DE2523160A1

DE2523160A1 - Spektrometer

Info

Publication number: DE2523160A1
Application number: DE19752523160
Authority: DE
Inventors: Robert John Speer; David Turner
Original assignee: NAT RES DEV
Current assignee: NAT RES DEV
Priority date: 1974-05-28
Filing date: 1975-05-24
Publication date: 1975-12-18
Also published as: GB1510108A; US4027975A

Description

Bei den meisten Spektrometern, die für die Analyse elektromagnetischer Strahlung verwendet werden, ist bei einem konkaven sphärischen Gitter die Instrumentenkonstruktion auf dem Rowland¹sehen Prinzip aufgebaut.

Das Gitter ist ein Teil einer Kugel und trägt Linien auf der konkaven Oberfläche/ die, wenn sie auf eine ebene Fläche projiziert sind, parallel sind und gleichweit voneinander entfernt. Der Eintrittsschlitz, das Gitter und der Detektor (eine fotografische Platte oder ein Betrachtungsteleskop) sind auf dem Umfang eines Kreises angeordnet, dessen Durchmesser gleich dem Radius der Krümmung des Gitters ist. Das Gitter ist verhältnismäßig kurz und tangential zum Kreis angeordnet, der auch als Rowland-Kreis bezeichnet wird.

WR/Si

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Solche Instrumente haben breite Bandeigenschaften, aber das Bild, was sie liefern, ist nicht vollkommen, selbst in der Meridianebene kleiner Gitter, und es wird sehr schnell zerstört, wenn das Gitter in seiner Länge erweitert wird, d. h. um die Winkelapertur zu erhöhen. Klare Bilder sind daher schwach, und lange Belichtungszeiten für fotografische Emulsionen sind erforderlich, um Spektrallinien ausreichender Helligkeit zur Durchführung akurater Messungen zu erhalten.

Größte Sorgfalt muß bei der Herstellung der Linien des Gitters angewandt werden. Die Funktion des Instruments hängt ab von den Möglichkeiten der die Linien erzeugenden Maschine. Unregelmäßigkeiten und Systemveränderungen im Abstand der Linien über die Gitterfläche hinweg sind sehr ernste Fehler.

' Es wurde nun gefunden, daß bei besonderer Auswahl des Abstandes der Linien auf einem sphärischen oder toroidalen Gitter bessere Bilder erhalten werden, wenn man von dem Rowland'sehen Prinzip in besonderer Weise abweicht.

Gegenstand der Erfindung ist daher die Schaffung eines neuen und verbesserten Spektrometers oder abtastenden Monochromators.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Erzeugung eines Liniengitters mit anderem Linienabstand, so daß man eine verbesserte Abbildung der Strahlungsquelle erhält.

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Erreicht wird das dadurch, daß das Spektrometer gemäß der Erfindung eine bogenförmige Führungsbahn hat, die in einer bestimmten Ebene liegt, .ein konkaves reflektierendes Gitter mit darauf angeordneten, senkrecht zur Ebene verlaufenden Linien, wobei das Gitter auf der Bahn angeordnet ist, eine Strahlungsquelle für eine elektromagnetische Strahlung, die zu untersuchen ist, die ebenfalls auf der Bahn angeordnet ist, wobei diese eine Meridianebene bildet, die parallel zur Ebene der Führungsbahn liegt und die durch das reflektierende Gitter hindurchgeht, Detektoreinrichtungen, die ebenfalls auf der Meridianebene angeordnet sind an eira: Stelle auf der Bahn, äQ daß sie die Abbildung der Strahlungsquelle aufnehmen, dLe durch das Gitter abgebeugt ist, wobei die konkave Oberfläche des Gitters den gleichen Krümmungsradius in der Meridianebene hat und die Frequenz der Gitterlinien sich systematisch über das Gitter verändert.

Die Befestigung oder Halterung der Strahlungsquelle und des Detektors liegen auf dem Umfang eines Kreises, dessen Radius der Radius der Krümmung der Gitteroberfläche ist. Der Radius des Kreises ist somit zweimal der Radius eines entsprechenden Rowland-Kreises.

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Die Erfindung wird nun nachfolgend sowohl theoretisch als auch an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 schematisch ein bekanntes sphärisches Gitter,

Fig. 2 eine geometrische Konstruktion, die die Abweichung des Linienabstandes eines bevorzugten Gitters gemäß der Erfindung veranschaulicht ,

Fig. 3 und 4 schematisch einen Vergleich zwischen den Ergebnissen, die man in einem Instrument erhält, welches die Rowland'sehen Prinzipien verwendet und den Ergebnissen, die man in einem abtastenden Monochromator erhält, der gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist,

Fig. 5 schematisch ein Spektrometer gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 6 die Eichung eines typischen Instruments gemäß der Erfindung und

Fig. 7 eine Mechanik zur Beherrschung eines Gitters gemäß dem Gesetz N=K sin y.

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Wie in der Zeichnung, insbesondere in Fig. 1 dargestellt ist, umfaßt ein typisches Gitter eine Platte 1 mit einer konkaven reflektierenden Oberfläche 2. Diese Oberfläche kann sphärisch oder toroidal gekrümmt sein, wobei die Krümmung in der Vertikalebene größer ist als die Krümmung in der Meridianebene. Bei den bekannten Gittern ist der Radius der Krümmung in der Meridianebene zweimal größer als der Radius der Krümmung der Spur, d. h. des Rowland-Kreises, und der Gitterlinienabstand 3 ist gleichmäßig, falls die Gitteröffnung klein ist oder falls größer, derart, daß er dann gleichmäßig ist, wenn er in einer ebenen Fläche projiziert ist. Ein auf eine solche Fläche einfallender Strahl 4, der Strahlungen unterschiedlichster Wellenlängen umfaßt, wird in eine Mehrzahl von Strahlen 5, 6, 7 und 8 zerlegt. Diese Strahlen als Ordnung +1, Ordnung +2 bis Ordnung +n und auch Ordnung -1 bezeichnet, bestehen jeweils aus einer Strahlung diskreter Wellenlänge. Der Strahl oder Strahlengang 9, der auch in Fig. 1 gezeigt ist, ist der O. Ordnung und gibt den Weg an, der bei einer gewöhnlichen Strahlenreflektion auftritt, d. h. der Strahlung gemischter Wellenlänge, die dem einfallenden Strahl entspricht. Bei Spektrometern bekannter Art oder bei abtastenden Monochromatoren waren die (Strahlungs-)Quellenmittel das Gitter und der Detektor oder die Betrachtungseinrichtungen alle auf einem Kreis angeordnet, dessen Durchmesser gleich dem Radius der Krümmung des Gitters in der Meridianebene war.

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Der Kreis in Fig. 2 stellt die Merxdianebene der inneren konkaven Oberfläche eines Gitters gemäß der Erfindung dar. Die Oberfläche soll als reflektierend angesehen werden. Licht, welches vom Punkt S imitiert wird und das den Punkt A trifft, wird nach normalen optischen Prinzipien zumPunkt F reflektiert, derart, daß x¹ = x" ist, wobei x¹ und x" die sich gegenüberliegenden Winkel am geometrischen Mittelpunkt O des Kreises sind und der Segmente des Kreises SA und AF.

Die Oberfläche soll mit Linien versehen sein, die senkrecht zur Ebene der Figur verlaufen und mit zunehmender Frequenz über einen Bereich von A bis B und darüber hinaus,

null
wobei die Frequenz am Punkt A / ist. Das Segment AB liegt

dem Winkel θ am Mittelpunkt des Kreises gegenüber.

Angenommen, das Licht der Wellenlänge ^ wird an dem Punkt B gebeugt, so daß es auf den Punkt F tritt, dann lautet die normale Gittergleichung:

d =

COS ei> - COS ß

^m λ ι

cos

(nach Euclidean Geometrie)

d =

2 sin x¹ sin Q 2 2

-7-

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in der d der Abstand zwischen den Linien auf der Oberfläche ist, m eine Konstante, cP der Winkel zwischen dem einfallenden Strahl und dem Tangens zur Gitteroberfläche an dem Punkt des Auftreffens und ß der Winkel zwischen dem gebeugten Strahl und demselben Tangens, jedoch ist d =

i, worin N die' Gitterfrequenz ist. Mithin ist

2 sin x¹ sin O
N = 2 2

m λ j

Da x¹ für alle Wellenlängen λ_χ der Strahlen festliegt, die von der Oberfläche gebeugt werden und durch den Punkt F gehen, muß N sich linear mit sin G ändern, d. h. N=K sin O,

2

2 sin x¹
K= 2

m A₁

Die mit Linien versehene Oberfläche besitzt daher eine Krümmung, die mit dem Befestigungskreis der Lichtquelle und dem Detektor zusammenfällt und besitzt eine Linienfrequenz, die progressiv um den Kreis herum sich verändert und deren Minimum an einem Punkt liegt in der Nähe der Stelle A des Kreises und das Maximum an einem Punkt, der diametral der Stelle A gegenüberliegt. Durch Veränderung des Wertes K können Gitter berechnet werden, die für irgendeinen Wellenlängenbereich brauchbar sind, vom X-Strahlenbereich bis zum In-

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frarotbereich. Für irgendein Gitter, das einmal hergestellt ist, ist der Wert für K festgelegt. Die eingestellte Wellenlänge kann dann durch Berechnung des Winkels x¹ für die Strahlenquelle gemäß:

., _ ο _.._ -1 KmX

x' = 2 sin

ausgewählt werden. Die gewählte Wellenlänge A wird auf den Punkt F auf dem Kreis fokussiert, wo O = 360 - x¹ ist.

Andererseits ergibt sich für einen bekannten Wert von x¹ die Wellenlänge m X, die eingestellt ist durch:

mA = 2_sin_xV2
K

Die maximale Wellenlänge, die überhaupt mit einem bestimmten Gitter fokussiert werden kann, ist somit 2_, wenn χ = 180 ist.

Am Punkt A des Kreises wäre die Linienfreguenz des Gitters theoretisch /. Deshalb findet normale RefIe χ ion auch dort statt, so daß Wellenlängen außer /^ zum Punkt F reflektiert werden. Aus diesem Grund ist ein praktisches Gitter vorzugsweise nicht in den Bereich ausgedehnt, wo solche Reflexionen stattfinden können und erweisen sich als unsinnig. Der Bereich zwischen dem Punkt A und dem Punkt F ist ebenfalls nicht benutzt, so daß ungebeugtes Licht, das direkt auf den Punkt F fällt, vermieden wird. Aus diesen Überlegun-

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gen ergibt sich, daß die Stelle auf der Kante C eines praktischen Gitters möglichst dicht am Punkt A ein Kompromiß ist und sollte vorzugsweise zwischen den Punkten A und S liegen. Diese Lage wird durch den Winkel O min definiert.

Die Wahl von O max, d. h. die Position der Kante D des Gitters, die am weitesten vom Punkt A wegliegt, verlangt eine korrekte Abwägung zwischen widerstreitenden Erfordernissen. Je größer O max gemacht werden kann, umso größer wird das Gitter und umso höher die numerische Apertur und Transmission des Instruments. Bei einem praktischen Instrument ist jedoch O max üblicherweise größer als x', weil das Gitter die Quelle verdecken wird. Natürlich hängt die Lage des Punktes S von der Wellenlänge ab, die untersucht werden soll, aber eine Grenze für O tritt auf unabhängig von der Wellenlänge bei O max = 90°. An dieser Stelle ist die Linienfrequenz des Gitters gleich der Wellenlänge, die fokussiert wird, wenn x¹ = 90 ist und kleiner als die fokussierte Wellenlänge von einer Quelle mit irgendeinem größeren Wert von x¹. Die Intensität der gebeugten Strahlen ist daher vernachlässigbar. Folglich braucht nur der Quadrant der Oberfläche des Gitters berücksichtigt oder betrachtet zu werden, der zwischen ö=0 und θ = 90° liegt.

Probleme, die sich bei der Herstellung der Gitterlinien ergeben, bestimmen auch die Grenze der Größe derselben und da ein verhältnismäßig großes Instrument einen Montagekreis-

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durchmesser hat, der im Bereich von einem oder mehreren Metern liegt, ist es wünschenswert, um eine hinreichende weitere Dispersion des Spektrums zu erhalten, daß die Gitterlänge bei einem praktischen Instrument nur einen kleinen Bruchteil des Quadranten ausmacht. Trotz solcher Limitationen bei einem Spektrometer oder Monochromator unter Berücksichtigung der dargelegten Prinzipien kann es einen Wellenlängenbereich haben und eine numerische Apertur, die beträchtlich größer ist als die, die man bei Instrumenten findet, die den Rowland'sehen Prinzipien entsprechen.

Wie aus den vorangegangenen Gleichungen hervorgeht, sind die durchgelassene Wellenlänge und die Frequenz der Linien des Gitters theoretisch unabhängig vom Durchmesser der Kreismontierung. In der Praxis jedoch wird der Durchmesser wenigstens zu einem gewissen Grad von der durchgelassenen Wellenlänge abhängig sein, weil es erforderlich ist, eine adequate Ausbreitung des Spektralbildes zu erhalten, was wiederum von der Wellenlänge abhängt.

Es sollte schließlich darauf hingewiesen werden, daß der Beugungsprozeß hier mit einfachen Gleichungen geometrischer Optik beschrieben ist. Diese Annäherung ist nur gültig

4 für Gitterabstände d,die zwischen den Grenzen von 10 und 10 Wellenlängen liegen.

Für 2 l>d > ' in ^er9^e^^en sich sehr komplexe Bildphenomene, die nur mit Wellenoptiken und den Gleichungen der elektromagnetischen Theorie richtig beschrieben werden

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können. Es ist daher wünschenswert, Bereiche von Gittern zu vermeiden, für die d ^ λ/_1Q in der praktischen Konstruktion sind. Diese Begrenzung ist anwendbar über das ganze elektromagnetische Spektrum, und daher ist die Größe eines Gitters (und folglich die des Instruments) sehr unterschiedlich für beispielsweise X-Strahlen der Wellenlänge 1 Nanometer und für Infrarot der Wellenlänge 1 mm.

In Fig. 3 ist schematisch eine Vorrichtung gezeigt, die auf dem Rowland'sehen Prinzip beruht. Ein sphärisches Gitter G mit Linien, die gleichmäßig weit voneinander getrennt sind, wenn man sie auf eine ebene Oberfläche projiziert, ist tangential zu einem Rowland-Kreis angeordnet. Letzterer stellt den Montageort der Lichtquelle und des Detektors dar. Die Strahlung wird tatsächlich von der Quelle S imitiert, aber wird in einem Schlitz S₂ gesammelt, der auf dem Kreis angeordnet ist. Der Schlitz ist daher die Strahlungsquelle, wenn man es vom Gitter aus sieht. Die Strahlung, die durch die ausgezogenen Linien dargestellt ist, ist nicht dispergiert; es kann z. B. weißes Licht sein und den Pfad oder Strahl O. Ordnung darstellen. Die Strahlung^ die dann darauf folgen und die durch die punktiertenLinier} die gestricheltenLinien und die strichpunktierten Linien angedeuteten Strahlungen sind solche verschiedener Wellenlängen und sind auf den Umfang des Kreises fokussiert. Dieser Kreis hat einen Radius, der der halbe Radius der Krümmung der Gitteroberfläche ist.

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Fig. 4 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die auf den Prinzipien der vorliegenden Erfindung beruht und einem abtastenden Monochromator entspricht. Wie vorher ist die Strahlungsquelle vom Gitter aus betrachtet ein Schlitz S₂/ der auf einer Stelle eines Kreises steht, dessen Mittelpunkt O ist, aber in diesem Falle hat der Kreis dieselbe Krümmung wie das Gitter, und das Gitter steht auf dem Kreis mit seiner Kante P getrennt von dem Punkt A zum Schlitz hin verschoben. Erfindungsgemäß variiert die Gitterlinienfrequenz über das Gitter von einem Minimum an der Stelle P₁ bis zu einem Maximum an der Stelle P₂/ und zwar entsprechend dem abgeleiteten Gesetz

N = K sin -j. Die gestrichelten Linien bedeuten Strahlungen der Wellenlänge ^ ... Es ist zu erkennen, daß die Strahlung genau auf den Umfang des Kreises fokussiert" ist. Strahlungen anderer Wellenlängen werden jedoch nicht auf diesen Umfang fokussiert. Dies ist in dem Diagramm in Abhängigkeit von zwei Wellenlängen dargestellt, die von der Wellenlänge \ um den kleinen Betrag ΔΚ abweichen. Die Eigenschaft der vorliegenden Erfindung, eine gewählte einzige Wellenlänge zu fokussieren, ist unabhängig von der numerischen Apertur eines bestimmten Geräts.

Bei einem praktischen Gerät oder Instrument wird der Austrittsschlitz an dem Fokussierungspunkt einer gewünschten Strahlung angedeutet, d. h. einer Strahlung ^ . Dadurch hält man von dem Detektor die unfokussierte Strahlung fern.

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In Fig. 4 ist ein Austrittsschlitz S₃ gezeigt, der so angeordnet ist, daß er nur Strahlung der Wellenlänge λ _χ durchläßt. Wenn beide, der Eintritts- und der Austrittsschlitz, unendlich klein sind, ist die austretende Strahlung monochromatisch, wenn auch von unendlich kleiner Intensität. Mit einer praktischen Schlitzbreite wird ein enger Bereich von Wellenlängen durchgelassen, und die Bandbreite kann durch Justierung der Breite des Schlitzes verändert werden.

Die beiden Schlitze S₂ r S₃ müssen symmetrisch angeordnet sein zu beiden Seiten der Achse, die durch den Punkt A des Kreises hindurchgeht, an der der Strahl vom Eintrittsschlitz zum Austrittsschlitz reflektiert wird. Dieser Punkt wird Ursprungspunkt genannt.(Falls das Gitter sich bis zu diesem Punkt erstreckt,würde die Gitterfrequenz O sein). Eine Justierung zur Veränderung der durchgelassenen Wellenlänge kann vermittels eines Gelenks erfolgen, durch die die beiden Schlitze gezwungen werden, sich mit gleichen Geschwindigkeiten in entgegengesetzte Richtungen auf dem Kreisumfang zu bewegen. Das Gitter ist relativ zum Ursprungspunkt befestigt. Geeignete Gelenke oder Lenker für diesen Zweck sind bei Reflektometern bereits vorhanden, bei denen dieselben relativen Bewegungen erforderlich sind. Eine äquivalente Bewegung kann man auch dadurch erreichen, daß man einen der Schlitze fest anordnet und das Gitter auf dem Kreis mit einer Geschwindigkeit bewegt und den anderen Schlitz, in der gleichen Richtung mit der zweifachen Geschwindigkeit. Die Schlitze

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(und die Strahlungsquellen) müssen sich drehen, wenn sie sich auf dem Kreis bewegen, so daß sie weiterhin dem Gitter zugekehrt sind, welche Stellung sie auch immer einnehmen. Diese Bewegung kann dadurch erfolgen, daß man die Rahmen der Schlitze in Lagern anordnet, so daß die Mittellinie des Schlitzes zur Achse der Rotation ausgerichtet ist und durch Anordnung von Stiften, die an dem Gitter schwenkbar gelagert sind und auf denen die geschlitzten Rahmen gleiten, ergeben sich Führungen, die unter einem entsprechenden Winkel angeordnet sind, so daß jeder Schlitz immer dem Gitter zugekehrt ist.

In Fig. 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die Figur zeigt ein Spektrometer mit einer bogenförmigen Bahn 10, die einen vollständigen Kreis bilden₍kann, jedoch im allgemeinen, wie gezeigt, in der Länge begrenzt ist. Auf dieser Bahn ist ein Lichtquellenschlitten 11 angeordnet, ein Gitterschlitten 12 und ein Detektorschlitten 13. Jeder Schlitten ist auf der Bahn 10 beweglich, und es ist Vorsorge getroffen, daß die Schlitten in ihren jeweiligen Positionen arretiert werden können. Bei manchen Anwendungen kann der eine oder der andere der Schlitten fest angeordnet sein. Es ist dies im allgemeinen der Lichtquellenschlitten. Ansonsten ist für den normalen Gebrauch ein Schlitten arretiert, je nachdem, wie der Benutzer es wünscht, während die anderen beiden zur Justierung und/oder zu Messungen frei

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beweglich sind. Bei bestimmten Messungen natürlich können alle drei Schlitten in einer bestimmten Stellung auf der Bahn arretiert sein.

Die drei Schlitten sind mechanisch durch eine Gewinde--Spindelanordnung untereinander verbunden. Die Lichtquellen- und Detektorschlitten 11 und 13 tragen schwenkbare Scheiben 14 und 15 mit einer Gewindebohrung 16, 17, durch die die Gewindespindeln 18 und 19 hindurchführen. Diese Gewindespindeln haben jeweils rechts und links Gewinde und tragen Kegelzahnräder 20 und 21 an ihren Enden, die mit einem Kronenrad

22 kämmen, das drehbar auf dem Gitterschlitten 12 gelagert ist und eine Rotationsachse 23 besitzt, die mit der Mitte bzw. Mittellinie der Bahn zusammenfällt. Jede Gewindespindel ist auch an ihrem inneren Ende in einem schwenkbaren Lager 24, 25 gelagert, derart, daß das Lager um die Rotationsachse

23 des Kronenrades 22 verschwenken kann. Ein weiteres Kegelrad 26 ist auf einer Antriebswelle 27 gelagert und kämmt mit dem Kronenrad 22 und liefert für dieses einen Antrieb.

Auf der Drehscheibe 14 des Lichtquellenschlittens 11 sitzt eine geeignete Quelle elektromagnetischer Strahlung, die z. B. einen Schlitz 28 umfassen kann, auf den eine Strahlung fokussiert ist. Auf der Drehscheibe 15 des Detektorschlittens 11 und in derselben Horizontalebene wie der Schlitz 28 ist ein geeigneter Detektor 29 angeordnet, der z. B. ein elektrischer Photonendetektor sein kann oder eine fotografische Platte. Zwischen den beiden Drehscheiben liegt

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in derselben Horizontalebene auf dem Gitterschlitten 12 das Gitter 30. Die Stellung des Gitters 30 ist justierbar auf der Bahn relativ zur Rotationsachse 23 des Kronenrades, dessen Achse den Ursprungspunkt darstellt. Eine Rotation der Antriebswelle 27 bewegt die Schlitten 11 und 13 von dem Schlitten 12 weg, während eine Rotation in der anderen Richtung die Schlitten 11 und 13 auf den Schlitten 12 zubewegt. Wenn der Gitterschlitten auf der Bahn arretiert ist, bewegen sich dann die anderen Schlitten für die Strahlungsquelle und den Detektor auf der Bahn entsprechend entlang. Ist der Quellenschlitten arretiert, dann bewegen sich der Gitterschlitten und der Detektorschlitten in die gleiche Richtung, und zwar der erstere mit der halben Geschwindigkeit des letzteren.

Ein abtastender Monochromator gemäß der Erfindung ist im Grunde ähnlich dem Spektrometer, das in Fig. 5 dargestellt ist. Er besitzt die gleiche Bahn und die gleiche mechanische Ausgestaltung und weicht nur an der Stelle des Detektors 29 ab, weil dort dann der Austrittsschlitz (S₃ in Fig. 4) angeordnet ist, der selbst wieder als Strahlenquelle wirkt. Diese Quelle kann man direkt betrachten, oder ihre Strahlung kann in einem weiteren optischen System, beispielsweise einem Fernrohr (nicht gezeigt), gesammelt werden. Die Quelle kann auch anders ausgestaltet sein und wird oft von einer selbststrahlenden Probe, beispielsweise einer Mikrosonde, gebildet.

Fig. 6 zeigt schematisch das geometrische "layout" des Instruments mit einem Gitter, das entsprechend dem Gesetz

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N = K sin 2" konstruiert ist für eine Verwendung bei einer minimalen Wellenlänge von 23 8-Einheiten und einer geschlossenen Kreisbahn. Die Wellenlänge von 23 A*-Einheiten liegt im Bereich der Gitterinzidenz der weichen X-Strahlung. Inzidenzwinkel ^ und die Linienfrequenz N werden daher willkürlich auf 2 und 1200 Linien/mm festgelegt, und zwar in der Mitte des Gitters. Der Krümmungsradius wird mit 2,5 m gewählt, um zu einem bestehenden Instrumentenrahmen zu passen. Die Länge des Gitters betrug 200 mm. Dadurch erhält man Werte von 0 von 2705° in der Mitte des Gitters und 0.412° und 4.997° an den beiden Enden und einen Wert für K von 50848ä" . Die Werte für N waren folglich 183 Linien/mm an dem einen Ende des Gitters in der Nähe des Ursprungspunktes und 2,217 Linien/mm an dem anderen Ende in der Nähe des Eintrittsschlitzes. Wenn das Gitter festgelegt ist, schwingen die Einlaß- und Auslaßschlitze in entgegengesetzte Richtung auf dem Kreis, so daß die Wellenlänge, die von den 23 S bei x¹ = 6.705°, wo dL = 2° ist in der Mitte des Gitters, zu 387 S bei x' = 160°, wo d~ =78,6 ist, verändert wird. Die letzte Stellung der Schlitze ist praktisch das Maximum, weil Einlaß- und Auslaßschlitze nicht dieselbe Stellung einnehmen können und die Halterung der Schlitze eine noch dichtere Annäherung verhindert.

Das Instrument, welches mit Bezug auf Fig. 5 und 6 beschrieben worden ist, besitzt genau spezifizierte geometrische Parameter, dh. einen Montierungskreis mit einem genau

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gleichen Ort für das Gitter und geanu berechnete Stellen für Einlaß- und Auslaßschlitze für eine bestimmte Änderungsgeschwindigkeit der Linienfrequenz auf dem Gitter. Diese Ergebnisse erhält man jedoch auf Kosten der Verwendung der et-

was komplizierten Gesetzmäßigkeit von N = K sin ^- für die Anordnung der Gitterlinien. Für relativ kurze Gitter (d. h. von geringer Winkelapertur) würde dieses Gesetz durch das Gesetz N = K¹ -s- angenähert sein und ganz annehmbare Ergebnisse lie-

~ ^K 2
fern mit einem Gitter, dessen Linienabstand sich linear mit der" Entfernung auf der Tangente zum Montierungskreis im Punkt A ändert.

Bei einem Instrument ist die Winkelapertur des Gitters begrenzt, nämlich darauf, daß der Winkel, der dem Mittelpunkt der Krümmung gegenüberliegt, 9° nicht übersteigen darf. Bei größeren numerischen Aperturen machen sich Defokussierungseffekte bemerkbar, und diese Effekte treten auch auf, wenn der Bereich der Wellenlängen von dem optimalen Wert abweicht. Das wiederum macht die Justierung der Eintritts- und Austrittsschlitze auf eine etwas andere Stelle auf der Bahn erforderlich. Selbst mit diesen Grenzen kann man Instrumente herstellen, die numerische Aperturen haben, die einige fünf bis zehn Mal größer sind als jene, die früher zur Verfügung standen und falls der Bereich der Wellenlängen auch begrenzt wird, dann ist die Abweichung der Montierung der Eintritts- und Austrittsschlitze von dem Kreis, der das Gitter enthält, vernachlässigbar.

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Es ist bei einem Instrument gemäß der vorliegenden Erfindung wichtig, genauso wie bei einem Instrument, welches auf den Prinzipien von Rowland beruht, daß die Linien des Gitters genau angeordnet und mit den richtigen Abständen versehen sind. Die meisten Linien erzeugenden Maschinen verwenden genau konstruierte Gewindespindeln, die den Schneidstift über das Gitter ziehen, während letzteres hin- und herbewegt wird, um dieses Linienmuster zu erzeugen. Diese Anordnung kann nicht ohne weiteres zur Erzeugung von Linien verwandt werden, deren Abstand sich systematisch über das Gitter hinweg verändert. Für die alternative Methode, die Gewindespindel abzustufen, muß zunächst der Abstand berechnet werden und die einzelnen Werte von Hand auf der Gewindespindel eingestellt werden. Das bedeutet ein sehr lästiges und langsames Verfahren.

Fig. 7 zeigt nun einen Vorgang, die Gewindespindel 31

abzustufen, so daß man z. B. die bevorzugte Liniengleichung

O
N=K sin j erhält, jedoch eine einfache Einstellung von Hand. Die Gewindespindel wird direkt vermittels eines Schrittschaltmotors 32 und ein Getriebe 33 eingestellt. Der Motor selbst wird durch eine logische Schaltung 34 gesteuert mit einem Eingang 35, der den digitalen Ausgang eines Analog/ Digitalwandlers 36 empfängt und einen zweiten Eingang 37, der einen Hauptsteuer- und Korrektureingang empfängt. Ein linearer manueller Eingang erfolgt über die Welle 38, auf der ein Zahnrad 39 gelagert ist, das mit einem Zahnrad 40 kämmt, das

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doppelt so viel Zähne besitzt. Auf dem Zahnrad 40 ist exzentrisch ein Zapfen 41 befestigt, der einen hin- und herbeweglichen Fühler 42 beaufschlagt. Der Fühler 42 ist mechanisch in Führungen 43 und 44 gelagert und mit dem Reiter 45 eines elektrisch erregten Potentiometers 46 verbunden. Der Reiter 45 ist elektrisch mit dem Analogeingang 47 des Analog/Digitalwandlers 36 verbunden. Zur Verwendung dieses Mechanismus stellt der Operateur die Welle 38 in einem Winkel ein, die O min entspricht und setzt den Linien ziehenden Stift an den Rand der Gitterplatte, die dem Ursprungspunkt des Spektrometers oder des Monochromators am nächsten liegt. Nach dem Ziehen einer jeden Linie wird die Welle 38 um ein gleiches Inkrement verdreht und der Motor 32 in eine Winkelstellung weitergeschaltet, die der Stellung der nächsten Linie entspricht. Die Welle 38 kann ein von Hand einzustellendes Reduktionsgetriebe sein oder auch ein anderer Schrittschaltmotor .

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Claims

Patentansprüche

1.Jspektrometer mit einer bogenförmigen Führungsbahn, die in einer bestimmten Ebene liegt, mit einem konkaven reflektierenden Gitter mit darauf angeordneten, senkrecht zur Ebene verlaufenden Linien, wobei das Gitter auf der Bahn angeordnet ist, mit einer Strahlungsquelle für eine elektromagnetische Strahlung, die zu untersuchen ist, die ebenfalls auf der Bahn angeordnet ist, wobei diese eine Meridianebene bildet, die parallel zur Ebene der Führungsbahn liegt und die durch das reflektierende Gitter hindurchgeht, mit Detektoreinrichtungen, die ebenfalls auf der Meridianebene angeordnet sind an einer Stelle auf der Bahn, so daß sie die Abbildung der Strahlungsquelle aufnehmen, die durch das Gitter abgebeugt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Krümmung der konkaven Oberfläche in der Meridianebene gleich dem Radius des Kreises ist und die Gitterlinienfrequenz sich systematisch über das Gitter hin verändert^ und daß Einrichtungen zur Herbeiführung relativer Bewegungen vorgesehen sind, die die gegebenen Punkte gleich weit von dem Ursprungspunkt des Kreises entfernt halten, der von dem Gitter getrennt angeordnet ist und relativ zu diesem festgelegt ist.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Gitterlinienfrequenz nach dem Gesetz N=K sin -j gewählt ist, in dem O der Winkel ist, der von dem Mittelpunkt der Krüm-

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itiung der Bahn und dem Punkt auf dem Gitter, wo die Linienfre*- quenz betrachtet wird und dem Ursprungspunkt des Spektrometers, gebildet ist.

3. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Oberfläche des Gitters eine Krümmung in der Vertikalebene aufweist.

4. Spektrometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Oberfläche des Gitters eine Krümmung in der Ver— tikalebene aufweist, die an irgendeinem Punkt seines Ausmaßes in der Meridianebene größer Jäb als die Krümmung in der Meridianebene .

5. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Apertur des Gitters in der Mitte der Krümmung der Bahn
etwa 9° beträgt, wobei die Gitterlinienfrequenz nach dem Ge-

setz: N = K¹ -j gewählt ist, in welchem Q der Winkel ist, der dem Mittelpunkt der Krümmung der Bahn an einem Punkt des
Gitters gegenüberliegt, wo die Linienfrequenz betrachtet
wird und dem Ursprungspunkt des Spektrometers.

6. Spektrometer nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es eine bogenförmige Bahn aufweist und ein konkaves reflektierendes Gitter, dessen Krümmung in der Meridianebene dieselbe

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ist wie die Krümmung der Bahn und dessen Linienfrequenz systematisch über das Gitter sich verändert, wobei

(a) eine Quelle vorgesehen ist auf einer ersten Scheibe, die verschiebbar auf der Bahn angeordnet ist,

(b) Detektoreinrichtungen auf einer zweiten Drehscheibe, die ebenfalls verschiebbar auf der Bahn angeordnet ist,

(c) zwei Gewindespindeln,

(d) zwei verdrehbare Drehscheiben, die jeweils auf einer Halterung angeordnet sind und mit einer Gewindebohrung versehen sind, irjfienen die Gewindespindeln Aufnahme finden,

(e) eine Halterung für das Gitter, die ebenfalls auf der Bahn gehaltert ist, und zwar zwischen der ersten und der zweiten Drehscheibe,

(f) ein Differentialgetriebe, welches auf der Halterung angeordnet ist und das eine Antriebswelle mit einem Kegelzahnrad (26) trägt, das mit einem Kronenrad (22) kämmt, das drehbar auf der Halterung des Gitters gelagert ist und das mit Kegelζahnrädern (20, 21) kämmt, die auf je einer Gewinde-

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spindel (18 + 19) befestigt sind, wobei die Lager der Gewindespindeln (24, 25) schwenkbar ausgebildet sind, so daß sie um die Rotationsachse (23) des Kronenrades (22) verschwenkbar sind.

7. Spektrometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle einen optischen Schlitz umfaßt, der auf der ersten Drehscheibe (14) angeordnet ist.

8. Spektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle eine selbststrahlende Quelle ist, die auf der Drehscheibe (14) befestigt ist oder eine Mikrosonde.

9. Spektrometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Detektoreinrichtungen vorgesehen sind, die auf der zweiten Drehscheibe (15) angeordnet sind.

10. Spektrometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoreinrichtungen fotografische Einrichtungen sind.

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