DE4104316A1 - Probenaufnahme fuer spektralphotometer - Google Patents
Probenaufnahme fuer spektralphotometerInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Probenaufnahme zum Aufnehmen
von flüssigen oder gasförmigen Proben, die einer
Anregungsstrahlung ausgesetzt werden und deren dadurch
angeregte Strahlung mittels eines Spektralphotometers
analysiert wird.
Die Erfindung ist überall dort anwendbar, wo in einer
Probe durch eine Anregungsstrahlung eine angeregte
Strahlung erzeugt und spektralphotometrisch analysiert
wird. Besonders vorteilhaft ist jedoch die Anwendung der
Erfindung bei laserinduzierter Fluoreszenz- und Raman
spektroskopie.
Es ist bekannt, daß der Raman-Effekt extrem schwach ist
und daher ausgeklügelte Techniken erforderlich sind, das
Auffangen der gesuchten Raman-Streustrahlung zu optimieren
und Rayleigh-Streuung möglichst zu unterdrücken. Beide
Arten von Streuung entstehen dadurch, daß eine Anregungs
strahlung auf die Moleküle der Probe trifft. Der
wesentliche Unterschied ist jedoch, daß bei der Raman-
Streuung die Anregungsstrahlung in der Probe durch die
Moleküle unelastisch gestreut wird, wohingegen bei der
Rayleigh-Streuung eine elastische Streuung erfolgt. Bei
der Raman-Streuung ist die angeregte, d. h. gestreute,
Strahlung durch das streuende Molekül modifiziert. Ein
Lichtquant der Anregungsstrahlung kann entweder einen Teil
seiner Energie an das Molekül abgeben, oder es kann innere
Energie des Moleküls auf das gestreute Lichtquant
übertragen werden. Dadurch enthält die angeregte Strahlung
bei der Raman-Streuung Informationen über Schwingungs
oder Rotationszustände der Moleküle in der Probe. Diese
Information kann durch Abtasten des Raman-Spektrums erfaßt
werden. Die Rayleigh-Streuung enthält keine derartige
Information. Diese Rayleigh-Streuung liefert daher nur
unerwünschten Untergrund zu den Raman-Spektren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Geräten oder
Verfahren, bei denen durch Anregungsstrahlung in der Probe
eine angeregte Strahlung erzeugt wird, die Empfindlichkeit
der Spektralanalyse solcher angeregter Strahlung zu
erhöhen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Probenauf
nahme der eingangs definierten Art durch die in den
Patentansprüchen 1 und 9 angegebenen Maßnahmen gelöst.
Der Hohlspiegel hat dabei eine zweifache Wirkung: Ein
Bündel von Anregungsstrahlung wird bei geeignetem
Einfallswinkel in dem Hohlspiegel mehrfach oder vielfach
reflektiert. Die Anregungsstrahlung tritt daher wiederholt
durch die Probe hindurch. Dadurch wird die Wahrscheinlich
keit einer Wechselwirkung zwischen Photon und Molekül und
damit die Intensität der Raman-Streuung erhöht. Außerdem
wird die angeregte Strahlung integriert. Die Anzahl der
Reflexionen der Anregungsstrahlung an dem Hohlspiegel wird
umso größer, je kleiner die Öffnung des Hohlspiegels ist.
Andererseits wird der Fluß der aus der Öffnung
austretenden angeregten Strahlung umso kleiner, je kleiner
die Öffnung ist. Für den Raumwinkel des Hohlspiegels
ergibt sich daher ein Optimum. Es hat sich gezeigt, daß
ein solches Optimum erhalten wird, wenn der Anteil der
spiegelnden Oberfläche des Hohlspiegels in einem Bereich
zwischen 80 und 97 Prozent der Gesamtfläche liegt.
Die Erfindung betrifft auch ein Spektralphotometer, das
mit einer Probenaufnahme der vorstehend erläuterten Art
ausgerüstet ist. Ein solches Spektralphotometer kann vor
zugsweise ein Fouriertransformations-Spektralphotometer
sein, wie es z. B. in der DE-OS-35 26 628 beschrieben ist.
Es ist dabei wesentlich, daß durch ein sammelndes
optisches System die Öffnung des Hohlspiegels angepaßt auf
der Blendenöffnung des Spektralphotometers abgebildet
wird. Ein solches Spektralphotometer ist Gegenstand der
Patentansprüche 19 und 22.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Spektral
photometrie unter Verwendung einer Probenaufnahme der
vorerwähnten Art. Ein solches Verfahren ist Gegenstand der
Patentansprüche 32 und 33.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unter
ansprüche.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend
unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher
erläutert.
Fig. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung
und zeigt eine Abwandlung eines Fourier
transformations-Spektralphotometers, wie es in
der DE-OS 35 26 628 dargestellt ist mit einer
Probenaufnahme zum Erfassen angeregter Strahlung
und einem Laser zur Erzeugung von Anregungs
strahlung.
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung einer
Probenaufnahme bei der Anordnung von Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht im Schnitt einer
abgewandelten Ausführung der Probenaufnahme.
Fig. 3A zeigt einen Horizontalschnitt der Probenaufnahme
von Fig. 3.
Fig. 4 ist eine perspektivische Darstellung einer
weiteren Ausführung einer Probenaufnahme.
Fig. 4A ist eine vergrößerte, perspektivische Darstellung
einer Probenküvette in einer Probenaufnahme von
Fig. 4.
Fig. 5 ist eine idealisierte Darstellung der
Integrationswirkung des Hohlspiegels bei einer
Probenaufnahme der vorliegenden Art.
Fig. 6 ist ein Diagramm und zeigt die Änderungen der
Intensität der angeregten Strahlung an der
Jacquinot-Blende eines mit einer Probenaufnahme
zusammenwirkenden Raman-Fouriertransformations-
Spektralphotometers in Abhängigkeit vom Durch
messer der Jacquinot-Blende.
Die in Fig. 1 dargestellten Bauteile sind Teile eines
Fouriertransformations-Spektralphotometers, wie es in der
DE-OS 35 26 628 dargestellt ist. Bei der bekannten
Anordnung (vgl. dort Fig. 4 und 5) ist eintrittseitig eine
Blende mit einer Blendenöffnung vorgesehen, die von einer
Lichtquelle über einen elliptischen Spiegel ausgeleuchtet
wird. Das durch die Blendenöffnung hindurchtretende Licht
wird durch einen Parabolspiegel parallelgerichtet. Das
parallelgerichtete Lichtbündel fällt auf ein Michelson-
Interferometer. Das Michelson-Interferometer weist einen
teildurchlässigen Spiegel auf. Der teildurchlässige
Spiegel spaltet das parallelgerichtete Lichtbündel in zwei
Teillichtbündel auf, die längs unterschiedlicher Wege
laufen und durch Planspiegel wieder in sich zurückgeworfen
werden. Die rücklaufenden Teillichtbündel werden durch den
teildurchlässigen Spiegel wieder zu einem ausgangsseitigen
Lichtbündel vereinigt. Dieses parallele ausgangseitige
Lichtbündel wird auf einer Blende mit einer ausgangs
seitigen Blendenöffnung gesammelt. In der Ebene der Blende
treten Interferenzmuster auf. Wenn die optischen Weglängen
der beiden Wege des Michelson-Interferometers relativ
zueinander verändert werden, tritt nacheinander bei ver
schiedenen Wellenlängen im Spektrum der Lichtquelle eine
Lichtverstärkung durch die Interferenz auf. Das durch die
Blendenöffnung hindurchtretende Licht wird auf einem
Detektor gesammelt.
Die Lichtquelle und Ausleuchtungsoptik vor der eingangs
seitigen Blende und Blendenöffnung der DE-OS 35 26 628
sind bei der vorliegenden Anordnung weggelassen und durch
die noch zu beschreibende Baugruppe links in Fig. 1
ersetzt. Die Blende 4 mit Blendenöffnung 4A entspricht
der eingangsseitigen Blende der DE-OS 35 26 628, welche in
dieser Druckschrift mit "2" bzw. "2A" bezeichnet sind.
Eine Grundplatte 1 in Fig. 1 trägt eine Küvettenhalterung 2
im Abstand von einem sammelnden optischen System 3 mit
einem Paar von Linsen 3A1 und 3B1. Die Linse 3A1 ist
asphärisch. Die Linse 3B1 ist bikonvex. Weiterhin sind auf
der Grundplatte 1 ein Laser 5 und ein rechtwinkliges
Umlenkprisma 6 angeordnet. Das Umlenkprisma sitzt dabei
zwischen der Küvettenhalterung 2 und dem optischen System
3.
Die Küvettenhalterung 2 ist mittels Flanschen 2A2 und
Schrauben 2A3 auf der Grundplatte 1 montiert. Die
asphärische Linse 3A1 weist eine mit Flansch versehene
Fassung 3A2 auf, die mittels Schrauben 3A3 auf der Grund
platte 1 befestigt ist. In entsprechender Weise weist die
bikonvexe Linse 3B1 eine mit Flansch versehene Fassung 3B2
auf, die mittels Schrauben 3B3 auf der Grundplatte
befestigt ist. Die Blende 4 ist mittels eines Flansches 4B
und Schrauben 4C auf der Grundplatte 1 befestigt. Der
Laser 5 ist durch Schellen 5A an einem Blechwinkel 5B
befestigt. Der Blechwinkel ist seinerseits durch Schrauben
5C an der Grundplatte 1 befestigt. Das Prisma 6 sitzt auf
einem Träger 6A. Der Träger 6A ist durch Schrauben 6B auf
der Grundplatte befestigt.
Der Probenhalter 2 weist eine dem sammelnden optischen
System zugewandte Öffnung 2A1 auf. Der Laser 5 ist so
relativ zu dem Umlenkprisma 6 und der Öffnung 2A1
angeordnet, daß der ausgesandte Laserstrahl in den Mittel
bereich der Öffnung 2A1 reflektiert wird. Wie noch
erläutert werden wird, dient der Laserstrahl zur Anregung
von Raman-Streuung in einer in der Probenaufnahme
sitzenden Probenküvette. Dementsprechend ist die Öffnung
2A1 mit austretender Raman-Streustrahlung gefüllt.
Es sei zunächst angenommen, daß die Öffnung 2A1 im
Brennpunkt der als Sammellinse ausgebildeten asphärischen
Linse 3A1 angeordnet ist. Alle Raman-Streustrahlung, die
auf einem Winkel von 360° um die Mitte der Öffnung 2A1 aus
der Öffnung 2A1 divergierend austritt, wird von der
asphärischen Linse 3A1 gesammelt und in einem nahezu
parallelen Bündel auf die bikonvexe Linse 3B1 geleitet.
Die bikonvexe Linse 3B1 ist in einer Bildweite von der
Blende 4 angeordnet, die der Brennweite dieser Linse 3B1
entspricht. Die Blendenöffnungen 2A1 und 4A liegen in
parallelen Ebenen. Die Mitten der Blendenöffnungen 2A1 und
4A liegen auf der optischen Achse des sammelnden optischen
Systems 3. Daraus folgt, daß die Blendenöffnung 4A auf der
Blendenöffnung 2A1 abgebildet wird und umgekehrt. Der
Zweck des sammelnden optischen Systems 3 ist, die Raman-
Streustrahlung zu sammeln und mit der richtigen optischen
Anpassung auf die Blendenöffnung 4A zu übertragen. Die
Blendenöffnung 4A darf dabei nicht unzulässig "überfüllt"
sein, d. h das Bild der Öffnung 2A1 darf nicht größer sein
als die Blendenöffnung 4A. Die Blendenöffnung 4A darf aber
auch nicht "unterfüllt" sein, d h. das Bild der Öffnung
2A1 darf nicht kleiner sein als die Blendenöffnung 4A.
Wenn die Öffnung 2A1 kleiner als die Blendenöffnung 4A
gemacht wird, überschreitet der Bildabstand der Linse 3B1
die Brennweite dieser Linse, so daß das für die richtige
optische Anpassung erforderliche Vergrößerungsverhältnis
erhalten wird. Die Größen der Bilder einer Öffnung oder
Blendenöffnung bei Abbildung auf die jeweils andere
Öffnung bzw. Blendenöffnung können unabhängig voneinander
justiert werden, da die Strahlungsübertragung zwischen den
beiden Linsen des optischen Systems durch ein im
wesentlichen paralleles Bündel erfolgt. Das bedeutet, daß
jede der Linsen 3A1 und 3B1 geringfügig bewegt werden
kann, um die Größe des unmittelbar benachbarten Öffnungs
bildes zu justieren, ohne daß dies die Justage des anderen
Öffnungsbildes beeinflußt. Die Objekt- und Bildweiten
können unabhängig voneinander justiert werden. Zu diesem
Zweck sind die Öffnungen in den mit Flansch versehenen
Fassungen 3A2 und 3B2, durch welche die Schrauben 3A3 bzw.
3B3 hindurchgehen, länglich. Die unabhängige Justage kann
dann erfolgen, indem das geeignete Paar von Schrauben 3A3
oder 3B3 gelockert werden.
Der Laser 5 wird über eine Leitung 5D von einer Strom
versorgung 5E gespeist. Die Stromversorgung 5E ist mit
(nicht dargestellten) Mitteln zum Regeln des dem Laser
zugeführten Stromes und damit der Ausgangsleistung ver
sehen. Diese Mittel werden durch Verdrehen eines Stell
knopfes 5F betätigt. Der dem Laser 5 zugeführte Strom wird
durch ein Amperemeter 5G gemessen. Eine Leitung 5E1
gestattet die Verbindung der Stromversorgung 5E mit einem
Wechselstromnetz. Eine Leitung 5E2 dient zur Erdung des
Gehäuses der Stromversorgung 5E.
Das Austrittsende des Lasers 5 trägt ein Gehäuse 5H von
zylindrischer Grundform. In dem Gehäuse 5H sitzt eine
(nicht dargestellte) Irisblende, die vom Benutzer über
einen Hebel 5H1 verstellbar ist. Dadurch kann der
Querschnitt des auf das Umlenkprisma fallenden Laser
strahles eingestellt werden.
Zum Herausfiltern unerwünschter Streustrahlung ist neben
der Blende 4 eine Filtereinheit 7 auf der Grundplatte 1
montiert. Die Filtereinheit 7 enthält eine Tragsäule 7A,
die mit einem Flansch 7A1 an der Grundplatte 1 durch
Schrauben 7A2 befestigt ist. Auf der Tragsäule 7A ist eine
Baugruppe 7B drehbar gelagert. Die Baugruppe 7B enthält
einen Teil 7B1 von zylindrischer Grundform. Der Teil 7B1
endet in einem Knopf 7B2. Weiterhin geht der Teil 7B1 in
einen fahnenartigen Träger 7B3 über, der mit einer Öffnung
7B3A versehen ist. Die Öffnung 7B3A ist etwas größer als
die Blendenöffnung 4A in der Blende 4. Über die Öffnung
7B3A kann ein Streustrahlungsfilter 7B4 in Führungen 7B5
geschoben werden. Durch Drehen des Knopfes 7B2 im
Uhrzeigersinn kann der Benutzer die Baugruppe aus der in
Fig. 1 dargestellten Stellung, in welcher das Filter
inaktiv ist, in eine Stellung bewegen, in welcher das
Filter dicht vor die Blende 4 gebracht und daher aktiv
ist. Der Benutzer kann daher wahlweise das Filter in den
Strahlengang des Spektralphotometers einschalten oder es
aus dem Strahlengang herausschwenken.
Der Aufbau der Küvettenhalterung 2 und ihre optische
Funktion werden nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 2 im
einzelnen beschrieben.
Die in Fig. 2 dargestellte Küvettenhalterung 2 enthält zwei
relativ zueinander verschiebbare, zusammenwirkende Bau
teile in Form von quaderförmigen Platten 2A und 2B. Die
Platte 2A ist auf der Grundplatte 1 so befestigt, daß eine
begrenzte Lagejustierung in x-, y- und z-Richtung möglich
ist. Eine Unterlegscheibe 2A2A unter einer Schraube 2A2B,
wirkt mit einem Loch von Übergröße in dem Flansch 2A2
zusammen und gestattet eine voreingestellte Justage in x-
und z-Richtung. Eine Abstandsscheibe 2A2C unter dem
Flansch 2A2 gestattet eine voreingestellte Justage in
y-Richtung.
Der Flansch 2A2 zusammen mit den beschriebenen Mitteln zur
voreingestellten Justage stellt "Ausrichtmittel" zur
Ausrichtung der Probenaufnahme relativ zu dem sammelnden
optischen System 3 dar. Da der Aufbau der Küvetten
halterung 2 die Einhaltung recht enger Toleranzen
ermöglicht, braucht nur ein enger Bereich von Justagen
- hauptsächlich aus fertigungstechnischen Gründen -
vorgesehen zu werden.
Die mit der Platte 2A zusammenwirkende Platte 2B ist mit
zylindrischen Lagern 2B1 versehen. Die Lager 2B1 sind auf
Führungsstangen 2A4 gleitbeweglich, die an der Platte 2A
sitzen. Durch Ergreifen der Platte 2B zwischen Zeigefinger
und Daumen an den ausgearbeiteten Vertiefungen kann der
Benutzer die Platte 2B von der Platte 2A wegschieben, um
Zugang zu dem Raum dazwischen zu erlangen, oder die
Platte 2B gegen die Platte 2A schieben, bis die Platten
aneinander anliegen. Ein an einem Ende an der sichtbaren
Seite der Platte 2B durch Schrauben 2B3A befestigter und
über den Rest seiner Länge freier, federnder Finger 2B3
liegt federnd an der entsprechenden Seite der Platte 2A
an. Der Finger 2B3 dient dem zweifachen Zweck, einmal eine
Rastwirkung zu erzielen, die eine sichere Anlage der
Platten 2A und 2B aneinander beim Zusammenbringen der
Platten gewährleistet, und zum anderen den Weg der Platte
2B zu begrenzen, wenn die Platten 2A und 2B auseinander
gezogen werden. Der erste Zweck wird erreicht durch einen
nach innen weisenden sphärischen Vorsprung 2B3B, der mit
einer Raste 2A5 in der Platte 2A zusammenwirkt. Der zweite
Zweck wird erreicht durch einen nach innen umgebogenen
Finger 2B3 am Ende, der einen mit der vorderen Hauptfläche
der Platte 2A zusammenwirkenden Endanschlag 2B3C bildet.
Vom Mittelbereich jeder der Anlageflächen der Platten 2A
und 2B erstreckt sich ein tiefer, halbkugeliger Hohlraum
2A6 bzw. 2B6 in die Platte. Wenn die Platten zusammen
gebracht werden, bilden die halbkugeligen Hohlräume einen
sphärischen Hohlraum, der bis auf die Öffnung 2A1 (Fig. 1)
fast vollständig geschlossen ist. In der Anlagefläche der
Platte 2B ist eine im Querschnitt v-förmige Nut 2B7
vorgesehen. Eine dazu symmetrische Nut 2A7 ist in der
entsprechenden Anlagefläche der Platte 2A vorgesehen. Wie
aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die Nuten 2A7 und 2B7
vertikal und erstrecken sich längs der oberen
Verlängerungen der jeweiligen vertikalen Durchmesser der
Halbkugeln. Diese Nuten 2A7 und 2B7 nehmen bei Anlage der
Platten 2A und 2B aneinander eine Probenküvette zwischen
sich auf. Diese Probenküvette hat in diesem Fall die Form
eines schlanken, durchsichtigen Teströhrchens von wenigen
Millimeter Durchmesser und mit geschlossenem unteren Ende.
Die Nuten können aber auch einen schlanken Füllstutzen
einer kugelförmigen Probenküvette aufnehmen. Die kugel
förmige Probenküvette wird dabei von der durch die halb
kugeligen Hohlräume der Platten gebildeten kugelförmigen
Hohlraum aufgenommen.
In die Platte 2B können senkrecht zu der Nut 2B7
elastische Kissen eingesetzt sein, durch welche der
Füllstutzen bei Anlage der Platten 2A und 2B aneinander
elastisch gegen die Nut 2A7 gedrückt wird. Die so
vorgesehene elastische Anlage gestattet die richtige
Anordnung und Halterung von Füllstutzen geringfügig
unterschiedlicher Durchmesser. Außerdem gestattet die
elastische Anlage eine gewisse Lagejustage der Proben
küvette längs der Vertikalachse (y) und um die Vertikal
achse.
Die halbkugeligen Hohlräume 2A6 und 2B6 sind jeder mit
einer spiegelnden Oberfläche versehen und bilden so Teile
eines Hohlspiegels. Die spiegelnden Oberflächen sind durch
bekannte Abdrucktechnik hergestellt. Auf ein Bezugsform
stück wird eine Schicht von Aluminium im Vakuum
aufgedampft. Vorher ist das Bezugsformstück mit einer
molekularen Schicht eines Ablösemittels versehen. Während
die Schicht von Aluminium noch auf dem Bezugsformstück
gehalten ist, wird sie durch einen Epoxykleber in den
spanabhebend gefertigten Hohlraum eingeklebt. Der Epoxy
kleber bildet eine Überbrückungsschicht, welche alle
Unregelmäßigkeiten des Hohlraums aufnimmt. Nach dem
Erhärten des Epoxyklebers wird das Bezugsformstück
entfernt. Die dann in den Hohlraum eingeklebte Schicht
kopiert die Genauigkeit des Bezugsformstückes. Wenn die
Platten 2A und 2B fluchtend aneinander anliegen, bilden
sie einen Hohlspiegel. Dieser Hohlspiegel wirkt als
optischer Integrator sowohl für die Anregungsstrahlung als
auch für die angeregte Strahlung. Die Öffnung 2A1 bildet
die optische Apertur des Hohlspiegels. Die Öffnung 2A1
erweitert sich nach außen hin in einem konischen Abschnitt
2A8, so daß divergente austretende Lichtbündel hindurch
treten können.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 war beschrieben worden, daß der
Laserstrahl des Lasers 5 durch den Mittelbereich der
Öffnung 2A1 gerichtet ist so daß er Raman-Streustrahlung
innerhalb der Küvettenhalterung 2 erzeugt. Der Laserstrahl
verläuft dabei angenähert aber nicht genau längs
desjenigen Durchmessers des Hohlspiegels, dessen
Verlängerung durch die Mitte der Öffnung 2A1 geht. Dement
sprechend erfährt der Laserstrahl eine Vielzahl von
Reflexionen, während er in dem Hohlspiegel "gefangen" ist.
Diese Vielzahl von Reflexionen vervielfacht die Anregung
der Probe und die Raman-Streustrahlung. Die Rayleigh-
Streustrahlung wird auch erhöht. Diese kann aber leicht
mittels eines Filters wie Filter 7B4 von Fig. 1
ausgefiltert werden.
Die beschriebene Küvettenhalterung 2 von Fig. 2 ist bequem
und einfach zu benutzen. Eine Probenküvette kann
eingesetzt oder herausgenommen werden, indem einfach die
Platte 2B verschoben wird. Es sei angenommen, daß die
Platten 2B und 2A ohne Probenküvette aneinander anliegen
und eine kugelförmige Probenküvette mit einem langen,
rohrförmigen Einfüllstutzen eingesetzt werden soll.
Zunächst wird die Platte 2B so weit herausgezogen, wie der
Endanschlag 2B3C an dem Finger 2B3 zuläßt, also bis in die
Offenstellung. Dann wird das kugelförmige Ende der Proben
küvette in den halbkugeligen Hohlraum 2A6 der Platte 2A
und der Füllstutzen in die Nut 2A7 eingesetzt. Danach wird
die Platte 2B wieder in Anlage an die Platte 2A gebracht,
d. h. in die Schließstellung. Dabei wird Sorge getragen, daß
die Probenküvette richtig in dem Hohlraum 2A6 und der Nut
2A7 sitzt und nicht zerdrückt wird. Das Herausnehmen der
Probenküvette erfolgt entsprechend.
Die Probenaufnahme von Fig. 3 und 3A stimmt hinsichtlich
der optischen Teile mit der von Fig. 2 überein. Sie unter
scheidet sich hinsichtlich der Handhabung.
In Fig. 3 enthält ein Küvettenhalter 8 zwei Platten 8A und
8B. Die Platten 8A und 8B unterscheiden sich von den
PIatten 2A und 2B von Fig. 2 nur durch mechanische Einzel
heiten. Keine der Platten 8A und 8B weist Flansche zur
Befestigung an der Grundplatte 1 auf. Keine der Platten 8A
und 8B ist mit Führungsstangen (wie 2A4) oder damit
zusammenwirkenden Lagern (wie 2B1) versehen. Es sind auch
keine Anschläge (wie Finger 2B3 mit Endanschlag 2B3C)
vorgesehen, die eine vollständige Trennung der Platten
verhindern. Die Platten 8A und 8B werden durch Führungs
mittel in der Form von Paßstiften 8C fluchtend gehalten.
Sie können aber leicht voneinander getrennt werden, wenn
sie in der Wand gehalten werden, oder in Anlage aneinander
zusammengedrückt werden, nachdem eine Probenküvette
dazwischen eingesetzt worden ist. Während der Küvetten
halter 8 unter leichten Druck zusammengehalten wird, wird
er in ein Gehäuse 9 eingeschoben. Das Gehäuse 9 ist durch
Schrauben 10 an der Grundplatte befestigt. Das Gehäuse 9
mit den Schrauben 10 stellt "Ausrichtmittel" für den
Küvettenhalter 8 bzw. die Probenaufnahme dar, durch welche
diese in vorgegebener räumlicher Beziehung zu der die
Jacquinot-Blende des Spektralphotometers bildenden Blende
4 gehalten wird.
In Fig. 3 ist der Küvettenhalter 8 mit einer kugeligen
Probenzelle C mit langem Einfüllstutzen C1 von dem
Benutzer in das Gehäuse 9 eingeschoben. Eine Blattfeder 9A
drückt die beiden Platten 8A und 8B als Einheit gegen die
Wandung 9B des Gehäuses 9. Die Abmessungen des Gehäuses 9
und des Küvettenhalters 8 sind so gewählt, daß die
optische Achse des Küvettenhalters 8 mit der optischen
Achse des sammelnden optischen Systems 3 in Fig. 1
zusammenfällt. Das Gehäuse 9 ist eine nach oben hin offene
Struktur. Eine Justierbarkeit des Gehäuses 9 in x-, y- und
z-Richtung kann wie für die in Fig. 2 dargestellte Proben
aufnahme vorgesehen werden.
In Fig. 4 ist eine Probenküvette 11 dargestellt, die an
Ausrichtmitteln 12 angebracht ist. Die Ausrichtmittel 12
sind an der Stelle der Küvettenhalterung 2 von Fig. 1 und 2
an der Grundplatte 1 befestigt.
Die Probenküvette 11, die in Fig. 4A vergrößert dargestellt
ist, enthält einen Behälter für Dampf- oder Gasproben in
Form eines kugeligen Kolbens 11A, der in einen langen
Füllstutzen 11B übergeht. Der Füllstutzen 11B hat eine
enge Bohrung 11C, durch welche eine Probe mittels einer
Spritze eingespritzt werden kann.
Zur Herstellung der Probenküvette 11 wird vorzugsweise
Glas benutzt, weil dieses Material preisgünstig, leicht
bearbeitbar und gegenüber den meisten Proben inert ist. Im
Bedarfsfall können jedoch auch andere Materialien wie
Quarz verwendet werden.
Der kugelige Kolben 11A hat einen Durchmesser von ungefähr
6 mm. Der Kolben ist auf der Außenseite mit einer
Aluminiumschicht versehen. Die Aluminiumschicht bildet
eine haftende Beschichtung mit einer nach innen reflek
tierenden spiegelnden Oberfläche. Diese spiegelnde
Oberfläche bildet den Hohlspiegel 11D. Dieser Hohlspiegel
11D wirkt als optischer Integrator. Da die Beschichtung
auf der Außenseite angebracht ist, müssen die Strahlen
jeweils in beiden Richtungen durch die Wandung des
kugelförmigen Kolbens 11A hindurchtreten. Deshalb muß
diese Wandung sowohl für die Anregungsstrahlung als auch
für die angeregte Strahlung durchlässig sein. Unerwünschte
Streuung an der Wandung wird gering gehalten, indem die
Wandungsdicke soweit vermindert wird, wie es die Aufrecht
erhaltung einer ausreichenden mechanischen Stabilität
zuläßt. Bei der Ausführung von Fig. 4 ist die Wandungsdicke
etwa 0,2 mm.
Die Beschichtung mit Aluminium ist durchgehend mit
Ausnahme der von dem Ansatz des Füllstutzens 11B
eingenommenen Fläche und der Öffnung 11E. Die Öffnung 11E
hat einen Durchmesser von etwa 3 mm. Die Öffnung 11E
gestattet den Eintritt der Anregungsstrahlung und den
Austritt von angeregter Strahlung wie in dem Fall der oben
schon beschriebenen Probenaufnahmen.
Die Ausrichtmittel 12 für die Probenküvette 11 weisen eine
Bodenplatte 12A auf. Die Bodenplatte 12A ist durch Senk
schrauben 12B an der Grundplatte 1 (Fig. 1) befestigt. Die
Bodenplatte 12A trägt zwei Kreuzschlitten 12C und 12D. Der
erste Kreuzschlitten 12C ist durch einen (nicht darge
stellten) Zahnleisten- und Ritzelmechanismus in Schwalben
schwanzführungen 12A1 verschiebbar. Die Schwalbenschwanz
führungen 12A1 sind in die Oberseite der Bodenplatte 12A
längs der z-Achse eingearbeitet. Der Zahnleisten- und
Ritzelmechanismus wird durch Drehen eines Stellknopfes
12A2 betätigt. Der zweite Kreuzschlitten 12D ist durch
einen (nicht dargestellten) Zahnleisten- und Ritzel
mechanismus in Schwalbenschwanzführungen 12C1 verschieb
bar. Die Schwalbenschwanzführungen 12C1 sind in die Ober
seite des Schlittens 12C längs der x-Achse eingearbeitet.
Der Zahnleisten- und Ritzelmechanismus wird durch Drehen
eines Stellknopfes 12C2 betätigt. Die Anordnung ist
ähnlich dem Stellmechanismus für den Objektträger bei
einem Mikroskop.
Auf dem Schlitten 12D ist eine aufrechte Säule 12E starr
angebracht. Auf der Säule 12E ist eine Halterung 12F längs
der y-Achse in (nicht dargestellten) Lagern verschiebbar.
Die Verschiebung erfolgt durch einen (nicht dargestellten)
Zahnleisten- und Ritzelmechanismus, der durch Drehen eines
Stellknopfes 12F1 betätigt wird. In Fig. 4 sind die Achsen
x, y und z in gepunkteten Linien dargestellt, die sich in
einem gemeinsamen Punkt schneiden. Die z-Achse fällt mit
der optischen Achse des sammelnden optischen Systems 3
(Fig. 1) zusammen.
Der Zahnleisten- und Ritzelmechanismus ist ein in der
Feinmechanik bekannter Mechanismus. Sein Aufbau ist daher
der Einfachheit halber in Fig. 4 nicht gezeigt. Im Falle
des ersterwähnten Zahnleisten- und Ritzelmechanismus ist
die Zahnleiste an der Unterseite des Schlittens 12C vor
gesehen. Die Welle des Ritzels ist in Lagern, die an der
Bodenplatte 12A sitzen, drehbar gelagert. Bei dem zweiten
Zahnleisten- und Ritzelmechanismus ist die Zahnleiste an
der Unterseite des Schlittens 12D vorgesehen. Die Welle
des Ritzels ist in Lagern, die an dem Schlitten 12C
sitzen, drehbar gelagert. Bei dem dritten Zahnleisten- und
Ritzelmechanismus ist die Zahnleiste an der Säule 12E in
deren Längsrichtung vorgesehen. Die Welle des Ritzels ist
in Lagern, die Teil der Halterung 12F bilden, drehbar
gelagert. Ein in die Säule 12 gefräster Längskanal nimmt
einen Keil der Halterung 12F auf, so daß die Halterung 12F
undrehbar nur in y-Richtung auf der Säule 12E beweglich
ist. Die Nut und der Keil sind nicht dargestellt.
Die Halterung 12F enthält ein Rohr 12F2 mit zwei
horizontalen Querstücken 12F3 und 12F4. Das untere Quer
stück 12F1 ist mit einer kreisrunden Bohrung 12F5 zur
Aufnahme und Zentrierung des kugeligen Kolbens 11A
versehen. Das obere Querstück 12F4 weist eine v-förmige
Ausnehmung 12F6 auf. In der Ausnehmung 12F6 ist der Füll
stutzen 11B zentriert. Der Füllstutzen 11B wird durch
einen Ansatz 11F des Füllstutzens 11B gehalten. Dieser
Ansatz 11F greift in eine aufrechte U-Feder 12F7 ein, die
an dem Querstück 12F4 befestigt ist. Der hintere Teil des
Querstückes weist die (nicht dargestellten) Lager für die
Welle des Ritzels auf, die in dem Stellknopf 12F1
ausläuft.
Durch die Ausrichtmittel 12 soll eine begrenzte Lage
justierung der Öffnung 11E in x-, y- und z-Richtung
ermöglicht werden, wobei der Stellweg der Schlitten 12C
und 12D in Fig. 4 übertrieben dargestellt ist. Die
Anordnung von Fig. 4 soll den Benutzer bei der Bekämpfung
von Ungenauigkeiten in der Positionierung der Öffnung, die
durch Fertigungsungenauigkeiten hervorgerufen sind, unter
stützen. Bei den unter Bezugnahme auf Fig. 2 und auf Fig. 3
und 3A beschriebenen Probenaufnahmen können wesentlich
engere Toleranzen eingehalten werden. Auf jeden Fall
können die Platte 2A (Fig. 2) und das Gehäuse 9 (Fig. 3 und
3A) fabrikseitig genau montiert werden. Der Benutzer wird
normalerweise diese fabrikseitige Einstellung nicht
verändern.
Bei der Herstellung einer Probenküvette mit Hohlspiegel
11D und Öffnung 11E aus Glas oder ähnlichem Material,
müssen vergleichsweise große Toleranzen in Kauf genommen
werden. Daher ist es in diesem Fall erforderlich,
Ausrichtmittel 12 vorzusehen, die dem Benutzer eine
Justage zum Ausgleich dieser Toleranzen ermöglichen. Die
Ausführungen nach Fig. 2 und nach Fig. 3 und 3A sind in
dieser Hinsicht günstiger.
Die beschriebenen Probenaufnahmen sind in der Lage, die
optische Ausbeute z. B. an Raman-Streustrahlung um ein
Mehrfaches zu erhöhen. Das ist möglich durch die "optische
Integration" der Anregungsstrahlung und der angeregten
Strahlung im Bereich der Probe. Zur Erläuterung soll auf
den Hohlspiegel in Fig. 4 und 4A Bezug genommen werden. Für
alle anderen Ausführungen gilt das gleiche. Es soll weiter
angenommen werden, daß die optische Ausbeute Raman-Streu
strahlung ist, die mittels eines Fouriertransformations-
Spektralphotometers analysiert wird. Die Anwendbarkeit der
Erfindung ist aber nicht auf Raman-Streuung beschränkt.
In Fig. 5 ist ein kugelförmiger Hohlspiegel schematisch
dargestellt. Dabei ist S ein Querschnitt einer außen
aluminiumbeschichteten Hohlkugel, wie sie in Fig. 4A
dargestellt ist. Mit A ist eine kreisförmige Öffnung in
dem Hohlspiegel bezeichnet. Die Öffnung A bezeichnet die
optische Öffnung 11E, durch welche die Anregungsstrahlung
eintritt und die angeregte Strahlung austritt. "C"
bezeichnet den Mittelpunkt der Kugel. Die strichpunktierte
Linie D ist die optische Achse des sammelnden optischen
Systems 3 von Fig. 1.
Ein enges Bündel von Anregungsstrahlung, das in die
Öffnung A längs der optischen Achse D oder irgendeiner
anderen durch den Mittelpunkt der Kugel gehenden Bahn
eintritt, würde längs der gleichen Bahn zurückgeworfen und
keine mehrfachen Reflexionen in der Kugel erfahren. Wenn
dagegen das Bündel durch den Mittelbereich der Öffnung A
aber geringfügig gegen den Mittelpunkt C versetzt
einfällt, dann finden zahlreiche Reflexionen an der
Innenseite des Hohlspiegels statt. In Fig. 5 ist ein Strahl
R eines solchen Bündels dargestellt, der in der Papier
ebene seitlich von der optischen Achse D einfällt. Dieser
Strahl R fällt auf die spiegelnde Innenfläche der Kugel im
Punkte S1 und wird nacheinander von S1 nach S2, von dort
nach S3 reflektiert, bis er nach Reflexion im Punkt S10
wieder aus der Öffnung A austritt. Natürlich bestimmt die
Orientierung des Strahls R die Anzahl der internen
Reflexionen, die er erfährt, bevor er wieder durch die
Öffnung A austritt. Wenn der Strahl nur geringfügig gegen
den Mittelpunkt C versetzt ist, wird diese Anzahl größer
sein als in dem Fall, wo ein wesentlich größerer Versatz
gegeben ist. Das Diagramm in Fig. 5 kann nur darstellen,
was in einer Äquatorialebene der Kugel geschieht. Aus
experimentellen Ergebnissen läßt sich aber ableiten, daß
mehrfache Reflexionen in einer Anzahl von Äquatorialebenen
stattfinden. Infolgedessen treten die Strahlen wie der
Strahl R aus der Öffnung A über 360° um den Mittelpunkt
der Öffnung divergierend aus.
Wenn nun in der Probenküvette eine Flüssigkeit oder ein
Dampf als Probe enthalten ist, dann ist die Probe sowohl
von der direkt einfallenden Anregungsstrahlung beauf
schlagt als auch von Anregungsstrahlung, die eine oder
mehrere Reflexionen erfahren hat. Das Bündel von
Anregungsstrahlung tritt wiederholt durch die Probe und
praktisch durch alle Bereiche der Probe. Für jedes Molekül
der Probe erhöht sich daher die Wahrscheinlichkeit der
Wechselwirkung mit einem Photon der Anregungsstrahlung und
der Emission angeregter Strahlung. Das Volumen der von
Anregungsstrahlung beaufschlagten Probe ist nicht auf
den relativ engen Bündelquerschnitt begrenzt wie bei einem
einmaligen Durchgang eines Bündels von Anregungsstrahlung
durch die Probe. Die Intensität der angeregten Strahlung,
z. B. Raman-Streustrahlung, wird erhöht. Auch die angeregte
Strahlung erfährt eine mehrfache Reflexion und
"Integration" an dem Hohlspiegel. Auch dieser Effekt ist
dreidimensional. Aus der Öffnung tritt ein divergentes,
die Öffnung gleichmäßig ausfüllendes Bündel von angeregter
Strahlung.
Es hat sich experimentell gezeigt, daß durch die
beschriebene "Integration" der Strahlung durch eine innen
verspiegelte Kugel um die Probe herum eine bis fünf Mal
höhere Ausbeute an Raman-Streustrahlung erhalten wird, als
ohne die Hilfe der "optischen Integration" aber mit im
übrigen übereinstimmenden Versuchsbedingungen möglich ist.
Es wurde auch beobachtet, daß die Strahlung, welche die
Jacquinot-Blende des Fouriertransformations-Spektralphoto
meters erreicht bemerkenswert gleichförmig ist. Das deutet
darauf hin, daß die mehrfachen Reflexionen in der Tat in
den meisten Äquatorialebenen der Kugel stattfinden.
Die Beobachtung wurde gemacht mit einem Raman-Fourier
transformations-Spektralphotometer der beschriebenen Art.
Die Probenküvette war von kugeliger Gestalt mit einem
Durchmesser von 6 mm und einer optischen Öffnung mit einem
Durchmesser von 3 mm. Änderungen der Intensität der
angeregten Strahlung an der Jacquinot-Blende wurden
aufgetragen als Funktion der Flächen der Jacquinot-Blende.
Die Ergebnisse sind in der Kurve von Fig. 6 zusammengefaßt.
Die Kurve bestätigt, daß die Verteilung der Energie an der
effektiven Quelle angeregter Strahlung im wesentlichen
gleichförmig ist. Die in der Kurve dargestellten
Abweichungen überschreiten nicht die Meßgenauigkeit. Der
Laser wurde im TEMO-Mode benutzt. Seine Bündelleistung war
250 mW. Die Probe in der Probenküvette war C Cl4. Die
effektive Quelle angeregter Strahlung wurde auf optimale
Energiedichte abgestimmt.
Je größer die Anzahl der internen Reflexionen ist, die
innerhalb des Hohlspiegels stattfinden, bevor der Strahl
von Anregungsstrahlung wie Strahl R durch die Öffnung A
austritt, desto größer ist der Wirkungsgrad, mit welchem
Raman-Streustrahlung erzeugt wird. Das ließe es als
vorteilhaft erscheinen, wenn die Öffnung A so klein wie
möglich gemacht würde, um die Spiegelfläche möglichst groß
zu machen. Eine Verkleinerung der Fläche der Öffnung A
bedeutet aber auch, daß ein geringerer Strahlungsfluß von
Raman-Streustrahlung aufgefangen wird. Es muß somit ein
Kompromiß zwischen dem Wirkungsgrad der Erzeugung von
Raman-Streustrahlung und der Ausbeute an aufgefangener
Raman-Streustrahlung gefunden werden. Dabei ist zu
berücksichtigen, daß nur der Strahlungsfluß an Raman-
Streustrahlung zählt, der tatsächlich die Jacquinot-Blende
des Fouriertransformations-Spektralphotometers ausfüllt.
Die Fläche dieser Blende ist dabei von der Konstruktion
des Fouriertransformations-Spektralphotometers vorgegeben.
Experimente, die mit Hohlspiegeln von kugeliger Gestalt
durchgeführt wurden, haben folgendes gezeigt: Beginnt man
mit einem Spiegel von 6 mm Durchmesser mit einer Öffnung
von 4 mm Durchmesser und vergleicht diesen mit einer Folge
von Spiegeln die jeweils den gleichen Durchmesser haben
aber deren Öffnungen schrittweise kleinere Durchmesser
besitzen, dann steigt die aufgefangene Raman-Streu
strahlung zunächst bis zu einem Maximum an und fällt dann
wieder ab. Das Maximum zeigt an, daß ein optimaler
Kompromiß erreicht worden ist. Das Abfallen stellt die
sich verringernde Ausbeute dar, die sich bei einer Ver
kleinerung der Öffnung ergibt, wenn die Erhöhung der
mehrfachen Reflexionen nicht mehr die Verkleinerung der
Fläche, auf welcher die Streustrahlung aufgefangen wird,
überkompensiert. Bei den erwähnten Experimenten wurde ein
Maximum beobachtet, wenn der Durchmesser der Öffnung auf
etwa 3 mm verringert wurde.
Ein brauchbarer Weg zur Angabe des Kompromisses besteht
darin, ihn als Prozentsatz anzugeben, den die
Spiegelfläche im Verhältnis zu der von Spiegelfläche und
Fläche der Öffnung gegebenen Gesamtfläche darstellt. Das
ist ein erster Parameter. Es hat sich gezeigt, daß
brauchbare Ergebnisse erhalten werden, wenn die Fläche des
Hohlspiegels zwischen 51 und 98 Prozent der Gesamtfläche
ist. Besonders gute Ergebnisse wurden erzielt in dem
engeren Bereich von 80 bis 97 Prozent.
Der absolute Wert der Spiegelfläche, im Gegensatz zu dem
vorerwähnten Prozentsatz, ist ein zweiter wichtiger
Parameter. Je größer diese Fläche ist, desto größer ist
die Anzahl der internen Reflexionen. Ein Maß für die
Spiegelfläche, das auch auf Hohlspiegel unterschiedlicher
Gestalt anwendbar ist, ist das von der Spiegelfläche
umschlossene Volumen. Der Bereich von Volumina, in denen
der beschriebene Effekt in brauchbarer Weise eintritt
liegt zwischen 0,08 cm3 und 0,4 cm3. Vorzugsweise liegt
der Bereich zwischen 0,1 cm3 und 0,3 cm3.
Der Grund für die untere Grenze des vorgenannten Bereiches
ist leicht einzusehen. Der Grund für die obere Grenze
liegt nicht so auf der Hand. Ein großes Volumen bedingt
eine große Spiegelfläche. Wenn dabei der erste Parameter
berücksichtigt wird, ergibt sich eine Öffnung, die so groß
ist, daß ihr von dem optischen System 3 auf die Jacquinot-
Blende 4 projiziertes Bild die Blendenöffnung 4A so
überfüllt, daß der Vorteil des Auffangens der Strahlung
von einer größeren Fläche wieder zunichte gemacht wird.
Eine geringe Überfüllung kann aber toleriert werden und
abhängig von Imponderabilien der Konstruktion sogar
nützlich sein.
Wenn zunächst der erste und zweite Parameter innerhalb der
jeweiligen Bereiche ausgewählt worden sind, kann der
Querschnitt des Bündels von Anregungsstrahlung und dessen
Leistung so gewählt werden, daß unter Berücksichtigung des
Volumens der Probe übermäßige Temperaturen, die zum
Sieden, Zersetzen und Verdampfen der Probe führen,
vermieden werden. Leistungen im Bereich von 1 bis 500 mW
und Laserstrahl-Durchmesser zwischen 1 mm und 1,5 mm sind
in Verbindung mit den für den ersten und zweiten Parameter
angegebenen Bereichen brauchbar.
Claims (39)
1. Probenaufnahme-Vorrichtung der hier beschriebenen Art,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (2) eine
optische Probenküvette (11) mit einem abbildenden
Hohlspiegel (11D) ist, der im Betrieb die Probe umgibt
und als Integrator sowohl für die Anregungsstrahlung
als auch die in den Molekülen der Probe angeregte
Strahlung wirkt, wobei der abbildende Hohlspiegel
(11D) eine optische Öffnung (11E) aufweist, durch
welche hindurch die angeregte, einer spektralphoto
metrischen Analyse zu unterwerfende Strahlung austritt
und die von der abbildenden Oberfläche überdeckte
Fläche zwischen 51 und 98%, vorzugsweise zwischen 80
und 87%, der Gesamtfläche ist, die von der Summe der
Fläche der abbildenden Oberfläche und der Fläche der
optischen Öffnung (11E) dargestellt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Probenküvette (11) von einer Wandung begrenzt
ist, die auf der gesamten Fläche für beide Strahlungen
durchlässig ist, und der Hohlspiegel (11D) von der
Innenfläche einer auf die Außenfläche der Wandung
aufgebrachten Beschichtung gebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandstärke der Wandung zwischen 0,1
und 0,2 mm liegt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die optische Probenküvette (11) von einer Wandung
begrenzt ist, die wenigstens im Bereich der optischen
Öffnung (11E) für beide Strahlungen durchlässig ist
und der Hohlspiegel von der Innenfläche einer auf die
Innenfläche der Wandung aufgebrachten Beschichtung
gebildet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine
dünne, im Vakuum aufgedampfte Aluminiumschicht ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die optische Probenküvette
(11) Ausrichtmittel (12) aufweist, durch welche die
optische Öffnung (11E) nach Einsetzen der Proben
küvette (11) in die Probenstation eines Spektral
photometers richtig orientierbar ist, das zur Analyse
der angeregten Strahlung benutzt wird.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Küvette (11) einen
kugelförmigen Kolben (11A) zur Aufnahme der Probe
aufweist und dementsprechend der Hohlspiegel (11D) ein
sphärischer Spiegel ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der kugelförmige Kolben (11A) in einen schlanken,
langgestreckten Füllstutzen (11B) mit kleiner Bohrung
übergeht.
9. Probenaufnahme-Vorrichtung der hier beschriebenen Art,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine
Halterung (2) für eine Probenküvette (nachstehend
optische Küvettenhalterung) mit zwei relativ
zueinander bewegbaren, zusammenwirkenden Bauteilen
(2A, 2B) ist, die jeder mit einem komplementären Teil
eines abbildenden Hohlspiegels versehen sind, der im
Betrieb die Probe in einer Probenküvette umgibt und
als Integrator sowohl für die Anregungsstrahlung als
auch für die in den Molekülen der Probe angeregte
Strahlung wirkt, welche Bauteile im Betrieb
aus einer Ruhestellung, in welcher die komplementären
Teile des Hohlspiegels zum Dazwischensetzen der
Probenküvette im Abstand voneinander angeordnet sind,
in eine Arbeitsstellung bewegbar sind, in welcher die
komplementären Teile des Hohlspiegels aneinander
anliegen und den besagten abbildenden Hohlspiegel
bilden, der die Probenküvette umschließt, wobei der
abbildende Hohlspiegel eine optische Öffnung (2A1)
aufweist, durch welche die angeregte Strahlung
austritt, um einer spektralphotometrischen Analyse
unterworfen zu werden, und die von dem abbildenden
Spiegel überdeckte Fläche zwischen 51 und 98% aber
vorzugsweise zwischen 80 und 90% der Gesamtfläche
beträgt, die durch die Summe der Fläche der
abbildenden Oberfläche und der Fläche der optischen
Öffnung repräsentiert wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden relativ zueinander bewegbaren Bauteile
Platten (2A, 2B) von quaderförmiger Grundform sind und
der zugehörige Teil des Hohlspiegels jeweils eine
spiegelnde Oberfläche eines in der Platte gebildeten
Hohlraumes ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß der Hohlraum in jeder Platte durch spanabhebende
Bearbeitung der Platte hergestellt ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die spiegelnde Oberfläche als Abdruck von einem
Bezugsformstück hergestellt und in den Hohlraum der
Platte eingeklebt ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Platte (2A, 2B)
eine geradlinige Nut (2A7, 2B7) vorgesehen ist, wobei
die Nuten in der Schließstellung der Platten einen
Kanal zur Aufnahme einer Probenküvette in Form eines
Teströhrchens mit einem Durchmesser von einigen
Millimetern bilden und das geschlossene Ende des
Teströhrchens zwischen die aneinander anliegenden
Teile des abbildenden Hohlspiegels ragt.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß Führungsmittel (2A4, 2B1)
vorgesehen sind, die sicherstellen, daß, wenn die
bewegbaren Bauteile (2A, 2B) in Anlage aneinander
gebracht werden, die Teile des abbildenden
Hohlspiegels in genauer Ausrichtung zueinander sind
und den vollständigen, abbildenden Hohlspiegel bilden.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß eine der Platten (2A) die
besagte optische Öffnung (2A1) des Hohlspiegels
enthält.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die besagte optische Öffnung (2A1) sich über die
Dicke der Platte (2A) hinweg erweitert, so daß ein
vorgegebener Öffnungswinkel für die austretenden
Strahlen der angeregten Strahlung zugelassen ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das von dem abbildenden
Hohlspiegel umschlossene Volumen zwischen 0,08 ml und
0,4 ml aber vorzugsweise zwischen 0,1 ml und 0,3 ml,
liegt.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß der abbildende Hohlspiegel
sphärisch ist.
19. Spektralphotometer, das mit einer Vorrichtung nach
einem der Ansprüche 1 bis 8 verwendbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß das Spektralphotometer ein
sammelndes optisches System zum Sammeln angeregter
Strahlung, die im Betrieb von der optischen Öffnung
(11E) der optischen Probenküvette (11) ausgeht, und
zum Übertragen dieser Strahlung auf die Aperturblende
(4A) des Spektralphotometers aufweist sowie Ausricht
mittel (12) für die optische Probenküvette (11) zur
Sicherstellung der richtigen Lage der optischen
Öffnung relativ zu dem sammelnden optischen System.
20. Spektralphotometer nach Anspruch 19, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Ausrichtmittel (12) für die optische
Probenküvette (11) eine unabhängige Positionierung der
optischen Öffnung (11E) in drei zueinander ortho
gonalen Achsen gestattet.
21. Spektralphotometer nach Anspruch 19 oder 20, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausrichtmittel an ent
sprechenden Ausrichtmitteln einer Probenküvette nach
Anspruch 6 angreifen.
22. Spektralphotometer, das mit einer Vorrichtung nach
einem der Ansprüche 9 bis 18 verwendbar ist, dadurch
gekennzeichnet, daß das Spektralphotometer ein
sammelndes optisches System (3) zum Sammeln der
angeregten Strahlung enthält, die im Betrieb aus der
optischen Öffnung (2A1) des optischen Küvettenhalters
(2) austritt, und zum Übertragen dieser Strahlung auf
die Aperturblende (4A) des Spektralphotometers, sowie
Ausrichtmittel für den optischen Küvettenhalter zum
Sicherstellen der richtigen Lage der optischen Öffnung
relativ zu dem sammelnden optischen System.
23. Spektralphotometer nach Anspruch 22, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausrichtmittel für den
optischen Küvettenhalter von einer am Spektral
photomete angebrachten Struktur gebildet sind,
in welche die optische Küvettenhalterung von Hand
einschiebbar ist, wenn die relativ zueinander
verschiebbaren Bauteile aneinander anliegen, wobei
diese Struktur an einer vorgegebenen, optisch
korrekten Stelle zu dem sammelnden optischen System
montiert ist.
24. Spektralphotometer nach Anspruch 22, dadurch
gekennzeichnet, daß der optische Küvettenhalter
integral mit dem Spektrometer verbunden ist dank der
Tatsache daß das relativ verschiebbare Bauteil
einschließlich der optischen Öffnung nach Anspruch 15
und dem Anwendbaren von einem der Ansprüche 16 bis 18
in vorgegebener Weise relativ zu dem sammelnden
optischen System befestigt ist und somit inhärent die
Ausrichtmittel für den optischen Küvettenhalter
einschließt.
25. Spektralphotometer nach einem der Ansprüche 19 bis 24,
gekennzeichnet durch einen Laser und Mittel zum
Umlenken des Laserstrahls zum Richten eines Bündels
von Anregungsstrahlung in die optische Öffnung durch
den Mittelbereich der optischen Öffnung mit einer
solchen Orientierung, daß im Betrieb eine Vielzahl von
inneren Reflexionen innerhalb des abbildenden
Hohlspiegels stattfinden kann.
26. Spektralphotometer nach Anspruch 25, dadurch gekenn
zeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch welche die
Leistung des Lasers einstellbar ist, und Mittel, durch
welche der Querschnitt des Laserstrahls einstellbar
ist.
27. Spektralphotometer nach einem der Ansprüche 19 bis 26,
dadurch gekennzeichnet, daß das Spektralphotometer
Filtermittel enthält zum Abschwächen unerwünschter
Streustrahlung und zur Maximierung der gewünschten
angeregten Strahlung.
28. Spektralphotometer nach einem der Ansprüche 19 bis 27,
dadurch gekennzeichnet, daß das Spektralphotometer ein
Raman-Fouriertransformations-Spektralphotometer ist
und die besagte Aperturblende des Spektralphotometers
von der Jacquinot-Blende gebildet ist.
29. Spektralphotometer nach einem der Ansprüche 19 bis 28,
dadurch gekennzeichnet, daß das sammelnde optische
System Mittel zum Justieren der optischen Anpassung
zwischen der effektiven Quelle von angeregter
Strahlung und der Aperturblende des Spektralphoto
meters enthält, indem die Bild- und Objektweiten
unabhängig voneinander einstellbar sind.
30. Spektralphotometer nach einem der Ansprüche 19 bis 28,
dadurch gekennzeichnet, daß das sammelnde optische
System Mittel enthält zur Auswahl eines durch die
optische Öffnung zugänglichen Bereiches aus dem
Innenraum des abbildenden Hohlspiegels als effektive
Lichtquelle, wo die Konzentration der angeregten
Strahlung am günstigsten wird.
31. Spektralphotometer nach einem der Ansprüche 19 bis 30
in Kombination mit der Probenaufnahmevorrichtung für
welche es eingerichtet ist.
32. Verfahren zur Spektralphotometrie von flüssigen oder
dampfförmigen Proben mit Hilfe einer optischen Proben
küvette nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
- a) Füllen der optischen Probenzelle mit einer Probe,
- b) Bestrahlen der Probe mit einem engen Bündel von Anregungsstahlung, welche durch die optische Öffnung des abbildenden Hohlspiegels längs eines solchen Weges geleitet wird, daß das Bündel mehrfache Reflexionen innerhalb des von dem Hohlspiegel umschlossenen Volumens erfährt,
- c) Abbilden einer gewählten Zone von annähernd optimal hoher Energiedichte von innerhalb des abbildenden Hohlspiegels in der Nähe der optischen Öffnung auf die Aperturblende eines Spektralphotometers und damit Sammeln der in den Molekülen der Probe angeregten Strahlung, die durch die infolge der innerhalb des abbildenden Hohlspiegels erfolgenden mehrfachen Reflexionen in der gewählten Zone verfügbar ist, und Übertragen dieser Strahlung auf die besagte Aperturblende mit einer vorteilhafterweise vorgegebenen optischen Anpassung, wobei die besagte Zone die effektive Quelle von angeregter Strahlung bildet, und
- d) Analysieren der angeregten Strahlung mittels des Spektralphotometers.
33. Verfahren zur Spektralphotometrie von flüssigen oder
dampfförmigen Proben mit Hilfe eines optischen
Küvettenhalters nach einem der Ansprüche 9 bis 18,
gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
- a) Füllen einer geeigneten Küvette mit einer Probe und Anordnen der Küvette innerhalb der beiden Teile des abbildenden Hohlspiegels während der letztere in seiner Ruhestellung ist,
- b) enges Aneinanderrücken der beiden Teile des abbildenden Hohlspiegels,
- c) bei Anordnung des optischen Küvettenhalters an der Probenstation eines geeigneten Spektral photometers Bestrahlen der Probe mit einem engen Bündel von Anregungsstrahlung, welches durch den zentralen Bereich der optischen Öffnung längs eines solchen Weges gerichtet ist, daß das Bündel eine mehrfache Reflexion innerhalb des Volumens des abbildenden Hohlspiegels erfährt,
- d) Abbilden einer gewählten Zone von nahezu optimal hoher Energiedichte aus dem Inneren des abbildenden Hohlspiegels in der Nähe der optischen Öffnung auf die Aperturblende des Spektralphoto meters und damit sammeln der in den Molekülen der Probe stimulierten Strahlung, die in der gewählten Zone infolge der innerhalb des abbildenden Hohlspiegels stattfindenden mehrfachen Reflexionen verfügbar ist, und übertragen dieser Strahlung auf die Aperturblende mit einer vorteilhafterweise vorgegebenen Anpassung, wobei diese Zone somit die effektive Quelle von stimulierter Strahlung darstellt, und
- e) Analysieren der gesammelten stimulierten Strahlung mittels des Spektralphotometers.
34. Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch
gekennzeichnet, daß unerwünschte, gestreute Strahlung
vor dem Analysieren der angeregten Strahlung weit
gehend ausgefiltert wird.
35. Verfahren nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekenn
zeichnet, daß das enge Bündel ein Laserstrahl ist.
36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leistung und der Querschnitt des Bündels
im Verhältnis zum Probenvolumen so justiert wird, daß
eine übermäßige Temperatur, die zu einem Verlust oder
zu einer Zersetzung der Probe führen würde, vermieden
wird.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 36, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verfahren ein Verfahren der
Raman-Spektralphotometrie ist und das Spektralphoto
meter ein Raman-Fouriertransformations-Spektralphoto
meter ist.
38. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet,
daß das Spektralphotometer ein Spektralphotometer
nach einem der Ansprüche 19 bis 21 und der anwendbaren
der Ansprüche 25 bis 31 ist.
39. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet,
daß das Spektralphotometer ein Spektralphotometer nach
einem der Ansprüche 22 bis 24 und der anwendbaren der
Ansprüche 25 bis 31 ist.
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