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Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf
das Gebiet der Atomspektroskopie. Insbesondere beschreibt die Erfindung
ein Spektrometer, das modifiziert wurde, um eine hohe Detektorauflösung durch
Verwendung eines geformten, orientierten Eintrittsschlitzes zu erreichen,
der die durch die Gittergeometrie hervorgerufene optische Verzerrung
korrigiert, so dass das Bild des Eintrittsschlitzes der Orientierung
und Form des Auflösungselementes
des Detektors angepasst ist.
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In der Atomspektroskopie, die die
Atomabsorption, Atomemission und Atomfluoreszenz umfasst, wird die
elektromagnetische Strahlung einer Wellenlänge, die für ein bestimmtes Element charakteristisch
ist, quantitativ bestimmt und als Maß für die Konzentration dieses
bestimmten Elementes in einer Probe verwendet. Die Strahlungsintensität der charakteristischen
Wellenlänge
ist proportional der Konzentration des Elementes in der Probe.
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Die Empfindlichkeit von jeglicher
dieser Atomspektroskopietechniken hängt teilweise von der Fähigkeit
ab, die Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereiches zu selektieren,
den selektierten Wellenlängenbereich
in ein Muster von Spektrallinien aufzulösen und die Intensität der mit
den Spektrallinien verbundenen Strahlung zu detektieren. Die Wellenlängenselektion
und -auflösung
wird typischerweise durch ein Spektrometer ausgeführt. Strahlung
eines Wellenlängenbereiches
wird durch einen Eintrittsschlitz hindurchgeführt, der im Brennpunkt eines Kollimierspiegels
(erster Spiegel) angeordnet ist. Der kollimierte Strahl wird dann
auf ein Gitter reflektiert und in ein Muster von Spektrallinien
gestreut (d. h. ein Streumus ter), wobei jede Wellenlänge von
dem Gitter in einem charakteristischen Winkel (d. h. dem Streuwinkel)
gestreut wird.
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Bei Spektrometern, die konventionelle
Gitter mit hoher Liniendichte verwenden, wird die Strahlungsmessung
typischerweise für
die niedrigeren Streuordnungen, am bevorzugtesten für die erste Ordnung
durchgeführt.
Dies ist der Fall wegen des möglichen Überlappens
von Wellenlängen
unterschiedlicher Ordnungen, die mit dem gleichen Winkel vom Gitter
emittiert werden und weil ein viel höherer Prozentsatz der Strahlung
erhalten werden kann, wenn in diesen konventionellen Gittern die
erste Ordnung verwendet wird. Jedoch werden sowohl die Streuung
(d. h. die Winkelstreuung) als auch die Auflösungsleistung des Gitters verbessert,
wenn höhere Ordnungen
verwendet werden.
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Echellegitter mit Blaze-Linien ermöglichen es
dem Anwender, Vorteile aus der größeren Auflösung und Winkelstreuung zu
ziehen, die bei höheren Ordnungen
erhältlich
sind. Echellegitter sind gekennzeichnet durch eine kleinere Größe mit weniger
eingebrachten Linien, typischerweise 95 bis 100 Linien/mm verglichen
mit mehr als 1000 Linien bei konventionellen Gittern. Die Linien
werden in die Oberfläche
des Gitters in einem Winkel oder Blaze zur Oberfläche geschnitten.
Der Blaze verändert
die Streueigenschaften des Gitters, so dass es für einen beliebigen Wellenlängenbereich
möglich
ist, einen höheren Anteil
der Strahlung in die höheren
Ordnungen in den gewünschten
Streuwinkel überzuführen. Die
verschiedenen Streuordnungen liegen im Allgemeinen übereinander.
Ein Kreuzstreuelement (z. B. ein Prisma) kann verwendet werden,
um die sich überlappenden
Ordnungen in der orthogonalen Richtung weiter zu separieren.
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Sobald das entweder Echelle- oder
konventionelle Gitter die Strahlung in unterschiedliche Streuwinkel
auflöst,
kann dann ein Kameraspiegel (zweiter Spiegel) benutzt werden, um
ein Streumuster auf der Fokalebene des Spiegels zu erzeugen. Dieses
Muster besteht aus Abbildungen des Eintrittsschlitzes für jede gestreute
Wellenlänge.
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Die Orientierung und Form der Abbildung des
Eintrittsschlitzes hängt
von der Geometrie des Spektrometers ab. Es gibt zwei mögliche Orientierungen
der einfallenden Strahlung relativ zu den Echellegitter-Linien oder
zu Teilungsnormalen. In der ersten Orientierung sind die Gitterlinien
orthogonal zur Meridial-Ebene des einfallenden Strahls. In dieser Konfiguration
liegen der Schlitz und seine Abbildung in den horizontalen Brennpunkten
des Spiegels und das Gitter hat keine Auswirkungen auf die vertikale Aberration
des Systems. Die resultierende Abbildung des Eintrittsschlitzes
hat dann die gleiche Form wie der Eintrittsschlitz selbst und ist
parallel zu den Gitterlinien orientiert.
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Bei der zweiten Orientierung sind
die Gitterlinien parallel zur Meridial-Ebene und die einfallenden und gestreuten
Strahlen formen einen kleinen Winkel θ mit der Ebene durch die Gitternormale.
Der Schlitz und seine Abbildung liegen in den vertikalen Brennpunkten
des Spiegels und das Gitter erzeugt dann eine vertikale Aberration.
Das resultierende Bild ist dann in einem Winkel X
= arctan (2 tanα tanθ)bezüglich der
Orientierung der Gitterlinien und das Eingangsschlitzes gekippt,
wobei α der
Gitter-Blaze-Winkel ist. Dieser folgt unter der Annahme, dass das
Gitter in der Littrow-Position verwendet wird, wo der Winkel der
einfallenden und gestreuten Strahlen mit der Gitternormalen der
gleiche ist, wie der Gitter-Blaze-Winkel. Dieser zweite Typ der
Orientierung wird, obwohl er ein gekipptes Bild aufweist, im Allgemeinen
in einem Echelle-Spektrometer
wegen der höheren
Gittereffizienz und besseren optischen Qualität bevorzugt.
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Verschiedene Typen von Detektoren
wurden verwendet, um Spektralbilder in der Fokalebene des Spektrometers
zu detektieren. Lineare und Flächen-Arrays von Fotodioden,
ladungsgekoppelte Elemente (CCD), Ladungs-Injektions-Bauelemente (CID) und plasmagekoppelte
Elemente wurden verwendet, um optische Signale von konventionellen Gitterspektrometern
wie von Echellegitterspektrometern zu erhalten.
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Ein CCD, das in einem Echellespektrometer verwendet
werden könnte,
würde ein
x-y-Pixelgitter aufweisen, das aus 1.000 Reihen und 1.000 Spalten von
Pixeln besteht, um insgesamt 1.000.000 Pixel zu ergeben. Detektoren
diesen Typs haben den Vorteil, dass sie in der Lage sind, alle Signale
innerhalb des Spektrometers einschließlich Hintergrundrauschen zu
detektieren. Das x-y-Gitter von Detektorpixeln ist mit den Gitterlinien
ausgerichtet. Falls die Pixel unterschiedliche Größen in der
x- und y-Dimension aufweisen, wird üblicherweise das Gitter mit
der größeren Dimension
parallel zu den Gitterlinien ausgerichtet. Um die höchste Auflösung zu
erzielen, sollte das Bild des Eingangsschlitzes gut an die Orientierung und
Form der Detektorpixel angepasst sein. Eine generelle praktische
Regel ist, dass die Breite des Schlitzes als das Auflösungselement
verwendet wird und an die doppelte Breite eines CCD-Pixels angepasst
wird.
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Diese Erfordernis der Anpassung der Schlitzabbildung
an die Orientierung und Form der Detektorpixel bringt kein Problem
für den
ersten Typ von Gitterspektrometern, wo die Gitterlinien orthogonal
zu der Meridial-Ebene des einfallenden Strahles sind. Jedoch sind
die gekippten Abbildungen beim zweiten Typ von Gitterspektrometern
ein Problem, wenn ein x-y-Gittertyp
eines CCD-Detektors verwendet wird. Das gekippte Bild und die sich
daraus ergebende Fehlanpassung an die Form der Detektorpixel führt zu einem
Verlust an spektraler Information. Die verlorene Information bedeutet
eine geringere Auflösung
und eine verminderte Leistungsfähigkeit
für das Spektrometer.
Die Verwendung eines x-y-Gittertyps eines CCD-Detektors führt auch zu einer Fehlanpassung
zwischen der Form des Detektors und der des Streumusters. Abstriche
existieren zwischen einer Unterfüllung
oder Überfüllung des
Detektors. Zusätzlich
ist, da jedes Pixel in einem x-y-Gittertyp eines CCD-Detektors ausgelesen
wird, die Auslesezeit lang, obwohl viele der Pixel keine nützliche
Information aufweisen können.
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Es ist möglich, bei einer gekippten
Schlitzabbildung die Spektrallinien-Formreproduktion durch Verwendung eines
Computeralgorithmus zu verbessern, um das Spektrum aufzunehmen und
zu rekonstruieren. Da jedoch das Signal in der Richtung der Schlitzhöhe auf mehr
als zwei Pixel fallen kann, erfordert dies die Verwendung eines
x-y-Gittertyps eines CCD-Detektors, der zusätzliche Pixel aufweist, um das
gesamte Signal aufzunehmen. Darüber
hinaus muss in einem solchen Fall eine Vielfach-Auslesung für jede einzelne Spektrallinie
durchgeführt
werden, was das Signal-Rausch-Verhältnis reduziert und damit die
Leistungsfähigkeit
des Spektrometers herabsetzt.
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Ein anderer Typ eines Festkörperdetektors weist
Arrays von Abtastelementen auf, die exakt entlang und auf den Stellen
des Streumusters in einer Fokalebene eines Echellegitterspektrometers
positioniert sind. Dieser Typ von Detektor sorgt für eine kontinuierliche
Spektralabdeckung mit viel schnellerer Auslesezeit. Um eine hohe
Auflösung
bei diesem Typ von Detektor zu erreichen, sollte das Bild des Eingangsschlitzes
gut an die Orientierung und Form der Pixel in den Detektorarrays
angepasst sein.
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Die Erfindung ist in ihrer breitesten
Terminologie in Anspruch 1 dieser Beschreibung dargelegt.
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Beispiele des Standes der Technik
und der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
erläutert,
von denen:
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1 eine
Darstellung der Hauptkomponenten eines Echellespektrometers als
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist.
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2 ist
eine Darstellung eines Schlitzes mit gerader Kante (d. h. horizontal)
gemäß dem Stand der
Technik in einer Lichtblendenplatte.
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3 ist
eine Darstellung eines Schlitzes, der verschoben und gestreckt worden
ist, wie es in einem veranschaulichendem Ausführungsbeispiel der Erfindung
beschrieben ist.
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4 ist
eine Darstellung eines Echellegitters.
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5(a) ist
eine Darstellung eines zwei-dimensionalen Streumusters, das in einem
Echellespektrometer erzeugt wird und horizontal angeordnet ist.
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5(b) ist
eine Darstellung eines zwei-dimensionalen Streumusters eines Echellespektrometers
orientiert in einem schrägen
Winkel.
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6(a) ist
eine Darstellung einer Vielzahl von Pixeln eines linearen Detektorarrays.
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6(b) ist
eine Darstellung der Abbildung eines konventionellen geradkantigen
Rechteckschlitzes auf ein Detektorarray, wobei die Abbildung um
einen Winkel bezüglich
der Richtung des schrägen
linearen Arrays gekippt ist.
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6(c) ist
eine Darstellung der Abbildung eines formorientierten Schlitzes
auf ein Detektorarray, wobei die Abbildung mit dem schrägen linearen Array
winkelgerecht ausgerichtet ist.
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1 zeigt
die Hauptkomponenten eines Echellespektrometers, bei dem der Schlitz
gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet werden kann. Das Spektrometer umfasst im Allgemeinen
ein Echellegitter 105, das eine Vielzahl von Gitterlinien, ein
Querdispersionselement 45, z. B. ein Prisma und ein Detektorarray 120 aufweist.
Zusätzliche
optische Elemente, wie beispielsweise Spiegel 118 und 132, werden
verwendet, um die einfallende Strahlung, die gebeugte Strahlung
und letztlich die gestreute Strahlung zu reflektieren und zu fokusieren.
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Die zu analysierende elektromagnetische Strahlung,
die typischerweise von der Quelle 137 ausgeht, sollte den
Eingangsschlitz gleichförmig
bestrahlen. Wie aus dem Stand der Technik wohl bekannt ist, bedeutet
der Ausdruck „Schlitz" eine Öffnung 125 in
einer Platte oder einer anderen Lichtblendenstruktur 127,
die es der Strahlung erlaubt, in das Spektrometer anzutreten. Die
Strahlung wird dann durch einen ersten Spiegel 118 kollimiert
und auf das Echelle-Gitter 105 geworfen. Die Strahlung eines
Bereiches von Wellenlängen,
die auf das Gitter mit demselben Einfallswinkel einfallen, wird
in Winkeln gebrochen, die mit der Wellenlänge variieren. Der gebrochene
Strahl 128 umfasst relativ hohe Ordnungen, die sich überlappen.
Ein Prisma 145 kann verwendet werden, um die verschiedenen
Ordnungen zu zerstreuen, und es wird ein zwei-dimensionales Streumuster
gebildet. Der Reflektor 132 kann verwendet werden, um die
Abbildung des Eingangsschlitzes in einer vorbestimmten Fokalebene
im Spektrometer zu bilden. Ein Detektor 120 ist so angeordnet,
dass er das Spektrum in der Bildebene auffängt. Die durch den Detektor 120 erzeugten
Signale werden in einer Ausleseelektronik 117 verarbeitet.
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Das Echellegitter 105 wird
vorzugsweise im Quasi-Littrow-Modus verwendet, wie dies in 4 gezeigt ist, wo der einfallende
Strahl 135 und der gebrochene Strahl 128 gemessen
in der x-y-Ebene einen Winkel 137 bezüglich der Gitternormalen 138 bilden.
Dieser Winkel hat die gleiche Größe wie der
Blazewinkel des Gitters, beispielsweise 45°. Das Gitter 105 ist
mit den Liniennuten 110 parallel zur Meridial-(Horizontal)-Ebene
montiert. Das Gitter kann etwa 95 Nuten pro Millimeter aufweisen.
Die einfallenden 135 und gebrochenen 128 Strahlen
bilden einen Winkel θ 140 bezüglich der
Ebene durch die Gitternormale.
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5(a) zeigt
ein zwei-dimensionales Beugungsbild, das in der Bildebene des Echellespektrometers
erzeugt wird. In einer bevorzugten Detektorkonstruktion sind die
Abtastelemente so angeordnet, dass sie eine Vielzahl von schrägen linearen
Arrays derart bilden, dass der Winkel von jedem Array dem Winkel
und der Krümmung
der jeweiligen Beugungsordnung, wie sie von dem Array zu detektieren
ist, nachgeführt
ist. 5(b) zeigt ein
zwei-dimensionales Beugungsbild, das in einem schrägen Winkel
orientiert ist.
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Abhängig von der jeweiligen Spektrometerkonstruktion
kann jedes einzelne Array 152 eine Vielzahl von optischen
Abtastelementen 151 unterschiedlicher Größe, sogenannte
Pixel enthalten, wie dies in 6(a) gezeigt
ist. Das Auflösungselement ist
im Allgemeinen so gewählt,
dass es an die doppelte Breite der Pixel entlang der Streurichtung
angepasst ist. Da die Länge
der Pixelarrays wegen der Änderung
des freien Spektralbereiches variieren kann, sind die Anzahl der
Pixel in den Ordnungen unterschiedlich. Eine typische Größe der Pixel
ist 25 Mikrometer × 50
Mikrometer.
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Für
einen herkömmlichen
geradkantigen Rechteckschlitz 125, der in 2 gezeigt ist, ist das Bild des Schlitzes 150 auf
der Fokalebene um einen Winkel bezüglich der Richtung des schrägen linearen Arrays 152 gekippt,
wie es in 6(b) gezeigt
ist. Das Bild des rechteckigen Eintrittsschlitzes passt nicht mit
dem Auflösungselement
zusammen und erstreckt sich über
die idealen zwei Pixel 151 hinaus.
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3 zeigt
die geometrische Konfiguration einer Ausführungsform des Schlitzes gemäß der vorliegenden
Erfindung. Der Schlitz weist eine Form auf, die durch Verschiebung
einer kurzen Seite 205 eines Rechteckschlitzes in einer
Richtung parallel zu dieser kurzen Seite definiert ist, während gleichzeitig
die beiden Längsseiten 210 des
Rechteckschlitzes in einem Maß gestreckt
werden, das ausreicht, die zwei Längsseiten um einen Winkel 2θ zu drehen.
Die Berechnung des Maßes
der Verschiebung der kurzen Seiten und des Streckens der langen
Seiten des Rechteckschlitzes ist Gegenstand der Basistrigonometrie.
Die Abbildung 150 des Eintrittsschlitzes der Erfindung
auf die Fokalebene des Echellespektrometers ist winkelgerecht mit
dem schrägen
Lineararray 162 ausgerichtet, wie dies in 6(c) gezeigt ist. Das Bild des Eintrittsschlitzes
passt zur Form und Orientierung des Auflösungselementes der zwei Pixel
161.
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Ein grundsätzlicher Vorteil des oben beschriebenen
Echellespektrometers liegt darin, dass es eine höhere Detektorauflösung zu
vergleichsweise geringen Kosten ohne komplizierte Signalverarbeitung
von Rohinformationen vom Detektorarray erzielt. Es erleichtert ferner,
eine erweiterte Spektralabdeckung durch Orientierung des Detektorarrays
zur Anpassung des Streumusters des Echellegitters zu erzielen, z.
B. kann das Detektorarray entlang schräger Linien oder einer Diagonallinie,
die sich zwischen zwei gegenüberliegende
Ecken der Detektoroberfläche
erstrecken, orientiert sein, anstatt in einer horizontalen Orientierung.
Siehe 5(a) und 5(b).
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Die veranschaulichenden Ausführungsbeispiele,
wie sie oben beschrieben sind, sind insbesondere nützlich für ein Echellespektrometer
da es von seiner Natur her ein zwei-dimensionales Detektionssystem
ist. Die Erfindung könnte
jedoch auch bei jeglichen Spektrometern angewendet werden, wo das Bild
des Schlitzes mit dem Detektorarray ausgerichtet und daran angepasst
sein sollte.
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ÜBERSETZUNG DER ENGLISCHSPRACHIGEN AUSDRÜCKE IN DEN
ZEICHNUNGEN
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1
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- read electronics and display = Ausleseelektronik und Anzeige
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4
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- grating normal = Gitternormale
- xz plane = x-z-Ebene
- yz plane = y-z-Ebene