DE3422366A1

DE3422366A1 - Spectrometer

Info

Publication number: DE3422366A1
Application number: DE19843422366
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr.-Ing. 8031 Seefeld Ritzl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-07-15
Filing date: 1984-06-15
Publication date: 1985-01-24

Abstract

A spectrometer which consists of a light source, which excites a specimen, and a monochromator whose intensity values detected at the exit slit are further processed in a computer in conjunction with the associated wavelength values is equipped, in order to achieve a large measurement range and a high measurement accuracy, with two secondary electron multipliers and a beam splitter which feeds the second secondary electron multiplier with only a small fraction of the radiation emerging from the monochromator. Via an A/D converter, an electronic switch switches through to the computer the output of that secondary electron multiplier whose output signal is inside the level range that can be evaluated. The computer drives the monochromator repeatedly through the measurement range and stores the measured values individually, which are then processed to form mean values.

Description

Spektrometer spectrometer

Die Erfindung betrifft ein Spektrometer, bestehend aus einer eine Probe anregenden ichtquelle, einem motorisch verstellbaren Monochromator, einem an einer einstellbaren Betriebsspannungsquelle liegenden Sekundärelektronen-Vervielfacher mit nachgeschaltetem A/D-Wandler und einem dessen Ausgangssignale und die zugehörige Wellenlänge speichernden Rechner, der die Stellung des Monochromators steuert und die Betriebsspannungsquelle des Sekundärelektronen-Vervielfachers nach einer gespeicherten Beziehung zwischen der Betriebsspannung und der spektralen Empfindlichkeit des Spektrometers bei der am Monochromator eingestellten Wellenlänge der Strahlung nachregelt.The invention relates to a spectrometer, consisting of a one Sample stimulating light source, a motorized adjustable monochromator, a Secondary electron multiplier connected to an adjustable operating voltage source with downstream A / D converter and one of its output signals and the associated Calculator that stores the wavelength and controls the position of the monochromator the operating voltage source of the secondary electron multiplier after a stored Relationship between the operating voltage and the spectral sensitivity of the spectrometer readjusts the radiation at the wavelength set on the monochromator.

Ein derartiges Spektrometer ist aus der US-PS 4 373 813 bekannt und kann beispielsweise dazu verwendet werden den prozentualen Gehalt der Probe an verschiedenen chemischen Elementen zu bestimmen, da der Ausgangssignalpegel des Sekundärelektronen-Vervielfachers bei auf eine für ein bestimmtes chemisches Element charakteristische Spektrallinie eingestelltem Monochromator ein direktes Maß für die in der Probe vorhandene Menge des betreffenden Elementes ist.Such a spectrometer is known from US Pat. No. 4,373,813 and can be used, for example, to determine the percentage of different samples in the sample chemical elements as the output signal level of the secondary electron multiplier with on a spectral line characteristic of a certain chemical element set monochromator is a direct measure of the amount present in the sample of the element in question.

Da die Breite einer Spektrallinie nur etwa ein Dreihunderttausendstel des zwischen ca. 2000 und 6000 A liegenden Spektrums beträgt, sind für solche Spektrometer hoch auflösende Monochromatoren erforderlich, um nahe benachbarte Linien voneinander trennen und eindeutig einer bestimmten Wellenlänge zuordnen zu können. Geeignete Monochromatoren mit einer Auflösung von bis zu 1,6 Millionen Punkten (bezogen auf eine Drehung von 3600) sind auf dem Markt verfügbar. Aus der US-PS 3 868 499 ist es auch be- reits bekannt, den Monochromator eines Spektrometers rechnergesteuert das Spektrum abfahren zu lassen, wozu der Monochromator mit einem Schrittmotor und einem Stellungsgeber ausgestattet ist.Since the width of a spectral line is only about one three hundred thousandth of the spectrum lying between approx. 2000 and 6000 A are for such spectrometers High resolution monochromators are required to view closely adjacent lines from each other separate and clearly assign a certain wavelength. Suitable Monochromators with a resolution of up to 1.6 million points (based on a rotation of 3600) are available in the market. From U.S. Patent 3,868,499 is it also already known, the monochromator of a spectrometer Computer-controlled to run the spectrum, including the monochromator with a Is equipped with a stepper motor and a position transmitter.

Für gewisse Anwendungen der Spektrometrie, beispielsweise zur spektralanalytischen Bestimmung der Zusammensetzung einer metallurgischen Probe, sind sehr große Meßbereiche von z.B. 0.001 S bis 100 °Ó Gehalt bei gleichzeitig hoher Meßgenauigkeit von 0,5 Promille(bezogen auf den Absolutwert) erforderlich. Mit dem Spektrometer der einleitend angegebenen Gattung kann ein solcher Meßbereich nicht überbrückt und eine solche Genauigkeit nicht erzielt werden, da der Sekundärelektronen-Vervielfacher unter Berücksichtigung des notwendigen Rauschabätandes bei einer gegebenen Betriebshochspannung (bezogen auf einen bestimmten Spektralbereich) ein verwertbares Ausgangssignal höchstens über den Bereich von drei Zehnerpotenzen liefert, also nur einen Meßbereich von z.B. 0,01 °Ó bis 10 °Ó überbrückt.For certain applications of spectrometry, for example for spectral analysis Determining the composition of a metallurgical sample are very large measuring ranges e.g. from 0.001 S to 100 ° Ó content with high measuring accuracy of 0.5 at the same time Per mille (based on the absolute value) required. With the spectrometer of the introductory such a measuring range cannot be bridged and one such Accuracy cannot be achieved because the secondary electron multiplier is below Consideration of the necessary noise margin for a given operating high voltage (based on a certain spectral range) a usable output signal at most supplies over the range of three powers of ten, i.e. only a measuring range of E.g. 0.01 ° Ó to 10 ° Ó bridged.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, das eine zeitsparende und vollautomatische Aufnahme des von der Probe emittierten Spektrums mit einem vergrößerten Meßbereich und einer erhöhten Meßgenauigkeit gestattet.The invention is based on the object of a spectrometer of the introductory specified genre to create a time-saving and fully automatic recording of the spectrum emitted by the sample with an enlarged measuring range and a increased measurement accuracy allowed.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in dem Strahlengang zwischen dem Monochromator und dem Sekundärelektronen-Verviel facher ein Strahlteiler angeordnet ist, der einen kleinen Bruchteil der Strahlungsenergie einem zweiten Sekundärelektronen-Verviel facher zuführt, der ebenfalls an einer über den Rechner nachregelbaren Betriebsspannungsquelle liegt, daß die Ausgänge der beiden Sekundärelektronen-Vervielfacher mit dem Eingang des A/D-Wandlers über einen steuerbaren elektrischen Schalter verbunden sind, dessen Steuereingang mit dem Rechner verbunden ist und daß der Rechner den Monochromator das zu untersuchende Spektrum mehrfach kontinuierlich in abwechselnder Richtung ab fahren läßt und aus den jeweils gespeicherten Einzelwerten der Strahlungsintensität nach Abzug des Hintergrundrauschens einen Mittelwert errechnet.According to the invention, this object is achieved in that in the beam path a beam splitter between the monochromator and the secondary electron multiplier is arranged that a small fraction of the radiant energy to a second Secondary electron multiplier supplies, which is also sent to one via the computer adjustable operating voltage source is that the outputs of the two secondary electron multipliers with the input of the A / D converter via a controllable electrical Switches are connected, the control input of which is connected to the computer and that the computer the monochromator the spectrum to be examined several times continuously in alternating directions and from the individual values stored in each case a mean value is calculated for the radiation intensity after subtracting the background noise.

Durch die Verwendung von zwei Sekundärelektronen-Vervielfachern wird hierbei ein großer Meßbereich von ca.By using two secondary electron multipliers, a large measuring range of approx.

sechs Zehnerpotenzen erzielt, während das mehrmalige Ab-Abfahren des untersuchten Spektrums und die nachfolgende Mittelwertbildung die hohe Meßgenauigkeit gewährleisten. Diese läßt sich noch dadurch steigern, daß mehrere Linien pro Element gemessen werden und daß bei der Mittelwertbildung berücksichtigt wird, daß die einzelnen Meßwerte eine Gauss'sche Verteilung haben müssen. Auf diese Weise können insbesondere auch sehr kleine Gehalte gemessen werden, also sehr schwache Linien, die sich nur sehr wenig über den Untergrund erheben, also einen sehr geringen Rauschabstand haben.six powers of ten achieved, while repeatedly starting the examined spectrum and the subsequent averaging the high measurement accuracy guarantee. This can be increased by having several lines per element be measured and that when averaging is taken into account that the individual Measured values must have a Gaussian distribution. In this way, in particular very small contents can also be measured, i.e. very faint lines that are only visible raise very little above the ground, i.e. have a very low signal-to-noise ratio.

In der Zeichnung ist ein Emissionsspektrometer nach der Erfindung in einer beispielsweise gewählten Ausführungsform schematisch vereinfacht in einem Blockschaltbild dargestellt. Eine Lichtquelle 1, beispielsweise eine Glimmentladungslampe, regt eine Probe 2 an. Die emittierte Strahlung durchläuft einen Monochromator 3, der als kontinuierlich durchstimmbares Filter wirkt. Hierzu treibt ein von einem Rechner 9 gesteuerter Schrittmotor 4 das bewegliche Gitter des Monochromators 3 an, dessen Stellung über einen Stellungsgeber 3a an den Rechner 9 rückgemeldet wird.In the drawing is an emission spectrometer according to the invention in an embodiment chosen for example, schematically simplified in one Block diagram shown. A light source 1, for example a glow discharge lamp, stimulates sample 2. The emitted radiation passes through a monochromator 3, which acts as a continuously tunable filter. To do this, one drives one from one Computer 9 controlled stepper motor 4 the movable grid of the monochromator 3 on, the position of which is reported back to the computer 9 via a position transmitter 3a.

Die aus dem Monochromator 3 austretende Strahlung trifft auf einen ersten Sekundärelektronen-Vervielfacher 5a. Im Strahlengang liegt eineStrahiteiler 10, der beispielsweise ein Tausendstel der Strahlung in Richtung auf einen zweiten Sekundärelektronen-Vervielfacher 5b ablenkt, dessen Achse rechtwinklig zu der Achse des ersten Sekundärelektronen-Vervielfachers 5a verläuft. Der Strahlteiler 10 kann vorteilhaft aus einem dünnen blanken Draht bestehen.The radiation emerging from the monochromator 3 hits you first secondary electron multiplier 5a. A beam splitter is located in the beam path 10, for example, a thousandth of the radiation towards a second Secondary electron multiplier 5b deflects, the axis of which is perpendicular to the axis of the first secondary electron multiplier 5a. The beam splitter 10 can advantageously consist of a thin bare wire.

Die Sekundärelektronen-Vervielfacher 5a und 5b liegen an getrennten Hochspannungsquellen 6a und 6b. Der von diesen Hochspannungsquellen gelieferte Betriebsspannungswert legt den Empfindlichkeitsbereich des betreffenden Sekundärelektronen-Vervielfachers fest. Die Hochspannungsquellen 6a bzw. 6b sind daher so eingestellt, daß der Sekundärelektronen-Vervielfacher 5a z.B. ein Ausgangssignal von 0,01 bis 10 V entsprechend einem Gehalt von 07 1 bis 100 °Ó und der Sekundärelektronen-Vervielfacher 5b ein Ausgangssignal von 0,1 bis 10 V entsprechend einem Gehalt von 0,001 °Ó bis 0,1 liefert. Da die Sekundärelektronen-Vervielfacher eine von der einfallenden Lichtwe,llenlänge abhängige Empfindlichkeit haben, können die von den Hochspannungsquellen an ihre zugehörigen Sekundärelektronen-Verviel facher abgegebenen Betriebsspannungen über den Rechner 9 gesteuert werden. In dem Rechner 9 ist hierzu der Zusammenhang zwischen der Wellenlänge und der zugehörigen Empfindlichkeit der Sekundärelektronen-Vervielfacher abgespeichert.The secondary electron multipliers 5a and 5b are located on separate ones High voltage sources 6a and 6b. The operating voltage value supplied by these high voltage sources defines the sensitivity range of the secondary electron multiplier in question fixed. The high voltage sources 6a and 6b are therefore set so that the secondary electron multiplier 5a e.g. an output signal of 0.01 to 10 V corresponding to a content of 07 1 up to 100 ° Ó and the secondary electron multiplier 5b has an output signal of 0.1 supplies up to 10 V corresponding to a content of 0.001 ° Ó to 0.1. Because the secondary electron multiplier have a sensitivity that depends on the length of the incident light those from the high voltage sources to their associated secondary electron multiplication times the operating voltages output can be controlled via the computer 9. By doing For this purpose, computer 9 is the relationship between the wavelength and the associated wavelength The sensitivity of the secondary electron multiplier is stored.

Die Signalausgänge der Sekundärelektronen-Vervielfacher 5a und 5b sind mit zwei getrennten Eingängen eines elektronischen Schalters 7 verbunden, dessen Ausgang über einen A/D-Wandler 8 mit dem Rechner 9 verbunden ist.The signal outputs of the secondary electron multipliers 5a and 5b are connected to two separate inputs of an electronic switch 7, its Output is connected to the computer 9 via an A / D converter 8.

Der Schalter 7 schaltet jeweils den Ausgang desjenigen Sekundärelektronen-Vervielfachers durch, dessen Ausgangssignal den größeren Wert hat, ohne den zulässigen Maximalwert von beispielsweise 10 V zu überschreiten, jenseits dessen der Sättigungs- oder Übersteuerungsbereich beginnt. Der Rechner 9 erhält über die Leitung 7a eine Information über die augenblickliche Stellung des Schalters 7, sofern dieser selbsttätig entscheidet, welcher Ausgang der Sekundärelektronen-Vervielfacher zu dem A/D-Wandler durchgeschaltet wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, diese Entscheidung von dem Rechner 9 treffen zu lassen, der dann über die Leitung 7a den Schalter 7 in die entsprechende Stellung bringt.The switch 7 switches the output of each Secondary electron multiplier whose output signal has the larger value, without the permissible maximum value of, for example, 10 V, beyond which the saturation or overdrive range begins. The computer 9 receives information about the instantaneous via the line 7a Position of switch 7, provided that it automatically decides which output the secondary electron multiplier is switched through to the A / D converter. One Another possibility is for the computer 9 to make this decision let the switch 7 via line 7a in the appropriate position brings.

Selbstverständlich sind in diesem Bereich auch andere elekronische Lösungen möglich. Insbesondere können den Ausgängen der Sekundärelektronen-Vervielfacher 5a, 5b getrennte A/D-Wandler nachgeschaltet sein, die wiederum beide mit dem Rechner 9 verbunden sind, der die Entscheidung trifft, welches Wandlerausgangssignal weiterverarbeitet werden soll.Of course there are also other electronic ones in this area Solutions possible. In particular, the outputs of the secondary electron multiplier 5a, 5b separate A / D converters are connected downstream, which in turn both with the computer 9 are connected, which makes the decision as to which converter output signal is processed further shall be.

In dem Rechner 8 werden die gemessenen Intensitätswerte in Verbindung mit den zugehörigen Wellenlängen gespeichert und zwar bei mehrmaligem Durchfahren des Spektrums in getrennten Speicherplätzen. Gleichzeitig wird der zu den gemessenen Spektrallinien gehörende Wert des Untergrundes gespeichert. Die abgespeicherten Werte werden nach Beendigung des Meßprogrammes in Mittelwerte und diese sodann in Prozentwerte umgerechnet, die dann z.B. ausgedruckt werden.In the computer 8, the measured intensity values are combined stored with the associated wavelengths, namely when driving through it several times of the spectrum in separate memory locations. At the same time, it becomes the measured The value of the background belonging to the spectral lines is saved. The saved After the end of the measuring program, values are converted into mean values and these are then converted into Percentages converted, which are then e.g. printed out.

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Claims

Claim: 1. Spectrometer, consisting of a sample that excites Light source, a motorized adjustable monochromator, one on an adjustable one Operating voltage source lying secondary electron multiplier with a downstream A / D converter and one of its output signals and the associated wavelength Computer that controls the position of the monochromator and the operating voltage source of the secondary electron multiplier according to a stored relationship between the operating voltage and the spectral sensitivity of the spectrometer in the readjusts the wavelength of the radiation set on the monochromator, characterized in that that in the beam path between the monochromator (3) and the secondary electron multiplier (5a) a beam splitter (10) is arranged, which a small fraction of the radiant energy a second secondary electron multiplier (5b) feeds, which is also connected to a About the computer (9) adjustable operating voltage source (6b) is that the Outputs of the two secondary electron multipliers (5a, 5b) with the input of the A / D converter (8) are connected via a controllable electrical switch (7), whose Control input is connected to the computer (9) and that the computer is the monochromator (3) the spectrum to be examined several times continuously in alternating directions and from the individual values of the radiation intensity stored in each case a mean value is calculated after subtracting the background noise.

2. Spectrometer according to claim 1, characterized in that the beam splitter (10) consists of a thin wire.