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Spektrograph Die Leistungsfähigkeit eines Spektralapparates wird nach
zwei l-lauptgesichtspunkten beurteilt: einerseits nach der Auflösung von Spektrallinien
nahe hellaclll)arter Wellenlängen, anderseits nach der Lichtstärke des Apparates.
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Das Auflösungsvermögen eines Prismensatzes gil)t an. welche Auflösung
man unter den günstig sten Bedingungen des Apparates (Offnungsverhältnis der Kamera
und des Kollimators, Spaltbreite, Trennvermögen der photographischen Schicht usw.)
erreichen kann. I)ieses Auflösungsvermögen hängt von der Prismenstellung ab. Bei
den üblicherweise verwendeten gleichschenkligen Prismen hat es ein Maximum bei symmetrischem
Strahlendurchgang durch das Prisma (Minimumstellung für die Strahlablenkung). Infolgedessen
ist bei sämtlichen handelsüblichen Spektrographen, bei denen die Optik verstellbar
ist, die Anordnung getroffen, daß die Prismen für den zu beobachtenden Spektralbereich
in die Alinimumstellung gebracht werden. Die Bewegungsmöglichkeiten sind so gewählt,
daß in den in Betracht kommenden Stellungen das Strahlenbündel die Prismen mit möglichst
geringem Lichtverlust durchsetzt. Besonders vorteilhaft ist bei diesen Apparaten
eine Anordnung, die eine automatische Minimumstellung sämtlicher Prismen mit einer
einzigen Bewegung ermöglicht. Bei bekannten Spektrographen für einen gewissenWellenlängenbereich,
dienichtmit
einer automatischen Minimumeinstellvorrichtung ausgerüstet
sind, können die Prismen einzeln in die jeweilige Minimumstellung gedreht werden.
An einem Apparat dieser Art haben G e r 1 a c h und R i e dl (Veröffentlichung »Spektralanalytische
und elektrische Untersuchungen an reinstem Platin«, Phys. Zeitschrift, 34, I933,
Nr. I3, S.5 I9), gelegentlich beobachtet, daß durch Herausdrehen der Prismen aus
der Minimumstellung die Auflösung etwas verbessert wurde. Da sie sich jedoch bei
der ganz andersartigen Zielsetzung ihrer Arbeit keine Rechenschaft über die Bedingungen
gaben, von denen di Auflösung eines Spektrographen im einzelnen abhängt und welches
insbesondere die günstigste Prismenstellung ist, führte diese Beobachtung nicht
zu einer Verbesserung im Spektrographenbau.
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Wie Untersuchungen von Gattere r und J u n ke s (Ric. Spettroscopiche
I, 73, Nr. 3, I940) und von Hammer (Spektrochim.Acta, 2, 107, I94I) zeigen, ist
das Öffnungsverhältnis der Kamera eines Spektralapparates von entscheidendem Einfluß
darauf, ob man mit diesem Apparat die Auflösung erhält, die dem Auflösungsvermögen
des Prismensatzes entspricht, oder nicht. Das Auflösungsvermögen eines Prismensatzes
wird z. B. im Spektralgebiet von 4500 AE nur ausgenutzt, wenn das abbildende Bündel
auf der Kameraseite ein Öffnungsverhältnis von 1 45 hat. Dies führte zu dem Bau
von Spektrographen mit Kamerabrennweiten von über m (Steubing,Z. techn. Phys., 2I,243,
I940), und im Schrifttum wurde von den optischen Firmen die Herstellung von Spektrographen
mit so großen Kamerabrennweiten gefordert, daß das Auflösungsvermögen ausgenutzt
werden kann (Gatterer und Junkes a. a. O.). Es ist klar, daß die Forderung, das
Auflösungsvermögen des Prismensatzes auszunutzen, nicht zugleich mit der zweiten
Forderung, eine möglichst große Lichtstärke des Gerätes zu haben, erfüllt werden
kann. Um allen wissenschaftlichen und technischen Forderungen gerecht zu werden,
hat man die Spektrographen mit Kameras verschiedener Brennweite ausgerüstet. Apparate
mit kleiner Kamerabrennweite haben große Lichtstärke bei nicht ausgenutztem Auflösungsvermögen
des Pri smensatzes, Apparate mit großer Kamerabrennweite haben geringere Lichtstärke
bei besserer bzw. vollständiger Ausnutzung des Auflösungsvermögens. Diese Lösung
ist die einzige, die bisher bekanntgeworden ist. Für jede gewünschte Auflösung muß
also der Spektrograph mit einer besonderen Optik versehen werden, was naturgemäß
einen bedeutenden technischen Aufwand mit sich bringt.
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Bei dem neuen Spektrographen ist gemäß der Erfindung bei konstanter
Brennweite der Kamera eine veränderliche, und zwar sogar eine stetig veränderliche
Auflösung dadurch erreicht, daß die Auflösungsänderung durch Anderung der Prismenstellung
bewirkt werden kann, wobei die jeweils gewünschte Auflösung nach einer bestimmten,
im folgenden erläuterten Formel einstellbar gemacht ist, etwa automatisch mit Hilfe
eines entsprechenden Mechanismus. Durch geeignetes Ändern der Prismenaufstellung
ist es, im Gegensatz zu den Apparaten mit auswechselbaren Kameras möglich, die Auflösung
stetig zu verändern, und zwar mit einem verhältnismäßig geringen, apparativen Aufwand.
Man kann dabei einerseits mit der zur jeweils notwendigen Auflösung größtmöglichen
Lichtstärke arbeiten, da die Auflösung immer nur so groß gewählt zu werden braucht,
wie es für das gerade vorliegende Problem erforderlich ist. Anderseits läßt sich
die Auflösung, wenn es notwendig ist, praktisch bis zur vollen Ausnutzung des Auflösungsvermögens
steigern.
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Es hat sich nämlich auf (;rund eingehender theoretischer unld experimenteller
Untersuchungen herausgestellt, daß durch eine Aufstellung der Prismen außerhalb
der ?*linimumstellung das Auflösungsvermögen nur um einige Prozent ahnimmt.
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Die Prismenstellung wird gemäß der Erfindung so gewählt, daß das
für die Auflösung wirksame Offnungsverhältnis den in der folgenden Formel angegebenen
Wert besitzt: dtf = ,/..
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Dabei ist d die Breite des aus dem Prismensatz austretenden Bündels,
f die Kamera,rennweite und.v der für zwei gerade aufl(Ssbare Linien gewünschte Abstand
auf dem Empfänger (photographische Schicht, Bildebene bei visueller 13eobachtung).
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An einem Beispiel sei der Vorteil der Erfindung näher erläutert.
Ein Spektrog-raph üblicher Bauweise weise bei einer Kamel-abrenn\\eite von 500 mm
das Offnungsverhältnis 1 : 10 auf. Ein solcher Apparat hat bei guter Lichtstärke
eine für viele Zwecke ausreichende Auflösung. Ist es dagegen notwendig, das Auflösungsvermögen
des eingebauten Prismensatzes auszunutzen, so muß der Apparat ein Offnungsverhältnis
von I: 4 45 haben und daher nach der bisherigen Praxis mit einer Zusatzkamera mit
der unbequem großen Irennweite von 2250 mm ausgestattet werden, wogegen gemäß der
Erfindung unter Beibehaltung der Kamerabrennweite von 500 mm lediglich die entsprechende
Prismeneinstellung gewählt werden muß. Zu der größeren Einfachheit des Apparates
kommt noch der Vorteil hinzu, daß man mit ihm nicht nur die beiden Auflösungswerte,
die den Offnungsverhältuissen I: 10 und 1 : 45 entsprechen, einstellen kann, sondern
jeden beliebigen Zwischenwert.
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Vorteilhaft ist es, die Prismen (etwa mittels einer Bewegungsvorrichtung,
die sich selbstverständlich von den bekannten, zur AIinimumeinstellung dienen den
Einrichtungen unterscheidet) so zu bewegen, daß unter Berücksichtigung der Formel
d/f = als der Prismensatz von dem Bündel möglichst ohne Lichtverlust durchsetzt
wird.
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Wie bereits ausgeführt wurde, besteht ein Vorteil der neuen Anordnung
darin, daß die Auflösung dem gegebenen Problem in weiten Grenzen angepaßt werden
kann. Es ist am zweckmäßigsten, den Apparat mit einer Optik mittlerer 13rennweite
auszustatten und die Auflösung durch die Prismeneinstellung für den speziellen Fall
zu steigern, wenn nötig bis zur vollen Ausnutzung des Auflösungsvermögens. Es ist
jedoch nicht ausgeschlossen, den umgekehrten Weg zu gehen und zur Erhöhung der Be
leuchtungsstärke
der Spektrallinien die Auflösung gegenüber der NI inimumstellung zu verkleinern.
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Die Steigerung der Auflösung in der angegebenen Weise bringt als
weiteren Vorteil mit sich, daß die Beleuchtungsstärke der Spektrallinien weniger
abnimmt als in dem Falle der Auflösungssteigerung durch die Xrerlängerullg der Iiamerabrennweite.
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Die Auflösungssteigerung wird nämlich gemäß der Erfindung allein
durch eine Vergrößerung des Spektrums in der Dispersionsrichtung erzielt, wogegen
durch die Verlängerung der Kamerabrennweite eine Vergrößerung in beiden Dimensionen
bewirkt wird. »dieser Vorteil wird allerdings zum Teil wieder aufgehoben durch die
mit Annäherung an den Grenzwinkel der Totalreflexion beim Austritt aus den Prismen
steigenden lteflexionsverluste. Es können jedoch schall sehr beträchtliche Auflösungssteigeruiigen
erzielt werden, ohne daß der Einfluß der Reflexionsverluste den Gewinn vollständig
aufhebt. I)ies gilt vor allem dann, wenn die Prismen flächen mit einer reilexionsvermindernden
Schicht versehen sind, deren Dicke so gewählt ist, daß die Reflexion für einen SIittelwert
des zu erwartenden Eintritts- und Austrittswinkels an den Prismen ein Minimum ist.
Es ist ferner zweckmäßig, die auftretende Verkleinerung des Bündelquerschnitts gleichmäßig
auf die einzelnen Prismen zu verteilen.
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Dann sind die Eilltrittswillkel und Austrittswinkel je untercinancter
gleich. Der Reflexionsverlust ist dann bei jedem Prisma der gleiche und die reflexionsvermindernde
Schicht kann bei allen Eintritts- und bei allen Austrittsflächen gleich gewählt
werden.