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Laser-Spektrofon
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Die Erfindung betrifft ein Laser-Spektrofon und bezieht sich allgemein
auf optische Spektralgeräte, die zur Gasanalyse verwendet werden, bei denen Laser
mit durchstimmbarer Frequenz als Strahlungsquellen dienen.
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Laser-Spektrofone dienen bei wissenschaftlichen Forschungen zur Bestimmung
von Koeffizienten schwacher temperaturabhängiger Absorption in Gasmedien, zur Darstellung
der Abßorptionsapektren von Molekulargasen in einem breiten Temperaturbereich, zur
Untersuchung von nichtlinearen und Multiphotoneneffekten sowie von erregten Schwingungszuständen
bei Molektilen. Làser-Spektrofone können auch in angewandten Gebieten n der Wissenschaft
und Technik Verwendung finden, z.B. zur Verbesserung der Selektivität der Detektion
von molekularen Mikrobeimischungen in Gasen mittels Identifizierung und Diskriminierung
der Absorption durch Moleküle, die erkannt werden sollen, anhand von entsprechenden
Temperaturfunktionen bei der Kontrolle der Luftverunreigung, zur Bestimmung des
Reinheitsgrades einer Reihe von Gasen, zur Verwendung als hochempfindlicher ohromatografischer
Detektor, zur Verhinderung der Adsorption von toxischen und aggressiven Gasen an
Kainmerwänden, sowie bei medizinisch-bioloQischen Untersuchungen.
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Ein bekanntes Lager-Spektrofon (vgl. z.B.
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US-PS 3 659 452) enthält eine Arbeitskammer, die an ihren Stirnseiten
optische Fenster zum Hindurchlassen einer Laserstrablung aufweist und mit dem zu
untersuchenden Gasgemisch gefüllt wird, sowie ein Kondensatormikrofon mit einer
aus organisohem Werk.
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stoff ausgeführten Yießmembran, wobei das Kondensatormikrofon im mittleren
Teil der Kammer praktisch in gleicher Ebene mit der ;eibenwand eingebaut ist.
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Dieses Spektrofon ist zum Betrieb nur in einem schmalen Temperaturbereich
bestimmt, in dem die Temperaturen der Umaebungstemperatur nahe sind, da die Temperatur
in der Arbeitskammer des Spektrofons nicht geregelt werden kann.
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Bei einem anderen in einem breiteren Temperaturbereich arbeitenden
Laser-Spektrofon kann die mit dem zu untersuchenden Gas gefüllte Arbeitskammer bis
zur Temperatur von 1450K gekühlt werden (vgl. z.B. Optios Bettes, v.l, Nr.l, 19,
(New-York): '1'.F. Deutsch "Optoacousti¢ measurement of energy absorption in C02,
TEA laser excited SF6 at 293 and 1450K", s. 25...27).
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Das Eiektret-Mikrofon dieses Spektrofons ist im mittleren Teil der
Arbeitskammer angeordnet.
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Der Temperaturbereich dieses Spektrofons ist aber auch begrenzt,
da die Temperatur in der Arbeitskammer nicht über die Raumtemperatur erhöht werden
kann.
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Ein anderes übliches Spekttcfon, das auch in einem breiteren Temperaturbereich
betrieben werden kann, enthält eine Ärbeitskammer mit optischen Fenstern an ihren
Stirnseiten zum Hindurchlaseen einer Laserstrahlung und eine Einrichtung zur Regelung
der Temperatur des zu untersuchenden Gases in der Arbeitskammer durch Erwärmung
des Gases, wobei diese Einrichtung ein Element zur Temperaturänderung enthält, das
die Außenwände der Kammer umfaßt, sowie einen Temperaturgeber und einen Temperaturregler
aufweist, dessen Einu;an6 mit dem Temperaturgeber der Kammer verbunden ist und dessen
Ausgang
an das Element zur Temperaturänderung angeschlossen ist. Weiterhin gehört zum Spektrofon
ein Kondensatormikrofon, das in einem mit der Arbeitskammer kommunizierenden Kanal
eingebaut ist (vgl. z.B. Applied Phyiqics, v.12, Nr. 1, 19??, Springer-Verlag: V.P.
Zharov, V.S.Letokhov und E.A. Ryabov "Optoacoustic laser spektroscopy of excited
vibrational molecular states", 5. 15...17).
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Der Temperaturbereich eines solchen Spektrofons ist ebenfalls unzureichend
breit und liegt ungefähr zwischen 290 und 560°K, wobei die Gastemperatur in der
Arbeitskammer nicht unter die Raumtemperatur gesenkt werden kann.
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Der Kanal des beschriebenen Spektrofons weist eine geringe Länge
von etwa 1 cm auf und dient nur zur bequemen Anordnung des Mikrofons neben der Arbeitskammer.
Bei derartiger Anordnung des Mikrofons wird aber keine Langzeyntabilität seiner
Betriebsfähigkeit und seiner wichtigsten Kenngrößen gewährleistet, da sich die physikalischen
Eigenschaften und die Spannung seiner aus organischem Werkstoff hergestellten Meßmembran
bei Temperaturänderungen und bei Einwirkung des erwärmten Gaes ändern. Beim beachriebenen
Aufbau des Spektrofons ist nur eine kurzzeitige, nicht länger als 5...10 Minuten
dauernde Gaserwärmung in der Arbeitskammer auf ungefähr 500...600tE möglich, da
nur in dieser Zeitspanne keine wesentlichen Änderungen der Mikrofonempfindlichke
it infolge der verhältnismäßig langsamen Wärmeübertragung aus dem Raum der Arbeitskammer
zum Mikrofon auftreten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laser--Spektrofon anzugeben,
dessen konstruktive Ausführung die Mögliohkeit gibt, die Absorption im Gas in einem
breiten
Temperaturbereich sowohl bei Gaserwärmung bis zu 8000K als
auch bei Gaskühlung bis auf 1000K während einer längeren Zeit von mindestens mehreren
Stunden zu untersuchen und dabei die hohe Grenzempfindlichkeit des Spektrofons beizubehalten.
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Dies wird bei einem Laser-Spektrofon mit einer Arbeitskameer, die
an ihren Stirnseiten optische Fenster zum Hindurchlassen einer Laserstrahlung sowie
eine Haupteinrichtung zur Regelung der Temperatur des zu untersuchenden Gases in
der Arbeitskammer durch seine Erwärmung enthält, die aus ihrem eigenen, die Außenwände
der Kammer wliSassenden Element zur Temperaturänderung, einem Kammertemperaturgeber
und ihrem eigenen Temperaturregler besteht, dessen Eingang, mit dem Eallmertemperaturgeber
verbunden ist und dessen Ausgang an das Element zur Temperaturänderung angeschlossen
ist, wobei im Laser-Spektrofon außerdem ein Kondensatormikrofon vorgesehen ist,
das in einem mit dem Raum der Arbeitskammer kommunizierenden Kanal eingebaut ist,
erfindungsgemäß dadurch mit einer Länge ausgeführt ist, die 8 bis 10 mal größer
als der Vurchmesser des Querschnitts des Kanals ist, unt ill Volumen aufweist, das
wenigstens 50 mal kleiner als das Arbeitskammervolumen ist.
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Bs erweist sich als zweckmäßig, das Spektrofon mit einer zusätzlichen
Einrichtung zur Regelung der Temperatur des zu untersuchenden Gases in der Arbeitskammer
durch seine Abkühlung auszustatten, wobei diese zusätzliche Einrichtung durch ihr
eigenes, die Außenwände der Arbeitskammer umfassendes Element zur Temperaturänderung
und ihren eigenen Temperaturregler gebildet wird, dessen Eingang mit dem auch von
der Haupteinrichtung gemeinsam benutzten Kammertemperaturgeber *) reicht, daß der
Kanal
verbunden ist und dessen Ausgang an das ihm
| 1 zur Tempe- |
| zugeordnete Element |
raturaaderung angeschlossen ist, sowie einen Schalter enthält, der den Kammertemperaturgeber
mit den beiden eigenen Tcmperaturreglern verbindet.
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Im Kanal ist der Einbau wenigstens eines ffärmefilters erwünscht,
das die statischen Temperaturgefälle in dem zu untersuchenden Gas neben dem Mikrofon
herabsetzt.
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vorteilhaftwird das.;WärmeSilter als Metallplatte mit Öffnungen ausgeführt.
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Im Spektrofon ist der Einbau einer Einrichtung zur Regelung der Temperatur
des zu untersuchenden Gases im Kanal erwünscht, mit deren Hilfe das Gas im Kanal
gekühlt oder erwärmt wird, je naohdem, ob die Haupteinrichtlung oder die zusätzliche
Einrichtung zur Gastemperaturregelung in der Arbeitskammer in Betrieb gesetzt wird
und das zu untersuchende Gas in der Albeitskammer erwärmt oder abkühlt.
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Diese Einrichtung zur Regelung der Temperatur des zu untersuchenden
Gases im Kanal kann zweckmäßigerweise zwei die Außenwände des Kanals umfassende
Elemente zur Temperaturänderung, einen Mikrofontemperaturgeber sowie Temperaturregler
nach der Zahl der Elemente zur Temperaturänderung enthalten, bei denen die Eingäne
mit dem Mikrofontemperaturgeber und die Ausgänge mit dem entsprechenden Element
zur Temperaturänderung verbunden sind, sowie einen Schalter aufweisen, mit dessen
Hilfe der Mikrofontemperaturgeber mit den Temperaturreglern verbunden wird.
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Ein derartig erfindungsgemäß ausgeführtes Laser-Spektrofon ermöglicht
die Untersuchung der Gasabsorption in einem breiten UemperaturbereLoh und während
einer längeren Zeit,
wobei die hohe Grenzempfindlichkeit des Spektrofons
beibehalten wird.
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Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung eines konkreten
Äusführungsbeispiels und anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, in der
das erfindungsgemiS ausgeführte Spektrofon im LingeBohnitt dargestellt ist.
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Gemäß der Erfindung enthält das Laser-Spektrofon eine zylindrische
Arbeitskammer 1, die mit dem zu untersuchenden Gas, gegebenenfalls mit Luft, gefüllt
ist und an ihren Stirnseiten optische Fenster 2 und 3 zum Hindurohlassen einer kontinuierlichen
modulierten Laserstrahlung in Richtung eines Pfeiles A aufweist. Im Spektrofon kann
man auch eine pulsierende Laserstrahlung benutzen. Die Fenster 2 und 3 sind in Profilfianschen
4 bzw. 5 befestigt, die an den Stirnseiten der Arbeltskammer 1 mit Hilfe von AbdichtungarinUen
6 und 7 hermetisch abgedichtet sind.
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Der Hohlraum der Arbeitskammer 1 kommuniziert mit einem zylindrischen
Kanal 8, in dessen Verbreiterung 9, die mit dem eigentlichen Kanal 8 mittels einer
Kapillare 10 verbunden ist, ein Kondensatormikrofon 11 eingebaut ist. Das Kondensatormikrofon
besteht aus einer unbeweglichen Elektrode 12 und einer aus organischem Werkstoff
ausgeführten Meßmembran 13 (zur Vereinfachung der Zeichnung sind diese Bauelemente
mit einer ausgezogenen und einer Strichlinie angedeutet).
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Der Kanal 8 ist mit einem Deckel 14 abgedeckt, der an der Stirnseite
des Kanals 8 mittels eines Abdichtungsringes 15 hermetisch abgedichtet ist.
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In der dargestellten Ausführungsvariante der Erfindung hat der Kanal
8 eine Länge 1, die 8 mal größer als der durchdes
d des Kanalquerschnittes
ist, und ein Volumen V, das 50 mal kleiner als das Volumen V1 der Arbeitskammer
1 ist.
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Die Länge des Kanals kann 8...10 mal größer als der Durchmesser des
Kanalquerschnitts sein, und das Volumen des Kanals kann wenigstens 50 mal kleiner
als das Arbeitskammervolumen gewählt werden. Die Länge und das Volumen des Kanals
werden ausgehend von der Bedingung gewählt, daß die Temperatur des Mikrofons 11
nahe bei Raumtemperatur (etwa 293?K) liegt und daß die Beeinflussung der Meßgenauigkeit
durch die Thermodiffusion der Moleküle ausgeschlossen werden soll.
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Die Bedingung I/d a 8...10 gewährleistet eine größere Fläche der
Kanalwände, die das zu untersuchende Gas berührt, wobei die Wärmeübertragung vom
Gas an die Kanalwände vereiner bessert wird und die Anordnung / Einrichtung zur
Regelung der Temperatur des zu untersuchenden Gases im Kanal 8 möglich wird, was
nachstehend ausführlicher beschrieben wird.
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Zu bemerken ist, daß die erwähnte Bedingung zweckmäßiger durch Vergrößerung
der Länge des Kanals 8 und nicht durch Verminderung des Durchmessers seines Querschnitts
erfüllt werden kann, da im letzteren Fall eine wesentliche Herabsetzung der Spektrofonempfindlichkeit
wegen der Abschwächung des akustischen Signals bei seinem Durchgang durch den schmalen
Kanal 8 die Folge sein kann.
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Bei den ,Werten l/d ; 8 ist die Erreichung des angestrebten Ziels
erschwert, da der Betriebstemperaturbereich des Spektrofons verringert wird.
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Bei der Wahl der Kanallänge auf Grund der Bedingung l/d10 kann der
Temperaturbereich des Spektrofons erweitert
werden, aber die Empfindlichkeit
des Spektrofons sinkt dabei ungefähr proportional dem Verhältnis V/V1 infolge der
Vergrößerung -des Ballastvolumens des zu untersuchenden Gases, das durch die Laserstrahlung
nicht beeinflußt wird, wobei auch der Wießfehier infolge der Thermodiffusion der
Moleküle größer wird. Bei diesem Effekt anders sich die Verteilung der olekule mit
unterschiedlichem Molekulargewicht im Raum der Kauimer 1 und des Kanals 8 des Spektrofons
unter dem Einfluß des im Gas entstehenden Temperaturgradienten, der durch das Vorhandensein
von Zonen mit angenäherter Wohnraumtemperatur neben dem Mikrofon 11 und den Fenstern
2 und 3 bedingt ist.
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Zur Verringerung des Einflusses dieses Effekts auf die Meßgenauigkeit
bis auf einige Prozente wird die Forderung gestellt, daß V/V1 # 50 sein soll, und
die Realisierung dieser Forderung ist durch Verlänerung der Arbeitskammer 1 ævteckmäßig.
Bei V/V1 4 50 wird die Meßgenaulgkeit ungefähr proportional dem Verhältnis V/V1
schlechter. Bei VIV1> 50 kann man den Einfluß des erwähnten Effekts vernachlässigen,
dabei können aber konstruktive Einschränkungen infolge sehr großer Spektrofonlänge
in Kraft treten.
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ttber eine elektrische Durchführung 16 im Deckel 14 ist das Mikrofon
11 an eine Registriereinheit 17 angeschlossen.
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Die Füllung der Arbeitskammer 1 mit dem zu untersuchenden Gas erfolgt
in Richtung des Pfeiles B durch ein Ventil 18 im Stutzen 19, der mit der Kanalverbreiterung
9 durch den Deckel 14 verbunden ist.
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Gemäß der Erfindung sind im Laser-Spektrofon eine Haupteinrichtung
20 und eine zusätzliche Einrichtung 21 zur Regelung der Temperatur des zu untersuchenden
Gases in der Arbeitskammer
1 durch seine Erwärmung bzw. Abkühlung
vorgesehen.
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Die Haupteinrichtung 20 enthält ein Element zur Temperaturänderung
in der Art einer Heizwendel 22, welche die Außenwände der Kammer 1 umfaßt und mit
dem Ausgang des Esmmertemperaturreglers 23 elektrisch verbunden ist. Beim letzteren
ist der Eingang über einen Schalter 24 an den Kammer temperaturgeber 25 angeschlossen,
der unmittelbar mit der Nand der Kammer 1 Kontakt hat.
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Die zusätzliche Einrichtung 21 enthält ihr eigenes Blement zur Temperaturänderung
in der Art einer Kammer 26, welche die Außenwände der Arbeitakammer 1 umfaßt. Zwischen
den Innenwänden der Der 26 und den Äußenwänden der Arbeitskammer 1 läßt man ein
Kühlmittel, nämlich Dämpfe von flüssigem Sbickstoff,durchblasen. Weiterhin gehört
zur zusätzlichen Einrichtung 21 ihr eigener Temperaturregler 27, dessen elektrischer
Eingang über den Schalter 24 an den Kammertemperaturgeber 25 angeschlossen ist,
der auch von der Haupteinrichtung 20 gemeinsam benutzt wird. Der Kühlmittelausgang
des Temperaturreglers 27 ist mit dem Hohlraum der Kammer 26 mittels eines Stutzens
28 verbunden, zählend der Kühlmitteleingang des Temperaturreglere 27 mit dem Hohlraum
der Kammer 26 über einen Stutzen 29 kommuniziert. Dadurch wird der geschlossene
Umlaufkreis für das Kühlmittel gebildet.
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Die anderen elektrischen Eingänge der Temperaturregler 23 und 27
sind an eine Programm-Steuereinheit 30 angeschlossen, die mit dem Schalter 24 und
der Registriereinheit 17 elektrisch verbunden ist.
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Die Temperaturregler 23, 27 und die Programm-Steuereinheit
30
stellen an sich weitgehend bekannte Einrichtungen - einen elektrischen Spannungsregler,
einen Thermostaten mit im geschlossenen Kreislauf kontinuierlich gepumptem Kältemittel
und eine ebenfalls weitgehend bekannte Steuereinheit dar, die gewöhnlich in der
kompletten Laser-Spektrofonanle verwendet wird.
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Die Wände der Kammer 26 sind von der Umgebung durch einen Wärmeschutzmantel
31 isoliert, der von einem gemeinsamen Gehäuse 32 umgeben ist.
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Die Enden der Heizwendel 22 und die anschlüsse des fremperaturgebers
25 der Kammer l sind mit Hilfe elektrischer Durchführungen 33 und 34 in den Wänden
der Kammer 26 bzw.
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des Wärmeschutzmantels 31 herausgeführt.
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Im Kanal 8 des erfindungsgemäß ausgeführten Laser--pektrofons sind
zwei Wärmefilter 35 und 36 vorgesehen, mit deren Hilfe die statischen Temperaturgefälle
in dem zu untersuchenden Gas neben dem Mikrofon 11 vermindert werden.
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die Anzahl der Närmefilter kann auch größer oder auf ein Filter beschränkt
sein, je nach dem geforderten Temperaturbereich des Spektrofons.
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In der vorgeschlagenen Ausführungsvariante des Spektrofons stellen
die vvärmefilter 35 und 36 Metallplatten mit Öffnungen dar.
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Sie können auch in Form von zusammenschmolzenen ketallkugeln ausgeführt
werden, wobei im Vergleich zur vorher erwähnten Ausführung eine effektivere Wärmeableitung
infolge der vergrößerten Berührunsfläche mit Gas erreicht wird.
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In dem gemäß der Erfindung ausgeführten Laser-Spektrofon
ist
auch eine Einriohtung 37 zur Regelung der Temperatur des zu untersuchenden Gases
im Kanal 8 vorgesehen, die das Gas im Kanal b abkühlt oder erwärmt, wobei dies in
Abhängigkeit von der Inbetriebsetzung der Haupteinrichtung 20 oder der zusätzlichen
Einrichtung 21 zur Gastemperaturregelung in der Arbeitskammer 1 erfolgt, die das
zu untersuchende Gas in der Arbeitskasmer 1 erwärmen oder abkühlen.
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-Die Einrichtung 37 enthält zwei die Außenwände des Kanals 8 umfassende
Elemente zur Temperaturänderung. Die Abkühlung des zu untersuchenden Gases im Kanal
8 durch diese Einrichtung 37 bewirkt das Element, das als Kammer 38 ausgeführt ist,
welche mit einem Kühlmittel, nämlich mit Wasser oder mit Dämpfen von flüssigem Stickstoff,
gefüllt wird. Die Erwärmung des Gases erfolgt mit Hilfe einer Heizwendel 39.
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Zur Einrichtung 37 gehören auch ein Mikrofontemperaturgeber 40, der
unmittelbar am Mikrofon 11 befestigt ist, sowie Temperaturregler 41 und 42 entsprechend
der Zahl der Elemente zur Temperaturänderung. Die elektrischen Eingänge der Temperaturregler
41 und 42 sind über einen mit der Programm--Steuereinheit 30 elektrisoh verbundenen
Schalter 43 an den Mikrofontemperaturgeber 40 angeschlossen. Der Sühlmittelausgaag
des Temperaturreglers 41 ist mittels eines Stutzens 44 mit dem Hohlraum der Kammer
38 verbunden, und der Kühlmitteleingang dieses Temperaturreglers 41 hat mit Hilfe
eines Stutzens 45 ebenfalls mit dem Hohlraum der Kammer 38 Verbindung. Der Ausgang
des Temperaturreglers 42 ist an die Heizwendel 39 angeschlossen.
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Die Enden der Heizwendel 39 und die Anschlüsse des Mikrofontemperaturgebers
40 sind mit Hilfe elektrischer Durchführungen 46 und 47 in den Wänden des Kanals
8 bzw. seiner
Verbreiterung 9 herausgeführt.
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Die Temperaturregler 41 und 42 sind ähnlich den Temperaturreglern
27 bzw. 23 ausgefuhrt.
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Zum Schutz der optischen Fenster 2 und 3 vor eventuel-1er Beschädigung
infolge von «årme-Formänderungen wird ihre Temperatur ebenso wie die Temperatur
des Mikrofons 11 nahe der Nohnraumtemperatur gehalten. Zu diesem Zweck sind die
Flansche 4 und 5 von Heizwendeln 48 bzw. 49 sowie von Kammern 50 bzw. 51 umgeben,
die mit einem Kühlmittel* z.B. mit laser oder mit Dämpfen von flüssigem Stickstoff,
gefüllt werden. Das Kühlmittel wird in die Hohlräume der Kammern 50 und 51 durch
Stutzen 52 und 53 eingeführt und fließt aus diesen Hohlräumen durch Stutzen 54 und
55 heraus. Je nachdem, ob die Haupteinriohtung 20 oder die zusätzliche Ein richtung
21 zur Temperaturregelung des zu untersuchenden Gases, d.h. zu seiner Erwärmung
oder Abkühlung in der Arbeitskammer l,in Betrieb gesetzt werden, beginnen entweder
die Kammern 50 und 51 oder die Heizwendeln 48 und 49 ihre Funkt ion.
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Das vorgeschlagene Laser-Spektrofon arbeitet nach folgendem Prinzip.
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Beim Meßvorgang wird durch die optischen Fenster 2 und 3 der Arbeitekgmmer
4 eine kontinuierliche modulierte Laserstrahlung hindurchgelassen. Bei periodisch
erfolgender Abaorption der Laserstrahlung in dem zu untersuchenden Gas entstehen
periodische Gastemperaturanderungen, und in der akustisch abgeschlossenen Arbeitskammer
1 erfolgen deswegen periodische Gasdruckfluktuationen, die vom Mikrofon 11 durch
Änderungen seiner Kapazität beim burshbiegen der keXmembrsn
13
registriert werden.
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Das vom Mikrofon 11 erzeugte elektrische Signal wird demoduliert
und gelangt zur Registriereinheit 17. Die Amplitude dieses Signals trägt die Information
über den Absorptionskoeffizienben des zu untersuchenden Gases und folglich über
die Konzentration von interessierenden Molekülen bei der Analyse von Mikrobeimischungen
in Gasen.
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Je nach der Aufgabe der Untersuchung bestimmt die Program-Steuereinheft
30 den Verlauf der Gastemperaturänderung in der Arbeitskammer 1 des Spektrofons,
indem diese Programm--Steuereinheit 30 ae nach geforderter Erwärmung oder Abkühlung
des zu untersuchenden Gases in der Kammer 1 Steuersignale an den Temperaturregler
23 bzw. 27 sowie an die Schalter 24 und 43 abgibt, mit deren Hilfe die Temperaturgeber
25 und 40 an die Temperaturregler 23 bzw. 41, wie die Stellung der Schalter 24 und
43 in der Zeichnung zeigt, oder an die Temperaturregler 27 bzw. 42 angeschlossen
werden (die andere Stellung der Schalter 24 und 43 ist in der Zeichnung nicht gezeigt).
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Unter Einwirkung der Steuerimpulse ändern die Temperaturregler 23
oder 27 die Temperatur der wände der Kammer 1 durch Änderung der Spannung an der
Heizwendel 22 oder des Kühlmitteldurohflusses in der Kammer 26. Entsprechend ändert
sich auch die Temperatur des zu untersuchenden Gases in der Arbeitskammer 1, indem
sie der Temperatur der Wände der Arbeitskammer 1 folgt. Im Ergebnis andert sich
die Amplitude des akustischen Signals entweder bei versohiedenen diskreten Gastemperaturwerten
oder in Abhängigkeit von der Gastemperatur bei ihrer stetigen Änderung.
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Verursacht von der bei Änderung der Gastemperatur verlaufenden Thermodiffusion
im Gas erfolgt die Närmeübertragung aus der Arbeitskaamer 1 zum Mikrofon 11, wobei
die Temperatur des Mikrofons 11 und dadurch die Eigenschaften seiner MeSmembran
13 geändert werden, d.h. der Normalbetrieb des Mikrofons i1 wird gestört, und es
treten insbesondere Änderungen seiner auf.
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Empfindlichkeit/Dieser effekt wird durch erzwungene Gastemperaturregelung
im Kanal 8 beseitigt. In einem verhältnismäßig kleinen Temperaturbereich von etwa
+ 500K wird dies durch natürliche Luftkühlung oder Gaserwärmung im Kanal 8 erreicht.
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Bei einem breiteren Temperaturbereich von ungefähr t 100 0K werden
die Wärmefilter 35 und 36 wirksam, die beim Gasdurchgang durch die letzteren die
zusätzliche Abkühlung oder Erwärmung des Gases bewirken. Somit bildet der verhältnismäSig
lange Kanal 8 mit den Wärmefiltern 35 und 36 ein System zur passiven Regelung der
statischen Gastemperaturverteilung im Kanal 8. Zu bemerken ist, daß die periodischen
akustischen Schwingungen, die in der Arbeitskammer 1 bei der Absorption der Laserstrahlung
entstehen, zum Mikrofon 11 durch Öffnungen in den MErmefiltern 35 und 36 praktisch
ohne Abschwächung gelangen.
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Bei der Arbeit in einem breiteren Temperaturintervall wird das Gas
bei seiner Bewegung zum Mikrofon 11 bereits ungenügend gekühlt oder erwärmt, wobei
sich Änderungen der Temperatur des Mikrofons 11 ergeben. Solche Änderungen werden
vom 'L1emperaturgeber 40 erfaßt, der entsprechende elektrische Signale erzeugt.
Diese Signale werden dem emperaturregler 41 oder 42 zugeführt, Je nachdem, ob das
Gas in der Arbeitskammer 1 erwärmt oder abgekühlt wird. In Abhängigkeit
vom
Pegel dieser Signale steuert der Temperaturregler 41 oder 42 die Einrichtung 37
zur Gastemperaturregelung im Kanal 8 und zwar die Kammer 38 oder die Heizwendel
39 an, wobei das Gas im Kanal 8 zwangsläuSig abgekühlt oder erwärmt wird.
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Somit bilden der Temperaturgeber 40, die Tempelaturregler 41 und
42 sowie die Elemente zur Temperaturregelung, und zwar die Kammer 38 und die Heizwendel
39 im Kanal 8,ein Rückführungssystem, das die Temperatur des Mikrofons 11 auf einem
bestimmten, nahe der Raumtemperatur liegenden Niveau stabilisiert. Dadurch wird
die Konstanthaltung der Mikrofonempfindlichkeit bei Variationen der Gastempeiatur
in der Arbeitskaamer 1 in weiten Grenzen möglich. Als physikalische Grundlage des
Spektrofonbetriebs dient hierbei die Ausbreitung der periodischen akustischen SchwinÖungen
von der Arbeitskammer 1 zum Mikrofon 11 durch ein Gasmedium im Kanal 8, das einen
wesentlichen statischen Temperaturgradien ten aufweist.
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Das erfindungsgemäße Laser-Spsktrofon ermöglicht die Untersuchung
der im Gas erfolgenden Absorption in einem breiten Temperaturbereich sowohl bei
der Gasabkühlung bis zu einer temperatur von 1000K als auch bei der Gaserwärmung
bis auf 8000K praktisch während eines unbegrenzten Zeitabschnitts, wobei die hohe
Grenzempfindlichkeit des Spektrofons beibehalten wird. Bei einer Leistung (Energie)
der Laserstrahlung von 1 W (1 J) ermöglicht das Spektrofon im erwähnten Temperaturbereich
beispielsweise die Messung der Absorptionskoeffizienten in der Großenordnung von
10-8 bis 10 9 cm 1 Dies entspricht der Detektionsgrenze von 10-7 bis 10-9% für viele
Moleküle.