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Monochromator
Die Erfindung betrifft Monochromatoren, wie sie benutzt
werden zum Messen der Intensitätsverteilung eines Spektrums; Mit Monochromator wird
ein Instrument bezeichnet, das einen bestimmten Teil des Spektrums aussondert. Man
nennt diese Vorrichtung, wenn sie zum Messen der Intensitätsverteilung von Spektren
benutzt wird, auch Spektrophotometer.
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Die Erfindung bezweckt einen Mehrfach-Monochromator, der. ein höheres
Auflösungsvermögen besitzt als ein einfacher Monochromator und eine fast vollständige
Eliminierung von Streustrahlung oder dementsprechend bei gleicher Auflösung eine
größere Energie ermöglicht.
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Bei einem üblichen Infrarot-Monochromator wird der Strahl von der
Strahlungsquelle auf einen Eingangs spalt geworfen und durch einen exzentrisch angeordneten
Paraboloidspiegel parallel gerichtet. Das parallele Strahlenbündel wird dann durch
ein Prisma zerlegt und durch einen ebenen Spiegel zurück durch das Prisma reflektiert.
Nach erneuter Zerlegung durch das Prisma fällt der Strahl wieder auf den Paraboloidspiegel,
der die Strahlung einer bestimmten Wellenlänge auf den Ausgangsspalt wirft. Der
austretende Strahl fällt dann auf einen Detektor, z. B. auf ein Thermoelement. Bei
einer gegebenen Anordnung des ebenen Spiegels tritt die Strahlung einer gegebenen
Wellenlänge und Bandbreite durch den Austrittsspalt, wobei die Bandbreite bei einem
gegebenen Monochromator durch die Spaltbreite bestimmt wird.
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Es sind Monochromatoren bekannt, bei denen zusätzlich zu der Anordnung
eines einfachen Mono-
chromators Spiegel derart angeordnet sind,
daß die Strahlen einer bestimmten Wellenlänge, die das Dispersionssystem einmal
durchlaufen haben, so reflektiert werden, daß sie mehr als einmal das D ispersionssystem
durchlaufen. Einrichtungen dieser Art erlauben weder eine Unterdrückung von Streustrahlung,
noch ist es möglich, diejenige Strahlung, die nur einmal das optische System durchlaufen
hat, von derjenigen Strahlung zu trennen, die zwei- oder mehrmals durch das optische
System geführt wurde. Wenn daher eine Strahlungsquelle mit einem kontinuierlichen
Spektrum verwendet wird, so werden mehrere Wellenlängen durch den Ausgangsschlitz
austreten und man erhält keine monochromatische Strahlung..
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Man hat bereits versucht, zwei Monochromatoren in Reihe zu schalten,
um einen Doppel-Monochromator zu-bilden. Eine solche Maßnahme ist umständlich und
schwierig durchzuführen, da eine solche Kopplung sehr genau sein muß, und über dies
teuer, da Monochromatoren kostspielige Instrumente sind. Eine Kopplung von mehr
als zwei Monochromatoren hat man noch nicht versucht.
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Es ist bekannt, einen Strahlunterbrecher außerhalb des optischen
Systems des Monochromators derart anzuordnen, daß er -den Strahl mit einer bestimmten
Frequenz unterbricht. Der Verstärker, mit dem das Ausgangssignal des Detektors verstärkt
wird, ist dabei auf die gleiche Frequenz abgestimmt. Da der Unterbrecher. so angeordnet
ist, daß er die Strahlung unterbricht, bevor diese in den Eingangs sp alt eintritt
oder nachdem sie den Ausgangsspalt verläßt, wird die ganze Strahlung, die in dem
Monochromator als Streustrahlung auftritt und welche durch den Ausgangsspalt zu
dem Detektor gelangt, durch den Untérbrecher geführt und daher auch angezeigt.
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Bei einer solchen Verwendung eines Unterbrechers wird also lediglich
die Messung. der Intensität der durch den Monochromator ausgesendeten Strahlung
dadurch verbessert, daß die Nullverschiebung beseitigt wird. Durch eine solche Anordnung
wird jedoch die optische Wirkungsweise des Monochromators in keiner Weise verbessert,
z. B. in bezug auf die Unterdrückung der Streustrahlung.
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Gemäß der Erfindung ist ein Monochromator vorgesehen, bei dem zusätzlich
zum. einfachen Monochromator Spiegel derart angeordnet sind, daß die Strahlen einer
bestimmten Wellenlänge, die das Dispersionssystem einmal durchlaufen haben, so reflektiert
werden, daß sie mehr als einmal das Dispersionssystem durchlaufen, und bei dem eine
Vorrichtung zur Unterbrechung eines Lichtstrahles in bestimmter Frequenz in demjenigen
Lichtstrahl eingeschaltet ist, der mehr als einmal das Dispersionssystem durchläuft,
bevor er den Austrittsspalt erreicht, wobei ein Verstärker mit einem Lichtdetektor
für den Austrittsstrahl verbunden ist, der auf die gleiche Frequenz abgestiinmt
ist.
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Der Ausdruck »Durchlaufen« ist hier so allgemein zu verstehen, daß
darunter~auch eine Reflektion an einem Beugungsgitter verstanden wird.
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Der Ausdruck »Spiegel« umfaßt jede Art reflektierender Oberflächen,
-beispielsweise auch zwei Flächen eines rechtwinkligen Prismas.
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- Der besondere - Vorteil der der Erfindung zugrunde liegenden Kombination
ist also, daß der Unterbrecher an den Spiegeln liegt, so daß nur diejenige Strahlung,
welche über die Spiegel durch das Dispersionssystem des Monochromators zurückgeleitet
wird, von dem Unterbrecher zerhackt wird.
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Auf diese Weise ist.sichergestellt, daß diejenige Streustrahlung,
welche noch ein Signal des Verstärkers auslösen kann, zwangläufig durch das Dispersionssystem
über die Spiegel zurückreflektiert und in einem solchen Umfange vermindert wird,
daß sie wirksam eliminiert ist.
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Vorzugsweise werden, um einen einfachen Monochromator in einen Doppel-Monochromator
umzuwandeln, zwei weitere Spiegel rechtwinklig zueinander so angeordnet, daß ihre
Schnittlinien auf der Fokalkurve des Kollimatorspiegels des normalen Monochromators
liegen. Diese zusätzlichen Spiegel liegen derart zur Fokalkurve, daß die Strahlen
einer gegebenen Wellenlänge zum Kollimatorspiegel zurückreflektiert werden und von
dort durch das Zerlegungssystem und schließlich durch den Austrittsspalt- fallen.
Hierdurch kann eine Zerlegung erreicht werden, die ungefähr doppelt so groß ist
wie die Zerlegung normaler - Monochromatoren. Die beiden Spiegel können übrigens
in manchen Fällen gekrümmt sein.
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Wenn eine noch größere Zerlegung gewünscht wird, können mehrere Spiegelpaare
dieser Art so angewandt werden, daß die Strahlung noch öfter durch das System läuft.
Andererseits kann ein Spiegelpaar benutzt werden, um mehrere Durchgänge des optischen
Systems zu erzielen.
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Als Beispiel für die Wirksamkeit der Elimination der Streustrahlung
bei Anwendung der Erfindung sei angeführt, daß bei einem bekannten Monochromator
der eingangs beschriebenen Art (Perkin-Elmer - Modell 12 c eines Infrarotspektrometers)
die Streustrahlung etwa 15 150/o bei I4,5 jm beträgt.
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In diesem Instrument wird ein Unterbrecher und ein abgestimmter Verstärker
verwendet. Wenn man dieses Modell entsprechend der Erfindung umbaut, so sinkt der
Anteil der Streustrahlung unter o,IO/o ist also um mehr als das Isofache vermindert
worden, obwohl die Unterbrecherfrequenz und der abgestimmte Verstärker in beiden
Fällen dieselben sind.
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Die Erfindung kann auf alle Arten von Monochromatoren angewandt werden,
die bei Intensitätsmessungen benutzt werden. Sie ist von besonderer Bedeutung bei
Infrarot-Monochromatoren. Daher wird die Erfindung- im folgenden bezüglich eines
Infrarot-Monochromators, und zwar in der Form der Umwandlung eines üblichen Infrarot-Monochromators
in einen Doppel-Monochromator, beschrieben. Diese Art der Abänderung eines einfachen
Monochromators in einen Mehrfach-Monochromator kann angewandt werden bei Monochromatoren
beliebiger Art, und zwar auch solchen,
die Beugungsgitter oder Linsen
verwenden. In der Zeichnung zeigt Fig. I das Schema des optischen Systems eines
üblichen Infrarot-Monochromators, Fig. 2 zeigt das Schema des gleichen Monochromators,
der so abgeändert ist, daß er einen Doppel-Monochromator bildet.
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Bei einem üblichen Monochromator gemäß Fig. I werden die Strahlen
auf den EintrittsspaltSt geworfen, von dort aus fällt der Strahl auf einen exzentrisch
angeordneten Paraboloidspiegel M,.
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Der parallel gerichtete Strahl wird in einem Prisma P zerlegt und
von einem ebenen Spiegel M2 zum Prisma zurückreflektiert. Nach erneuter Zerlegung
durch das Prisma P fällt der Strahl erneut auf den Kollimatorspiegel M1, durch den
die Strahlen einer bestimmten Wellenlänge auf den Austrittsspalt S2 geworfen werden;
der austretende Strahl fällt dann auf ein nicht dargestelltes Thermoelement oder
einen anderen Detektor. Der Spiegel M2 ist derart angeordnet, daß der Strahl einer
gegebenen Wellenlänge durch den Austrittsspalt S2 fällt, wobei die Bandbreite bei
einem gegebenen Monochromator durch die Breite des Eintritts- und des Austrittsspaltes
bestimmt wird. Wenn der Spiegel M2 so angeordnet ist, daß die Strahlen der Wellenlänge
V1 auf den Austrittsspalt S2 fallen, so erfolgt die Projektion anderer Wellenlängen
an anderen Punkten der Fokalkurve OA des Spiegels M1.
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Das übliche System eines Monochromators, wie es in Fig. I dargestellt
ist, kann gemäß der Erfindung in ein Doppel-Monochromatorsystem umgeändert werden,
indem zusätzlich zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Spiegels3, M4 mit ihrer
Schnittlinie auf der Fokalkurve des Spiegels, angeordnet werden, wie dies Fig. 2
zeigt. Bei dieser Anordnung werden die Strahlen einer gegebenen Wellenlänge V2 zurück
zum Spiegel M1 reflektiert und gehen von dort durch das Zerlegungssystem und schließlich
durch den Austrittsspalt 52-Solche Strahlen, die wie in Fig. I nur einmal durch
das Zerlegungssystem laufen, bevor sie durch den Austrittsspalt austreten, werden
im folgenden als Strahlen erster Ordnung bezeichnet und Strahlen, die, wie in Fig.
2 mittels der Spiegel M3, M4 zweimal durch das Zerlegungssystem laufen, bevor sie
durch den Austrittsspalt austreten, als Strahlen zweiter Ordnung. Die Strahlen erster
Ordnung der Wellenlänge Vt treten nun durch den Austrittsspalt gleichzeitig mit
den Strahlen zweiter Ordnung von der Wellenlänge V2 aus. Um die Strahlen zweiter
Ordnung von denen erster Ordnung zu isolieren, wird der Lichtstrahlunterbrecher
C so angeordnet, daß er den Strahl in der Nähe der Spiegel Mß M4 unterbricht. Die
Strahlen erster Ordnung werden dann am Verstärkerausgang nicht mehr erkennbar sein,
da der (nicht dargestellte) Verstärker der Detektorströme auf die gleiche Frequenz
abgestimmt ist wie der Unterbrecher und daher die nichtunterbrochene Strahlung keinen
Ausgangsstrom des Verstärkers ergibt. Das Spektrum zweiter Ordnung ist jedoch mit
der vorbestimmten Frequenz unterbrochen und ergibt am Ausgang des Verstärkers einen
Strom.
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Das Spektrum zweiter Ordnung hat eine nahezu doppelt so große Zerlegung
wie das Spektrum erster Ordnung. Es ergibt sich daher ein vergrößeres Auflösungsvermögen
für das gleiche Verhältnis von Signal zu Nebengeräusch am Ausgang des Verstärkers.
Bei einem idealen Detektor ist das theoretische Auflösungsvermögen eines Doppel-Monochromators
ungefähr zweimal so groß wie das eines einfachen Monochromators. Andererseits ergibt
das Spektrum zweiter Ordnung ein vergrößertes Verhältnis von Signal zu Nebengeräusch
bei gleicher Auflösung,, so daß bei gleicher Auflösung breitere Spalten benutzt
werden können.
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Ein anderer wichtiger Vorteil ist die wirksame Eliminierung von Streulicht.
Die Spiegel M3, M4 sind klein und empfangen daher nur eine geringe Menge Streustrahlung,
die fast völlig beseitigt wird durch den zweiten Durchgang durch das Zerlegungssystem;
das Spektrum zweiter Ordnung, welches durch den Austrittsspalt fällt, ist daher
praktisch frei von Streulicht.
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Die Spiegel, die dazu dienen, den Strahl durch das Zerlegungssystem
zurückzureflektieren, um Strahlen zweiter Ordnung zu erzeugen, können weiterhin
verwandt werden, um Strahlen dritter, vierter oder höherer Ordnung zu erzeugen,
und die Anwendung eines Lichtunterbrechers zur Isolierung von Strahlen gegebener
Ordnung, die durch den Austrittsspalt fallen, kann leicht der Konstruktion entsprechender
Mehrfach- Monochromatoren angepaßt werden. Solch ein Instrument würde eine Vervielfachung
des Auflösungsvermögens bewirken. Erreicht werden kann dies durch Verwendung von
zwei oder mehreren Spiegelpaaren M3, M4.
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Der Eingangsspalt kann, statt auf einer Seite des Spiegelpaares M3,
M4 angeordnet zu sein, auch zwischen ihnen angeordnet werden, und diese Spiegel
können benutzt werden, um mehrere Durchgänge durch das optische System zu bewirken.
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Die einzige an der Konstruktion des einfachen Monochromators erforderliche
Änderung, die abgesehen von der Einfügung zusätzlicher Spiegel und des Strahlungsunterbrechers
notwendig ist, besteht darin, den Ein- und/oder Austrittsspalt derart zu ändern,
daß die Krümmung des Eintrittsspaltbildes zweiter oder höherer Ordnung der Krümmung
des Eintrittsspaltes entspricht. Wenn eine große Spaltlänge benutzt wird, ist es
zweckmäßig, das Äquivalent einer Feldlinse in der Nähe der zusätzlichen Spiegel
anzuordnen, damit die gesamte Strahlung, die von den zusätzlichen Spiegeln reflektiert
wird, auf den Kollimatorspiegel fällt.
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Die Wirkung einer Feldlinse kann man dadurch erreichen, daß man einen
oder mehrere der zusätzlichen Spiegel mit einer gekrümmten statt mit einer ebenen
Fläche versieht.