DE2905361A1 - Gitterspektrograph - Google Patents
GitterspektrographInfo
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Description
DR. INQ. HANS LICHTI · DIPL-INQ. HEINER LICHTI
PATENTANWÄLTE
TELEFON (0721) 48511
12. Februar 19 79 4778/79-Lw
OFFICE NATIONAL D1ETUDES ET DE RECHERCHES AEROSPATIALES
(O.N.E.R.A.), 29 - 39 Avenue de la Division Leclerc F-92320 Chatillon / Frankreich
Gitter spektrograph
Die Erfindung betrifft einen Gitterspektrographen, insbesondere für das ferne Ultraviolett (UV),mit Meßeinheiten,
die mit Photodetektoren versehen und entlang dem Rowlandkreis angeordnet sind.
Die Spektrographie im fernen UV wird eingesetzt für die
Analyse von Materialproben, insbesondere von Proben hochhitzebeständiger Materialien, wobei in einer Vakuumkammer
aus den Proben ein Plasma erzeugt und mittels des Spektrographen durch einen Spalt, der in der Kammerwandung vorgesehen
ist, beobachtet wird.
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Im Bereich des fernen UV wird üblicherweise mit Gitterspektrographen
gearbeitet, deren Beugungsgitter eine außerordentlich große Linienzahl aufweist. Aus diesem Grunde kennt
man bisher zumindest im industriellen Bereich nur Spektrographen, die vorjustiert sind und in einer zu analysierenden
Probe nur die Bestimmung bestimmter, von vornherein festgelegter chemischer Elemente erlauben.
In der Praxis entspricht folglich jeder gängigen Metalllegierung ein bestimmter Spektrograph, mit dem der Benutzer
die von vornherein festgelegten Legierungselemente (Metalle
oder Nichtmetalle) bestimmen kann.
Diese Spektrographen weisen Photodetektoren auf, die für die Bestimmung jeweils eines einzigen Elements vorgesehen sind
und an entsprechend festgelegten Punkten eines Kreises angeordnet sind, an denen die entsprechenden charakteristischen
Strahlen gesammelt werden. Es ist dies der sog. Rowlandkreis, der dem jeweils benutzten Beugungsgitter zugeordnet ist.
Ferner kennt man im Forschungsbereich Monochromatoren, die einen Photodetektor aufweisen, der auf dem Rowlandkreis
verschiebbar angeordnet ist, so daß an jedem Punkt des Kreises die gebeugte Strahlungsintensität gemessen werden kann und somit
Linienprofile aufgenommen werden können. Bisher ist jedoch kein Spektrograph der eingangs beschriebenen Gattung bekannt,
der bewegliche Photodetektoren aufweist und damit die Analyse unterschiedlicher Metallegierungen ermöglicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gitterspektrographen
der eingangs beschriebenen Gattung anzugeben, der in einfacher und störungsfreier Weise eine genaue Analyse
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unterschiedlich zusammengesetzter Proben, insbesondere unterschiedlicher
Metallegierungen, ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß zunächst und vor allem dadurch gelöst, daß die Meßeinheiten entlang einer dem Rowlandkreis
entsprechenden Führungsschiene verschiebbar angeordnet sind. Damit schafft die Erfindung einen Gitterspektrographen,
der sich insbesondere für das ferne UV eignet und eine Mehrzahl von Photodetektoren aufweist, die entlang dem dem Beugungsgitter
zugeordneten Rowlandkreis verschiebbar sind. Dabei kann die Anordnung so getroffen werden, daß die Photodetektoren in
jeder Stellung auf dem Rowlandkreis durch eine Einstellvorrichtung selbsttätig so zu Beugungsgitter orientiert sind, daß
sie das durch das Beugungsgitter erzeugte Bild des Eintrittspalts empfangen.
Bei einer zu bevorzugenden Ausführungsform ist jedem Photodetektor
eine eigene Spaltanordnung zugeordnet, wobei die Möglichkeit vorgesehen wird, diese Spaltanordnung wahlweise umzuschalten
zwischen einer Weitstellung, in der der Spalt verhältnismäßig breit ist und eine quantitative Analyse oder
Bestimmung eines Elements erlaubt, und einer Engstellung, in der der Spalt verhältnismäßig schmal ist und die Aufnahme von
Linienprofilen erlaubt, d. h. die schmalbandige Bestimmung der Strahlungsintensität, die vom Photodetektor an jedem
Punkt des Rowlandkreises empfangen wird.
Die Erfindung sieht weiter vor, daß jeder Photodetektor mit einem eigenen breiten Spalt versehen ist. Dabei wird
weiter eine allen Photodetektoren gemeinsame Einrichtung vorgesehen,
die jedem einzelnen, der Photodetektoren zugeordnet werden kann und dessen wirksame Spaltbreite verringert, so daß
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mit dem entsprechenden Phtotodetektor Linienprofile aufgenommen
werden können.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht
darin, daß diese allen Photodetektoren gemeinsame Einrichtung zur Veränderung der Spaltbreite zugleich die Verschiebung
des jeweils zugeordneten Photodetektors auf dem Rowlandkreis bewirkt. Auf diese Weise gelangt man zu einem
außerordentlich einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen Spektrographen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt.
Figur 1 in schematischer Darstellung eine Aufsicht auf den Gitterspektrographen,
Figur 2 in vergrößerter Darstellung eine schematische perspektivische Ansicht,
Figur 3 in stark vereinfachter Darstellung in kleinerem Maßstab einen senkrechten
Schnitt, der den Schlitten auf der Führungsschiene darstellt,
Figur 4 in schematischer Darstellung einen senkrechten Schnitt.
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Der in den Figuren dargestellte Spektrograph weist ein Beugungsgitter 11 (Figur 1) auf, das vorzugsweise
holographisch erzeugt ist. Die Gitterlinien verlaufen auf der Oberfläche 12 einer Kugelkalotte mit dem Mittelpunkt
16, der Achse 14 und dem Radius 2R.
Entlang einem Teil des Rowlandkreises 15 mit dem Radius R, der dem Gitter zugeordnet ist und dessen Mittelpunkt
O auf der Achse 14 liegt, erstreckt sich eine Führungsschiene 17.
Die Führungsschiene 17 besteht aus einem massiven Gußteil von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt und weist zwei
kreisbogenförmige Nuten 22, 25 (Figur 2) auf, deren Seitenflächen 23, 24 bzw. 26, 27 durch Zylinderflachen gebildet
sind, die im Punkt O zentriert sind. Die Nuten 22 und 25 münden an der Oberseite der Führungsschiene 17.
Die horizontalen Flächen 28, 29 der Führungsschiene 17 dienen, jeweils entsprechend, als Auflage für zwei Gleitschuhe
31, 32 eines Schlittens 33 von im wesentlichen quaderförmigem Aufbau. An der Oberseite 34 des Schlittens 33 ist
ein Gehäuse 36 um eine vertikale Achse 35 drehbar angeordnet, das gleichfalls im wesentlichen quaderförmig aufgebaut ist
und dessen Boden 3 7 auf der Oberseite 34 des Schlittens 33 aufliegt. Das Gehäuse 36 endet an seinem Inneren, d. h.
der Achse O zugewandten Ende mit zwei geneigten Flächen 38, 38·,
die einen Spalt 39 von verhältnismäßig großer Breite begrenzen. Mit einem Photovervielfacher 41, dessen Mantel 42 mit dem
Gehäuse 36 verbunden ist, kann ein Element bestimmt werden, dessen charakteristische Strahlung auf den Spalt 39 fällt.
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Das Gehäuse 36 ist so angeordnet, daß der Spalt 39 auf dem Rowlandkreis 15 liegt.
Die Unterseiten 43, 44 der Gleitschuhe 31, 32 (Figur 3) sind mit einer dünnen Schicht aus Glasfasergewebe versehen,
die mit Polytetrafluoräthylen 45, 46 oder dgl. überzogen ist.
Vom Schlitten 33 ragt an dessen äußeren Ende ein Führungsbacken 47 nach unten, der im wesentlichen quaderförmig, jedoch
als Zylindermantel-ausschnitt ausgebildet ist, so daß seine Seitenflächen 48, 49 mit den Seitenflächen 23, 24 der Nute
mittels (in der Zeichnung nicht dargestellter) zwischengeschalteter Gleitelemente zusammenwirken.
Der Führungsbacken 47 ist vorteilhafterweise abnehmbar
am Schlitten 33 befestigt, so daß er gegebenenfalls auch so am Schlitten 33 befestigt werden kann, daß seine Seitenflächen
48, 49 mit den Seitenflächen 26, 27 der anderen Nute der Führungsschiene 17 zusammenwirken.
Ein Gegengewicht 30 ist am anderen Ende des Schlittens befestigt und gleicht die Masse des Photovervielfachers 41
aus.
Die Führungsschiene 17 weist einen Ansatz 51 (Figur 4) auf, der durch eine Nut am inneren Umfang gebildet ist. Auf
dem Ansatz 51 gleitet ein Abschnitt einer bogenförmigen Leiste 53, die an ihrer Unterseite 54 mit Polytetrafluoräthylen
oder dgl. überzogen ist und die mit einem Auge 55 verbunden ist, das das Ende eines Arms 56 (Figuren 1 und 4)
bildet. Der Arm 56 ist an einem Sektor 57 befestigt, der um die Achse O drehbar ist. Mit dem Arm 56 ist eine
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Kreisbogenverzahnung verbunden, die auf eine bezüglich der
Achse O kreiszylindrische Flüche aufgebracht ist. Mit der
Verzahnung 50 wirkt eine Schnecke 58 zusammen, die auf das Ende der Antriebswelle 59 eines ersten, als Schrittmotor
ausgebildeten Elektromotors 61 aufgesetzt ist.
Mit dem inneren Abschnitt des Schlittens 33, d. h. mit
den Radialflächen 62, 63 des Gleitschuhs 32, wirken in sehr präziser Weise die Seitenwangen 64, 65 einer Haube 66 zusammen,
die an ihrer Unterseite offen ist, durch eine obere Wandung 67 begrenzt ist und zwei geneigte Vorderwandungen 68,
aufweist, die eine Kante 70 bilden, die in einer bezüglich der seitlichen Wangen 64, 65 äqudistanten Ebene liegt. Entlang
der Kante 70 verläuft ein durch die beiden geneigten Flächen 68, 69 gebildeter enger Spalt.
Die Haube 66 ist am Ende eines Trägers 72 montiert, der
zwei starre Seitenwände 75, 76 aufweist, die durch geschwächte Bereiche oder Blattfedern 73, 74 mit den Seitenwangen 64,
der Haube 66 verbunden sowie ihrerseits mittels geschwächter Bereiche oder Blattfedern 77, 78 an ein Anschlußstück 79
angeschlossen sind. Das Anschlußstück 79 weist einen rohrförmigen Durchlaß von gleichem lichten Querschnitt wie der
Träger 72 auf. Der Träger 72 ist mittels senkrecht verlaufender Ausnehmungen 85 auf Stangen 86 gleitend geführt und kann
durch senkrechte Verschiebung in eine von zwei Positionen
verstellt werden, beispielsweise mittels eines Elektromagneten Der Elektromagnet 87 ist an einem Tragelement 80 montiert,
das an einem zweiten Arm 88 (Figur 1) befestigt;ist, der an
seinem äußeren Ende mit einem Auge 89 (Figur 4) endet, mit dem er wie der Arm 56 um die Achse 85 drehbar ist. Der Arm
umschließt teleskopisch ein Rohr 91, dessen entgegengesetztes Ende 92 um die durch die Mitte 16 des Beugungsgitters 11 verlaufende
vertikale Achse drehbar ist.
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Mit der Seitenwandung 76 des Trägers 72 wirkt ein Nocken 93 zusammen, der auf der Welle 94 eines zweiten,
gleichfalls als Schrittmotor ausgeführten Elektromotors befestigt ist. An einem an die gegenüberliegende Wandung
angeschlossenen Vorsprung 96 ist eine Feder 97 angeschlossen, die die Wandung 76 beständig gegen die wirksame Umfangsfläche
98 des Nockens 93 zieht.
Der vorstehend beschriebene Gitterspektrograph arbeitet folgendermaßen t
Eine zu analysierende Probe wird in eine Vakuumkammer eingebracht, in der eine Funkenquelle aus der Probe ein Plasma
erzeugt. Die von dem Plasma ausgehende Strahlung bildet ein Strahlenbündel 102, das den Eintrittsspalt 103 des Spektrographen
durchsetzt und vom Beugungsgitter 11 aufgefangen wird.
In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Spektrograph mehrere entlang dem Rowlandkreis
verteilte Meßeinheiten 101.1, 101.3, 101.4 auf, deren jede ein Gehäuse 36 und einen Photovervielfacher 41 aufweist. Jede
der Meßeinheiten ist dafür eingerichtet, eine quantitative Aussage über ein Element zu geben, das in der Zusammensetzung
der Probe vorliegt und dessen charakteristische Strahlung der jeweiligen Stellung der Meßeinheit auf der Führungsschiene
17 entspricht.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich die Meßeinheit 101.2 in einer Stellung, in
der sie mit einer Einstellvorrichtung 105 zusammenwirkt,
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die im wesentlichen aus dem Träger 72, dem Arm 56 und den Armen 98, 91 besteht. Unter den in Figur 4 dargestellten
Bedingungen befindet sich der Träger 72 in seiner oberen Stellung. Dabei steht der Spalt 71 gegenüber dem Spalt 39.2
der Meßeinheit 101.2. Der Photovervielfacher 41.2 empfängt daher lediglich den Strahlungsanteil, der den engen Spalt
durchsetzt. Da der Spalt 39.2 verhältnismäßig weit ist, können thermische Ausdehnung oder Schwingungen sich nicht nachteilig
auswirken.
Wird der Elektromagnet 87 erregt, so wird die durch den Träger 72 gehaltene Haube 66 in ihre untere Position überführt.
Die Seitenwangen 64, 65 umfassen die Seitenflächen 62,
des Schlittens 33.2, so daß der Träger 72 an den Schlitten angekoppelt wird. Bei einer Verstellung des Trägers 72 durch
einen der beiden Motore 61, 95 wird folglich die Meßeinheit 101.2 entlang dem Rowlandkreis 15 verschoben. Diese Verschiebung
erfolgt im wesentlichen reibungsfrei, wegen der zwischengeschalteten Schichten aus mit Polytetrafluorathylen 45,
überzogenen Glasfasergewebeschichten, mit denen die Gleitschuhe 31, 32 versehen sind. Außerdem sind die Flächen 48, 49 des
Führungsbacken 47 mit Polytetrafluorathylen überzogen, das mit Bronze gefüllt ist. Die Schichten 45, 46 bilden zahlreiche
Kontaktpunkte, so daß störende Ansaugeffekte vermieden werden, die bei vollständig ebenen Oberflächen beim
Evakuieren des Spektrographen auftreten können.
Mit dem ersten Motor 61 werden verhältnismäßig schnelle
Verschiebungen der Meßeinheit 101.2 vorgenommen. Das ist beispielsweise
dann der Fall, wenn die Meßeinheit 101.2 in eine vorbestimmte Stellung auf dem Rowlandkreis 15 überführt werden
soll.
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Langsame, mit größter Präzision erfolgende Verschiebungen
der Meßeinheit 101.2 werden mit dem Motor 95 vorgenommen, wobei die Kraftübertragung vollständig spielfrei
erfolgt. Diese Arbeitsweise wird beispielsweise gewählt, wenn ein Linienprofil aufgenommen werden soll, d. h.
wenn der Intensitätsverlauf der Strahlung in' einer Spektrallinie gemessen werden soll, oder wenn ein Linienzentrum genau
festgelegt werden soll. Die Verschiebungen können mit einem (nicht dargestellten) Differentialtransformator gemessen werden«
Die Verschiebungen werden ermöglicht durch die bezüglich der Achse 35 drehbare Anordnung des Gehäuses.36 auf dem
Schlitten 33 sowie durch den gelenkigen Anschluß der Seitenwände 75, 76 an ihren Enden einerseits an die Haube 66 und
andererseits an das Anschlußstück 79, in Verbindung mit der teleskopischen Anordnung des Arms 88 auf dem Rohr 91.
Wenn zwei Meßeinheiten 101 verhältnismäßig sehr nah beieinander auf dem Rowländkreis 15 angeordnet werden sollen,
so kann eine der Meßeinheiten 101 unter Verwendung der Nut der Führungsschiene 17 und die andere Meßeinheit unter Verwendung
der Nut 25 angeordnet werden.
Es ist vorgesehen, bei den Verschiebungen der Meßeinheiten als Ausgangspunkt der Bewegung eine feste Position
auf der Führungsschiene 17 zu nehmen, beispielsweiee die Position des reflektierten Strahls, der wie in Figur 1 dargestellt
auf die Meßeinheite 101.1 fällt. Dies ermöglicht, bei Kenntnis der Relation zwischen der Zahl der Stellschritte
des Motors 61 und der Wellenlänge, durch Zählung der Steuerimpulse die zu jeder Position gehörige Wellenlänge
zu ermitteln.
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Zur Rückmeldung über die Position jeder der Meßeinheiten 101 sind optische Mikroaufnehmer vorgesehen. Ferner
sind Sicherheitseinrichtungen vorgesehen, um zu verhüten, daß im Laufe des Betriebs zwei Meßeinheiten sich einander unzulässig
annähern.
Der beschriebene erfindungsgemäße Gitterspektrograph
läßt sich ohne weiteres einrichten zur Bestimmung der Elemente aller Legierungen» Da der nutzbare Spektralbreich sich bis
zu sehr kurzen Wellenlängen erstreckt, ist es möglich, sowohl Metalle zu bestimmen als auch Nichtmetalle oder Gase, wie sie
in mehr oder minder großer Konzentration vorkommen.
Gute Ergebnisse sind erhalten worden mit einem Spektrographen,
dessen Rowlandkreis einen Durchmesser von 1,50m aufweist, mit einem Eintrittsspalt einer Breite von 20 Mikron
und einer Höhe von 8mm, wobei der Einfallswinkel der Strahlung auf das Beugungsgitter 30° betrug. Die wirksame Gitterfläche
wies einen Radius von 1,5m auf und besaß 2400 Linien/nun.
Der nutzbare Bereich des Spektrums erstreckt sich zwischen
140 und 3500 Ä mit einer mittleren Dispersion von 2,5 ft/mm.
Jede Meßeinheit war mit einem Eintrittsspalt versehen,
dessen Breite 100 Mikron betrug und der um 0,5mm gegenüber dem Rowlandkreis zurückgesetzt war. Es ist möglich gewesen,
20 Meßeinheiten unterzubringen.
Die mit dem mit dem Nocken angreifenden Motor bewirkte
Bewegung überstrich einen Weg von ± lmm mit einer Auflösung
von 0,02mm pro Schritt. Es ist möglich gewesen, einen Bereich
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des Spektrums von 5 Ä Breite bei einer Aflösung von 0,05
pro Schritt reversibel zu überstreichen.
Die Lage des Eintrittsspalts und die Kenndaten des Beugungsgitters des Spektrographen erlauben es, mit der
beschriebenen Einrichtung in einem sehr breiten Wellenlängenbereich zu arbeiten, der je nach der verwendeten
Quelle das UV, das Infrarot oder selbst Röntgenstrahlung umfaßt.
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Claims (1)
- 2305361DR. INQ. HANS LICHTI · DIPL-INQ. HEINER LICHTIPATENTANWÄLTEDIPL.-PHYS. DR. KLAUS LEUTWElND-7500 KARLSRUHE 41 (GRÖTZrNGEN) · DU R LAC H E R STR. 31 (H O C H H AU S)TELEFON (0721) 4851112. Februar 1979 4778/79-LwOFFICE NATIONAL D1ETUDES ET DE RECHERCHES AEROSPATIALES (O.N.E.R.A.), 29 - 39 Avenue de la Division Leclerc F-92320 Chatillon / FrankreichPatentansprüche1.) Gitterspektrograph, insbesondere für das ferne UV, mit Meßeinheiten die mit Photodetektoren versehen und entlang dem Rowlandkreis angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheiten(lODentlang einer dem Rowlandkreis (15) entsprechenden Führungsschiene (17) verschiebbar angeordnet sind.2. Gitterspektrograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheiten(lOl) durch Antriebsmotore (61, 95) entlang der Führungsschiene (17) verschiebbar sind und daß die Meßeinheiten (101) durch Übertragungsmittel (91,88,72,66) mit den Antriebsmotoren (61, 95) so verbunden sind, daß die Meßeinheiten (101) beständig auf das Beugungsgitter (11) orientiert sind.$09833/07934778/79-Lw-Z-3. Gitterspektrograph nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Meßeinheiten (101) mittels einer einzigen Einstellvorrichtung (105) verschiebbar sind.4. Gitterspektrograph nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheiten (101) mit einem weiten Eintrittsspalt (39) versehen sind.5. Gitterspektrograph nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung (105) als Strahlungsdurchlaß ausgebildet ist.6. Gitterspektrograph nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellvorrichtung (105) an jeweils eine der Meßeinheiten (101) ankoppelbar ist und daß beim Ankoppeln ein an der Einstellvorrichtung (101) vorgesehener enger Spalt (71) dem Eintrittsspalt (39) der Meßeinheit (101) vorgeschaltet wird.7. Gitterspektrograph nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen ersten Antriebsmotor (61) für schnelle Verschiebung und einen zweiten Antriebsmotor (95) für langsame Verschiebung.8. Gitterspektrograph nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Antriebsmotor (61) für schnelle Verschiebung angeschlossene Einstellvorrichtung (105) ein Teleskoporgan (88, 91) aufweist, das um eine durch die Mitte (16) des Beugungsgitters (11) verlaufende vertikale Achse drehbar ist.909833/07934778/79-Lw9. Gitterspektrograph nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankopplung der Einstellvorrichtung (105) an eine der Meßeinheiten (101) durch formschlüssigen Eingriff durch eine vertikale Verschiebung erfolgt.10. Gitterspektrograph nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheiten (101) mit je einem Schlitten (33) mit zwei Gleitschuhen (31, 32) auf der Führungsschiene (17) aufliegen.11. Gitterspektrograph nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitten (33) durch einen Führungsbacken (47) geführt ist.12. Gitterspektrograph nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsschiene (17) zwei Führungsnuten (22, 25) aufweist und daß der Führungsbacken (47) wahlweise in einer von zwei in Längsrichtung des Schlittens (33) gegeneinander versetzten Positionen montierbar ist und in eine der beiden Führungsnuten (22, 25) eingreift.13. Gitterspektrograph nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor (95) für langsame Verschiebung an der Einstellvorrichtung (105) angeordnet ist und mit einem Nocken (93) an einer starren Wandung (76) eines die Meßeinheit (101) mitnehmenden Trägers (72) angreift.09833/07924778/79-Lw14. Gitterspektrograph nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Wandung (76) einen Arm eines deformierbaren Parallelogrammsystems bildet, das an seinem einen Ende an ein an der Meßeinheit (101) formschlüssig angreifendes Element (66) und an seinem anderen Ende an ein durch das Teleskoporgan (88, 91) geführtes Anschlußstück (79) angeschlossen ist.909833/0792
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