SE455232B - Spektrometer med selektiv amplitudmodulering medelst interferens - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 35 455 232 _.. 2 _ utan spalter), vilka är baserade pà användning av inter- ferensfenomen, nämligen en Fourier-spektrometer och en spektrometer med selektiv amplitudmodulering medelst in- terferens (denna typ kallas fortsättningsvis SISAM-spekt- rometer). Dessa spektrometrar kan avsevärt förbättra spektroskopin och ge den hittills oförutsedda möjligheter.

För det första, kan spektrometrarnas ljusstyrka och följ- aktligen deras känslighet ökas med två eller tre tiopo- tenser. För det andra, kan datainsamlings- eller uttag- ningshastigheten ökas i samma grad, vilket med andra ord innebär att spektralanalys kan genomföras mycket snabbt.

För det tredje, är det möjligt att uppnå den teoretiska upölösningen hos spridningselementet vid praktiskt taget vilken brännvidd som helst hos inloppskollimatorn och utloppsobjektivet (utloppslinsen), varför spektrometrar- nas dimensioner och vikt kan minskas tiofalt, eventuellt hundrafalt.

En Fourier-spektrometer (jämför exempelvis J.Connes, Journ. Phys.Rad. 21, 645, år 1960) utgöres av en s.k.

Miohelson- interferometer med en enda rörlig spegel, som är anordnad att förflyttas längs interferometerns cent- rumaxel i närheten av det läge, där skillnaden mellan de interfererande ljusstràlarnas banor är lika med noll.

En allvarlig nackdel med Fourier-spektrometern är att den signal, som skall registreras eller upptecknas, måste avkodas medelst en dator. Dessutom är den känslig för variationer i intensiteten hos det ljus, som skall undersökas, under registrerings- eller uppteckningstiden, under det att ett mekaniskt system för förflyttning av den rörliga spegeln har tämligen invecklad konstruktion och är känsligt för mekaniska "störningar". Fourier- spektrometerns spektrala arbetsområde begränsas av tra- nsparensomràdet för den halvtransparenta spegelns under- lag.

¿ISAM- spektrometern är en dubbelstrålsinterferome- ter, vars båda delar innefattar spridningselement som är 10 15 20 25 35 455 232 _ 3 _ anordnade på ett sådant sätt, att interferens uppträder i huvudsak endast vid en enda våglängd.

Interferensutväljningen (av ljusstrålen) efter våg- längd möjliggöres genom periodisk ändring av vägskill- naden mellan de interferande ljusstràlarna. I detta fall amplitudmoduleras det utpasserande (utträdande) ljus- flödet endast vid interferensvåglängden. Den växelkompo- sant av det utpasserande ljusflödet, som skall regist- reras (avkännas) av en mottagar- och mätkrets, är propor- tionellt mot ljusintensiteten vid interferensvàglängden.

Alla tidigare kända 5ISAM-spektrometrar har den nack- delen att man för inställning och användning av mätinstrum- entet måste tillförsäkra en interfeiensnoggrannhet, som svarar mot 7 till lä frihe;sgrader hos olika komponen- ter i mätinstrumentet, vilket med andra ord betyder, att alla vinklar skall ha minst sekundnoggrannheten och alla rörelsebanor eller sträckor skall ha en noggrann- het av några få bråkdelar av en våglängd.

Av det ovanstående torde framgå att även precisions- instrument (precisionsspektrometrar) uppvisar dålig statisk och kinematisk stabilitet mot mekaniska stör- ningar. Dessa mätinstrument, är mycket komplicerade att inställa och justera, under det att avsöknings- eller svepsystemet är så invecklat, att avsökningsgränserna icke överstiger några få hundratal upplösningsintervall (för ett synligt spektralomràde av ungefar^dO X ).

Dessutom begränsas spektralomràdet för de flesta SISAM-spektrometrar av transparensomràdet för ljusuppdel- ningsspeglarna, varjämte alla kända sISAM-spektrometrar alstrar en modulerad signal, vars frekvens och fas varierar, samtidigt som spektrumet avsökes, vilket med andra ord in- nebär att dylika spektrometrar omöjliggör användning av synkron detektering eller avkänning av den signal, som skall registreras. Dessutom är moduleringsfrekvensen högst 100 Hz, vilket avsevärt fördröjer analysen. Genom att det mekaniska avsöknings- eller svepsystemet i kända 10 15 20 25 30 35 455 232 _ 4 _ SISAM-spektrometrar är komplicerat har dessa samma dimen- sioner och vikt som spaltspektrometrar. Vidare är kända SISAM-spektrometrar avsevärt dyrare än spaltspektrometrar.

En känd SISAM-spektrometer (jämför exempelvis P.Con- nes, Rev. d'0pt. 34, I, är 1956) är baserad pa användning av beskafïenheten hos ett diffraktionsgitter med symmetrisk spàrprofil (med symmetriska spår) eller s.k. symmetriskt skuret diffratkíonsgitter att åstadkomma ljusspridning åt höger och vänster med lika hög intensitet (att bryta en mot gittret infallande ljusstràle åt höger och at vänster i tvà delljusstrålar med lika intensitet). Denna symmet- riska s.k. diffraktionsordning användes i de två delar av interferometern, som ingår i SISAM-spektrometern. I detta syfte användes ett system som innefattar tva eller tre speg- lar, vilka är avsedda att reflektera (återvända) ljusstra- lar av symmetrisk ordning bakat till gittret pà ett sådant sätt, att strålarna efter upprepad brytning (diffrahering ) i gittret kan interïerera selektivt. Denna kända SISAm~spekt- rometer har alla de ovan angivna nackdelarna.

Aven en annan SISAE-spektrometer är känd (jämför exenpelvis den kanadensiska patentskriften nr l 034 786, publicerad i juli 1978), vilken innefattar följande, i serie efter varandra, sett i ljusknippets stràlgángsrikt- ning, anordnade konstruktionselement: dels en inträdesöpp- ning, dels en kollimeringsanordning (kollimator), dels ett diffraktionsgitter med symmetrisk sparprofil (sym- metriskt skuret diffraktionsgitter), dels en tillkom- mande (extra) spegel, som är anordnad på ett sådant sätt, att dess reflekterande yta är parallell med diffraktíons- gittrets spår och är vinkelrät mot diffraktionsgittrets arbetsyta, dels två avsökningsspeglar, vilka uppbäres av ett gemensamt underlag, som är anordnat att vrida sig kring en vridningsaxel, som sammanfaller med en skärninga- linje mellan ett plan, vari diffraktionsgittrets arbets- yta ligger, och ett plan, som innehåller den tillkommande speglens reflekterande yta, varvid den ena avsökningsspe- lO 15 20 25 30 35 455 232 _ 5 _ , geln är avsedd att reflektera ljusstrálarna fràn diffrak- tionsgittret, under det att den andra avsökningsspegeln är avsedd att reflektera ljusstrålarna från den till- kommande spegeln, dels en utträdesöppning och dels en till denna optiskt kopplad registreringsanordning.

Fördelarna med denna kända SISAM-spektrometer är att den innefattar en enkel avsökningsanordning, uppvisar små ytterdimensioner och låg vikt och möjliggör synkron detektering (avkänníng) av signalen.

Denna kända spektrometer ger emellertid amplitud - och fasdistorsioner, varigenom mätnoggrannheten minskar.

Amplituddistortionen förorsekas av att interferens- mönstret eller interferensbilden saknar det s.k. noll- interferensbandet (dvs. det interferensband, som svarar mot att vägskillnaden (väglängdsskillnaden) är lika med noll). Förekomsten av amplituddistortionen leder till att det undersökta spektrumet icke kan återställas entydigt med ledning av det s.k. registrogrammet (det registrerade mönstret eller den registrerade kurvan).

I denna kända spektrometer är den avkända (upptecknade) signalens s.k. mätanordninüsmässiga eller hàrdvarumäs- siga funktion - när detekteringen eller synkron - beroende av den optiska begynnelsefasskillna- den, vilket resulterar i avsevärda fasdistortioner och följaktligen pálägger allvarliga begränsningar på sta- biliteten i spektrometerns optiska egenskaper. Fasdistor - tionerna förorsakas av slumpvisa variationer i diffraktions- gittrets och den tillkommande spegelsn inbördes läge i utrymmet och bestämmes huvudsakligen av värmeutvidgningen hos organ eller enheter för fästning av spektrometerns optiska element. För att fasdistortionerna skall kunna avkänningen är kompenseras måste spektrometerns temperatur stabiliseras mycket noggrant (med en noggrannhet svarande mot bråk- 'delar, exempelvis tiondelar av en celsiusgrad) medelst hjälpanordningar.

Uppfinningstanke Det huvudsakliga syftet med föreligäande uppfinning lO 15 20 25 30 35 455 232 .. 6 ._ är att åstadkomma en Spektrometer med selektiv amplitud- modulering medelst interferens eller en s.k. SISAM-spektro- meter, som är försedd med dels ett sådant system av avsökningsspeglar, som gör det möjligt att kompensera anplitnaaistortionon oon därigenom att entydigt åter- ställa det undersökta spektrumet (det spektrum, som skall undersökas) med ledning av det registrerade mönstret, och dels en sådan registrerings- eller avkänningsanord- ning, som gör det möjligt att kompensera fasdistortioner.

Detta syfte uppnås enligt föreliggande uppfinning medelst en SISAM-spektrometer innefattande följande, i serie efter varandra, sett i ljusknippete atrålgàngsrikt- ning, anordnade konstruktionselement; dels en inträdesöpp- ning, dels en kollimations- eller kollimeringsanordning (kollimator), dels ett diffraktionsgitter med symmet- risk spårprofil (symmetriskt skuret diffraktionsgitter), dels en tillkommande spegel, som är anordnad på ett sådant sätt, att dess reflekterande yta är parallell med diffraktionsgittrets spår och är vinelrät mot diffrak- tionsgittrets arbetsyta, dels två avsökningsspeglar, vilka uppbäres av ett gemensamt underlag, som är anord- nat att rotera kring en vridningsaxel, som sammansfaller med en skärningslinje mellan ett plan, vari diffraktions- gittrets arbetsyta ligger, och ett plan, vari den till- kommande spegelns reflekterande yta ligger, varvid den ena avsökningsspegeln är avsedd att reflektera ljusstrá- larna från diffraktionsgittret, medan den andra avsök- ningsspegeln är avsedd att reflektera ljusstràlarna från den tillkommande spegeln, dels en utträdesöppning och dels en till utträdesöppningen optiskt kopplad registrerings- eller avkänningsanordning, varvid SISAM-Spektrometern enligt föreliggande uppfinning utmärker sig av att en planpafallell plåt men en tjocklek n är anordnad nollan den avsökningsspegel, som är avsedd att reflektera ljus- stràlarna från den tillkommande spegeln, och underlaget, vilken tjocklek h varierar mellan l (el) och L, där l är spalttjockleken mellan planet för diffraktionsgittrets 10 15 20 25 30 35 455 252 _ 7 _ arbetsyta och den tillkommande spegelns mot diffraktions- gittret vända ändyta.

L är diffraktionsgittrets linjära dimension (längd- utsträckning) i en riktning som är vinkelrät mot rikt- ningen för diffraktionsgittrets spår, och av att avkännings- eller registreringsanordningen är försedd med ett organ för kompensering av spektrometerns fasdistorsioner. l och för kompensering av spektrometerns fasdis- torsioner är det lämpligt, att det för kompensering av spektrometerns fasdistorsion avsedda konpenseringsorga- net, som utgör en del av spektrometerns avkännings- eller registreringsanordning som innefattar i serie en foto- mottagare, en synkrondetektor och en indikeringsanord- ning samt en denerator, vars utgång är kopplad till synkronde- tektorns andra ingång, innefattar en andra synkrondetek- tor (ett andra synxront avkänningsorgan), en frekvens- fördubblare och en enhet för vektoraduering av elektriska signaler, varvid den andra synkrondetektorns ena ingång är kopplad till fotomottagarens utgång ocn den andra synkrondetektorns andra ingång via frekvensfördnbblaren är kopplad till beneratorns utgång, under det att en- heten för vektoraddering av elektriska signaler är in- kopplad mellan de första och andra synkrondetektorernas utgångar och indikeringsanordnin¿ens ingång.

För att man samtidi¿t skall kunna mäta brytnings- spridnínö (variation) och absorptionsspektrumet ämne, som undersökas, är det lämplíbt, att indexets över det spektrometern är försedd med en benomskinlig kyvett med parallella sidoväggar, vilken är avsedd för upptagande av det ämne som undersökes och är stelt fäst vid den ena avsökningsspepeln, varvid kyvettens dimen- sioner svarar mot denna avsökninösspegels dimensioner, parvis eller avkänningsanordningen är Ußo . I . ._ “w där Uu)är amplituden av en utsignal fran den forsta syn- ocn att registrerings- försedd med dels en enhet för beräkning av arc tg 10 15 20 25 BO 35 455 232 krondetektorn och Ugß är amplituden av en utsignal från den andra synkrondetektorn, vilken beräkningsen- het innefattar två ingångar, vilka, var och en, är kopplade till var sin synkrondetektors utgång, och dels en indikeringsanordning, som är koppladntill utgången från enheten för beräkning av arc tg --fiL- _ U2zU Den enligt föreliggande uppfinning föreslagna SISAM-spektrometern ger - tack vare att dess amplituddis- torsioner kompenseras- hög mätnoggrannhet och kan där- för användas för lösning av många varierande problem inom analytisk spektroskopi vid registrering (avkänning) av såväl linjemässiga som kontinuerliga mät- och absorptions- spektra. Uppfinningen har gjort det möjligt att i av- känninLs- eller registreringsanordningen använda en tillkommande kanal för registrering eller avkänning av den optiskt modulerade signalens andra harmoniska över- ton eller komposant, varigenom det nyttiga strålninge- flödet kan använoas effektivare och fasdistorsionen kan elimineras effektivare. Detta medverkar till att öka mätnoggrannheten, att begränsa de krav, som skall stäl- las på spektrometerns fasegenskaper (faskarakteristikor) och följaktligen på driftförhàllandena för spektrometern av detta slag. Genom att man i spektrometern enligt fö- religgande uppfinning använaer den tvàkanaliga synkrona detekteringen (avkänningen) kan man aven säkerställa att SISAM- spektrometerns s.k. instrument- eller mätkrets har den form, som är identisk med konventionella spektro- metrars s.k. apparat- eller mätanordningsmässiga funk- tion.

Kort beskrivning av ritningsfigurerna Uppfinningen beskrivas närmare nedan under hänvis- ning till bifogade ritning, på vilken fig. 1 schematiskt visar en utföringsform av den enligt föreliggande upp- finning föreslagna spektrometern med selektiv amplitud- modulering medelst interferens , fig . 2 visar ett block- f, 15 20 25 30 35 455 232 _ 9 _ schema över en utföringsform av spektrometerns registre- rings- eller avkänningsanordning med organ för kompenser- ing av fasdistorsionen, fig. 3 visar en andra utfö- ringsform av spektrometer: enligt föreliggande uppfinning och ett blockschema över en andra utföringsform av av- kännings- eller registreríngsanordningen med organ för xompensering av fasdistorsionen, fig. 4 visar ett optiskt schema över den i fig. l visade spektrometern och fig. 5 visar ett optiskt schema över spektrometern enligt fig. 3.

Föredragen utföringsform av uppfinningen Den i fig. l visade utföringsformen av spektrometern med selektiv amplitudmodulering medelst interferens eller SISAM-spektrometern enligt uppfinningen innefattar en i ett hus 2 upptagen inträdesöppning l, som ligger på den optiska axeln och i fokalplanet för en kollimationsanord- ning eller kollimator i form av en i en hållare 4 infäst lins 3. Mellan linsen 3 och inträdesöppningen l är anord- nad en halvgenomskinlig, i en hållare 6 infäst spegel 5, som lutar 1 450 mot linsens 3 optiska axel. Ett plan, i huset 2 anordnat diffraktionsgitter 7 med Symmetriska spår e, vilka bildar diffraktionsgittrets 7 arbetsyta, är orörligt fast på ett fundament eller bärorgan 9, varpå är även orörlígt fäst en tillkommande (extra) spegel 10, som utgöres av en piezokeramisk kondensator med belägg ll och 12. Belägget ll utgör den tillkommande spegelns lO reflekterande yta (fortsättningsvis reflekterande yta ll).

Den tillkommande spegeln 10 är så anordnad i förhål- lande till diffraktíonsgittret 7, att dess reflekterande yta ll är parallell med spåren 8 i diffraktionsgittret 7 samt vinkelrät mot diffraktíonßgittrets 7 arbetsyta, varvid linsens 3 optiska axel går genom gittrets 7 mitt- punkt eller centrum. Huset 2 innehåller även ett gemensamt underlag 13 för en första avsökningsspegel 14, vars reflekte- rande yta är avsedd eller anordnad att reflektera ljus- knippet från díffraktionsgittret 7, och för ai andra av- lO 15 20 25 30 35 455 232 _10 ... sökningsspegel 15, vars reflekterande yta är anordnad att reflektera ljusknippet (ljusstràlarna) från den tillkom- mande spegeln 10. Mellan avsökningsspegeln 15 och under- laget 13 är anordnad en planparallell plåt 16, vars di- mensioner svarar mot spegelns 15 dimensioner och vars tjocklek h varierar mellan l (el) och L, där l (el) är tjockleken av en spalt mellan ett plan l7, vari diffraktionsgittrets 7 arbetsyta ligger, och den tillkommande spegelns 10 mot planet 17 (mot gittrets 7 arbetsyta) vända ändyta 18; L är den.längddimension eller längdutsträckning hos diffraktionsgittrets 7 arbetsyta, som är uppmätt i en riktning som är vinkelrät mot riktningen för spåret 8 i gittret 7.

Den planparallella plåten l6 kan fästas vid under- laget 13 exempelvis genom optisk kontakt.

Det gemensamma underlaget 13 är orörligt fäst vid ett fundament eller bärorgan 19, som är vridbart ( närmare bestamt svängbart) kring en vridningsaxel 20 medelst ett s.k. skruvpar bestående av en skruv 21 och en mutter 22.

Fundamentets 19 läge är lâsbart medelst en fjäder 23.

Fundamentets 19 vridningsaxel 20 sammanfaller med en skärningslinje 24 mellan ett plan 25, vari den tillkommande spegelns l0 reflekterande yta ll ligger, och planet 17, vari diffraktionsgittrets 7 arbetsyta är belägen.

En utträdesöppning 26 är upptagen i huset 2 sym- metrisk: med inträdesöppningen 1 i förhållande till spegeln 5. Utanför utträdesöppningen 26 är anordnad en registrerings- eller uppteckningsanordning 27, som är för- sedd med ett organ för kompensation av fasdistorsionen.

De båda beläggen ll och 12 hos den tillkommande spegelns 10 kondensator är anslutna till registrerings- eller upp- teckningsanordningen 27 medelst anslutningsledare, som är förda genom ett i huset 2 upptaget hal.

I denna utföringsform av 5ISAM-spektrometern enligt föreliggande uppfinning innefattar den i fíg. 2 visade, 10 15 20 25 30 35 455 232 _ 11 _ med det fasdistortionskompenserande organet försedda re- gistrerings- eller uppteckningsanordningen 27 dels en generator 28 för generering av harmoniska svängningar, vilken beskrivas i boken av H.Titze, ¿.Scnenk "Ha1vle- darkretsteknik", publicerad av förlaget “Mir“, Moskva, år 1983, och, i serie, dels en fotamottag-are 29 (exem- pelvis en fotomultiplikator eller fotomultiplicerings- anordning av den typ som beskrives i boken av A.N.Zein- dahl, G.V. Ostrovskaja, Ju.I. Ostrovsky "Spektroskopi- teknik och praktisk användning av spektroskopi", förlaget "Nauka", Moskva, år 1972), som är anordnad efter (utanför utträdesöppningen 26 och är försedd med ett fotokänsligt element (fotoavkänningselement), som är anordnat i lin- sens 3 fokalplan, dels två synkrondetektorer 30 och 31 exempelvis av den typ, som beskrives i boken av H.Titze, K.3chenk “Halvledarkretsteknik", förlaget "Mir", Moskva, 1983, dels en Lrekvensfördubblare 32 exempelvis av den typ, som beskrives i boken av R.Kofman, F.Driskol "Ope- rationsförstärkare och linjära integrerade kretsar ", förlaget ”Mir", Moskva, år 1979, dels en enhet 33 för vektoraddering av elektriska signaler, volken beskrives exempelvis i boken av J.Kar ”Dimensionering och till- verkning av elektroniska anordningar", förlaget "Mir", Moskva, 1980, och dels en indikeringsanordning 34 i form av exempelvis en skrivare.

I den i fig. 2 visade utföringsformen av den med det fasdistorsionskompenserande organet försedda regist- rerings- eller uppteckningsanordningen 27 är generatorn 28 kopplad till kondensatorns (den tillkommande spegelns 10) belägg ll och 12, direktkopplad till synkrondetektrons 30 första ingång och - via frel;ensfördubblaren 32 - kopplad till synkrondetektorns 31 första ingång, varvid foto- mottagarens 29 utgång är kopplad till synkrondetektorer- nas 30 och 31 andra ingångar, under det att enheten 33 för vektoraddition av elektriska signaler är inkopplad mellan de första och andra synkrondetektorernas 30 res- a 10 15 20 25 30 455 232 pektive 31 utgångar och indikeringsanordningens 34 ingång.

I den i fig. 3 visade utföringsformen av SISAM- Spektrometern enligt uppfinningen är- till Skillnad från den i fig. l visade SISAM- spektrometern- på av- Sökningsspegeln 14 fäst en genomskinlig kyvett 35, som är försedd med parvis parallella sidoöppningar och vars dimensioner svarar mot avsökningsspegelns 14 dimensioner.

Alternativt kan kyvetten 35 vara placerad på avsöknings- spegeln 15.

En registrerings- eller uppteckningsanordning 36 i den i fig. 3 visade utföringsformen av SISAm-spektro- metern enligt föreliggande uppfinning är- till skillnad från den i fig. 2 visade registrerings- eller uppteck- ningsanordningen 27 - försedd med dels en tiålkommande (extra) enhet 3? för beräkning av arc tg U” _2zà där UU betecknar amplituden av utsignalen fran synkron- detektorn 30 och Uzaj synkrondetektron 31, vilken enhet 37 innefattar två in- gångar, vilka, var och en, är kopplade till var sin synkrondetektors 30 respektive 31 utgång, och dels en är amplituden av utsignalen fràn indikeringsanordning 38, som är kopplad tilü utgången från enheten 37 för beräkning av arc tg ”J Ugøà Den i fig. l och 2 visade SISAM-spektrometern enligt föreliggande uppfinning fungerar på följande sätt.

Ett inträaanae ijusfiöde (en inträdande ljusstràle) 39 (fig. 4), som undersökas, passerar genom inträdesöpPhin- gen l, den halvgenomskinliga spegeln 5 och linsen 5:3 infaller vinkelrätt mot diffraktionsgittret 7 och bry- tes åt höger och åt vänster i två ljusstràlar (ljusknip- pen ) 40 och 41 med förutbestämd våglängd.

Ljusstràlen 40 och den från den tillkommande spegelns 10 reflekterande yta ll reflekterade ljusstràlen 41 blir pa- rallellt riktade mot det gemensamma underlaget l3. Genom att plåten 16 är planparallell är avsökningsspeglarnas l4 10 15 20 25 30 35 455 232 _. _ och 15 reflekterande ytor parallella med varandra, vilket medverkar till att det s.k. villkoret uppfyllas samtidigt för de båda ljusstrålarn (ljusknippen) 40 och 41, när spektrometern inställes på en bestämd våglängd.

De båda diffraherade (brutna) ljusstràlarna 40 och 41 återvänder till aiffraktionsgittret 7, varvid ljnssirá- len 40 àterföres till gittret 7 efter att ha ref-lekte- rats från avsökningsspegelns 14 reflekterande yta, medan ljusstrålen 41 återföres till gittret 7 efter att ha reflekterats först från den tillkommande spegelns lO ref- lekterande yta ll, därefter från avsökningsspegelns 15 reflekterande yta och ytterligare en gång från den till- kommande spegelns 10 reflekterande yta ll.

Sedan de båda ljusstrålarna 40 och 41 àterförts till diffraktionsgíttret 7, brytes de i samma riktning och bildar ett utträdande (utpasserande) ljusfilöde 42, som skall undersökas. Ljusstràlarna 40 och 41 interfererar med varandra, passerar genom linsen 3, reflekteras från autokollimatiska reflektions_ spegeln 5, passerar genom utträdesöppningen 26 och rik- tas mot registrerinës- eller uppteckningsanordningen 27. I denna utföringsform av spektrometern enligt föreliggande uppfinning utgöres organet för åtskiljning av det inträ- dande ljusflödet (ljusstràlen ) 39 från det utträdande ljusflödet 42 av den halvgenomskinliaa spegeln 5.

Genom att spektrometern enligt uppfinningen är för- sedd med den planparallella plåten lö, som är anordnad mellan avsökningsspegeln 15 och underlaget 13 och vars tjocklek varierar mellan l och L, minskas ljusflödets (ljusstrålens)4l optiska längd, vilket resulterar i att ett interferensmönster (en interferensbild) vid diffrak- tionsgittrets 7 arbetsyta erhåller ett interferensband, som svarar mot att väglängdsskillnaden (skillnaden mellan de interfererande ljusstràlarnas sträckor eller våglängder är lika med noll, vid vilken punkt som helst inom det efter våglängd avsökta området. Genom att interferens- 10 15 20 25 30 35 455 232 ...ll-l» _. mönstret innehåller det mot väglångdsskillnaden av O sva- rande interferensbandet kan man kompensera distorsíonen och entydigt återställa det spektrum, som skall under- sökas, med ledning av det registrerade (upptecknade) mönstret eller diagrammet. Detta medför att bilderna av eemfliga, mede1et ljueetråierne 1+o den 41 med förutbestämd våglängd bildade punkter i inrädesöppningen 1 (fig. 4) sammanfaller med varandra vid utträdesöppningen 26.

För ljus med annan våglängd kommer respektive punk- ter i (av) inträdesöppningen l icke att sammanfalla med varandra, vilket med andra ord innebär att interferensen vid utträdesöppningen 26 sker selektivt vid en bestämd våglängd. Ett moduleringsorgan i denna utföringsform av spektrometern enligt föreliggande uppfinning utgöres av den tillkommande spegeln 10. När skillnaden i väglängd mellan de interfererande ljusstrålarna 40 och 4l ändras periodiskt genom förflyttning av den tillkommande speg- elns 1o reflekterande yta 11 framåt een bakåt, samtidigt som den tillkommande spegeln (moduleringsorganet) lO på- verkas av generatorn 28 (fig. 2), ändras periodiskt inten- siteten hos det utträdande ljusflödet 42 (fig. 4) med förutbestämd våglängd. De ljusknippen eller ljusstrålar i det undersökta ljusflödet 42, vilkas våglängd är nära den förutbestämda, passerar även genom utträdesöppnin- gen 26, men deras intensitet kommer icke att moduleras.

Det undersökta ljusflödet 42, som avkännes (registreras) av registrerings- eller uppteckningsanordningens 27 foto- mottagare (strålningsmottagare) 29 (fig. 2), innefattar en växelkomposant (variabel komposant), som bestämmes (ut- göres) av ljus med en förutbestämd våglängd, och en konstant komposant, som bestämmes (utgöres) av ljus med andra våglängder, som passerat genom utträdesöppningen 26.

Den i registreringsanordningen 27 avskilda och förstärkta växelkomposanten är proportionell mot intensiteten hos ljus med endast en förutbestämd våglängd . Den spektrala sammansättningen av det undersökta ljuset bestämmes där- lO 15 20 25 30 35 455 232 _ 15 _ för med ledning av växelkomposanten.

Samtidigt som avsökninge: sker över spektrumet (sam- tidigt som spektrumet avsökes eller svepes), vrides fun- damentet 19 kring vridningsaxeln 20, varjämte man succes- sivt iakttager autokollimationslägen för de båda avsök- ningsspeglarnas 14 och 15 reflekterande ytor för de våg- längder, som skall undersökas.

I denna utföringsform av spektrometerns optiska krets (fig. 4) kompenseras amglituddistorsionen men alstras tillkommande fasdistorsioner, som adekvat adderas till den ovan beskrivna fasdistorsionen. De tillkommande (extra) finïüstorsionerna förorsakas av att spektrometern innefat- tar den planparallella plåten 16 med tjockleken h, vilket leder till att moduleringsfasen även är beroende av de interfererande ljusstrålarnas 40 och 41 våglängd. Ä enligt sambandet: art-EX- = WA) Registrerings- eller avkänningsanordningen 27 med organet för kompensering av fasdistorsionen fungerar på följande sätt. _ mot foto- eller strà1n1n,¿._nsmattagaren 29 (rige) infaller - via utträdesöppningen 26 - det utträdande ljusflödet 42, vars växelkomposant bestämmes av samban- det ”ï=10w (mwswww, där Io(à ) är det intradanoe ljusflödets 39 intensitet, W( Ä) den s.k. amplitudmässiga komposanten (amplitud- komposanten) av spektrometerns flödesöverförings- funktion (flödestrnsmissionsfunktion) “är fasskillnaden mellan de interfererande ljusstrålarna 46 och 41, QX Ä) och innefattar hela satsen av harmoniska Fourier-över- toner.

På grund av att moduleringen i detta optiska system är akromatisk, kan fasskillnadenq9(?\) vara represente- rad av sambandet lO 15 20 30 35 455 232 _ 16 _ CP(Ä).-.asin6z)t+f,0o+fiÛ(2), där a är moduleringsamplituden, çàmoduleringsfrekvensen, t tiden, qz den optisxa begynnelsefasskillnaden, W¿¿)en våglängdsberoende faskomposant.

Summanlßæ- (KÄ) betecknas med47°( JL ), dvs. 900 + =<1>° (a).

Vid transformering till en Fourier-serie beskrivas den första harmonisxa komposantens (grundtonens) ampli- tud av sambandet: 1,,,(7\)= - iom) W (A) sinlfPo (Ml- 2 Emma), där FB1 är Bessel-funktionen av första ordningen.

Den andra harmoniska övertonens amplitud beskrives av sambandet; :www = 10mm (a) coslclvo (ml-z Fßáa) , där FB är flessel-funktionen av andra ordningen. 2 Den första synkrondetektorn 30 avskiljer (särskil- jer) grundtonen från det uttradande ljusflödet 42, som skall avkännas av fotomottagaren 29, med hjälp av en re- ferenssignal, som från generatorns 28 utgång matas till den första synkrondetektorns 30 andra ingång. Den andra synkrondetektorn 31 särskiljer den andra narmoniska över- tonen från det utpasserande ljusflödet 42, som skall av- kännas av fotomottagaren 29, med hjälp av en referens- signal, som från generatorns 26 utgång överföres till den andra synkrondetektorns 31 andra ingång över frek- vensfördubblaren 32. Utsignalerna från de båda synkron- detektrorerna 30 och 31 matas till var sin av de båda ingàngarna nos enheten 33 för vektoraddition av elekt- riska signaler och sedan till indikeringsanordningen 34.

I denna utföringsform av registrerings- eller upp- teckningsanordninen 27 kan de signaler, som överföras till var sin ingång hos enheten 33 för vektoraddition av elektriska signaler, vara representerade i form av: 10 15 BO 35 455 232 _17..

'Q9 = kl I“}(.Ä) (utsignalen från den första synkron - detektorn 30), respektive U2ø=k2 I2a>(7\) (utsignalen från den andra synkrondetektorn 31), där kl är den första synkrondetektorns (det första syn- krona avkänningsorganets) 30 förstärkning, kz är den andra synkrondetektorns (det andra syn- krona avkännin¿sorganets) 31 förstärkning.

Enheten 33 för vektoraddering av elektriska signaler utför operationen: \{tå, t tågàwt) . om kl Fmut) är like med 1:2 FBäe), vilket uppnås genom lämpligt val av förstärkningsfaktorerna kl och kg eller den tillkommande spegelns 10 moduleringsamplitud a, kan man i den resulterande signal, som ledes till indi- keringsanordninbens 34 ingång, fullständigt kompensera signalens beroende av den optiska begynnelsefasskillnaden (PO och den vàglängsberoende faskomposantenSN/X), vilket med andra ord innebär att man kan kompensera all de uppträdande fasdistorsionerna.

Den resulterande signalen ger information endast med avseende på det ett-rasande ljusflödets 42 etnplitudkompo- sant.

Den adnra, i fig. 3 visade utföringsformen av SISAM- spektrometern enligt föreliggande uppfinning fungerar i huvudsak på samma sätt som den första, ovan beskrivna ut- föringsformen men skiljer sig något från denna i vad som beskrives nedan.

De båda brutna (diffraherade) ljusstralarna 40 och 41 (fig. 5) återvänder till diffraktionsgittret 7, varvid ljueettelett Lto återtar-es till dette efter ett ne retiekte- rats från avsökningsspegelns 14 reflekterande yta och passerat två gånger genom den genomskinliga planparallella kyvetten 35 för det ämne, som skall undersökas, under det att ljustrålen (ljusknippet) ål återkommer till gittret 7 efter att ha reflekterats först den tillkommande spegelns 10 reflekterande yta ll, därefter från avsökningsspegelns 15 lO 15 20 25 30 35 455 232 ._ 16 _. reflekterande yta och ytterligare en gång från den tillkommande spegelns 10 reflekterande yta ll.

Om man nu ifyller kyvetten 35 med det ämne, som skall undersökas, ändras det utträdande ljusflödets 42 amplitud med ett värde, som bestämmas av ämnets amplitud- beroende absorptionskoefficientflí(2.), samtidigt Som faskorngosantenCPUÛ :får en ökning, Som bestämmes av ämnets brytningsindex n ( Ä).

I detta fall matas registrerings- eller upptecknings- anordningens 36 fotomoítagare eller Strålningsmotta- gare 29 (fig. 3) - genom utträdesöppningen 26 - med det utträdande ljusflödet 42, vars växelkomposant beskrives av sambandet: ffn (A)= IO(Å) e -dm \¥(Ä)^COS[CP( M- , där m är tjockleken hos absorptionsskiktet av det ämne, som skall undersökas.

Inverkan av de i kyvetten 35 upptagna öppningarna på amplitudkomposanten kan försummas, under det att in- Six verkan av faskomposanten kan beaktas i@7(Ã ). 1 det givna fallet användes en ljuskälla med kontinuer- ligt spektrum Io( Ä) = Io = KOIISÜêZIÜ.

Utsignalerna från de båda synkrondetektorerna 30 och 31 matas samtidigt till såväl var sin av de båda in- gångarna nos enheten 33 för vektoraddition av elektriska signaler ocn-från enhetens 33 utgång - till indikerings- anordningen 34 som var sin av de båda ingångarna nos en- “) och därifrån U, till indikeringsanordningen 38. Den¿%ësulterande signalen heten 37 för beräkning av arc tg från indikeringsanordningen 34 bär information endast angáende den amplitudberoende absorptionskoefficienten 06(Ã), medan den resulterande utsignalen från indikeringsanord- ningen 38 bär information angående det undersökta ämnets brytningsindex n (Ã.). Den efterföljande behandlingen av de registrerade diagrammen ger en direkt spektral fördelning av de samtidigt registrerade värdena för bryt-_ lO 455 232 ._19 ._ ninggsíndexet n (Å) och absorptionskoefficienten°(( Ä ) och följaktli¿en det undersökta ämnets ljusextinktions- koefficicntæ(7g) = æ-è- .

L Industriell användbarhet spektrometern med selektiv amplitudmodulering me- delst interferens är avsedd att huvudsaxligen användas för snabbt genomförande av analys av s.K. mikroförore- ningsamnen (i mycket låga halter förekommande förore- ningsàmnen) i s.k. flerkomponentsstrukturer inom geo- logi, metallurgi, vid tillverkning av rena metaller, legeringar, halvledare samt inom miljövàrdsteknik och för s.k. astrofysikaliska undersökningar.

Claims (3)

10 15 ao 25 30 35 455 232 _ 20 _ P A T E N T K R A V
1. l. Bpektrometer med selektiv amplitudmodulering medelst interferens innefattande följande, i serie efter varandra, sett i ljusknippets (ljusstràlens) strålgångs- riktning, anordnade konstruktionselement: dels en int- rädes- eller inloppsöppning (l), dels en kollimerings- anordning (kollimator), dels ett diffraktionsgitter (7) med symmetriska spår (8), dels en tillkommande (extra) spegel (10), som är anordnad på ett sådant sätt, att dess reflekterande yta (ll) är parallell med spåren (8) i diffraktionsgittret (7) samt vinkelrät mot diffrak- tionsgittrets (7) arbetsyta, dels två avsökningsspeglar (14 och l5), vilka uppbärs av ett gemensamt underlag (13), som är anordnat att vrida sig kring en vridningsaxel (20), som sammanfaller med en skärningslinje mellan ett plan (17) vari diffraktionsgittrets (7) arbetsyts ligger, och ett plan (25), vari den tillkommande spegelns (10) reflek- terande yta (ll) är belägen, varvid den ena avsöknings- spegeln (14) är anordnad att reflektera ljusstrålarna från diffraktionsgittret (7), medan den andra avsöknings- spegeln (15) är anordnad att reflektera ljusstràlarna från den tillkommande spegeln (lO), dels en utträdes- eller utloppsoppning (26) och dels en till utträdesöpp- ningen (26) optiskt kopplad registrerings-eller avkän- ningsanordning (27), k ä n n e t e c k n a d av att en planparallell plåt (16) med en tjocklek (h) är anord- nad mellan avsäkningsspegeln (15), som är anordand att reflektera ljusstràlarna från den tillkommande spegeln (10), och underlaget (13), vilken tjocklek (h) varierar mellan l (el) och L, där l är tjockleken av en spalt mellan planet (17) för diffraktionsgittrets (7) arbetsyta men den tillkommande spegeims (lo) mot diffrakt10nsgite_ ret (7) vända ändyta (18), och L är diffraktionsgíttrets .(7) linjära dimension (längdutsträckning) i en riktning, som är vinkelrät mot riktningen för diffraktionsgittrets (7) 455 232 _21... spår (8), varvid registrerings- eller avkänningsanordningen (27) är försedd med ett organ för kompensering av spektro- meterns fasdistorsioner.
2. 2. Spektrometer enligt patentkravet 1, där registrerings- eller avkänningsanordningen (27) innefattar i serie en foto- mottagare (strálningsmottagare) (29), en första s k synkron- detektor (ett synkront avkänningsorgan) (30) och en indike- ringsanordning (34) samt en generator (28), vars utgàng är kopplad till den första synkrondetektorns (30) andra ingång, k ä n n e t e c k n a d a v att spektrometerns organ för kom- pensering av fasdistorsionerna innefattar en andra synkron- detektor (ett andra synkront avkänningsorgan) (31), en frek- vensfördubblare (32) och en enhet (33) för vektoraddition av elektriska signaler, varvid den andra synkrondetektorns (31) ena ingång är kopplad till fotomottagarens (29) utgång och den andra detektorns (31) andra ingång är genom frekvensfördubbla- ren (32) kopplad till generatorns (28) utgång, under det att enheten (33) för vektoradditíon av elektriska signaler är inkopplad mellan den första och den andra synkrondetektorns (30 respektive 31) utgångar och indikeríngsanordningens (34) ingång.
3. 3. Spektrometer enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k - n a d a v att den är försedd med en genomskinlig, vid den ena avsökningsspegeln (14) stelt fäst kyvett (35), som är försedd med parvis parallella sidoväggar och avsedd för upptagande av ett ämne, som skall undersökas, och vars dimensioner svarar mot avsökningsspegelns (14) dimensioner, under det att en registrerings- eller avkänningsanordning (36) är försedd med dels en enhet (37) för beräkning av arc tg_U_p__ , där Um är Uzw amplituden hos utsignalen från den första synkrondetektorn (30) och UZ detektorn (31), varvid beräkningsenheten (37) är försedd med w är amplituden hos utsignalen från den andra synkron- tvà ingångar, vilka var och en är kopplade till var sin synkrondetektors (30 respektive 31) utgång, och dels en indi- keringsanordning (38), som är kopplad till utgången från en- heten (37) för beräkning av arc tg Um Uzw J..