Polarimeter
Polarimeter dienen zur Bestimmung der optischen Aktivität und somit zur Bestimmung des Molekülaufbaus von optisch aktiven Substanzen. Wegen der gro ssen Bedeutung der Bestimmung optischer Aktivität von Lösungen besteht ein Bedarf nach einem genau arbeitenden Polarimeter. Die Drehung der Polarisationsebene von Licht, die die zu untersuchende Substanz hervorruft, soll dabei mit einer Genauigkeit von etwa einigen Tausendstel Winkelgraden bestimmt werden. Es besteht somit ein Bedürfnis für ein Gerät, mit welchem kleine Winkeldrehungen festgestellt und gemessen werden können.
Bei einer Reihe von früheren Polarimetern wurde in einem ersten Polarisator Licht in eine Ebene polarisiert, bevor es durch die Substanz geschickt wurde, deren optische Eigenschaften bestimmt werden sollten. Ferner war in diesen Geräten ein Analysator vorgesehen, der drehbar angeordnet war und durch ein geeignetes Getriebe gedreht werden konnte, um die Drehung der Polarisationsebene zu bestimmen, die durch die Probe verursacht worden ist. Der Analysator bestand dabei aus einem zweiten Polarisator, der so eingestellt wurde, dass die Polarisationsebene dieses Polarisators senkrecht zu derjenigen des ersten Polarisators stand. Der Polarisator wird dabei von einem Nullpunkt aus, der durch eine Messung ohne Probesubstanz bestimmt worden ist, so lange gedreht, bis die übertragene Lichtintensität den Minimalwert erreicht hatte.
Die Drehung des Analysators ist dabei ein Mass für die durch die Probesubstanz hervorgerufene Drehung der Polarisationsebene. In den meisten Fällen ist die Drehung der Polarisationsebene relativ klein. Es ist daher schwierig, die relative Winkelbewegung des ersten Polarisators und des Analysators für die minimale Lichtübertragung genau zu bestimmen. Da sehr kleine Winkel auftreten können, kann bei der Drehung bereits die Reibung und das Spiel zwischen den bewegten Teilen Fehler hervorrufen, die in der Grössenordnung des Messergebnisses liegen.
Es ist daher ein Zweck der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Polarimeter zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Polarimeter zur Bestimmung der Drehung der Polarisationsebene eines Strahlenbündels in einer Substanz, mit den folgenden Elementen, die entlang einer Achse angeordnet sind: eine Quelle parktisch paralleler monochromatischer Lichtstrahlung, ein erster Polarisator, um das Lichtstrahlenbündel in einer Ebene zu polarisieren, wobei diese Ebene parallel zu der genannten Achse verläuft, eine Vorrichtung zum Haltern der Probesubstanz, ein zweiter Polarisator, dessen Polarisationsebene parallel zu der Achse verläuft, ein Detektorelement, das ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von der Intensität der Strahlung abgibt, die durch den zweiten Polarisator hindurchtritt, und Mittel zur Einstellung und Messung des Winkels der Polarisationsebene beider Polarisatoren.
Das Polarimeter ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass weitere Mittel vorgesehen sind, um einen der Polarisatoren in eine Drehschwingbewegung zu versetzen, wodurch der Winkel zwischen den Polarisationsebenen abwechslungsweise grösser und kleiner wird als der Mittelwert dieses Winkels.
Zwei Ausführungsbeispiele des erfindungsgemä ssen Polarimeters sollen anschliessend anhand der beiliegenden Zeichnung erläutert werden, wobei darstellen:
Fig. 1 einen Polarisator in schematischer Darstellung,
Fig. 2 die Aufhängung des Analysators,
Fig. 3 in graphischer Darstellung das Signal, das die Wicklungen der Aufhängung gemäss Fig. 2 erregt,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Polarimeters in schematischer Darstellung,
Fig. 5 eine weitere Aufhängung für einen Analysator,
Fig. 6 eine Kurve der übertragenen Lichtintensität, während sich der Analysator der Lage mit der geringsten Intensität annähert,
Fig. 7 die Wellenformen der Spannungen, die an den verschiedenen Stufen des Polarimeters gemäss Fig. 4 auftreten,
Fig. 8 eine mechanische Hebelanordnung zum Antrieb einer Nadel eines Bandschreibers und
Fig.
9 eine mechanische Hebelanordnung zur Betätigung eines Zeigers.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Polarimeter ist mit 11 eine Quelle für monochromatisches Licht bezeichnet.
Das Licht von dieser Quelle gelangt zu einer Sammellinse 12, die das Licht in ein paralleles Strahlenbündel verwandelt. Die parallelen Lichtstrahlen gelangen zu einem ersten Polarisator 13, der beispielsweise als Prismenpolarisator ausgebildet sein kann. Der Polarisator 13 bildet ein Strahlenbündel 14 von in einer Ebene polarisiertem Licht. Das Strahlenbündel gelangt dann in einen Halter 16 für die zu untersuchende Substanz, wobei die Ebene des Strahlenbündels in Abhängigkeit von der optischen Aktivität dieser Substanz gedreht wird. Das übertragene Licht gelangt nun zu einem zweiten Polarisator 17, der nachfolgend als Analysator bezeichnet werden soll und der ebenfalls als Prismenpolarisator ausgebildet sein kann.
Das den Analysator verlassende Licht gelangt zu einem photoelektrischen Element 18, beispielsweise zu einem Photomultiplier, der das Licht in einen elektrischen Strom verwandelt. Die photoelektrische Einrichtung soll vorzugsweise ein niedriges Sigual-Rauschverhältnis besitzen, eine gute Linearität aufweisen und mit einer relativ grossen Aufnahmefläche versehen sein.
Das elektrische Signal wird durch einen Verstärker 19 verstärkt, und gelangt zu einem Phasendetektor 20, der die Komponente des elektrischen Signals der photoelektrischen Einrichtung erfasst, die synchron mit einer Vibrationsbewegung des Analysators 17 ist, während alle übrigen Signalanteile sehr stark unterdrückt werden. Der Phasendetektor 20 unterscheidet weiterhin zwischen Signalen, die einen Maximalwert besitzen, wenn sich der Analysator in der einen Extremstellung der Drehschwingung befindet, und zwischen Signalen, die ein Maximum besitzen, wenn sich der Analysator bei der Drehschwingung in der anderen Extremlage befindet. Der Detektor gibt dabei Ausgangsspannungen entgegengesetzter Polarität für diese beiden Fälle ab. Das Ausgangssignal des Phasendetektors 20 gelangt zu einem Verstärker 21, dessen Ausgangsspannung zu der Ausgangsspannung eines Oszillators 22 hinzugefügt wird.
Das kombinierte Signal wird auf Elemente übertragen, die die Drehvibration des Analysator-Prismas 17 hervorrufen. Die Ausgangsspannung des Oszillators 22 wird als Bezugsgrösse weiterhin dem Phasendetektor 20 zugeführt.
Die Drehschwingung des Analysators 17 erfüllt zwei Aufgaben. Es muss berücksichtigt werden, dass bei einem Polarimeter der Winkel bestimmt werden muss, bei welchem die übertragene Lichtenergie ein Minimum besitzt. Wenn der Winkel zwischen dem Polarisator und dem Analysator grösser oder kleiner ist als der der Minimalenergie entsprechende Winkel, liegt die übertragene Lichtenergie über dem Minimum. Hierin liegt die Schwierigkeit, wenn ein System verwendet werden soll, bei welchem der dem Minimalwert entsprechende Winkel automatisch durch ein Servosystem eingestellt werden soll. Das Ausgangssignal des Detektors als solches zeigt nicht an, ob der augenblickliche Winkel zwischen dem Polarisator und dem Analysator kleiner oder grösser ist, als es dem Minimallichtwert entspricht.
Wenn jedoch der Winkel zwischen dem Polarisator und dem Analysator periodisch mit relativ hoher Frequenz vergrössert und verkleinert wird, ist eine Erhöhung der übertragenen Lichtenergie in einer Halbwelle der Bewegung des Analysators oder eine Abnahme der übertragenen Lichtenergie in der gleichen Halbwelle eine Anzeige dafür, in welcher Richtung der Mittelwert des Winkels zwischen dem Polarisator und dem Analysator verändert werden muss, damit nur die minimale Lichtenergie übertragen wird.
Die periodische Anderung des Winkels zwischen Analysator und Polarisator erfüllt jedoch noch eine weitere wichtige Aufgabe. Es hat sich herausgestellt, dass das beschriebene Gerät besonders dort verwendbar ist, wo die Drehung der Polarisationsebene durch die zu untersuchende Substanz sehr klein ist. Es kann nun gezeigt werden, dass die Lichtübertragung mindestens in der unmittelbaren Nähe des die minimale Lichtübertragung repräsentierenden Winkels die Lichtübertragung eine Funktion des Quadrates des Winkels gegenüber dem Winkel minimaler tÇbertra- gung ist. Dies bedeutet, dass bei einer kleinen Abweichung von dem Winkel der Minimalübertragung das Ausgangssignal sich nur um einen sehr kleinen Wert von dem Signal unterscheidet, der dem Winkel der Minimalübertragung entspricht.
Das Signalverhältnis bei einer Winkeländerung ändert sich jedoch sehr schnell mit grösser werdendem Abstand von dem Winkel, der der minimalen Lichtübertragung entspricht. Es kann daher gezeigt werden, dass durch eine grosse Winkelamplitude die Empfindlichkeit des Systems sehr stark verbessert wird. Die Winkelamplitude ist dabei um mehrere Grössenordnungen grösser als der Winkelwert, den das System noch erfassen soll und der noch eine Anzeige für die optischen Eigenschaften von zu untersuchenden Substanzen ist.
Die Beziehung zwischen der Signalintensität und der relativen Winkellage zwischen Polarisator und Analysator in der Nähe des Winkels, der der minimalen Lichtenergieübertragung entspricht, ist in Fig. 6 gezeigt, wie später noch beschrieben werden soll.
Fig. 2 zeigt eine Aufhängung und einen Antrieb für den Analysator 17. Der Analysator 17 ist an einem Rahmen 26 befestigt. Der Rahmen weist vier sich radial nach aussen erstreckende federnde Arme
27 auf. Die Enden der Arme 27 sind so befestigt, dass sie keine Drehbewegungen ausführen können. Der Rahmen trägt weiterhin zwei Anker 28, die mit Wicklungen 29 versehen sind. Die Wicklungen der beiden Anker sind entweder in Serie oder parallel miteinander verbunden. Beiden Wicklungen wird das kombinierte Signal von dem Oszillator und dem Phasendetektor zugeführt. Das den Wicklungen zugeführte Signal besitzt etwa die in Fig. 3 gezeigte Form. Das Signal enthält eine Gleichstromkomponente 30, die der Ausgangsspannung des Phasendetektors entspricht, und eine Wechselstromkomponente 31, die durch den Ausgang des Oszillators gegeben ist.
Das Signal erregt die beiden Wicklungen und erzeugt in den Ankern ein entsprechendes magnetisches Feld. In der Nähe jedes Ankers befindet sich ein hohler magnetischer Kern 32 mit einem unabhängig erzeugten magnetischen Feld, das mit den Ankern in Wechselbeziehung steht. Wenn sich das magnetische Feld in den Ankern ändert, ändert sich auch die Anziehungskraft gegen über den Kernen 32, und zwar in Abhängigkeit von der Polarität und der Stärke der Gleichstromkomponente. Da die Anker direkt mit dem Rahmen 26 verbunden sind, wird eine Drehbewegung gegen die Wirkung der Federarme 27 hervorgerufen.
Das kombinierte Gleich- und Wechselstromsignal dreht den Analysator um einen Winkel, der mit grosser Genauigkeit proportional zu dem Strom, der durch den Anker 28 fliesst, gehalten werden kann, während gleichzeitig um den durch das Gleichstromsignal gegebenen Mittelwert eine Drehschwingung hervorgerufen wird.
Die Analysatoraufhängung ist vorzugsweise so beschaffen, dass ihre Resonanzfrequenz mit der Oszillatorfrequenz übereinstimmt. Das Gerät kann auch so entworfen werden, dass die Resonanzfrequenz des Rahmens, die die Frequenz des Oszillators bestimmende Grösse ist. Wenn die Aufhängung mit ihrer Resonanzfrequenz schwingt, überstreicht der Analysator symmetrisch die Lage der minimalen Lichtenergieübertragung.
Die Schwingung des Analysators bewirkt, dass an dem Ausgang des photoelektrischen Elementes ein Wechselstromsignal erscheint. Dieses Wechselstromsignal besitzt eine Komponente mit der Frequenz der Bewegung des Analysators, wobei die Absolutgrösse von der Mittellage des Analysators bezüglich der Lage der geringsten Lichtübertragung abhängt, während die Phase eine Anzeige dafür ist, ob sich die augenblickliche mittlere Lage des Analysators über oder unter dem Winkelwert liegt, der der minimalen Lichtenergieübertragung entspricht.
Die beschriebene Anordnung bewirkt, dass eine Gleichstromkomponente durch die Ankerwicklung fliesst, und sich die Drehung des Analysators dem Winkel minimaler Lichtübertragung annähert. Wenn rückgekoppelte Verstärker mit einem hohen Verstärkungsgrad verwendet werden, wird der durch den Analysator gesteuerte Strom in einem relativ grossen Bereich praktisch unabhängig von den Schwankungen des Verstärkungsgrades bei unbelastetem Verstärker und von der absoluten Lichtstärke usw; bei Erfüllung dieser Voraussetzung nimmt der Analysator den Winkelwert an, der der minimalen Lichtenergieübertragung entspricht.
Der Strom kann dazu verwendet werden, einen Bandschreiber oder ein anderes Aufzeichnungsgerät mit laufender Aufzeichnung zu erregen.
Wenn die Quelle monochromatischen Lichtes ihre Wellenlänge in einem relativ grossen Bereich ändert, kann sich die Lichenergie in einem relativ grossen Bereich ändern. Wenn kein Mess- bzw. Steuersystem zur Steuerung des Verstärkungsverhältnisses vorhanden ist, ist das Ausgangssignal des Verstärkers von der Grösse des Ausgangssignals des Detektors 18 abhängig; es kann dann ein Reglereffekt in dem Rückkopplungssystem auftreten, welcher unerwünschte und irreguläre Schwingungen des Winkels zwischen dem Polarisator und dem Analysator bei hohen Energien des Lichtstrahlenbündels zur Folge haben kann. Vorzugsweise wird daher ein System verwendet, das das Verhältnis zwischen einem Signal bestimmt, welches nicht von der Winkellage des Polarisators gegenüber dem Analysator abhängt und einem Signal, welches eine Funktion dieses Winkels ist.
Auf diesem Wege werden die Voraussetzungen für unstabile Schwingungen des Rückkopplungssystems vermieden. Es kann gezeigt werden, dass die Ausgangsspannung des photoelektrischen Elementes die zweite Harmonische der Oszillationsfrequenz enthält, welcher Anteil proportional zu der Lichtenergie und praktisch unabhängig von der Abweichung von dem Winkel ist, der der minimalen Energieübertragung entspricht. Diese Tatsache kann dazu verwendet werden, die Verstärkung des Systems zu steuern, wodurch eine stabile Messung in einem relativ grossen Bereich von Lichtenergien möglich ist.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, gelangt die Ausgangsspannung des Verstärkers 19 zu einem Detektor 25, der auf den Anteil an der zweiten Harmonischen anspricht und dessen Ausgangsspannung die Verstärkung des Verstärkers 19 steuert. Anderseits kann der Detektor auch dazu verwendet werden, die zu dem photo elektrischen Element übertragene Spannung oder die Amplitude der Drehschwingung zu steuern.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Polarisators gezeigt. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 wird ein Teil des Lichtes abgezweigt, wodurch die Drehschwingung nur einen Teil des Lichtes beeinflusst, und der übrige Teil des Lichtes konstant bleibt.
Die Verhältnisse sollen anhand von Fig. 6 mehr im einzelnen erläutert werden. Bei dem beschriebenen Beispiel war der Mittelpunkt der Schwingung der Punkt M, so dass das Ausgangssignal nur von der relativ geringen Differenz zwischen den Signalen in der Nähe dieses Minimalwertes abhängt. Durch die Abzweigung des Lichtes entspricht das Licht, welches zu der Photozelle gelangt, immer einem Minimalwert, wie dies durch die Linien 41 gezeigt ist. Die Schwingbewegung findet dabei um diese Linien herum statt, und zwar zwischen den gestrichelt eingezeichneten Linien 43 bzw. 44. Die Photozelle ist nun so angeschlossen, dass sie die Differenz zwischen diesen Signalen erfasst, wobei diese Differenz sich in Phase mit dem Lagefehler der Mittellage des Prismas ändert.
Der Vorteil dieses Systems besteht darin, dass die jeweilige Änderung grösser ist, da die Neigung der Kurve grösser ist. Somit ist auch das Differentialsignal für einen gleichen Winkel grösser.
Bei dem System gemäss Fig. 4 gelangt das Licht von einer Welle 11 monochromatischen Lichtes zu der Sammellinse 12, die es als paralleles Lichtstrahlenbündel verlässt. Dieses gelangt zu einem Polarisator 13, der das Licht polarisiert. Das in einer Ebene polarisierte Licht 15 gelangt nun durch die Probesubstanz, die sich in dem Halter 16 befindet. Nun gelangen die Strahlen zu einem teilweise durchlässigen Spiegel 46.
Ein Teil der Strahlen tritt durch den Spiegel hindurch und gelangt zu dem Analysator und zu einem Spiegel 47, der die Strahlen reflektiert und durch einen teilweise durchlässigen Spiegel 48 zu der Photozelle 18 lenkt.
Ein weiterer Teil des Lichtes wird durch den Spiegel 46 reflektiert, durchwandert einen einstellbaren Schlitz 49 zu einem Spiegel 51, der es reflektiert und zu dem Spiegel 48 lenkt, von welchem es zu der Photozelle 18 gelangt. Die Photozelle 18 erhält somit einen einstellbaren Anteil des Lichtes, das nicht durch den Analysator 17 gewandert ist, sowie weiterhin einen Lichtanteil, der diesen Analysator 17 durchwandert hat.
Ein Lichtunterbrecher unterbricht die Lichtstrahlen von den Spiegeln 46 und 47 abwechslungsweise, so dass diese beiden Lichtstrahlen alternativ zu der Photozelle gelangen. Das Ausgangssignal der Photozelle besitzt etwa die in den Fig. 7A-7C gezeigte Form. Fig. 7A zeigt das Licht, welches direkt zu der Photozelle gelangt, Fig. 7B den Verlauf des Lichtes, welches erst nach Durchwandern des Polarisators zu der Photozelle gelangt. Die beiden Ausgangsspannungen werden addiert, so dass der in Fig. 7C gezeigte Spannungsverlauf entsteht.
Die Ausgangsspannung der Photozelle gelangt zu einem Verstärker 52, und anschliessend zu dem Detektor 53. Ein Oszillator 54 erzeugt eine Wechselspannung, um entweder dem Prisma 13 oder dem Prisma 17 eine oszillierende Drehbewegung zu verleihen. Die Ausgangsspannung des Oszillators 54 gelangt weiterhin zu dem Detektor 53. Die Ausgangsspannung des Detektors 53 wird auf ein Messgerät 56 übertragen. Eine Energiequelle 57, deren Ausgangsenergie beispielsweise durch einen Drehknopf 58 einstellbar ist, dient dazu, eine Drehung des Analysators 17 herbeizuführen. Die zur Drehung erforderliche elektrische Leistung kann beispielsweise durch ein Instrument 59 angezeigt werden, welches somit eine Anzeige für die Winkelauslenkung des Analysators ist.
Das in Fig. 4 gezeigte System wird von Hand eingestellt; es dient in erster Linie zur Erläuterung der Wirkungsweise. Es ist jedoch zu erkennen, dass ähnlich wie in Fig. 1 gezeigt, auch dieses System vollautomatisch betrieben werden kann.
Der Analysator 17 kann an einem Halter gemäss Fig. 2 oder an einem Halter gemäss Fig. 5 befestigt werden. Der Analysator 17 befindet sich wieder in einem Rahmen 26, der nach aussen abragende Federarme 27 besitzt, deren äussere Enden fixiert sind.
Ferner sind radial abragende Arme 61 vorgesehen, deren Federkonstante wesentlich unter der Federkonstante der Arme 27 liegt. Um das Prisma 27 um einen vorgegebenen Winkel zu drehen, müssen die Arme 61 um einen Winkelbetrag ausgelenkt werden, der dem Verhältnis der Federspannungen der Arme 27 und 61 entspricht.
Wenn die Federkonstante der Arme 27 zehnmal so gross ist wie die Federkonstante der Arme 61, müssen die Enden der Arme 61 für eine vorgegebene Winkelauslenkung des Prismas 17 eine zehnmal grö ssere Bewegung ausführen als für die gleiche Bewegung, wenn die Arme 61 die gleiche Federkonstante aufweisen wie die Arme 27.
Der Halter gemäss Fig. 5 stellt für einen kleinen Raum ein sehr genaues Mittel zur Verstärkung einer mechanischen Bewegung dar. Wären die Arme 61 relativ lang aber starr, könnte die erforderliche Verstärkung ebenfalls herbeigeführt werden, jedoch wäre der Raumbedarf grösser. Durch geeignete Wahl der Steifigkeit der Arme 27 und 61 kann ein Halter geschaffen werden, mittels welchem dem optischen Element 17 Oszillationsbewegungen erteilt werden können, ohne dass Elemente verwendet werden müssten, die ein relativ grosses Trägheitsmoment besitzen, obwohl damit eine grosse Genauigkeit erzielt werden kann. Durch die Erregung eines Elektromagneten oder eines Servomotors werden die Arme 62 in Rich- tung des Pfeiles 64 bewegt, wodurch den Armen 61 eine Bewegung zur Lagekorrektur des Prismas ver liehen wird.
Mit dem Arm 62 kann beispielsweise ein Stift oder eine Feder verbunden sein, der die Lage dieses Armes aufzeichnet.
Anderseits kann jedoch auch ein Zeiger mit dem Arm 62 verbunden sein, der auf einer Skala die Auslenkung anzeigt.
In jedem Fall wird die tatsächliche Drehung mit einem Betrag multipliziert, der der Differenz der Federkonstanten entspricht und der eine sehr genaue Ablesung ermöglicht.
Um die zur Auslenkung des Armes 61 erforderliche Kraft konstant zu halten, kann der Arm 62 mit einer Feder 66 belastet sein. Die Feder 66 erzeugt eine veränderliche Kraft, die mit zunehmender Auslenkung des Armes zunimmt.
Fig. 8 zeigt ein Gestänge zum Antrieb einer Schreibfeder 70. Der Arm 62 ist über ein Zwischenglied 72 mit einem gebogenen Hebel 71 verbunden.
Wenn sich der Arm 62 bewegt, führt auch der gebogene Hebel 71 eine Bewegung aus, so dass sich die Schreibfeder 70 entlang der Linie 74 bewegt. Die Schreibfeder zeichnet dabei auf einem bewegten Band 77 eine Kurve auf. In Fig. 9 ist ein ähnliches Hebelsystem zum Antrieb eines Zeigers 78 beschrieben, der auf der Skala 79 die Auslenkung des Prismas anzeigt.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Polarisator und der Analysator, beide wie beschrieben, angeordnet sein können. Es besteht daneben die Möglichkeit, das eine Prisma zu drehen und dem anderen Prisma die Drehschwingung zu verleihen. Die Betriebsweise ist dann gleich wie oben erläutert. In diesem Fall ist es jedoch leichter, eine symmetrische Drehschwingung herbeizuführen.
Es ist zu ersehen, dass das gezeigte Polarimeter sehr genau arbeitet. Es enthält Mittel für eine genaue elektrische, optische oder registrierbare Anzeige der Drehung der Polarisationsebene des Lichtstrahlenbündels, wenn dieses durch die zu überprüfende Substanz wandert. Der beschriebene Polarimeter enthält weiterhin Mittel zur genauen Bestimmung der relativen Lage des Polarisators und des Analysators bei dem Minimallichtwert.