DE931197C

DE931197C - Refraktometer

Info

Publication number: DE931197C
Application number: DEI4703A
Authority: DE
Inventors: Erik Ingelstam
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1950-11-07
Filing date: 1951-10-09
Publication date: 1955-08-04
Also published as: GB705760A; US2712265A; FR1043806A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Refraktometer zur Bestimmung des Brechungskoeffizienten eines flüssigen oder gasförmigen Mittels in bezug auf ein Vergleichsmittel mit bekanntem Brechungskoeffizienten durch Vergleich der Lichtintensitäten eines von den durch die verschiedenen Mittel gehenden Lichtstrahlen entworfenen Bildes.

Zweck der Erfindung ist, ein Refraktometer zu schaffen, das erlaubt, Brechungskoeffizienten mit ίο einer bis jetzt nicht erreichten Genauigkeit zu messen.

Gemäß der Erfindung sind in einem von einem geradlinig begrenzten Spalt ausgehenden monochromatischen Lichtbündel hintereinander ein durchsichtiger Behälter zur Aufnahme des zu untersuchenden Mittels und eines Vergleichsmittels, deren Schichtgrenzen dem Spalt parallel sind, ein optisches Abbildungssystem zur Erzeugung eines Bildes des Spaltes, ein Phasenkontrastelement mit einer mittleren parallel zum Spalt verlaufenden Zone, auf das das Spaltbild entworfen wird, und ein optisches Abbildungssystem zuir Projektion des Phasenkontrastbildes auf ein Bildauffangmittel angeordnet, so daß die Lichtintensitäten der verschiedenen Teile dieses Phasenkontrastbildes zur Bestimmung der Brechungskoeffizienten gemessen werden können.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erörtert, die eine Ausführungsform der Erfindung schematisch darstellt.

In der Zeichnung ist L eine Lampe, die monochromatisches Licht durch einen Spalt ^ einem Behälter K zuführt, welcher, übereinander und parallel zum Spalt S geschichtet, dais Mittel, dessen

Brechung festzustellen ist, und ein Vergleichsmittel mit bekannter Brechung enthält. Vorteilhaft werden zwei gegenüberliegende Wandungen" des Behälters K aus zwei plankonvexen Linsen 0 gebildet, deren innere ebene Flächen die gegenüberliegenden parallelen inneren Wände des Behälters K bilden. Obgleich ein derartig ausgebildeter Behälter vorzuziehen ist, kann man auch einen bloßen Behälter und ein von diesem gesondertes ίο Linsensystem O verwenden zur Abbildung des Spaltes 6¹ auf ein Phasenverschiebungselement F. F ist ein Phasenverschiebungselement mit einer mittleren schmalen Zone, die dem Bild des Spaltes S und damit dem Beugungsbild des ganzen Behälters K größenmäßig entspricht. ....

•Hinsichtlich der Lichtbeugung durch die Küvette K wird folgendes bemerkt: Die Licht-Amplituden-Verteilung in der gegen die optische Achse senkrechten Ebene, die durch die Mitte des Phasen-Verschiebungselementes F geht, entspricht der Beugungsfigur der optischen Öffnung der Küvette K oder, allgemeiner atuisgedrückit, dem Wellenbild nach dem Durchgang durch die Küvette K. Man kann diese Ebene als (Frauenhofersche) Beugungsebene bezeichnen.

Vorteilhaft besteht das Element F aus einer sahrag gestellten Platte, von· der das auf sie durch das obengenannte Linsensystem O entworfene Beugungsbild reflektiert wird. Aber die Erfindung ist nicht auf die Verwendung einer derartigen Sonderkonstruktion des Phasenverschiebungselementes beschränkt. Nach Durchgang durch das Phasenverschiebungselement F bzw. nach Reflexion an demselben wird das Licht durch ein nachgeschaltetes Linsensystem L gesammelt, wodurch ein Phasenkontrastbild des Behälters K in der Ebene B erhalten wird. Ein physikalischer Empfänger befindet sich in dieser Bildebene oder wird dieser Ebene entlang bewegt und" kann aus einer photographischen Platte oder einer Photomultiplikatorzelle C, wie in der Zeichnung dargestellt, bestehen, welche Zelle senkrecht zu dem Lichteintrittsspalt 6* bewegt wird und mit einem Aufzeichner R verbunden ist.

Das Mittel (Mittel 1), dessen Brechung im Vergleich zu einem zweiten Mittel bekannter Brechung (Mittel 2) zu untersuchen ist, wird annähernd in der halben Höhe des Behälters K zwischen eine untere und eine obere Schicht des Mittels 2 eingebracht. Eine geringe Menge des Mittels 1 ist hinreichend, die eine Schichthöhe von ζ. Β. ι mm aufweist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Beschreibung, bei dem das Mittel 1 innerhalb dünner Wände ungefähr in der Mitte der Küvette eingeschlossen ist und die übrigen Teile der Küvettenöffnung vom Mittel 2 ausgefüllt sind, ist diese Beugungsfigur aus den Dimensionen und Phasen des Wellenbildes berechenbar. Wesentlich für die Meßanordnung ist, daß die Baugungsfigur der ganzen Küvette schmal ist, so daß sie hauptsächlich in die mittlere Zone des Phasenverschiebungselementes fällt und das Spaltbild, obwohl es schmal ist, vom geometrisch-optischen Gesichtspunkt aus die Struktur der Beugungsfigur der rechteckigen öffnung der ganzen Küvette hat.

Die Grenzflächen der Mittel 1 und 2 müssen also gewisse Forderungen betreffend Schärfe erfüllen, und aus diesem Grunde kann der Behälter K in Übereinstimmung mit auf den Gebieten der Elektrophorese oder Diffusionsmessungen bekannten Prinzipien ausgebildet werden. Gegebenenfalls können die beiden Mittel mit Hilfe von dünnen Platten voneinander getrennt werden, die von außen eingestellt werden können.

. In dem Fall, bei dem ein oder mehrere Gradienten in der Flüssigkeit vorhanden sind, hat man gemäß der geometrisch-optischen Bezeichnung eine Lichtablenkung. Gemäß der Wellenbehandlung des ganzen Problems bedeutet diese Ablenkung eine Veränderung der Beugungsfigur, durch die hauptsächlich bewirkt wird, daß ein Teil des Lichts aus dem mittleren Bereich in die Randzonen abgelenkt wird. Demzufolge werden bei der nachfolgenden Abbildung hinter dem Phasenverschiebungselement F durch das optische System L auch diese Gradienten quiantiitaitiv ims Intensiütätsmaß übersetzt. Dies setzt allerdings voraus, daß die Gradientenzonen nicht zu breit sein dürfen. Die ganzen Verhältnisse werden am besten klar, wenn man die Beugungsfiguren als Fourierspektren des Wellenbildes betrachtet.

Auf dem Phasenkontrastbild in der Ebene B zeichnet sich das Mittel 1 gegen das Mittel 2 scharf ab, und zwar infolge der verschiedenen gg Lichtstärken, die sodann auf verschiedene Art gemessen werden können.

Mit Hilfe eines derartig ausgebildeten Refraktometers ist es möglich, den Unterschied zwischen Brechungskoeffizienten und gegebenenfalls auch den Gradienten der Brechungskoeffizienten genauer als mit Hilfe von allen bis jetzt bekannten Methoden, einschließlich der interferometrischen Methoden, zu messen. Ferner ist es möglich, die Empfindlichkeitsbereiche zu. ändern, und zwar zwecks Messungen größerer Differenzen.

Zur wertmäßigen Bestimmung der Lichtstärken kann eine Vergleichseinrichtung T in der Nähe des Behälters K angebracht werden, welche Einrichtung entsprechende Stufen aufweist, von denen iede U₀ eine im voraus bestimmte Lichtstärke in der Bildebene B erzeugt, mit der die Lichtstärke des Bildes des Mittels 1 verglichen wird. Je nach der Konstruktion der Vergleichseinrichtung Γ kann letztere mit oder ohne Phasenkontrast arbeiten.

Falls polarisiertes Licht verwendet wird, in welchem Fall das Phasenverschiebungselement F vorteilhaft aus einer Platte aus Glas besteht, die unter dem Brewsterschen Winkel reflektiert und besonders ausgebildet ist, z.B. nach Franqon-Normars ki, beschrieben in der französischen Zeitschrift »Comptes rendus«, 1950, Band 230, Heft 15, S. 1392 bis 1394, weist das optische System eine Polarisationsplatte P und vorteilhaft eine weitere ähnliche Polarisationsplatte A auf, die als Analysator arbeitet, so daß die Empfind-

lichkeit des Systems kontinuierlich geändert werden und die Änderung, falls erwünscht, für Meßzwecke verwertet werden kann.

Die angegebenen Polarisationsplatten P und A oder eine andere äquivalente Einrichtung zur Herabsetzung der Lichtstärke können nach einer Ausführungsform der Erfindung für. Messung der Lichtstärken der Mittel ι und 2 oder des Mittels 1 und der Vergleichseinrichtung T im Phasenkontrastbild B unmittelbar mit Hilfe des Auges benutzt werden. Der physikalische Empfänger umfaßt dann diese Lichtstärkeverminderungseinrichtung, die für Meßzwecke die beiden Lichtstärken im Phasenkontrastbild derart einzustellen erlaubt, daß sie dem Auge gleich erscheinen.

Sonderanwendungen des vorliegenden Phasenkontrastrefraktometers sind z. B. Untersuchung von Diffusions- und· anderen Erscheinungen in Grenzschichten, vor allem aber Messungen von relativen Brechungskoeffizienten mit äußerst hoher Genauigkeit, besonders zur Bestimmung der Konzentration von Mischungen aus H₂O und D₂O. Als großer Vorteil ergibt sich dann die verhältnismäßig kleine Menge des Mittels 1, die für die Untersuchung erforderlich ißt.

Claims

Patentansprüche:

i. Refraktometer zur Bestimmung des Brechungskoeffizienten eines flüssigen oder gasförmigen Mittels in bezug auf ein Vergleichsmittel mit bekanntem Brechungskoeffizienten durch Vergleich der Lichtintensitäten eines von den durch die verschiedenen Mittel gehenden Lichtstrahlen entworfenen Bildes, dadurch gekennzeichnet, daß in einem von einem geradlinig begrenzten Spalt (S) ausgehenden monochromatischen Lichtbündel hintereinander ein durchsichtiger Behälter (K) zur Aufnahme des zu untersuchenden Mittels und eines Verglei.cbsmittels, deren Schichtgrenzen dem Spalt (S) parallel sind, ein optisches Abbildungssystem (O) zur Erzeugung eines Bildes des Spaltes (S), ein Phasenkontrastelement (F) mit einer mittleren parallel zum Spalt (S) verlaufenden Zone, auf das das Spaltbild entworfen wird, und ein optisches Abbildungssystem (L) zur Projektion des Phasenkontrastbildes auf ein Bildauffangmittel (B) angeordnet sind, so daß die Licht-Intensitäten der verschiedenen Teile dieses Phasenkontrastbildes zur Bestimmung der Brechungskoeffizienten gemessen werden können.
2. Refraktometer nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß es mit polarisiertem Licht arbeitet.
3. Refraktometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Phasenkontrastelement (F) aus einer reflektierenden Platte besteht.
4. Refraktometer nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das den Spalt (S) auf das Phasenkontraetelement (F) abbildende optische System (O) aus zwei Linsen besteht, welche gleichzeitig zwei gegenüberliegende Wandungen des Behälters (K) bilden.
5. Refraktometer nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine in den Strahlengang einschaltbare Vergleichseinrichtung (T) mit Stufen von verschiedener Lichtdurchlässigkeit, deren Begrenzungslinien denen des Spaltes (S) im wesentlichen parallel sind, wobei jede Stufe eine berechenbare Lichtstärke in der Bildebene (B) erzeugt.
6. Refraktometer nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel zur quantitativen Verminderung der Lichtstärke in dem zu dem zu untersuchenden Mittel gehörigen Bildbereich, so daß die Bildbereiche beider Mittel auf gleiche Helligkeit gebracht werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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