DE642660C - Einrichtung zur quantitativen Photometrierung eines engen Spektralbereiches mittels Photozelle - Google Patents

Description

Bei Einrichtungen zur quantitativen Photometrierung eines engen Spektralbereiches mittels Photozelle macht sich der Umstand störend bemerkbar, daß die LichtempfLndlichkeit der bisher bekannten Photozellen sich auf 'einen großen Spektralbereich erstreckt. Will man daher eine quantitative Photometrierung einer SpektraHinie durchführen, so wirkt das dem gewünschten Spektralbezirk beigemischte Fremdlicht in derselben Weise auf die Photozelle ein wie die Spektrallinie selbst. Dadurch wird die Genauigkeit der photometrischen Bestimmung der Spektrallinie im Verhältnis der Intensität und Breite des nicht gewünschten fremden Spektralbezirkes stark hierabgesetzt. ■

In leiner solchen Lage befindet man sich z. B., wenn man nach einer Absorptionsmethode durch Beobachtung der Intensitäts- Schwächung der QüecksilberresonanzHnie 2537 Ä den Quecksilbergebalt der Luft bestimmen will. Verwendet man hierzu eine geeignet betriebene Quecksilberlampe, welche die Resonanzlinie 2537 A mit enthält, so mißt man bei Anwendung einer gewöhnlichen Photozelle 'eine große Menge spektralfremden Lichtes neben der Riesonanzlinie mit. Bringt man in den Strahlengang zwischen Lichtquelle und Photozelle eine Quecksilberdampfschicht (Laboratoriumsluft), so wird hierdurch nur , die Resonanzlinie geschwächt. Der photoelektrische" Strom wird daher bei Einschalten der Dampfschicht und Anwesenheit von viel Fremdlicht nur unwesentlich geschwächt, so daß 'eine Absorptionsmessung bzw. Quecksilber dampfbestimmung daraus unmöglich wird.

Nun läßt sich allerdings die Resonanzlinie aus dem übrigen Spektralbereich einer Quecksilberlampe durch einen Mono ehr ometer oder noch besser in der Weise ausfiltern, daß man das primäre Quecksilberlicht auf eine Quecksilberresonanzkammer wirft, d. L eine Quarzkammer mit Quecksilberdampf. Durch Absorption und Reemission erhält man dann diffuses Resonanzlicht aus der Kammer wieder heraus, während das Fremdlicht zum größten Teil ungeschwächt durch die Quarzkammer hindurchgeht.

Gemäß einem älteren Vorschlage wird eine solche Resonanzkammer benutzt, um das diffuse Resonanzlicht mit einer besonderen photoeJektrischen Zelle quantitativ zu messen. Abier dieses diffuse Resonanzlicht ist einmal immer noch praktisch mit einem hohen Prozentsatz von Fremdlicht durchmischt infolge der Reflexion an den Quarzwänden. Dann ist die Sekundäremission der Resonanzlinie sehr lichtschwach und stark temperaturabhängig, so daß quantitative Intensitätsmessungen schwierig 'und nur mit empfindlichen Instrumenten möglich sind.

Gemäß der Erfindung werden die erwähnten Schwierigkeiten dadurch beseitigt, daß die Photozelle als Resonanzkammer für das zu, messende Licht ausgebildet wird. Hierdurch S erreicht man, daß das sekundär angeregte*; Resonanzlicht innerhalb der Photozelle ent- ■ steht und in dieser bei geeigneter Ausbildung' der Zelle zur vollen Auswirkitng ohne Lichtverlust gelangt. Bildet man die Elektroden ίο der Photozelle als Wände der Resonanzkammer aus, die vom zu untersuchenden Lichtstrahl durchlaufen wird, so wirkt nur das sekundäre Resonanzlicht photoelektrisch auf die Elektroden ein, während das spektralfremde Licht ungeschwächt durch die Zelle liindurchtritt.

Die Zelle kann so ausgebildet sein, daß das spektralfremde Licht nach Durchgang durch die Resonanzkammer in der Zelle, z. B. durch Absorption oder Vielfachreflexion, verzehrt wird. Zweckmäßig werden die Elektroden der Photozelle in an sich bekannter Weise als konzentrische Zylinder ausgebildet, von denen vorzugsweise der äußere als Kathode benutzt und durch einen Belag eines photo elektrischen Materials auf der Glaswandung der Photozelle dargestellt wird.

Die photoelektrische Wirksamkeit der Zelle kann durch die bei Photozellen bekannten Mittel, z. B. durch einen Zusatz von Edelgas zu der selektiven Gasfüllung der Zelle, erhöht werden, und ferner kann die Kathode der. Zelle einen Belag von Kalium, Natrium, Ruibidium o. dgl. erhalten. Bei Verwendung derartiger stark photoelektrisch wirkender Kathodenmaterialien kann der Einfluß von Fremdlicht, z. B. der Zimmerbeleuchtung, dadurch eliminiert werden, daß in bekannter Weise zwei Photozellen in Kompensations-(Brücken-) Schaltung verwendet werden, wobei die "Photozellen zweckmäßig in einem gemeinsamen Gasraum in verschiedenen Strahlengängen angeordnet sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Abb. 1 bis 3 dargestellt.

In Abb. I besitzt das Rohr 1 aus Quarz oder Uviolglas von etwa 20 mm Innendurchmesser an der Innenwandung des einen geschlossenen Rohrendes einen etwa 4 cm langen Metallbelag 2, z. B. aus Platin. Der Metallbelag ist auch auf das Abschlußende des Rohres ausgedehnt und besitzt vorn für den Eintritt des Lichtes ein Fenster von etwa 5 mm Durchmesser. Die Anode 3 ist in an sich bekannter Weise als Zylinder ausgebildet und besitzt die gleiche Länge bei einem Durchmesser von 15 mm wie die koaxiale Kathode. Die Anode besteht aus einem weitmaschigen, feindrähtigen Netz, welches mittels einer Halterung in einem seitlichen Arm 4 befestigt ist. Das der Eintrittsöffnung 5 gegenüberliegende Ende 6 des Rohres ist rechtwinklig umgebogen und sackförmig aus-„„gezogen. Zweckmäßig dient dieses Ende zugleich als Abschmelzstelle. Die Zelle enthält ■eiften Tropfen Quecksilber, der bei Zimmer- ;'.teinperatur eine hinreichende Quecksilber- * dampfatmosphäre im Rohr erzeugt.

Bildet man eine Quecksilberdampflampe 7, welche die Resonanzlinie emittiert, auf das Eintrittsfenster der Zelle ab und sorgt durch passenden Strahlengang dafür, daß auf die gitterförmige Anode kein direktes Licht auffällt, so wird das Resonanzlicht 2537 Ä auf dem etwa 4 cm langen Wege innerhalb der beiden Elektroden vollständig absorbiert und gelangt zur diffusen Reemission, von welcher der allergrößte Teil auf den Metallbelag der Röhre (Kathode) fällt und hier einen der Intensität der eingestrahlten Resonanzlinie proportionalen, photoelektrischen Strom auslöst. Das spektralfremde Licht dagegen tritt ungeschwächt durch die Zelle hindurch bzw. wird an dem hinteren umgebogenen Rohrende entweder total absorbiert (Wärmeumwandlung) oder durch Reflexion in die Sackgasse abgelenkt und läuft sich dort tot. Das Fremdlicht kommt also nicht zur lichtelektrischen Auswirkung. Der photoelektrische Strom ist daher ein Maß für die Intensität der eingestrahlten Resonanzlinie. Bei Schwächung der Resonanzlinie durch eine zu untersuchende Quecksilberdampfschicht vor der Zelle erhält man in dem photoelektrischen Strom ein Maß für die Größe der Schwächung, d.h. Größe des Dampfdruckes, ohne daß die Genauigkeit durch Fremdlicht gemindert ist.

Die Abhängigkeit der Meßresultate von der Zimmertemperatur ist bei genügend langer wirksamer Schicht der Zelle (ungefähr Länge der Elektroden) nur unbedeutend, da bei Zimmertemperatur das Quecksilberresonanzlicht in etwa 4 cm langer Schicht so gut wie ganz absorbiert und ohne Verlust wieder zur Reemission gebracht wird.

Zur Erhöhung des photoelektrischen Stromes kann die Zelle mit etwas Edelgas von etwa 1 mm Druck gefüllt werden. Die Verwendung der Platinschicht, die zweckmäßig durch Kathodenzerstäubung auf gebracht wird, hat den Vorzug der Unempfindlichkeit gegen sichtbares Tageslicht und künstliche Raumbeleuchtung. Die geringe photoelektrische Empfindlichkeit der Schwermetalle und die sich daraus ergebenden schwachen Ströme können durch Anwendung von geeigneten Verstärkereinrichtungen, z. B. rein galvanisch gekoppelten Verstärkerröhren, ausgeglichen werden. Ferner können auch empfindliche Meßmethoden zur Verwendung gelangen.

Die Lichtempfindlichkeit kann auch da-

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durch, erhöht werden, daß auf den Schwermetallbelag 'eine dünne Schicht Alkali aufgebracht wird. Für das sichtbare· Spektralgebiet: kbnsmeik* hauptsächlich Kalium, Rubidium und Caesium und für das Ultraviolett Kalium; Natrium und Lithium in Frage.

Für die Quecksüberresonanzlinie 2537 A ist Lithium das geeignetste, doch sind Lithfumzellen mit konstanter Empfindlichkeit schwierig herzustellen, so daß dafür zweckmäßig Natrium verwendet wird. Gegenüber einer mit Schwermetallbelag versehenen Zelle hat dann 'eine solche Alkalizelle den Vorzug größter Lichtempfindlichkeit voraus. Hierbei ist aber zu berücksichtigen, daß dann auch die Alkalizelle gegen Tageslicht empfindlich ist. Man wird daher zweckmäßig Blendvorrichtungien oder geeignete Filter vorsehen. Noch vorteilhafter ist jedoch die Verwendung zweier Zellen in an sich bekannter Kompensations- bzw. Brückenschaltung, wie die Abb. 2 und 3 zeigen. Eine solche Kompensationsschaltung ergibt nämlich- noch weitere Vorteile. Berücksichtigt man, daß bei Verwendung einer einzelnen Photozelle im Strahlengang einmal mit und einmal ohne Absorbens gemessen und dann die Größe des Ausschlages am Meßinstrument als Maß für die Stärke der Absorption genommen wird, so ist klar, daß der Ausschlag vom betrieblichen Verhalten der Lichtquelle, der Photozelle und der Meßanordnung abhängt. Es ist daher nicht möglich, nur eine einmalige, stets gültige Eichung der Apparatur vorzunehmen, sondern man muß bei jeder einzelnen Messung 'eine neue Eichung durchfühiien, da man die genannten Faktoren nur für eine verhältnismäßig kurze Zeit konstant halten kann. Verwendet man jedoch zwei gleichartige Photozellen in Gegenschaltung, beispielsweise in 'einer Wheatstoneschen Brückenschaltung, so fällt die Inkonstanz der Faktoren völlig aus. Auch ist die Meßgenauigkeit nicht durch die Größe des Ausschlages beschränkt.

Notwendig ist hierbei allerdings, daß beide Photozellen die gleiche Charakteristik besitzen, d.h. dieselbe Abhängigkeit des Photostromes vom einfallenden Licht und der Zellenspannung aufweisen. Die notwendige Gleichheit der Zellen kann man derart herbeiführen, daß sie beide gleichzeitig unter gleicher Behandlung im selben Gasraum hergestellt werden und auch nach dem Abschmelzen von der Pumpe 'einen gemeinschaftlichen Gasraum besitzen.

Die Abb. 2 zeigt schematisch die an sich

- bekannte Anordnung zweier Zellen 8,9 mit den Anoden .^₁, A₂ und Kathoden A^₁, ./C₂- Wie ersichtlich, sind die Zellen gegeneinander geschaltet, d.h. Kathode/Ci und AnodeA₂ sind miteinander verbunden und ebenfalls' die" Anode A₁ mit der Kathode K₂ unter Zwischenschaltung zweier Stromquellen ioj ΪΊ. Die so gebildete Brücke besitzt den Diagonalkrieis 12, bestehend aus einem "Widerstand-- und' einem dazu parallel geschalteten Meßinstrument 13. ■ Die Abb. 3 zeigt in · ohne" weiteres verständlicher Weise eine Doppelphotözelle in einem gemeinschaftlichen Gefäß mit getrennten Strahlengängen. In dem einen Strahlengang ist die zu untersuchende quecksilberhaltige Luft E eingeschaltet. Die beiden Lichtquellen (Quecksilberdampflampen) 15, 16 werden auf den Fenstern der beiden Zellen abgebildet und das durchfallende Fremdlicht in einem beiden Zellen gemeinsamen Teile 14, wie vorstehend beschrieben, vernichtet.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur quantitativen Photo- * metrierung eines engen Spektralbereiches durch Messung des in einer Resonanzkammer entstehenden Resonanzlichtes mittels Photozelle, insbesondere zur Bestimmung des Quecksilbergehaltes der Luft, dadurch gekennzeichnet, daß die Photozelle selbst als Resonanzkammer für das zu messende Licht ausgebildet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Photozellen derart angeordnet sind, daß nur das sekundäre Resonanzlicht photoelektrisch wirksam wird, während das spektralfremde Licht ungeschwächt durch die Zelle hindurchtritt oder in ihr verzehrt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden der Photozelle als konzentrische Zylinder (1 und 3, Abb. 1) ausgebildet sind, von denen der äußere, zweckmäßig als Kathode wirksame an einer Seite einen mit einem Fenster (5) versehenen Abschluß hat.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenzylinder in der Längsachse des Zellen-

, gefäßes angeordnet sind, welches an dem dem Lichteintrittsende gegenüberliegenden Ende derart ausgebildet, z. B. winklig abgebogen und trichterförmig verengt ist (6, Abb. 1), daß das spektralfremde Licht verzehrt wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Elektrodenzylinder so bemessen ist, daß . das Resonanzlicht innerhalb dieser Länge bei den kleinsten betrieblich auftretenden Quecksilberdampfstrecken bereits vollständig absorbiert und zur Reemission gebracht wird.

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6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der selektiven Gasfüllung der Photozelle Edelgas beigemischt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, -daß der Schwermetallbelag (2) ehe Schicht eines photoelektrisch wirksamen Materials, wie Kalium, Natrium, Rubidium, Caesium, Lithium, trägt.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, insbesondere mit Photozelle nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch zwei Photozellen in Kompensations- (Brücken-) Schaltung.

9. Einrichtung nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Photozellen in einem gemeinsamen Gasraum angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen