DE3339006C2 - Schlitzmechanismus zur Verwendung in einem Monochromator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Spaltblendenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf einen Monochromator mit einer Spaltblendenanordnung.

Eine gattungsgemäße Spaltblendenanordnung ist aus der DE-AS 17 72 024 bekannt. Dieser Druckschrift ist eine Anordnung mit einer Vielzahl von Spaltpaaren mit unterschiedlichen Spaltbreiten entnehmbar. Die Spalthöhe ist jedoch unabhängig von der Spaltbreite immer konstant. Es kann daher zu negativen Streulichtauswirkungen kommen.

Ferner ist aus der FR 15 25 141 eine Spaltblendenanordnung bekannt, bei der neben der Spaltbreite auch die Spalthöhe einstellbar ist. Die Spaltbreite wird mittels einem kontinuierlichen, sich aufweitenden Rundspalt bestimmt, der je nach gewünschter Spaltbreite an verschiedenen Stellen durchstrahlt wird. Die Spalthöhe wird mittels einer veränderbaren Maske eingestellt.

Aus J. F. James, R. S. Sternberg: The Design of Optical Spectrometers, London 1969, S. 62-70 ist es allgemein bekannt, daß sowohl die Breite als auch die Höhe der Spalte einer Spaltblendenanordnung für die Auflösung und die Nachweisempfindlichkeit eines Spektrometers von Bedeutung sind.

Bei einer bekannten Spaltblendenanordnung, bei der viele Spalte mit einer festen Breite zur wahlweisen Verwendung ausgetauscht werden, haben alle Spalte die gleiche Höhe, die in Abhängigkeit der Höhe des Spaltes mit der kleinsten Breite festgesetzt ist. Diese Festsetzung hat jedoch keine zu begründende theoretische Grundlage. Um ein ausreichendes Auflösungsvermögen der Wellenlänge zu erhalten, wird ein Spalt mit enger Breite verwendet. Falls ein Spalt eine zu große Höhe hat, verringert die Krümmung des Spektralbildes des Spaltes entlang seiner Höhe während der Messung die Monochromasie des Ausgangslichts. Deshalb wird die Höhe des Spaltes in Hinsicht darauf bestimmt, eine erforderliche Wellenlängenauflösung zu erhalten. Zum Erreichen einer hohen Intensität wird ein Spalt mit großer Breite ausgewählt. In diesem Fall wird jedoch das Auflösungsvermögen durch eine Vergrößerung der Spaltbreite vermindert, und es gibt keinen Gestaltungsfaktor, mit dem die Höhe eines jeden Spaltes bestimmt wäre, so daß die Höhe sämtlicher Spalte einfach so festgesetzt ist, daß sie mit derjenigen des Spaltes kleinster Breite übereinstimmt.

Die Intensität des Ausgangslichts, das aus einem Monochromator austritt ist proportional zum Quadrat der Breite des Austrittsspaltes. Falls insbesondere der Eintritts- und Austrittsspalt eine Höhe h und eine Breite w hat, ist die Intensität des aus dem Austrittsspalt kommenden Lichts durch Khw² gegeben, wobei K eine Konstante ist. Falls deshalb die Breite des Spaltes bei unveränderter Höhe verdoppelt wird, wird die Intensität des Ausgangslichts vervierfacht, und falls die Höhe des Spaltes mit der doppelten Breite halbiert wird, verringert sich die Intensität des Lichts aus dem Spalt um die Hälfte, d. h., wird auf das zweifache der ursprünglichen Intensität verringert.

Andererseits streut die Oberfläche eines Beugungsgitters das darauf auftreffende Licht beträchtlich, und ein Teil des gestreuten Lichts erreicht den Austrittsspalt als Streulicht, das die Spektralmessung stört. Bei einem Monochromator verursacht das von verschiedenen anderen optischen Elementen, wie z. B. Kollimationsspiegel und die innere Wandlungsfläche des Gehäuses, gestreute Licht zusätzlich zum oben erwähnten vom Beugungsgitter gestreuten Licht Streulicht. Die Menge des Streulichts ist proportional sowohl zur Menge des auf das Beugungsgitter und andere Elemente aufgetroffenen Lichts als auch zur Fläche des Austrittsspaltes, d. h., zum Quadrat der Spaltbreite w und zum Quadrat der Spalthöhe h und ist gegeben durch K′h²w², wobei bei K′ eine Konstante ist. Deshabl ergibt sich für das Verhältnis der Intensität des Streulichts zu der des austretenden Lichts, d. h. für das Streulichtmaß P: P=K′h²w²/Khw²= (K′/K)h.

Falls die Spaltbreite verdoppelt wird, werden sowohl die Intensität des erhaltenen Spektrums als auch die Intensität des Streulichts vervierfacht, d. h. viermal die mit der ursprünglichen Spaltbreite erhaltene Intensität, so daß das Streulichtmaß P unverändert bleibt. Falls jedoch die Höhe beider Schlitze halbiert wird, wird die Intensität des Spektrums halbiert bzw. wird zum zweifachen der mit der ursprünglichen Spalthöhe erhaltenen Intensität, da 4×1/2=2, während die Intensität des Streulichts auf 1/4 reduziert wird oder gleich der mit der ursprünglichen Spalthöhe erhaltenen Intensität wird, da 4×(1/2²)=1, so daß das Streulichtmaß P auf die Hälfte des Maßes bei der ursprünglichen Spalthöhe reduziert ist.

Bei herkömmlichen Monochromatoren, bei denen die Spaltbreite variabel ist, wurde das Streulicht nicht in Betracht gezogen und die Spalthöhe unverändert beibehalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spaltblendenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiterzubilden, daß der Streulichteinfluß reduziert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.

Erfindungsgemäß sind auch breite Spaltpaare vorgesehen, deren Höhe geringer ist als die des schmalsten Spaltpaares, um dadurch den Untergrund an Streulicht zu reduzieren.

Hierbei sieht die Erfindung ausgehend von dem Prinzip, daß das Streulichtmaß proportional zur Höhe des Spaltes ist, eine Spaltblendenanordnung zur Verwendung in einem Monochromator vor, bei der sowohl die Höhe als auch die Breite des Spaltes verändert werden kann. Die Spaltblendenanordnung umfaßt einen ersten Satz einer Vielzahl von Spaltpaaren, die in einer Spaltscheibe aus festem, lichtundurchlässigem Werkstoff, die um eine Achse drehbar ist, gebildet sind. Die beiden Spalte jeden Paares haben die gleiche Breite und die gleiche Höhe, und jedes Spaltpaar unterscheidet sich in der Breite von den anderen Spaltpaaren. Die Spaltblendenanordnung umfaßt ferner einen zweiten Satz von Spaltpaaren mit wenigstens ein zusätzliches Spaltpaar mit der gleichen Breite, jedoch einer anderen Höhe wie ein bestimmtes Spaltpaar aus der Vielzahl der Spaltpaare.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind alle Spaltpaar auf der Scheibe am Umfang eines zur Drehachse der Scheibe konzentrischen Kreises so angeordnet, daß sich die Spalte eines jeden Paares diametral auf dem Kreis gegenüber liegen und hierdurch als ein Eintritts- bzw. Austrittsspalt für den Monochromator dienen.

Bei der weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Spalte auf der Scheibe am Umfang zweier Kreise mit verschiedenen Durchmessern angeordnet, die konzentrisch zueinander und zur Drehachse der Spaltscheibe sind, so daß ein Spalt eines jeden Paares auf dem einen konzentrischen Kreis liegt, während der andere Spalt dieses Paares auf dem anderen Kreis diametral gegenüber dem einen Spalt liegt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand schematischer Zeichnungen ausführlich erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Spaltscheibe in Vorderansicht zusammen mit einer schematischen perspektivischen Ansicht eines Beugungsgitters,

Fig. 2 eine Fig. 1 ähnliche Ansicht, die ein weiteres Ausführungsbeispiel der Spaltscheibe darstellt, und

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Monochromator, der die Spaltscheibe gemäß den Fig. 1 oder 2 verwendet.

Fig. 1 zeigt eine Spaltscheibe D aus festem, lichtundurchlässigem Material, die um eine Achse O drehbar ist. Mehrere Spaltpaare 1, 1′; 2, 2′; 3, 3′; 4, 4′; 5, 5′; 5a, 5a′; 6, 6′; 6a, 6a′; sind in der Scheibe ausgebildet und entlang eines zur Achse O konzentrischen Kreises auf der Scheibe in einem geeigneten Winkelabstand voneinander entfernt. Beide Spalte eines jeden Paares, die auf diametral gegenüberliegenden Seiten des Kreises liegen, haben die gleiche Breite und die gleiche Höhe. Ein Spalt eines jeden Spaltpaares ist ein Eintrittsspalt, während der andere ein Austrittsspalt ist.

In Fig. 1 nehmen die Spalte 3 und 3′ eine Betriebsstellung ein, wobei ein Lichtstrahl L aus einer Quelle (nicht gezeigt) durch den Eintrittsspalt 3 hindurch auf ein Gitter G auftrifft und dadurch in verschiedene Wellenlängen gestreut wird, von denen eine ausgewählte durch den Austrittsspalt 3′ hindurchgeht. Wie leicht ersichtlich ist, kann jedes gewünschte Spaltpaar in die Betriebsposition gebracht werden, indem die Spaltscheibe D um einen entsprechenden Winkel gedreht wird.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Spalte 1 und 1′ die engste Breite, die einer spektralen Bandbreite von 0,2 nm entspricht; die Spalte 2 und 2′ haben die zweitengste Breite entsprechend einer spektralen Bandbreite von 0,5 nm; die Spalte mit größer werdenden Bezugszeichen haben eine größer werdende Breite, die in dieser Reihenfolge einer spektralen Bandbreite von 1, 2, 3 bzw. 5 nm entspricht.

Es gibt zwei Spaltpaare 6, 6′ und 6a, 6a′, die die gleiche größte Bandbreite von 5 nm haben. Die Spalte 6 und 6′ haben Standardhöhe, während die Spalte 6a und 6a′ halbe Standardhöhe haben. Ähnlich haben die Spalte 5 und 5′ die zweitgrößte Bandbreite von 3 nm und die Standardhöhe, während die Spalte 5a und 5a′ ebenfalls die zweitgrößte Bandbreite 3 nm und die halbe Standardhöhe haben. Hierbei ist die Standardhöhe diejenige Höhe, die die Spalte mit Bandbreiten von 0,2; 0,5; 1 bzw. 2 nm aufweisen.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem eine Spaltscheibe D mit einer Vielzahl von Spalten 1, 1a′, 1a, 1a′, 2, 2′, 2a, 2a′, 3, 3′, . . . , n, n′, n_a, n_a′ versehen ist, die entlang zweier zueinander und zur Achse O der Spaltscheibe D konzentrischer Kreise unterschiedlichen Durchmessers angeordnet sind. Wenn die Spalte 1, 1a′, 2′, 2a, 3, 3a, . . . , n, n_a auf dem äußeren Kreis als Eintrittsspalt in Betrieb sind, arbeiten die Spalte 1′, 1a′, 2′, 2a′, 3′, . . . n′, n_a′, auf dem inneren Kreis als Austrittsspalte. Das heißt, jeder der Spalte auf einem Kreise ist mit demjenigen der Spalte auf dem anderen Kreis gepaart, der die gleiche Breite und die gleiche Höhe hat, wobei sich diese beiden Spalte diametral gegenüberliegen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 gibt es acht verschiedene Spaltbreiten, d. h. 0,1; 0,2; 0,3; 1; 2; 3; 4 und 5 nm, und es sind zwei verschiedene Spalthöhen vorhanden, wobei die kleinere Höhe 1/3 der größeren Höhe ist.

Wie bekannt ist, ermöglicht im allgemeinen bei der Absorptions- Spektralphotometrie-Analyse, die ein Spektralphotometer verwendet, eine Spaltbreite, die kleiner als 1/10 der halben Bandbreite einer Absorptionsspektrumsspitze ist, eine Messung mit einem ausreichend hohen Maße an Zuverlässigkeit. Bei Absorptionsspektren im sichtbaren und ultravioletten Bereich liegt die halbe Bandbreite zwischen 20 und 50 nm, so daß die Messung gewöhnlich mit einer Spaltbreite von 2 bis 5 nm ausgeführt wird.

Die Spaltscheibe gemäß Fig. 1 ist mit zwei Spaltpaaren von 5 nm Bandbreite mit einer größeren und kleineren Höhe versehen. Wie zuvor erwähnt, wird, falls die Höhe eines Spaltes auf die halbe Standardhöhe reduziert ist, das Streulichtmaß auf die Hälfte dessen verringert, das von einem Spalt mit der Standardhöhe resultiert, so daß die Beziehung zwischen der Konzentration und der Absorption eines Musters im wesentlichen linear gehalten werden kann, bis eine hohe Absorption erreicht ist.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Monochromator MC, der mit einer Spaltenbreitenanordnung versehen ist. Der Monochromator umfaßt ein Gehäuse H, das in einer Endwandung W ein Paar von Öffnungen H und H₂ hat. Eine fest auf einer Welle SF angebrachte Spaltscheibe D ist neben der inneren Fläche der Endwandung W angeordnet, so daß das Licht L aus einer Lichtquelle (nicht gezeigt) durch die Öffnung H₁ in das Gehäuse eintritt und durch einen der Spalte in der Spaltscheibe hindurchgeht. Der durch den Spalt hindurchgehende Lichtstrahl wird an einem Spiegel M₁, der nahe der gegenüberliegenden Endwandung des Gehäuses angeordnet ist, reflektiert und trifft auf ein Beugungsgitter G auf.

Das Beugungsgitter streut das Licht in verschiedene Wellenlängen, die durch einen weiteren Spiegel M₂ reflektiert werden, der nahe der gegenüberliegenden Endwandung des Gehäuses so angeordnet ist, daß der reflektierte Lichtstrahl die Spaltscheibe D erreicht, woraufhin das monochromatische Licht L′ einer ausgewählten Wellenlänge durch denjenigen entsprechenden der Spalte in der Spaltscheibe geht, der mit dem zuvor erwähnten Spalt gepaart ist, durch den das Licht L in den Monochromator eingetreten ist; anschließend tritt das monochromatische Licht durch die andere Öffnung H₂ im Gehäuse des Monochromators aus.

Die Welle SF der Spaltscheibe D wird durch einen Impulsmotor M gedreht, dessen Drehung von einer Steuereinrichtung CL gesteuert wird, wodurch ein ausgewähltes Spaltpaar in den optischen Weg des Monochromators gebracht wird.

Mit der Spaltblendenanordnung ist es möglich, nicht nur die Breite, sondern auch die Höhe des Spaltes zu verändern und wahlweise zwei Arten von Messungen auszuführen: Eine mit einer erhöhten Ausgangslichtintensität und einem hohen Maß an Empfindlichkeit, und eine andere mit einem verringerten Streulichtmaß und einem hohen optischen Signal- Störspannungsverhältnis.

Offenbart ist eine Spaltblendenanordnung zur Verwendung in einem Monochromator, die in der Lage ist, nicht nur die Spaltbreite, sondern auch die Spalthöhe zu verändern. Die Anordnung ist mit einer Vielzahl von Spaltpaaren in einer um eine Achse drehbaren Scheibe versehen. Beide Spalte eines jeden Paars haben die gleiche Breite und die gleiche Höhe, und jedes Spaltpaar hat bezüglich der anderen Paare eine unterschiedliche Breite. Die Anordnung ist ferner wenigstens mit einem zusätzlichen Spaltpaar versehen, das die gleiche Breite, jedoch eine unterschiedliche Höhe wie ein bestimmtes Paar aus der Vielzahl von Spaltpaaren hat. Alle Spaltpaare sind am Umfang eines zur Drehachse der Scheibe konzentrischen Kreises auf der Scheibe angeordnet, so daß sich die Spalte eines Paars diametral auf dem Kreis gegenüberliegen und dadurch als Eintritts- bzw. Austrittsspalt für den Monochromator dienen. Die Spalte können auch auf einer Scheibe am Umfang zweier Kreise verschiedenen Durchmessers angeordnet sein, die konzentrisch zueinander und zur Drehachse der Scheibe sind, so daß ein Spalt jedes Paares auf einem der beiden Kreise ist, während der andere Spalt dieses Paares auf dem anderen Kreis diametral gegenüber des einen Spaltes liegt.

Claims (5)

1. Spaltblendenanordnung für einen Monochromator, die einen ersten Satz einer Vielzahl von Spaltpaaren (1, 1′; 2, 2′; 3, 3′; 4, 4′; 5, 5′; 6, 6′; n, n′) mit unterschiedlicher Spaltbreite aufweist, wobei die beiden Spalte eines jeden Spaltpaares (1, 1′; 2, 2′; 3, 3′; 4, 4′; 5, 5′; 6, 6′; n, n′) jeweils die gleiche Spaltbreite aufweisen und alle Spalte des ersten Satzes dieselbe Spalthöhe aufweisen, die in Abhängigkeit von der kleinsten Spaltbreite derart bemessen ist, daß die spektrale Auflösung des Monochromators bei dem Spaltpaar mit der kleinsten Spaltbreite vor allem durch die Spaltbreite bestimmt wird und durch die Spalthöhe nur geringfügig verschlechtert wird,
gekennzeichnet durch einen zweiten Satz mit wenigstens einem weiteren Spaltpaar (1a, 1a′; 2a, 2a′; 5a, 5a′; 6a, 6a′; na, na′), wobei die Spalthöhe der Spaltpaare (1a, 1a′; 2a, 2a′; 5a, 5a′; 6a, 6a′; na, na′) des zweiten Satzes kleiner ist als die Spalthöhe des ersten Satzes und wobei die beiden Spalte eines jeden Spaltpaares jeweils die gleiche Spaltbreite aufweisen und ihre Spaltbreite der Spaltbreite eines bestimmten Spaltpaares (1, 1′; 2, 2′; 3, 3′; 4, 4′; 5, 5′; 6, 6′; n, n′) des ersten Satzes entspricht.

2. Spaltblendenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung eine Scheibe (D) aus festem, lichtundurchlässigem Werkstoff umfaßt, in der die Spaltpaare (1a, 1′; 2, 2′; 3a, 3′; 4, 4′; 5, 5′; 6, 6′; n, n′; 1a, 1a′; 2a, 2a′; 5a, 5a′; 6a, 6a′; na, na′) vorgesehen sind und die um eine Achse (O) drehbar ist.

3. Spaltblendenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Spaltpaare (1, 1′; 2, 2′; 3, 3′, 4, 4′; 5, 5′; 6, 6′; 1a, 1a′; 2a, 2a′, 5, 5a′; 6a, 6a′) auf der Scheibe (D) am Umfang eines zur Achse (O) konzentrischen Kreise so angeordnet sind, daß die Spalte jedes Spaltpaares (1, 1′; 2, 2′; 3, 3′; 4, 4′; 5, 5′; 6, 6′; 1a, 1a′; 2a, 2a′; 5a, 5a′; 6a, 6a′) genau diametral gegenüberliegend auf dem Kreis angeordnet sind und somit als Eintrittsspalt und Austrittsspalt für einen Monochromator dienen.

4. Spaltblendenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltpaare (1, 1′; 2, 2′; 3a, 3′; n, n′; 1a, 1a′; 2a, 2a′; na, na′) auf zwei zueinander und zur Achse (O) konzentrischer Kreise mit unterschiedlichen Durchmessern angeordnet sind, so daß der eine Spalt (1, 2, 3, n, 1a, 2a, na) jedes Spaltpaars (1, 1′; 2, 2′; 3, 3′; n, n′; 1a, 1a′; 2a, 2a′; na, na′) auf einem der konzentrischen Kreise liegt, während der andere Spalt (1′; 2′; 3′; n′;1a′; 2a′; na′) desselben Spaltpaars (1, 1′; 2, 2′; 3, 3′; n, n′; 1a, 1a′; 2a, 2a′; na, na′) auf dem anderen Kreis diametral gegenüberliegt.

5. Monochromator mit einer Spaltblendenanordnung nach Anspruch 3 oder 4, und
einer Streueinrichtung (G) zur Streuung von Licht (L) aus einer Lichtquelle in verschiedene Wellenlängen,
einer erste Führungseinrichtung (M₁) zur Führung des Lichts (L) zur Streueinrichtung (G) entlang eines ersten optischen Weges,
einer zweite Führungseinrichtung (M₂) zur Führung des gestreuten Lichts (L′) entlang eines zweiten optischen Weges, wobei die Spalte der Spaltpaare (1, 1′; 2, 2′; 3, 3′; 4, 4′; 5, 5′; 6, 6′; n, n′; 1a, 1a′; 2a, 2a′; 5a, 5a′; 6a, 6a′; na, na′) in beiden optischen Wegen liegen, einer Dreheinrichtung (M, S, F) zur Drehung der Scheibe (D) so, daß die Spaltpaare (1, 1′; 2, 2′; 3, 3′; 4, 4′; 5, 5′; 6, 6′; n, n′; 1a, 1a′; 2a, 2a′; 5a, 5a′; 6a, 6a′; na, na′) auswechselbar sind und
einer Steuereinrichtung (CL) zur Steuerung der Drehung der Scheibe (D).