DE2238662C2 - Monochromator - Google Patents

Description

ε =

-j- (C₂₁+ 2 C₄)

ergibt, wobei

W₀ die Gitterbreite,

C₄, Qm und C22 die Aberrationskoeffizienten 4. Ordnung und

ρ das Verhältnis von Höhe zu Breite des Gitters

sind.

2. Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antrieb (25) zur Drehung des Beugungsgitters (Λ) vorgesehen ist.

3. Monochromator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Austrittsspalte (SO unter verschiedenen Winkeln, bezogen auf den einfallenden Strahl, angeordnet sind und daß für jeden der beiden Austr''^spalte (SO die Bedingung T+ T' = f erfüllt ist.

Die Erfindung betrifft einen Monochromator mit einem konkaven sphärischen Beugungsgitter, einem feststehenden Eintrittsspalt und einem feststehenden Austrittsspalt.

Derartige Monochromatoren sind bekannt (DE-AS 10 56 854). Sie dienen dazu, aus polychromatischem Licht solches mit einem schmalen Wellenlängengebiet auszusondern. Durch ein sphärisches Beugungsgitter werden gleichzeitig Dispersion und Abbildung bewirkt.

Der Strahlengang eines derartigen Monochromator ist in Fig. 1 angegeben. Das Bild einer im Eintrittsspalt 5 angenommenen Quelle, die sich im Abstand r von dem Gitter befindet, wird am Gitter in verschiedene Richtungen^/?, dispcrgiert. Die auseinanderlaufenden Strahlen werden in Abständen /■' vom Gitterscheitel gebündelt. Diese Abstände sind von der Wellenlänge X₁ abhängig. Die Ebene, die an den Gitterscheitel angrenzt, ist gekennzeichnet durch den Krümmungsradius R, die Strichzahl iY pro mm, die gestrichelte Breite W und die vertikale gestrichelte Höhe L. Die Strichrichtung definiert die Ortsvertikale. Die Drehachse des Gitters verläuft parallel zur Ortsvertikalen durch den Gitterscheitel. Der Eintrittsspalt S verläuft parallel zu den Strichen des Gitters. Der Austrittsspalt S' (bzw. in Fig. 1 die Austrittsspalte S\.S'„ S'„ Tür die verschiedenen Wellenlängen) ist parallel zur Richtung der astigmatischen, tangentialen Brennweiten angeordnet. Im allgemeinen befindet sich die Mitte des Eintrittsspaltes in der horizontalen Ebene, die die Gitternormaie NO enthält, und der Austrittsspalt verläuft parallel zu den Strichen des Gitters. Die Fokussierung erfolgt entweder durch Verschieben eines Empfängers in Abhängigkeit von Veränderungen der Richtung des Ausgangsbündels oder durch Drehung und gleichzeitige Verschiebung des Strichgitters.

Bei einem Monochromator für den praktischen Gebrauch sollten die Richtungen der einfallenden und ausfallenden Strahlen fest sein. Wenn außerdem aus Gründen der Herstellungskosten nur eine einfache Gitterdrehung vorgenommen werden soll, dana zeigt die klassische Theorie, daß zur Erzielung einer guten

ίο Fokussierung eine Verschiebung des Austrittsspaltes erforderlich ist In diesem Fall werden die engen Verschiebungstoleranzen des Gitters durch die Verschiebungstoleranzen der Spalte ersetzt

Versuch von SEYA (Sei. Light, Vol. 2 [1952], S. 8) hüben gezeigt, daß ein Monochromator mit stationären Spalten realisiert werden kann, wenn der Winkel 2 Θ, unter dem man vom Gitterscheitel aus die beiden Spalte sieht, zu 7O°3O' gemacht wird. In diesem Fall erhält man feste Werte für r und r¹, die gleich R cos θ gemacht werden. Der entsprechende in Fig. 2 dargestellte .Aufbau liefert jedoch keine zufriedenstellende optische Qualität. Er ergibt eine geringe Auflösung und eine geringe Helligkeit. Da Einfallswinkel α und Brechungswinkel./? groß sind, ergibt sich außerdem ein starker Polarisationsgrad und ein erhöhter Astigmatismus. Dieses Ergebnis zeigt, daß bei Durchführung einer Fokussierung mit einsm rotierenden konkaven Gitter einerseits die sehr genaue Einhaltung eines bestimmten Winkels θ erforderlich ist, andererseits aber Auflösung

jo und Helligkeit dennoch sehr zu wünschen übrig lassen. Dies liegt daran, daß bei den bekannten Monochromatoren die Aberrationen nicht berücksichtigt werden. Man vernachlässigt die Tatsache, daß sich ohne Berücksichtigung der Aberrationen eine ungünstige Bezugs-Sphäre ergibt. Daher muß ein entsprechend schmales Beugungsgitter benutzt werden.

Im Stand der Technik werden Eintrittsspalt und Austrittsspalt so angeordnet, daß die Grundgleichung der Fokussierung T+T'—O erfüilt ist. Hierin stellt 7" die objektseitige Tangentialbrennweite und T die bildseitige Tangentialbrennweite dar. Die Tangentialbrennweiten sind definiert durch den Fokus des meridionalen Bündels, also desjenigen Bündels, das in der Meridionalebene (aufgespannt durch den Hauptstrahl und das Lot im Gitterscheitelpunkt) verläuft. Die Meridionalebene ist die Ebene des Rowlandkreises. Die Tangentialbrennweiten T und T' in der Fokussierungsbedingung T+ Γ'— Ο lauten:

•x·

cos σ

_T, _ cos²./? _ cosj?
r' R

(H. Greinerund E. Schäffer in »Optik« 16, Heft 5,1959, S. 288-293.) In diesen Gleichungen bedeuten α den Einfallswinkel, β den Ausfallswinkel, r den Abstand: Gitterscheitelpunkt-Eintrittsspalt, /-'den Abstand: Gitterscheitelpunkt-Bild des Eintrittsspaltes (Austritts-Spaltes) und R den Radius des Gitters in der Rowlandkreisebene.

Setzt man hierin r = R · e und r' = R ■ e', so erhält man für die Tangentialbrennweiten:

ergibt, wobei

Zur Lösung der Gleichung Γ+ T— 0 gibt es spezielle mathematijthe Methoden. SEYA (Sei. Light, Vol. 2 [1952], S. 8) und NAMIOKA (J. Opt Soc. Am. Vol. 51 [1961], S. 4; 13) haben gezeigt, daß nur ein einziger möglicher Wert (70⁰SOO des Winkels 2 Θ existiert, unter dem man vom Gitterscheitelpunkt aus die beiden Spalte sieht, für den Bildabstand und Objektabstand gleich R cos θ sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Monochromator der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem Eingangs- und Ausgangsspalte so angeordnet sind, daß bei Berücksichtigung von Breite und Höhe des Beugungsgitters eine möglichst hohe Auflösung erzielt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsge;näß vorgesehen, daß der Eintrittsspalt und der Austrittsspalt in bezug auf das Gitter so angeordnet sind, daß die Summer der objektseitigen und bildseitigen Tangentialbrennweiten Γ und T den Wert

,_W₀ ² /6

"TlT

(C₄ + C₀₄) +γ (C₂₂+ 2C₄)

cosgl 1 sir

W₀ die Gitterbreite,

C₄, C₀₄ und C₂₂ die AberrationskoefFizienten

4. Ordnung und ρ das Verhältnis von Höhe zu Breite des Gitters

sind.
Hieraus ergibt sich die Fokussierungsgleichung zu

T+T'= ε,

wobei ε von α und β und von den Aberrationen des Bildes auf einer gegebenen Linie durch ein konkaves Gitter mit rechtwinkliger Pupille abhängt. Der erfindungsgemäße Monochromator erlaubt eine gute Fokussierung bei einfacher Drehung des Gitters und mit schmalen Spalten, wobei insbesondere das Auflösungsvermögen verbessert ist. Alternativ kann bei gleichbleibendem Auflösungsvermögen die Gitter!" reite verkleinert und der Strichabstand vergrößert werden. Insgesamt wird außer der Auflösung auch die Helligkeit verbessert.

Die Aberrationskoeffizienten C₀₄, C₄ und C₂₂ ergeben sich aus der bekannten allgemeinen Gleichung für das Gitterspektrum (z. B. Journal of the Optical Society of America, Vol. 40, No. 3, March, 1950,153 ff., insbesondere 155). Hieraus lassen sich die Aberrationskoeffizienten wie folgt entnehmen:

cos²j8 IT\

Γ 1 _ cosgH 1 Γ 1 _ cosjSH _ 1 Γ cos² g _ cosg

Lr R J Ta²" LV Τ*] 77 L~r~ ~~R~.

SR²

1_ Γ cos²^ _

8r' L r' Ä J

_ 1 sin²g fl cosffH 1 sin²j8 Γ 1 -osjffH , 1 Γ 1 cos a~\

~C?₂ —r~ —ϊ — — —r— + -τ- —τ>— —γ — —ξ— τ* — — —~— I

" 2 r² Lr tR J 2 γ'² Lr' tR J

ΓΙ cosjSH 1 Γ^cos2 C cos ο 4Ä//?

j Γ_1_ _ cosjgH _ 1 Γ cos² g _ cosgH Γΐ _ cosgH

RtK [τ R J 17 L~r~ ~ίγ\ Lt "TjTj

_ _\_ Γ COS²^S _ COSjgH Tj_ _ COS^H ₁

4/-' L τ' ' R J Lr' '/Λ . -r = ^J Γ± - -£2££f| + ί Γ-L -

⁴ St²R² Lr /Aj β/²«² Ly

Hierbei ist Λ der Radius des Gitters in der horizontalen Ebene und tR bei einem Torusgitter der Krümmungsradius in der vertikalen Ebene. Für sphärische Gitter ist / = 1.

Zur Erfindung führten folgende Überlegungen:
Das theoretische Auflösungsvermögen, das durch die Brechung gegeben ist, ist gleich KNW, wobei K die Brechungsordnung und W die gestrichelte Breite darstellt. Dieses Auflösungsvermögen ist begrenzt, denn wenn W wächst, wachsen die Aberrationen, und man muß eine Toleranz bestimmen, die an die Änderungen des Bildflecks gebunden ist. Das optimale Auflösungsvermögen ist also gleich KN W₀. Man bestimmt im allgemeinen auch ein praktisches Auflösungsvermögen R„ das von der Breite/und/' des Eintritts- bzw.

'R J Austrittsspalts abhängt und ausgedrückt wird durch
/■' KNX

63 ' /' COS^

Bei geringfügigen /Aberrationen ergibt sich die praktische Grenze des Auflösungsvermögens durch R_p = 0,8 KNW₀, wobei der Wert W₀ von W nach dem Kriterium von STREHL (Instrumentenkunde, VU. 22 [1902], S. 213) berechnet wird. In der geometrischen Hypothese (starke Aberrationen) ergibt ein Gütefaktor für jeden Wert des Paares' W, L eine Grenzauflösung <d X>, und somit die praktische Grenzauflösungskraft R_p = Xl<8 X>. Dieser Gütefaktor Q ist wie folgt definert:

Ul WIl

_L Γ f (UL + UL)²

WL J J V Bw dl J

-L/2 -W/7

dnd/S

A' ist der abweichende optische Weg, der von den Gitterkoordinaten B' und / in Richtung der Gitterbreite W bzw. der Gitterhöhe L abhängt.

Wenn man den Abstand des Austrittsspaltes vom Git-•xrscheitel für ein gegebenes Spektralgebiet stationär macht, kann man davon ausgehen, daß die Abweichungen A(w, I) oder Aberrationen des optischen Weges, die durch die «Gleichung erster Ordnung« vorgegeben sind, kompensiert werden müssen. Nach der Erfindung weiden diese Abweichungen von dem Gütefaktor Q abgeleitet, der auch ausdrückt, daß die Aberrationen

cos² a . co

bei einer Verschiebung der Bezugssphäre um C\W + C₂W¹ in bezug auf die Ausgangsbedingungen der genannten Gleichung erster Ordnung kompensiert werden, daß also die verallgemeinerte Fokussierungsgleichung (7*+ 7" = ε) ausreichend ist, wobei die noch verbleibende Abweichung A' in diesem Fall A (w, Γ) + C₁ π- + C₂ tv² ist. C| und C₂ sind Koeffizienten. Unter solchen Bedingungen ergibt sich die grundlegende Fokussierungsgleichung einer Vorrichtung mit

is einfacher Drehung zu

= cosa + cosjS + R^i-\4- (Q +C₀₄) + 4" (C₂₂ + 2 C₄)P²I = H(X).

In dieser Gleichung sind Q₄, C₄ und C₂₂ die Aberr.itionskoeffizienten4. Ordnung und ρ = —. In der »Gleichung erster Ordnung« wäre das erste Glied gleich (cos a + cosß). °

Ausgehend von diesen Resultaten muß die praktische Durchführung die Darstellung eines durchlaufenden Bandes A X, das so schmal wie möglich ist, in einer gegebenen Richtung ermöglichen, da die Richtung des einfallenden Bündels sowie die Position der Schlitze fest ist. Sie muß insbesondere die Bedingung (2) erfüllen. Diese kann im allgemeinen durch Iteration gelöst werden, da H(X) vom Wert der Parameter e und e' abhängt.

Gemäß dem oben definierten Gütefaktor Q muß der Fehler c λ inst bei der Durchführung unterhalb eines tolerierbaren Grenzwertes t liegen:

B X inst S t

X>

Für das praktische Grenz^Auflösungsvermögen R_p = XI<IX> und die Steigung ρ der Kurve λ/? λ inst gilt:

SSOJL

2/1

Das praktische Grenz-Auflösungsvermögen nach dem STREHL-Kriterium (Instrumentenkunde, Vol. 22 [1902], S. 213) ist gleich R_p = 0,8 N W₀ K, und ρ muß die Bedingung

erfüllen, wobei das zweite Glied dieser Ungleichung unabhängig ist von X.

Für einen gegebenen Winkel θ wird der eine oder der andere Aufbau der Fig. 3a bis 3d gewählt Wenn man diese Wahl trifft, muß man sich für jeden Fall vergewissern, ob die Lichtstärke (d. h. insbesondere ob der Wert der gestrichelten Fläche) unter Berücksichtigung der verlangten Auflösung R_p ausreichend ist Im Grenzfall, wenn man für W und L sehr kleine Werte annimmt, kann die Bedingung (3) immer noch erfüllt werden, die entsprechenden Geräte werden jedoch dann nicht von praktischem Interesse sein, da ihre Lichtstarke sehr schwach wäre, was sich insbesondere im Spektralbereich des entfernten Ultraviolett auswirkt, wo die Energien der Lichtquellen im allgemeinen im Vergleich zu den anderen Spektralbereichen nicht sehr hoch sind.

Besondere Bedeutung für die praktische Realisierung von Einfach-Monochromatoren oder Doppel-Monochromatoren hat die Verwendung von sphärischen konkaven Beugungsgittern, die in der Anordnung »in piano« Steilen, d. h. bei denen die Mitten der Eintrittsund Austrittsspalten sich in einer Ebene befinden, die die Gitternormale enthält und senkrecht zur Richtung der Striche des Git'ers verläuft, wobei die Eintritts- und Austrittsspalte eine feste Breite haben (d. h. unabhängig von der Wellenlänge X), so daß sich kein Flußverlust in der Ebene der Austrittsspalte ergibt.

Der erfindungsgemäße Monochromator kann wahlweise entweder mit festem Beugungsgitter als auch mit rotierendem Beugungsgitter ausgebildet sein. Die zweite Ausführungsform kann in bekannter Weise als Spektrometer benutzt werden. In diesem Fall ist ein Antrieb zur Drehung des Beugungsgitters vorgesehen. Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwei Austrittsspalte unter verschiedenen Winkeln, bezogen auf den einfallenden Strahl, angeordnet sind und daß für jeden der beiden Austrittsspalte die Bedingung Τ+Τ'—ε erfüllt ist. Damit ist es möglich, mit einem einzigen Monochromator gleichzeitig zwei unterschiedliche Wellenlängen zu separieren. Die verwendeten Konkavgitter können solche Gitter

so sein, die aus auf Glas aufgebrachten Strichen bestehen (oder Kopien von derartigen Gittern) oder ganz allgemein optische Elemente, die gleichzeitig die Fokussierung und die Beugung einer einfallenden Welle gewährleisten, unabhängig davon, nach welchen Verfahren diese Brechung durchgeführt wird, unter der Bedingung, daß, wenn d die Gitterteilung ist, welche über die gesamte Pupille des optischen Elementes konstant ist, die Grundgleichung für eine Anordnung dieses Typs lautet:

(6)

In diesem Ausdruck sind α und β die Einfalls- und Beugungswinkel, die ausgehend von der Gittemorma-

len bewertet werden, N — -j ist die Zahl der Striche pro mm, K die Brechungsordnung und X die Wellenlänge; das negative Vorzeichen gilt für alle gebrochenen Strah-

len, die in dem Bildraum liegen und zwischen dem Zentralfleck (or = -ß) und der Tangente des Gitters eingeschlossen sind.

Diese Fokussierungen erfolgen vorwiegend mit holografischen Gittern des 1-Typs, bei denen die Striche des Gitters durch ein holografisches Verfahren erzeugt werden, und bei denen, wie in dem Fall der klassischen Strichgraer, die Fokussierungsgleichung erster Ordnung gekennzeichnet ist durch die Beziehung T+T' — 0. Deshalb ist die entsprechende Beschreibung nur ι ο auf die Verwendung von sphärischen Konkavgittern bezogen, deren optische Merkmale denjenigen der üblichen Gitter äquivalent sind. Deren Striche sind definiert durch Überschneidung der Oberfläche eines Konkavspiegels mit parallelen Ebenen im gleichen Abstand.

Weiter oben wurde ausgeführt, daß man, wenn man die Aberrationen berücksichtigt (d. h. Ausdrücke höherer Ordnung in den Gleichungen, die vom Fermat-Prinzip abgeleitet sind), und wenn man eine Kompensa- tionsmöglichkeit dieser Aberrationen durch eine Verschiebung der Bezugssphäre in Rechnung stellt, d. h. durch eine geeignete Wahl des Bildabstandes, Monochromatoren realisieren kann, bei denen die Objekt- und Bildabstände fest sind, und dies in einem größeren Spektralintervall, unter Drehung des Gitters um eine Achse, die durch den Gitterscheitel geht. Man hat festgestellt, daß solche Anordnungen, die einen geringen Gestehungspreis haben, da es keine Verschiebung des Gitters f ibt, außerdem den bedeutenden Vorteil für die Benutzer haben, daß die Richtung der einfallenden und gebrochenen Bündel absolut fest ist. Außerdem hat man festgestellt, daß es, entgegen der von SEYA und dann von NAMIOKA vorgeschlagenen Lösung, die für Ultraviolett auf einen einzigen Winkel nahe bei 70°30" begrenzt ist, möglich ist, Anordnungen mit beliebigen Werten von 2 θ zu treffen. Die Objekt- und Siidabstände werden durch eine verallgemeinerte Fokussierungsgleichung in Form der Gleichung (2) gegeben, in der Ausdrücke höherer Ordnung vorkommen. Die Gleichung hängt also von dem Wert der gestrichelten Breite W und der gestrichelten Höhe L (oder von der Beziehung ρ = L/W) ab. Es muß hinzugefügt werden, daß andere Werte von 2 θ von SEYA und NAMIOKA vorgesehen worden sind, aber diese waren mit einer beträchtlichen Herabsetzung der Auflösung (oder der Lichtstärke) verbunden, wenn der Bildabstand fest blieb, oder auch mit einer zusätzlichen mechanischen Komplikation, wenn der Wert r¹ experimentell abhängig von der Wellenlänge justiert wurde. so

Die Zeichnungen zeigen verschiedene Ausführungsformen der bekannten Technik sowie Kurven und Ausführungsformen zur Erläuterung der Erfindung. Es zeigen

F i g. 1 bis 3 d schematische Darstellungen von Monochromatoren nach der bekannten Technik,

Fig. 4 eine Draufsicht eines Monochromator, teilweise geschnitten, mit schmalen, geraden oder gewölbten Spalten,

F i g. 4a einen Vertikalschnitt, Fig. 4b die Steuerung der Gitterdrehung,

Fi g. 4c ein Diagramm entsprechend dem Monochromator von Fig. 4, ■

F i g. 5 die Werte der reduzierten Objekt- und Bildabständc e, e' in Abhängigkeit von θ bei verschiedenen ss Gittern,

Fig. 6 ein Diagramm, das den Wertp für die verschiedenen Anordnungen von Fig. 3, jedoch bei korri gierten Tangentialbrennweiten angibt (für den Fall schwacher Abweichungen),

Fig. 7 die Werte des Auflösungsvermögens in Abhängigkeit von θ für ein gegebenes Gitter (im Falle starker Abweichungen),

Fig. 8 (8a bis 8d) das Prinzipschema der verschiedenen asymmetrischen Anordnungen für die Fokussierung mit einer einfachen Drehung des konkaven Gitters, wobei die Werte der Winkel or und./? für den Einfall und die Beugung erkennbar sind,

F i g. 9 eine schematische Draufsicht eines Monochromator mit geraden Spalten fester Breite,

Fig. 10a und 10b Diagramme, die für die beiden Beispiele der Tabelle 1 den Wert von <S λ> und den Wert der praktisch erlangten Auflösung d λ_ρ = λ/Rp darstellen,

Fig. 11 schematisch einen Doppelmonochromator mit Z-förmigem Aufbau.

Bei dem in den Fig. 4,4a und 4b dargestellten Ausführungsbeispiel ruht der Monochromator auf einem Vakuumständer, der eine Platte A trägt, auf der die verschiedenen Elemente gemäß den Fig. 4,4a,4b und4c angeordnet sind.

Der Vakuumständer, der nicht dargestellt ist, trägt eine Platte A, auf der einerseits ein Zentralblock 2 montiert ist, in dem das Konkavgitter R und der Rotationsmechanismus des Gitters angeordnet sind. Andererseits sind an der Platte A ein Block 4, der den Eintrittsspalt trägt, und schließlich Blöcke 5 und 5' mit den Austrittsspalten befestigt. Die Blöcke 4, 5 und 5' sind mit Block 1 durch Rohre 6 verbunden, welche mit vakuumdichten Balgmembranen 7 versehen sind. Diese ermöglichen die Einstellung der Spalte mit Hilfe der Schrauben 8, welche auf jedem Block 4, 5 und 5' vorgesehen sind, und die entsprechenden Verschiebungen der Blöcke in nicht dargestellten Führungen der Platte A gestatten. Bei jedem Block 4, 5, 5' kann die Breite der Spalte durch eine Vorrichtung 9 verstellt werden.

Die Platte A trägt ferner einen Steuermechanismus 10 für die Steuerung der Wellenlänge, der später beschrieben wird.

Gemäß F i g. 4 a weist der Block 2, der in dem Block 1 durch Mutternschrauben Γ befestigt ist, ein konisches Teil 11 auf, das mit vertikaler Axialbohrung angeordnet ist, deren Achse 12 die Drehachse des Gitters R bildet. An ihrem unteren Ende ist die Achse 12 mit dem Gitter R fest verbunden, das in einem Lager 13, das mit geeigneten Mitteln am Block 2 montiert ist, befestigt ist. Die Achswelle 12 wird mechanisch durch zwei Kugellager exakt ausgerichtet gehalten. Das erste Kugellager 14, das auf die Drehachse aufgepreßt ist, wird durch eine Schulter 15 der Welle in Position gehalten und durch ein Teil 16 gegen eine Innenschulter 17 des konischen Teiles 11 gedrückt, während das andere Kugellager 18 durch zwei Zwischenstücke 21' gegen eine Innenschulter 19 des Teiles 11 und eine Schulter 20 der Weile gedrückt wird. Die Klemmung ist durch den Aufbau 21 mit Mutter und Bremse 22 gewährleistet Das freie Ende der Achse 12 springt über den Aufbau 22 hinaus hervor und trägt einen horizontalen Ann 23, der fest an der Welle angebracht ist

Der Arm 23 verläuft hier parallel zur Tangente am Scheitel des Gitters R (s. Fig. 4b und 4c), man kann ihm aber jede andere gewünschte oder vorteilhafte feste Richtung in bezug auf das fest mit der Platte A verbundene Gitter geben. Eine Druckvorrichtung 24 trägt einen Antrieb 25, um die Verschiebung einer Rolle 26 entsprechend der Achse der Druckvorrichtung vor-

zunehmen. Die Rolle 26 wirkt gegen den Arm 23. Der Kontakt zwischen Rolle und Arm ist durch eine auf den Arm einwirkende Rückzugfeder 27 sichergestellt. Unter diesen Bedingungen wirkt die Verschiebung der Rolle 26 auf ihrer Druckvorrichtung 24 auf den Arm 23 ein und verursacht eine Drehung um den Winkel y, die den Durchtritt -«er Wellen durch den Austrittsspalt ermöglicht. Außerdem kann man auf diese Weise mit ausreichender Annäherung die Wellenlänge A messen, die sich in folgender Formel ausdrückt:

A = — cos θ siny.

(7)

Die beschriebene einfache Bewegung resultiert aus einem Stoß auf den Arm 23 mittels der Rolle 26, die aus einem Kugellager mit dem Radius u gebildet wird, das sich linear abhängig von der Zeit in Richtung HoZ bewegt und einen Winkel θ in bezug auf eine Paraiieie zur Richtung der Normalen für den Wert γ = 0 der Drehung bildet, d. h. Tür den zentralen Fleck (A = 0).

Nachstehend werden im einzelnen die Fälle zweier Gitter untersucht, nämlich

/{,(Radius«
A₂ (Radius R

■■ 500 mm, /V ■■ 500 mm, N

1831,8 Striche/mm), ^; 1221,2 Striche/mm).

Die entsprechenden Aufbauten wurden mit geraden Spalten von 10 mm Höhe und einer Breite von

rNKX
cos a R.

r'NK cosßR.

-- f für den Eintrittsspalt und

= /' für den Austrittsspalt

für einfache Monochromatoren und solche mit Mehrfachausgängen versehen. Es gibt Werte von 2 θ (ungefähr 28°), bei denen die Breite/' des Austrittsspalts für alle Wellenlängen gleichbleiben kann, ohne daß Licht von den Spalträndern abgefangen wird.

Bei Einfach-Monochromatoren hat man zuerst die Resultate und Bedingungen gemäß dem STREHL-Kriterium geprüft.

Die Werte von e und e' für die beiden Gitter R₁ und R₂ sind in Fig. 5 in Abhängigkeit von θ dargestellt. Wenn man den Krümmungsradius verändert, ändern sich die Werte von e und e' praktisch nicht.

Bei einer gestrichelten Höhe von 25 mm liegen die Werte von W zwischen 10 und 14 mm für Änderungen von B zwischen 6 und 45° und einer Bezugswellenlänge von 75 nm. Es sei daran erinnert, daß das STREHL-Kriterium in der Tat für jeden Wert von A andere Werte von Wangibt Für eine praktische Durchführung wählt man einen mittleren Wert entsprechend einem bestimmten Wert der Wellenlänge. Man wird feststellen, daß der STREHL-Test jenseits von θ = 50° für die betrachtete gestrichelte Höhe unzureichend ist, und daß unterhalb von θ = 6° die Werte von e' (Aufbauten Fig. 3a, 3d) oder von e (Aufbauten F i g. 3 b, 3 c) zu hoch sind, um zu praktischen Durchführungen zu führen. F i g. 6 gibt den Wert ρ =f(ß) für das Gitter R₁ und die verschiedenen Anordnungen. Die ausgezogene Kurve zeigt R_p /1,54, wobei der breite Strich den Bereich θ bestimmt, für den

die Grenzauflösunq R_p in einem Spektralbereich von 20 bis 320 nm erreicnt wird. Bei den Anordnungen der Fig. 3a und 3d erstreckt sich der Bereich etwa von 32° bis 36°3O', während er sich bei Fig. 3b und 3c von 26° bis 36° erstreckt. Bei Gilter R₁ liegt der Bereich θ zwischen 30° und 40° für die Aufbauten Fig. 3a und Fig. 3d.

Die Bedingung (5) begrenzt also den möglichen Bereich Tür den Winkel 0, der im übrigen den Werten von e und e' entspricht, die vollkommen mit der handlichen Realisierung eines Monochromators vereinbar sind.

Wenn man sich mit einem Auflösungsvermögen in der Größenordnung von 5000 begnügt, dann können die Anordnungen von F i g. 3 a und F i g. 3 d (Gitter R_x) zwischen 27°3O' und 39°30', die beiden anderen zwischen etwa 20°30' und 39° verwendet werden.

Zusammengefaßt kann gesagt werden, daß die Verwendung des Gitter» S₁ rnii einer optimalen gestrichelten Fläche von 11 x 25 mm" es gestattet, ein Grenz-Auflösungsvermögen von 7500 Tür 26° < θ < 36°30' zu erhalten. Doch ist es aus Gründen der Helligkeit vorzuziehen, den GütefaktorQ zu berücksichtigen.
Daher werden die Ergebnisse und Bedingungen gemäß dem Gütefaktor Q untersucht.

Die Berechnung zeigt, daß die Werte von e und e' nach Fig. 5 für W = 30 mm und L = 54 mm (p = 1,8) praktisch noch gültig sind. Das Grenz-Auflösungsveimögen Λ, für die verschiedenen Werte von ρ ist in Fig. 7 in

ίο Abhängigkeit von θ für die beiden ausgewählten Wellenlängen A₁ und A/ dargestellt. Ihre Werte ergeben δ λ inst, minim, in dem betrachteten Spektralbereich. Für ρ = 1,8 und für θ zwischen 6 und 50° wäre das praktische Grenz-Auflösungsvermögen 30 bis 75 nm und 800 bis 250 nm. Wie vorher wird der Gültigkeitsbereich durch den gewünschten Wert von R_p begrenzt. Wenn man die vorstehenden Werte erhalten will, zeigen die Berechnungen, daß das Intervall von θ einerseits wächst, wenn man von der Anordnung der Fig. 3b zur Anordnung der F i g. 3 a übergeht, und andererseits mit p. Fürp = 1,8 kann das Gitter R₁ verwendet werden für Werte von θ zwischen 22° und 40° und Gitter R₁ zwischen etwa 20° und 50°. Zusammengefaßt: die Verwendung des Gitters R₁ mit einer optimalen gestrichelten

Fläche von 30 x 54 mm² erlaubt es, ein Grenz-Auflösungsvermögen zwischen etwa 3000 und 8000 zu erhalten, für 22° < θ < 40°. Bei gleicher Auflösung erweist sich die zweite Lösung als viel interessanter, weil sie einem Helligkeitsgewinn mit einem Faktor 5,9 entspricht.

Aus diesen letztgenannten Feststellungen, basierend auf der Verwendung des Selektionskriteriums ρ =/(θ), geht hervor, daß die Anordnung von F χ g. 3 a allein aufrechterhalten werden soll und daß es eine Grenze des Bereiches θ gibt, die im wesentlichen vom gewünschten Wert R_p abhängt Letztere wird für jeden Wert von θ zwischen 22° und 40° bei Gitter R₁ und 20° und 50° bei Gitter Äj maximal sein.
Die folgende Tabelle zeigt die verschiedenen Werte der Parameter W, L, e und e' für die Gitter R₁ und R₂ und die beiden besonderen Werte von Θ.

Gitter/?,

If₀ = 30 mm

I₀ = 54 mm

θ = 40°
θ = 30°

β = 0,80386
e = 0,82789

e' = 0,72306
s' = 0,91332

Gitter/?2

-Q = 30 mm

54 mm

Θ = 50°
θ = 20°

e = 0,76897
f = 0,85117

e' = 0,51620
e' = 1,0557

Die Vorteile eines solchen Fokussierungsverfahrens sind zahlreich. In optischer Hinsicht: die maximalen Leistungen des Gitters in dieser Anordnung können erreicht werden. Die einfallenden und gebrochenen Bündel sind fest und es ist also möglich, vor oder hinter den Spalten eine zusätzliche Optik anzubringen, deren Achse nicht in Abhängigkeit von der Wellenlänge geändert werden muß.

In mechanischer Hinsicht: Eine einfache Rotation ist immer leichter durchzuführen als eine Translation, besonders dar.p., wenn die Toleranzen des Psrslleüsmus eng sind, wie es bei den Beugungsgittern der Fall ist. Insbesondre ist der Aufbau dann günstig, wenn Gitter mit großen Krümmungsradien verwendet werden.

Bei Monochromatoren mit mehrfachen Ausgängen, d. h. mit einer festen Richtung des einfallenden Bündels und mehreren festen Richtungen, die gleichzeitig verschiedene Wellenlängen liefern, kann man sicherstellen, daß

a) die gleichzeitige Realisierung von zwei Austrittsspalten mit hohem Auflösungsvermögen in jedem der beiden Spektralbereiche möglich ist,

b) die gleichzeitige Realisierung von zwei Eintrittsspalten für Licht unterschiedlicher Spektralbereiche und mit einem einzigen Austrittsspalt möglich ist, und daß

c) gleichzeitig fotometrische Messungen in unterschiedlichen Spektralbereichen mit einem Gera:

ίο möglich sind.

a - Die Untersuchung der Kurven der Fig. 5 zeigt, daß zwei Werte von θ einem Wert von e entsprechen. Für diese beiden Werte kann eine gute Auflösung erreicht werden, wenn die Werte der Bildabstände diejenigen sind, die durch die Kurve e' = /(©) gegeben sind. Wenn eine Auflösung von 0,03 pm verlangt wird (Gitter Ä| in der Anordnung der Fig. 3a), kann bei einem Objektabstand ^vQn O_-RP R dieser Objektabstand

2ß zwei Ausgängen entsprechen, einem bei einem Winkel von 2 θ = 44° (f - 1,08 R) und dem anderen bei einem Winkel von 2 θ = 68° (r¹ = 0,84 R).

b - Wenn man für das Gitter Λ, im Aufbau nach Fig. 3a einen Objektabstand r = Re gleich 0,81 Λ nimmt, kann man θ wählen, um einen Spektralbereich von 8 bis 340 nm für die Werte dd, e, e\ θ wie folgt zu erhalten:

Gestrichelte Fläche 30 x 54 mm2	Θ= 14°	θ = 35°	θ = 75°
e =	0,81	0,81	0,81
e' —	1,391	0,833	0,4203
Mittlere Auflösung	0,5 nm	0,03 nm	0,5 nm
Spektraibereich	550-430	nm 3u—juu nni	80-75 nm
'alle von fotometrischen Reflexions- oder	diesem Falle

Polarisationsmessungen ist eine Auflösung von einigen 0,1 nm annehmbar. Dagegen ist es sehr oft vorteilhaft, diese Messungen in einem großen Bereich von Wellenlängen durchzuführen, was tatsächlich die Verwendung von zwei verschiedenen Aufbauten mit unterschiedlichen schwer vergleichbaren Charakteristiken verlangt. Das Gitter A₁ im Aufbau von Fig. 3a kann zwischen 150 und 430 nm arbeiten, wenn 2 θ = 29° (r¹ = 1,44 R) und zwischen 20 und 200 nm, wenn 2 θ = 100° (/■= 0,518 R), bei einem einzigen Objektabstand von 0,77 R. Außerdem kann sich ein ähnlicher Aufbau als interessant erweisen, einerseits für die Messung der Gitterleistung in Abhängigkeit von der Interferenzordnung und andererseits für die Eichung der Quellen und Empfänger.

Da die Werte von e im Aufbau 3a (oder 3d) gleich denjenigen von e' im Aufbau 3 b (oder 3 c) und reziprok gegenüber e' sind, kann man auf gleiche Weise einen Aufbau mit zwei Eingängen und einem Ausgang realisieren.

Wenn die auf dem ersten Bündel beobachtete Wellenlänge

Κι λι = 2 siny ccis Θ_ΧΙΝ
beträgt, muß diejenige auf dem zweiten Bündel in

K₂X₂ =2 sin γ cos Θ₂/Ν = Κ_λ A, cos 8₂lcos θ_χ

betragen. Eine Wellenlänge λ kann in der Ordnung 1 (Ki = 1) und in der Ordnung 2 (K₂ = 2) gleichzeitig

so beobachtet werden, wenn cos Q₂ = 2 cos θ\. Die Verwendung des Gitters R₂ im Aufbau von Fig. 3a, mit einem Objektabstand r = 0,6 R erlaubt die Realisierung dieser Bedingung, wenn ungefähr 0, = 60°45' (f = 0,38 R), und wenn θ₂ = 4° (r¹ = 2,1 R) ist, wobei lediglich ein breites durchgehendes (Frequenz-)Band (S 1 nm) erforderlich ist.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 9 entspricht weitgehend demjenigen der Fig.4, jedoch ist nur ein Block 4 mit Eintrittsspalt und ein Block 5 mit Austrittsspalt vorhanden.

Nachfolgend sind einige Resultate angegeben, die mit Einfach- und Doppelmonochromatoren gemäß Fig. 9 und 4 erzielt wurden, die mit den beschriebenen Mechanismen und festen Eintritts- und Austrittsspalten versehen sind.

In der nachstehenden Tabelle 1 sind zwei Beispiele angegeben, für die der Wert von θ mit /· = 10 μπι bestimmt worden ist

	N	»Ό	13	L0	Γ	22 38	662	h	14	X min	λ max	xA
	Str/mm	nun		mm	mm			mm		nm	ηπί	ι
Tabelle 1	1200	38		30	152,28			6		5	110	1
R	1221,2	54		54	412,06		2Θ	8	mm	35	400	I
mm					mm			0,195			1
400,7				94,47	144°52'	0,007
500				594,51	28°

1. Einfachmonochromatoren

In den F i g. 10a und 10b sind für die beiden betrachteten Fälle (Tabelle 1) einerseits der Wert/' in Abhängigkeit von der Wellenlänge und andererseits die Werte der theoretischen Auflösung <δλ> und der praktischen Auliosung δ λ_ρ dargestellt

Bei dem Gitter von 500 mm (Fig. 10b), das mit 2Θ = 28° arbeitet, ist die Differenz zwischen <δλ> und δ λ_ρ vernachlässigbar für die betrachteten Spalthöhen, obwohl die öffnung groß ist.

Bei dem Gitter von 400,7 mm (Fig. 10a) beträgt die Differenz obwohl sie zwischen <δ λ> und δ λ_ρ Hegt und größer ist (—0,05 nm) nur ungefähr ein Zehntel der Grenzauflösung, wobei die Apertur 1/4 ist. Diese Apertur ist für das betrachtete Spektralgebiet sehr groß im Vergleich zu derjenigen der augenblicklichen handelsüblichen Geräte, wo sie gleich 1/75 ist Man sieht also, daii es möglich ist, einfache Monochromatoren zu realisieren, bei denen

die einfallenden und gebeugten Bündel fest sind, die Eintritts- und Austrittsspalte fest in Lage und Breite sind,

das Gitter von einer Drehbewegung durch einen Mechanismus angeregt wird, der gleichzeitig die Wellenlängenmessung ermöglicht.

Bei einer Drehung γ des Gitters erhält man am Austrittsspalt der Breite /J durchlaufende Bänder δ X_1n deren Länge von/'abhängt, und deren Intensitätsmaximum in Richtung β + Aß liegt:

C₁

cos;? Δ β = - (c_m + -^p- A -^- = KNA X,

was einer Wellenlänge K {λ + A X) entspricht.

Praktisch kann man in den Aufbauten mit schwacher Dispersion A X nicht beobachten, und man beobachtet bei einer gegebenen Drehung des Gitters Wellenlängen

X, j, j erster, zweiter und dritter Ordnung. Es ergibt sich

also eine Überlagerung der Ordnungen in der Ebene des Austrittsspaltes. Diese Erscheinung, die bekannt ist, kann einzig und allein vermieden werden, entweder durch Verwendung von Filtern oder durch einen Aufbau, der eine Vörfilierung sicherstellt, d. h. insbesondere mit Doppelmonochromatoren.

2. Doppelmonochromatoren

Da man bei Ultraviolett nur über eine begrenzte Zahl von Filtern verfügt, ist es nötig, um die Ordnungen zu trennen, Doppelmonochromatoren zu realisieren. Dabei spielt der Austrittsspalt S\ des ersten Aufbaues die Rolle des Eintrittsspaltes des zweiten Aufbaus (Aus trittsspalt S₂). Hierbei offenbart sich deutlich das für die Einfachmonochromatoren an einem solchen Aufbau gezeigte Interesse, bei dem der mittlere Spalt S\ in Lage und Breite fest ist. Man kann also Aufbauten in »Z«-Form mit zwei Gittern R₁, R₂ realisieren (Fig. 11), wobei man einen Aufbau M\ (Fig. 8a) an einen Aufbau M] (Fig. 8c) anfügt, oder indem man einen Aufbau M₂ (Fig. 8b) mit einem Aufbau Λ/₄ (Fig. 8d) verbindet. Es ist also möglich, Doppelmonochromatoren zu bauen, wobei die Trennung der Ordnungen gewährleistet ist und die Spektraleinheit erhöht ist. Dabei arbeitet man mit sehr großer Helligkeit und erhöhter Auflösung und mit einem Winkel von 2 θ zwischen den beiden beträchtlich unter 70° liegenden Winkeln. Ferner wer den starke Intensitätsverluste durch Astigmatismus und Polarisation vermieden.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Monochromator mit einem konkaven sphärischen Beugungsgitter, einem feststehenden Eintrittsspalt und einem feststehender! Austrittsspalt, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsspalt (S) und der Austrittsspalt (SO in bezug auf das Gitter (R) so angeordnet sind, daß die Summe der objektseitigen und bildseitigen Tangentialbrennweiten Γ und T' den Wert