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Lichtelektrisches Polarimeter Zusatz zum Patent 1078 784 Das Hauptpatent
1078784 betrifft ein lichtelektrisches Polarimeter nach dem Wechsellichtprinzip,
bei welchem das zu messende Objekt zwischen einem feststehenden Polarisator und
einem aus feststehendem Analysator mit vorgeordneter, von einem konstanten Wechselstrom
durchflossener Faradayspule bestehenden Analysatorsystem angeordnet ist und bei
welchem hinter dem Analysatorsystem eine Photozelle mit nachgeschaltetem Wechselstromverstärker
vorgesehen ist. Bei diesem Polarimeter ist eine weitere, im Strahlengang hinter
dem Polarisator angeordnete, zur automatischen Kompensation der Drehung der Schwingungsebene
des Lichtes durch das zu messende Objekt dienende Faradayspule vorgesehen, und es
ist diese Spule mit einem den von der Photozelle gelieferten Wechselstrom in einen
Gleichstrom umwandelnden Schaltelement verbunden.
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Der Betrag und das Vorzeichen der spezifischen Drehung des zu messenden
Objektes sind von der Wellenlänge des Lichtes abhängig und zeigen einen Gang, den
man als Rotationsdispersion bezeichnet.
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Die Verdetsche Konstante ist definiert als der Winkel, um den die
Schwingungsebene linear polarisierten monochromatischen Lichtes auf 1 cm Weg durch
ein longitudinales magnetisches Feld von der Stärke 1 Gauß gedreht wird. Auch diese
Stoffkonstante ist von der Wellenlänge des Lichtes abhängig, d. h., sie weist eine
gewisse Dispersion auf. Da im allgemeinen die Dispersion der spezifischen Drehung
des Meßobjektes nicht konform zu der Dispersion der Verdetschen Konstanten der magnetooptisch-aktiven
Substanz der Kompensations-Faradayspule ist, ist die Wirkung eines durch diese Spule
fließenden Gleichstromes bestimmter Stromstärke auf die Drehung der Schwingungsebene
des Lichtes bei verschiedenen Wellenlängen des Meßlichtes im allgemeinen verschieden.
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Aus diesem Grunde muß bei dem im Hauptpatent beschriebenen lichtelektrischen
Polarimeter eine monochromatische Lichtquelle verwendet werden.
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Zur Herstellung monochromatischen Lichtes bedarf es bekannter Vorrichtungen,
wie z. B. Spektrallampen, Interferenzfilter, Monochromatoren mit Anschlußgeräten,
d. h. solcher Einrichtungen, die erhebliche Anschaffungs- und Betriebskosten verursachen.
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Durch die Einengung des Spektralbandes des Meßlichtes treten Verluste
an nutzbarer Strahlungsenergie auf, die in vielen Fällen vorzeitig eine Grenze für
die Untersuchbarkeit absorbierender Meßobjekte setzen.
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Alle diese Nachteile sind bei dem neuen lichtelektrischen Polarimeter
vermieden, welches eine Weiterentwicklung des im Hauptpatent beschriebenen Polari-
meters
darstellt. Bei dem neuen Polarimeter ist eine Licht eines bestimmten Wellenlängenbereiches
liefernde Meßlichtquelle vorgesehen, und es ist die Wahl der magnetooptisch-aktiven
Substanz für die Kompensations-Faradayspule so getroffen, daß deren Verdetsche Konstante
eine mit der spezifischen Drehung des zu messenden Objektes über den Wellenlängenbereich
der Lichtquelle konforme Dispersion aufweist. Es kann also in diesem Fall beispielsweise
eine einfache Glühlampe als Meßlichtquelle verwendet werden, welcher zur Aussonderung
des nutzbaren Wellenlängenbereiches dienende Filter vorgeschaltet sind.
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Die Meßlichtquelle ist also bei dem neuen Polarimeter sehr viel einfacher
aufgebaut und deshalb bedeutend billiger als bei dem aus dem Hauptpatent bekannten
Polarimeter. Weiterhin kann bei dem neuen Polarimeter vergleichsweise ein viel höherer
Prozentsatz der von der Meßlichtquelle gelieferten Strahlungsenergie zur Messung
Verwendung finden, so daß also viele absorbierende Meßobjekte, welche mit dem aus
dem Hauptpatent bekannten Polarimeter nicht mehr untersucht werden können, der Untersuchung
zugänglich werden.
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Grundsätzlich sind auch andere nicht monochromatische Lichtquellen
hoher Leuchtdichte, wie z. B. eine Xenon-Hochdrucklampe anwendbar.
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Gemäß einer Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird an Stelle
einer Kompensations- Faradayspule, deren Verdetsche Konstante eine mit der spezifischen
Drehung eines einzigen bestimmten Objektes konforme Dispersion aufweist, eine Kompensations-Faradayspule
verwendet, welche auf genaue Konformität der Dispersion abgestimmt werden kann.
In einer solchen Kompensations-Faradayspule sind zwei
oder mehrere
magnetooptisch-aktive Substanzen mit verschiedener Verdetscher Konstante hintereinander
angeordnet, und es kann durch Abstimmen der Längenanteile dieser Substanzen die
gewünschte Gesamtdispersion eingestellt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, in einer auf Konformität abstimmbaren
Kompensations-Faradayspule neben einer oder mehreren anderen magnetooptisch-aktiven
Substanzen eine stetig in der Länge veränderliche Flüssigkeitssäule zu benutzen.
Durch Einstellen der Länge der Flüssigkeitssäule können Feinabstimmungen der Konformität
herbeigeführt werden.
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Mit einer solchen Kompensations-Faradayspule gelingt es, größere
Variationsbereiche zu überbrücken, so daß man also diese Kompensationsspule für
Meßobjekte mit unterschiedlichen Rotationsdispersionen verwenden kann.
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Die erwähnte Abstimmung auf Konformität wird so vorgenommen, daß
die Längenanteile der Substanzen so lange verändert werden, bis sich für mindestens
zwei Wellenlängen dasselbe Verhältnis zwischen der Verdetschen Konstanten der Kompensations-Faradayspule
und der spezifischen Drehung des Meßobjektes ergibt. Nach vollzogener Abstimmung
ist der Zusammenhang zwischen der Konzentration der Meßsubstanz und dem durch die
Kompensations-Faradayspule fließenden Strom eindeutig und insbesondere praktisch
unabhängig von der Wellenlänge des Lichtes.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform einer auf Konformität abstimmbaren
Kompensations-Faradayspule enthält eine mit einem Auffangbehälter verbundene flüssigkeitsgefüllte
Polarimeterröhre, deren eine Seite mittels eines in Richtung der Achse der Polarimeterröhre
in dieser verschiebbaren Glasstabes abgeschlossen ist. Die Verdetschen Konstanten
von Flüssigkeit und Stab wirken dann anteilmäßig zusammen entsprechend den wirksamen
Schichtdicken.
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Es kann vorteilhaft sein, an Stelle einer auf Konformität abstimmbaren
Kompensations-Faradayspule eine solche Spule zu verwenden, welche mehrere mittels
einer Wechselvorrichtung wahlweise in den Strahlengang einschaltbare magnetooptisch-aktive
Substanz enthält. Dabei ist es zweckmäßig, die Wechselvorrichtung so auszubilden,
daß sie vollständig innerhalb der Kompensations-Faradayspule liegt.
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Es kann also in diesem Fall für jede Meßsubstanz eine bestimmte, vorher
ausgewählte magnetooptischaktive Substanz in den Strahlengang eingeschwenkt werden.
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Die Erfindung wird an Hand der Ausführungsbeispiele darstellenden
Fig. 1 bis 3 näher erläutert.
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Dabei zeigt Fig. 1 ein lichtelektrisches Polarimeter nach der Erfindung
in schematischer Darstellung, Fig. 2 einen Schnitt durch eine auf Konformität abstimmbare
Kompensations-Faradayspule, Fig. 3 einen Schnitt durch eine, eine Wechselvorrichtung
enthaltende Kompensations-Faradayspule.
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In Fig. 1 ist mit 1 eine Glühlampe, mit 2 ein Kondensor zur Erzeugung
eines parallel begrenzten Strahlenganges, mit 3 ein Lichtfilter und mit 4 ein feststehender
Polarisator bezeichnet. Das Meßobjekt 5 ist zwischen diesem Polarisator 4 und einem
feststehenden Analysator 6 angeordnet. Vor dem Analysator 6 ist eine Faradayspule
7 vorgesehen, welche von einem konstanten, von der Wechselstromquelle 8 gelieferten
Wechselstrom durchflossen wird. Eine
Linse 9 dient zur Fokussierung des Lichtbündels
auf die Photokathode der Photozelle 10. Der von dieser Zelle gelieferte Wechselstrom
wird im Wechselstromverstärker 11 verstärkt und mittels des Gleichrichters 12 phasenabhängig
gleichgerichtet. Der entstehende Gleichstrom fließt durch die Kompensations-Faradayspule
13 und bewirkt eine automatische Kompensation der Drehung der Schwingungsebene des
Lichtes durch das Meßobjekt 5. Ein Meßgerät 14 dient zur Anzeige des durch die Faradayspule
13 fließenden Gleichstromes.
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Die Kompensations-Faradayspule 13 enthält eine magnetooptisch-aktive
Substanz, deren Verdetsche Konstante eine mit der spezifischen Drehung des zu messenden
Objektes 5 über den Wellenlängenbereich der Lichtquelle 1, 3 konforme Dispersion
aufweist.
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Soll das Polarimeter beispielsweise zur Messung von Saccharose dienen,
so kann die magnetooptischaktive Substanz der Kompensations-Faradayspule 13 aus
einem Gemisch von 77,73 Volumprozent Aceton in Wasser bestehen. Wie die nachfolgende
Tabelle 1 zeigt, ist ein solches Gemisch zur Messung geeignet, da seine Verdetsche
Konstante im Bereich der Wellenlänge des Meßlichtes von 589 bis 436 nm eine konforme
Dispersion mit der spezifischen Drehung der zu messenden Saccharose aufweist.
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Tabelle 1
| A [nm] Bemer- |
| 589 546 436 kungen |
| ee ' [Grad] 66,45 78,2 128,5 Saccha- |
| rose |
| w [Min.] 0,01202 1 0,01424 0,02336 Aceton- |
| Wasser- |
| Gemisch |
| en: lal 0,0001811 0,000182 0,ü00182 |
a = Spezifische Drehung. es = Verdetsche Konstante.
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Soll das in Fig. 1 dargestellte lichtelektrische Polarimeter zur
Messung von Glukose Verwendung finden, so kann die magnetooptisch-aktive Substanz
der Kompensations-Faradayspule 13 aus Wasser bestehen.
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Wie die nachfolgende Tabelle zeigt, ist diese Substanz zur Ausmessung
von Glukose im Wellenlängenbereich von 589 bis 436 nm geeignet.
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Tabelle 2
| A [nm] Bemer- |
| 589 546 436 kungen |
| 1a [Grad] 53,0 162,5 101,0 Glukose |
| w [Min.] 0,01309 1l 0,01549 0,02508 Wasser |
| m:}a! 0,000247 0,000248 0,000248 |
Die in Fig. 2 dargestellte Kompensations-Faradayspule besteht aus der eigentlichen
Feldwicklung 15, in welche eine Polarimeterröhre 16 eingeschoben ist.
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Das Deckglas 17 dieser Röhre ist durchbohrt und steht mit einem Auffangbehälter
18 in Verbindung.
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In die Polarimeterröhre 16 läßt sich von links ein Quarzglasstab 19
mehr oder weniger weit einschieben.
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Die Röhre 16 ist mit einer Flüssigkeit gefüllt, welche beim Einschieben
des Glasstabes 19 in den Auffangbehälter 18 abgeleitet wird.
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Die Verdetschen Konstanten von Flüssigkeit 20 und Stab wirken anteilig
zusammen entsprechend den wirksamen Schichtdicken. Wenn man also beispielsweise
in die Polarimeterröhre 16 einen Quarzglasstab von 100 mm Länge einschiebt, so wirkt
die Verdetsche Konstante des Quarzglasstabes mit 100 mm Länge und die Verdetsche
Konstante der Flüssigkeit 20 mit der jeweils eingestellten Schichtdicke.
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In der nachfolgenden Tabelle 3 ist angenommen, daß die Flüssigkeit
20 aus Schwefelkohlenstoff besteht, während der Stab 19 aus Quarzglas gebildet ist.
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In dieser Tabelle ist die Schichtdicke von Schwefelkohlenstoff als
Bruchteil p der Länge I des Quarzglasstabes angegeben, und zwar für die Schwefelkohlenstoff-Schichtdicke
0 bis zur Schwefeikohlenstoff-Schichtdicke 0,7 mal Quarzstablänge. Die Quarzstablänge
I umfaßt dabei die Länge des Stabes 19 zuzüglich der Dicke des Deckglases 17. Die
Verdetschen Konstanten für die Wellenlängen 436 und 546 nm sind in den beiden ersten
Zeilen der Tabelle für Quarzglas und für Schwefelkohlenstoff angeführt. In den Spalten
2 und 3 der Tabelle sind dann die entsprechenden Verdetschen Konstanten der jeweiligen
Kombinationen von Quarzglas und Schwefelkohlenstoff angegeben. Aus diesen Werten
ist in der vierten Spalte das Verhältnis gebildet worden, und in der fünften Spalte
ist das entsprechende Verhältnis der spezifischen Drehungen a von einigen optisch-aktiven
Meßobjekten angeführt.
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Tabelle 3 Quarzglas ... ... w436 = 0,02602 w545 = 0,01671 Schwefelkohlenstoff
c,g436 = 0,08720 w54, = 0,05130
| P | so4S6 | c0546 ß 36, c°ul6 | ' ce 4s6!! Set! 546 |
| 0 0,02602 0,01671 1,557 |
| 0,1 0,03474 0,02184 1,591 |
| 0,2 0,04346 0,02697 1,611 1,616 Glukose |
| in H.O |
| 0,3 0,05218 0,03210 1,626 1,627 Quarz |
| 0,4 0,06090 0,03723 1,636 |
| 0,5 0,06962 0,04236 1,644 1,644 Saccharose |
| in H2O |
| 0,6 0,07834 0,04749 1,650 1,650 1-Menthol |
| 0,7 0,08706 0,05262 1,654 |
Wie aus Tabelle 3 zu erkennen ist, kann die in Fig. 2 dargestellte Kompensations-Faradayspule
durch einfaches Verschieben des Quarzglasstabes 19 so eingestellt werden, daß sie
für verschiedene Meßobjekte geeignet ist. Der Variationsbereich ist dabei relativ
groß.
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Fig. 3 zeigt eine Kompensations-Faradayspule, deren Spulenwicklung
mit 21 bezeichnet ist und die in ihrem Inneren einen um die Achse 23 drehbaren Revolver
22 enthält. Dieser Revolver enthält drei
zylindrische Bohrungen 24, 25 und 26, in
denen drei verschiedene magnetooptisch-aktive Substanzen untergebracht werden können.
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Wird beispielsweise in die Bohrung 24 das in Tabelle 1 erwähnte Aceton-Wasser-Gemisch
eingefüllt, während sich in der Bohrung 25 Wasser befindet, so dient in der in Fig.
3 dargestellten Stellung des Revolvers 22 die Kompensations-Faradayspule zur Messung
von Saccharose. Durch eine einfache Drehung des Revolvers 22 um die Achse 23 wird
an Stelle der Bohrung24 die Bohrung 25 in den Strahlengang gebracht, so daß nunmehr
die Kompensations-Faradayspule zur Messung von Glukose dienen kann.