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Verfahren und Vorrichtung zur Messung der
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Brechzahl von Flüssigkeiten und Gasen
Verfahren und
Vorrichtung zur Messung der Brechzahl von Flüssigkeiten und Gasen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Brechzahl einer Flüssigkeit
oder eines Gases mit Hilfe von Interferenzen, die durch parallele Grenzflächen der
Flüssigkeit oder des Gases erzeugt werden.
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Geräte zur Messung der Brechzahl von Flüssigkeiten und Gasen sind
seit vielen Jahrzehnten bekannt und in der Literatur an zahlreichen Stellen beschrieben
(z.B. Kohlrausch, Praktische Physik oder ABC der Optik). In vielen Fällen werden
dabei Interferenzerscheinungen ausgenutzt.
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Bekannt sind Zweistrahleninterferometer zur Messung der Brechzahlen
von Flüssigkeiten oder Gasen, welche die Brechzahlmessung auf den Vergleich der
optischen Weglängen in zwei geometrisch gleichen, voneinander getrennten Zellen
zurückführen. In der einen Zelle befindet sich die zu untersuchende Substanz, in
der anderen eine Substanz mit bekannter Brechzahl oder Vakuum.
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In den meisten derartigen Interferometern werden zwei Streifensysteme
durch zwei getrennte aber gleichartige Strahlengänge erzeugt, von denen der eine
nicht durch das Messobjekt geht und desholb während der Messung unverändert bleibt
und damit als Ableseindex für das andere Streifensystem dient, das sich bei der
Messung ändert. Interferometer mit zwei Streifensystemen haben den Vorteil, daß
sie weitgehend unempfindlich gegen Temperatureinflüsse und mechanische Deformationen
des Gerätes sind.
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Die Ermittlung der Brechzahl erfolgt, indem die Auswanderung des Streifensystems
entweder an einer vorgesehenen Skala abgelesen wird oder indem die Streifen durch
einen optischen Kompensator im Strahlengang der Meßzelle wieder in die Nullstellung
geschoben werden, wobei die Verschiebegröße den Meßwert ergibt.
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Aus der DBP 10 22 032 ist ein Interferometer bekannt, bei dem jedem
Streifensystem eine verschiebbare Meßmarke zugeordnet ist, wobei die
Meßmorken
miteinander gekuppelt sind. Wenn die Marke im Vergleichsstreifensystem auf Null
eingestellt wird, dann wird die Marke im Meßstreifensystem automatisch um den gleichen
Betrag verstellt. Zur automatischen Messung wird die Meßmarke im auswandernden Streifensystem
durch einen oder mehrere Spalten ersetzt. Durch diese Spolte fällt Licht auf eine
Photozelle. Wandert das Meßstreifensystem aus der Nullstellung aus, dann wird durch
das von der Photozelle erzeugte Signal über einen Motor ein im eßstrahlengong befindlicher
Kompensator so weit verstellt, bis das auswandernde Streifensystem in seine Nullstellung
zurückgekehrt ist.
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Eine öhnliche Anordnung für ein automatisch messendes Interferometer
mit zwei Streifensystemen ist in der DE-OS 25 07 183 beschrieben.
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In der DE-PS 23 06 091 ist ein Interferenz-Refraktometer beschrieben,
bei der Meß- und Referenzzelle als getrennte Fabry-Perot-Interferometer ausgebildet
sind, deren Längen mit Hilfe einer gemeinsamen, elektrostriktiven Einrichtung periodisch
verändert werden. Beide Zellen hoben kugelförmig gekrümmte Interferenzspiegel mit
hohem Reflexionsvermögen, so daß das eingestrahlte Licht erst nach sehr vielen Reflexionen
wieder austritt. Beim Durchfahren des Bereiches der elektrostriktiven Einrichtung
treten bei monochromatischem Licht scharf begrenzte Resonanzdurchlössigkeiten auf,
welche deutlich gegen vergleichsweise breite Bereiche abgegrenzt sind, in denen
die Zellen lichtundurchlässig sind. Gelangt ein Medium mit geändertem Brechungsindex
in die Meßzelle so verschieben sich über die Änderung der optischen Weglänge die
Resononzfrequenzen der Meßzelle gegenüber den Resonanzfrequenzen der Referenzzelle;
die Größe der Verschiebung ist ein Maß für die Änderung des Brechungsindex. Störeinflüsse,
welche in gleicher Weise die Resonanzfrequenzen beider Zellen ändern, gehen nicht
in die Messung ein.
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Bei den bisher aufgeführten Geräten ist die Bestimmung der Brechzahl
in Abhängigkeit von der Wellenlänge - wenn sie überhaupt möglich ist - nur durch
Einzelmessungen bei verschiedenen Wellenlängen möglich und daher sehr umständlich
und zeitraubend.
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Aus der DE-PS 21 53 315 ist ein Verfahren und ein Interferenz-Spektralphotometer
bekannt, mit dem der spektrale Verlauf des Brechungsindex
oder der
Durchlässigkeit einer Probe bestimmt werden kann. Dabei wird das von einem Kontinumusstrahler
ausgehende Lichtbündel in zwei Teilstrahlbündel aufgeteilt, die mit unterschiedlichen
Frequenzen intensitätsmoduliert werden, eine Interferometeranordnung parallel zueinander
durchlaufen, in dieser in je zwei Teilstrahlen aufgespalten und anschließend wieder
vereinigt und einem gemeinsamen Strahlungsempfänger zugeführt werden. Die Interferometeronordnung
enthölt in bekannter Weise einen Scanningspiegel zur einstellbaren Veränderung der
optischen egdifferenzen des einen Interferometerzweiges und liefert aus der Auswertung
des Empfängersignales infolge der zwei Teilstrahlbündel gleichzeitig das Proben-
und das Hintergrund-Interferogramm, aus denen mit Hilfe eines geeigneten Rechners
der spektrale Verlauf des Brechungsindex oder der Durchlässigkeit der Probe gewonnen
wird.
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Praktische Anwendungen dieses Gerätes zur Brechzahlmessung sind nicht
bekannt geworden, was nicht verwunderlich ist, weil die Dispersion in dem für dos
Gerät angegebenem Spektralbereich von 5 bis 500 pm nicht besonders interessant ist.
Außerdem eignet sich das Gerät auch nicht für Messungen bei starker Absorption.
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Schließlich ist aus der Literatur bekannt, die Brechzahl aus den Interferenzüberlagerungen
bei Transmissions- oder Reflexionsspektren zu bestimmen. Meist wird in der Spektroskopie
bei bekannter Brechzahl aus den Interferenzüberlagerungen die genaue Schichtdicke
bestimmt. Es sind jedoch auch Arbeiten bekannt, in denen bei bekannter Schichtdicke
die Brechzahl bestimmt wird. So hoben z.B. D.H.Rank u.M. (J.o.t.Optical Society
o.America 44, 13 (1954)) den Brechungsindex von einem 3 mm dik--ken Germaniumkristall
im Wellenlängenbereich von 2,0 bis 2,4 um durch Auswertung der Interferenzüberlogerungen
des Transmissionsspektrum bestimmt. N.J. Harrik (Applied Optics lû, 2345 (1971))
hat durch Messung der Reflexionsspektren bei verschiedenen Einfollswinkeln sowohl
die Brechzahl als auch die Dicke von Folien bestimmt. Im letzteren Fall muß jedoch
vorausgesetzt werden1 daß die Brechzahl im Auswerteintervall konstant ist. Nach
diesen Methoden kann der Brechzahiverlouf, nur dann bestimmt werden, wenn die Schichtdicke
bekonnt ist. Die Genauigkeit der Bestimmung ist durch das kleinstmögliche Auswerteintervall,
d.h. durch den Abstand benachbarter Maxima bzw. Minima und dessen Meßgenauigkeit,
begrenzt,
vorausgesetzt, daß die Schichtdicke genügend genau bekannt ist. Außerdem sind diese
Bestimmungsverfahren zwar bei Forschungsvorhaben anwendbar, infolye ihres Aufwandes
jedoch nicht für Routineaufgoben geeignet.
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Alle bekannten Meßverfahren sind schlecht oder garnicht geeignet bei
starker Absorption, d.h. in dem interessanten Gebiet anomaler Dispersion.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung anzugeben, mit der sich die Brechzahl von Flüssigkeiten und Gasen
auch im Gebiet anomaler Dispersion, d.h. im Gebiet starker Absorption, möglichst
genau und zugleich in einer für Routineoufgaben geeigneten einfachen Weise messen
läßt. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Ausbaumöglichkeit zur
Messung des spektralen Verloufes der Brechzahl anzugeben.
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Die gestellte Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1 erfindungsgemäß dodurch gelöst, daß der Abstond der Grenzflächen
definiert verändert wird und daß während dieser Veränderung die Anzahl der durchgelaufenen
Interferenzmaxima und/oder -minima (Ordnungen) gemessen wird.
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Für die Messung des spektralen Verloufes der Brechzahl wird während
der Veränderung des Abstandes der Grenzflächen für mehrere Wellenlängen die Anzahl
der durchgeloufenen Interferenzmaxima und/oder -minima gemessen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht aus zwei porallel zueinander
angeordneten, lichtdurchlässigen Platten, zwischen denen die Flüssigkeit oder dos
Gas eingeschlossen ist, einer Vorrichtung zur definierten Änderung des Abstandes
der Platten, einer Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung von Interferenzen an den
Grenzflächen zwischen der Flüssigkeit oder dem Gas und den Platten, geyebenenfalls
einer Einrichtung zur Aussonderung eines genügend schmolen Spektralbereiches und
einem Empfänger zur Messung der durch die Interferenzen hervorgerufenen Intensitätsänderungen.
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Für die Messung des spektralen Verlaufes der Brechzahl wird eine Einrichtung
zur Messung der Intensitätsänderungen bei mehreren Wellenlängen verwendet.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Meßverfahrens gegenüber den üblichen
interferometrischen Verfahren besteht dorin, daß in dos Meßergebnis nicht die absolute
Schichtlänge, sondern nur ihre Änderung eingeht. Das ergibt einen einfachen Aufbau
der Meßeinrichtung.
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Es ist nicht notwendig, daß die die Flüssigkeit oder das Gas begrenzenden
Platten planparallel sind; sie können auch gekrümmt sein. Es ist vorteilhaft die
Begrenzungsplatten aus Saphir zu machen, da dieses Materiol mechanisch sehr stabil
und chemisch sehr beständig ist. AuBerdem hat es eine hohe Brechzahl, so daß starke
Interferenzen auftreten.
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In einer vorteilhoften Ausführungsform ist für die Änderung des Platten
abstandes eine piezoelektrische Verschiebung vorgesehen. Dabei kann die an die Piezokeramik
ongelegte Spannungsdifferenz als Maß für die Änderung des Plattabstandes verwendet
werden. Bei größeren Anforderungen an die Meßgenauigkeit ist es besonders vorteilhaft,
eine piezoelektrische Verschiebung einer Platte vorzusehen, die mit der beweglichen
Platte eines Luftabstonds-Fabry-Perot derart verbunden ist, daß dessen Luftabstand
sich im gleichen Maß ändert.
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Als Beleuchtung für die Erzeugung der Interferenzen an den Grenzflächen
der Flüssigkeit oder des Gases kommen grundsätzlich alle in der Photometrie und
Interferometrie bekannten Lichtquellen in Betracht: Für die Messung bei einer oder
wenigen Wellenlängen sind Linienstrahler mit entsprechenden Sperrfiltern geeignet.
Bei hohen Anforderungen an die Monachromosie können Laser verwendet werden. Für
die Messung bei zahlreichen Wellenlängen sind Kontinuumstrohler vorteilhaft.
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Für die Bestimmung des spektrolen Verlaufes der Brechzahl sind Diodenzeilenspektrometer
besonders günstig, weil mit ihnen bei zahlreichen Wellenlängen praktisch gleichzeitig
gemessen werden kann. Für genaue Messungen des Brechzahlverlaufes von Gasen sind
hochauflösende Spektrometer notwendig. Dagegen genügen bei Messungen für nur eine
oder
wenige Wellenlängen, wenn die Strahlung - gegebenenfalls durch Verwendung geeigneter
Filter - ausreichend monochromatisch ist, die in der Photometrie bekannten Empfänger.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Beleuchtungseinrichtung
und der Empfänger bzw. die Einrichtung zur Messung der Intensitätsänderungen über
Lichtleiter mit dem Meßort verbunden.
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Für die Bestimmung der Abstandsänderung des Luftabstands-Fabry-Perot
kann in bekannter Weise eine Beleuchtung mit monochromotischem Licht und ein photoelektrischer
Empfänger zur Messung der durch die Interferenzen hervorgerufenen Intensitätsänderungen
verwendet werden. Eine größere Meßgenauigkeit läßt sich durch eine Beleuchtung mit
weißem Licht und einem Diodenzeilenspektrometer erreichen, weil damit bei zahlreichen
Wellenlängen gemessen werden kann.
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Es ist vorteilhaft, für die Auswertung der Meßergebnisse einen Rechner
vorzusehen, der zweckmäßigerweise auch die Steuerung und/oder Kontrolle des Abstandes
der Platten durchführt.
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Die Vorteile der vorliegenden Erfindung liegen in dem für interferometrische
Meßanordnungen verhältnismäßig einfachen Aufbau, in der sehr leichten Handhabung
und in der kurzen Meßzeit. Temperatur- und sonstige Störeinflüsse gehen in das Meßergebnis
nur entsprechend der kurzen Meßzeit ein.
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Das der Erfindung zugrunde liegende Meßprinzip wird im folgenden am
Beispiel für ein Diodenzeilenspektrometer näher erläutert: Bei einem zufällig eingestellten
Anfangsabstand do liegt auf der Diode i bei der Wellenlänge ii ein Maximum des Interferenzsignales.
Dann gilt 2n (Äi) do = m wobei n die Brechzahl und m die sog. Ordnungszahl ist.
Verändert man die Schichtdicke so, daß auf der Diode i wieder ein Maximum liegt,
z.B. dos Maximum der (m+p)-ten Ordnung, dann gilt
2n (X i> i)
(d0+Äd) = (map)i wobei Ad die Änderung der Schichtdicke ist. Aus diesen beiden Gleichun
gen folgt für den Brechungsindex
Diese Messung kann man für alle Dioden durchführen während die Schichtdicke einmal
im notwendigen Bereich durchfahren wird. Bei einem Diodenzeilenspektrometer mit
512 Dioden erhält man auf diese Weise 512 Werte für den Brechungsindex n( ), verteilt
über den zur Verfügung stehenden Spektralbereich.
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Die Dicke do der Schicht geht in die Auswertung nicht ein; sie beeinflußt
jedoch indirekt die Messung: Mit zunehmender Dicke der Schicht werden die Extrema
schärfer und sind daher genouer bestimmbor, was zu einer genaueren Bestimmung der
Brechzahl führt. Da mit zunehmender Dicke jedoch auch der Wellenlängenabstand der
Extrema kleiner wird, läßt sich die Dicke nicht beliebig vergrößern; sie ist durch
die Auflösung o! des Spektrometers begrenzt.
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Für ein Diodenzeilenspektrometer mit einer Auflösuny A)k = 2nm ist
für 400nm die optische Dicke n-d = 40m noch gerade meßbar. Die notwendige Änderung
der Schichtdicke beträgt ca. 400nm und die Meßgenauigkeit für den Brechungsindex
n ca. 1.10-4.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Fig. 1 bis 2 dorgestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch das
Meßsystem und Fig. 2 eine Darstellung der gesamten Meßeinrichtung.
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In Fig. 1 ist mit 11 eine Flüssigkeit bezeichnet, von welcher der
spektrale Verlauf der Brechzahl gemessen wird. Die Flüssigkeit 11 befindet sich
zwischen zwei planparallelen Platten 12a und 12b, deren gegenseite ger Abstand die
Schichtdicke der Flüssigkeit bestimmt. (Diese ist der
Deutlichkeit
halber sehr viel größer gezeichnet als sie nach den obigen Ausführungen tatsächlich
ist.) Die Platten 12a und 12b sind über das Gehäuse 13 und den piezokeramischen
Zylinder 14 miteinander verbunden.
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Eine an die Elektroden 14a und 14b der Piezokeramik 14 angelegte Sponnung
verändert daher die Schichtdicke der Flüssigkeit 11. Zur Erzeugung von Interferenzen
durch die Grenzflächen 10a und lib zwischen der Flüssigkeit 11 und den Platten 12a
und 12b wird über den Lichtleiterzweig 15a und den gemeinsamen Lichtleiterteil 15
Strahlung zugeführt. Die von den Grenzflächen 11o und lib reflektierte - und miteinander
interferierende Strahlung - wird von dem gemeinsamen Lichtleiterteil 15 und dem
Lichtleiterzweiy 15b einem Diodenzeilenspektrometer zugeführt. Die Lichtleiterzweige
15a und 15b bestehen aus zahlreichen Lichtleitfasern, die im gemeinsamen Lichtleiterteil
15 statistisch miteinander vermischt sind. Zwischen dem stumpfen Ende 15c des gemeinsamen
Lichtleiters 15 und der Platte 12a ist ein Luftabstond 15d, der soeingestellt wird,
daß ein optimaler Signalpegel für die Interferenzen entsteht.
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Zur genauen Messung der Schichtdickenänderung der Flüssigkeit 11 ist
die Platte 12b über ein optisch isolierendes Schworzglas 17 mit der Platte 16a eines
Luftabstands-Fabry-Perot verbunden, dessen zweite Platte 16b fest mit dem Gehäuse
13 verbunden ist. Der Luftabstand 18 zwischen diesen beiden Platten 16a und 16b
ändert sich daher im gleichen Maße wie die Schichtdicke der Flüssigkeit 11. Zur
interferometrischen Bestimmung der Änderung des Luftabstondes 18 wird über den Lichtleiterzweig
19a und den gemeinsamen Lichtleiterteil 19 Strahlung zugeführt. Die von den Grenzflächen
18a und 18b reflektierte Strahlung wird von dem gemeinsamen Lichtleiterteil 19 und
dem Lichtleiterzweig 19b einem Gerät zur Auswertung zugeführt. Auch im Lichtleiterzweig
19 sind die Lichtleitfasern für Zu- und Rückführung der Strahlung statistisch miteinonder
vermischt.
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Fig. 2 zeit den Gesamtaufbau der Meßeinrichtung. Mit 10 ist das mit
Fig. 1 beschriebene Meßsystem bezeichnet. Die Lichtleiterzweige 15a und 19a führen
zu der gemeinsamen Beleuchtungseinrichtung 21 mit der Xenonlampe 21a und dem elliptischen
Hohlspiegel 21b, der den Brennfleck der Xenonlampe auf den gemeinsamen Anfangsteil
21c der Lichtleiterzweige 15a und 19a abbildet. Die vom Meßsystem 10 reflektierte
Strahlung gelangt über den Lichtleiter 15b zu einem bekannten Diodenzeilenspektrometer
22,
das aus dem holografischen Konkavgitter 22a und der Diodenzeile
22b besteht. Letztere ist mit der Elektronikeinheit 22c verbunden1 welche ihre Signale
vorverorbeitet und über die Leitung 22d zur Auswertung an den Rechner 25 weitergibt.
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Die vom Luftabstands-Fabry-Perot reflektierte Strahlung wird - in
dem dargestellten Ausführungsbeispiel - einem zweiten Diadenzeilenspektrome ter
23 zugeführt, welches ebenso aufgebaut sein kann wie das Diodenzeilenspektrometer
22. Die in der Elektronikeinheit 23c aufbereiteten Signole werden über die Leitung
23d ebenfalls an den Rechner weitergegeben und dort ausgewertet. Der Rechner 25
ist ferner mit einer Elektronikein heit 24 verbunden, in der eine regelbare Spannungsdifferenz
für den pie zokeramischen Zylinder 14 erzeugt wird, welche über die Leitungen 24a
und 24b an die Elektroden 14a und 14b gelegt wird.
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Für die Messung des Brechzahlverlaufes in Abhangigkeit von der Wellenlänge
wird dos Gehäuse 13 an der Stelle 13a - in bekannter, nicht näher gezeichneter Weise
- auseinandergenommen und ein Tropfen der Flüssigkeit 11 auf die Platte 12a gebracht.
Nach dem Verschließen des Gehäuses 13 wird z.B. gesteuert vom Rechner 25 durch Anlegen
der regelbaren Spannung an die Piezokeramik 14 die Schichtdicke der Flüssigkeit
in einem vorgegebenem Bereich geändert und gleichzeitig werden die Meßergebnisse
der Diodenzeilenspektrometer 22 und 23 an den Rechner zur Auswertung übertragen.
Eine derartige Messung dauert bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ca. 10 sec.
Nach einer kurzen Rechenzeit für die Auswertung kann der Verlauf der Brechzohl in
Abhängigkeit von der Wellenlänge z.B.
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direkt auf dem Bildschirm 25a des Rechners, auf einem (nicht gezeichneten)
Plotter oder von einem (ebenfalls nicht gezeichneten) Drucker ausgegeben werden.
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Für die Messung von Gasen wird das Meßsystem 10 gasdicht mit einem
Ein-und einem Auslaß ausgeführt. Eine bekannte Druckausgleichkammer sorgt für einen
konstanten Druck trotz Veränderung der Schichtdicke.