DE2730613B2

DE2730613B2 - Doppelmonochromator

Info

Publication number: DE2730613B2
Application number: DE2730613A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Wilhelm Fritz Dipl.-Phys. Dr. 7770 Ueberlingen Witte
Original assignee: Bodenseewerk Perkin Elmer and Co GmbH
Current assignee: PE Manufacturing GmbH
Priority date: 1977-07-07
Filing date: 1977-07-07
Publication date: 1979-07-26
Also published as: FR2396962B1; DE2730613A1; GB2000603B; DE2730613C3; NL7806587A; US4371263A; GB2000603A; JPS5420749A; FR2396962A1; JPS6132606B2

Description

und

mit

b = - a

COS' (/

m λ sin ψ = — sin y

a = auf das Beugungsgitter bezogene Gegenstandsweite der Lichtquelle oder des dem Gitter als Abbildungsgegenstand angebotenen Lichtquellenbildes 4> b = auf das Beugungsgitter bezogene Bildweite des vom Gitter entworfenen Lichtquellenbildes

m = Ordnung der Beugung und λ = Wellenlänge w

ergebende Bildweite b bei Abtastung des gesamten Wellenlängenbereiches um nicht mehr als etwa s/ω ändert, wobei s die geometrische Breite des über Hohlspiegel (12) und Beugungsgitter (14) erzeugten Lichtquellenbildes und ω der öffnungswinkel des v> bildseitigen Lichtbündels ist.

5. Doppelmonochromator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang ein von dem Wellenlängenantrieb (36, 40, 44) bewegtes Filterrad (34) vorgesehen ist, ω das über einen den Stellantrieb (40) bildenden Zahnriemen mit dem Beugungsgitter (14) gekoppelt ist.

Die Erfindung betrifft einen Doppelmonochromator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei üblichen Gittermonochromatoren ist ein Eintrittsspalt in der Brennebene eines Hohlspiegels angeordnet Eine Lichtquelle wird auf den Eintrittsspalt abgebildet, und das durch den Eintrittsspalt einfallende Lichtbündel wird durch den Hohlspiegel parallel gerichtet Das parallele Lichtbündel fällt auf ein Beugungsgitter, welches durch einen Wellenlängenantrieb um eine zu dem Eintrittsspalt parallele Achse verdrehbar ist Das von dem Beugungsgitter zurückgeworfene, gebeugte Licht besteht aus parallelen Lichtbündeln der verschiedenen Wellenlängen, die unter verschiedenen, von ihrer Wellenlänge abhängigen Richtungen verlaufen. Der gleiche oder ein zweiter Hohlspiegel sammelt jedes dieser Lichtbündel in einem Bild des Eintrittsspaltes, das in der Ebene eines Austrittsspaltes erzeugt wird. In dieser Ebene entsteht somit aus den Spaltbildern ein Spektrum, aus welchem der Austrittsspalt ein enges Spektralband auswählt und durchläßt

Durch Verschwenken des Gitters kann dieses Spektrum relativ zu dem Austrittsspalt seitlich verschoben und damit ein Wellenlängenbereich abgetastet werden. Die Verschwenkung erfolgt dabei über ein Sinusgetriebe, so daß der Sinus des Schwenkwinkels dem Stellweg des Wellenlängenantriebs proportional ist, wobei dieser Wellenlängenantrieb auch den wellenlängenproportionalen Abszissenvorschub eines Schreibers bewirkt

Durch sin Beugungsgitter wird bekanntlich in eine bestimmte Richtung nicht nur die erste Ordnung der Strahlung einer zugehörigen Wellenlänge λ gebeugt, sondern ebenso die zweite Ordnung der halben Wellenlänge λ/2, die dritte Ordnung der Dritten Wellenlänge λ/3 usw. Die entsprechende Strahlung würde dann auch am Austrittsspalt überlagert austreten. Um das zu vermeiden, ist es üblich, dem Gittermonochromator Filter vorzuschalten, welche die höheren Ordnungen herausfiltern. Bei der Wellenlängenabtastung über einen größeren Wellenlängenbereich hinweg müssen dabei nacheinander mehrere Filter in den Strahlengang eingeführt werden. Diese Filter können in einem mit dem Wellenlängenantrieb gekuppelten Filterrad angeordnet sein, das in den Strahlengang ragt. Statt eines Filters oder eines Filterrades kann zur Eliminierung der höheren Ordnungen auch ein Prismenmonochromator vorgesehen sein, der von dem Wellenlängenantrieb synchron mit dem Gittermonochromator angetrieben wird und nur ein Spektralband zu dem Eintrittsspalt des Gittermonochromators durchläßt, welches etwa gleich dem oder größer als das vom Gittermonochromator durchgelassene Spektralband ist. Solche Prismenmonochromatoren sind relativ aufwendig. Sie bedingen ein in dem jeweiligen Wellenlängenbereich strahlungsdurchlässiges und dispergierendes Prisma, was in vielen Fällen die Verwendung hygroskopischer Substanzen und u. U. einen Wechsel des Prismas während der Abtastung des Wellenlängenbereiches bedingt. Die Verstellung der Prismen muß nach empirisch ermittelten Funktionen der Wellenlänge erfolgen, was ebenfalls einigen Aufwand erfordert.

Ein weiteres Problem, das bei Monochromatoren auftritt, ist das Streulicht. Auf den Eintrittsspalt fällt bei einem einfachen Monochromator Licht verschiedener Wellenlängen, beispielsweise ein Kontinuum. Dieses Licht läuft nicht nur längs des idealen, theoretischen Strahlenganges durch das Gerät, wobei nur ein definiertes Spektralband durch den Austrittsspalt gelangen würde. Vielmehr gelangt auch ein gewisser Anteil des durch den Eintrittsspalt eingetretenen Lichts

durch Streuung oddgL auf anderen Wegen zum Austrittsspalt, so daß am Austrittsspalt außer dem gewünschten Spektralband auch ein Anteil anderer, unerwünschter Wellenlängen erscheint Dieser Anteil kann möglicherweise zwar klein sein. Durch ungünstige s EmpFmdlichkeitscharakteristiken mancher- photoelektrischer Empfänger, die am Rande des abgetasteten Wellenlängenbereichs eine steil abfallende Flanke haben, kann dadurch jedoch das Verhältnis von Strörsignal zu Nutzsignal in untragbarer Weise verschlechtert werden.

Es sind daher Doppelmonochromatoren bekannt (B r ü g e 1 »Einführung in die Ultrarotspektroskopie« 3. Aufl. [1962] S. 131), bestehend aus einem als Gittermonochromator ausgebildeten Vormonochromator und einem ebenfalls als Gittermonochromator ausgebildeten Hauptmonochromator. Vormonochromator und Hauptmonochromator sind dabei im wesentlichen übereinstimmend ausgebildet Der Aus'nttsspalt des Vormonochromators bildet gleichzeitig den Eintrittsspalt des Hauptmonochromators. Die Beugungsgitter beider Monochromatoren Hegen im parallelen Strahlengang und werden von dem Wellenlängenantrieb synchron über je ein Sinusgetriebe angetrieben. Eine Lichtquelle wird, wie bei üblichen Monochromatoren, über einen Hohlspiegel auf den Eintrittsspalt des Vormonochromators abgebildet In diesem Strahlengang sitzt auch eine Filteranordnung zum Herausfiltern störender Ordnungen. Bei solchen Doppelmonochromatoren tritt aus dem Vormonochromator bereits im wesentlichen nur Strahlung aus einem engen Spekiralband in den Hauptmonochromator. Eine Streuung im Hauptmonochromator erfolgt daher im wesentlichen nur von Strahlung, die sowieso in dem gewünschten Spektralband liegt, so daß durch eine solche Streuung r> keine unerwünschten Wellenlängen auf den Austrittsspalt des Hauptmonochromators gelangen können. Bekannte Doppelmonochromatoren haben relativ große Abmessungen und sind aufwendig und teuer.

Es ist auch bekannt, zwei Gittermonochromatoren zur Unterdrückung höherer Ordnungen hintereinanderzuschalten, wobei der eine Gittermonochromator in einer von dem anderen verschiedenen Ordnung arbeitet. Dabei wird die durch die höhere Ordnung bedingte hohe Auflösung des einen Monochromators v> kombiniert mit dem großen freien Spektralbereich des anderen (James und Sternberg »The Design of Optical Spektrometer«., Verlag Chapman and Hall Ltd. London [1969], Seite 59).

Bei dieser bekannten Anordnung handelt es sich um das schon oben erörterte Problem der Unterdrückung höherer Ordnungen. Es wird dabei besondere Sorgfalt auf die optische Anpassung der beiden Monochromatoren verwandt, wodurch auch eine solche Anordnung relativ aufwendig wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Doppelmonochromator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 eine Vereinfachung des Aufbaus und der Einstellung des Vormonochromators sowie eine raumsparende Anordnung zu erreichen, wobei jedoch ω> trotzdem nahezu die gleiche Streulichtunterdrückung erfolgt wie bei vorbekannten, wesentlich aufwendigeren Geräten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Maßnahme h^r> gelöst.

Die Wahl der spektralen Bandbreite bringt für sich schon eine Vereinfachung und/oder Verkleinerung des Vormonochromators, beispielsweise dadurch, daß für den Vormonochromator ein verglichen mit dem Hauptmonochromator relativ grobes Beugungsgitter benutzt werden kann, dessen Gitterkonstante etwa um einen Faktor 10 größer als die des Beugungsgitters des Hauptmonochromators ist Es können auch die Objekt- und Bildweiten, d. h. die Abstände zwischen Lichtquelle oder Lichtquellenbild und Gitter bzw. zwischen Gitter und Eintrittsspalt des Hauptmonochromators klein im Vergleich zu vorbekannten Geräten gewählt werden, was ebenfalls wie die Vergrößerung der Gitterkonstanten zu einer Verbreiterung der spektralen Bandbreite des Vormonochromators führt und zusätzlich dessen Abmessungen verringert Durch die Wahl der großen Bandbreite wird es möglich, das Beugungsgitter über eioen im wesentlichen linearen Stelltrieb zu verstellen, da die genaue Synchronisation der Gitterschwenkwinkel von Vor- und Hauptmonochromator weniger kritisch ist als bei den vorbekannten Geräten. Außerdem ist dem abgetasteten Wellenlängenbereich bei dem gedrängteren Spektrum des Vormonochromators im wesentlichen ein Bereich von Gitterschwenkwinkeln zugeordnet in welchem die Sinusfunktion recht gut durch eine lineare Funktion angenähert werden kann. Es ergibt sich auf diese Weise ein Doppelmonochromator, der nicht größer und nicht wesentlich aufwendiger ist als ein einfacher Gittermonochromator. Es hat sich aber gezeigt, daß ein solcher vereinfachter Doppelmonochromator hinsichtlich Auflösung und Unterdrückung von Streustrahlung vorbekannten, wesentlich aufwendigeren Geräten nicht wesentlich nachsteht

Die vorerwähnte Literaturstelle James und Sternberg enthält keine Hinweise darauf, einen linearen Gitterantrieb vorzusehen. Sie verweist vielmehr ausdrücklich auf die Notwendigkeit einer genauen optischen Anpassung der Monochromatoren. Es wird daher durch diese Literaturstelle keine Anregung dazu vermittelt, einen linearen Stelltrieb für den Vorzerleger vorzusehen, und es wird nicht die Erkenntnis vermittelt, daß eine große Bandbreite des Vorzerlegers in Verbindung mit einem solchen linearen Stelltrieb für dessen Gitter einen Monochromator von im wesentlichen der gleichen Leistungsfähigkeit wie bei herkömmlicher Bauart ergäbe.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Doppelmonochromator,

F i g. 2 zeigt einen Strahlengang zur Erläuterung eines Aspekts der Erfindung.

In Fig. 1 ist mit 10 eine Lichtquelle bezeichnet, die durch einen sphärischen Hohlspiegel 12 über ein Beugungsgitter 14 auf den Eintrittsspalt 16 eines Hauptmonochromators 18 abgebildet wird. Der Hauptmonochromator 18 enthält einen Kollimatorspiegel 20, in dessen Brennebene der Eintrittsspalt 16 liegt. Der Kollimatorspiegel 20 erzeugt ein einfallendes Parallellichtbündel 22, das auf ein Beugungsgitter 24 fällt. Das Beugungsgitter 24 wirft für jede Wellenlänge ein gebeugtes Parallellichtbündel 26 zurück. Normalerweise würde von dem Beugungsgitter ein Kontinuum von gebeugten Parallellichtbündeln in verschiedene von der jeweiligen Wellenlänge abhängige Richtungen zurückgeworfen. Durch den Vormonochromator, der generell

mit 28 bezeichnet ist, wird aus diesem Kontinuum jedoch schon ein relativ schmales Spektralband ausgesondert. Die gebeugten Parallellichtbündel fallen wieder auf den Kollimatorspiegel 20, und dieser erzeugt aus den Parallelüchtbündeln 26 über einen Planspiegel 30 ein aus Bildern des Eintrittsspaltes 16 bestehendes Spektrum in der Ebene eines Austrittsspaltes 32.

In den divergenten Strahlengang des Vormonochromators 28 zwischen Lichtquelle 10 und Hohlspiegel 12 taucht ein Filterrad 34 ein. Dieses Filterrad 34 ist mit einem Wellenlängenantrieb 36 gekuppelt. Mit dem Filterrad 34 ist wiederum das um eine Achse 38 verschwenkbare Beugungsgitter 14 über einen in der Figur durch eine gestrichelte Linie angedeuteten linearen Steütrieb 40 in Form eines Zahnriemens gekuppelt. Mit dem Wellenlängenantrieb 36 ist weiterhin das Beugungsgitter 24 des Hauptmonochromotors 18, das um eine Achse 42 verschwenkbar ist, über einen Sinustrieb 44 gekuppelt, so daß der Sinus des Schwenkwinkels proportional der vom Wellenlängenantrieb 36 vorgegebenen Wellenlänge wird. Ein solcher Sinustrieb, der an sich bekannt ist, kann eine nach Maßgabe der Wellenlänge verdrehbare Spindel enthalten, auf der eine geradgeführte Mutter sitzt. Ein mit dem Beugungsgitter 24 verbundener Hebel liegt kraftschlüssig an einer Planfläche der Mutter an.

Das Beugungsgitter 14 des Vormonochromators 28 hat einen Gitterabstand g von 1/144 Millimeter, während das Beugungsgitter 24 des Hauptmonochromators 18 einen Gitterabstand von 1/1440 Millimetern besitzt.

Das Beugungsgitter 14 besitzt unter den gegebenen Umständen, wie schon erwähnt, Abbildungseigenschaften. Bezeichnet man mit:

a die Gegenstandsweite der Lichtquelle, d. h. den Abstand Lichtquelle-Beugungsgitter, wobei a bei Anordnung des Beugungsgitters im konvergenten Strahlengang negativ und dem Betrag nach gleich dem Abstand zwischen Beugungsgitter und dem virtuellen Lichtquellenbild im einfallenden Bündel hinter dem Beugungsgitter ist,

b die Bildweite, d. h.den Abstand Beugungsgitter-Lichtquellenbild, wobei b bei Anordnung des Beugungsgitters im divergenten Strahlengang negativ und dem Betrag nach gleich dem Abstand zwischen dem Beugungsgitter und dem rückwärtigen virtuellen Lichtquellenbild im ausfallenden Bündel hinter dem Beugungsgitter ist,

φ den Einfallswinkel der Bündelachse zur Gitternormalen,

φ den Ausfallwinkel der Bündelachse,
β den Winkel zwischen einfallendem und ausfallendem Strahl,

« den Gitterschwenkwinkel und
/ die formale Brennweite des als Plangitter ausgebildeten Beugungsgitters,
dann ergibt sich:

S= -α

COS²I/

cos² ψ

COS² ψ

-b j-

COS^Z (/

COS² (/

COS² ψ

bei β = 20° und φ<φ folgende Abbildungsverhältnisse pa\:

Tabelle 1
r, Abbildungsverhältnisselö/al

Unter Berücksichtigung der vorgenannten Gleichungen ergeben sich für die verschiedenen Wellenlängen λ und Beugungsgitier mit g = 1/144 mm bzw. 1/1440 mm

A[nm\|	g = 1/1440 mm	g= 1/144 mm
200	1,110	1,010
400	1,241	1,021
600	1,412	1,031
800	1,668	1,042

Bei einem feinen Beugungsgitter, wie es für den Hauptmonochromator 18 verwendet wird, ändert sich das Abbildungsverhältnis im Spektralbereich von 200 Nanometer bis 800 Nanometer (nm) um 50%, also bei einem Abstand von 100 Millimeter um 50 Millimeter. Dr mit wäre eine Abbildung der Lichtquelle auf dem Eintrittsspalt des Hauptmonochromators über den gesamten Wellenlängenbereich hinweg nicht mehr gewährleistet. Bei einem groben Beugungsgitter, wie es tatsächlich als Beugungsgitter 14 für den Vormonochro-

2^r> mator 28 vorgesehen ist, tritt nur eine Änderung des Abbildungsverhältnisses um etwa 3% ein, im obigen Beispiel also um 3 Millimeter.

Der absolute Betrag der axialen Bildverschiebung läßt sich auch dadurch verringern, daß man die

jo Gegenstandsweite a und damit auch die Bildweite b verkleinert. Es ist also hinsichtlich der axialen Verschiebung nicht unbedingt erforderlich, das Gitter sehr grob zu gestalten. Selbst ein dem Hauptgitter gleiches Gitter wäre grundsätzlich nicht ausgeschlossen.

r> Vorzugsweise wird man aber beide Maßnahmen geeignet kombinieren, also ein gröberes Gitter verwenden und kleine Abstände a und b wählen.

In F^: g. 2· ist die Erzeugung eines Lichtquellenbildes der Breite s durch ein Lichtbündel mit einer Pupille der Breite B veranschaulicht. Das Lichtquellenbild liegt im Abstand b von der Pupille, d. h. dem Beugungsgitter 14. Rechts und links von dem Lichtquellenbild s, d. h. axial vor und hinter diesem, erkennt man zwei schraffiert dargestellte Gebiete der Tiefen x\ und x₂ die von allen

4^r> Punkten der Pupille her ausgeleuchtet werden und innerhalb derer praktisch die volle Bestrahlungsstärke wie im Lichtquellenbild s selbst herrscht Außerhalb dieser »Kernlichtgebiete« sinkt die Bestrahlungsstärke zum Bündelrand hin bis auf Null ab. Die Bildweite b

so sollte sich bei der Abtastung des Wellenlängenbereiches nur so weit ändern, daß der Eintrittsspalt 16 stets immer noch in diesen Kernlichtgebieten liegt.
Für die Tiefen x\ und X2 ergibt sich quantitativ

B + s

sb

B - s '

eo Für die Tiefe x\ +X₂ des gesamten Kernlichtgebietes kann man näherungsweise schreiben

X₂ =

b5 Der öffnungswinkel >·ι des Bündels ist

2h

Damit ergibt sich

x, + X₂ =

(7)

Die Änderung der Bildweite b während der Wellenlängenabtastung sollte kleiner als dieser Wert sein, was nach Tabelle 2 für ein grobes Beugungsgitter erfüllbar ist.

Die vorstehenden Gleichungen (1) und (2) und Tabelle 1 beziehen sich auf Abbildungsverhältnisse, die sich aus achsnahen Strahlen ergeben. Für achsferne Strahlen, die mit der Bündelachse einen endlichen Winkel Δψ im einfallenden und Δ·ψ im ausfallenden Bündel einschließen, ergibt sich

b cos ψ ϊ γ

(8)

Der Zusammenhang zwischen Δψ und Διρ ergibt sich aus

tn ■ /.

sin (y + 1 ψ) =

- sin (ν + I./), (9)

wobei λ die Wellenlänge und m die Gitterordnung bezeichnet. Für β = 20° und die Randstrahlen mit Δφ = -5° und Δψ = +5° sowie die Bündelachse Δφ = 0 ergeben sich die folgenden Abbildungsverhältnisse bei den beiden Beugungsgittern mit g = 1/ 1440 mm und ^ = 1/144 mm:

Tabelle 2

Abbildungsverhältnisse | b/a\ bei endlicher Bündelöffnung und g — 1/1440 mm

A φ = -5°

20

25

30

35

1,095	1,110	1,125
1,208	1,241	1,276
1,354	1,412	1,474
1,569	1,668	1,774

Tabelle 3

Abbildungsverhältnisse |b/a\ bei endlicher Bündelöffnung und g = 1/144 inrn

A[nm]	A₉-S"	A₉-O	A^₊S"
200	1,009	1,010	1,012
400	1,018	1,021	1,024
600	1,027	1,031	1,036
800	1,037	1,042	1,048

50 dx

-τ COS ψ

(H)

wobei χ Wegstrecke in der Ebene des Eintrittsspaltes 16 ^r> senkrecht zu der Spaltrichtung bedeutet. Es ergeben sich etwas unterschiedliche Zahlenwerte je nachdem, ob ψ<φ oder ψ><ρ ist. Für das grobe Beugungsgitter mit g= 1/144 mm und)? = 20° ergibt sich:

ίο Tabelle Winkeldispersion άλ/άψ [nm/rad]

^[nm]	6942	ψ>φ
200	6893	6589
400	6675	6187
600	6252	5617
800	4842

Der Fall φ<φ ergibt eine bessere Konstanz der Dispersion über den ganzen Spektralbereich. Für b = 100 mm liefert ein Lichtquellenbild von 1 mm Breite eine spektrale Bandbreite zwischen 69 nm und 63 nm.

Der Drehwinkel χ des Beugungsgitters 14 ist bei dem groben Beugungsgitter mit g = 1/144 mm nur klein. Er ändert sich für Wellenlängen zwischen 200 nm und 800 nm zwischen 0,9° und 3,4°. Es muß dafür gesorgt werden, daß das relativ scharfe Maximum der Wirkungsgrad-Kurve (»Efficiency-Kurve«) des Beugungsgitters 14 in diesem Bereich liegt.

Für den Hauptmonochromator 18 gilt hinsichtlich des Schwenkwinkels des Beugungsgitters 24:

sin λ =

m ■ /.

40 2g COSy

(12)

Das Beugungsgitter 14 wird dagegen linear mit der von dem Wellenlängenantrieb 36 vorgegebenen Wellenlänge λ verschwenkt. Es ist also

= C + D

(13)

55

Die Randstrahlen haben im Vergleich zu den Wellenlängen einen verhältnismäßig geringen Einfluß auf die Abbildungsverhältnisse- Bei dem hier besonders günstigen groben Beugungsgitter liegt die Abweichung bei 800 nm um 1%, bei 200 nm sogar um 03%. Diese »Abbildungsfehler« sind daher zu vernachlässigen.

Für die Winkeldispersion des Vormonochromators 28 gilt:

-^- = —cosy. (10) _fc_

d ψ τη fc-*

und für die Lineardispersion bei einem Abbildungsverhältnis 1 :1 durch den Hohlspiegel 12:

Infolgedessen liefert der Vormonochromator 28 eine von λ etwas abweichende Wellenlänge λ' als Schwerpunkt seines Spektralbands, wobei aber λ stets innerhalb dieses Spektralbandes mit der oben angegebenen Bandbreite liegt. Wählt man C und D so, daß an den Enden des Weiieniängenbcreiches λ = λ' wird, dann erhält man für/ϊ = 20°:

Tabelle 5
Wellenlängenabweichung A'-A[nm]

A[nm]

Λ'-Λ[ηηι]

200
300
400
500
600
700
800

0,00
0,05
0,09
0,14
0,13
0,09
0,00

Diese Wellenlängenabweichung läßt sich noch halbieren, wenn man C und D so wählt, daß sich an den Enden des Spektralbereiches jeweils eine geringe negative Abweichung zeigt.

Die obigen Betrachtungen und Berechnungen zur Wellenlängenabweichung λ' - λ und zur axialen Bildverschiebung innerhalb des Kernlichtgebiets bleiben auch dann unverändert gültig, wenn das Gitter im divergenten Strahlengang angeordnet ist und also die errechneten Abweichungen und Verschiebungen zunächst im virtuellen Bild entstehen. Die reelle Abbildung auf den Haupteintrittsspalt durch den Spiegel 12 ändert nichts an den Ergebnissen (soweit die axiale Verschiebung dadurch verändert wird, verändert sich auch im gleichen Verhältnis die Länge des Kernlichtgebiets). Im Gegensatz zur Fig. 1 sitzt dabei das Gitter 14 nicht zwischen Spiegel 12 und Spalt 16, sondern zwischen Lichtquellenbild 10 und Spiegel 12. Auch die spektrale Bandbreite bleibt unverändert. Lediglich die Lineardispersion in der Ebene des Haupteintrittsspalts und damit auch die geometrische Breite des Lichtquellenbildes in dieser Ebene werden vom Abbildungsverhältnis des Spiegels 12 beeinflußt, wobei dieses Abbildungsverhältnis nicht mit dem Abbildungsverhältnis ^b/a des Gitters verwechselt werden darf. Dieses geometrische Lichtquellenbild muß möglichst breiter sein als der Haupteintrittsspalt, weil sonst der Haupteintrittsspalt selbst dann nicht immer voll ausgeleuchtet wird, wenn die Wellenlängenabweichung λ'—λ stets innerhalb der spektralen Bandbreite des Vormonochromators liegt. Diese Vor- jo aussetzung ist im allgemeinen schon bei einer 1 :1-Abbildung erfüllt.

Aus den vorstehenden Berechnungen ergibt sich:

1. Bei Verwendung eines relativ grob gerasterten Beugungsgitters 14 hält sich die wellenlängenabhängige Änderung der Bildweite selbst bei konvergentem Strahlengang am Beugungsgitter in tragbaren Grenzen. Der Eintrittsspalt 16 wird stets voll ausgeleuchtet.

2. Die »Abbildungsfehler«, die durch den endlichen öffnungswinkel des Bündels hervorgerufen werden, sind vernachlässigbar.

3. Die spektrale Bandbreite des Vormonochromators ist wesentlich größer, zwischen 69 nm und 63 nm, als die spektrale Bandbreite des Hauptmonochromators.

4. Die wellenlängenproportionale Verschwenkung des Beugungsgitters 14 führt nur zu solchen Abweichungen der Wellenlänge λ' von der sich aus der Sinusverschwenkung des Beugungsgitters 24 ergebenden Wellenlänge λ, daß K auf jeden Fall innerhalb der spektralen Bandbreite des Vormonochromators 28 liegt.

5. Der beschriebene Doppelmonochromator ist wesentlich einfacher und kleiner als übliche Doppelmonochromatoren nach dem Stand der Technik. Er steht diesen in seiner Leistungsfähigkeit jedoch kaum nach.

Bei der beschriebenen Lösung ergeben sich Vereinfachungen verschiedener Art, die sich gegenseitig bedingen und möglich machen: Die vergrößerte Bandbreite des vereinfachten Vormonochromators ermöglicht die lineare Gitterverstellung und damit eine weitere Vereinfachung. Die vergrößerte Bandbreite des Vormonochromators gestattet weiterhin die Verwendung eines gröberen Beugungsgitters, und dieses gröbere Beugungsgitter kann wiederum in einem konvergenten oder divergenten Strahlengang angeordnet werden, ohne daß die wellenlängenabhängige Veränderung der »Schärfenebene« der über das Gitter im konvergenten oder divergenten Strahlengang erfolgenden Abbildung kritisch wird. Die vergrößerte Bandbreite des Vormonochromators bringt somit einerseits eine gewisse Unempfindlichkeit hinsichtlich der seitlichen Lage des vom Vormonochromator erzeugten Spektrums zum Eintrittsspalt und andererseits wird die Verlagerung des erzeugten Spektrums in Bündelrichtung unkritisch gehalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Doppelmonochromator zur Monochromatisierung der Strahlung einer Lichtquelle, mit

a) einem Hauptmonochromator,

b) einem Vormonochromator, der einen Hohlspiegel und ein ebenes Beugungsgitter sowie eine wesentlich größere spektrale Bandbreite besitzt als der Hauptmonochromator, und

c) einem Wellenlängenantrieb zur synchronen Durchstimmung der beiden Monochromatoren,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) der Wellenlängenantrieb (36, 40, 44) einen Stellantrieb (40) aufweist, der eine lineare Verdrehung des Beugungsgitters (14) des Vormonochromators (28) mit der Wellenlänge bewirkt

2. Doppelmonochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlspiegel (12) im Strahlengang vor dem Beugungsgitter (14) derart angeordnet ist, daß er das Beugungsgitter mit einem konvergenten Lichtbündel beaufschlagt.

3. Doppelmonochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (14) im Strahlengang vor dem Hohlspiegel (12) angeordnet ist und den Hohlspiegel (12) mit einem divergenten Lichtbündel beaufschlagt.

4. Doppelmonochromator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Gitterkonstante g m und die Winkel φ und φ zwischen der Gitternormalen und Einfalls- bzw. Ausfallsrichtung der Bündelachse so gewählt sind, daß sich die aus