DE3014646A1

DE3014646A1 - Verfahren und vorrichtung zur spektralanalyse

Info

Publication number: DE3014646A1
Application number: DE19803014646
Authority: DE
Inventors: Gerhard 8200 Rosenheim Krause
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: KRAUSE, GERHARD, 8200 ROSENHEIM, DE
Priority date: 1980-04-16
Filing date: 1980-04-16
Publication date: 1981-10-29
Also published as: DE3014646C2; US4448529A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Spektralanalyse, bei denen aus einer Strahlung, insbesondere einer optischen Strahlung, durch ein Dispersionsglied oder einen Separator ein räumlich auseinandergezogenes Spektrum gebildet und wenigstens einen der im Spektrum vorhandenen Spektralkomponenten hinsichtlich ihrer frequenzmäßigen Position im Spektrum ermittelt und ausgewertet wird. Insbesondere sollen aber gleichzeitig mehrere Spektralkomponenten ermittelt werden. Das Spektrum liegt vorzugsweise als in einer Fläche nebeneinander angeordnete Linien aufweisendes Linienspektrum vor.

Es ist bekannt, mit Hilfe eines Dispersionsgliedes(Gitter, Prisma, Kristall) oder eines Separators die zu analysierende Strahlung in räumlich nebeneinander liegende Spektralkomponenten zu selektieren. Zum Beispiel wird in optischen Spektralfotometern die ankommende Strahlung mittels eines Prismas oder Gitters nach unterschiedlichen Wellenlängen selektiert. Verschiedene Wellenlängen werden an verschiedenen Orten in der Ebene des Austrittsspaltes abgebildet. Mit einem Spalt oder einer äquivalenten Anordnung werden die Spektralkomponenten zeitlich nacheinander abgetastet. Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß zur gleichen Zeit immer nur ein sehr kleiner Teil des Spektrums ausgewertet, wird. Bei kleinen Intensitäten muß deswegen die Zeit zum Abtasten des Spektrums relativ groß gewählt werden, um einen ausreichenden Störabstand zu erreichen.

Bekannt ist es weiterhin, mehrere Spalte mit je einem Detektor jeweils an den Orten anzuordnen, an denen eine gesuchte Spektralkomponente Liegt. Diese Anordnung wertet die Energie der gesuchten Spektralkomponenten gut aus. Ihre Anwendung ist aber praktisch auf eine geringe Anzahl fest vorgegebener Spektralkomponenten beschränkt. Ein Wechsel der zu selektierenden Spektralkomponenten ist schwierig,und sehr dicht beieinander liegende Spektralkomponenten können nicht getrennt werden, weil die Konstruktionselemente der Spalte sowie die Detektoren den jeweils anderen Strahl abdecken.

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Bekannt sind auch Fourierspektrometer, welche die Energie des angebotenen Spektrums gut ausnutzen. Sie erfordern jedoch eine sehr große mechanische Präzision des verwendeten Interferometers. Hierdurch wird ihr Einsatz als Betriebsmeßgerät behindert. Im Wellenlängenbereich unter 1 ,um haben sie wegen der hohen geforderten Genauigkeit bisher keinen Eingang gefunden. Ein weiterer Nachteil von Fourierspektrometern ist, daß die Energie des gesamten Spektralbereiches, also auch der ungenutzten Spektralabschnitte, auf den Fotodetektor fällt. Hierdurch wird das Rauschen vergrößert.

Das Ziel der Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verarbeitung von Spektren zu schaffen, welche die Energie des angebotenen Spektrums optimal ausnutzen und bei denen das physikalische Spektrum in ein elektronisches Spektrum umgesetzt wird, wodurch das Gerät schnell an neue, zu selektierende Spektralkomponenten angepaßt werden kann und der Aufwand für das Gerät relativ gering ist, weil elektronische Bauelemente heute sehr preiswert zur Verfügung stehen. Weiterhin will die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung schaffen, bei denen nicht genutzte Spektralabschnitte einfach und mit steilen Bereichsflanken ausgeblendet werden können. Im Vergleich zum Fourierspektrometer sollen die Anforderungen an die mechanische Präzision gering sein.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll es außerdem möglich sein, nicht nur optische Spektren einschließlich des infraroten und ultravioletten Bereiches ohne Schwierigkeiten zu beherrschen, sondern es sollen darüber hinaus auch Spektren verarbeitet werden können, für die die Fourierspektroskopie nicht anwendbar ist. Es handelt sich hier insbesondere um Kernspektren, Röntgenstrahlungsspektren und Massenspektren.

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Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß in der Selektionsrichtung am Spektrum ein räumlich parallel zur Selektionsrichtung der Spektralkomponenten ausgedehnter Modulator mit parallel zur Selektionsrichtung ortsabhängiger Modulationsfunktion die Intensität des Spektrums moduliert und daß das elektrische Ausgangssignal· eines für die verwendete Strahlung empfindlichen und vom Spektrum durch den Modulator hindurchgehende Strahlung empfangenen Detektors auf das Vorhandensein wenigstens der durch die Relativbewegung zwischen Modulator und Spektrum von der wenigstens einen zu ermittelnden Spektralkomponente erzeugten Modulationsfrequenz untersucht wird.

Die Untersuchung erfolgt zweckmäßig dadurch, daß ein bezüglich seiner Frequenz in einem festen Verhältnis zu der momentanen Frequenz hinter dem Modulator am Ort der betreffenden Spektralkomponente stehendes Referenzsignal gebildet und zur Herausfilterung des der betreffenden Spektralkomponente zugeordneten Meßfrequenzsignals aus dem vom Detektor kommenden Frequenzgemisch verwendet wird.

Insbesondere wird das Verfahren bei der gleichzeitigen Ermittlung mehrerer Spektralkomponenten angewandt, wobei vorzugsweise so viele zu jedem Zeitpunkt unterschiedliche Referenzfrequenzsignale gebildet werden, wie Spektralkomponenten zu ermitteln sind.

Weiter kann zur Untersuchung auch vorgesehen sein, daß die von jeder Spektralkomponente erzeugten Frequenzsignale auf eine dispersive Verzögerungsleitung gegeben werden, deren Länge in Abhängigkeit von der zeitlichen Modulationsfrequenzänderung so gewählt ist, daß alle Frequenzsignale einer einzelnen Spektralkomponente als Paket gleichzeitig am Ende bzw. einer Anzapfung der Leitung ankommen und daß die Ankunftszeiten der einzelnen Pakete festgestellt werden.

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Eine bevorzugte Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß zwischen dem Spektrum und dem Detektor der am Spektrum vorbeibewegter Modulator angeordnet ist und daß das elektrische Ausgangssignal des Detektors ebenso wie die Referenzfrequenzsignale an einer Auswerteschaltung angelegt sind, welche die den einzelnen Spektralkomponenten zugeordneten Meßfrequenzsignale vermittels der ihnen in jedem Zeitpunkt frequenzmäßig fest zugeordneten Refcrenzfrequenzsignale entweder gleichzeitig oder zeitlich nacheinander aus dem Frequenzgemisch herausfiltert und an Meßausgängen entsprechende Spektralkomponentensignale abgibt.

Der Grundgedanke der Erfindung ist also darin zu sehen, daß jede einzelne Stelle des Spektrums zu"jedem Zeitpunkt mit einer individuellen Frequenz moduliert wird und daß diese Modulationsfrequenz vorzugsweise kontinuierlich und mit gleichbleibender Geschwindigkeit über die Länge des Spektrums hinwegläuft. Durch das erfindungsgemäß gebildete Referenzfrequenzsignal wird zu jedem Zeitpunkt ermittelt, an welcher Stelle des Spektrums sich zu einem bestimmten Zeitpunkt eine bestimmte Modulatiönsfrequenz befindet. Anders ausgedrückt, wird zu jedem Zeitpunkt ermittelt, welche Modulationsfrequenz zu einem bestimmten Zeitpunkt einer bestimmten Stelle im Spektrum zugeordnet ist. Aufgrund des Bekanntseins dieser Zuordnung können aus dem am Ausgang des einzigen Detektors vorhandenen Frequenzgemisches allein mit den sehr preiswerten elektronischen Mitteln diejenigen Signale herausgefiltert werden, welche den einzelnen gesuchten Spektralkomponenten entsprechen.

Die Erfindung kann auch dahingehend zum Ausdruck gebracht werden, daß jede Stelle des ganzen oder Teilspektrums in jedem Zeitpunkt durch einen individuellen Modulatorstrichabstand markiert ist und daß dieser Strichabstand bevorzugt periodisch kontinuierlich über das Spektrum läuft. Die gesuchte Stelle im Spektrum wird vermittels des in jedem

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Zeitpunkt vorliegenden individuellen Modulator-Strichabstandes auf Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein eines Empfangssignals untersucht.

Wesentlich für eine exakte Spektralanalyse ist das Verhältnis der Perioden des Modulators und der Linienbreite der Spektralkomponenten. Die Durchlaßbreite der Modulatorstriche soll in der Größenordnung der Linienbreite liegen.

Insbesondere soll die kleinste Periode des Modulators zur Linienbreite der Spektralkomponenten vorzugsweise im Verhältnis von etwa 2:1 stehen.

Die größte Periode des Modulators soll dagegen zur Linienbreite der Spektralkomponente vorzugsweise im Verhältnis zwischen 2,1:1 und 4:1 stehen.

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Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind durch die Unteransprüche gekennzeichnet.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsv/eise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Figur 1 eine schematische Draufsicht eines Spektrums und eines davor angeordneten Modulators gemäß der Erfindung,

Figur 2 eine Ansicht auf den Gegenstand der Figur 1 von oben, jedoch unter zusätzlicher Darstellung des ein elektrisches Ausgangssignal abgebenden Detektors, des Referenzmodulators und der Auswerteschaltung ,

Figur 3 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Zerhackertrommel,

Figur 4 ein Diagramm der Transparenz T der Zerhackertrommel 11 nach Figur 3 als Funktion des Drehwinkels OC ,

Figur 5 ein zu Figur 4 analoges Diagramm einer für die erfindungsgemäßen Zwecke besonders bevorzugten Abhängigkeit der Transparenz D vom Drehweinkel oC

Figur 6 ein weiteres Diagramm der Abhängigkeit der Transparenz T der Zerhackertrommel nach Figur 3 vom Drehwinkel ⁰^ , wobei sich die Transmission mit dem Winkel sinusförmig ändert,

Figur 7 ein Blockschaltbild einer ersten vorteilhaften Ausführungsform einer Auswerteschaltung für die erfindungsgemäße Vorrichtung,

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Figur 8 ein Blockschaltbild einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer Auswerteschaltung,

Figur 9 eine Ansicht analog Figur 3 einer Zerhackertrommelanordnung zur Bildung des Referenzfrequenzsignals,

Figur 1O eine Draufsicht des Gegenstandes der Figur 9,

Figur 11 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Bildung des Referenzfrequenzsignals für die erfindungsgemäße Vorrichtung/

Figur 12 eine schematische Darstellung eines Massenspektrometer, bei dem die Spektren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgewertet werden,

Figur 13 eine schematische Ansicht eines Röntgenspektrometers, bei dem die Spektren nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgewertet werden,

Figur 14 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Auswerteschaltung mit einer dispersiven Verzögerungsleitung,

Figur 15 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der der Modulator vor dem Dispersionsglied bzw. vor dem Separator angeordnet ist, in schematischer Blockdarstellung und

Figur 16 die schematische Darstellung einer Anordnung, bei der die Lichtstrahlen nach dem Durchlaufen des Modulators noch einmal durch den Monochromator geleitet werden.

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Nach Figur 1 und 2 wird an einem auf beliebige Weise erzeugten, beispielsweise optischen Spektrum 12 ein als Zerhackerstab ausgebildeter Modulator 11 η Richtung der Pfeile mit einer Geschwindigkeit ν vorbeiqeführt. Um in Figur 1 das hinter dem Modulator 11 angc?oi dnete Spektrum 12 mit zu ermittelnden Linien I, II und I¹I in der Darstellung erkennen zu können, sind die nicl·t durchlässigen Bereiche des Modulators 11 nur schraffier! dargestellt. Zwischen den schraffierten Bereichen kann das von den Spektrallinien kommende Licht ungehindert durch den Modulator 11 hindurchtreten. Wie aus den Figuren 1 und 2 ohne weiteres ersichtlich ist, nimmt die Modulationsfrequenz des Modulators 11 von links nach rechts zu, indem die Perioden der Modulatorstriche stetig abnehmen. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Breiten der Gitterstriche des Modulators 11 in den Figuren 1 und 2 sehr übertrieben groß dargestellt sind, um den für die Erfindung wichtigen Aufbau des Modulators 11 anschaulich darstellen zu können. Tatsächlich sind auch noch die breitesten Gitterstriche des Modulators 11 so schmal, daß ihre Breite im Verhältnis zur Breite der auszuwertenden Spektrallinien etwa im Verhältnis von 2:1 bis 4:1 liegt.

Nach Figur 2 ist der Modulator 11 zwischen dem Spektrum und einem Detektor 13 angeordnet, welcher sich über die gesamte Länge des Spektrums 12 erstreckt. Es könnte auch vorgesehen sein, daß der Detektor 13 wesentlich kürzer ist und daß alles durch den Modulator 11 hindurchtretende Licht durch optische Mittel auf dem einzigen Detektor konzentriert wird. Bei Verwendung eines optischen Spektrums handelt es sich bei diesem Detektor 13 um einen fotoelektrischen Wandler. Das Spektrum 12 und der Modulator 11 sind möglichst nahe beieinander angeordnet, bevorzugt liegen sie in der gleichen Ebene.

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Wird der Modulator 11, welcher beispielsweise auf einer umlaufenden Modulal ortrommel angeordnet sein kann, mit einer Geschwindigkeit ν am Spektrum 12 vorbeibewegt, so wird jede Stelle des Spektrums 12 mit .einer etwas anderen Frequenz moduliert. Da das Licht der einzelnen Spektrallinien, insbesondere der zu ermittelnden Spektrallinien I, II und III durch die Lücken des Modulatorgitters 11 hindurch auf ein und denselben Detektor 13 fällt, entsteht am Ausgang des Detektors 13 ein elektrisches Signal, welches sich aus den Modulationsfrequenzen sämtlicher modulierter Spektrallinien zusammensetzt.

Es ist davon auszugehen, daß an beiden Seiten des Modulators 11 nach den Figuren 1 und 2 stetig oder mit Abstand gleichartige Modulatoren anschließen. Mit anderen Worten laufen also nacheinander gleichartige Modulatoren 11 am Spektrum vorbei. Dies kann wie gesagt dadurch verwirklicht werden, daß der Modulator 11 auf dem zylindrischen Umfang einer Modulatortrommel angeordnet wird, so daß ständig der gleiche Modulator erneut air Spektrum 12 vorbeiläuft.

Um nun aus dem am Ausgang des Detektors 13 auftretende Frequenzgemiscl die Spektralkomponenten zu selektieren, ist nach Fig. 2 eine Auswerteschaltung 15 zugeordnet, der außer dem Ausgang des Detektors 13 auch noch die Ausgangssignale I¹¹, II¹', III¹¹ von drei Lichtschranken I.¹, II¹, III¹ zugeführt sind. Die Lichtschranken sind einem weiteren Modulator 14 zugeordnet, welcher beim vorliegenden Ausführungsbeispiel gleich ausgebildet ist wie der Modulator 11. Durch eine gestrichelte Linie ist angedeutet, daß sich die gleich ausgebildeten Modulatoren 11, 14 exakt gleich bewegen, d.h. mit gleicher Geschwindigkeit und gleicher Phase. Dies kann zum Beispiel dadurch verwirklicht werden, daß zwei gleich ausgebildete Zerhackertrommeln aif einer gemeinsamen Drehachse angeordnet sind.

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Die Lichtschranke I¹ befindet sich an demjenigen Or.t des Modulators 14, welcher den Ort der Spektrallinie I das Spektrums 12 entspricht. Entsprechendes gilt für die weiteren Lichtschranken II¹ und III'¹ bezüglich der Spektrallinien II bzw. III.

Beispielsweise liefert also die Lichtschranke I¹ zur Auswerteschaltung 15 ein Referenfrequenzsignal konstanter Amplitude, dessen Frequenz gleich derjenigen Frequenz ist, mit der die Spektrallinie I moduliert wird. Entsprechendes . gilt für die zu jedem Zeitpunkt unterschiedlichen Referenzfrequenzsignale, welche von den Lichtschranken II¹ bzw. III¹ erzeugt werden. Die Referenzfrequenzsignale I¹¹/ II¹¹ und III'¹ können in der Auswerteschaltung 15 dazu genutzt werden, aus dem vom Detektor 13 kommenden Frequenzgemisch die den einzelnen Spektrallinien I, II bzw. III entsprechenden Frequenzsignale herauszufiltern/ welche dann an den Ausgängen Γ", II" ' bzw. Ill¹ ' ' wiedergegeben werden können.

An den Stellen I, II und III des Spektrums 12 müssen sich natürlich keine Spektrallinien befinden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt aufgrund der beschriebenen Anordnung selbst fest, ob an den Stellen I, II, III eine Spektrallinie vorliegt oder nicht.

Figur 3 zeigt eine praktische Ausführungsform mehr im einzelnen.

Nach Figur 3 wird ein Spalt 25, der von der zu analysierenden Strahlung bestrahlt wird, über Linsen 26, ein dazwischenliegendes Dispersionsglied 19, welches durch ein Gitter oder ein Prisma gebildet sein kann und einen im inneren einer Zerhackertrommel 11 angeordneten Umlenkspiegel 17 auf die zylindrische Mantelfläche der Zerhackertrommel 11 abgebildet, in der sich die Modulationsstruktur gemäß den Figuren 1, 2 befindet.

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Mögliche Modulationsstrukturen der Zerhackertrommel 11 sind in den Figuren 4 bis 6 gezeigt. Die Raumfrequenz der Transmission ist also nicht konstant, sondern ändert sich kontinuierlich. Wenn sich die Zerhackerscheibe um ihre Drehachse 20 mit konstanter Drehzahl dreht, wird ein Lichtpunkt, der auf die zylindrische Umfangswand der Zerhackertrommel 11 fällt, mit zeitlich veränderlicher Frequenz moduliert. Nach jeder Zerhackertronunelumdrehung springt die Frequenz auf den Anfangswert zurück. In den Figuren 4 bis 6 sind nur wenige Transmissionsänderungen der Zerhackertrommel 11 eingezeichnet, um die Darstellung übersichtlich zu gestalten. Tatsächlich weist die Umfangswand der Zerhackertrommel 11 jedoch eine sehr große Anzahl von Löchern (z.B. zwischen 10³ und 10⁵ L<
zu erreichen.

10 und 10 Löcher) auf, um eine gute Auflösung des Spektrums

Nach Figur 3 ist der Detektor wieder an die Auswerteschaltung 15 angelegt, welche die Ausgänge I¹¹¹, II¹'¹ bzw. ΙΓΙ¹¹¹ aufweist. Grundsätzlich kann die Erfindung auch'auf jede beliebige Anzahl von zu ermittelnden Spektralkomponenten erweitert werden. Die Zahl 3 in den Ausführungsbeispielen ist nur rein beispielsweise zwecks klarer Darstellung gewählt worden.

Der Einfachheit halber soll nun angenommen werden, daß das Spektrum aus diskreten Spektralkomponenten (Spektrallinien) besteht, von denen die Komponenten I, II bzw. III ermittelt werden sollen. Diese diskreten Spektralkomponenten werden nun auf der ümfangswand der Zerhackertrommel 11 in Umfangsrichtung gesehen nebeneinander in bestimmten Abständen scharf abgebildet. Hinter der Wand der Zerhackertrommel 11 fällt die Strahlung aller Spektralkomponenten auf den gemeinsamen Detektor 13. Aufgrund des Umlaufes der Zerhackertrommel 11 mit konstanten Drehzahlen werden nun alle · Spektralkomponenten des Spektrums mit den gleichen, sich stetig ändernden Frequenzen moduliert, jedoch sind die

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momentanen Modulationsfrequenzen aller drei Spektralkomponenten I, II bzw. III verschieden.

Dieser Umstand wird in der Auswerteschaltung 15 aufgenutzt, um die von den einzelnen Spektralkomponenten hervorgerufenen Signale am Detektor 13 zu trennen, so daß an dor Auswerteschaltung 15 drei Ausgänge I¹'¹, II¹'¹ bzw. III¹¹¹ entstehen, die für die Stärke der zugeordneten Spektralkomponente repräsentativ sind.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung 15 ist in Figur 7 als Blockschaltbild gezeigt.

Das vom Detektor 13 stammende elektrische Ausgangssignal mit dem Frequenzgemisch sämtlicher Spektralkomponenten wird· parallel an drei Synchrondemodulatoren 18 angelegt. Während im vorliegenden Beispiel wieder drei parallel geschaltete Synchrondemodulatoren 18 zur Auswertung von drei Spektralkomponenten vorgesehen sind, können je nach der Anzahl der auszuwertenden Stellen des Spektrums 12 auch mehr oder weniger Synchrondemodulatoren 18 vorgesehen sein.

Die Auswertung von drei Stellen des Spektrums bietet sich z.B. bei Abgasmeßgeräten in Kaminen an, wo beispielsweise der Gehalt von CO-~, SO₂ und Rauch bestimmt werden soll»

Als weiteren Eingang erhalten die Synchrondemodulatoren 18 die von den Lichtschranken I¹, II' bzw. III¹ in Figur 2 stammenden Referenzfrequenzsignale I¹¹, I¹¹ bzw. III¹¹.

Auf diese Weise erhält jeder Synchrondemodulator 18 ein Referenzfrequenzsignal, das jeweils die Momentanfrequenz hat, mit der die dem jeweiligen Kanal zugeordnete Spektral-

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komponente momentan abgetastet wird.

Am Ausgang eines jeden Synchrondemodulator 18 ist aufgrund der speziellen Wahl der beiden Eingangssignale die Frequenz des Signales der jeweils zu selektierenden Spektra!komponente gleich Null. Dagegen sind die Frequenzen der Signale der anderen Spektralkomponenten ungleich Null.

Die unerwünschten Signale der anderen Spektralkomponenten können daher mit an die Synchrondemodulatoren 18 individuell angeschlossenen Tiefpässe 16 unterdrückt werden. An jedem der Ausgänge I¹", II"¹, III¹ ' ' , welches die Ausgänge der gesamten Auswerteschaltung 15 sind, stehen also nur jeweils die Signale der zu selektierenden Spektralkomponenten I, II bzw. III an.

Durch geeignete Anordnung der Lichtschranken I¹, II¹ bzw. III¹ nach Figur 2 können so Referenzfrequenzsignale an beliebigen Stellen des verarbeiteten Spektrums 12 gebildet und damit beliebige Spektralkomponenten des optischen Spektrums mit elektronischen Mitteln selektiert werden. Aufgrund dieses, ümstandes ist die erfindungsgemäße Vorrichtung außerordentlich preiswert herstellbar und gleichwohl flexibel in der Anpassung an veränderte Spektralkomponenten.

Ein weiterer sehr wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß die Energie des optischen Spektrums optimal genutzt wird. Im Gegensatz zu den konventionellen Verfahren, bei denen die Spektralkomponenten zeitlich nacheinander abgetastet werden, fallen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren alle Spektralkomponenten zu jeder Zeit auf den Detektor 13. Es entfällt somit jedwede Art einer optischen oder mechanischen Vorrichtung, welche für das Auftreffen der einzelnen Spektralkomponenten nacheinander auf den Detektor sorgen müßte und welche dementsprechend aufwendig und kostspielig ist.

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Durch die Erfindung wird die Selektion vollständig in den elektronischen Bereich verlegt, wo die Selektion mit den heutigen Mitteln der Elektronik sehr wirtschaftlich und dennoch genau durchgeführt werden kann.

Abgesehen von den nicht transparenten Abschnitten der modulierenden Zerhackertrommel 11 geht also keine Energie verloren. Die Verluste durch den Modulator 11 können m nimiert werden., wenn das Tastverhältnis des Modulators ungefähr gleich 0,5 gemacht wird. Diese bevorzugte Ausführungsform des Modulators entspricht dem anhand von Figur 5 veranschaulichten Tastverhältnis.

Nach Figur 3 kann vor oder hinter dem Durchlaßfenster des Modulators 11 noch eine Wellenbereichsblende 28 angeordnet sein, welche das von dem Spektrometer abgebildete Spektrum auf einen gewünschten Bereich beschneidet. Die Wellenbereichsblende 28 läßt also von dem gesamten Spektrum nur ausgewählte Bereichs zur Modulationsstruktur des Modulators 11 und damit zum Detektor 13 gelangen. Die optische Achse der Abbildungsoptik 26 und des Umlenkspiegels 27 befindet sich nach Figur 3 auf der Drehachse.20, so daß die Spektrallinien an sämtlichen Stellen der zylindrischen Umfangwand der Zerhackertrommel 11 gleichermaßen scharf abgebildet werden.

Während nach den Figuren 4 und 5 die Modulationsfunktionen des Modulators 11 rechteckförmig sind, können nach Figur 6 auch sinusförmige Modulationsfunktionen für den Modulator verwendet werden, bei denen also die Transmission der elementaren Perioden als Funktion des Ortes bzw. der Zeit sinusförmig ist. Die sinusförmige Modulationsfunktion hat den Vorteil , daß Querempfindlichkeiten durch Oberwellen der Modulationsfunktion vermieden werden. Wenn auch die Selektion

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nach sinusförmigen Funktionen aus diesem Grunde bevorzugt ist, so können heutzutage insbesondere mit Computern Funktionen nach beliebigen Funktionskomponenten analysiert werden. Es ist sogar möglich, dreieckförmige Elementarperioden zu verwenden, ohne daß die Auswertung durch die Oberwellen benachbarter Kanäle gestört wird.

Erfindungsgemäß ist die Anwendung einer kontinuierlich variablen Frequenz als Funktion des Ortes bzw. der Zeit besonders vorteilhaft. Besonders günstig ist es, wenn die Modulationsfrequenz linear mit dem Ort bzw. der Zeit ansteigt, insbesondere deswegen, weil dann bei gegebener mechanischer Präzision der Zerhackertrommel 11 die maximale Auflösung des Spektrums erhalten wird.

Nicht lineare Frequenzänderungen als Funktion des Ortes bzw. der Zeit können z.B. vorteilhaft angewendet werden, wenn für verschiedene Abschnitte des Spektrums unterschiedliche Auflösungen gefordert werden. Im Prinzip können sogar beliebige diskontinuierliche Modulations funktionen angewendet werden. Wesentlich ist lediglich, daß die Referenfrequenzsignale in jedem Fall zu jedem Zeitpunkt der Modulationsfunktion der jeweils zu selektierenden Spektralkomponente proportional oder wenigstens ähnlich sind.

Unbenutzte Spektralabschnitte vergrößern das mittlere Ausgangssignal des Detektors 13. So steigt zvB. der mittlere Gleichstrom einer als Detektor 13 verwendeten.Fotodiode in einem derartigen Fall unnötig stark an. Das bedeutet, daß das Rauschen des Detektors 13 bei allen Frequenzen vergrößert wird. Um das zu verhindern, ist es vorteilhaft, unerwünschte Spektralbereiche vor dem Detektor 13 auszublenden. Besonders günstig ist es, dies mit einer mechanischen Blende in der Ebene, in der das optische Spektrum scharf abgebildet ist, zu verwirklichen, da sich so mit

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geringem .Aufwand sehr steile Bandkanten realisieren lassen, beliebige Sperrbereiche einstellbar sind und ein Bereichswechsel schnell durchgeführt werden kann. Hierzu dient die in Figur 3 dargestellte mechanische Wellenbereichsblende 28.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Auswerteschaltung 15 ist in Figur 8 dargestellt. Mit dieser Schaltung ist eine noch leistungsfähigere Auswertung des Signals des Detektors 13 möglich.

Nach Figur 8 ist das Ausgangssignal des Detektors 13 parallel an drei Mischstufen 21 angelegt, deren zweiten Eingängen Referenzfrequenzsignale I'¹, II¹¹ bzw. III¹¹ zugeführt sind. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2 und 7 sind jedoch die Referenzfrequenzsignale bei der Schaltungsanordnung nach Figur 8 so gewählt, daß die Ausgangsfrequenz jedes Mischers 21 zeitlich konstant, aber ungleich Null ist. Dies wird z.B. dadurch erreicht, daß die Modulatoren 11, 14 nach Figur 2 nicht genau in Phase arbeiten, sondern um einen vorbestimmten Phasenbetrag gegeneinander versetzt sind, welcher dann zu der erwünschten, zeitlich konstanten Differenzfrequenz führt.

Wird z.B. die Differenzfrequenz genutzt und steigt die Modulationsfrequenz linear mit dem Ort bzw. der Zeit an, dann müssen auch die Referenzfrequenzsignale I¹¹, II¹¹ bzw. III¹¹ linear mit der Frequenz ansteigen; und zwar muß gelten:

^fM ^{(t) = f}a ⁺- ^fü <^{t)? bzw}· ^fM ^{(t) =} -^fa ^{+ f}ü

wobei f. = const.

Durch Differenziation nach der Zeit ergibt sich:

dt dt . (2)

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In den vorangehenden Formeln bedeuten:

f_M : zeitabhängige Modulationsfrequenz

f.. : zeitabhängige Überlagerungsfrequenz

f : vorzugsweise konstante Ausgangsfrequenz des Mischers a

t : Zeit. .

Wird die Summenfrequenz am Ausgang der Mischer 21 genutzt, dann muß gelten:

^fM ^{(t) = f}a -^fü

Dabei ist wieder f = const.

el

Die Differentiation ergibt:

^dfM ^dfü (4)

dt dt

Das Ausgangssignal der Mischer 21 wird nun über Bandpaßfilter 17 geführt/ deren Mittelfrequenz gleich der Frequenz f ist. Je nach dem, wie die Referenzfrequenzsignale I",.II¹¹, III¹¹ gewonnen werden, ist es unter Umständen günstiger, die Durchlaßfrequenz f der Bandpässe 17 in den einzelnen Kanälen gleich oder verschieden zu wählen. Je schmaler die Bandbreite der Bandpässe 17 ist, umso /besser ist die Auflösung der Anordnung bezogen auf das physikalische Eingangsspektrum.

Weiter oben wurde der Einfachheit halber angenommen, daß die Spektralkomponenten des diskrete Spektrallinien I, II bzw. III usw. sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet aber auch

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bei kontinuierlichen physikalischen Spektren. Die Bandbreite der Filter 16 nach Figur 7 bzw. 17 nach Figur 8 bestimmt dann, ein wie breiter Teil des physikalischen Spektrums von einem Kanal selektiert wird.

Im unteren Teil der Figur 8 ist auch noch veranschaulicht, daß auch eine einzige Mischstufe 21 für alle drei Kanäle verwendet werden kann. Am Ausgang der Mischstufe 21 liegen dann drei unterschiedliche, jedoch jede für sich zeitlich konstante Differenzfrequenzen vor, welche durch drei Bandpaßfilter 17 selektiert werden.

Die endgültigen Ausgangssignale I¹¹¹, II¹¹¹ bwz. III¹¹¹ werden dann an den Ausgängen von den Bandpaßfiltern 17/ folgenden Demodulatoren 29 erhalten..

Die Spektralkomponenten Ausgangssignale I'¹¹, II¹¹¹ bzw. III¹¹¹ können in bekannter Weise in Konzentrationen von Stoffkomponenten umgerechnet werden. Gegebenenfalls müssen dabei durch geeignete Gleichungssysteme Querempfindlichkeiten beseitigt werden.

Da sich die Zerhackertrommel 11 parallel zur Ausdehnung des optischen Spektrums bewegt, können sehr hohe Modulationsfrequenzen von bis zu 10 MHz mit mechanischen Modulatoren realisiert werden. Derartig hohe Modulationsfrequenzen führen zu extrem hohen Auflösungen, die nur durch die optische Auflösung des Monochromators bzw. Spektrometers begrenzt wird. Es können also sehr dicht beieinanderliegende Spektrallinien ohne weiteres mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung getrennt werden.

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Außer Zerhackertrommeln 11 können auch longitudinal bewegte Zerhackerstreifen verwendet werden. Auch umlaufende runde Zerhackerscheiben können eingesetzt werden, solange deren Krümmung aufgrund der Verwendung eines großen Radius vernachläßigbar ist. Darüber hinaus sind auch alle sonstigen Verfahren zur Modulation des Spektrums brauchbar, bei denen sehr viele räumlich getrennte, dicht beieinanderliegende Orte in ihrer Transparenz für die jeweilige physikalische Größe schnell verändert werden können. Insbesondere sind auch öpto-akustische Wanderwellenmodulatoren geeignet, bei denen eine akustische Welle sich parallel zum optischen Spektrum ausbreitet und in Abhängigkeit von der lokalen Amplitude die optische Transparenz moduliert. Die Frequenz der eingespeisten akustischen Welle muß entsprechend der gewünschten Modulationsfunktion zeitlich variabel sein.

Die Figuren 9 und 10 zeigen eine praktische Verwirklichung einer Anordnung zur Bildung der Referenzfrequenzsignale I¹¹, II¹¹ bzw. III¹'. Auf der gleichen Drehachse 20, auf" der die Zerhackertrommel 11 nach Figur 3 drehbar befestigt ist, sitzt auch eine völlig analog ausgebildete Zerhackertrommel 14, deren die gewünschte Modulationsstruktur aufweisendes Fenster in der zylindrischen Umfangswand von einer im innern der Trommel 14 angeordneten Lichtquelle 30 beleuchtet wird. Mittels einer radial außerhalb der umfangswand der Zerhackertrommel 14 angeordneten Linse 31 wird die in der Umfangsvand der Zerhackertrommel 14 vorgesehene Modulationsstruktur auf eine konzentrisch zur Trommel 14 ver- . laufende Umfangsflache 32 abgebildet, auf der in der Ansicht nach Figur 10 nebeneinander die drei Fotoempfänger 33, 34 bzw. 35 angeordnet sind. Die Lichtquelle 30 bildet zusammen mit den Fotoempfängern 33, 34 bzw. 35 die in Figur 2 schematisch dargestellten Lichtschranken I¹, II" bzw. III¹. Der Ort der Fotozellen 33,.34, 35 auf der Umfangsfläche 32 bestimmt den Ort der ausgewerteten Stellen des Spektrums

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Die Ausgangssignale der Fotozellen 33, 34, 35 bilden die Referenzfrequenzsignale I¹¹, II¹¹ bzw. III¹¹, welche entweder den Synchrondemodulatoren 18 nach Figur 7 oder den Mischstufen 21 nach Figur 8 zugeführt werden.

Wesentlich ist, daß entsprechend der Darstellung nach Figur die Modulationsfunktionen auf den zylindrischen Umfangswänden der Zerhackertrommeln 11, 14 nach den Figuren 3, und 10 identisch sind. Beide Zerhackertrommeln 11, 14 werden zweckmäßigerweise auf der gleichen Achse 20 angeordnet, obwohl grundsätzlich auch die Zwischenschaltung von Getrieben möglich ist. Beide Trommeln 11, 14 müssen jedoch vollständig synchron angetrieben werden.

Um eine optimale Auflösung zu erreichen, sollten vor den Fotodetektoren 33, 34, 35 noch Spalte angeordnet werden, welche den abgebildeten Teil der Modulationsstruktur entsprechend einengen.

Bei Anordnungen mit dem Referenzmodulator 14 nach den Fig. und 10 ist die Frequenzdifferenz des Ausgangssignals der Fotodetektoren 33, 34, 35 und des zugeordneten Meßfrequenzsignals aus dem Detektor 13 Null, sofern die beiden Modulatoren 11, 14 keine Phasendifferenz gegeneinander aufweisen. Die beiden Signale eignen sich dann für die Verarbeitung in der Schaltung nach Figur 7.

Sofern die beiden Modulatoren 11, 14 umfangsmäßig eine Phasendifferenz aufweisen, so sind die entsprechenden Differenzsignale konstant und ungleich Null, wenn die Modulationsfunktion eine lineare Funktion des Drehwinkels ist. Die Signale eignen sich dann für die Verarbeitung in der Schaltung nach Fig.

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BAD ORiGiNAL

Die anhand der Figuren 3, 9 und 10 beschriebene Methode zur Gewinnung der Referenzfrequenzsignale kann auch mit anderen Modulatoren, insbesondere mit anderen mechanischen Zerhackern und akusto-optischen Modulatoren realisiert werden.

Figur 11 zeigt eine Schaltung, mit der auf rein elektronischem Wege die Referenzfrequenzsignale I¹¹, II¹¹ bzw. Ill¹' gewonnen werden können. Ein Sägezahngenerator 22 wird durch ein ihm bei 36 z"ugeführtes Eingangssynchronsignal mit dem Spektralkomponentenmodulator synchronisiert. Das erzeugte Sägezahnsignal steuert die Frequenz eines an den Sägezahngenerator 22 angeschlossenen Funktionsgenerators 23, dessen Frequenz entsprechend linear mit der Zeit verändert wird. Das Ausgangssignal des Funktionsgenerators 23 wird parallel an drei Mischstufen 24 angelegt, deren anderen Eingängen verschiedene zeitlich konstante Frequenzen f1, f2 bzw. f3 zugeführt werden. Diese konstanten Frequenzen werden zu der Frequenz des Funktionsgenerators 23 entweder hinzuaddiert oder von ihr subtrahiert. Am Ausgang der Mischstufen 24 entstehen dann wieder die drei Referenzfrequenzsignale I¹', II¹¹ bzw. III¹¹. Die Wahl der festen Frequenzen f1, f2 bzw. f3 bestimmt jeweils die der Auswertung zugeführte Stelle in dem vom Detektor 13 erfaßten Spektrum 12.

Während bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen lediglich die Verarbeitung optischer Spektren beschrieben wurde, läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Verarbeitung aller sonstigen physikalischen Spektren verwenden, wenn die jeweilige physikalische Größe durch Dispersionsglieder oder •Separatoren so beeinflußt werden kann, daß die Spektralkomponenten räumlich voneinander getrennt werden und wenn ein räumlich ausgedehnter Modulator 11 der oben beschriebenen Art zur Verfügung steht.

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Figur 12 zeigt schematisch ein Massenspektrometer 37 mit einer Partikelquelle 38. Durch geeignet angeordnete elektrische und magnetische Felder werden die einzelnen Spektralkomponenten bekanntlich räumlich voneinander getrennt. In Figur 12 sind beispielsweise zwei Ströme voneinander getrennter Partikel mit den Ma sssn m₁ , m- beispielsweise wiedergegeben.

Der erfindungsgemäß ausgebildete und periodisch longitudinal hin- und herbewegte Modulator 11 mit zahlreichen feinen Schlitzen, deren Abstand sich kontinuierlich verändert, ist in der Fokusierungsebene der einzelnen Partikelströme angeordnet. Die Oszilationsbewegung des Modulators 11 ist durch einen Doppelpfeil f veranschaulicht. Hinter dem erfindungsgemäßen Modulator 11 ist ein Partikeldetektor bzw. die Stromkollektorelektrode 13 angeordnet, welche sämtliche durch den Modulator 11 hindurchgehenden Atome bzw- Moleküle unselektiert aufnimmt. Die anschließende Verarbeitung des Signals des Detektors 13 in einer Auswerteschaltung 15 unterscheidet sich nun in keiner Weise von der anhand der vorangehenden Figuren im einzelnen erläuterten Signalverarbeitung mit optischen Spektralanalysatoren. Insoweit gilt die Beschreibung der Figuren 1 bis 11 auch für die Anwendung der Erfindung bei einem Massenspektrometer nach Figur 12.

Eine Anwendung der Erfindung bei einem Röntgenstrahlspektrometer veranschaulicht Figur 13. Ein Röntgenstrahlenbündel 39 gelangt von einer Röntgenröhre 40 zu dem zu untersuchenden Objekt 41. Von dort wird das entsprechend der Objektnatur beeinflußte Röntgenstrahlenbündel durch eine Blende 4 2 zu dem Analysatorkristall 43 gelenkt, der das Dispersionsglied bildet. In den Weg der vom Dispersionsglied 43 ausgehenden Strahlung wird der erfindungsgemäße Modulator 11 angeordnet, welcher wieder im Sinne des Doppelpfeiles f eine longitudinale

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Hin- und Herbewegung ausführt. Dahinter ist wieder ein Röntgenstrahlungsdetektor 13 angeordnet, an den die Auswerteschaltung 15 angeschlossen ist. Am Ausgang der Auswerteschaltung liegen wieder die Meßsignale I¹¹¹, II'¹¹ bzw. III''' vor.

Es versteht sich, daß bei Verwendung einer hin- und herschwingenden streifenförmigen Modulatorblende 11 gemäß den Figuren 12 und 13 auch der Referenzmodulator 14 entsprechend ausgebildet und hin- und herbewegt werden muß. Auch mit der elektronischen Referenzschaltung nach Figur 11 läßt sich das für die Hin- und Herbewegung des Modulators 11 erforderlich Referenzsignal für die einzelnen Kanäle ohne weiteres erzeugen.

Im Falle eines Röntgenstrahlspektrometers nach Figur 13 kann der Detektor 13 beispielsweise durch ein Zählrohr verwirklicht werden, in das sämtliche Komponenten der vom Dispersionsglied 43 abgegebenen Strahlung einfallen.

Obwohl die vorstehenden Verfahren, das modulierte Signal auszuwerten, besonders vorteilhaft sind, ist es aber auch möglich, die Signale mit periodisch durchgestimmten Filtern zu selektieren. Die durchstimmbaren Filter werden in diesem Fall mit den Spektralkomponentenmodulatoren 11 sychronisiert, Auf diese Weise ist die Frequenz des Signals der jeweiligen Spektralkomponente immer gleich der Filterdurchlaßfrequenz des entsprechenden Kanals. Weiter ist es möglich, die Wiederholungsfrequenz von Spektralkomponentenmodulatoren 11 und durchgestimmten Filtern verschieden zu wählen. Dabei soll insbesondere die Wiederholungsfrequenz des Filters viel kleiner als die des Modulators gemacht werden. Eine Sychronisation zwischen dem Modulator und dem Filter kann dann entfallen. Wird an den Ausgang des Filters ein Oszilograph oder

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ein Registriergerät angeschlossen, dann wird das physikalische Spektrum mit diesen Geräten mit hoher Auflösung und einfachen Mitteln abgebildet. Allerdings wird in diesem Fall die Energie des physikalischen Spektrums nicht optimal ausgenutzt.

Figur 14 zeigt eine weitere Auswerteschaltung 15 für die vom Detektor 13 kommenden, das gesamte Frequenzgemisch enthaltenden Ausgangssignale. Die Signale worden bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung auf den Eingang einer dispersiven Verzögerungsleitung 44 gegeben. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Signale in dieser Verzögerungsleitung 44 ist abhängig von der Frequenz der Signale. Zum Beispiel sinkt die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Richtung steigender Frequenzen kontinuierlich. Erfindungsgemäß beginnt in diesem Fall der Modulator seinen Modulationszyklus mit der höchsten Frequenz bei der Spektralkomponente I. Zu einem späteren Zeitpunkt wird dann die gleiche Spektralkomponente I mit tieferen Frequenzen moduliert. Die tieferen Frequenzen breiten sich aber auf der Verzögerungsleitung 44 schneller aus. Nach einer vorgegebenen Laufzeit, die abhängig ist von der Dispersionsfunktion der Verzögerungsleitung 44, holen dann die Signale mit tieferen Frequenzen die Signale mit höheren Frequenzen ein. Die gesamte Energie der ersten Spektralkomponente ist zu diesem Zeitpunkt in einem kleinen Abschnitt der Verzögerungsleitung 44 konzentriert.

Erfindungsgemäß wird die Länge der Verzögerungsleitung 44 nun so gewählt, daß alle Signale einer Spektralkomponente gleichzeitig das Ende (oder eine Anzapfung) der Verzögerungsleitung 44 erreichen.

Über einen von einem Steuergenerator 45 gesteuerten elektronischen Schalter 46 wird das Ausgangssignal der Verzögerungs-

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leitung 44 zu Halteschaltungen 47 geführt, die es für die Dauer eines Modulationszyklusses speichern. Dem Eingang 36 des Steuergenerators 4 5 wird wieder ein Synchronisierungssignal vom Hauptmodulator 11 zugeführt, so daß die vier Einzelschalter a, b, c bzw. d des elektronischen Schalters 46 stets kurzzeitig dann nacheinander schließen, wenn die zugeordneten Spektralkomponenten Signale am Ende der Verzögerungsleitung 44 erscheinen.

Da beispielsweise für die zu selektierende Spektralkomponente II der Modulationszyklus mit der höchsten Modulationsfrequenz etwas später beginnt, findet auch die Konzentration der gesamten Energie des Signales von der zweiten Spektralkomponente II am Ende der Verzögerungsleitung 44 zu einem etwas späteren Zeitpunkt an, so daß die einzelnen Spektralkomponentensignale am Ausgang der Verzögerungsleitung 44 zeitlich entkoppelt sind. Dies kann aufgrund der nacheinander erfolgenden Schließung der Schalter a, b, c und d zu einer Selektion der Spektralkomponentensignale und ihrer separaten Speicherung in den 'Halteschaltungen 47 ausgenutzt werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 14 ist angenommen, daß insgesamt vier verschiedene Spektrallinien ausgewertet werden sollen.

Am Ausgang der Halteschaltung 47 erscheinen dann die Spektralkomponentenausgangssignale I' ' ' , II¹", III' ' ' und IV".

Anstatt die Signale auf Kanäle zu verteilen, kann an den Ausgang der dispersiven Verzögerungsleitung 44 auch ein Sichtgerät, beispielsweise ein Oszillograph oder dergleichen angeschlossen werden. Das Spektrum wird in diesem Fall kontinuierlich in Realzeit abgebildet und zwar mit optimalem Störabstand, weil die gesamte Energie zu jedem Zeitpunkt jeder Spektralkomponente verfügbar ist. Weiterhin können dispersive Verzögerungsleitungen

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4 4 auch mit Computern simuliert werden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 15 ist gegenüber
Figur 3 der Eingangsspalt 25 des Monochromators bzw.
Spektrometers durch die Modulationsstruktur in der Umfangswand der Zerhackertrommel 11 ersetzt, über den Umlenkspiegel 27 und die Linsen 26 sowie das dazwischen angeordnete
Dispersionsglied 19 wird die Modulationsstruktur auf einen Spalt 49 einer Spaltblende 48 abgebildet. Hinter dem Spalt 4 9 befindet sich der erfindungsgemäße Detektor 13, an den
dann die Auswerteschaltung 75 angeschlossen ist. Die Auswerteschaltung liefert wie bei den vorangegangenen Ausführungsbeispielen die Spektralkomponentenausgangssignale I¹¹¹, II¹¹¹, III'¹¹ bzw. IV¹¹¹. Figur 15 macht deutlich, daß zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens der Modulator 11 auch vor
dem Dispersionsglied 19 angeordnet werden kann.

Die durch das Dispersionsglied 19 hindurchtretende Energie kann dadurch noch besser genutzt werden, daß neben dem Spalt noch weitere gleichwertige Spalte 49', 49·' usw. vorgesehen sind, hinter denen weitere Detektoren 13', 13'' usw. angeordnet sind. Die Ausgänge daran angeschlossene weitere
Auswerteschaltungen 15', 15'' usw. werden mit den zugeordneten Ausgängen der anderen Auswerteschaltungen (15 usw.) additiv zusammengeschaltet, was eine Vervielfachung der Energieausnutzung bedeutet.

Der besondere Vorteil der Ausführungsform nach Figur 15
gegenüber der nach den vorangehenden Ausführungsbeispielen besteht darin, daß die Detektoren 13, 13', 13'' usw. wesentlich kleiner ausgebildet sein können. Das bringt nicht nur wirtschaftliche Vorteile, sondern liefert auch einen größeren Störabstand. Weiterhin können zur besseren Ausnützung der
Energie des physikalischen Spektrums zahlreiche Detektoren

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mit zugehörigen Auswerteschaltungen 15, 15', 15¹¹ usw. eingesetzt werden. Durch Addition der Ausgangssignale der einander entsprechenden Kanäle kann jede gewünschte Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Energie verwirklicht werden.

Um auch bei der Vorrichtung nach Fig.· 3 mit kleineren Detektoren 13 auskommen zu können kann man auch gemäß Fig. 16 das durch den Monochromator 19 und den Modulator 11 gegangene Licht an einem Spiegel 50 umlenken, welcher das Licht durch den Modulator 11 und den Monochromator zurückschickt. Dabei wird die Dispersion wieder rückgängig gemacht und das Spektrum wieder zu einem strichförmigen Lichtfleck zusammengezogen. Wegen der Modulation der Signalkomponenten bleibt die Information über die Lage der Spektralkomponente in Ausgangsbildebene des Monoehromators erhalten. Der Detektor 13, an den wieder die Auswerteschaltung 15 anschließt, wird bei dieser Anordnung in der Ebene dieses strichförmigen Informationselements angeordnet. Damit der Eingangslichtstrahl vom Detektor nicht abgeschattet wird, wird der Spiegel 50 etwas geneigt, so daß der strichförmige Lichtfleck neben dem Eingangsspalt 25 zu liegen kommt.

Die beschriebenen Anordnungen können sinngemäß abgewandelt werden, insbesondere können Verstärker und weitere abbildende Elemente eingefügt werden. Auch ist es möglich, das Spektrum abschnittsweise mit mehr als einem Modulator zu modulieren oder den durch einen Modulator gegangenen Strahl zu mehreren Detektoren zu leiten. Weiterhin können reflektierende Modulatoren, bei denen also der Reflexionsfaktor moduliert wird, angewendet werden.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen darin, daß der Modulator unabhängig vom zu analysierenden Stoff ist. Es müssen lediglich die elektronischen Filter entsprechend eingestellt werden. Bei digitaler Filterung muß nur eine Konstante im Programm festgelegt werden.

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Die Abtastung erfolgt parallel zur räumlichen Ausdehnung des optischen Spektrums. Deswegen sind extrem hohe Modulationsfrequenzen von bis zu 10 Hz möglich. Somit lassen sich sogar Auflösungen erreichen, die größer als die Auflösung des Spektrometers sind. Es können also beliebig dicht beieinander liegende Spektrallinien analysiert werden.

Die Modulationsfrequenz beim erfindungsgemäßen Verfahren muß nicht kontinuierlich variabel sein. Im Extremfall kann sogar eine Codemodulation angewendet worden. Entsprechend ist hier der Begriff der Synchrondemodulation nicht auf die Selektion nach sinusförmigen Komponenten beschränkt, sondern kann nach beliebigen Funktionen erfolgen, wenn der allgemeine Synchrondemodulator ein entsprechendes Referenzsignal erhält. Das optische Spektrum kann auch abschnittsweise mit mehreren Modulatoren zerlegt werden.

Wenn der optische Strahl nicht umgelenkt werden kann, so kann die Zerhackertrommel 11 auch horizontal angeordnet werden, wobei die Brechachse sich unterhalb der zweiten Linse 26 in Fig. 3 befindet. Damit der Strahl von der Linse nicht abgedeckt wird, werden aus der Trommel 11 Segmente herausgeschnitten bzw. transparente Abschnitte eingefügt.

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Claims

Patentansprüche

1.) Verfahren zur Spektralanalyse, bei dem aus einer Strahlung durch ein Dispersionsglied oder einen Separator ein räumlich auseinandergezogenes Spektrum gebildet und wenigstens eine der im Spektrum vorhandenen Spektralkomponenten hinsichtlich ihrer Position im Spektrum ermittelt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet , daß in der Selektionsrichtung am Spektrum (12) ein räumlich parallel zur Selektionsrichtung der Spektralkomponenten ausgedehnter Modulator (11) mit parallel zur Selektionsrichtung ortsabhängiger Modulationsfunktion die Intensität des Spektrums moduliert und daß das elektrische Ausgangssignal eines für die verwendete Strahlung empfindlichen und vom Spektrum (12) durch den Modulator

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(11) hindurchgehende Strahlung empfangenen Detektors (13) auf das Vorhandensein wenigstens der durch die Relativbewegung zwischen Modulator (11) und Spektrum (12) von der wenigstens einen zu ermittelnden Spektralkomponente

(I) erzeugten Modulationsfrequenz untersucht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein bc?züglich seiner Frequenz in einem festen Verhältnis zu der momentanen Frequenz hinter dem Modulator (11) am Ort der betreffenden Spektralkomponente (I) stehendes Referenzsignal (I¹¹) gebildet und zur Herausfilterung des der betreffenden Spektralkomponente (I) zugeordneten Meßfrequenzsignals aus dem vom Detektor

(13) kommenden Frequenzgemisch verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem gleichzeitig mehrere Spektralkomponenten ermittelt werden, daudreh g e k e η η zeichnet , daß so viele zu jedem Zeitpunkt unterschiedliche Referenzfeequenzsignale (I¹¹, II¹¹/ III¹¹) gebildet werden, wie Spektralkomponenten (I, II, III) zu ermitteln sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von jeder Spektralkomponente (I, II, III) erzeugten Frequenzsignale auf eine dispersive Verzögerungsleitung (44) gegeben werden, deren Länge in Abhängigkeit von der zeitlichen Modulationsfrequenzänderung so gewählt ist, daß alle Frequenzsignale einer einzelnen Spektralkomponente (I, II, III) als Paket gleichzeitig am Ende bzw. einer Anzapfung der Leitung ankommen und daß die Ankunftszeiten der einzelnen Pakete festgestellt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Modulationsfunktion eine näherungsweise periodische Funktion

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mit kontinuierlich variabler, insbesondere sägezahnförinig linear zunohinfndor b/.w. abnehmender Or(Kfroquenz ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Transmission des Modulators (11) als Funktion dos Ortes rechteckförmig oder sinusförmig ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Wanderungsgoschwindigkeit des Modulators (11) bzw. der Modulationsstruktur konstant ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Spektrum ein optisches Spektrum ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Spektrum ein Röntgenstrahlungs-, Gammastrahlungs-, Partikelstrahlungsoder ein Massenspektrum ist.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet', daß die Signale der einzelnen Spektralkomponenten zeitlich nacheinander ausgewertet werden.

. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3 und 5 bis 10,dadurah gekennzeichnet , daß zwischen dem Spektrum (12) und dem Detektor (13) der am Spektrum (12) vorbeibewegte Modulator angeordnet ist und daß das elektrische Ausgangssignal des Detektors (13) ebenso wie die Referenzfrequenzsignale (I¹', II¹', III'¹) an einer Auswerteschaltung (15) angelegt sind, welche die den einzelnen Spektralkomponenten (I, II, III) zugeordneten Meßfrequenzsignale

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vermittels der ihnen in jedem Zeitpunkt frequenzmäßig fest zugeordneten Referenzfrequenzsignale (I¹¹, II¹¹/ III¹') entweder gleichzeitig oder zeitlich nacheinander aus derrl Frequenzgemisch herausfiltert und an Meßausgängen (I¹¹', II¹¹¹, III¹¹¹) entsprechende Spektralkomponentensignale abgibt.

2 . Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet , daß die Auswerteschaltung Filter (16, 17) und allgemeine Synchrondemodulatoren (18), die den Spektralkomponenten (I, II, III) entsprechen, aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 2 , dadurch gekennzeichnet, daß die Filterfunktion durch digitale Operationen realisiert sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 1 3 ,dadurch gekenzeichnet , daß der Modulator ein mechanisch bewegter Zerhacker (11) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 4 , dadurch gekennzeichnet , daß der Zerhacker durch eine Zerhackertrommel (11), ein Zerhackerrad oder einen periodisch longitudinal schwingenden Zerhackerstab gebildet ist.

6 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 1 3 ,dadurch gekennzeichnet , daß der Modulator ein opto-akustischer Modulator, vorzugsweise ein optoakustischer Wanderwellenmodulator, ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 1 6 ,dadurch gekennzeichnet , daß nach oder vor dem Dispersionsglied (19) bzw. dem Separator die Strahlung um umgefähr 90 abgelenkt wird und auf die Innenseite einer Zerhackertrommel (11) fällt und daß die Rotationsachse der Zerhackertrommel (11) parallel zur Strahlrichtung vor der Umlenkung des Strahles angeordnet ist.

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18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Rotationsachse der Zerhackertrommel (11) näherungsweise senkrecht zur Strahlrichtung angeordnet ist, daß die Zerhackertrommel (11) mindestens einen transparenten Abschnitt aufweist, in dem keine Modulationsstruktur vorliegt und daß auf dem Abschnitt der Zerhackertrommel (11), der dem transparenten Abschnitt diametral gegenüber liegt, die Modulationsstruktur vorhanden ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet , daß der Radius der Zorhackertrommel (11) ungefähr gleich der Brennweite des abb Lidenden Elementes (Linse, Hohlspiegel) ist, welches nach bzw. vor dem Dispersionsglied (19) bzw. Separator aageordnet ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Ί1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Detektors (13) simultan an mehreren Synchrondemodulatoren (18) anliegt und daß das Referonzsequenzsignal (I'', II'', III'') für den jeweiligen Synchrondemodulator (18) mit der Modulationsfunktion in der Modulationsebene am Ort der jeweils zu selektierenden Spektralkomponente (I, II, III) korreliert ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch g e k e η nzeichnet , daß an jeden Synchrondemodulator (18) ein Tiefpaßfilter (16) angeschlossen ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet , daß das Ausgangssignal des Detektors (13) simultan an mindestens einem Mischer

(21) anliegt, daß am Ausgang der Mischer Bandpaßfilter (17) angeordnet sind und daß das als zweites Eingangssignal dem Mischer (17) zugeführte Referenzsequenzsignal (I' ',H'¹, III¹¹) um eine konstante Frequenz von der Modulatxonsfunktion in der Modulatorebene am Ort der jeweils zu selektierenden Spektralkomponente (I, II, III)

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abweicht und daß die Bandpaßfilter (17) auf die Differenzfrequenz abgestimmt sind.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22,dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrum nach dem Mischer (21) mit einem durchstimmbaren Filter ausgewertet wird und daß die Wiederholfrequenz des Filters viel kleiner als die Wiederholfrequenz"des Modulators (11) ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß nach mindestens einem .Mischer (21) mehrere Bandpaßfilter (17) angeordnet sind, welche unterschiedliche Durchlaßbereiche haben.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet / daß hinter dem Detektor (13) bzw. hinter einen nach dem Detektor (13) angeordneten Mischer (21) mindestens ein durchstimmbares Bandpaßfilter angeordnet ist und daß die Durchstimmung der Bandpaßfilter synchron mit der Änderung der Modulationsfunktion erfolgt.

26. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß am Ausgang des Detektors (13) bzw. hinter einem nach dem Detektor (13) angeordneten Mischer (21) eins dispersive Verzögerungsleitung (44) angeordne ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet , daß an den Ausgängen der dispersiven Verzögerungsleitung (44) zeitlich gesteuerte Tore (46) angeordn sind, die das Signal in mehrere Kanäle selektieren.

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„ Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß ein zweiter Modulator (14) mit ortsabhängiger Modulationsfunktion die Transparenz von Lichtschranken (I¹, II¹, III¹) moduliert und daß das Ausgangssignal d(.>r Lichtschranken das Referenzsequenzsignal (I¹¹, II¹', LII¹¹) für die Auswerteschaltung (15) und insbesondere die Synchrondemodulatoren (18) oder die Mischer (21) ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet , daß die Modulationsfunktionen des ersten (11) und des zweiten Modulators (14) ähnlich und insbesondere zueinander proportional sind.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfunktionen zeitlich verschoben sind.

31„ Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 27,dadurch gekennzeichnet , daß das Referenzsequenzsignal für die Synchrondemodulatoren (I¹, II¹, III¹) oder das zweite Eingangssignal für die Mischer (21) mit elektronischen Generatoren (22, 23) erzeugt wird und daß das Modulationssignal und das Generatorsignal miteinander synchronisiert sind.

32. Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Frequenz des Generatorsignales linear mit der Zeit ändert und daß die Frequenz nach einer vorgegebenen Zeit auf den Anfangswert zurückspringt.

33„ Vorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, dadurch gekennzeichnet , daß das Generatorsignal Hilfsmischern

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(24) zugeführt ist und daß diesen Hilfsmischern unterschiedliche konstante zweite Eingangsfrequenzen (f1, f2, f3) zugeführt sind und daß die Ausgangssignale der Hilfsmischer (24) das Referenzfrequenzsignal für die Synchrondeitiodulatoren (18) oder für die zweiten Eingangssignale der Hauptmischer (21) bilden.

34. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Modulator (11) vor dem Dispersionsglied (19) oder vor dem Separator angeordnet ist.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 34,dadurch gekennzeichnet , daß der Modulator (11) hinter dem Dispersionsglied (19) oder dem Separator angeordnet ist und daß der Strahl nach dem Dispersionsglied (19) oder Separator noch einmal durch ein Dispersionsglied oder einen Separator geleitet wird, bevor er auf den Detektor (13) trifft.

36. Vorrichtung nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet , daß der Strahl noch einmal durch dasselbe Dispersionsglied oder dem gleichen Separator geleitet wird.

37. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß das Tastverhältnis des Modulators 0,5 ist.

38. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß ungenutzte Spektralbereiche mit mechanischen Bereichsblenden unterdrückt sind.

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. Vorrichtung nach einem der Ansprüche Π bis 19 , dadurch gekennzeichnet , daß das Ausgangssignal des Detektors simultan an mindestens einem Mischer anliegt, daß am Ausgang der Mischer Bandpaßfilter angeordnet sind, daß das zweite Eingängssignal des Mischers so gewählt ist, daß die Summe der Frequenzen der beiden Eingangssignale für die jeweils zu selektierende Spektralkomponente konstant ist und daß die Bandpaßfilter auf die jeweiligen Summenfrequenzen abgestimmt sind.

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