DE3339006A1

DE3339006A1 - Schlitzmechanismus zur verwendung in einem monochromator

Info

Publication number: DE3339006A1
Application number: DE19833339006
Authority: DE
Inventors: Osamu Akiyama; Rikuo Kyoto Hira
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1982-10-29
Filing date: 1983-10-27
Publication date: 1984-05-03
Anticipated expiration: 2003-10-28
Also published as: GB8327842D0; US4575242A; GB2131200A; JPS5979819A; GB2131200B; DE3339006C2

Description

IIEDTKE - DÜHLING - IVlISfNp- I^R-UPI- J-J «J Vector Mm em

Π /% ···· O "-*.." '..·'..* Dipl.-Ing. H.Tiedtke Γ

KLLMANN - VaRAMS " OTRUIF Dipl.-Chem. G. Bühling

O ο O Q η η c Dipl.-Ing. R. Kinne

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Dipl.-Ing. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

Bavariaring 4, Postfach 20 2403 8000 München 2

Tel.:089-539653 Telex: 5-24845 tipat Telecopier: 0 89-537377 cable: Germaniapatent München

27. Oktober 1983 DE 3406 / case Shimadzu-70

Shimadzu Corporation
Kyoto, Japan

Schlitzmechanismus zur Verwendung in einem Monochromator

Die Erfindung bezieht sich auf einen Schlitzmechanismus zur Verwendung in einem Monochromator, bei dem die Schlitzbreite verändert wird, indem wahlweise ein Schlitz aus einer Vielzahl von Schlitzen verwendet wird, von denen jeder seine eigene festgesetzte Breite hat.

Bei einem bekannten Schlitzmechanismus, bei dem viele

Schlitze mit einer festen Breite zur wahlweisen Verwendung ausgetauscht werden, haben alle Schlitze die gleiche Höhe, die in Abhängikeit der Höhe des Schlitzes mit der kleinsten Breite festgesetzt ist. Diese Festsetzung hat jedoch keine zu begründende theoretische Grundlage. Um ein ausreichendes Auflösungsvermögen der Wellenlänge zu erhalten, wird ein Schlitz mit enger Breite verwendet. Falls ein Schlitz eine zu große Höhe hat, verringert die Krümmung des Spektralbildes des Schlitzes entlang seiner Höhe während der Messung die Monochromasie des Ausgangslichts. Deshalb wird die Höhe des Schlitzes in Hinsicht darauf bestimmt, eine erforderliche Wellenlängenauflosung zu erhalten. Zum

Df eidner Bank (München) Kto 3939 844 Bayer Voreinsbank (Munchnm KIo 508 941 Postscheck (München) KIo. 670-43-804

F/24

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Erreichen einer hohen Intensität wird ein Schlitz mit großer Breite ausgewählt. In diesem Fall wird jedoch das Auflösungsvermögen durch eine Vergrößerung der Schlitzbreite vermindert, und es .."]ibt keinen Gestaltungsfaktor, mit dem die Höhe eines jeden Schlitzes bestimmt wäre, so daß die Höhe sämtlicher Schlitze einfach so festgesetzt ist, daß sie mit derjenigen des Schlitzes kleinster Breite übereinstimmt .

Die Intensität des Ausgangs 1ichts, das aus einem Monochrommator austritt, ist proportional zum Quadrat der Breite des Austrittsschlitzes. Falls insbesondere der Eintritts- und Austrittsschlitz eine Höhe h und eine Breite w hat, ist die Intensität des aus dem Austrittsschlitz kommenden Lichts durch Khw gegeben,wobei K eine Konntante ist. Falls deshalb die Breite des Schlitzes bei unveränderter Höhe verdoppelt wird, wird die Intensität des Ausgangslichts vervierfacht, und falls die Höhe des Schlitzes mit der doppelten Breite halbiert wird, verringert sich die Intensität des Lichts aus dem Schlitz um die Hälfte, d. h. , wird auf das zweifache der ursprünglichen Intensität verringert.

Andererseits streut die Oberfläche eines Beugungsgitters das darauf auftreffende Licht beträchtlich, und ein Teil des gestreuten Lichts erreicht den Austrittsschlitz als Streulicht, das die Spektralmessung stört. Bei einem Monochromator verursacht das von verschiedenen anderen optischen Elementen^wie z. B. Kollimationsspiegel und die innere Wandlungsfläche des Gehäuses,gestreute Licht zusätzlich

^ow: zum oben erwähnten vom Beugungsgitter gestreuten Licht Streulicht. Die Menge des Streulichts ist proportional sowohl zur Menge des auf das Beugungsgitter und andere Elemente aufgetroffenen Lichts als auch zur Fläche des Austrittsschlitzes, d. h., zum Quadrat der Schlitzbreite w und zum

qc 2 2

Quadrat der Schlitzhöhe h und ist gegeben durch K'h w , wo-

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bei K¹ einf} Konstante ist. Deshalb ergibt sich für das Verhältnis der Intensität des Streulichts zu der des austretenden Lichts, d. h. für das Streulicht maß P: P = K·h²w²/Khw² =^rK'/K)h.

Falls die Schiitzbreite verdoppelt wird, werden sowohl die Intensität des erhaltenen Spektrums als auch die Intensität den Streulichts vervierfacht, d. h. viermal die mit der ursprünglichen Schlitzbreite erhaltene Intensität, so daß das

IQ Streulichtmaß P unverändert bleibt. Falls jedoch die Höhe beider Schlitze halbiert wird, wird die Intensität des Spektrums halbiert bzw. wird zum zweifachen der mit der ursprünglichen Schlitzhöhe erhaltenen Intensität, da 4 χ 1/2=2, während die Intensität des Streulichts auf 1/4 reduziert wird oder gleich der mit der ursprünglichen Schlitzhöhe erhaltenen Intensität wird, da 4 χ (1 / 2) = 1, so daß das Streulichtmaß P auf die Hälfte des Maßes bei der ursprünglichen Schlitzhöhe reduziert ist.

Bei herkömmlichen Monochromatoren, bei denen die Schlitzbreite variabel ist, wurde das Streulicht nicht in Betracht gezogen und die Schlitzhöhe unverändert beibehalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schlitzmechanismus für einen Monochromator zu schaffen, durch den die oben erwähnten Nachteile vermieden sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Hierbei sieht die Erfindung ausgehend von dem Prinzip, daß das Streulichtmaß proportional zur Höhe des Schlitzes ist, einen Schlitzmechanismus zur Verwendung in einem Monochrommator vor, bei dem sowohl die Höhe als auch die Breite des Schlitzes verändert werden kann. Der Schlitzmechanismus um-

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faßt eine Vielzahl von Schiitzpaaren, die in einer Schlitzscheibe aus festem, lichundurchlässigem Werkstoff, die um eine Achse drehbar ist, gebildet sind. Dip bei dpη Schi it ^o jeden Paares haben die gleiche Breite und die gleiche Hohe, und jedes Schlitzpaar unterscheidet, sich in der Breite von den anderen Schlitzpaaren. Der Schlitzmechanismus umfaßt ferner wenigstens ein zusätzliches Schlitzpaar :nit der gleichen Breite, jedoch einer anderen Höhe wie ein bestimmtes Schlitzpaar aus der Vielzahl der Schlitzpaare. 10

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind alle Schlitzpaare auf der Scheibe am Umfang eines zur Drehachse der Scheibe konzentrischen Kreises so angeordnet, daß sich die Schlitze eines jeden Paares diametral auf dem ^ Kreis gegenüber liegen und hierdurch als ein Eintritts- bzw. Austrittsschlitz für den Monochromator dienen.

Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Schlitze auf der Scheibe am Umfang zweier

Kreise mit verschiedenen Durchmessern angeordnet, die konzentrisch zueinander und zur Drehachse der Schlitzscheibe sind, so daß ein Schlitz eines jeden Paares auf dem einen konzentrischen Kreis liegt, während der andere Schlitz dieses Paares auf dem anderen Kreis diametral gegenüber dem einem Schlitz liegt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand schematischer Zeichnungen ausführlich erläutert. Es

zeigen:
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Fig. 1 eine Ausführungsform einer Schlitzscheibe in Vorderansicht zusammen mit einer schematischen perspektivischen Ansicht eines Beugungsgitter,

Fig. 2 eine Fig. 1 ähnliche Ansicht, die eine weitere Aun-

- 8 - . DE 3406 f iihrungif orm der Schi i tzscheibe darstellt, und

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Monochromator, der die Schlitzscheibe gemäß den Fig. 1 oder 2 verwendet.

fiq. 1 zeigt eine Schlitzscheibe D aus festem, lichtundurchlänsigem Material, die um eine Achse 0 drehbar ist. Mehrere Schlitzpaare 1, I¹; 2, 2⁽; 3, 3¹; 4, 4¹; 5, 5^f; 5a, 5a'; 6, 6'; 6a, 6a¹ sind in der Scheibe ausgebildet und entlang

IQ eines zur Achse 0 konzentrischen Kreises auf der Scheibe unter einem geeigneten Winkelabstand voneinander entfernt. Beide Schlitze eines jeden Paares, die auf diametral gegenüberliegenden Seiten des Kreises liegen, haben die gleiche Breite und die gleiche Höhe. Ein Schlitz eines jeden Schlitzpaares ist ein Eintrittsschlitz, während der andere ein Austrittsschlitz ist.

In Fig. 1 nehmen die Schlitze 3 und 3' eine Betriebsstellung ein, wobei ein Lichtstrahl L aus einer Quelle (nicht gezeigt) durch den Eintrittsschlitz 3 hindurch auf ein Gitter G auftrifft und dadurch in verschiedene Wellenlängen gestreut wird, von denen eine ausgewählte durch den Austrittsschlitz 3' hindurch geht. Wie leicht ersichtlich ist, kann jedes gewünschte Schlitzpaar in die Betriebsposition gebracht werden, in dem die Schlitzscheibe D um einen entsprechenden Winkel gedreht wird.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Schlitze und 1' die engste Breite, die einer spektralen Bandbreite von 0,2nm entspricht; die Schlitze 2 und 2' haben die zweitengste Breite entsprechend einer spektralen Bandbreite von 0,5nm; die Schlitze mit größer werdenden Bezugszeichen haben eine größer werdende Breite, die in dieser Reihenfolge einer spektralen Bandbreite von 1, 2, 3 bzw. 5nm entspricht.

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Es gibt zwei Schlitzpaare 6, 6' und 6n, 6a¹, die die gl eic ti e größte Breite von 5nm haben. Die Schlitze 6 ur.-i 6' haben Standardhöhe, während die Schlitze 6a und 6a¹ halbe Standardhöhe haben. Ähnlich haben die Schlitze 5 und 5' die zweitgrößte Breite von 3nm und die Standardhöhe, während die Schlitze 5a und 5a' ebenfalls die zweitgrößte Breite 3nm und die halbe Standardhöhe haben. Hierbei ist die Standardhöhe diejenige Höhe, die die Schlitze mit Breiten von 0,2; 0,5; 1 bzw. 2nm aufweisen.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel drr Erfindung, bei demeine Schlitzscheibe D mit einer Vielzahl von Schlitzen

1, I¹, la, la¹, 2, 2\ 2a, 2a¹, 3, 3', ,η, η¹, η , η

a a

versehen ist, die entlang zweier zueinander und zur Achse 0 der Schlitzscheibe D konzentrischer Kreise unterschiedlichen Durchmessers angeordnet sind. Wenn die 5chlitze 1, la, 2, 2a, 3, 3a,...., η, η auf dem äußeren Kreis als Eintrittsschlitz in Betrieb sind, arbeiten die Schlitze 1', la¹, 2', 2a¹, 3', ....η', η , auf dem inneren Kreis als Austrittsschlitze. Da?:

heißt, jeder der Schlitze auf einem der Kreise ist mit demjenigen der Schlitze auf dem anderen Kreis gepaart, der die gleiche Breite und die gleiche Höhe hat, wobei sich diese beiden Schlitze diametrisch gegenüberliegen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 gibt es acht verschiedene Schlitzbreiten, d.h. 0,1; 0,2; 0,3; 1; 2; 3; A und 5nm, und es sind zwei verschiedene Schlitzhöhen vorhanden, -wobei die kleinere Höhe 1/3 der größeren Höhe ist.

Wie bekannt ist, ermöglicht im allgemeinen bei der Absorbtions-Sepktralphotometrie -Analyse, die ein Spektralphotometer verwendet, eine Schlitzbreite, die kleiner als 1/10 der halben Bandbreite einer Absorbtionsspektrumspitze ist, eine Messung mit einem ausreichend hohen Maße an Zuverlässigkeit.

Bei Absorbtionsspektren im sichtbaren und ultravioletten

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Bereich liegt die halbe Bandbreite zwischen 20 und 50nm, so daß die Messung gewöhnlich mit einer Schlitzbreite von 2 bis 5nm ausgeführt wird.

Die Schlitzscheibe gemäß Fig. 1 ist mit zwei Schlitzpaaren von 5nm Breite mit einer größeren und kleineren Höhe versehen. Wie zuvor erwähnt^wird, falls die Höhe eines Schlitzes auf die halbe Standardhöhe reduziert ist,das Streulichtmaß auf die Hälfte dessen verringert, das von einem Schlitz mit der Standardhöhe x&sultiert, so daß die Beziehung zwischen der Konzentration und der Absorbtion eines Musters im wesentlichen linear gehalten werden kann, bis eine hohe Absorbtion erreicht ist.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Monochromator MC, der mit einem erfindungsgemäßen Schlitzmechanismus versehen ist. Der Monochromator umfaßt ein Gehäuse H, das in einer Endwandung W ein Paar von Öffnungen H, und H _? hat. Eine fest auf einer , Welle SF angebrachte Schlitzscheibe D ist neben der inneren Fläche der Endwandung W angeordnet, so daß das Licht L aus piner Lichtquelle (nicht gezeigt) durch die Öffnung H. in das Gehäuse eintritt und durch einen der Schlitze in der Schlitzscheibe hindurchgeht Der durch den Schlitz hindurchgehende Lichtstrahl wird an einem Spiegel M-, der nahe der gegenüberliegenden Endwandung des Gehäuses angeordnet ist, reflektiert und trifft auf ein Beugungsgitter G auf.

Das Beugungsgitter streut das Licht in verschiedene Wellenlängen, die durch einen weiteren Spiegel M„ reflektiert werden, der nahe der gegenüberliegenden Endwandung des Gehäuses so angeordnet ist, daß der reflektierte Lichtstrahl die Schlitzscheibe D erreicht, woraufhin das monochromatische Licht L¹ einer ausgewählten Wellenlänge durch denjenigen entsprechenden der Schlitze in der Schlitzscheibe geht, der mit dem zuvor erwähnten Schlitz gepaart ist, durch den das

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lLicht L in den Monochromη tor eingetreten ist; anschließend tritt das monochroma1ι sehe Lieh
Gehäuse des Monochromators aus.

tritt das monochromatische Licht durch die anctereÖ f f nung H_ im

Die Welle SF der Schlitzscheibe D wird durch einen Impulsmotor M gedreh** , dessen Drehung von einer Steuereinrichtung TL gesteuert wird, wodurch ein ausgewähltes Schlitzpaar in den optischen Weg des Monochromators gebracht wird.

fit dem erfindungsgemäßen Schlitzmechanismus ist es möglich, nicht nur die Breite,sondern auch die Höhe des Schlitzes zu verändern und wahlweise zwei Arten von Messungen auszuführen: Eine mit einer erhöhten Ausgangslichtintensität und einem hohen Maß an _mpfindlichkeit, und eine andere mit einem verringerten Streulichtmaß und einem hohen optischen Signal-Störspannungsverhältnis.

Offenbart ist ein Schlitzmechanismus zur Verwendung in einem Monochromator, der in der Lage ist, nicht nur die Schlitzbreite, sondern auch die Schlitzhöhe zu verändern. Der Schlitz·

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^w mechanismus ist mit einer Vielzahl von Schlitzpaaren in einer um eine Achse drehbaren Scheibe versehen. Beide Schlitze eines jeden Paars haben die gleiche Breite und die gleiche Höhe, und jedes Schlitzpaar hat bezüglich der anderen Paare eine unterschiedliche Breite. Der Schlitzmechanismus ist ferner wenigstens mit einem zusätzlichen Schlitzpaar versehen, das die gleiche Breite, jedoch eine unterschiedliche Höhe wie ein bestimmtes Paar aus der Vielzahl von Schlitzpaaren hat. Alle Schlitzpaare sind am Umfang eines zur Drehachse der Scheibe konzentrischen Kreises auf der Scheibe angeordnet, so

daß sich die Schlitze eines Paars diametral auf dem Kreis gegenüberliegen und dadurch als Eintritts- bzw. Austrittsschlitz für den Monochromator dienen. Die Schlitze können auch auf einer Scheibe am Umfang zweier Kreise verschiedenen Durchmessers angeordnet sein, die konzentrisch zueinander und zur Drehachse der Scheibe sind, so daß ein Schlitz jedes

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1 Paaren auf" einem der beiden Kreise ist, während der andere Sch]it/ dieses Paares auf dem anderen Kreis diametral gegenüber des einen Schlitzes liegt.

Claims

Ί" ^. D-. 1^.**. ***! /TS .*\* .".'"I Patentanwälte und gm

IEDTKE - DUHLING - Ι\Μ\Ι·Νρ - CJFfe'Jl?F: . ·. ·. Vertreter beim EPA *jj

w\ f\. ····*% -I.*-.* "..**..* Dipl.-Ing. H Tiedtke I ΓΈίίΜΑΝΝ - V3RAMS - OTRUIF

Dipl.-Chem G. Buhling

Ο ο ο Q Π η C ^Dipl· ^lng- ^{R Kinne} O O O ο U U D Dipl.-Ing. R Grupe

Dipl.-Ing. B Pellmann Dipl.-Ing. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

Bavariaring 4, Postfach 2C 8000 München 2

Tel.: 089-5396 Telex: 5-24845 tipat Telecopier: O 89 537377 cable: Germaniapatent Mi

27. Oktober 198

S h i m a d /. ti C ο r ρ ο r a t ion

DU 3406 / case fjhj ma d/u- 7 Π

Patentansprüche

.-)Schlitzmechani.smus zur Verwendung in einem Monochromator, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Schlit/-paaren (I, 1',...6a, 6a¹), wobei die beiden Schlitze eines jeden Paars die gleiche Breite und die gleiche Höhe haben und jedes Paar bezüglich der anderen Paare eine unterschiedliche Breite hat, und durch mindestens ein zusätzlicher; Paar von Schlitzen (6a, 6a') mit der gleichen Breite wie, jedoch einer anderen Höhe als ein bestimmtes anderes Paar (6, 6') aus der Vielzahl von Schlitzpaaren, un1 durch eine Einrichtung (D) zur Bildung der Schlitze.
2. Schiitzmechanismui nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (D) eine Scheibe nun festem, lichtundurchlässigem Werkstoff umfafit, die um eine Achse (0) drehbar ist.
3, Schlitzmechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß pile Schlitzpaare (1, Γ, ... 6a, 6a') auf der Scheibe (D) am Umfang eines mit der Achse (0) konzentrischen Kreises so angeordnet sind, daß jedes Sehlitzpanr mit der gleichen Breite und der gleichen Höhe diametral gegenüber auf dem Kreis angeordnet ist, und somit als Fintritts-

hn^ Ki < =,0H "Mi

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und Austrittsschlitz für den Monochromator (MC) dient.
4. Schlitzmechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Schlitzpaare am Umfang zweier zueinander und zur Achse (0) konzentrischer Kreise mit unterschiedlichen Durchmessern angeordnet sind, so daß ein Schlitz eines jeden Schlitzpaars auf dem einen der konzentrischen Kreise liegt, während dessen anderer Schlitz diametral gegenüber des einen Schlitzes auf dem anderen konzentrischen Kreis liegt.
5. Monochromator, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle, eine Einrichtung (G) zur Streuung des Lichts (L) aus der Lichtquelle in verschiedene Wellenlängen, eine Einrichtung (M₁) zur Führung des Lichts (L) zur Streueinrichtung entlang eines ersten optischen Wegs, eine Einrichtung (M„) zur Führung des gestreuten Lichts (L¹) entlang eines zweiten optischen Wegs, einen Schlitzmechanismus gemäß Anspruch 3, der so angeordnet ist, daß sich ein Schlitz eines ausgewählten Paars von Schlitzpaaren in einem der beiden optischen Wege befindet, während sich gleichzeitig der andere Schlitz des ausgewählten Schlitzpaars im anderen optischen Weg befindet, eine Einrichtung (M, S, F) zur Drehung der Scheibe (D) des Schlitzmechanismus so, daß das eine Schlitzpaar im ersten und zweiten optischen Weg durch ein anderes aus den Schlitzpaaren ausgewähltes Schlitz paar ersetzt ist, und durch eine Einrichtung (CL) zur Steuerung des Betriebs der Dreheinrichtung.
6. Monochromator, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle, eine Einrichtung (G) zur Streuung des Lichts (L) aus der Lichtquelle in verschiedene Wellenlängen, eine Einrichtung (M₁) zur Führung des Lichts (L) zur Streueinrichtung entlang eines ersten optischen Weqs, eine Einrichtung (M..} zur Führung des gestreuten Lichts (L') entlang eines

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zweiten optischen Wegs, einen Srhl i t /mechanismun gemäß Anspruch 4, der so angeordnet ist, daß sich ein Schlitz einrs ausgewählten Paars von Schlitzpnaron in einem dor beiden optischen Wege befindet, während sich gleichzeitig dor andere Schlitz des ausgewählten Schlitzpaars im anderen optischen Weg befindet, eine Einrichtung (M, S, F) zur Drehung der Scheibe (D) des Schlitzmechanismus so, daß das eine Schlitzpaar im ersten und zweite.n optischen Weg . durch ein anderes aus den Schlitzpaaren ausgewähltes Schlitz· \q paar ersetzt ist, und durch eine Einrichtung (CL) zur Steuerung des Betriebs der Dreheinrichtung.

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