DE4124545C2 - Absorptionszelle und deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Absorptionszelle zur spek­ trographischen Untersuchung von Gasen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie deren Verwendung. Eine solche Absorptionszelle ist aus der US 2 212 211 und der US 3 728 540 bekannt.

Die vorgenannten Druckschriften beschreiben zylindrische Absorp­ tionszellen, die an ihren Enden durch reflektierende Endwände abgeschlossen sind, die jeweils ein Fenster aufweisen. Die Lichtausbreitung in der Zelle ist im wesentlichen longitudinal, d. h. von einer Endwand zur entgegengesetzten Endwand und, durch Reflexion dort, zurück. Die Endwände sind konkav geformt, um Reflexionen zu erzeugen, die die reflektierten Lichtstrahlen auf die gegenüberliegende Endwand fokussieren. Die Endwände sind die aktiven optischen Elemente. Die zylindrische Umfassungswand nimmt an der optischen Führung der Lichtstrahlen nicht teil. Sie ist lediglich Umfassungswand des die Absorptionszelle bildenden Hohlraums.

Fig. 3 der US 4 818 882 und die DE-OS 19 31 133 zeigen zylindri­ sche Absorptionszellen, in denen die Lichtstrahlen sich quer zur Zylinderachse ausbreiten. Die Zylinderwand ist das einzig optisch aktive Element, d. h. die Endwände, die die Absorptions­ zelle stirnseitig abschließen, sind optisch inaktiv.

Die vorgenannte US 4 818 882 beschreibt zum dort diskutierten Stand der Technik eine photoakustische Meßkammer für die Gasana­ lyse in Gestalt eines Zylinders mit reflektierender Beschichtung an den Innenwänden, die die Verwendung von divergentem Licht von einer Wärmelichtquelle erlaubt. Ein Ellipsoidspiegel konvergiert das Licht durch einen Modulator, ein optisches Filter und ein Eintrittsfenster, von wo aus das Licht in die zylindrische Kam­ mer divergiert und dort an Zylinderwand und Stirnwänden reflek­ tiert wird. In der der Eintrittsstirnwand gegenüberliegenden Stirnwand ist ein Fenster ausgebildet, an das ein Mikrophon angekoppelt ist, das ein Ausgangssignal abgibt.

In Gasabsorptionszellen dieser Art möchte man einen langen Lichtweg erreichen. Sie werden bei Spektrometern eingesetzt. Derartige Instrumente und Vorrichtungen sind auch aus der US 3 370 502, der US 3 460 893 sowie der GB 2 105 058 A bekannt.

Da diese Instrumente Zellen mit verhältnismäßig kurzen Längen in der Größenordnung von 2,5 bis 7,5 cm verwenden, bieten mit Lichtrohren (das sind sehr lange, dünne Zylinder) arbeitende Gaszellen für viele Anwendungen keine ausreichende Absorption in diesen Instrumenten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasabsorptions­ zelle mit langem Lichtweg für spektrographische Analysen anzuge­ ben, die selbst eine kurze Länge besitzt und für die Verwendung bei existierenden Spektrophotometern, die mit zirkularsymmetri­ schen optischen Systemen arbeiten, einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Absorptionszelle mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbil­ dungen der Absorptionszelle sowie deren Verwendungen sind Gegen­ stand weiterer Ansprüche.

Die Absorptionszelle kann in existierenden Instrumenten verwen­ det werden, die bisher mit einem Stab mit interner Mehrfach- Reflexion und konischen Endflächen arbeiten. Die erfindungsge­ mäße Absorptionszelle ist kompakt und einfach herstellbar.

Das Konzept ist einfach: Der Zellkörper ist ein Zylinder oder ein Körper mit polygonalem Querschnitt, dessen innere Oberfläche mit einem hochreflektie­ renden Überzug beschichtet ist. Die Zellenden sind in­ frarotdurchlässige Fenster, deren Innenflächen gleich­ falls - mit Ausnahme von kreisförmigen unbeschichte­ ten Bereichen in ihren Zentren - mit einer hochreflek­ tierenden Beschichtung überzogen sind. Die Fenster sind flach. Eine andere Möglichkeit der Herstellung der Zellenden besteht darin, mit einer reflektierenden Scheibe zu beginnen, hierin ein Loch zu schneiden und hierin ein schmales infrarotdurchlässiges Fenster einzu­ kitten.

Die Strahlung der Quelle wird durch die kleine, unbe­ schichtete Öffnung im Eintrittsfenster in einem steilen Konvergenzwinkel fokussiert. Der Energiestrahl wird nach dem Brennpunkt rasch expandieren bzw. sich ver­ breitern, bis er auf die Zylinderwand trifft, die ihn dann zu einem anderen Brennpunkt reflektieren wird. Dann wird er erneut expandieren, um wiederum vom Zylinder zurückreflektiert zu werden, usw., bis er das flache End­ fenster oder Stirnseitenfenster erreicht, das vom Ein­ trittsfenster derart beabstandet ist, daß der Abstand kein exaktes ganzzahliges Vielfaches der Brennweite ist. Ein kleiner Energiebetrag wird an diesem Punkt austre­ ten, aber der Hauptteil davon wird durch den Zylinder in Richtung zum Eintrittsfenster zurückreflektiert wer­ den, von dem es dann erneut zurückreflektiert wird.

Somit wird alle Energie mit Ausnahme von Reflek­ tionsverlusten aus dem quellenseitigen Ende, bei dem es eventuell zur Quelle zurückkehren wird, oder aus dem austrittsseitigen Ende austreten, wo es gesammelt und auf den Detektor fokussiert wird.

Die effektive Pfadlänge ist eine Funktion des Durch­ messers und der Länge des Zylinders (je größer, desto länger ist der Pfad) sowie der Größe der Eintritts- und Austrittsöffnungen.

Da die einkommende Energie ein Bündel von Strah­ len mit unterschiedlichen Winkeln bildet, bilden, diese eine Vielzahl von Pfaden durch die Zelle, jedoch wird der durchschnittliche Pfad nahe bei dem des zentralen Strahls liegen.

Für eine Anzahl zentraler Strahlenpfade ist es offen­ sichtlich, daß das Verhältnis von Durchmesser zu Zel­ lenlänge die effektive Pfadlänge bestimmt.

In einem Spektrophotometer mit der erfindungsgemäßen Absorptionszelle gelangt Licht zum Eintrittsfenster als konisch konvergierende Strahlen, die im wesentlichen den Mantel eines Konus bilden. Die Achse dieses Konus fällt mit der optischen Achse und der Achse der Gasabsorptionszelle gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen. Ein bevorzugter Scheitelwinkel dieses Konus ist 90°, da dieses eine Rückreflexion derjenigen Strahlung zur Quelle bewirkt, die am Eintrittsfenster reflektiert wurde.

Es wurde gefunden, daß eine Zelle mit einem Durchmesser von 4,5 cm und einer Länge von 7 cm eine effektive Pfadlänge von ungefähr 20 cm besitzt, während eine Gaszelle mit einem Durchmesser von 7 cm und einer Länge von 7,75 cm eine effektive Pfadlänge von ungefähr 50 cm besitzt. Die angegebenen Dimensionen stellen die inneren Abmessungen der Absorptionszelle dar. Die Vorrichtungs- oder Apertur-Fenster besaßen dabei einen Durchmesser von ca. 6 mm.

Die Absorptionszelle kann dahingehend charakterisiert werden, daß sie Wände aufweist, die eine Umhüllung um eine zentrale Achse mit im wesentlichen flachen Endflächen mit kleinen Fenstern bilden. Die Abmessungen der Zelle sind so gewählt, daß auf ein Fenster fokussiertes Licht mehrfach intern reflektiert wird und einen mehrfachen Pfad durch die Zelle durchläuft. Dies tritt dann auf, wenn die Zellenlänge kein ganzzahliges Vielfaches der Brennweite der auf das Eintrittsfenster fokussierten Strahlung ist.

Die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen beschreibt ein Ausführungsbeispiel der Absorptionszelle sowie deren Anordnung in einem Spektrophotometer. Es zeigen:

Fig. 1 ein Spektrophotometer, das mit der Gasabsorptionszelle mit langem Pfad arbeitet,

Fig. 2 eine Absorptionszelle gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine weitere Absorptionszelle gemäß Fig. 1 und

Fig. 4 ein optisches schematisches Diagramm des die Gaszelle verwendenden Spektrophotometers gemäß Fig. 1.

In allen Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszah­ len dieselben Elemente.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 weist ein Spektrophotometer 10 eine Heißdraht-Quelle 12, eine allgemein mit 14 be­ zeichnete Optik mit zwei Spiegeln, einen Zerhacker 15, eine Gaszelle 16, allgemein mit 18 bezeichnete Sammeloptiken, die vorzugsweise identisch mit den Optiken 14 sind, und allgemein mit 20 bezeich­ nete Strahlungsanalysedetektoren auf.

Wie in Fig. 2 dargestellt, kann die Gaszelle 16 aus einem geraden Glas-Kreiszylinder 22 mit Endplatten 24 und 26 bestehen. Die Endplatten 24 und 26 können aus Glas mit kleinen strahlungsdurchlässigen Fenstern 28 bestehen, wobei das Innere der Zelle 16 mit Ausnahme der Fenster 28 für eine Infrarotanalyse vorzugsweise goldplattiert ist. Bei anderen Wellenlängen können an­ dere hochreflektierte Beschichtungen eingesetzt wer­ den. Die Endflächen können auch aus flachen Platten aus infrarotdurchlässigem Material gebildet sein, deren Innenfläche vollständig mit Ausnahme der Fenster 28 beschichtet ist, was beispielsweise Zinkselenid sein kann. Die Fenster haben dieselbe Größe wie das auf ihnen fokussierte Bild der Quelle 12.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist die Gaszelle 16 mit einer Einlaßröhre bzw. Einlaßleitung 30 und einer Aus­ laßröhre bzw. Auslaßleitung 32 zum Führen eines Gases durch die Zelle versehen.

Aus Fig. 4 ist ersichtlich, wie die zentralen Strahlen, die einen durch die Spiegel 14 geformten Kegelmantel bilden, auf der linken Seite in die Eintrittsöffnung 28 eintreten, innerhalb der Gaszelle mehrfach reflektiert werden und, da die Gaszelle kein exaktes Intervall bzw. Vielfaches der Brennweite darstellt, an der Endfläche 24 zur Endfläche 26 zurück und dann erneut durch die Zelle reflektiert werden sowie schließlich an der Austrittsöff­ nung 28 auf der rechten Seite austreten. Die zentralen Strahlen treten in derselben konischen Blattform aus, wie sie in die Zelle eingetreten sind, und werden durch die Sammeloptik 18, die identisch mit der Optik 14 ist, fokussiert, durch einen Strahlteiler 34 aufgeteilt und auf zumindest zwei Detektoren 36 und 38 fokussiert.

Der Detektor 36 ist ein Referenzdetektor und besitzt ein Referenz-Wellenlängenfilter 40, während der De­ tektor 38 einen analysierenden Wellenlängendetektor bildet und ein analysierendes Wellenlängenfilter 42 um­ faßt.

Aus Vorstehendem ist ersichtlich, wie die Gaszelle 16 in existierenden Instrumenten verwendet werden kann, beispielsweise bei solchen, die mit einer geraden kreisförmigen Stange mit konischen Endflächen arbeiten (GB 2 105 058 A).

Für den Fachmann ist ersichtlich, daß die Gaszellen auch bei anderen Wellenlängen als Infrarot-Wellenlängen eingesetzt und für jedes beliebi­ ge Fluid verwendet werden können, und daß auch ande­ re optische Systeme zum Erzielen einer hochkonver­ genten Beleuchtung der Zellen eingesetzt werden kön­ nen.

Claims (6)

1. Absorptionszelle zur spektrographischen Untersuchung von Gasen, bestehend aus einem länglichen Hohlraum, der an seinen Enden von lichtreflektierend ausgebildeten Endflächen abge­ schlossen ist, die sich quer zur Längsachse des Hohlraums erstrecken und im Achsbereich jeweils ein kleines, nicht reflek­ tierendes Fenster aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Endflächen (24, 26) des Hohlraums (16) eben sind und sich im wesentlichen senkrecht zur Achse des Hohlraums (16) erstrecken und daß die übrige Wand (22) oder die übrigen Wände des Hohlraums (16) lichtreflektierend ausgebildet ist oder sind.

2. Absorptionszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (16) zylindrisch ausgebildet ist.

3. Absorptionszelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (16) von Seitenwänden mit einander gegenüberliegen­ den, im wesentlichen parallelen Oberflächen umgeben ist.

4. Absorptionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Absorptionszelle nicht mehr als das Fünffache ihres Durchmessers beträgt.

5. Verwendung einer Absorptionszelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einer spektrographischen Vorrichtung, die ein optisches System (14) mit einer Brennweite zum Fokussieren der Strahlung einer Quelle (12) auf eines der Fenster (28) der Absorptions­ zelle enthält, wobei der Abstand zwischen den Endflächen (24, 26) des Hohlraums (18) kein ganzzahliges Vielfaches der Brenn­ weite beträgt.

6. Verwendung nach Anspruch 5, wobei der Abstand zwischen den Endflächen (24, 26) kein ganzzahliges Vielfaches der Brenn­ weite der fokussierten Strahlung ist.