DE2312777A1 - Verfahren zur durchfuehrung einer spektralanalyse mit zerlegung bzw. trennung der spektrallinien und spektralapparat zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Karl-Peter Christian Lindblom Axvägen 77

Järfälla/Schweden

Verfahren zur Durchführung einer Spektralanalyse mit Zerlegung bzw. Trennung der Spektrallinien und Spektralapparat zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Durchführung einer Spektralanalyse mit Zerlegung bzw. Trennung der Spektrallinien.

Für die Durchführung einer Spektralanalyse ist es bekannt, Gitter für die Strahlungszerlegung in Wellenlängen zu benutzen. Diese Gitter erzeugen Spektren mit einer Vielzahl von Spektrallinien, die sich einander überlagern bzw. überlappen. Um die Spektrallinien voneinander zu trennen bzw. dieses zu zerlegen, wird in dem Strahlungsbündelweg ein wei-

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teres Wellenlängenzerlegungselement angebracht, welches eine Wellenlängenzerlegung hervorruft, die unter einem Winkel zu der zuerst erwähnten Wellenlängenzerlegung des sogenannten Hauptgitters liegt. Diese zuletzt erwähnte Zerlegung wird normalerweise als gekreuzte Wellenlängenzerlegung bezeichnet und erfolgt entweder allein mittels eines Prismas oder allein mittels eines Gitters.

Bei einer derartigen Wellenlängenzerlegung bzw. -trennung, beispielsweise im Wellenlängenbereich des ultravioletten und sichtbaren Lichtes, erzeugt ein Prisma auf einer Brennfläche größere Abstände zwischen den Spektrallinien im Kurzwellenbereich des Spektrums als im Langwellenbereich desselben. Wenn anstelle eines Prismas ein Gitter benutzt wird, ist der Effekt umgekehrt, d.h. es werden größere Abstände zwischen den Spektrallinien im Langwellenbereich des Spektrums als im Kurzwellenbereich erzeugt.

Es ergibt sich somit, daß die Verwendung jedes dieser beiden optischen Elemente zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Spektrallinien auf einer Brennfläche führt. Diese beiden Möglichkeiten sind somit nur dann anwendbar, wenn nur wenige Spektrallinien zu zerlegen bzw. zu trennen sind.

Wenn andererseits ein sogenanntes Echelle- bzw. Stufengitter als Hauptgitter zum Zwecke der Wellenlängenzerlegung benutzt wird, muß eine größere Anzahl von Spektrallinien zerlegt bzw. getrennt werden. Wenn demzufolge diese Spektrallinien auf einer Brennfläche kleinerer Größe fokussiert werden müssen, sind die beiden oben beschriebenen Ausführungsformen nicht anwendbar, da die Spektrallinien in einem Teil der Brennfläche dichter beieinanderliegen werden als in einem anderen Teil der Brennfläche.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile auszuschalten bzw. zumindest beträchtlich zu reduzieren, indem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur

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Durchführung der Spektralanalyse geschaffen wird, bei dem eine gleichmäßigere Verteilung der Wellenlinien auf einer Brennfläche erhalten wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Brennfläche die Ab-8tand«mterschiede zwischen den Spektrallinien durch mehrfache Wellenlängenzerlegung reduziert werden.

Der erfindungsgemäBe Spektralapparat zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsunterschiede mindestens mittels zwei Yellenlängenzerlegungseinrichtungen in Form' von Prismen und Gittern reduziert werden.

Die Erfindung wird im folgenden mehr ins Detail gehend anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben, die ein Ausfuhrungsbeispiel in schematischer Darstellung wiedergeben. Es zeigern

Flg. 1 eine Ansicht einer Brennfläche, welche die Spektrallinienverteilung wiedergibt, wenn nur ein Gitter zur Trennung der Spektrallinien verwendet wird;

Fig. 2 eine Ansicht einer Brennfläche, die die Verteilung der Spektrallinien bei Benutzung nur eines Prismas zum Zerlegen bzw. Trennen der Spektrallinien wiedergibt;

Fig. 3 die Ansicht einer Brennfläche, welche die Spektrallini enverteilung wiedergibt, wenn erfindungegemftB zum Zerlegen bzw. Trennen der Spektrallinien ein Gitter kombiniert mit einem Prisma verwendet wird;

Flg. 4 in einem Diagramm schematisch die Spektrallinienverteilung auf einer Brennfläche, wenn entweder allein ein Gitter, allein ein aus verschiedenen Materialien bestehendes Prisma oder eine Kombination von Gitter und Prisma zum Zerlegen der Spektrallinien benutzt wird;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen

kombinierten Einheit aus Gitter und Prisma, die in dem Bündel- oder Strahlenweg hintereinander angeordnet sind;

Flg. 6 einen Vertikalschnitt eines Spektrometer, welches

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erfindungegemäß mit einer kombinierten Einheit versehen ist, welche aus einem Gitter und einem Prisma besteht, die in dem Bündel- oder Strahlenweg hintereinander angeordnet sind;

Fig. 7 eine schematische Ansicht einer elektronischen Bildröhre als Beispiel einer Zusatzeinrichtung für das in Fig. 6 dargestellte Spektrometer, und

Fig. 8 eine schematische Ansicht einer Filmkassettenanordnung als weiteres Beispiel einer Zusatzeinrichtung für das in Fig. 6 dargestellte Spektrometer.

Fig. 1 ist eine Ansicht einer Brennfläche 10 eines Spektralapparates, der als Hauptgitter ein Echelle- bzw. Stufengitter aufweist und weiterhin ein zusätzliches Gitter zum Zerlegen bzw. Trennen der Spektrallinien. Fig. 1 stellt die durch einen Komputer berechnete Verteilung der Spektrallinien 11 auf einer Brennfläche dar, wobei die jeweiligen Wellenlängen in Angström-Einheiten zwischen 1700 und 4000 angegeben sind und wobei eine Spektrallinie von dem zusätzlichen Trenn- bzw. Zerlegungsgitter zum Aufteilen der Spektrallinien benutzt worden ist. Der hinsichtlich der Dimensionen des Spektrums benutzte Maßstab ist unterhalb der Kreislinie 12 angegeben, welche die Peripherie der verfügbaren Brennfläche darstellt. Flg. 1 zeigt, daß die Spektrallinien in dem Kurzwellenbereich 13 dichter beinanderliegen als die Spektrallinien in dem Langwellenbereich 14, d.h. die einzelnen Spektrallinien sind ungleichmäßig über die Brennfläche verteilt. Dieses bedeutet, daß es bei Durchführung der Spektralanalyse schwierig ist, die Spektrallinien im Kurzwellenbereich 13 voneinander zu trennen, so daß es notwendig ist, bei Durchführung der Spektralanalyse den Wellenlängenbereich zu begrenzen.

Fig. 2 zeigt eine der Darstellung von Fig. 1 entsprechende Ansicht einer Brennfläche 15 des gleichen Spektralapparates, wie er in Verbindung mit Fig. 1 verwendet worden ist, wobei jedoch das Gitter zum Zerlegen bzw. Trennen der Spektrallinien

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durch ein dem gleichen Zweck dienendes Prisma ersetzt worden 1st. Gemäß Flg. 2 liegen die Spektrallinien 16 im Langwellenbereich 17 dichter beieinander als die Spektrallinien im Kurzwellenbereich 18. Die Spektrallinien sind demzufolge in unvorteilhafter Weise verteilt, und es ist zu erkennen, daß bei Benutzung eines Prismas die gleichen Nachteile erhalten werden wie bei der Benutzung eines Gitters gemäß Fig. 1, wobei jedoch der Unterschied vorliegt, daß gemäß Fig. 2 die Spektrallinien im Langwellenbereich schwieriger voneinander zu trennen bzw. zu unterscheiden sind. Auch in Fig. 2 ist die Peripherie der Brennfläche durch die Kreislinie 12 dargestellt.

Das Studium der Fig. 1 und 2 zeigt, daß es bei beiden Beispielen schwierig ist, die Spektrallinien in sämtlichen Bereichen des Spektrums voneinander zu trennen. Auf diese Weise ist es nicht möglich, eine Brennfläche begrenzter Größe in optimalem Ausmaß zu verwenden. Dieses kann insbesondere dann nachteilig sein, wenn in Verbindung mit der Spektralanalyse Fotokathoden von elektrischen Bildröhren als Brennfläche verwendet werden, welche in der Praxis nur eine sehr begrenzte Größe haben.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine gleichmäßigere Verteilung der Spektrallinien auf der Brennfläche zu erhalten, so daß auf eine Fläche begrenzter, d.h. kleinerer Größe ein größerer Wellenlängenbereich mit Spektrallinien fokussiert werden kann, die voneinander getrennt sind.

Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gelöst. Anhand von Fig. 3 wird eine Erläuterung des bei Anwendung der Erfindung erzielten Ergebnisse erläutert. Gemäß Fig. 3 sind die Spektrallinien 19 über den gesamten Wellenlängenbereich von 1700 bis 400 Angström im wesentlichen gleichmäßig verteilt und können über den gesamten, oben erwähnten Wellenlängenbereich getrennt- bzw. zerlegt werden. Dies beruht

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darauf, daß es aufgrund der Erfindung möglich ist, die im wesentlichen entgegengesetzten Wirkungen des Gitters und des Prismas auszunutzen, um die Spektrallinien auf der Brennfläche in umgekehrter Richtung Jeweils mit größeren Abständen zu zerlegen. Der in Verbindung mit Fig, 3 benutzte Spektralapparat ist der gleiche wie er in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 benutzt worden ist.

Fig. 4 zeigt schematisch die Trennung bzw. Zerlegung der Spektrallinien als Funktion der Wellenlänge und bezieht sich auf die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Beispiele. In Fig. repräsentiert die Kurve 20 das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1. Diese Kurve 20 zeigt in graphischer Darstellung, wie die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Spektrallinien bei anwachsender Wellenlänge zunehmen, wenn eine Spektrallinie von einem Gitter zum Zerlegen der Spektrallinien verwendet wird.

In Fig. 4 repräsentiert die Kurve 21 das Ausfüfarungsbeispiel gemäß Fig. 2; diese Kurve 21 zeigt, wie die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Spektrallinien mit anwachsender Wellenlinie abnehmen, wenn ein Prisma aus Kalziumfluorid zum Zerlegen bzw. Trennen der Spektrallinien benutzt wird.

In Fig. 4 repräsentiert die Kurve 22 das auf der vorliegenden Erfindung basierende und in Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel; die Kurve 22 zeigt graphisch, wie die Abstandsunterschiede zwischen den Spektrallinien über den gesamten Wellenlängenbereich reduziert sind.

Die Kurve 23 in Fig. 4 ist einem Prisma aus Bariumfluorid zugeordnet, die Kurve 34 einem Lithiumfluoridprisma und die Kurve 25 einem Natriumfluoridprisma.

Die Kurvenformen bei Prismen, die aus verschiedenen Materialien hergestellt sind und zum Zerlegen bzw. Trennen der Spektrallinien benutzt werden, zeigen, daß das hier vorliegende

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Problem nicht allein durch einen einfachen Austausch der Prismenmaterialien gelöst werden kann.

Beim Festlegen der jeweiligen Parameter der erfindungagemäßen, aus Gitter und Prisma kombinierten Einheit ist es erfindungsgemäß möglich, die Gleichmäßigkeit der Verteilung der Spektrallinien auf der Brennfläche weiter zu optimieren· Dieses wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die jeweiligen Parameter für das Prisma und das Gitter in einer solchen Weise ausgewählt werden, daß die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Spektrallinien bei den größten und den kürzesten Wellenlängen im Spektralbereich gleich groß sind, so wie es durch die Kurve 22 in Flg. k dargestellt ist. Die relevanten Gitterparameter sind der Gitterstrichabstand, die Spektrallinie und der Lichtwinkel. Hinsichtlich des Prismas sind die relevanten Parameter das Material, aus dem das Prisma hergestellt ist, und dessen Berechnungswinkel· Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Parameter zur Erzielung der jeweils erwünschten Ergebnisse in der jeweils vorteilhaften Weise gegeneinander aus zutauechen.

Fig. 5 zeigt in perspektivischer Ansicht die erfindungsgemäß kombinierte aus Gitter und Prisma bestehende Einheit. Das dargestellte ebene Reflektionsgitter 26 ist auf der einen Seite liniert (Bezugszeichen 27). Das ebenfalls in Fig. 5 dargestellte transparente Prisma 28 besteht entweder aus Kalziumfluorld, Lithiumfluorid, Natriumfluorid, Quarz od. dgl·· Die Erfindung ist nicht auf diese Stoffe beschränkt, sondern es können stattdessen andere in optischer Hinsicht geeignete Materialien benutzt werden. Bei der in Fig. 5 schematisch dargestellten Anordnung fällt das Bündel bzw. fallen die Strahlen auf die eine Prismaseite auf und werden nach Durchgang durch das Prisma gegen das Gitter gerichtet, von dem das Bündel bzw. die Strahlen wieder durch das Prisma zurückgeschickt wird bzw. werden. In Fig. 5 ist das Bezugszeichen einem einfallenden monochromatischen Strahl zugeordnet, während das Bezugszeichen 13 dem gleichen Strahl nach der

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- 8 Berechnung und anschließender Diffraktion zugeordnet ist.

Obwohl gemäß Fig. 5 das Prisma, bezogen auf die Bahn- bzw. Bewegungsrichtung des einfallenden Strahles, vor dem Gitter angeordnet ist, ist diese Anordnung nicht bindend für die Erfindung, da die Reihenfolge umgekehrt werden kann. In einem solchen Fall wird ein im Prinzip bekanntes Durchlaßgitter verwendet, d.h. ein Gitter, welches das Bündel oder einen Strahl passieren läßt, und dem Gitter ist ein Prisma zugeordnet, beispielsweise ein Littrowprisma, d.h. ein Prisma, welches eine reflektierende Seite hat. Über die erwähnten Gitter hinaus können erfindungsgemäß auch andere Gitter benutzt werden, beispielsweise Konkavgitter, sogenannte holographische Gitter usw.

Es liegt im Rahmen der Erfindung verschiedene Kombinationen von Gittern und Prismen zu benutzen, wenn derartige Anwendungsarten erwünscht und vorteilhaft sind.

In Fig. 6 ist in schematischer Weise ein Längsschnitt der erfindungsgemäßen Spektralvorrichtung wiedergegeben. Ein Gehäuse 31 weist eine Öffnung 32 für den Eintritt eines Strahles oder Strahlenbündels 34 auf, der bzw. das vorher einen Eingangsschlitz 33 passiert. Der Strahl bzw. das Bündel fällt innerhalb des Gehäuses auf einen Konkavspiegel 35 und wird von diesem auf eine Prisma-Gitter-Einheit 36 reflektiert, wie sie beispielsweise in Fig. 5 mehr ins Detail gehend dargestellt ist. Das Bündel bzw. der Strahl wird von der Prisma-Gitter-Einheit 36 zerstreut auf ein Hauptgitter 37 gerichtet, beispielsweise ein sogenanntes Echelle- bzw. Stufengitter, welches das Bündel oder den Strahl zerstreut auf einen Konkavspiegel 38 wirft, der seinerseits das Bündel bzw. den Strahl auf eine durch die Linie 39 angedeutete Brennebene bzw. Brennfläche fokussiert. In Verbindung mit der Brennfläche 39 wird vorzugsweise ein (nicht dargestelltes) Filter verwendet, um störende Spektrallinien von dem Gitter der oben erwähnten Prisma-Gitter-Einheit 36 auszufiltern.

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Es ist zu erkennen, daß das bzw· der durch den Eingangsschlitz 33 einfallende Bündel bzw. Strahl von dem Konkavspiegel 35 kollimlert wird, wobei das Strahlenbündel auf die kombinierte Prisma-Gitter-Einheit 36 auftritt. Des diese Einheit verlassende Bündel hat darin eine Wellenlängenzerlegung rechtwinklig zur Zeichenebene erhalten. Das in dieser Weise zerstreute Bündel trifft auf das Hauptgitter 37» wo eine Wellenlängenzerlegung in der Zeichenebene stattfindet· Das zerstreute bzw. zerlegte Bündel trifft auf den Konkavspiegel 38 auf, der das Bündel auf der Brennebene 39 zu einem Spektrum fokussiert, das erfindungsgemäß innerhalb eines begrenzten Bereiches eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Spektrallinien bzw. Spektralgrößen hat.

Gemäß Fig. 6 ist an der Vorderseite des Gehäuses 31 eine Ausgangsöffnung 40 mit FUhrungschienen 41, 42, 43 und 44 versehen, die dazu dienen, beispielsweise in der Brennebene eine Sicht- bzw. Schauplatte anzubringen. Anstelle einer Sicht- bzw· Schauplatte kann eine fotografische Platte eingesetzt werden, oder, wenn es erwünscht ist, einen Film durch die Vorrichtung zu übermitteln, kann mittels der Führungsschienen eine Filmkassettenanordnung 45 der in Fig. 8 dargestellten Art angebracht werden.

Die Tatsache, daß es mittels der in der allgemeinen Form in Fig. 6 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich ist, die Spektrallinien zumindest im wesentlichen gleichmäßig auf einer Brennfläche begrenzter Größe zu verteilen, ist insbesondere im Fall von fotoelektrisch aufgezeichneten Spektralanalysen von besonderem Vorteil, bei denen Bildröhren verwendet werden. Ein Beispiel einer solchen Anordnung mit Bildröhren ist in Fig. 7 dargestellt, in der die Bildröhre insgesamt das Bezugszeichen 46 trägt. Die Linie 47 in Fig. 7 ist der Fotokathode der Röhre zugeordnet. Die gesamte Röhre 46 dient dazu, mittels der Führungen 48 und 49 zwischen die Führungsschienen 41, 42, 43 und 44 des Gehäuses 31 so eingesetzt zu werden, daß die Fotokathode 74 mit der Brennfläche 39

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gemäß Fig. 6 zusammenfällt.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen AusfUhrungsformen beschränkt, sondern kann im Rahmen der folgenden Ansprüche in vielfältiger Weise modifiziert werden. In der Beschreibung ist beispielsweise auf die hintereinander erfolgende Wellenlängenzerlegung eines einzigen Strahlenbündels oder Strahles Bezug genommen. Die Erfindung kann jedoch auch dann angewendet werden, wenn das Bündel in mindestens zwei Unterbündel aufgeteilt wird, wobei dann das erfindungsgemäße Verfahren getrennt für jedes dieser Unterbündel angewendet wird.

Die in diesem Fall benutzte Vorrichtung besteht dann aus mehreren der anhand von Fig. 6 beschriebenen Vorrichtung, und zwar in Abhängigkeit von der Anzahl der Unterbündel.

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Claims (9)

1. Patentansprüche

   y\jj Verfahren zur Durchführung einer Spektralanalyse mit Zerlegung bzw. Trennung der Spektrallinien, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Brennfläche die Abstandsunterschiede zwischen den Spektrallinien durch mehrfache Wellenlängenzerlegung reduziert werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsunterschiede mindestens mittels zwei Wellenlängenzerlegungseinrichtungen in Form von Prismen und Gittern reduziert werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wellenlängenzerlegungseinrichtung geeignete Kombinationen von Prismen und Gitter verwendet werden.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3_t dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung der Abstandsunterschiede auf eine Brennfläche durch eine in der Strahlenbündel- oder Strahlenbahn hintereinanderfolgende Wellenlängenzerlegung durchgeführt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangsstrahlenbündel in mindestens zwei Unterbündel zerlegt wird, und daß die Reduzierung der Abstandsunterschiede zwischen den Spektrallinien auf der Brennfläche individuell für die einzelnen Unterbündel durchgeführt wird.
6. 6. Spektralapparat zur Durchführung der Spektralanalyse mit Zerlegung bzw. Trennung der Spektrallinien gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlenbündel bzw. Strahlenweg mindestens zwei Wellenlängenzerlegungseinrichtungen angebracht sind, die aus einem Prisma und einem Gitter bestehen und die zusammen

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   in Kombination zur Reduzierung der Abstandsunterschiede zwischen den Spektrallinien auf der Brennfläche dienen.
7. 7. Spektralapparat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängenzerlegungseinrichtung jeweils Zerlegungsparameter haben, die zusammen eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Spektrallinien auf der Brennfläche gewährleisten.
8. 8. Spektralapparat nach Anspruch 6 und/oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennfläche mit der Fotokathode einer Bildröhre koordiniert ist.
9. 9. Spektralapparat nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens zwei durch eine Prisma-Gitter-Einheit gebildete Bahnen für in entsprechender Anzahl aufgeteilte Unterbündel eines Hauptbündels aufweist.

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