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Spektroskopisches Gerät
Die Erfindung betrifft ganz allgemein die Spektroskopie
und im besonderen eine spektroskopische Vorrichtung des Prismentyps zur Zerlegung
strahlender Energie in ein Spektrum. Aus Gründen der Zweckmäßigkeit wird die Erfindung
hierbei bei einem Monochromator veranschaulichtS obgleich sie ebensogut bei anderen
spektroskopischen Geräten angewandt werden kann. Ebenfalls aus Zweckmäßigkeitsgründen
wird die Erfindung in Verbindung mit Licht, d. h. sichtbarer strahlender Energie,
erörtert, obgleich sie selbstverständlich auch ebensogut auf strahlende Energie
mit außerhalb des sichtbaren Bereichs liegenden Wellenlängen angewandt werden kann.
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Die Erfindung schafft ein Gerät der beschriebenen Art, das ein Fery-Prisma
aufweist, das eine erste Brechungsfläche und eine hintere Refiexionsfläche hat,
sowie eine Vorrichtung, die einen bogenförmigen Einlaßschlitz zur Zuführung der
Strahlen der strahlenden Energie auf diese erste Fläche ausbildet, wobei der Krümmungsradius
R des bogenförmigen Einlaß schlitzes in Beziehung zu der Brechungszahl » des Prismas,
der Brennweite f des Prismas und dem Einfallswinkel i der
Strahlen
steht, die auf die erste Fläche des Prismas von dem bogenförmigen Einlaß schlitz
praktisch.gemäß der, Gleichung R- f ctg s 2 (122-I) auffallen, wodurch das Prisma
ein praktisch lineares Bild des gekrümmten Schlitzes erzeugt.
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Die herkömmlichen Prismenmonochromatoren verwenden Prismen mit ebenen
Flächen; es ist dabei erforderlich, daß die auf das Prisma auftrefEe«. den Lichtstrahlen
im wesentlichen parallel sind. Daher wird der divergierende Lichtstrahl von dem
Einlaß schlitz durch eine Kollimationslinse oder einen Spiegel parallelgerichtet,
bevor man ihn auf das Prisma fallen läßt. Das im wesentlichen parallele, von dem
Prisma ausstrahlende Licht läßt man dann durch ein optisches Element, wie etwa eine
fokussierende Linse oder einen Spiegel zur Erzeugung eines Spektrums konvergieren.
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Falls ein schmaler Wellenlängenteil des Spektralbildes isoliert werden
soll, wird ein weiterer Schlitz, der als Auslaßschlitz bezeichnet wird, in der Ebene
des Spektrums angeordnet, um nur die gewünschten Wellenlängen hindurchzulassen.
Eine derartige, die Strahlung abspaltenqe Einrichtung, die ein schmales Wellenlängenband
isoliert, nennt man einen »Monochromator«.
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Das bei einem üblichen Monochromator der vorhergehenden Art verwendete
Spaltrohr kann nur solche Lichtstrahlen vollständig parallel machen, die von einer
Punktquelle ausgehen. Infolgedessen sind nur die von dem Mittelpunkt des Einlaßschlitzes
herrührenden Lichtstrahlen zu der Meridianebene des Prismas parallel während die
von den Schlitzenden ausgehenden geringfügige Winkel mit dieser Ebene bilden. Somit
fallen die Licht strahlen von den Enden des-Einlaßschlitzes unter etwas größerem
Winkel auf das Prisma als die von dem Schlitzmitbelpunkt - herrührenden Strahlen
und werden infolgedessen etwas mehr als jene abgelenkt. Die von den Punkten zwischen
der- Mitte und den Enden des Einlaßschlitzes herrührenden Strahlen werden auch beträchtlich
abgelenkt, aber in geringerem Maße.
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Das wesentliche Ergebnis einer solchen ungleichmäßigen Ablenkung
der Lichtstrahlen von verschiedenen Punkten längs des Einlaß schlitzes besteht darin,
daß das Bild des Einlaß schlitzes, das in der Ebene des Spektrums ausgebildet wird,
gekrümmt ist. Wie im folgenden ausführlich auseinandergesetzt, ist es wesentlich,
in bemerken, daß ein solches Bild des Einlaßschlitzes einfach eine gekrümmte Linie
praktisch von der Breite des Einlaßschlitzes ist, da dies nur das Ergebnis der ungleichmäßigen
Ablenkung ist.
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Falls es notwendig ist, daß das Bild des Einlaßschlitzes gerade'
ist, um mit einem geraden Auslaßschlitz zusammenzufallen, so kann dies leicht durch
Verwendung eines Einlaß schlitzes erreicht werden, der so gekrümmt ist, daß die
Wirkungen der ungleichmäßigen Ablenkung wegfallen, wobei die Krümmung so gewählt
ist, daß ein praktisch gerades Bild bei der am meisten interessierenden Wellenlänge
entsteht. Es kann aber auch ein Auslaßschlitz verwendet werden, der so gekrümmt
ist, daß er sich der Krümmung des Bildes eines geraden Einlaßschlitzes anpaßt, falls
ein gekrümmter Auslaßschlitz zulässig ist. Als weitere Möglichkeit kann aber auch
die erforderliche Krümmung zwischen den beiden Schlitzen aufgeteilt werden. Die
vorstehende Aufzählung verschiedener Möglichkeiten besteht nur, weil das Bild immer
eine einfache gekrümmte oder gerade Linie. ist.
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Bei jedem Monochromator ist es äußerst wesentlich, daß die Zerstreuung
des durch die Vorrichtung verlaufenden- Lichtes verringert wird, da sie die Reinheit
des Spektrums wesentlich herabsetzt und auch die Energie bei der gewünschten-Wellenlänge
vermindern kann, die an dem Auslaßschlitz verfügbar ist. Eine vollständige Beseitigung
dieser Zerstreuung ist nicht möglich, da jedes optische, in einem Monochromator
verwendete Element etwas Licht zerstreut. Eine solche Zerstreuung des Lichtes durch
die optischen Elemente stellt einen bedeutenden Mangel der bekannten Prismenmonochromatoren
dar, und es ist in diesem Zusammenhang eine Hauptaufgabe der Erfindung, einen Monochromator
zu schaffen, bei dem die Lichtzerstreuung auf ein absolutes Minimum reduziert- ist.
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Im besonderen besteht die Hauptaufgabe der Erfindung darin, eine
solche Lidhtzerstreuung dadurch auf einen Kleinstwert zulbringen, daß die Anzahl
der verwendeten optischen Elemente auf das absolute Minimum von einem Element vermindert
wird.
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Noch weiter begrenzt besteht die Hauptaufgabe der Erfindung darin,
einen Monochromator zu schaffen, der ein Prisma aufweist, das keine Kollimationselemente
und Abbildungs- oder Einstellelemente erfordert, wodurch die Anzahl der optischen
Elemente von zwei, drei oder mehr auf das absolute Minimum von einem Element und
dadurch die Lichtzerstreuung auf einen absoluten Kleinstwert vermindert wird.
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Die vorstehende Hauptaufgabe wird dadurch gelöst, daß als Prisma
des erfindungsgemäßen Monochromators ein Fery-Prisma benutzt wird.
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Eine wesentliche Aufgabe der Erfindung ist es, einen Monochromator
zu schaffen der Vorrichtungen zur Beseitigung der Wirkungen des außerordentlich
großen Astigmatismus aufweist, der ein Merkmal von- Fery-Prismen ist.
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Eine andere Aufgabe ist es, die Wirkungen des Astigmatismus dadurch
zu beseitigen, daß ein Monochromator mit Fery-Prisma geschaffen wird, der einen
gekrümmten Einlaß schlitz und einen geraden Auslaßschlitz hat.
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Um die Erläuterung der Erfindung zu vereinfachen, wird auf die anliegenden
Zeichnungen bezug genommen, die als Beispiel eine Ausführungsform veranschaulichen,
mit der die vorher erwähnten Aufgaben gelöst werden können, sowie verschiedene andere
Aufgaben und Vorteile erkennen lassen. Es zeigt Fig. I eine schematische, perspektivische
Ansicht eines Mondohromators nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Grundriß
des Fery-Prismas, das in den Monochromator nach Fig. I eingebaut ist, die Fig. 3,
4 und 5 die Wirkungen des außerordentlich großen Astigmatismus als Kennzeichen der
Fery-Prismen, wenn diese in Verbindung mit ein m geraden Einlaßschlitz verwendet
werden, und Fig. 6 die Art und Weise, in der die Wirkungen eines solchen Astigmatismus
erfindungsgemäß durch Anwendmg eines gekrümmten Einlaßschlitzes und eines geraden
Auslaßschlitzes beseitigt werden.
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Im besonderen mit Bezug auf die Fig. I weist der erfindungsgemäße
Monochromator ein Fery-Prisma 10 und einen Teil II, beispielsweise eine Platte,
zur Schaffung eines Einlaßschlitzes 12 und eines Auslaßschlitzes I3 auf, die entsprechend
eingerichtet sind, um Licht oder andere strahlende Energie dem Prisma 10 zuzuführen
und um von dem Prisma gebrochenes Licht aufzunehmen. Der Weg der nach dem Prisma
zu gerichteten Lichtstrahlen ist dabei durch die mit Pfeil versehene ausgezogene
Linie 14 und der Weg der gebrochenen Strahlen durch die mit Pfeil versehene, gestrichelte
Linie 15 markiert. Der Auslaßschlitz I3 liegt senkrecht zu der Meridianebene des
Prismas IO, wird von dieser halbiert und befindet sich auf dem Kreisdiagramm (circle
diagram) des Prismas, das in der Technik allgemein bekannt ist. Lediglich um die
Abmessungen des Monochromators zu verklelinern, kann ein ebener Spiegel zwischen
dem Fery-Prisma IO und dem schlitzbildenden Teil II angeordnet werden, obgleich
dieser Spiegel I6 nicht unbedingt erforderlich ist.
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Es ist bekannt, daß das Fery-Prisma zum Kollimieren, Zerstreuen und
Fokussieren der Energiestrahlen dient. Der Krümmungsmittelpunkt der kugelförmigen
ersten Prismenoberfläche liegt auf dem. Fery-Kreisdiagramm und hat einen dem Durchmesser
des Kreisdiagramms gleichen Radius.
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Der Einlaßschlitz ist so angeordnet, daß alle verschiedenen auf das
Prisma gerichteten Lichtstrahlen durch die Mitte des Einlaßschlitzes unter im wesentlichen
gleichem Einfallswinkel i auf die erste Fläche auftreffen. Die Strahlen werden an
der ersten Fläche gebrochen und treffen auf die zweite Fläche, die konvex und reflektierend
ist. Die zweite Fläche liegt auch auf dem Kreisdiagramm, doch liegt ihr Krümmungsmittelpunkt
im Abstand von dem der ersten Fläche. Alle Strahlen treffen auf die zweite Fläche
im wesentlichen senkrecht auf und werden auf ihrem ursprünglichen Weg derartig zurückgeworfen,
daß sie ein Spektrum längs des Kreisdiagramms bilden. Das Spektrum kann durch den
Auslaßschlitz 13 beobachtet oder mittels einer geeigneten Energieaufnahmevorrichtung
verwendet werden, und verschiedene Teile des Spektrums können durch Verschiebung
des Fery-Prismas IO in bezug auf die schlitzbildende Vorrichtung II untersucht werden.
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Bisher arbeitete das Fery-Prisma in Monochromatoren nicht zufriedenstellend
wegen seines außerordentlich starken Astigmatismus, der infolge der großen außerachsigen
Einfallswinkel i e-ntsteht, unter denen die Lichtstrahlen auf die kugelförmige erste
Fläche 21 auftreffen. Wie in Fig. 3 der Zeichnungen dargestellt, ist der astigmatische
Charakter des Fery-Prismas solcher Art und tritt in solchem Maße auf, daß eine monochromatische
Punktquelle 25 als Linie 26 abgebildet wird, wobei sich die Länge des Linienbildes
26 mit der Brennweite des Prismas ändert. Beispielsweise beträgt bei einem Fery-Prisma,
das eine Brennweite von 45,72 cm hat, die Länge des Linienbildes 26 angenähert I,9
cm. Wie sich noch aus dem folgenden ergibt, besteht ein wesentlicher Faktor der
Erfindung darin, daß das Linienbild 26 gerade und zu der Meridianebene senkrecht
ist, die mit der Bezugsziffer 27 bezeichnet ist.
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Wie in Fig. 4 dargestellt ist, wird, falls mehrere Punktquellen 25
in einer geraden Linie angeordnet sind, eine entsprechende Anzahl Linienbilder 26
erzeugt. Jedoch sind diese Linienbilder gegeneinander seitlich verschoben. Eine
Punktquelle 25 auf der einen Seite der Meridianebene 27 wird natürlich auf deren
entgegengesetiter Seite abgebildet.
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Wenn sich, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, die Anzahl der ausgerichteten
Punktquellen 25 dem Wert Unendlich nähert, um praktisch eine Linienquelle zu schaffen,
die als gerader Einlaß schlitz betrachtet werden kann, kann das erzeugte Bild aus
einer unendlichen Anzahl paralleler Linienbilder 26 zusammengesetzt sein, deren
Mittelpunkte auf eine Kurve fallen, wobei die Linienbilder zu, der Meridianebene
27 des Prismas senkrecht stehen. Das Ergebnis ist eine äußerst ungünstige Verwischung
der Energie, insbesondere an den Enden des gesamten Bildes, wobei die Bildschärfe,
nur direkt an dem eigentlichen Mittelpunkt des Gesamtbildes gut ist, wo die Linienbilder
26 in gewissem Maße überlagert sind.
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Die Erfindung überwindet den vorstehenden Nachteil durch einen Einlaßschlitz
12, der in seiner Ebene gekrümmt ist, und einen geraden Auslaßschlitz 13, wobei
die Krümmung des Einlaßschlitzes so gewählt ist, daß ein im wesentlichen geradliniges
Bild des Einlaßschlitzes an dem Auslaßschlitz erzeugt wird. Mit anderen Worten,
die Krümmung des Einlaß,schlitzes I2 ist so gewählt, daß die unendliche Anzahl Linienbilder
26, die von der unendlichen Anzahl, den Einlaß schlitz bildenden Punktquellen 25
erzeugt wird, insgesamt überlagert ist, um ein geradliniges Bild an dem Austaßslch'litz
I3 ZU erhalten, wobei die Breite dieses Bildes praktisch gleich der Breite des Einlaßschlitzes
ist. Dies ist in Fig. 6 veranschaulicht. Die mit einem Fery-Prismenmonochromator
nach der Erfindung angestellten Versuche zeigen, daß eine ausgezeichnete Bildschärfe
und Auflösung mit dem Fery-Prisma auf diese Weise erreicht werden kann.
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Infolgedessen schafft die Erfindung einen Fery-Prismenmonochromator,
der die Wirkungen des inneren Astigmatismus des Fery-Prismas überwindet.
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Da bereits bisher gekrümmte Einlaßschlitze in Monochromatoren mit
ebenflächigen Prismen be-
nutzt wurden, ist es wesentlich, darauf
hinzuweisen, daß der in dem erfindungsgemäßen Monochromator verwendete, gekrümmte
Einlaßschlitz 12 eine ganz andere Funktion ausübt. Mit anderen Worten, in einem
üblichen Prismenmonochromator wird ein gekrümmter Einlaß schlitz verwendet, um die
ungleichmäßige Ablenkung der in das Prisma eintretenden Lichtstrahlen auszugleichen,
während hierbei der gekrümmte Einlaß schlitz 12 zur Kompensation des überaus großen
Astigmatismus des Fery-Prismas 1o benutzt wird. Es werden dabei auch unterschiedliche
Ergebnisse erzielt. Insbesonde geradet ein gekrümmter Eihlaßschlitz in den bekannten
Monochromatoren lediglich ein Bild aus, das sonst einfach eine schmale, ge--krümmte
Linie sein würde. Andererseits überlagert der gekrümmte Einlaßschlitz 12 in dem
Monochromator nach der Erfindung eine unend--liche-Anzahl geradliniger Bilder, die
sonst in einer Kurve solcher Breite angeordnet sein würden, daß sie in einem Monochromator
nicht verwendet werden können, um ein einzelnes, schmales, geradliniges Bild zu
erzeugen, das in einem Monochromator vollauf ausreichen würde.
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Es ist auch wesentlich zu bemerken, daß bei üblichen Monochromatoren
des Prismentyps, d. h. bei Monochromatoren mit ebenflächigem Prisma, die erforderliche
Schlitzkrümmung entweder dem Einlaß schlitz oder dem Auslaßschlitz, im Bedarfsfall
beiden, erteilt werden kann. In dem Monochrom or nach der Erfindung kann jedoch
die erforderliche Krümmung nur dem Einlaßschlitz 12 mitgeteilt werden.
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Der Krümmungsradius des Einlaßschlitzes 12 hängt von mehreren Faktoren
ab, zu denen die Brechungszahl des Prismenwerkstoffes, die Brenn-. weite des Prismas
und der Einfallswinkel der Strahlen gehören, die auf die erste Fläche 21 des Prismas
auftreffen. Der Krümmungsradius des Einlaßschlitzes kann in Beziehung zu den vorstehenden
Faktoren entsprechend der Gleichung R = n2f ctg i 2 (n2- i) gesetzt werden, wobei
R der Krümmungsradius des E'inlaßschlitzes, n die Brechungszahl des Prismas; f die
Brennweite des, Prismas und i> wie vorher erwähnt, der Einfallswinkel der Strahlen
ist, die auf die erste Fläche des Prismas auftreffen.
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Außer den vorstehenden Faktoren beeinflußt die Wellenlänge des Lichtes
oder einer anderen strahlenden, zu untersuchenden Energie den.Krümmungsradius R
des Einlaß schlitzes I2 infolge seiner Wirkung auf den Einlaßwinkel i der Strahlen,
die auf die erste'Fläche2I des Prismas auffallen. Die, Wellenlänge, die durch das
Zeichen gekennzeichnet list, steht in einer Beziehung zu i gemäß der folgenden Gleichung
wobei r der Brechungswinkel des Prismas und nO, c u,nd-wO die Hartman-Kon6tanten
für das Material des Fery-Prismas 10 sind.
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Im Hinblick auf die Tatsache, daß die Wellenlänge den Krümmungsradius
des Einlaß schlitzes 12 in der vorstehenden Weise beeinflußt, wird man erkennen,
daß ein Einlaß'shlitz I2, der einen besonderen Krümmungsradius hat, ein absolut
gerades Bild an dem 'Auslaßschlitz 13 nur für eine Wel lenlänge erzeugt. Jedoch
werden durch die geeignete Auswahl des Krümmungsradius für eine besondere zu untersuchende
Wellenlänge nur geringe Abweichungen von der Linearität an den äußersten Grenzen
des Bereiches festgestellt.
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Obgleich eine Ausführungsform der Erfindung zum Zwecke der Veranschaulichung
beispielsweise dargestellt wurde, legt es auf der Hand, daß verschiedenartige Änderungen,
Abwandlungen und Auswechselungen dabei vorgenommen werden können, ohne von dem Geist
der Erfindung abzuweichen.