter Darstellung berechneter Intensitätsverhältnisse der Spaltstreifen für Stickstoffgas im Bereich von 100 K-6OO K und Werten des freien Spektralbereichs in der Nachbarschaft von 4 B/5»

Fig. 9 ein Diagramm unter Darstellung berechneter Intensitätsverhältnisse der Spaltstreifen für Stickstoffgas im Temperaturbereich von 100 K-6OO K und bei Werten des freien Spektralbereichs in der Nachbarschaft von 4B,

Fig. "i 0 ein Diagramm unter Darstellung berechneter Veränderungen der Frequenzdifferenz zwischen Spitzenteilen eines Spaltstreifens für Stickstoffgas im Temperaturbereich -von 100 bis 1000 K und bei Werten des freien Spektralbereichs in der Nachbarschaft von 4 B und

Fig. 11 ein Diagramm unter Darstellung berechneter Variationen der Frequenzdifferenz zwischen Spitzenteilen eines Spaltsireifens für Stickstoffgas im Temperatur-

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bereich von 100 bis 600 K und bei Werten des freien Spektralbereichs in der Nachbarschaft von k B/5.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Vom Gas gestreutes Licht mit in der Frequenz periodischen Spektralkomponenten kann sowohl im sichtbaren als auch im infraroten als auch ultravioletten Frequenzbereich bei Intensitäten erzeugt werden, die ausreichen, um die Temperatur des Gases zu messen. Folglich arbeitet die Erfindung mit Licht mit einem relativen breiten Frequenzbereich. Zu Darstellungszwecken wird die Erfindung in Verbindung mit einer Vorrichtung zur Messung der Gastemperatur beschrieben, mittels Analyse von Streulicht von dem sichtbaren Frequenzbereich. Bei der Anwendung in dieser Weise ist die Erfindung besonders geeignet zur Messung der Temperatur eines Gasgemisches, wie z.B. Luft. Es versteht sich auch, daß die Erfindung unter Verwendung von Licht aus einem beliebigen der vorgenannten Frequenzbereiche praktiziert wenien kann, und daß sie bei ähnlichen und sogar anderen Verwendungen benutzt werden kann, wie z.B. die entfernte Erfassung klarer Luftturbulenz, Wetterprognose, Gasstromanalyse, Industrieprozeß-Steuersysteme und dergleichen.

In Fig. 1 ist eine bevorzugte Vorrichtung zur Temperaitrmessung von Gas gezeigt. Die allgemein mit 10 bezeichnete Vorrichtung weist eine Lichtkonditionier- oder Vorbereitungseinrichtung 12 zum Sammeln, Kollimieren und Durchlassen von

- 10 -

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-«ίο-

Licht 1^+ mit in der Frequenz periodischen Spektralkomponenten auf. Eine interferometrische Einrichtung 16 nimmt das Licht 1U auf, trennt von diesem bestimmte Spektren trennscharf und läßt die Spektren in Form eines Spaltstreifens durch, der erste und zweite Zweige der Spektren hat, die ein erfaßbares Signal 18 schaffen. Im allgemeinen sind die bestimmten Spektren solche Spektren, die durch Streuung eines Hauptbestandteiles des Gases erzeugt werden, wie z.B. die Raman-Drehspektren von Sauerstoff oder Stickstoff in einer Probe Luft. Eine Signalvorbehandlungseinrichtung 20, welche der interferometrisehen Einrichtung 16 zugeordnet ist, mißt die Intensität jedes Zweiges. Das Intensitätsverhältnis der Zweige wird von einem Detektor 22 gemessen und zur Berechnung der Gastemperatur verwendet.

Wie insbesondere in Fig. 2 gezeigt ist, weist die interferometrische Einrichtung 16 eine Interferenz erzeugende Einrichtung zur Schaffung mehrerer Durchlaßfenster auf, die in der Frequenz in regelmäßigen Abständen liegen. Außerdem weist die interferometrische Einrichtung 16 eine Abtasteinrichtung für die veränderliche Steuerung der Frequenz jeder Ordnung auf. Der Frequenzabstand zwischen benachbarten Fenstern der interferometrischen Einrichtung 16 ist so eingestellt, daß er

oder Bruch von einem ungeraden ganzen Teiler/n der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektralkomponenten des periodischen Spektrums einer Molekularsorte des Gases abweicht, wobei der ungerade ganze Teiler mindestens drei beträgt, um den Spaltstreifen zu erzeugen. Die Abtasteinrichtng wird dann so ein-

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gestellt, daß die Durchlaßspitzon benachbarter n-ter Ordnungen im wesentlichen mit den Spektrallinien jedes Zweiges der Komponenten zusammenfallen. Wenn die interferometrische Einrichtung 16 in der vorgenannten Weise eingerichtet ist, ist jeder Zweig des Spaltstreifens von mehreren periodischen Spektrallinien abgeleitet und hat eine Gesamtintensität, die im wesentlichen gleich der Summe der Linien ist.

Wie vorstehend bemerkt, kann das der Analyse zu unterwerfende Licht 14 von einer äußeren Quelle aufgenommen werden. Im allgemeinen wird das Licht \h jedoch von der Vorrichtung 10 erzeugt. Deshalb hat die Vorrichtung 10 eine Lichtquelle 36, wie z.B. einen herkömmlichen Argonionenlaser, einen ifrequenzgedoppelten, gepulsten Rubinlaser oder dergleichen zur Erzeugung einer äußerst monochromatischen, kohärenten, kollimierten Strahlung. Das Auflösungsvermögen der interferometrischen Einrichtung 16 ist am besten ausgenutzt, wenn die Lichtquelle 36 mit einem Projektor für Licht versehen ist, der eine Linienbreite und Frequenzstabilität etwa gleich oder kleiner als die instrumenteile Breite, welche nachfolgend im einzelnen noch beschriebe! wird, des Interferometers 16 ist.

Die Verwendung eines gepulsten Lasers als Lichtquelle 36 zusammen mit einem zeitgetakteten elektronischen Detektorsystem gestattet die Bestimmung der Temperatur und des Ortes einer Gasprobe, die von der Vorrichtung 10 entfernt angeordnet ist.

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Beispielsweise wird durch Ausstatten der Vorrichtung 10 mit (i) einer Einrichtung zum Messen des Zeitintervalles, welches erforderlich ist, um einen Laserimpuls in die Probe hinein zu senden 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 deren Temperatur leicht erhalten. Ein gepulster Laser, der

geeignet ausgebildet ist, um die Temperatur und den Ort in der oben beschriebenen Weise zu bestimmen, weist vorzugsweise eine Einrichtung zum Projizieren von Licht mit einer Linienbreite und einer Frequenzstabilität auf, die etwa gleich oder kleiner als die instrumenteile Breite der interferometrischen Einrichtung ist, welche dieser zugeordnet ist. Diese Einrichtung weist in typischer Weise ein Auswahlteil (etalon) auf, welches in dem Laserhohlraum angeordnet ist.

Eine der Lichtquelle 36 zugeordnete Projizierexnrichtung führt die Strahlung, die schematisch durch den Strahlenweg 38 dargestellt ist, in das Gas in der Probenkammer kO in einer Richtung ein, die als im wesentlichen vertikal betrachtet wird zum Zwecke einer Bezugsrichtung, die aber selbstverständlich auch in jeder anderen gewünschten Richtung liegen kann. Raman-Streustrahlung, die im folgenden als Licht 14 bezeichnet wird, aus dem Gas in der Probenkammer kO wird gesammelt, kollimiert und zu der interferometrischen Einrichtung 16 durch die Lichtvorbehandlungseinrichtung 12

*) Born and Wolf, Principle of Optics, Pergamon Press,, η '"" Edition, 1970, pp. 329-330.

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durchgelassen, die eine Linse oder ein anderes geeignetes optisches System sein kann. So lange das Gas Moleküle enthält, die von linearer oder symmetrischer Veränderlichkeit sind, zeigt das Licht 14 Spektralkomponenten, die in der Frequenz periodisch sind.

Die Signalvorbehandlungseinrichtung 20 hat eine Moduliereinrichtung k2 zum Modulieren oder Einrichten der Phasendifferenz zwischen interferierenden Strahlen des Lichtes 14, welches von der interferometrischen Einrichtung 16 durchgelassen wird, um die Spitzenintensitäten der Zweige des durch diese durchgelassenen Spaltstreifens zu vergleichen. Die Signalvorbehandlungseinrich tng 20 weist auch eine synchrone(phasenempfindliche) Detektoreinrichtung zur Erfassung des Intensitätsverhältnisses des letzteren Spaltstreifens auf, wobei das Intensitätsverhältnis des Spaltstreifens durch den Detektor 22 angezeigt werden kann.

Verschiedene bekannte interferometrische Einrichtungen können für die trennscharfe Separierung periodischer Spektren aus dem Licht 14 geeignet sein. Vorzugsweise ist. die interferometrische Einrichtung ein Fabry-Perot-Interferometer (FPl) mit einer Spiegeltrennung d, die so eingestellt ist, daß alle Drehlinien einer Molekülsorte des Gases durchgelassen werden. Die Durchlaßfunktion eines FPI (1+) kann durch die Airy-Formel gegeben sein:

- 1 ^L

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I. = T /.1 + R -2Rcosfi_J~ .1 , wobei T + R + A = 1,

Xr O

1 die Intensität des einfallenden 1-ichtes ist und die
ο

Phasendifferenz rf, ausgedrückt als rf - ^/U^d für
senkrecht auf die FPI-Spiegel auffallenden Strahlen ist. Die Symbole A, R und T stellen jeweils die Extinktion,
das Reflexionsvermögen und die Durchlässigkeit der FPI-Spiegel dar, /U ist die Brechzahl des Mediums zwischen
den FPI-Spiegeln, d ist die FPI-Spiegeltrennung, und c^
ist die Frequenz des einfallenden Lichtes, in Fellenzahlen ausgedrückt. ¥enn cos rf =1 ist, treten Durchlässigkeitsmaxima für I auf. Deshalb gilt rf = 21f m,
wo m ganze Werte annimmt und die Interferenzordnung darstelle. Die Durchlassigkeitsmaxima für I, werden in der Beschreibung und in den Ansprüchen als Durchlässigkeitsfenster bezeichnet. Für einen speziellen Wert der Spiegeltrennung d sorgt das FPI für eine Mehrzahl von Durchlässigkeitsfenstern, die in der Frequenz in regelmäßigem Abstand angeordnet sind. Der Frequenzabstand Af zwischen benachbarten Fenstern (oder Spektralbereich) des FPI 1st /jf = (2/ud) . Durch Veränderung des Spiegelabstandes d des FPI kann Af so/eingestellt werden, daß es von der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektralkomponenten eines speziellen periodischen Spektrums um eine vorgewählte Frequenzdifferenz abweicht, wie in der Größenordnung von

2 2 2

etwa 160 B bis 480 B und vorzugsweise etwa 240B bis

2
320 B . Wenn das Raman-Drehspektrum eines Gases als perio-

"^irdisches Spektrum verwendet wird, verhält sich das FPI wie

- 15 -

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- λ*. 2523857

ein Kammfilter, wobei seine Durchlässigkeitsfenster zu dem gegebenen periodischen Spektrum passen, so daß alle Ramanlinien des Spektrums in der Form eines Spaltstreifens durchgelassen werden, der erste und zweite Zweige der Linien hat und die Rayleigh-Linie blockiert, wenn der Spiegelabstand so eingestellt ist, daß gilt:

Δ f = kB + 240B²
η - u>_on

wobei B die Drehkonstante einer Molekularsorte oder eines Gasbestandteils ist. Die Rayleigh-Linie wird blockiert oder gesperrt, denn sie fällt zwischen FPI-Durchlaßfenster. Ausserdem sind in dem Raman-Spektrum die Stokes- und Anti-Stokes· Raman-Linien symmetrisch um die Rayleigh-Linie (bei U) = k ) angeordnet. Die ersten zwei Raman-Linien (mit der Drehquantenzahl J = null) werden von ιλ um eine Frequenz von 6 B fortgeschoben, während die Frequenztrennung aufeinanderfolgender Drehlinien k B beträgt. Die kontinuierliche Abtastung des FPI in der Nachbarschaft von

d = η

8_/U(B ±

erzeugt ein Interferogramm mit in gleichem Abstand liegenden vertikalen Linien konstanter Amplitude, welche Rayleigh-Streifen bei <y darstellen, sowie mehrere Spaltstreifen, die zwischen diesen vertikalen Linien angeordnet sind, wobei jeder Spaltstreifen einen ersten Zweig (bestehend aus den Stokes-

G09851 / 033 Π

Drehlinien) und einen zweiten Zweig (bestehend aus den Anti-Stokes-Drehlinien) enthält. ¥ennA f = 4B » fallen

die Durchlaßspitzen benachbarter Ordnungen mit den benachbarten Raman-Drehlinieη zusammen, so daß zwischen diesen eine 1:1-Übereinstimmung erzeugt wird und die Amplitude des durchgelassenen Raman-Streifens ein Maximum ist. Für Werte von Af die sich etwas von kB unterscheiden, fallen die Durchlaß-

n
spitzen benachbarter Ordnungen nicht genau mit dem Raman-Spektrum zusammen, und das Profil des von dem FPI durchgelassenen Raman-Streifens spaltet sich in erste und zweite Zweige.

Um die Art und Weise darzustellen, wie der Raman-Streifen sich spaltet, um einen Stokes-Zweig und einen Anti-Stokes-Zweig zu bilden, wurden die Stellungen und Spitzenintensitäten einzelner Raman-Drehlinien aufgetragen für eine Spiegeltrennung, die etwas größer ist als die Spiegeltrennung entsprechend der Mitte des 4B/5-Interferenzmusters für Stickstoff. Das Ergebnis ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Figur zeigt schematisch die relativen Stellungen der einzelnen Rama;. -Drehliniei zwischen zwei 514,5 nm Rayleigh-Streifen, welche der Streifenzahl 12263 und 12264 entsprechen. Die Spitzendrehlinienintensitäten wurden für eine Gastemperatur von 3OO K und die Stickstoffgrundzustandsdrehkonstanten von B = 1,989506 cm"¹ und D = 5,48 χ 10~ cm"¹ berechnet. Für die Stokeszweiglinien beträgt die Raman-Frequenz der Drehlinie mit der Quantenzahl J

^ s ^=iJo " (^^Βο ~ ^6Do^ ^^{J + 3//2}) + 8 D₀ (J + 3/2)³

609851/0330 " ^1? ~

und die entsprechende Spitzenlinienintensität beträgt.

~, \h ι

H (*j ) = K(B /T) . 3(J + l) 0+ 2) i '■■■> s \ exp -B J (j+i)hc/kT

ι 2 (2J + 3) J . Wo J '[. °

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

^A = ■ _o + (ZfB₀ -6D₀) (J + 3/2) - 8D₀ (J + 3/2)³

^und ~ 1 \ Zi _

• 3 (J + 1) (J + 2) j.'Y A^ !

H( _A) = K(B_o/T) i"(2j"+"3)"""^f"""' ^exP:-^B-(^J+2) (j+3)hc/kT|

Die in Fig. k gezeigten Drehlinien sind so aufgezeichnet, als hätten sie eine Linienbreite null. Tatsächlich hat jede Linie eine endliche Breite, die von den kombinierten Wirkungen der Laserlinienbreite, der Dopplerverbreiterung, des Streuprozesses und der instrumentellen Verbreiterung durch das Fabry-Perot-Interferometer stammt. Um das Streifenprofil zu bestimmen, wurde ein Computerprogramm geschrieben und geprüft, welches die vorgenannten Faktoren in Rechnung stellt. Zum Zwecke der Berechnung wird angenommen, daß die Laserlinie Gauassche Gestalt hat mit einer Breite von ,'jj . Diese Laserlinie

wurde mit den dopplerverbreiterten Profilen für die Rayleigh-Linie und die einzelnen Ramanlinien zusammengenommen. Dann wurde eine Konvolution oder Zusammenfassung mit der instrumentellen Übertragungsfunktion des Interferometers vorge-

- 18 -

6 0 9 8 5 1/0330 _ßAD original

nommen. Bei speziellen Streifenintervallen wurden die Beiträge von der Rayleigh-Linie und allen den einzelnen Ramanlinien summiert, um das Streifenprofil bei der speziellen Spiegelstellung zu erhalten.

Die Fabry-Perot-Übertragungsfunktion kann geschrieben wer den als

wobei gilt

G ( ir) ) = die Airy-Funktion

G ( ■; ) = die Spiegelfehlerfunktion und G_c (0 = die Abstastöffnungsfunktion.

Es kann mathematisch gezeigt werden, daß die Fourier-Transformation der Konvolution zweier oder mehrerer Funktionen gleich ist dem Produkt der Fourier-Transformationen der einzelnen Funktionen. Deshalb ist die Fourier-Transformation von I ( U-)

i (X) = F.T. £~X (-J7 = g _A (X) . g_D (X) . S₅ (X),

wobei §>.f Sy. und g„ die Fourier-Transformation von G., G_ bzw. Gg sind.

Die Air3^r-Funktion, G. von jj , kann geschrieben werden als G^ (ω) = τ

( 1-2β<3θ32πωγ + R² )

τ² j1 + 2 £ R^N cos 2ττΝωγ] f..- R^)L N=I J

- 19 -

β 0 9 8 5 1 / 0 3 3 0 ead original

wobei ν = 2 /ud = der optische Weg zwischen interferierenden Strahlen. Die Fourier-Transformation von G. von (t<- )

A ^λ

ist -

γ 6R^N (X - Νγ)

g_A (X)

1 -

N=O

Diese Transformation ist nur für die diskreten Werte von X = Ny nicht null. Die Spiegelfehlerfunktion G₀ (f-J ) kann ausgedrückt werden als

für -/2j> F^ 7 ^ '0 ■"> /~~2 ν

-1

= ο für alle anderen tu

wobei F = Fehlerfeinheit = 1/2 m für "). /m Flachheitszahl. Die Fourier-Transformation von G_D von (Lj) ist

³D

In ähnlicher Weise kann die Abtastsöffnungsfunktion ge schrieben wer dem als G_s (U)) = 1 für -^"2Jf = O für alle anderen

Die Abtastfeinheit F_c ist definiert als

^Fs =

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wo 0 der Blendenwinkel im Radius ist. Die Fourier-Trans

formation von G„ von (CJ ) ist

Ein verbreitertes Linienprofil II von (U ) besteht in der

Form II (Q ) = H (<J_R) exp

In 2) (6j - _R)²/ (a

wo U) = Ramanfrequenz (cm )

H (ί'π) = Spitzenintensität der einzelnen Ramanlinien und

.- '-'= Dopplerlinienbreite.

2 (2R In 2)^1/2TTJl/2

4(ω +ω_Λ ω_ρ) sin'

|₊ ω

1/2

wo T = die absolute Temperatur (K) M = das Molekulargewicht R = die Gaskonstante und /i = der Streuwinkel

Die Fourier-Transformation von H von (Aj ) ist

h (X) - F.T. [H (ω)]

-H (ω. ) exp ί- *²(AttR>² . X²I. ^K L 4 In 2 J

Ein durch Druck verbreitetes Linienprofil L (OJ) kann durch eine Loreiiz-Funktion ausgedrückt werden, welche gegeben ist durch die Gleichung:

Μω) - (Δω_ρ/2 )

Γ (ω - ü)

_r)² + (Δω_ρ/2)²| ^-

| ^-1

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wo /J = die Ramanfrequaiz (cm )

.: = die volle Breite der druckverbreiterten Linie bei halbem Maximum.

Die Fourier-Transformation von L (iü ) = L (x) = F.T. = exp l_ -TTJi 'OpX_/. Die Konvolution bzw. Verknüpfung aller dieser Funktionen wird erreicht durch Bilden des Produktes der Fourier-Transformationen und dann die Umkehrung der Fourier-Transf ormation des Produkts. Die Berechnung wird vereinfacht in der Gegenwart der ■■* -Funktion der Fourier-Transformation der Airy-Funktion, da es notwendig ist, das Produkt nur für diskrete Werte von X = Ny zu berechnen, wo N = 1 ,2,3usw.

Das Computerprogramm beginnt durch Berechnung der Frequenzen und Spifczenintensitäten für einzelne Ramanlinien. Für eine gegebene optische Wegdifferenz V wird ein Strahl A (n) berechnet. Der Strahl A (n) ist das Produkt der Fourier-Transf ormationen der FPI-Durchlaßfunktion, einer Gaus^sehen Liniengestalt für das erregte Laserlicht, eine Gauss'sehe Liniengestalt für das dopplerverbreiterte Streulicht und eine Lorente'sehe Liniengestalt für das durch Druck verbreiterte Streulicht. Die Intensität des Interferogramms für ein gegebenes Y ist

¹ (γ) ".Z.H. τ² 1 + 2; A(N) cos 2πΝω_ίγ

i τ 2" *■ N-I J - 22 -

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wobei der Index i über alle Spektrallinien läuft. Der Wert vonl/ wird vermehrt, und die Rechnung wird wiederholt.

Dieses Computerprogramm wurde zur Berechnung des Streifenprofils des in Fig. h gezeigten Streifenintervalls verwendet. Die Ergebnisse der Berechnung sind in Fig. 5 gezeigt. Die offenen Kreise stellen das berechnete Profil für dieses spezielle Streifenintervall dar, und die fünf Dreieckpunkte, welche die experimentellen Daten darstellen, zeigen an, daß die Übereinstimmung zwischen den experimentellen und berechneten Streifenprofilen recht gut ist.

Ein berechnetes Streifenprofil für ein Streifenintervall entsprechend einer Spiegeltrennung, die etwas kleiner ist als die Spiegeltrennung für das Zentrum des 4ß/5-Interferenzmusters im Stickstoff ist in Fig. 6 gezeigt. Da die Stellungen der einzelnen Ramanlinien in einem gegebenen Streifen sich so verändern, wie die Spiegeltrennung verändert wird, unterscheidet sich dieses Verhältnis der Stokes-Zweig^intensität zu der Anti-Stokes-Intensität, wie in Fig. 6 gezeigt ist, von der Darstellung in Fig. 5· Um die Veränderung des Ramanintensitätsverhältnisses als Funktion einer Streifenzahl (Spiegeltrennung) zu untersuchen, wurden Streifenprofile für drei verschiedene Temperaturen für die Streifenzahlen 12250 bis 12273 einschließlich berechnet. Die Ramanintensitätsverhältnisse wurden von den Computerstreifenprofilen berechnet, und diese Ergebnisse wurden in Fig. 7 für Stickstoffgas aufge-

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tragen. Die Veränderung des Ramai intensitätsverhältnisses als Funktion der Temperatur wurde durch gemittelte Auswahl eines Streifenintervalls (12260-12261) und durch Berechnen der Ramanstreifenprofile für verschiedene unterschiedliche Temperaturen bestimmt. Fig. 8 ist eine grafische Darstellung für die Veränderung des berechneten Spaltstreifenverhältnisses über den Temperaturbereich 100 K bis 600 K. In der Fig. 8 ist auch die Veränderung des berechneten Spaltstreifenverhältnisses für den Streifen 12170 in demselben Temperaturbereich gezeigt.

Eine ähnliche Computeruntersuchung wurde für das 4B-Interferenzmuster des Stickstoffs für ausgewählte Streifenintervalle auf jeder Sei te der ^B-Interferenzmaxima ausgeführt (die bei der 51^»5 nm-Ordnungszäi von 2^43 auftreten). Diese Ergebnisse sind in Fig. 9 gezeigt. In der Praxis wird das Ramanstreifenintensitätsverhältnis von einer Streifenzahl gemessen, die durch eine experimentell bestimmte Spiegelbreite erzeugt ist. Für diesen speziellen Streifen wird dann eine Computerberechnung durchgeführt, um das Ramanstreifenintensitätsverhältnis als die Funktion der Temperatur entsprechend der vorstehenden Gleichung zu geben, wie auf Seite 18 , Zeile 21 , steht. Alternativ wird das Ramanstreifenintensitätsverhältnis experimentell für verschiedene bekannte Gastemperaturen in dem interessierenden Bereich gemessen, um die Vorrichtung 10 zu kalibrieren.

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Die Fig. 8 und 9 zeigen, daß das Ramanintensitätsverhältnis für den Spaltstreifen sich umgekehrt mit der Gastemperatur verändert, d.h. das Verhältnis ist größer bei kleineren Temperaturen als bei höheren Temperaturen.

Die Temperatur eines vorgewählten Bestandteiles des Gases kann auch dadurch bestimmt werden, daß man die Frequenzdifferenz zwischen vorgewählten Teilen (vorzugsweise der Spitzenteile) erster und zweiter Zweige des Spaltstreifens mißt. Eine solche Frequenzdifferenz wird hervorgerufen, wenn der Spektralbereich der interferometrischen Einrichtung so eingestellt ist, daß er von einem ungeraden ganzen Teiler η der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektralkomponenten des periodischen Spektrums einer Molekularsorte des für die Anal3"se gedachten Gases abweicht, und die Abtasteinrichtung ist so eingestellt, daß Durchlässigkeitsspitzen für benachbarte n-te Ordnungen im wesentlichen mit den Spektrallinien jedes Zweiges der Komponeten zusammenfallen gelassen werden. Die Frequenzdifferenz zwischen den vorgewählten Teilen der ersten und zweiten Zweige wird durch die Signalvorbehandlungseinrichtung gemessen, vom Detektor angezeigt und aufgezeichnet und mit der Temperatur des Gases in Wechselbeziehung gebracht.

Die Veränderung in der Frequenzdifferenz als Funktion der Temperatur wurde mittels des Streifenprofilcomputerprogramms

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für Stickstoff bestimmt. Fig. 10 zeigt eine grafische Darstellung der berechneten Veränderung der Frequenzdifferenz zwischen den Spitzenteilen des Spaltstreifens über einen Temperaturbereich von 100-1000°K für die 51 ^ > 53 ntn Ordnungszahl von 2^10. Fig. 11 ist eine grafische Darstellung der berechneten Veränderung der Frequenzdifferenz zwischen den Spitzenteilen des Spaltstreifens über einen Temperaturbereich von 100-600°K für die 514,53 nm Ordnungszahl von 12260. Für Stickstoff bei Raumtemperatur wurde die Frequenzdifferenz zwischen den Spitzenteilen der Spaltstreifen experimentell auf 0,556 cm" bestimmt. Für die in Fig. 11 gezeigten berechneten Daten beträgt die Temperatur entsprecci end der Frequenzdifferenz von 0,556 cm = 297 K oder 2k C, was etwa gleich Umgebungstemperatur ist.

Für gewisse Moleküle, wie z.B. »Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid, haben Spektralkomponenten der Raman-Drehspektren mit entweder geraden oder ungeraden Drehquantenzahlen (j) Nullintensität. Diese Änderung in der Intensität der Ramandrehlinien wird durch die Wirkungen des nuklearen Spin erzeugt. Für diese Moleküle werden benachbarte Drehlinien in den Stokes- und Antistokes-zweigen durch eine Frequenz getrennt, die im wesentlichen gleich 8 B ist. Sekundäre Interferogramme wurden für Werte des Interferometerspektralbereichs gleich im wesentlichen 8B durch η erzeugt, wobei η eine ungerade ganze Zahl ist. Die erzeugten sekundären Interferogramme bestehen aus zwei Raman-streifen zwischen benachbarten

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Rayleigh -Streifen: Wobei ein Ramanstreifen dem gleichzeitigen Durchlaß durch das FPI nur von Stokes-Ramanlinien und der andere Ramanstreifen dem gleichzeitigen Durchlaß nur von Antistokes-Raman-Streifen durch das FPI zuzuschalten ist. Durch das Messen des Intensitätsverhältnxsses der Spitzen dieser zwei Streifen können die Gastemperaturen reduziert werden. Diese Technik ist nur für Muleküle ohne gerade oder ungerade J-Vertlinien nützlich.

V.'ie oben bemerkt, ist der interferometrischen Einrichtung 10 eine Modulier- oder Reguliereinrichtung 42 zum Einrichten der Phasendifferenz fi derart zugeordnet, daß die Spitzenintensitäten der Zweige des hierdurch durchgelassenen Spaltstreifens verglichen werden. Um das modulierte Maximumsignal für den für die Analyse gedachten Spaltstreifen zu erhalten, wird die Modulationseinrichtung so eingestellt, daß eine Modulation oder Regulierung zwischen dem Spitzenteil jedes seines Zweiges erfolgt. Allgemein gesprochen sollte der Modulationsbereich nicht größer sein als der Frequenzabstand zwischen benachbarten Ordnungen.

Das sich ergebende Signal 18 von der interferometrischen Einrichtung 16 wird gesammelt und in der Ebene der Blende 44 durch eine Linse 46 fokussiert. Die Linse 46 ist so eingestellt, daß das Zentrum des Signals 18 auf der Blende 48 angeordnet ist. Die Intensität des Teils des Signals 18,

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welcher durch die Blende 48 hindurchgeht, wird von einem Photovervielfacher $0 erfaßt. Ein phasenempfindlicher Detektor 52, wie z.B. ein Lock-in-Verstärker, ist geeignet ausgestaltet, um das Signal von dem Photovervielfacher ^O zu empfangen und die Intensitätsveränderung des für die Analyse gedachten Streifens zu erfassen. Der Ausgang des phasenempfindlichen Detektors 52 wird von einer Anzeige- und Aufzeichnungseinrichtung 5^ dargestellt, die ein Oszilloskop oder einen Kartenschreiber aufweisen kann.

In Fig. 3 sind die interferometrische Einrichtung 16 und die Modulationseinrichtung k2 in größerer Einzelheit gezeigt. Die gezeigte interferometrische Einrichtung ist ein Fabry-Perot-Interferometer (FF!), das durch Veränderung der Phasendifferenz fi zwischen interferierenden Lichtstrahlen auf herkömmliche ¥eise abgetastet wird. Es können Abtastverfahren verwendet werden, z.B. solche, bei welchen der Druck des Gases zwischen dem Spiegel des FPI geändert wird, um den optischen Weg dazwischen zu ändern. Dementsprechend sollte die in Fig. 3 gezeigte interferometrische Einrichtung 16 darstellend, nicht aber im beschränkenden Sinne ausgelegt werden. Diese Einrichtung hat zylindrische Luftlager 56 und 58» die normalerweise bei etwa 2,11 kg/cm (30 psi) arbeiten und gemeinsam einen hohlen Metallzylinder 60 von etwa 35 cm Länge stützen, der aus nichtrostendem Stahl oder dergleichen hergestellt ist. Der Außendurchmesser des Zylinders 60 ist auf etwa k cm spitzenlos geschliffen. Der Innendurchmesser

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des Zylinders όθ beträgt etwa 3»5 cm. Jedes der Luftlager 56 und 58 ist etwa 8 cm lang und hat einen Außendurchmesser von etwa 5 ^cm und einen Innendurchmesser von etwa 4 cm. Die Trennung zwischen den Mitten der Luftlager beträgt etwa 20 cm. Einer der Spiegel 62 der interferometrischen Einrichtung 16 ist fest auf dem Ende 64 des Zylinders 60 durch einen geeigneten Klebstoff oder dergleichen angebracht. Die ebene Fläche des Spiegels 62 liegt im wesentlichen senkrecht zur Drehachse des Zylinders. Der andere Spiegel 66 ist fest auf der Modulationseinrichtung k2 angebracht, wie nachfolgend beschrieben wird. Jedes der Luftlager 56 und 58 ruht in genauen V-Blöcken einer (nicht dargestellten) Basisplatte, die zur Dämpfung äußerer Schwingungen oder Vibrationen behandelt ist. Das zu analysierende Licht 14 tritt in die interferometrische Einrichtung 16 am Ende 68 des Zylinders 60 ein. Ein Wagen oder Schlitten 70 wird mittels einer Präzis^ionsschraube 42 zur horizontalen Bewegung veranlaßt, und ein Kupplungsarm 82 ist durch mechanische

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Befestigungseinrichtung, wie z.B. Schrauben 88, fest angebracht sowie am Zylinder 60, wie noch beschrieben wird, wobei der Zylinder 60 mit der zur Abtastung der interfermetrischen Einrichtung 16 notwendigen linearen Bewegung versehen ist. Die Präzisionsschraube 72 ist an einen digitalen Schrittmotor Jk über eine Getriebeanordnung 76 gekoppelt. Die Abtastrate oder -geschwindigkeit des Interferometers wird entweder durch Veränderung des Getriebeverhältnisses der Anordnung 76, wie z.B. mittels Magnetkupplungen oder

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dergleichen oder durch Veränderung des Impulsrateneingangs zu dem digitalen Schrittmotor Jk gesteuert,
Bei der Vorrichtung der hier beschriebenen Art kann
die Abtastgeschwindigkeit über einen Bereich von 10 bis
1 oder mehr verändert werden.

Um präzise die lineare Bewegung zum Zylinder 60 zu übertragen, ist eine Manschette 78 mit einer daran angeklebten Glasplatte 80 fest am Zylinder 60 angebracht. Der Kupplungsarm 82 weist eine Kugel 86 aus nichtrostendem Stahl oder
dergleichen auf, die seinem einen Ende 84 zugeordnet ist.
Ein Permanentmagnet 90 ist am Ende 84 des Kupplungsarms 82 in der Nähe del' Ku gel 86 angebracht. Infolge der magnetischen Anziehung zwischen dem Magnet 78 und dem Magnet 90 wird die Kugel in Berührung mit der Glasplatte 80 gehalten. Hierdurch wird eine Kontaktstelle niedriger Reibung vorgesehen. Die bei dieser Kontaktstelle durch die lineare Bewegung des Schlittens 70 hervorgerufene Berührungskraft
kann entweder dadurch eingestellt werden, daß man die Trennung zwischen dem Magnet 90 und der Manschette 78 verändert, oder daß man die Stärke des Magneten 90 vermindert.

Eine Schnittansicht einer Ausführungsform der Modulationseinrichtung 42 ist in Fig. 3 gezeigt. Andere Formen der
Modulationseinrichtung 42 können ebenfalls verwendet werden. Vorzugsweise hat die Modulationseinrichtung 42 einen hohlen zylindrischen Körper 92 aus piezo- elektrischer Keramik. Die Innen- und Außenwand ^h und 96 des zylindrischen

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Körpers 92 sind mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet, wie z.B. Silber oder dergleichen.

Die aus einem isolierenden Material, wie z.B. Keramik oder dergleichen bestehenden isolierenden Körper 98 und 100 sind durch einen geeigneten Klebstoff, wie z.B. ein Epoxyharz, an den Enden 102 bzw. 104 am zylindrischen Körper angebracht. Der Spiegel 66 ist fest an dem Isolierkörper 98 durch einen Klebstoff der verwendeten Art angebracht, um den Spiegel 62 am Ende 64 des Zylinders 60 zu befestigen. Damit der Spiegel 66 parallel zum Spiegel 62 gehalten wird, ist der Isolierkörper 100 fest an der Fläche IOC des Halteteils 108 angebracht. An der Außenfläche 110 des Halteteils 108 sind mehrere differentielle Schraubenmikrometer 112 angebracht, die in herkömmlicher Weise eingerichtet werden können, um für eine präzise Winkelausrichtung des Spiegels 66 zu sorgen. Die Elektroden 114 und 110 sind an der Innenwand Qk bzw. der Außenwand 96 angebracht. Spannung mit einer Wellenform, wie z.B. einer Sinuswelle oder einer quadratischen Welle, wird hier von einem Hochspannungsniederstrom-Netzgerät 101 an die Elektroden 1i4 und !Ιό angelegt. Nach Anlegen der Spannung läßt man den zylindrischen Körper 92 in einer linearen Richtung modulieren oder regulieren, wobei die Intensität des Signals 18 verändert wird. Wenn die von dem Netzgerät 101 an die Elektroden 1i4 und II6 angelegte Spannung die Form einer Recht-eckwelle hat, können die Spannungsgrenzen der Wellenform so eingerichtet werden,

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daß die Intensität des zu analysierenden Spaltstreifens vom Signal 18 sich zwischen den Maximalwerten der Zweige verändert bzw. wechselt. Ein Detektor ist zur Bestimmung der Photonenzählung an der Spitze jedes Zweiges des Spaltstreifens für jede Halbperiode der Rechteckwelle vorgesehen, um erste und zweite Signal zählungen zu erzeugen, Signalzählungen für eine bestimmte Zeit über eine vorgewählte Periodenzahl der Rechteckwelle anzusammeln und die erste Signalzählung durch die zweite Signalzählung zu teilen, um das Signalzählungsverhältnis zu erzeugen, wobei die vorgewählte Zeit und die vorgewählte Zahl der Perioden sich umgekehrt mit den Zweigintensitäten des Spaltstreifens ändern. Als Folge ist die Genauigkeit der Detektoreinrichtung und damit die Empfindlichkeit der Vorrichtung 10 um einen Faktor in der Größenordnung von 100 oder mehr gesteigert.

Die VorrJbhtung 10, die hier beschrieben ist, kann selbstverständlich auf viele Arten im Rahmen der Erfindung modifiziert werden. Beispielsweise kann die interferometrische Einrichtung 16 ein festes Etalon sein, welches durch Steuerung seiner Temperatur fein abgestimmt ist. Eine Art festen Etalons, welches geeignet ist, besteht aus optisch transparentem Material, wie z.B. Quarz- oder Kieselglas, dessen gegenüberliegende Oberfläche poliert, eben, parallel und mit Silber,

hohe

einem dielektrischen Material oder dergleichen für eine/Reflektivität bei einem vorgewählten Frequenzbereich sind.

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Die Dicke des Etalons kann so ausgewählt werden, daß der freie Spektralbereich des Etalons von einem ungeraden ganzen Teiler η der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektralkomponenten des periodischen Spektrums einer Molekularprobe des Gases durch den vorgewählten Frequenzabstand abweicht, wodurch ein Spaltstreifen erzeugt wird,- der erste und zweite Zweige der Komponenten auf weist. Die Feinabstimmung des festen Etalons wird da durch bewirkt, daß man eine Temperatursteuerungseinrichtung und damit eine Steuerung der optischen Weglänge vorsieht, um die Durchlaßspitzen benachbarter n-ter Ordnungen im wesentlichen zusammenfallen zu lassen mit den Spektrallinien jedes Zweiges der Komponenten. Wie oben bemerkt, braucht das zu analysierende Licht 14 nicht Ramanstreulicht allein sein, sondern kann jedes Licht aus den sichtbaren, infraroten oder ultravioletten Frequenzbereichen sein, welches in der Frequenz periodische Spektralkomponenten hat. Die gesteigerte Empfindlichkeit der Vorrichtung macht sie besonders geeignet für die Temperaturmessung an Gasen, die sich an entfernten Orten befinden. Folglich muß das Gas nicht in einer Probenkammer angeordnet sein, sondern kann statt dessen an von der Vorrichtung 10 entfernten Stellen vorliegen, z.B. von bis zu etwa 16 km Abstand (10 Meilen).

Beim Betrieb der bevorzugten Vorrichtung wird durch Streuung im Gas erzeugtes Licht 14 mit in der Frequenz periodischen

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Spektralkomponenten gesammelt, kollimiert und von der Lichtvorbehandlungseinrichtung 12 zur interferometrischen Einrichtung 16 durchgelassen. Die interferometrische Einrichtung 16 nimmt das Licht 14 auf, separiert trennscharf von diesem vorgewählte periodische Spektren und läßt die Spektren in der Form eines Spaltstreifens durch, der erste und zweite Zweigekomponenten enthält und ein erfaßbares Signal schafft, welches mit der Temperatur des Gases in Wechselbeziehung steht. Eine Modulationseinrichtung k2 reguliert die Phasendifferenz der primären interferometrischen Einrichtung, um die Spitzenintensitäten jedes Zweiges des Spaltstreifens zu vergleichen. Das Intensitätsverhältnis (oder alternativ die Frequenzdifferenz zwischen vorgewählten Teilen) der Zweige des Spaltstreifens wird von einer phasenempfindlichen Detektoreinrichtung 52 erfaßt. Das sich ergebende Signal von der phasenempfindlichen Detektoreinrichtung 52 wird von der Anzeige- und Aufzeichnungseinrichtung ^k dargestellt.

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Claims

Patentansprüche

(1.^! Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Gases durch Analysieren von Licht mit in der Frequenz periodischen Spektralkomponenten, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Sammeln, Kollimieren und Durchlassen des Lichtes in der Form eines Strahlenwegs;

b) interferometrische Separierung periodischer Spektren aus dem Licht durch Führen des Lichts durch mehrere Durchlaßfenster, die in der Frequenz in regelmäßigen Abständen liegen, wobei der Frequenzabstand zwischen benachbarten Fenstern so eingestellt ist, daß er von einem ungeraden ganzen Teiler η der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektren des Gases abweicht, wobei der ungerade ganze Teiler mindestens drei ist, und zwar zur Erzeugung eines Spaltstreifens mit ersten und zweiten Zweigen der Komponenten, und Abtasten des Strahlenweges, derart, daß die Durchlaßspitzen benachbarter n-ter Ordnungen im wesentlichen mit den Spektrallinien jedes Zweiges der Komponeten zusammenfallen gelassen werden;

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c) Durchlassen eines erfaßbaren Signals, welches aus dem Spaltstreifen besteht, wobei jeder Zweig des Spaltstreifens von mehreren periodischen Spektrallinien abgeleitet ist und eine Gesamtintensität hat, die gleich ihrer Summe ist;

d) Messen der Intensität jedes Zweiges und

e) Erfassen und Aufzeichnen des Intensitätsverhältnisses der Zweige, wobei das Intensitätsverhältnis mit der Temperatur des Gases in Wechselbeziehung steht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzabstand zwischen benachbarten Fenstern derart eingestellt isb, daß er von einem ungeraden ganzen Teiler η der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektralkomponenten des periodischen Spektrums des Gases abweicht, daß die Frequenzdifferenz zwischen vorgewählten Teilen jedes Zweiges gemssen wird und die Frequenzdifferenz zwischen den vorgewählten Teilen der Zweige erfaßt und aufgezeichnet wird, wobei die Frequenzdifferenz zwischen den vorgewählten Teilen mit der Temperatur des Gases in bestimmter Beziehung steht.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtvorbehandlungseinrichtung zum Sammeln, Kollimieren und Durch-

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lassen des Lichtes vorgesehen ist, eine interferometrische Einrichtung derart ausgebildet ist, daß sie das Licht für trennscharfes Separieren periodischer Spektren aus diesem und Durchlassen der Spektren in Form eines erfaßbaren Signals aufnimmt, die interferometrische Einrichtung eine Interferenz erzeugende Einrichtung zur Schaffung mehrerer Durchlaßfenster aufweist, die in der Frequenz in regelmäßigen Abständen liegen, wobei der Frequenzabstand zwischen benachbarten Fenstern so eingestellt ist, daß er von einem ungeraden ganzen Teiler (sub-multiple) η der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektralkomponenten des periodischen Spektrums des Gases abweicht, wobei der ungerade ganze Teiler mindestens drei ist, derart, daß ein Spaltstreifen erzeugt ist, welcher erste und zweite Zweige der Komponenten aufweist, und wobei eine Abtasteinrichtung zur Koinzidenz der Durchlaßspitzen benachbarter n-ter Ordnungen mit den Spektrallinien jedes Zweiges der Komponenten vorgesehen ist, woduch jeder Zweig des Spaltstreifens von mehreren periodischen Spektrallinien abgeleitet ist und eine Gesamtintensität hat, die im wesentlichen gleich der Summe der Linien ist, eine Signalvorbeh'andlungseinrichtung zur Messung der Intensität jedes Zweiges und eine Detektoreinrichtung zur Anzeige und Aufzeichnung des Intensitätsverhältnisses der Zweige vorgesehen ist, wobei das Intensitätsverhältnis mit der Temperatur des Gases in Wechselbeziehung steht.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Signalvorbehandlungseinrichtung eine Modulationseinrichtung zum Regulieren der Phasendifferenz zwischen interferierenden Strahlen des Lichtes derart aufweist, daß die Spitzenintensitäten der Zweige des Spaltstreifens verglichen werden, und daß der Regulierbereich nicht größer ist als der Frequenzabstand zwischen benachbarten n-ten Ordnungen, und daß eine synchrone Detektoreinrichtung zur Erfassung des Intensitätsverhältnisses des Spaltstrahles vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder k_f dadurch gekennzeichnet, daß die Signalvorbehandlungseinrichiung zur Messung der Frequenzdifferenz zwischen vorgewählten Teilen jedes Zweiges und die Detektoreinrichtung zur Anzeige und Aufzeichnung der Frequenzdifferenz der vorgewählten Teile der Zweige vorgesehen sind, wobei die Frequenzdifferenz zwischen den vorgewählten Teilen in Beziehung mit der Temperatur des Gases steht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3t dadurch gekennzeichnet, daß die vorgewählten Teile Spitzen der Zweige des Spaltstreifens sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Signalvorbehandlungseinrichtung eine Modulationseinrichtung aufweist zum Regulieren der Phasendifferenz

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zwischen interferierenden Strahlen des Lichtes derart, daß die Orte der vorgewählten Teile der Zweige des Spaltstreifens verglichen werden, wobei der Modulationsbereich nicht größer ist als der Frequenzabstand zwischen benachbarten Ordnungen, und daß eine synchrone Detektor einrichtung zur Erfassung der Frequenzdifferenz zwischen den vorgewählten Teilen des Spaltstreifens vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7t dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung einen Modulationsbereich hat, der im wesentlichen gleich der Frequenzdifferenz zwischen Spitzenintensitätsteilen der Zweige des Spaltstreifens ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-8, insbesondere zur Temperaturbestimmung von Gasen durch die Analyse von Licht mit in der Frequenz periodischen Spektralkomponenten, wobei das Gas aus Molekülen besteht mit alternierenden Raman-Drehlinien der Nullintensität, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzabstand zwischen benachbarten Fenstern derart eingestellt ist, daß er im wesentlichen gleich dem Produkt der Frequenzdifferenz zwischen benachbarten Spektralkomponenten des periodischen Spektrums des Gases und dem Faktor eines l/n ist, wobei η eine ungerade ganze Zahl derart ist, daß ein Streifenmuster erzeugt wird mit ersten und zweiten Zweigen der Bestandteile, und daß eine Abtasteinrichtung für das im wesentlichen Zusammenfallen der Durchlaßspitzen benachbarter n-ter Ordnungen mit den Spektrallinien jedes Zweiges

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der Bestandteile vorgesehen ist, wobei jeder Zweig des Streifenmusters von mehreren periodischen Spektrallinien abgeleitet ist und eine Gesamtintensität hat, die im wesentlichen gleich ihrer Summe ist.

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