DE2126509A1

DE2126509A1 - Device for separating and combining rays with two-beam photometers

Info

Publication number: DE2126509A1
Application number: DE19712126509
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Phys.; Riegler Heinz Dipl.-Ing.; Winter Ernst Dipl.-Phys.; χ 6900 Jena Krauß
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1970-09-29
Filing date: 1971-05-28
Publication date: 1972-03-30
Also published as: FR2108048B1; FR2108048A1

Description

Den 3. 6. 1970June 3, 1970

Vorrichtung zur Strahlentrennung und Strahlenvereinigung bei Zweistrahlfotometern Device for separating and combining rays with two-beam photometers

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Strahlentrennung und Strahlenvereinigung bei Zweistrahlfotometern mit wahlweiser Kompensation der Probeneigenstrahlung·The invention relates to a device for separating and combining beams in two-beam photometers optional compensation of the sample's own radiation

In vielen Fällen werden mit IR-Spektralfotometern Untersuchungen durchgeführt, bei denen die Temperatur der zu untersuchenden Probe im Meßstrahlengang von der Temperatur im Vergleichsstrahlengang abweicht. Dadurch können bei Absorptionsmessungen im langwelligen Infrarot Verfälschungen der Meßergebnisse auftreten, die sich um so stärker bemerkbar machen, je höher die Temperatur oder die Absorption der Probe ist.In many cases, IR spectrophotometers are used for examinations carried out at which the temperature of the sample to be examined in the measuring beam path from the temperature in the comparison beam path deviates. This can lead to falsification of the measurement results during absorption measurements in the long-wave infrared occur, which become more noticeable the higher the temperature or the absorption of the sample.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Strahlentrennung und -vereinigung bei Zweistrahlfotometern bekannt geworden, die eine wahlweise Kompensation der von der Probe emittierten Eigenstrahlung gestattet. Hierbei wird das von einer Lichtquelle ausgehende Licht von einem halbkreisförmigen Drehspiegel in zwei Teillichtbündel aufgespalten. Die beiden Teilbündel gelangen über je einen starren Umlenkspiegel in den Meß- bzw. Vergleichsraum und werden danach über jeweils einen weiteren starren Spiegel auf einen zweiten halbkreisförmigen Drehspiegel umgelenkt und dort vereinigt. Di« beiden Drehspiegel besitzen die gleiche Umlauffrequenz·There is already a device for separating and combining beams in two-beam photometers has become known that one Optional compensation of the natural radiation emitted by the sample is permitted. This is done by a light source Light from a semicircular rotating mirror in two partial light bundles split up. The two sub-bundles reach the measuring or comparison space via a rigid deflecting mirror each and are afterwards via a further rigid mirror to a second semicircular rotating mirror deflected and united there. The two rotating mirrors have the same orbital frequency

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Je nach der Betriebsart des Fotometers, d, h. mit oder ohne Kompensation der Probeneigenstrahlung, rotieren die beiden Drehspiegel mit einer Phasendifferenz von 90° oder 180°. Nachteilig bei dieser Anordnung ist die beim Wechsel der Betriebsart notwendige Änderung des Phasenwinkels zwischen den beiden rotierenden Spiegeln, zumal vor allem die 90°- Phasendifferenz sehr genau eingehalten werden muß.Depending on the mode of operation of the photometer, i. E. with or without compensation of the sample's own radiation, the two rotating mirrors rotate with a phase difference of 90 ° or 180 °. The disadvantage of this arrangement is when changing the Operating mode necessary change of the phase angle between the two rotating mirrors, especially since the 90 ° - Phase difference must be observed very precisely.

Bekannt ist ferner eine Vorrichtung zur Strahlentrennung und -vereinigung bei Spektralfotometern mit Kompensation der Eigenstrahlung, bei der die Vereinigung der beiden Teilstrahlen· bündel durch einen halbdurchlässigen starren Spiegel erfolgt. Da hierbei die Modulation des dichtes vor der Strahlenteilung stattfindet, erzeugt die Eigenstrahlung der Probe am thermoelektrischen Empfänger eine Gleichspannung, die bei der nachfolgenden Verstärkung der Empfangssignale unberücksichtigt bleibt. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß nur 5Q?6 der Lichtquellenstrahlung benutzt werden kann, auch dann, wenn für die Messungen eine Kompensation der Eigenstrahlung nicht erforderlich ist.Also known is a device for separating and combining beams in spectrophotometers with compensation of the Natural radiation in which the two partial beams are combined by a semi-transparent, rigid mirror. Since the modulation of the density takes place just before the beam splitting, the self-radiation of the sample is generated at the thermoelectric Receiver a DC voltage, which is not taken into account in the subsequent amplification of the received signals remain. The disadvantage of this arrangement is that only 5Q - 6 of the light source radiation can be used, even if if a compensation of the natural radiation is not necessary for the measurements.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Spiegelsystem zur Strahlentrennung und Strahlenvereinigung bei Zweistrahlfotometern zu schaffen, das zusätzlich die wahlweise Kompensation der Probeneigenstrahlung zuläßt, ohne daß es die genannten Nachteile der bekannten Vorrichtungen dieser Art aufweist·It is the object of the invention to provide a mirror system for To create beam separation and beam combination with two-beam photometers, the additional optional compensation the sample's own radiation without having the disadvantages of the known devices of this type mentioned.

Der Lösung der Aufgabe wird ein bereits bekanntes Spiegelsystem zugrunde gelegt, dessen Spiegel so angeordnet sind, daßThe solution to the problem is based on an already known mirror system, the mirrors of which are arranged so that

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eines der beiden, durch Trennung mittels eines halbkreisförmigen Drehspiegels erzeugten Teilstrahlenbündel nach dem Durchlaufen des Meßraumes auf einen weiteren halbkreisförmigen Drehspiegel gelenkt und dort mit dem anderen Teilstrahlenbündel vereinigt wird, das den Vergleichsraum durchlaufen hat.one of the two partial beams generated by separation by means of a semicircular rotating mirror after passing through of the measuring room on another semicircular rotating mirror is directed and there combined with the other partial beam that has passed through the comparison space.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Umlauffrequenz des einen Drehepiegels fest und die Umlauffrequenz des anderen Drehspiegels auf zwei Frequenzwerte einstellbar ist.According to the invention, the object is achieved in that the rotational frequency of a rotating mirror is fixed and the rotational frequency of the other rotating mirror can be set to two frequency values.

Die Erfindung wird an Hand der Figuren 1 und 2 näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail with reference to FIGS. 1 and 2 explained. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der VorrichtungFig. 1 is a schematic representation of the device

zur Strahlentrennung und Strahlenvereinigung undfor radiation separation and combination and

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Signalspannung der Strahlungsempfänger von zeitlich aufeinanderfolgenden Schaltstellungen der beiden Drehspiegel für eine Umlaufperiode des die Strahlenteilung bewirkenden Drehspiegels.2 shows a graphic representation of the dependence of the signal voltage of the radiation receivers on successive ones in time Switching positions of the two rotating mirrors for one period of rotation of the rotating mirror causing the beam splitting.

In der Fig. 1 wird mittels eines halbkreisförmigen Drehspiegels 1 das von einer Lichtquelle 2 herrührende Lichtbündel 3 in ein Meßstrahlenbündel 4 und ein Vergleichsstrahlenbündel 5 aufgespalten. Im Wege des Meßstrahlenbündels 4 ist eine Meßsubstanz 6 angeordnet. Das Vergleichsstrahlenbündel 5 durchläuft nach einer 90°-Umlenkung an einem starren Spiegel 7 eine Vergleiihssubstanz 8, fällt auf einen halbkreisförmigen Drehspiegel 9 und wird dort mit demIn FIG. 1, the light bundle originating from a light source 2 is shown by means of a semicircular rotating mirror 1 3 split into a measuring beam 4 and a comparison beam 5. By way of the measuring beam 4, a substance to be measured 6 is arranged. The comparison beam 5 passes through one after a 90 ° deflection rigid mirror 7 a comparative substance 8 is noticeable a semicircular rotating mirror 9 and is there with the

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Meßstrahlenbündel 4 vereinigt, dessen 9O°-Umlenkung wiederum an einem starren .Spiegel 10 nach dem Durchlaufen der Meß- . substanz 6 erfolgt. Das nach der Wiedervereinigung der beiden Teilstrahlenbündel 4 und 5 entstehende Lichtbündel 11 gelangt nach seiner spektralen Zerlegung in einem Monochromator 12 auf ein Thermoelement 13» Der Drehspiegel 1 ist auf einer Welle 14 befestigt, die in den Lagern 15 um eine Achse X-X rotiert. Der Drehspiegel 9 ist mit einer Welle 16 fest verbunden, die in Lagern 17 gelagert ist und Drehungen um eine parallel zur Achse X-X gelegene Achse Y-Y ausführt. Ein Motor 18 treibt über eine Welle 19 und eine Magnetkupplung 20 eine Welle 21, die durch ein Lager 22 gehalten wird. Am freien Ende der Welle 21 ist ein Kegelrad 23 fest verkeilt, das mit einem auf der Welle 14 angebrachten Kegelrad 24 kämmt. Der Motor 20 bewirkt ferner die Rotation einer Welle 25 mit auf ihr fest verkeilten Zahnrädern 28 und 29 in Lagern 26 und 27. Parallel zur Welle 25 ist eine Welle 30 mit einem Lager 31 angeordnet. Das eine Ende der Welle 30 trägt ein mit ihr fest verbundenes Kegelrad 32, das andere Ende der Welle 30 ragt in eine Hohlwelle 33 hinein, die eine Gehäusewand 34 durchsetzt. Die Hohlwelle 33 ist auf der Welle 30 in deren Längsrichtung verschiebbar, aber drehstarr, z, B, durch Nut und Feder, angeordnet. Der Verschiebungsbereich der Hohlwelle 33 mit auf ihr fest verkeilten Zahnrädern 35 und 36 wird durch einen Anschlag 37 und das Lager 31 begrenzt. Je nach der Anschlaget ellung der Hohlwelle 33 kämmen die Zahnräde^r 28 und 35Combined measuring beam 4, its 9O ° deflection in turn on a rigid .Spiegel 10 after passing through the measuring. Substance 6 takes place. After the reunification of the two partial beams 4 and 5, the light beam 11 reaches a thermocouple 13 after its spectral breakdown in a monochromator 12. The rotating mirror 1 is attached to a shaft 14 which rotates in the bearings 15 about an axis XX. The rotary mirror 9 is firmly connected to a shaft 16 which is mounted in bearings 17 and rotates about an axis YY located parallel to the axis XX. A motor 18 drives a shaft 21 via a shaft 19 and a magnetic coupling 20, which shaft is held by a bearing 22. At the free end of the shaft 21, a bevel gear 23 is firmly keyed, which meshes with a bevel gear 24 mounted on the shaft 14. The motor 20 also causes the rotation of a shaft 25 with gears 28 and 29 firmly keyed on it in bearings 26 and 27. A shaft 30 with a bearing 31 is arranged parallel to the shaft 25. One end of the shaft 30 carries a bevel gear 32 firmly connected to it, the other end of the shaft 30 protrudes into a hollow shaft 33 which passes through a housing wall 34. The hollow shaft 33 is slidable on the shaft 30 in the longitudinal direction thereof, but rotationally rigidly, z, B, arranged through the tongue and groove. The displacement range of the hollow shaft 33 with gears 35 and 36 firmly keyed on it is limited by a stop 37 and the bearing 31. Depending on the stop position of the hollow shaft 33 , the toothed wheels 28 and 35 mesh

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oder die Zahnräder 29 und 36 miteinander. Die Zahnräder 28, 29, 35 und 36 sind beispielsweise so ausgeführt, daß sich bei beiden Übersetzungsverhältnisse wie 11:1 verhalten. Das Kegelrad 32 kämmt mit einem auf der Welle 1$ verkeilten Kegelrad 38.or the gears 29 and 36 together. The gears 28, 29, 35 and 36 are designed, for example, so that both gear ratios behave like 11: 1. The bevel gear 32 meshes with a keyed on the shaft 1 $ Bevel gear 38.

Von der vom Motor 18 angetriebenen Welle 21 mit dem Kegelrad 23 wird die Rotationsbewegung über das Kegelrad 24 auf die starr mit dem drehspiegel 1 verbundene Welle 14 übertragen. Durch, je eines der beiden auf der rotierenden Welle angeordneten Zahnräder 28 oder 29 wird zusammen mit Je einem der beiden Zahnrader 35 oder 36 eine Rotation der Welle 30 bewirkt. Die Übertragung dieser Drehbewegung erfolgt durch die Kegelräder 32 und 38 auf den starr mit der Welle 16 verbundenen Drehspiegel 9·The rotational movement via the bevel gear 24 is provided by the shaft 21, which is driven by the motor 18, with the bevel gear 23 transferred to the shaft 14 rigidly connected to the rotating mirror 1. Through, one of the two on the rotating shaft arranged gears 28 or 29 is together with Je one of the two gears 35 or 36 causes the shaft 30 to rotate. This rotary movement is transmitted through the bevel gears 32 and 38 on the rotating mirror 9 rigidly connected to the shaft 16

Bei fotometrischen Messungen ohne Kompensation der Eigenstrahlung arbeitet die Vorrichtung in bekannter Weise. Die Drehspiegel 1 und 9 rotieren dabei mit gleicher Frequenz, aber mit einer Phasendifferenz voä 180°. Vorher wird deshalb die Magnetkupplung 20 gelöst, urn die beiden Drehspiegel um 180° gegeneinander zu verdrehen. Ferner muß die Stellung der Hohlwelle 33 so gewählt werden, daß die Zahnräder 28 und ineinandergreifen. Bei dieser Drehspiegelanordnung gelangt abwechselnd das Meßstrahlenbündel 4 und das Vergleichsstrahlenbündel 5 auf das Thermoelement 13.In the case of photometric measurements without compensation for the inherent radiation, the device works in a known manner. the Rotating mirrors 1 and 9 rotate at the same frequency, but with a phase difference of 180 °. Before is therefore the magnetic coupling 20 released in order to rotate the two rotating mirrors by 180 ° against each other. Furthermore, the position of the Hollow shaft 33 can be chosen so that the gears 28 and 28 mesh with one another. In this rotating mirror arrangement, it alternates the measuring beam 4 and the comparison beam 5 onto the thermocouple 13.

Will man fotometrische Messungen bei gleichzeitiger Kompensation der Eigenstrahlung durchführen, so wird durchIf you want to carry out photometric measurements with simultaneous compensation of the natural radiation, then through

2098U/0816 _n 2098U / 0816 _n

Verschieben der Hohlwelle 33 längs der Welle 30 die Stellung der Zahnräder 35 und 36 so verändert, daß, wie in Pig. 1 dargestellt, die Zahnräder 29 und 36 miteinander „ kämmen. Dadurch erhält der Drehspiegel 9 eine höhere Umlauffrequenz als der Brehspiegel 1.Moving the hollow shaft 33 along the shaft 30 changes the position of the gears 35 and 36 so that, as in Pig. 1, the gears 29 and 36 together " comb. This gives the rotating mirror 9 a higher rotational frequency than the brewing mirror 1.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergebenViür die Messungen mit Kompensation der Eigenstrahlung zwei Ausführungsmöglichkeiten: With the device according to the invention, the Measurements with compensation of the natural radiation can be carried out in two ways:

Bei einer ersten Ausführungsmöglichkeit erhält der Drehspiegel 9 eine Umlauffrequenz, die wesentlich höher als die des Drehspiegels 1 ist. So soll beispielsweise bei einer Zeitkonstante des Empfängers von ca. 30 ms die Umlauffrequenz des ^rehspiegels 1 10 Hz und die Umlauffrequenz des Drehspiegels 9 110 Hz betragen. Die Umlauffrequenz des Drehspiegels 9 muß ferner so hoch sein, daß das Thermoelement 13 die aufeinanderfolgenden Lichtimpulse zeitlich nicht mehr auflösen kann. In dieser Ausführungsform wirkt der Drehspiegel 9 wie ein halbdurchlässiger Spiegel, bei dem die Eigenstrahlung vom Meßstrahlengang und vom Ver&leichsstrahlengang gleichzeitig zum Empfänger gelangen. Weil die Modulation des Lichtes bereits vor der Strahlenteilung durch den Drehspiegel 1 erfolgt, erzeugt die Eigenstrahlung am Thermoelement 13 nur eine Gleichspannung, · die nicht weiter verstärkt wird und daher auch nicht in den angezeigten Meßwert eingeht.In a first possible embodiment, the rotating mirror 9 is given an orbital frequency that is significantly higher than that of the rotating mirror 1 is. For example, if the receiver has a time constant of approx. 30 ms, the rotational frequency should be des ^ right mirror 1 10 Hz and the frequency of rotation of the rotating mirror 9 110 Hz. The rotational frequency of the rotating mirror 9 must also be so high that the thermocouple 13 no longer resolves the successive light pulses in time can. In this embodiment, the rotating mirror 9 acts like a semitransparent mirror in which the natural radiation from the measuring beam path and from the comparison beam path simultaneously get to the recipient. Because the modulation of the light takes place before the beam is split by the rotating mirror 1, generated the intrinsic radiation at the thermocouple 13 is only a direct voltage, which is not further amplified and therefore not in the displayed measured value is received.

In einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung rotiert der Drehspiegel 9 mit einer Umlauf-In a second embodiment of the device according to the invention, the rotating mirror 9 rotates with an orbital

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frequenz f₂ die ein ganzzahliges Vielfaches der Umlauffrequenz f* des Drehspiegel 1 ist. Es istfrequency f ₂ which is an integral multiple of the rotational frequency f * of the rotating mirror 1. It is

f₂ = 2.n-f_r f ₂ = 2.nf _r

worin η eine ganze Zahl ist. An Hand der Fig. 2, in der die Spannung S über der Zeit T aufgetragen ist, soll die Y/irkungsweise der Anordnung nach Fig. 1 für η = 3 erläutert werden. Es wird der Einfachheit halber angenommen, daß auf da.s Thermoelement 13 Licht impulse fallen, die rechteckförmige Spannungsimpulse erzeugen. Der Spannung S™ entspricht die Eigenstrahlungsenergie im Meßstrahlengang und der Spannung S^ die Eigenstrahlungsenergie im Vergleichsstrahlengang. Die Spannung S^ resultiert aus der durch die gesamte Strahlungsenergie des Meßstrahlenganges erzeugten Spannung minus der Spannung S_EM. Analog ergibt sich die Spannung Sy aus der durch die gesamte Strahlungsenergie des Vergleichsstrahlenganges erzeugten Spannung minus der Spannung S^.where η is an integer. With reference to FIG. 2, in which the voltage S is plotted against the time T, the mode of operation of the arrangement according to FIG. 1 for η = 3 will be explained. It is assumed for the sake of simplicity that light pulses fall on da.s thermocouple 13, which generate square-wave voltage pulses. The voltage S ™ corresponds to the natural radiation energy in the measuring beam path and the voltage S ^ corresponds to the natural radiation energy in the comparison beam path. The voltage S ^ results from the voltage generated by the total radiation energy of the measuring beam path minus the voltage S _EM . Analogously, the voltage Sy results from the voltage generated by the total radiation energy of the comparison beam path minus the voltage S ^.

Während einer Schaltperiode T₁ unterbricht der Drehspiegel 1 den Vergleichsstrahlengang und das Thermoelement 13 liefert in drei Schaltperioden dealDrehspiegels 9_f beispielsweise t,j, t, und tr, eine Spannung S_EM + S^ und in den drei dazwischenliegenden Schaltperioden tp» t. und tg eine Spannung Sg₇. In einer sich an die Schaltperiode unmittelbar anschließenden Schaltperiode T₂ sperrt der Drehspiegel 1 den Meßstrahlengang. Dabei wird während derDuring a switching period T ₁ of the rotational mirror 1 interrupts the reference beam and the thermocouple 13 provides three switching periods deal rotating mirror 9 _f, for example, t, j, t, and TR, a voltage S _EM + S ^ and intervening in the three switching periods tp "t. and tg a voltage Sg ₇ . _{In a switching period T 2} immediately following the switching period, the rotating mirror 1 blocks the measuring beam path. During the

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Schaltperiode t„, tg und t^ die Spannung S·™» und in den Schaltperioden tg, t._Q und t_i2 die Spannung S_EV + Sy erzeugt. 1st die Schaltperiode T₂ durchlaufen, unterbricht der Drehspiegel 1 den Vergleichsstrahlengang erneut und der Vorgang findet seine periodische Wiederholung. Die Schaltperi'oden T. und I₂ des ^rehspiegelsSwitching period t ", tg and t ^ the voltage S · ™" and in the switching periods tg, t. _Q and t _i2 generates the voltage S _EV + Sy. If the switching period T _{2 has} passed, the rotating mirror 1 interrupts the comparison beam path again and the process is periodically repeated. The switching periods T. and I _{2 of} the mirror

^ sind ebenso wie die Schaltperioden t. bis t₁₂ cles Drehspiegels 9 untereinander gleich.^ are just like the switching periods t. up to t _{12 of the} rotary mirror 9 are equal to one another.

Wie man leicht ersehen kann, ist die Summe der in den Schaltperioden T. und T₂ durch die Eigenstrahlung erzeugten Spannungswerte gleich und findet daher bei der nachfolgenden Wechselspannungsverstärkung keine Berücksichtigung. Nur die Spannungen S™ und S_v dienen nach ihrer Verstärkung der Ermittlung des Meßwertes.As can easily be seen, the sum of the _{voltage values generated in the switching periods T. and T 2} by the natural radiation is the same and is therefore not taken into account in the subsequent alternating voltage amplification. Only the voltages S ™ and S _v are used to determine the measured value after they have been amplified.

Die zweite Ausführungsform ist dann fcit besonderem Vorteil anwendbar, wenn man größere Italauffrequenzen für denThe second embodiment can then be used with particular advantage if larger Italauffrequenzen for the

" der Strahlungsvereinigung dienenden Drehspiegel 9 vermeiden möchte."Avoid rotating mirrors 9 which serve to combine radiation would like to.

Selbstverständlich ist der Erfindungsgedanke nicht auf die Ausführung der Vorrichtung mit $e einem starren Umlenkspiegel im Meß- und Vergleichsstrahlengang beschränkt. Ebenso können an Stelle des mechanischen Getriebes zur Änderung der Umlauffrequenz des einen Drehspiegels beispielsweise auch elektrische Mittel Anwendung finden.Of course, the inventive idea is not limited to the embodiment of the device with a rigid $ e deflecting mirror in the measuring and reference beam path. Likewise, instead of the mechanical transmission for changing the rotational frequency of the one rotary mirror, electrical means can also be used, for example.

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Claims

. 1J Device for separating and combining rays in the case of dual-beam photometers with a measuring and comparison room and optional compensation of the sample's own radiation, consisting of a mirror system, the mirrors of which are arranged so that one of the two, by means of separation a semicircular rotating mirror generated partial beams after passing through the measuring space to another semicircular rotating mirror steered and there with the other Partial beam is combined, which has passed through the comparison space, characterized in that the rotation frequency of one rotating mirror is fixed and the rotational frequency of the other rotating mirror can be set to two frequency values.

2, device for separating and combining rays according to claim 1, characterized in that at photometric measurements without compensation of the sample's own radiation, the rotational frequency of the adjustable to zv / ei frequency values Rotating mirror / equal to the rotational frequency of the other rotating mirror is.

3. Device for separating and combining rays according to claim 1, characterized in that in the case of photometric measurements with compensation of the sample's own radiation, the rotational frequency of the rotating mirror, which can be set to two frequency values, compared to the rotational frequency the other rotating mirror up and the one through the adjustable

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The radiation modulation generated by the rotating mirror in the two-beam photometer cannot be resolved over time «

4. Device for separating and combining rays according to claim 1, characterized in that in the case of photometric measurements with compensation of the sample's own radiation the rotation frequency of the rotating mirror, which can be set to two frequency values / an even multiple of The frequency of rotation of the other mirror is.

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