DE3014646A1 - Verfahren und vorrichtung zur spektralanalyse - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur spektralanalyseInfo
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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.
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
130044/0047
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
13Q044/0047
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) = fa +- fü <t)? bzw· fM (t) = -fa + fü
wobei f. = const.
Durch Differenziation nach der Zeit ergibt sich:
dt dt . (2)
130044/0047
In den vorangehenden Formeln bedeuten:
fM : 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) = fa -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
13 0044/0047
-27- 30H646
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.
13004 4/00 47
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
130044/0047
-29- 30H646
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.
1 130044/0047
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.
1300U/0047
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
130044/0047
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
1300U/0 0 47
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-
130044/0047
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.
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.
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
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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" 37 " 30U6A6
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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BAD ORIGINAL
Claims (1)
- Patentansprüche1.) 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 Modulator130044/0047(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 FunktionMSPECTED 130 0 44/0047mit 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 Meßfrequenzsignale13004 A/0047 BAD ORIGINALvermittels 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.130044/004718. 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)130044/0Ö47abweicht 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.30U646„ 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 Hilfsmischern130044/0047(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.130044/004730U6A6. 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.1300 44/0047
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