DE1447246C3 - Spektrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein bekanntes Spektrometer, das wie folgt arbeitet: Die zu analysierende Strahlung tritt durch ein Eintrittszonenelement ein, wird durch ein dispergierendes System in einzelne monochromatische, sich gegebenenfalls zum Teil überdeckende Bilder des Eintrittszonenelements spektral zerlegt; eine Teilstrahlung fällt abhängig von der Einstellung des dispergierenden Systems auf das Austrittszonenelement, und mindestens ein Teil hiervon gelangt von diesem zu Nachweismitteln; jedes monochromatische Bild des Eintrittszonenelements wandert bei einer Verstellung des dispergierenden Systems über das Austrittszonenelement hinweg und verursacht im Bereich der genauen Überlagerungsstelle einen starken Intensitätsanstieg oder Intensitätsabfall des Ausgangssignals.

Ein solches Spektrometer ist in der französischen Patentschrift 12 49 247 beschrieben. Durch diese französische Patentschrift ist auch ein Zonenelement bekanntgeworden, welches folgende Merkmale aufweist: es enthält zwei Scharen von Zonen, wobei eine Zone folgende Eigenschaften hat: sie ist entweder a) lichtdurchlässig, b) reflektierend oder c) absorbierend; die beiden Scharen unterscheiden sich dabei in ihren Eigenschaften a) bis c); die Flächensummen beider Scharen sind im wesentlichen einander gleich; durch eine Translation parallel zur Ausbreitungsrichtung des Spektrums kann das Zonenelement mit sich selbst nicht zur Deckung gebracht werden.

Beim Spektrometer nach der genannten französischen Patentschrift wird ein dispergierendes System

benutzt, welches das einfallende Licht entsprechend seiner Wellenlänge in Dispersionsrichtung ablenkt. In der das Austrittszonenelement enthaltenden Ebene entsteht dann nicht ein einziges Bild des Eintrittszonenelements, sondern, gegeneinander verschoben und sich

gegebenenfalls zum Teil überdeckend, so viele Bilder des Eintrittszonenelements, wie das zu untersuchende Licht verschiedene Wellenlängen. enthält. Wenn das dispergierende System verstellt wird, dann wandern die einzelnen Bilder des Eintrittszonenelements über das Austrittszonenelement hinweg, was als Durchgang bezeichnet werden kann.

Beim Spektrometer nach der genannten französischen Patentschrift bedecken die einzelnen Bilder des Eintrittszonenelements mindestens einen Teil des Austrittszonenelements; dadurch wird die darin enthaltende Strahlung in zwei Strahlenbündel aufgeteilt, und es wird die Differenz der Intensitäten der beiden Strahlenbündel gebildet. Dieses Differenzsignal hat

beim Durchgang einer Spektrallinie eine im wesentlichen dreieckförmig ausgebildete Gestalt. Werden die Intensitäten der beiden Strahlenbündel einzeln betrachtet, dann ergibt sich, ausgehend von einer geringen Anfangsintensität bei Beginn der Überlagerung, ein lineares Ansteigen der Intensitäten des einen Lichtbündels bei immer besseren Überlagerungsstellungen. Infolge der Eigenschaft der Zonenelemente nimmt jedoch die Intensität des anderen Strahlenbündels im gleichen Maße ab. Die Differenz der Intensitäten der beiden Strahlenbündel ergibt demnach in Überlagerungsstellung ein Maximum.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das in dem beschriebenen Zonenelement-Spektrometer erzeugte Signal ohne die Verwendung von Differenzbildungsmitteln auswertbar zu machen.

Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um die monochromatischen Bilder des Eintrittszonenelements periodisch gegenüber dem Austrittselement zu verschieben, so daß nur im Bereich der genauen Überlagerungsstellung die Intensität der zu den Nachweismitteln gelangenden Strahlung mit der Frequenz der periodischen Verschiebebewegung schwankt und daß die Ausgangsspannung der Nachweismittel an sich bekannten elektronischen Einrichtungen zugeführt wird, welche nur die Signalanteile dieser Frequenz auswerten.

Der Grund dafür, daß die Intensität und damit das erzeugte Signal nur im Bereich der genauen Überlagerungsstellung schwankt, liegt im folgenden: Es sei angenommen, daß das Austrittszonenelement durchlässige und undurchlässige Zonen aufweist. Überdeckt nun das Bild des Eintrittszonenelements das Austrittszonenelement nur teilweise, dann fällt ebensoviel Strahlung auf die durchlässigen Zonen wie auf die absorbierenden Zonen, auch wenn das Bild des Eintrittszonenelements periodisch schwankt; wird jedoch durch die Verstellung des dispergierenden Systems der Bereich der genauen Überlagerungsstellung eingestellt, dann fällt bei der periodischen Bewegung mehr Licht z. B. auf die durchlässigen Zonen, wenn das Bild des Eintrittszonenelements sich auf die genaue Überlagerungsstellung hin bewegt, und es fällt weniger Licht auf die durchlässigen Zonen, wenn es sich von dort wegbewegt. In der genauen Überlagerungsstellung wird demnach ein Maximum des periodischen Wechsels der Intensität der durch das Austrittszonenelement fallenden Strahlung festgestellt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an Hand der Zeichnung besprochen. Dabei zeigt

F i g. 1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spektrometers,

Fig.2 eine schematische Ansicht eines Eintrittszonenelements,

F i g. 3 eine schematische Ansicht eines entsprechenden Austrittszonenelements,

Fig.4 ein Austrittszonenelement mit einem überlagerten Bild des Eintrittszonenelements für verschiedene Stellungen während ihrer Relativbewegung,

F i g. 5 eine der F i g. 4 entsprechende Ansicht einer Ausführungsabwandlung,

F i g. 6 bis 8 verschiedene Signalverläufe,

F i g. 9 eine weitere Ausführungsform eines Spektrometers,

F i g. 10 ein Zonenelement für ein Spektrometer nach F ig. 9,

F i g. 11 ein weiteres Zonenelement für ein Spektrometer nach F i g. 9,

F i g. 12 ein weiteres Zonenelement.
Es sei zunächst F i g. 1 betrachtet. Die Strahlung einer Strahlungsquelle 5 soll einer Spektralanalyse unterworfen werden. Ein aus der Strahlungsquelle S kommendes Strahlenbündel P fällt auf ein Eintrittszonenelement G. Das Eintrittszonenelement G weist entsprechend der in der Einleitung gegebenen Definition zwei Scharen von Zonen auf. Die Zonen der einen Schar sind für die Strahlung durchlässig, während die Zonen der anderen

ίο Schar absorbierend sind. Durch das Eintrittszonenelement G tritt somit ein strukturiertes Strahlenbündel P\, dessen helle Stellen den durchlässigen Zonen und dessen dunkle oder abgeschattete Stellen den absorbierenden Zonen entsprechen. Nach Reflexion an einem Kollimatorspiegel M fällt das Strahlenbündel P\ auf ein dispergierendes System, welches bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein um eine Achse r drehbares Gitter R ist. Das Gitter R sorgt für die spektrale Zerlegung der zu untersuchenden Strahlung. Entsprechend der Lage des dispergierenden Systems zum Kollimatorspiegel M gelangt ein Einzelbündel Pi zum Kollimatorspiegel M zurück. Je nach der Lage des dispergierenden Systems und der spektralen Zusammensetzung des Strahlenbündels P\ wird eine Anzahl von solchen Einzelbündeln gebildet, welche jeweils ein oder mehrere im Sinne der Dispersionsrichtung benachbarte monochromatische Bilder des Eintrittszonenelements enthalten. Nach erneuter Reflexion am Spiegel M fallen die Strahlenbündel Pz auf ein Austrittszonenelement G', das ebenfalls entsprechend der in der Einleitung gegebenen Definition ausgebildet ist und durchlässige und absorbierende Zonen aufweist. Ein Teil der auf das Austrittszonenelement G' auftreffenden Strahlung, nämlich die die durchlässige Zonen durchsetzende Strahlung, fällt demnach als Strahlenbündel P3 auf einen weiteren Umlenkspiegel m und von dort auf ein Nachweismittel oder Empfänger D. Das Austrittszonenelement G' ist entsprechend dem Bild des Eintrittszonenelements G geformt und kann dadurch gewissermaßen als »Sieb« für die Bilder dienen, d. h, nur bei genauer Überlagerungsstellung eines monochromatischen Bildes des Eintrittszonenelements G mit dem Austrittszonenelement G' gelangt eine der Intensität des monochromatischen Bildes entsprechende Strahlung zum Empfänger D. Bei allen anderen Stellungen gelangt ebensoviel Strahlung auf die durchlässigen wie auf die absorbierenden Zonen des Austrittszonenelements G'.

Wird das dispergierende System R verstellt, dann wandern die Bilder des Eintrittszonenelements G über das Austrittszonenelement G' hinweg. Bei den Stellungen ohne genaue Überlagerung, bei der bezüglich des betrachteten monochromatischen Bildes ebensoviel Strahlung auf die durchlässigen wie absorbierenden Zonen des Zonenelements fällt, ändert sich die Intensität der durchfallenden Strahlung nur entsprechend der Überlagerungsfläche des Bildes des Eintrittszonenelements G mit dem Austrittszonenelement G'. In unmittelbarer Nähe der genauen Überlagerungsstellung, wenn also das Bild des Eintrittszonenelements das Austrittszonenelement vollständig überdeckt, nimmt die durchfallende Strahlung jedoch stark zu, und in der genauen Überlagerungsstellung fällt bezüglich des betrachteten monochromatischen Bildes die gesamte Strahlung durch die durchlässigen Zonen des Austrittszonenelements G' hindurch und gelangt zu den Nachweismitteln D. Diese Intensität ist etwa doppelt so groß wie die bei der ungenauen Überlagerung, und sie

ist nur für einen kleinen Spektralbereich gegeben, nämlich für einen der schmälsten Zone des Austrittszonenelements entsprechenden Bereich. Wenn also das dispergierende System R verstellt wird, so daß das betrachtete monochromatische Bild über das Austrittszonenelement G' wandert, dann wird die in Fig.8 aufgezeichnete Charakteristik erzielt. Einem linearen Anstieg mit schwacher Steigung (I-II) folgt ein linearer Anstieg mit starker Steigung (II-III), dann ein linearer Abstieg mit starker Neigung (III-IV) und ein linearer Abstieg mit schwacher Neigung (IV-V). Die Ordinate der F i g. 8 entspricht der Lichtintensität oder einer von dieser abgeleiteten Spannungsgröße, und die Abszisse ist die Einstellung des dispergierenden Systems oder eine von dieser Einstellung abgeleitete Größe, beispielsweise die Zeit.

Damit nun die genaue Überlagerungsstellung jedes der monochromatischen Bilder des Eintrittszonenelements erkennbar ist, werden die monochromatischen Bilder des Eintrittszonenelements G gegenüber dem Austrittszonenelement G'periodisch verschoben. Befindet sich ein solches monochromatisches Bild des Eintrittszonenelements G in genauer Überlagerungsstellung mit dem Austrittszonenelement G', dann ergibt sich dabei eine starke Schwankung der Intensität der durchfallenden Strahlung.

Zur Erzeugung der periodischen Verschiebebewegung sind gemäß einer ersten Ausführungsform Einrichtungen vorgesehen, welche dem Eintrittszonenelement G eine periodische Bewegung in dessen Ebene erteilen, wie dies z. B. durch den Doppelpfeil /für eine zu der Ausbreitungsrichtung des Spektrums senkrechte Richtung schematisch angedeutet ist. Dabei ist das Austrittszonenelement Cortsfest angeordnet.

In F i g. 1 sind schematisch Antriebseinrichtungen 20 dargestellt, welche dem Eintrittszonenelement G eine periodische Schwingbewegung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung des Spektrums erteilen, wobei die Übertragungsmittel 21 zwischen den Antriebseinrichtungen 20 und dem Zonenelement G Einrichtungen 22 zur Anfangseinstellung der Stellung des Eintrittszonenelements G aufweisen.

Gemäß einer anderen Ausführungsform kann eine periodische Drehbewegung im Sinne einer Rotation oder einer Pendelbewegung um eine durch das Zentrum des Eintrittszonenelements oder Austrittszonenelements gehende Achse ausgeführt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann dem Austrittszonenelement G' eine periodische Bewegung in dessen Ebene erteilt werden, wie dies schematisch durch den punktierten Doppelpfeil /' angedeutet ist, wobei dann das Eintrittszonenelement G ortsfest bleibt. Bei dieser Ausführung sind auch die oben für die Bewegung des Eintrittszonenelements G besprochenen Abwandlungen möglich.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch dem Spiegel M oder einer anderen in dem Apparat enthaltenen optischen Vorrichtung eine Drehbewegung um eine Achse erteilt werden, wie schematisch durch den Doppelpfeil f\ angedeutet, welche zur Ausbreitungs- ^M richtung des Spektrums parallel liegt. Hierbei sind das Eintrittszonenelement G und das Austrittszonenelement G'ortsfest angeordnet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann dem dispergierenden System R eine Pendelbewegung geringer Amplitude um die Achse r erteilt werden, wie dies schematisch durch den Doppelpfeil f\ dargestellt ist, wobei dann das Eintrittszonenelement G, das Austrittszonenelement G' und der Spiegel M ortsfest angeordnet sind. Diese Ausführungsform ist jedoch nur anwendbar, wenn das Spektrometer nicht mit Wellenlängenabtastung arbeiten soll.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind das Eintrittszonenelement und das Austrittszonenelement an einem gemeinsamen Rahmen oder Gestell angebracht, welchem eine periodische Bewegung erteilt wird. Hier wird die spiegelbildliche Umkehrung ausgenutzt, welche durch eine ungerade Zahl von optischen Spiegelungen zwischen dem Eintrittszonenelement und dem Austrittszonenelement vorhanden ist.

Bei einer Ausführungsform, welche besonders vorteilhafte Ergebnisse geliefert hat, werden Zonenelemente G gemäß F i g. 2 benutzt, bei denen die einzelnen Zonen durch gleichseitige Hyperbeläste begrenzt sind. Der Arbeitsteil dieses Eintrittszonenelements wird durch ein Quadrat 10 begrenzt, dessen Seiten mit 11,12,13 und 14 bezeichnet sind. Der Mittelpunkt O des Quadrats liegt auf der optischen Achse des Apparats. Der erste Quadrant, welcher durch die der Schar von gleichseitigen Hyperbeln angehörenden halben Mittellinien 15 und 16 des Quadrats begrenzt wird, enthält auf der Figur nichtschraffierte durchlässige Zonen Z\ und diesen benachbarte, mit ihnen abwechselnde, auf der Figur schraffierte absorbierende Zonen z\, wobei die Grenzen zwischen den Zonen durch Bögen von gleichseitigen Hyperbeln Ht gebildet werden, welche gemeinsame Asymptoten haben und auf der zu der halben Mittellinie 16 parallelen Seite 12 jeweils gleiche Abschnitte abschneiden, welche das Auflösungsvermögen des Spektrometers bestimmen. Die Anordnungen der Hyperbelbögen in den drei anderen Quadranten sind in bezug auf die Mittellinien symmetrisch. Die Zone Z2 des zu dem ersten Quadranten in bezug auf die halbe Mittellinie 15 symmetrischen Quadranten, welche den halben Mittellinien 15 und 17 benachbart ist, ist absorbierend. Die der Zone Z₂ benachbarte Zone Z₃ des dritten Quadranten ist durchlässig, und die den Zonen Z₁ und Z₃ benachbarte Zone Zt ist absorbierend.

Die in F i g. 2 gegebene Darstellung des Eintrittszonenelements ist schematisch. In Wirklichkeit weist ein in der Praxis benutztes Zonenelement eine verhältnismäßig große Anzahl von Zonen auf, nämlich von mehreren Hundert.

Das Austrittszonenelement G'(F i g. 3) ist so beschaffen, daß es zonenweise den von dem Apparat gelieferten monochromatischen Bildern des Eintrittszonenelements G überlagert werden kann. Für einen Abbildungsmaßstabs : 1 hat somit das Austrittszonenelement G' einen Umriß 10', welcher mit dem Umriß 10 des Eintrittszonenelements G identisch ist, und die Hyperbeln H' sowie die Zonen geben innerhalb des Quadrats 10' das gleiche Muster wie die Hyperbeln H und die Zonen innerhalb des Quadrats 10 wieder. So ist die den halben Mittellinien 15' und 16' benachbarte Zone Zi' des ersten Quadranten des Austrittszonenelements durchlässig wie die Zone Z\ usw. Durch die weiteren in Fig.3 mit einem Strich indizierten Bezugszeichen sind die dem Eintrittszonenelement G entsprechenden Einzelheiten gekennzeichnet, die in F i g. 2 mit den entsprechenden ungestrichenen Bezugszeichen versehen sind.

Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Lagen der Zonen der beiden Scharen umgekehrt, d. h., bei dieser Ausführungsform würde, wenn das Eintrittszonenelement die in Fig.2 dargestellte Ausbildung beibehält, das Austrittszonenelement gemäß F i g. 3 eine

absorbierende Zone Z_x', eine durchlässige Zone Zt' usw. aufweisen.

Das Austrittszonenelement wird zweckmäßig auf fotografischem Wege aus dem Eintrittszonenelement erhalten, wobei die Fotografie durch das Spektrometer hindurch erfolgt.

Mit einem Eintrittszonenelement und Austrittszonenelement der schematisch in F i g. 2 dargestellten Art ausgerüstetes Spektrometer weist Einrichtungen auf, welche dem Bild des Eintrittszonenelements gegenüber des Austrittszonenelements periodisch eine Translationsbewegung senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung des Spektrums erteilen. Diese Bewegungen sind schematisch durch den zu dem Doppelpfeil Fsenkrechten Doppelpfeil /'in F i g. 3 angedeutet

Gemäß einer ersten Möglichkeit der Translationsbewegung ist eine der Grenzlagen des Bildes des Eintrittszonenelements, welche schematisch bei 12i in F i g. 4 durch die Lage einer seiner Seiten dargestellt ist, die Lage, in welcher es mit dem Austrittszonenelement zusammenfällt, während die bei 122 schematisch dargestellte Lage der anderen Grenzlage der periodischen Bewegung entspricht.

Gemäß einer anderen Ausführungsform (Fig.5) entspricht keine Grenzlage 12i und 12₂ des Bildes des Eintrittszonenelements der Koinzidenzstellung mit dem Austrittszonenelement, so daß dieses Zusammenfallen in einer Zwischenstellung des Bildes des Eintrittszonenelements auftritt

Das jeweils beweglich geführte Zonenelement weist zweckmäßig an seinen zu der Ausbreitungsrichtung des Spektrums parallelen Rändern zwei sehr schmale Randstreifen auf, welche abgedeckt oder abgeschnitten sind, so daß bei der periodischen Verschiebebewegung das Bild des Eintrittszonenelements nicht über den Rand des Austrittszonenelements zu liegen kommt.

Bei Anwendung der Verschiebebewegung hat die durch das Austrittszonenelement tretende Strahlungsenergie in Abhängigkeit von der Zeit den in F i g. 6 bzw. 7 dargestellten Verlauf (Abszisse ist die Zeit t, Ordinate ist die Strahlungsenergie E). Der Wert der Maxima entspricht der durch das Eintrittszonenelement getretenen Energie der betrachteten Wellenlänge, während die Minima anzeigen, daß bei ungenauer Überlagerungsstellung etwa die Hälfte dieser Energie nachgewiesen wird.

Die Frequenz des in diesem Diagramm (Fig.6) dargestellten Signals ist gleich der Frequenz der Schwingbewegung in dem Fall der Anordnung gemäß F i g. 4. Die Frequenz des Signals beträgt das Doppelte der Frequenz der Schwingbewegung bei der Anordnung gemäß Fig.5, weil die Stellung der ungenauen Überlagerung doppelt so häufig auftritt

Wenn man jetzt ohne Veränderung der Stellung des dispergierenden Systems auf das Eintrittszonenelement eine Strahlungsenergie fallenläßt deren Wellenlänge der Einstellwellenlänge benachbart ist wird keine Veränderung der Intensität der nachgewiesenen Strahlung festgestellt d. h, das Signal, welches die durch das Austrittszonenelement auf dieser Wellenlänge tretende Energie darstellt, hat die Form einer waagerechten Geraden, wie in F i g. 7 dargestellt

In F i g. 8 ist eine Abszisse eingezeichnet, welche der Vorstellung des dispergierenden Systems R entspricht Nach oben ist als Ordinate die Strahlungsintensität E aufgetragen. Im oberen Teil des Diagramms der F i g. 8 ist die durch das Austrittszonenelement durchtretende monochromatische Strahlung ohne die oszillierende Verschiebebewegung dargestellt. Im unteren Teil des Diagramms der F i g. 8 ist dagegen das nachgewiesene Signal bei Anwendung der oszillierenden Verschiebebewegung aufgezeichnet. Das untere Teildiagramm der

Fig.8 kann ebensogut als Spannungs-Zeit-Diagramm interpretiert werden. Zwischen den Stellungen II bis IV des dispergierenden Systems wird demnach eine Wechselspannung bzw. ein pulsierender Gleichstrom erhalten, dessen Frequenz entweder der Verschiebefrequenz oder dem Doppelten der Verschiebefrequenz entspricht je nachdem, ob eine Verschiebung entsprechend F i g. 4 oder 5 durchgeführt wird. Die Amplitude des Wechselspannungsanteils des pulsierenden Gleichstroms reicht vom Wert 0 für die Lage b bis zum maximalen Wert für die Lage d und sinkt wieder für die Lage /auf den Wert 0.

Durch elektronische Auswertung dieses Signals, z. B. in einem auf die Frequenz abgestimmten Wechselstromverstärker, kann man in Abhängigkeit der Verstellung des dispergierenden Systems ein Signal erhalten, welches der durch das Eintrittszonenelement tretenden Strahlungsenergie der eingestellten Wellenlänge proportional ist. Der untere Teil der F i g. 8 stellt ein solches Signal dar; der Abszissenwert des Maximums ist für die nachgewiesene Wellenlänge kennzeichnend, während die Ordinate für die auf dieser Wellenlänge auftretende Energie kennzeichnend ist.

Ausgehend von einem solchen dreieckförmigen Signal wird das Auflösungsvermögen wie üblich durch die Halbwertsbreite des betrachteten Dreiecksignals definiert.

Es wurde festgestellt daß ein mit den Zonenelementen nach den F i g. 2 und 3 ausgestattetes Spektrometer ein Auflösungsvermögen hat, das einem Spaltspektrometer entspricht dessen Spaltbreite gleich der Länge des Abschnitts ist welcher auf einer Seite des Zonenelements (F i g. 2) von zwei aufeinanderfolgenden Hyperbelästen begrenzt ist. Wie bei einem Spaltspektrometer ist die Nachweisempfindlichkeit zur Eintrittsfläche der zu untersuchenden Strahlung proportional. Diese Eintrittsfläche entspricht beim Zonenelement-Spektrometer der Hälfte der Fläche des Eintrittszonenelements. Da die Fläche des Eintrittszonenelements jedoch mehrere hundertmal größer als die Spaltfläche eines Spaltspektrometers gewählt werden kann, ist die Nachweisempfindlichkeit des Zonenelement-Spektrometers entsprechend größer.

Es wurde gefunden, daß die Schwingungsamplitude im Verhältnis zur Länge des das Auflösungsvermögen bestimmenden Abschnitts einen Wert zwischen' /2 und 2 aufweisen soll, also in der Größenordnung der schmälsten Zone des Zonenelements liegen soll.

Bei einem durch ein Quadrat mit 30 mm Seitenlänge begrenzten Eintritts- oder Austrittszonenelement und einem Abschnitt von 0,1 mm liegt also die Schwingungsamplitude zwischen 0,05 und 0,2 mm.

Anstatt einer Translationsbewegung kann auch eine Drehbewegung angewendet werden. Wenn die Drehbewegung pendelnd erfolgt, ist eine Amplitude in der

Größenordnung von 10 Bogenminuten zweckmäßig. Drehschwingungen werden zweckmäßig für Eintrittsund Austrittszonenelemente mit geradlinig begrenzten Zonen angewendet

Die Frequenz der Schwingbewegung wird zweckmä-

ßig so gewählt, daß die Periode der Schwingung mindestens fünfmal kleiner und vorzugsweise mindestens zehnmal kleiner als die Zeit ist, welche das Spektrometer zur Bestreichung einer bestimmten

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Wellenlänge braucht, d. h. die Zeit, weiche der Verschiebung des Spektrums um eine dem Auflösungsvermögen gleiche Breite entspricht. Man kann ohne Schwierigkeit eine sehr hohe Schwingungsfrequenz infolge der geringen Amplitude der Schwingbewegung verwirklichen und so erforderlichenfalls ein sehr schnelles Abtasten der Wellenlängen ermöglichen. Sind im Strahlenbündel Pt mehrere monochromatische Bilder des Eintrittselements G nebeneinander vorhanden, dann wird ein Ausgangssignal am Empfänger D erhalten, welches aus der Überlagerung von mehreren Diagrammen der Art nach F i g. 8 entsteht.

Bei der Ausführungsform der F i g. 9 erfüllt ein einziges Zonenelement //die Aufgabe des Eintrittsfensters und des Austrittsfensters und ist zwischen der zu is analysierenden Strahlenquelle 5 und dem Kollimatorspiegel M angeordnet. Der Mittelpunkt c ist ein Symmetriepunkt und liegt im Brennpunkt des Kollimatorspiegels M Das Zonenelement weist entsprechend der in der Einleitung gegebenen Definition eine Serie von undurchlässigen Zonen g, welche wenigstens auf ihrer der Strahlenquelle S abgewandten Seite reflektierend sind, und eine Serie von durchlässigen Zonen t auf. Die von der Strahlenquelle S ausgehende Strahlung P wird durch das Eintrittszonenelement im Sinne eines Strahlenbündels Pi strukturiert und vom Kollimatorspiegel M auf das Gitter R geworfen. Wenn die von der Strahlenquelle ausgesandte Strahlung polychromatisch ist, zerlegt das Gitter R die einfallende Strahlung spektral und erzeugt somit eine Vielzahl von Strahlenbündeln Pt. Entsprechend der Einstellung des dispergierenden Systems R wird ein Strahlenbündel Pt, welches höchstens noch engbenachbarte Wellenlängen aufweist, von dem Kollimatorspiegel Λ/auf das Zonenelement H zurückgeworfen. Die reflektierenden Zonen g des Zonenelements H reflektieren einen Teil der Strahlenbündel Pt, wodurch ein Strahlenbündel P3 entsteht. Das Zonenelement H steht nicht genau senkrecht auf der Richtung der Strahlen P, so daß das Strahlenbündel P% auf den Spiegel m fällt und auf den Empfänger D *o konzentriert wird.

F i g. 10 zeigt ein Zonenelement //mit quadratischem Umriß und mit gleichseitigen Hyperbeln als Zonengrenzlinien, wie es bei einer Anordnung gemäß F i g. 9 verwendet werden kann. Die in bezug auf den Mittelpunkt c punktsymmetrischen Zonen 21 und 22 sind beide durchlässig, die ebenfalls in bezug auf den Mittelpunkt c punktsymmetrischen Zonen 23 und 24 sind beide reflektierend, was durch gekreuzte Schraffuren angedeutet ist

Bei dem in F i g. 11 schematisch dargestellten Zonenelement ist die Zone 25 durchlässig und die zu der Zone 25 in bezug auf den Mittelpunkt c punktsymmetrische Zone 26 reflektierend, was durch gekreuzte Schraffuren angedeutet ist. Die Zone 27 ist undurchlässig und reflektierend, und die zu der Zone 27 in bezug auf den Mittelpunkt c punktsymmetrische Zone 28 ist durchlässig. Ein Zonenelement H gemäß dieser Ausführungsform ist in F i g. 9 verwendet. Die Bewegung wird, wie bereits im Zusammenhang mit F i g. 1 ω erläutert, durchgeführt Erfolgt die Bewegung durch Verschieben des Zonenelements H im Sinne des Doppelpfeils f, dann wird bei einer Schwingungsamplitude, welche dem Abstand der Linien 12' von von der Linie 12| oder 12₂ (F i g. 5) entspricht, eine Verschiebung des auf dem Austrittszonenelement liegenden Bild des Eintrittszonenelements um einen doppelten Betrag erhalten, d. h., die Schwingungsamplitude des Bildes des Eintrittszonenelements entspricht dem Abstand der Linie 12i zur Linie 122.

Durch die dreifache Reflexion (am Kollimatorspiegel M, am Gitter R und wieder am Kollimatorspiegel M) ist das Bild der Eintrittsfläche spiegelbildlich auf die Austrittsfläche abgebildet. Wenn demnach das dispergierende System R auf eine in der Strahlung vorhandene Wellenlänge genau eingestellt ist, dann gelangt die bezüglich dieser Wellenlänge durch die durchlässigen Zonen tretende Strahlung (Pt) als Strahlenbündel Pt genau auf die reflektierenden Zonen des Zonenelements H und von dort zu den Nachweismitteln D. beim »doppelten« Zonenelement H haben demnach die durchlässigen Zonen des Eintritts und die reflektierenden Zonen des Austritts die Funktion, die Strahlung weiterzuleiten, und die absorbierenden Zonen des Eintritts und die durchlässigen Zonen des Austritts haben die Funktion, die Strahlung unwirksam zu machen. Die Gesamtanordnung hat einen geringen Platzbedarf sowie ein geringes Gewicht und ist besonders einfach, da das Zonenelement H sowohl die Aufgabe des Eintrittsfensters als auch des Austrittsfensters erfüllt.

Diese Autokollimationsanordnung gestattet in bekannter Weise, die in einem Spektrometer vorgesehenen Kollimatoreinrichtungen besser auszunutzen (Littrow-Anordnung).

In Fig. 13 sind schematisch dargestellt: als Kreis 34 der Bereich, in dem die durch die Kollimatoreinrichtung verursachten geometrischen Aberrationen annehmbar sind, als getrennte Eintritts- und Austrittszonenelemente die Umrisse G und G' und als einzig vorhandenes Zonenelement der Umriß K Der Vergleich der Fläche des quadratischen Umrisses E und der Fläche des Umrisses G oder G' zeigt, daß unter sonst gleichen Bedingungen das mit einer Autokollimationsanordnung arbeitende Spektrometer eine größere Lichtstärke und somit größere Nachweisempfindlichkeit aufweist.

Das Zonenelement H des Spektrometers mit Autokollimation wird zweckmäßig auf folgende Weise hergestellt: Ausgegangen wird von einem zur Hälfte hergestellten Zonenelement Die andere Hälfte des Zonenelements wird durch Fotografieren von dieser ersten Hälfte durch den Apparat hindurch, d. h. durch die Kollimatorvorrichtung oder die Kollimatorvorrichtungen und das dispergierende System hindurch, erhalten. Für diese Fotografie wird das dispergierende System zweckmäßig in eine mittlere Einstellung gebracht. Hierdurch werden die dem Spektrometer anhaftenden Aberrationen berichtigt, wobei infolge der spiegelbildlichen Abbildung diese Berichtigung sowohl für die erste als auch für die zweite Hälfte des Zonenelements gilt Eine derartige Ausführungsform gestattet, mit einem bestimmten dispergierenden System ein verhältnismäßig sehr breites Spektralintervall zu analysieren.

Fig. 12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Zonenelements, welche besonders im Hinblick auf die Verwendung der Kollimatoreinrichtungen zweckmäßig ist. Das Zonenelement besteht aus vier Quadranten 30 bis 33, auf denen jeweils gleichseitige Hyperbeln als Zonengrenzlinien entsprechend der in der Einleitung gegebenen Definition eingezeichnet sind. Die Seiten der Quadranten, an denen die Zonengrenzlinien auftreffen, liegen im Innern des Zonenelements. Eine derartige Ausführung gestattet, den Einfluß der geometrischen Aberrationen eines Kollimatorspiegels der bei M dargestellten Art zu verringern, da die Abstände der

Teile der Vorrichtung, in welchen die Zonengrenzlinien sehr nahe beieinanderliegen, von der optischen Achse des Spiegels unter sonst gleichen Verhältnissen kleiner als bei den Ausführungen gemäß F i g. 2, 3 und 10, 11 sind.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Spektrometer, bei dem die zu analysierende Strahlung durch ein Eintrittszonenelement eintritt und durch ein dispergierendes System in monochromatische, sich gegebenenfalls zum Teil überdeckende Bilder des Eintrittszonenelements spektral zerlegt wird, wobei eine Teilstrahlung abhängig von der Einstellung des dispergierenden Systems auf das Austrittszonenelement fällt und mindestens ein Teil davon zu Nachweismitteln gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, um die monochromatischen Bilder des Eintrittszonenelements (G,H) periodisch gegenüber dem Austrittszonenelement (G') zu verschieben, so daß nur im Bereich der genauen Überlagerungsstellung die Intensität der zu den Nachweismitteln (D) gelangenden Strahlung mit der Frequenz der periodischen Verschiebebewegung schwankt und daß die Ausgangsspannung der Nachweismittel (D) an sich bekannten elektronischen Einrichtungen zugeführt wird, welche nur die Signalanteile dieser Frequenz auswerten.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Einrichtungen auf die doppelte Frequenz der periodischen Verschiebebewegung abgestimmt sind.

3. Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der periodischen Verschiebebewegung in der Größenordnung der schmälsten Zone des Zonenelements (G, /fliegt.

4. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Bewegung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Spektrums erfolgt.

5. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit der periodischen Verschiebebewegung des Bildes des Eintrittszonenelements groß gegenüber der Geschwindigkeit der Wanderbewegung dieses Bildes infolge der Verstellung des dispergierenden Systems ist.

6. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Zonenelement (G, H) punktsymmetrisch aufgebaut ist und daß dieser Symmetriepunkt gleichzeitig Mittelpunkt des Zonenelements (G, H)ist.

7. Spektrometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zonen des Zonenelements (G, H) durch gleichseitige Hyperbeläste begrenzt sind (F i g. 2,3,10,11).

8. Spektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die als Zonengrenzlinien verwendeten Hyperbeläste so angeordnet sind, daß ihre Wölbung zum Rand des Zonenelements gerichtet ist (F i g. 12).

9. Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Eintrittszonenelement und Austrittszonenelement als ein einziges Zonenelement (H) ausgebildet sind und daß die Eigenschaften »Lichtdurchlässigkeit« und »Reflexion« bezüglich des Eintrittszonenelements und des Austrittszonenelements gegeneinander vertauscht sind.

10. Spektrometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Zonenelement (H) in einer Littrow-Anordnung Verwendung findet.

11. Spektrometer nach Anspruch 1 mit 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem periodisch bewegten Zonenelement an den zur Ausbreitung des Spektrums parallelen Rändern zwei schmale Randstreifen angebracht sind, so daß bei der periodischen Verschiebebewegung das Bild des Eintrittszonenelements nicht über den Rand des Austrittszonenelements zu liegen kommt.

12. Spektrometer nach Anspruch 9 mit 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Zonenelement (H) aus einer Hälfte desselben dadurch hergestellt wird, daß man die zweite Hälfte über eine Fotografie der ersten Hälfte erzeugt, die durch die Kollimatorvorrichtung oder durch die Kollimatorvorrichtung und das dispergierende System hindurch hergestellt wird.