DE914788C - Optische Vorrichtung zur Analyse des Brechungsindex in geschichteten oder stroemenden Loesungen - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 27. SEPTEMBER 1954

Bei wissenschaftlichen Untersuchungen, wo es darauf ankommt, die Konzentrationen von gelösten Stoffen von Punkt zu Punkt zu messen,, hat man seit alters her sich optischer Methoden bedient. Eine wichtige Untergruppe dieser Methoden ist diejenige, die sich auf die Messungen des Brechungsindex gründet.

Brechungsindexanalysen von Lösungen finden teils für in dem Schwerkraftfeld oder in einem Zentrifugalkraftfeld geschichtete Lösungen, teils auch für Lösungen, die durch eine Meßkammer von geringem Ausmaße strömen, in welcher man den Brechungsindex konstant zu halten versucht, Verwendung. Man hat es also bei Difrusionsmessungen, bei der Ultrazentrifugierung, der Gleichgewichtszentrifugierung und der Elektrophoreseanalyse gemäß der bisher entwickelten Methoden mit geschichteten Lösungen zu tun. Man könnte auch· geschichtete Lösungen bei einer Adsorptionsanalyse gemäß der Frontanalyse- und Verdrängungsmethode analysieren, dagegen nicht bei einem Elutionsverfahren. Auf strömende Lösungen ist man in solchen Fällen angewiesen, wo die Dichte in der zu. untersuchenden Lösung nicht monoton steigend oder fallend verläuft. Das ist der Fall bei der Adsorptionsanalyse .gemäß dem Elutionsverfahren, und zur Zeit findet innerhalb der Elektrophoreseanalyse eine Entwicklung statt, welche wahrscheinlich auch in gewissem Maße von der Analyse von strömenden Lösungen abhängig wird. Andere Verwendungen einer Brechungsindexanalyse von strömenden Lösungen sind auch denkbar, wie beispielsweise bei

Löslichkeitsanalysen von Gemischen und für verschiedene Zwecke in. der chemischen Industrie.

Was zuerst geschichtete Lösungen betrifft, sind diese größtenteils mit Hilfe optischer Methoden, welche in erster Linie die Ableitung des Brechungsindex in bezug auf die Lage in der Zelle geben, analysiert worden. Hierzu gehören Wieners, Thoverts, Longsworths und Philpot-iSvensson-s selbstregistrierende Vor richtungen sowie Lamm's Skalenmethode. In den letzten Jahren sind inlterferometrische Methoden, in der Regel selbstregistrierende, eingeführt worden, welche anstatt dessen die Brechungsindexfunktion selbst geben. Es läßt sich darüber streiten, was' am vorteilhaftesten ist. Die Brechungsindexanalyse bezweckt teils eine genaue Lokalisierung des Konzenitrationsinkrements der : gelösten Stoffe, teils eine genaue Messung der Größen dieser Inkremente. Nur bei DifEusionsmessungen ist es auch von Interesse, auf welche Art die Konzentration von einem Wert zu dem anderen variiert. Eine einwandfreie und genaue Festlegung eines Konzentrationsinkrements· (die Lage einer Grenzfläche) kann zwar nur bei Berücksichtigung der Konzentration in jedem Punkt der Grenzfläche geschehen, aber ein guter Nährungswert kann meistens durch Lokalisierung des Punktes, an dem der Differetitiälquotient der Konzentration das Maximum hat, erhalten werden. Für routinemäßige Messungen mit begrenzter Präzision der Bewegungen der Grenzflächen ist also eine Registrierung des Differentialquotienten von großem Wert.

Für eine genaue und 'bequeme Messung der Konzentrationsinkremente an den· Grenzflächen ist eine Registrierung der Brechungsindexfunktion selbst vorzuziehen, weil man dann die Strecken zu messen oder die Interferenzfransen zu zählen hat, während man in einem Ableitungsdiagramm die Flächen messen muß. Die Erfahrung hat jedoch gezeigt, daß auch bei diesen Messungen der Brechungsindexfunktion die Ableitung von größtem Wert, urn nicht zu sagen unentbehrlich ist. Dieses hängt mit der Schwierigkeit zusammen, naheliegende Konzentrationsstufen voneinander zu trennen. Die Konzentration und damit der Brechungsindex steigt nie plötzlich von einem Wert zu einem anderen, sondern ändert sich kontinuierlich innerhalb eines gewissen Intervalls, dessen Breite von vielen Faktoren abhängt, jedoch im besonderen von der Diffusion der gelösten Stoffe. Innerhalb des genannten Intervalls bildet die Brechungsindexfunktion eine Kurve mit der Form eines Integralzeichens, wobei die Höhe der integralzeichenf örmigen Kurve ein Maß für die gesamte Konzentrationsstufe ist. Bei Anwesenheit mehrerer Bestandteile bildet jeder Bestandteil eine solche Kurve. Eine genaue Messung jeder Stufenhöhe kann dann nur in dem Falle durchgeführt werden, wenn jede Stufe abgeschlossen ist, 'bevor die nächste Stufe beginnt, d. h. die Brechungsindexanalyse wird unsicher in dem Maße, wie keine Teile mit konstantem Brechungsindex zwischen den Stufen vorhanden sind. Bei der praktischen Arbeit mit den in Frage kommenden Methoden findet man, daß dieses äußerst selten der Fall ist. Eine Registrierung der BrechungS'indexfunktion selbst wird dann schwer zu deuten sein, während sich die entsprechende Ableitungskurve, wie es sich zeigt, leichter handhaben läßt. In einer Ableitungskurve entspricht nämlich jeder Konzentrationsstofe ein Gipfel, und zwischen den Gipfeln bilden sich die Minima aus. Mit einem ziemlich kleinen systematisehen Fehler kann man in einem solchen Ableitungsdiagramm die verschiedenen Konzentrationsstufen voneinander auflösen, dadurch, daß man von den Minimunipunkten gegen die Koordiaatenachse der unabhängigen Variable Senkrechte zieht. Zweifelsohne ist es· viel leichter, die.Anzahl der Stufen und ihre relativen Größen von einem Ableitungsdiagramm als von einem Diagramm der Funktion selbst zu 'beurteilen.

Obiges gilt also für ein Mehrbestandteilsystem. Bei Diffusionsmessungen und bei der Gleichgewichtzentrifugierung arbeitet man mit nur einem Bestandteil, aber auch hier zeigt sich, daß die Ableitutngsmetfhode sehr wertvoll ist. Somit setzt die gewöhnlichste Methode für die Berechnung einer Diffusionskonstante die Kenntnis von sowohl der Größe der gesamten Konzentrationsstufe als auch des Maximumwertes der ersten Ableitung voraus. Es verhält sich also· so, daß man bei der Brechungsindexanalyse von Lösungen vor allem an der Brechungsindexfuinktion selbst interessiert ist, daß man bei gewissen Untersuchungen den Zahlenwert sowohl von der Funktion als auch von deren Differentialquotienten benötigt sowie daß dieser Quotient auch in übrigen. Fällen als Hilfsmittel bei der Aufteilung von einem komplizierten Brechungsiindexverlauf in mehrere einzelne Stufen und als Hilfsmittel bei der Lokalisierung von Konzentrationsstufen von !größtem Wert ist. Bei der Analyse von strömenden. Lösungen verhält es sich ähnlich. ioo

Wie bekannt, kann man mit 'der Kenntnis von der einen Funktion leicht die andere ableiten. Hat man eine Ableitungskurve, kann man durch Integration die Funktionskurve herstellen. Andererseits kann man, wenn eine Brechungsindexkurve vorliegt, durch Differenzieren derselben die Ableitung erhalten. Dieses ist auch die Methodik, welche man bisher bei der Auswertung verwendet hat, aber welche jedoch nicht als· voll zufriedenstellend angesehen werden kann. Eine Integrierung ist ein ziemlich zeitraubender Prozeß; eine Distanzmessung auf einem Diagramm der Integralfunktion ist sowohl viel schneller als auch bedeutend genauer. Ein Differenzieren ist ebenso zeitraubend und außerdem äußerst schwer mit genügender Genauigkeit durchzuführen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine neue optische Vorrichtung für die Brechungsindexanalyse in geschichteten oder strömenden Lösungen, wodurch die obenerwähnten Ungelagenheiten beseitigt wer- iao den. Diese neue Vorrichtung besteht aus der Kombination zwischen einerseits einer Vorrichtung zur : Registrierung des Brechungsindex als Funktion von der Lage in der Zelle für geschichtete Lösungen bzw. als Funktion der Zeit, des Volumens oder Gewichtes für strömende Lösungen und andererseits

einer Vorrichtung zur Registrierung der ersten Ableitung des Brechungsindex in bezug auf die verwendete unabhängige Variable und wird in der Hauptsache durch ein für die beiden !Combinationsglieder gemeinsames Linsensystem für die Zusammenführung der die Funktion bzw. deren Ableitung bewirkenden Strahlenbündel mit dem gleichen Vergrößerungsfaktor gekennzeichnet. Das gemeinsame Linsensystem soll hierbei für die Messung in geschichteten Lösungen so ausgeführt sein, daß es die Koordinatenskala der Meßzelle in Richtung des Breeh'ungsindexgradienten entlang der einen Koordinatenachse der gemeinsamen Bildfläche optisch abbildet und soll für mehrere der im folgenden näher beschriebenen Ausführungsformen astigmatisch sein, d. h. zwei verschiedene Brennweiten in zwei zueinander senkrechten Schnitten zur gleichzeitigen Abbildung der Zellenkoordinate und des Lichtspaltes oder eines Bildes desselben auf einer gemeinsamen Bildfläche haben.

Eine gleichzeitige Registrierung des Brechungsindex und seiner Ableitung kann somit auf die Kombination von; an sich bekannten Methoden zur Registrierung¹ von den einzelnen Funktionen aufgebaut werden. Zur Registrierung der Ableitung in geschichteten Lösungen kommen da hauptsächlich die »Schlierenscanningmethode« gemäß Long s worth und die Schrägspaltmethode gemäß P h LI ρ ο t und Svens sο η in, Frage. Letztere ist in der Praxis bereits eingeführt und kann als 'bekannt vorausgesetzt werden. Die »Schlierenscanningmethode« ist eine weiterentwickelte Form derToeplerschen Schlierenmethode zum Nachweisen von Inhomogenitäten im Brechungsindex. Die Toeplersche Vorrichtung besteht aus einem Beleuchtungsspalt, einem Linsensystem, welches diesen Spalt in einer Bildebene abbildet, in dieser Ebene eine 'bewegliche, mit dem Beleuchtungsspalt parallele, lichtabschirmende Schneide, einem Untersuchungsobjekt in dem erwähnten Linsensystem oder daneben, sowie einem zweiten Linsensystem, welches das Objekt optisch abbildet, und schließlich in der Bildebene des Objektes eine photographische Platte, ein Film oder eine Beobachtungsplatte. Von dieser Ausbildung unterscheidet sich die »Schlierenscanningmethode« dadurch, daß unmittelbar vor der photographischen Platte senkrecht zum Beleuchtungsspalt und zu der lichtabschirmenden Schneide ein enger Spalt angeordnet ist, der nur eine schmale Linie des Untersuchungsobjektes durchläßt. Außerdem ist eine mechanische Kuppelung zwischen der Bewegung der lichtabschirmenden Schneide und einer dazu senkrechten Bewegung der photographischen Platte vorgesehen. Diese An-Ordnung ergibt ein automatisches Aufzeichnen der Größe des Brechungsindexgradienten auf die photographische Platte in einer Richtung senkrecht zu der Schneide in allen Punkten längs der geraden Linie durch das Objekt, die auf dem schmalen Spalt vor der Platte abgebildet wird.

Zur Registrierung des Brechungsindex in geschichteten, Lösungen kann jede Art von Inter ferometern verwendet werden unter der Voraussetzung, daß die Interferenzen sich in einer Ebene abspielen, in der die Koordinatenskala der Zelle in Richtung des Brechungsindexgradienten von einem optischen System abgebildet wird. Solche Interferometervorrichtungen sind ebenfalls bekannt. Außer mit Hilfe der Interferometrie kann die Registrierung des Brechungsindex unter Anwendung eines anderen optischen Prinzips geschehen, z. B. dem ebenfalls bekannten Prinzip der Grenzwinkel für die Totalreflexion oder dem des Differenzprismas. Unter Differenzprisma ist eine Küvette mit rechteckigem Querschnitt zu verstehen, in welchem eine Diagonalwand die Küvette in zwei Kammern mit dreieckigem Querschnitt unterteilt. Wenn diese beiden Kammern mit zwei Flüssigkeiten mit geringem Unterschied im Brechungsindex gefüllt werden, so erhält ein Lichtstrahl, welcher die Küvette im wesentlichen senkrecht zu der äußeren Wand passiert, eine Winkelablenkung, die proportional dem Unterschied der Brechungsindizes der beiden Flüssigkeiten ist.

Die Registrierung des Brechungsindex für strömende Lösungen ist bisher unter Anwendung der Interferometrie und mit Hilfe von Differenzprismen durchgeführt worden. Die Registrierung der Brechungsindexgradientenkurve ist, soweit dem Erfinder bekannt ist, in der Literatur nicht beschrieben worden, kann jedoch in derselben. Apparatur durch eine einfache Abänderung des Verfahrens für die Registrierung des Brechungsindex durchgeführt werden. Die Registrierung von beiden Funktionen gleichzeitig kann durch Kombination der beiden Methoden geschehen, wobei jedoch die Apparatur etwas abgeändert werden muß.

Es ist wesentlich und charakteristisch für diese Erfindung, daß zwei optische Vorrichtungen, die eine zur Registrierung des Brechungsindex, die andere zur Registrierung von dessen Ableitung, gewählt werden, welche so viele gemeinsame optische Bestandteile wie nur möglich haben, wobei die optischen Bestandteile, die nicht gemeinsam sind, auf solche Weise konstruiert und angebracht werden, daß sie nicht dem Strahlengang in der anderen Registrierungsmethode im Wege stehen oder ihn auf andere Weise stören. Auf diese Art ist es möglich, eine einheitliche Apparatur zu konstruieren, welche das Vermögen hat, gleichzeitig oder nebeneinanderher oder überlagert eine Registrierung sowohl des Brechungsindex als auch dessen Ableitung oder Differentialquotienten auf demselben Film oder derselben Platte zu geben.

Auch mit dieser Einschränkung gibt es zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten zwischen Brechungsindexmethode und Ableitungsmethode. Die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformeni der Erfindung stellen somit nur Beispiele davon dar, wie das gewünschte Ergebnis erzielt werden kann. Es ist keineswegs die Absicht, die Erfindung auf diese Beispiele zu 'beschränken.

In den Zeichnungen werden als Beispiel einige verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß der Erfindung gezeigt, wobei Fig. 1 und 2 eine Kombination zwischen einer Schrägspaltauf-

stellung und Rayleighs Interferenzrefraktometer so abgeändert zeigen, daß die Zelle optisch abgebildet wird, wobei Fig. ι die Vorrichtung von oben gesehen und Fig. 2 dieselbe von der Seite gesehen zeigen.

Fig. 3 zeigt eine Kombination zwischen einer »Schlierenscanningvorrichtung« und Jamins Interferometer, von oben gesehen,

Fig. 4 zeigt eine Kombination zwischen einer Sehrägspaltaufstellung und einem so konstruierten Interferometer, daß dasselbe zur gleichzeitigen Registrierung des Brechungsindex und seiner Ableitung in rotierenden Zentrifugenzellen anwendbar wird, wobei die optischen Vorrichtungen abgeändert worden sind, um die besonderen Erforderinisse des Zentrifugenrotors auf das Durchlassen der Strahlen zu berücksichtigen.

Fig. 5 ist ein Spezialprisma mit zwei totalreflektierenden Seiten, welches in der Vorrichtung in Fig. 5 verwendet wird.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Vorrichtung, in welcher sowohl die Brechungsindexfunktion als auch deren Ableitung interferometrisch dargestellt wird, wobei, Fig. 6 die Vorrichtung von oben und Fig. 7 dieselbe von der Seite gesehen zeigt.

Die Fig. 8 und 9 zeigen eine Vorrichtung für strömende Lösungen, wobei sowohl die Funktion als auch deren Ableitung auf interferometriscbem Wege dargestellt werden. Fig. 8 zeigt die Vorrichtung von oben, Fig. 9 dieselbe von der Seite gesehen.

Fig. 10 schließlich zeigt ein Bild von einer gleichzeitigen mterferometriscben Registrierung des Brechungsindex und dessen Ableitung, dargestellt mit einer Vorrichtung gemäß Fig. 6 und 7.

Dieselben oder entsprechende Konstruktionseinzelheiten haben in den Zeichnungen dieselben Bezeichnungen erhalten. Somit bezeichnet A eine mechanische Konstruktion mit einem oder zwei Beleuchtungsspalten, B ist das Objektiv, in dessen einer Fokalebene der Beleuchtungsspalt bzw. die -spaltet gelegen sind. C ist eine Blende, welche ausschließlich in dem Jamin-Interferometer verwendet wird. D und F sind die zwei für das Interferometer charakteristischen schräg gestellten Planglasplatten, und G eine andere Blende. E ist die

■ Zelle mit der: zu untersuchenden' Substanz. H ist ein Objektiv mit der Aufgabe, das parallel verlaufende Licht von dem Objektiv B wieder zu sammein. / bezeichnet in der Sehrägspaltaufstellung den schrägen Spalt und in der »Schlderenscanningvorrichtung« die bewegliche Schneide, welche beiden Konstruktionseinzelteile einander in ihrer Funktion entsprechen, K ist ein Objektiv mit der Aufgabe, die Zelle auf der Platte oder dem Film optisch abzubilden, während L ein Zylinderobjektiv

■ mit lotrechter Achse ist, welches, bei Verwendung der Schrägspaltmethode, den Schrägspalt/ auf der Platte oder dem Film abbildet. Allgemeiner ausgedrückt, bezeichnet K-L in der Sehrägspaltaufstellung ein astigmatisches Linsensystem, so einjustiert und mit solchen Brennweiten, daß die Koordinatenskala der Zelle in Richtung des; Brechungsindexgradienten und die Koordinatenskala des Schrägspaltes entlang der dazu senkrechten Richtung beide auf die Platte fokussiert werden. M ist ein zum Beleuchtungsspalt A senkrechter, dicht vor der photographischen Platte oder dem Film N gelegener schmaler Spalt. R₁, R₂, R_s und R_i (Fig. 4) sind vier totalreflektierende 45°-Prismen, und ^₁, S₂, S₃ sind vier spezialkonstruierte Prismen mit dem Aussehen in drei Dimensionen gemäß Fig. 5 und mit der Aufgabe, die Lichtbündel in die Zellen hineinzuleiten bzw. von den Zellen zurück in die optische Achse und gleichzeitig die Lichtbündel um 90⁰ zu drehen. T₁ und T₂ sind Planglasplatten, von welchen vier Stück paarweise schräg um eine horizontale Achse gedreht werden können. V ist ein Doppelprisma mit der Aufgabe, das Brechungsindexdiagramm und die Ableitung ebensoviel nach jeder Seite abzulenken für den Fall, daß beide Diagramme auf interferometrischem Wege hergestellt werden. X schließlich ist eine Zylinderlinse mit waagerechter Achse, deren Aufgabe es ist, die senkrechte Koordinatenskala der Zelle auf der Platte N abzubilden.

In den Figuren sind durchweg die Strahlen, welche die Registrierung des Brechungsindex hervorrufen, mit α bezeichnet worden, während diejenigen Strahlen, welche die Registrierung der go ersten Ableitung hervorrufen, mit β bezeichnet worden sind.

Im folgenden werden jetzt einige für die Erfindung typische Vorrichtungen in allen Einzelheiten beschrieben, wobei der besseren Anschauung halber eine Aufteilung so vorgenommen worden ist, daß zuerst die Vorrichtungen zur Messung von geschichteten Lösungen- gemäß Fig. 1 bis 7 beschrieben werden und darauf die Vorrichtungen zur Messung in strömenden Lösungen gemäß Fig. 8 und 9.

A. Gleichzeitige Registrierung des Brechungsindex und seiner Ableitung mit Rücksicht auf die Lage in der Zelle für geschichtete Lösungen

i. Die Kombination zwischen der Schrägspaltvorrichtung und Rayleighs Interferometer.

Die Fig. 1 und 2 zeigen, wie diese Kombination durchgeführt werden kann. In der Fokalebene zu dem Objektiv B steht eine mechanische Konstruk- tion A, weicheeinen vertikalen und einen horizontalen Spalt nebeneinander enthält, die mit monochromatischem Licht beleuchtet werden. Das Objektiv H gibt ein Bild von den Spalten in der Ebene I₁ wo eine mechanische Konstruktion angebracht ist, n₅ weiche dem Licht von dem vertikalen Spalt freien Durchgang läßt, während das Licht von dem horizontalen Spalt einen schräg gestellten Spalt trifft. Zwischen dem Objektiven B und H befindet sich die Zelle E mit der zu untersuchenden Substanz. Man denkt sie sich in einen Thermostaten mit einer Flüssigkeit von in der Hauptsache demselben Brechungsindex wie die Lösung in der Zelle eingetaucht. Die zur optischen Achse senkrechten Wände der Zelle sind ein Stück außerhalb der einen Seitenwand verlängert worden, damit Licht, welches

außerhalb der Zelle auftritt, in der Hauptsache dieselbe optische Strecke zurücklegen soll wie das Licht, welches durch die Zelle geht. Die Zelle wird von dem Objektiv K auf der 'Platte oder dem Film N abgebildet, während das Zylinderobjektiv L mit senkrechter Achse die Ebene / mit dem Schrägspalt abbildet. Da das Linsensystem K-L ein astigmatisches System mit zwei verschiedenen Brennweiten ist, kann es auf derselben Platte N zwei versehiedene Ebenen weit voneinander, d. h, die Ebene der Zelle und die des Schrägspaltes, abbilden. Diese beiden Abbildungen finden jedoch nur in je einer Dimension statt, nämlich so, daß die vertikale Koordinatenskala der Zelle und die horizontale Koordinatenskala des Schrägspaltes, beide mit gewissen Vergrößerungsfaktoren, auf die Platte N übertragen werden.

Wenn man in Fig. 1 und 2 den vertikalen Beleuchtungsspalt entfernt, bleibt ein Schrägspaltao system gemäß P h i 1 ρ ο t und Svens* on übrig. Wenn man andererseits den waagerechten Beleuchtungsspalt, den Schrägspalt, das Objektiv K und die Zylinderlinse wegnimmt und die Platte auf die Ebene / des Schrägspaltes versetzt, erhält man ein Interferometer gemäß Ra y Ie i gh. Dieses kann jedoch nichts anderes als konstante Brechungsindizes in weißem Licht messen. Die Modifikation des Interferometers, welche in dieser Kombination verwendet wird und in der Einführung von monochromatischem Licht von dem astigmatischen Linsensystem K-L und Verlagerung der Platte zu der Bildfläche dieses Linsensystems 'besteht, gibt dem Interferometer das Vermögen, einen variablen Brechungsindex zu registrieren, ohne im übrigen dessen Prinzip zu verändern. Hierdurch wird das Linsensystem K-L ei-n notwendiger Bestandteil in sowohl der S chrägspal'tauf stellung als auch in dem Interferometer.

Da die beiden Beleuchtungsspalte in der Ebene A nebeneinanderliegen, werden sie auch in der Ebene/ nebeneinander abgebildet, und da man sodann die optische Abbildung der horizontalen Koordinate zwischen der Ebene / und N hat, werden auch die Ableitungskurve und die Funktionskurve nebeneinander auf der Platte liegen und den gleichen Zellenvergrößerungsfaktor haben.

2. Die Kombination zwischen einer »Schlierenscanningvorrichtung« oder einer Schrägspaltvorrichtung einerseits und der Interferometervorrichtung gemäß Jamin oder Michelson oder einer verwandten Interferometervorrichtung andererseits.

Die Schrägspalt- und »Schlierenscanningvorrichtung« sind ja miteinander verwandt und arbeiten nach demselben Grundprinzip. Auf dieselbe Art sind die Interferometer gemäß Michelson, Jamin, Zehnder-Mach und anderer untereinander verwandt. Sie sind alle dadurch gekennzeichnet, daß Interferenz zwischen, zwei Strahlen, von welchen der eine reflektiert wird und der andere durch einen halbdurchsicbtigen Belag hindurchgeht, zustande kommt. Diese Kombinationen können also gemeinsam behandelt werden.

Fig. 3 gibt die Kombination zwischen der »Sehlierenseanningvorrichtung« und Jamins Interferometer wieder, letzteres etwas abgeändert, um die optische Abbildung der Zelle zu bewirken. A ist ein waagerechter Spalt, welcher mit monochromatischem Licht beleuchtet wird und in der Fokalsbene zum Objektiv B gelegen ist. C ist eine Blende, während D und F die für das Jamin-Interferometer charakteristischen schräg gestellten Planglasplatten sind, zwischen welchen die Zelle E steht. G ist eine andere Blende, und das Objektiv H gibt ein Bild des Beleuchtungsspaltes in der Ebene/. In dieser Ebene befindet sich die für die »Schlierenscanningvorrichtung« charakteristische, vertikal bewegliche, horizontale Schneide. Das Objektiv K gibt ein Bild von der Zelle auf der 'Platte oder dem Film N, welcher sich gleich hinter einem zu dem Be'leuchtungsspalt rechtwinkligen schmalen Spalt M befindet. Die Platte kann sich mit konstanter Geschwindigkeit horizontal bewegen, also senkrecht zu Spalt M, welche Bewegung mechanisch mit den vertikalen Bewegungen der horizontalen Schneide / verbunden ist.

In dieser Aufstellung bilden folgende Bestandteile, nämlich der Spalt A, das Objektiv B, die Zelle E, das Objektiv H, die 'bewegliche Schneide /, das Objektiv K, der Spalt M sowie die Platte JV, go eine » Schlierenscanningvorrichtung« gemäß Longsworth, während die folgenden Bestandteile, d.h. der Spalt A, das. Objektiv B₁ die Blende C, die Planglasplatten D und F, die Zelle E, die Blende G, das Objektiv H, das Objektiv K und die Platte N, zusammen eine zellenfokussierende Interferometervorrichtung gemäß Jamin darstellen. Die »Schlierenscanningvorrichtung« in ihrer ursprünglichen Form funktioniert immer noch in Anwesenheit der Blenden C und G und der Planglasplatten D und F, _iOo wenn nur derjenige Strahl, der außerhalb der Zelle verläuft, abgeblendet wird. Andererseits funktioniert die Interferenzmethode auch in Anwesenheit des Spaltes JIi und der beweglichen Schneide /, wenn nur· letztere sich in einer solchen Lage befindet, daß sie nicht irgendwelches Licht von der Zelle abblendet. Ebensowenig verhindert die Horizontalbewegung der Platte die Aufnahme des Interferenzdiagramms.

Die Aufnahme des Brechungsindexdiagramms und des Ableitungsdiagramms auf derselben Platte kann nun auf zwei im Prinzip verschiedene Arten geschehen. Entweder kann man die beiden Aufnahmen zeitlich nacheinander auf solche Art machen, daß man erst den Strahl außerhalb der Zelle abblendet und eine »Schlierenscanningaufnahme« dadurch macht, daß man die Platte sich horizontal synchron mit der vertikalen Abwärtsbewegung der Schneide / bewegen läßt, wonach man, nachdem die Schneide kein Licht mehr abblendet, den Strahl außerhalb der Zelle durchläßt und eine Aufnahme des Interferenzdiagramms macht, während die Plattenbewegung fortgesetzt und der Spalt M beibehalten werden kann. Ebenso kann man die 'beiden Aufnahmen gleichzeitig machen, was bedeutet, daß sowohl die »Schlieren-

scanningmethode« als auch die Interferenzmethode abgeändert, aneinander angepaßt und zu einer neuen Kombinationsmethode verschmolzen werden. Wenn man nämlich die »SchliereniScanningaufnahme« durchführt, ohne daß man den Strahl, der außerhalb der Zelle verläuft, abblendet, werden die Interferenzen des Gleitschattens in Form von horizontalen hellen und dunklen Strichen sichtbar. Wo der Schatten beginnt, dort enden die Interferenzfransen, ίο da einer der miteinander interferierenden Strahlen von der bewegliehen Schneide / abgeschnitten wird. Zum Unterschied von der ursprünglichen »Schlierenscannmgmethode« wird in dieser Modifikation auch das Gebiet innerhalb der Schlierenschatten auf der Platte geschwärzt, weil das Licht, welches neben der Zelle verläuft, nicht abgelenkt und somit nicht von der Schneide / abgeschnitten wird. Ohne Interferenzen würde man also zwei Felder mit ungleich kräftiger Schwärzung erhalten, wobei die Begrenzungslinie zwischen diesen Feldern den Verlauf der Brechungsindexableitung angibt. Jetzt kommen die Interferenzen in dem Gebiet außerhalb des Schlierenschattens hinzu, weshalb der Umriß der Ableitungskurve von dem Aufhören der Interferenzfransen markiert wird. Gleichzeitig gibt die Verteilung der Interferenzfransen direkte Auskunft über den Verlauf der Brechungsindexfunktion (durch Zählung bzw. Messung des Abstandes zwischen den Fransen).

Wie dieselben Prinzipien mit Bezug auf die verwandten Interferometer Verwendung finden können, ergibt sich für eine in der Optik etwas bewanderte Person von selbst, und es dürfte daher unnötig sein, hier näher darauf einzugehen. Dagegen werden im folgenden die notwendigen Vorrichtungen beschrieben, um zu einem entsprechenden Ergebnis mit der Schrägspaltmethode an Stelle der »Schlierenscanningmethode« zu kommen.

Will man die Ableitungskurve und das Interferenzdiagramm nebeneinander haben, verwendet man an Stelle des Schrägspaltes einen vertikalen und einen schrägen Spalt, die nebeneinander liegen und beide von dem Bild des Beleuchtungsspaltes beleuchtet werden. Der vertikale Spalt sollte vorzugsweise nicht allzu schmal und so lang sein, daß er das gesamte abgelenkte Licht hindurchläßt. Auf der Platte werden beide Spalte nebeneinander abgebildet. In dem Bild des vertikalen Spaltes treten die Interferenzfransen in der Form von horizontalen hellen und dunklen Strichen auf. Im Bild des Schrägspaltes wird die Ableitung auf gewöhnliche Art wiedergegeben, jedoch mit dem Unterschied, daß Interferenzen in den Teilen der Kurve, die sich nicht von der Grundlinie unterscheiden, beobachtet werden können.

Will man die Ableitungskurve und die Interferenzfransen ineinander vereinigt haben, verwendet man in der Ebene / (Ebene des Schrägspaltes) einen schrägen und einen waagerechten Spalt, die in ihrem Schnittpunkt miteinander vereinigt sind, wobei der sich daraus ergebende Winkelspalt so gelegt wird, daß der waagerechte Teil das Licht hindurchläßt, welches nicht in der Zelle abgelenkt wird. Dadurch, daß dieses Licht in seiner Gesamtheit durchgelassen wird, wird das gesamte Blickfeld auf der Platte, also nicht nur die Grundlinie und die Ableitungskurve, belichtet wie in der ursprünglichen Form der Schrägspaltmethode. Die Ableitungskurve wird jedoch nichtsdestoweniger hervortreten, weil in derselben und nur in derselben die Interferenzen auftreten. In der Ableitungskurve selbst, und nur dort, treffen nämlich die zwei kohärenten Strahlen zusammen, welche miteinander interferieren können.

Noch eine Variante ist möglich, nämlich wenn man den Schrägspalt zugunsten einer schräg gestellten Schneide austauscht. Diese Variante ist das nächst denkbare Gegenstück zu der »Schlierenscannigmethode« und ergibt auch genau dasselbe Ergebnis für diese soeben beschriebenen. Man bekommt also dann ein homogen geschwärztes Feld und ein Feld gefüllt mit Interferenzfransen, wobei die Begrenzungslinie zwischen diesen beiden Feldern die Ableitung ausmacht.

In Fig. ι und 2 sind die Strahlen, welche die Registrierung des Brechungsindex hervorrufen, mit α bezeichnet worden, während die Strahlen, welche die Registrierung der Ableitung hervorrufen, mit β bezeichnet worden sind. In den soeben beschriebenen Ausführungsformen, in denen die Interferenzfransen in die Ableitungskurve hineinkombiniert worden sind, kann natürlich eine solche Unterscheidung zwischen den Strahlen nicht geschehen. In diesen Ausführungsformen bewirken alle Strahlen die Registrierung der beiden Funktionen.

3. Die Kombination zwischen der Schrägspaltvorrichtung oder »Schlierenscannigvorrichtung« einerseits und einer Interferometervorrichtung andererseits für eine analytische Zentrifuge.

Obwohl diese Kombination gemäß der unter 1 und 2 beschriebenen Prinzipien ausgeführt werden kann, kommen hier noch besondere Probleme hinzu, indem die Interferenz vorzugsweise zwischen zwei identischen Zellen an zwei diametral entgegengesetzten Punkten in dem Zentrifugenrotor stattfindet, wobei die eine Zelle mit der Lösung gefüllt ist, die untersucht werden soll, und die andere mit einem Lösungsmittel. Ferner muß man darauf achten, daß die Interferenz zwischen zwei entsprechenden Punkten in den beiden Zellen stattfindet, so daß ein Strahl durch den peripheren Teil der einen Zelle mit einem Strahl durch den peripheren Teil der anderen Zelle interferiert. Die Vorrichtung kann in Anlehnung an Fig. 4 aufgebaut werden. In der Ebene A₁ welche die Fokalebene des Objektivs B ist, sitzt der Beleuchtungsspalt bzw. die Beleuchtungsspalte. Nach dem Durchgang durch das Objektiv B wird das Licht in zwei Bündel von den beiden totalreflektierenden 45°-Prismen R₁ und R₂ geteilt, welche das Licht gegen die Peripherie des Rotors hinauslenken. (Die Rotorachse fällt mit der optischen Achse des Linsensystems zusammen.) Die Teile ,S₁ und JT₂ sind zwei Spezialprismen mit zwei totalreflektierenden Flächen, welche zur Aufgabe haben, das Licht in

die Zellen zu lenken und gleichzeitig die länglichen Lichtbündel um 90⁰ zu drehen, so daß deren Ausdehnung mit der der Zellen in der Beobachtungslage übereinstimmen. Die Konstruktion der Spezialprismen geht aus der Fig. 5 hervor. Nachdem das Licht durch die Zellen durchgegangen ist, trifft es zwei ähnliche Spezialprismen S₃ und 6*₄, welche also die Lichtbündel um 90⁰ zurückdrehen und sie in die Nähe der optischen Achse zurückführen. Hier wird das Licht von den zwei totalreflektierenden 45'^O'-Prismen R₃ und i?₄ aufgefangen, welche das Licht in das Linsensystem HKL auf die Platte oder den Film N lenken. Dieses Linsensystem ist so zusammengesetzt und einjustiert, wie bereits beschrieben worden ist, was auch für die übrigen optischen Bestandteile außerhalb der Objektive B und H gilt.

4. Die Kombination zwischen einer Interferometervorrichtung, welche die Brechungsindexfurikao tion, und einer Interferometervorrichtung, welche die Brechungsindexableitung ergibt.

Die Registrierung der Brechungsindexableitung mit Interferenzmethoden ist bisher nicht beschrieben worden, kann jedoch mit Hilfe einer Abänderung bereits bekannter Interferometervorrichtungen, wie unten beschrieben, ausgeführt werden. Die abgeänderte Interferometervorrichtung kann dann mit einer nicht abgeänderten nach demselben Prinzip kombiniert werden. Die Kombination kann in Anlehnung an Fig. 6 und 7 ausgeführt werden, wobei Rayleyghs Interferometer zugrunde gelegt worden ist. Dieselben Prinzipien können selbstverständlich für andere Arten von Interferometern angewendet werden. In Fig. 6 und 7 ist A der vertikale Beleuchtungsspalt, welcher in der Fokatebene zu dem Objektiv B steht; der Spalt wird mit monochromatischem Licht beleuchtet. Das Licht geht sodann parallel zu dem Objektiv H, von welchem es zu einem Bild des Beleuchtungsspaltes in der Ebene N gebrochen wird, wo die photographische Platte oder der Film N angebracht wird. Die Interferometerküvette oder Zelle E, in welcher die Lösung mit dem zu untersuchenden Brechungsindexverlauf vorhanden ist, ist mit Vorder- und Rückwänden, welche auf der einen Seite ein Stück über die Seitenwände hinausragen, versehen, so daß Licht, welches direkt außerhalb der Küvette entlang· geht, ungefähr dieselbe optische Strecke zurücklegt wie Licht, das durch dieselbe hindurchgeht (es wird dabei vorausgesetzt, daß sich die Küvette in einem Thermostaten, der eine Flüssigkeit mit in der Hauptsache demselben Brechungsindex wie die Lösung in der Küvette enthält, befindet). Bei T₁ und T₂ vor und hinter der Küvette befinden sich insgesamt sechs planparallele Glasplatten in zwei Gruppen mit drei Platten in jeder Gruppe, wobei in jeder Gruppe zwei Platten, mit 1 und 2 bezeichnet, in demselben Winkel nach jeder Seite abfallen, während die dritte, mit 3 bezeichnete, immer vertikal verläuft. Das Doppelprisma V erfüllt den Zweck, alles Licht, welches durch die schrägen Glasplatten gegangen ist, um einen gewissen Winkel nach der einen Seite, und alles Licht, welches durch die vertikalen Glasplatten gegangen ist, um denselben Winkel nach der anderen Seite abzulenken, wobei beide Ablenkungen in horizontaler Richtung stattfinden. Die Zylinderlinse X mit horizontaler Achse ergibt ein Bild von der vertikalen Koordinatenskäla der Zelle auf der Platte N, ohne die scharfe Abbildung des vertikalen Beleuchtungsspaltes zu stören.

Die Strahlen a_x und a₂ gehen durch die vertikalen Glasplatten und die Zelle bzw. die Flüssigkeit des Thermostaten außerhalb der Zelle; sie geben auf der Platte eine Registrierung der Brechungsindexfunktion. Die Strahlen ß_x und /?₂ gehen erst durch die schräg gestellten Platten. In diesen werden sie parallel verschoben, der eine aufwärts und der andere abwärts, und sie gehen also durch die Zelle auf etwas ungleicher Höhe. Der Höhenunterschied kann durch Einstellung der Neigungswinkel der beiden Platten eingestellt werden. Nach dem Durchgang durch die Zelle werden die Strahlen wieder auf dieselbe Höhe von dem anderen Paar schräg gestellter Platten zurückgeführt. (Weil die Strahlen in der Richtung des Brechungsindexgradienten abgelenkt werden, und zwar in ungleichem Maße, wird diese Rückführung auf dieselbe Höhe nicht durchgeführt, bevor die go Strahlen die Platte erreichen, aber das ist ja auch das einzige Notwendige, um die Interferenz zu erhalten.) Auf der Platte oder dem Film N ergeben die Strahlen eine interferometrische Registrierung der Brechungsindexableitung. Das Doppelprisma V hindert die beiden Interferenzdiagramme daran, sich an derselben Stelle zu überlagern. Um eine scharfe Referenzlinie, von der man bei der Auswertung des Films oder der Platte ausgehen kann, zu erhalten, kann man noch weitere Strahlen, in Fig. 6 und 7 mit γ bezeichnet, außerhalb der Interferometerküvette verlaufen lassen. Diese Strahlen ergeben, wenn ihnen eine ausreichende Öffnung in Richtung senkrecht zum Beleuchungsspalt zugeteilt wird, zentral auf der Platte, zwischen den beiden Interferenzdiagrammen, ein Bild des Beleuchtungsspaltes ohne nennenswerte Diffraktion und ohne Interferenzen. Fig. 11 zeigt ein Interferenzdiagramm, welches man mit dieser Methode erhalten hat.

B. Die gleichzeitige Registrierung vom Brechungsindex und seiner Ableitung in bezug auf die Zeit, das Volumen oder Gewicht für strömende

Lösungen. ^ll*>

i.InterferometrischeRegistrierungdesBrechungsindex und seiner Ableitung.

Hier kann man selbstverständlich wiederum irgendeinen Typ von Interferometern anwenden. iao Da man jedoch bei der Brechungsindexanalyse von strömenden Lösungen vorzugsweise so kleine Meßzellen wie möglich anwenden will, und da also die beiden Zellen sehr nahe aneinander angebracht werden können, gibt es keinen Anlaß, kompliziertere Interferometertypen zu verwenden, die einen

großen Abstand zwischen den interferierenden Strahlen zulassen.

In Fig. 8 und g wird dargestellt, wie eine gleichzeitige interferometrische Registrierung des Brechungsindex und seiner Ableitung mit Hilfe eines Rayleigh-Interferometers durchgeführt werden kann. A ist eine spaltförmige monochromatische Lichtquelle, welche von den beiden sphärischen Objektiven B und H auf der Platte oder dem

ίο Film N abgebildet wird. Zwischen den Objektiven verläuft das Licht am besten parallel, d. h. der Beleuchtüngsspalt und dessen Bild befinden sich in den entsprechenden Fokalebenen zu den Objektiven B und H. Die Interferometerküvette oder Zelle E ist mit drei Kammern versehen, welche nebeneinanderliegen und alle kleines Volumen haben, jedoch mit so langer Ausdehnung wie möglich in der Richtung der optischen Achse. Die Kammern α und c sind miteinander in Serie geschaltet mit oder ohne einer Zwischenkammer b und werden von der zu untersuchenden Lösung durchströmt. Damit in jedem Augenblick der Brechungsindex innerhalb der Kammern konstant gehalten wird, kann man in denselben ein Mikrorührwerk in Form einer Kugel, die auf magnetischem Wege in der Längsrichtung der Kammer zum Schwingen gebracht wird, einschließen. Die Kammer d enthält eine Lösung oder eine Flüssigkeit mit konstantem Brechungsindex, welcher unweit von dem zu messenden variablen Brechungsindex gelegen ist (vorzugsweise verwendet man in dieser Kammer das Lösungsmittel). Die mittlere Kammer c ist doppelt so groß wie die beiden anderen Kammern, weil das durch dieselbe gehende Licht teils mit dem Licht durch die Kammer α und teils mit dem Licht durch die Kammer d interferieren soll. Diese Aufteilung des Lichtes durch die mittlere Kammer führt man mit Hilfe des Doppelprismas V herbei, das das Licht durch die Kammer α und das halbe Lichtbündel durch die Kammer c in die eine Richtung und das Licht durch die Kammer d und das halbe Lichtbündel durch die Kammer c in die andere Richtung ablenkt, wobei diese beiden Ablenkungen in Richtung senkrecht zum Beleuchtungsspalt verlaufen. Man erhält dann auf der Platte N zwei Interferenzfiguren nebeneinander, wobei die eine der Interferenz zwischen dem Licht durch die Kammern a und c, und die andere der Interferenz zwischen dem Licht durch die Kammern c und d entspricht. Diese Interferenzfiguren haben jedoch dasselbe Aussehen und bestehen aus parallelen Fransen. Eine Aufzeichnung der Brechungsindexfunktion und ihrer Ableitung bekommt man erst dadurch, daß der photographischen Platte oder dem Film N eine mit dem Beleuchtungsspalt und den Interferenzfransen parallele Bewegung zugeteilt wird, welche Bewegung mit konstanter Geschwindigkeit geschieht (zum Erzielen des Brechungsindex und seiner Ableitung in bezug auf die Zeit als Funktionen der Zeit) oder mit einer Geschwindigkeit, die sich nach der Transportgeschwindigkeit der Lösung, in Volumeneinheit je Zeiteinheit berechnet, richtet (zum Erzielen des Brechungsindex und seiner Ableitung in bezug auf das Volumen als Funktionen des Volumens) oder in Gewichtseinheit je Zeiteinheit (zum Erzielen des Brechungsindex und seiner Ableitung in bezug auf das Gewicht als Funktionen des Gewichtes). Zur scharfen Aufzeichnung dieser beiden Funktionen ist ferner der schmale Spalt M, welcher senkrecht zum Beleuchtungsspalt und den Fransen verläuft und dicht neben dem beweglichen Film oder der Platte gelegen ist, wesentlich. Dieser Spalt läßt nur einen minimalen Lichtpunkt für jede Franse zur Platte hindurch. Die Strömung der Lösung durch die Interferenzküvette E verursacht, daß die Fransen sich senkrecht zu sich selbst verschieben, und gleichzeitig bewegt sich die Platte parallel mit den Fransen. Hieraus ist leicht zu ersehen, daß die genannten Lichtpunkte gewisse Kurven auf der Platte 'beschreiben, welche Kurven mit den gewünschten identisch sein werden, d. h. mit der Brechungsindexfunktion und mit der ersten Ableitung derselben. Durch geeignete Wahl des Volumens der Zwischenkammer b kann man einen Kompromiß zwischen der Empfindlichkeit der Ableitungsregistrierung und deren systematischen Fehlern, bestehend aus dem Unterschied zwischen dem wahren Differentialquotienten und der ermessenen Größe Δ η/Δ t bzw. Δ η/Δ ν oder Δ η/A p, schließen (η = Brechungsindex, ί = Zeit, ν = Volumen, p = Gewicht der transportierten Lösung). Die zwei mit α bezeichneten Strahlen gehen mit konstantem Brechungsindex durch die Kammer d bzw. durch die eine Hälfte der mittleren Kammer c mit strömender Lösung und geben somit eine Registrierung der Brechungsindexfunktion. Die beiden mit β bezeichneten Strahlen gehen durch die Kammern α und c, beide mit strömender Lösung, und geben also eine Registrierung der ersten Ableitung. Die mit γ bezeichneten Strahlen gehen ganz außerhalb der Interferometerküvette und geben also ein scharfes Bild des Beleuchtungsspaltes, welches Bild als Referenzlinie bei der genauen Ausmessung der Platten dienen kann.

Alternativ kann man, anstatt drei Interferometerkammern nebeneinander anzubringen und die mittlere Kammer doppelt so groß wie die anderen zu machen, vier Kammern in zwei Paaren untereinander anbringen, wobei die Interferenzen zwischen der Kammer d mit konstantem Brechungsindex und der mittleren Kammer b (welche also in diesem Fäll eine Interferometerkammer wird) sowie zwischen den Kammern α und c, welche schon beschrieben worden sind, vorgesehen werden.

Die Bewegungsgeschwindigkeit der Platte muß der Geschwindigkeit, mit welcher man sich vorstellen kann, daß die Interferenzfransen sich höchstens senkrecht zu sich selbst bewegen, angepaßt werden, was dasselbe bedeutet, als wenn man sagt, daß die Bewegungsgeschwindigkeit der Platte sich nach dem zu erwartenden Maximalwert der ersten Ableitung der Brechungsindexfunktion richten muß. Wenn nämlich die Fransen Zeit haben, sich um einen bedeutenden Teil einer Fransenbreite

während der Zeitspanne fortzubewegen, während der die Platte sich eine Strecke entsprechend der Breite des Spaltes M verschiebt, ergibt dies ein allgemeines Verwischen der Fransen. Hinzu kommt das Risiko· für Unterexponierung, wenn die Fransen sich zu schnell verschieben.

Zu den Vorteilen, die eine gleichzeitige Registrierung des Brechungsindex und seiner Ableitung ergibt (welche Vorteile in der Einleitung

ίο erwähnt wurden), kommt noch ein weiterer hinzu. Wenn bei extrem schnellem Brechungsindexverlauf in der strömenden Lösung die Registrierung der Funktion selbst auf Grund obiger Umstände mißlingt, wird die Registrierung der Ableitung dennoch ungestört stattfinden, da ja diese Fransen sich seitwärts viel langsamer verschieben als diejenigen, welche den Brechungsindex selbst registrieren. Ein Verwischen oder Verschwinden der Zeichnung der Fransen in einem noch so kleinen Intervall 'bedeutet in der Regel, daß die Brechungsindexanalyse, verfehlt ist, da man ja die Zählung der Fransen in dem gestörten Intervall verliert. Jedoch mit einer gleichzeitigen Registrierung der Funktion und ihrer Ableitung kann man mißlungene Teile der früheren Registrierung durch Integrieren der entsprechenden Teile des Ableitungsdiagramms überbrücken. Die Brechungsindexanalyse ist erst dann als mißlungen anzusehen, wenn beide Diagramme in demselben Gebiet mißlungen sind, was jedoch sehr unwahrscheinlich ist.

2. Gleichzeitige Registrierung des Brechungsindex und seiner ersten Ableitung mit Hilfe von Differenzprismen.

Die Registrierung von einer der Funktionen ist allgemein bekannt und sehr einfach. Gleichzeitige Registrierung von beiden Funktionen kann auf folgende Weise erzielt werden. Eine punktförmige Lichtquelle wird von einem optischen System abgebildet, wobei die Strahlen durch zwei Differenzprismen geleitet werden, also durch vier Teilprismen, je zwei mit den brechenden Kanten gegeneinander zusammengeschaltet. Ein Teilprisma ist mit dem Lösungsmittel gefüllt, die drei anderen mit der zu untersuchenden strömenden Lösung, wobei die drei Teilprismen auf solche Art in Serie geschaltet sind, daß das Teilprisma, welches mit demjenigen zusammengeschaltet ist, das einen konstanten Brechungsindex enthält, zwischen den beiden andern liegt. Das Lichtbündel, welches durch das Doppelprisma geht, welches die strömende und die stillstehende Lösung enthält, erhält eine Ablenkung, welche proportional zum Unterschied zwischen den Brechungsindizes dieser beiden Lösungen ist. Also kann dieses Strahlenbündel, nachdem es fokussiert worden ist, eine Registrierung der Brechungsindexfunktion geben. Das Lichtbündel, welches durch das Differenzprisma hindurchgeht, das nur strömende Lösung enthält, erhält eine Ablenkung, welche proportional zu dem Differentialquotienten des Brechungsindex ist. Dieses Prisma sollte höhere Empfindlichkeit haben als das erstgenannte, also eine Scheidewand zwischen den Teilprismen, welche Wand mehr parallel mit der Durchgangsrichtung des Lichtes ist. Um die Überlagerung der beiden Kurven zu verhindern, kann man das eine oder die beiden Strahlenbündel durch noch ein Prisma mit Ablenkung in derselben Richtung wie die Differenzprismen hindurchgehen lassen. Alternativ kann man das Teilprisma mit konstantem Brechungsindex mit einer Flüssigkeit von einem Brechungsindex, welcher so bedeutend von dem in der strömenden Lösung abweicht, daß die Ablenkung in diesem Differenzprisma immer größer als in dem anderen Differenzprisma wird, füllen. Umrührung und Konstanthalten der Temperatur müssen auf die eine oder andere Weise in den Differenzprismen bewirkt werden.

Die punktförmige Lichtquelle wird nun auf dem optischen System als zwei nebeneinander in der Richtung der Lichtablenkungen liegende Lichtpunkte abgebildet. Wenn die Brechungsindizes sich ändern, bewegen sich ihre Lichtpunkte in derselben Richtung. Eine Aufzeichnung der Bewegungen der Lichtpunkte erhält man dadurch, daß man der photographischen Platte eine Bewegung in dazu rechtwinkliger Richtung zuteilt. Diese Bewegung kann mit konstanter Geschwindigkeit oder mit einer Geschwindigkeit, die dem Volumen oder dem Gewicht der transportierten Lösung proportional ist, stattfinden. Auf diese Vorrichtung trifft das zu, was im vorhergehenden gesagt worden ist, nämlich daß, wenn bei extrem schnellem Brechungsindexverlauf die Kurve, welche die Brechungsindexfunktion wiedergibt, auf Grund der zu schnellen Bewegung des Lichtpunktes unterexponiert wird, dieses dann nicht für die Ableitungskurve zutrifft. Unterexponierte Teile der Funktionskurve können also hinterher durch Integrieren der entsprechenden Partien der Ableitungskurve konstruiert werden. Es ist jedoch zu beachten, daß eine Unterbrechung in der Zeichnung der Brechungsindexfunktion in dieser Vorrichtung nicht so schlimme Folgen hat wie bei der interferometrischen Vorrichtung. Wenn der Brechungsindexverlauf weniger schnell wird und die Kurve wieder beginnt, auf der Platte hervorzutreten, bekommt man mit einer Differenzprismavorrichtung den richtigen dann herrschenden Wert des Brechungsindex, während man in der interferometrischen Vorrichtung über den Absolutwert des Brechungsindex nach einer Periode eines zu schnellen Brechungsindexverlaufes in Unkenntnis schwebt, bis man das Ableitungsdiagramm zur Hilfe nimmt.

Claims (15)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   I. Optische Vorrichtung zur Analyse des Brechungsindex in geschichteten oder strömenden Lösungen, bestehend aus der Kombination zwischen einer Vorrichtung zur Registrierung des Brechungsindex als Funktion der Lage in der Zelle für geschichtete Lösungen bzw. als Funktion der Zeit, des Volumens oder des Gewichts für strömende Lösungen, und einer

   Vorrichtung zur Registrierung der ersten Ableitung des Brechungsindex in bezug auf die verwendete unabhängige Variable, gekennzeichnet durch ein für die beiden Kombinationselemente gemeinsames Linsensystem zur Zusammenführung der Strahlenbündel, welche die Funktion bzw. deren Ableitung hervorrufen, mit demselben Vergrößerungsfaktor in einer gemeinsamen Bildebene.
2. 2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zur Messung in geschichteten Lösungen, gekennzeichnet dadurch, daß das Linsensystem so ausgeführt ist, daß es optisch die Koordinatenskala der Meßzelle in Richtung des Brechungsindexgradienten entlang der einen Koordinatenachse der gemeinsamen Bildebene abbildet.
3. 3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß das zellenabbildende Linsensystem astigmatisch und so angepaßt ist, daß man eine Abbildung der Koordinatenskala der Zelle in Richtung des Brechungsindexgradienten entlang der einen Koordinatenachse der gemeinsamen Bildfläche erhält, gleichzeitig wie entlang der dagegen senkrechten Koordinatenachse eine Abbildung des Beleuchtungsspaltes bzw. der -spalten oder von ihren optischen Bildern in anderen Linsensystemen der Vorrichtung zustande kommt.
4. 4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch ein zellenabbildendes Linsensystem, welches sphärisch ist und also nicht imstande, den Beleuchtungsspalt oder sein Bild abzubilden sowie durch eine »Schlierenscanningvorrichtung« zur Registrierung der Brechungsindexableifcung durch eine gleichzeitige mechanische Bewegung der photographischen Platte in Richtung senkrecht zu dem optischen Bild des Brechungsindexgradienten und eines Spaltes oder einer Schneide in der Bildebene des Beleuchtungsspaltes in Richtung des Brechungsindexgradienten.
5. 5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 3 unter Verwendung der an und für sich bekannten Schrägspaltvorrichtung zur Registrierung der Ableitung, gekennzeichnet dadurch, daß in der erwähnten bekannten Vorrichtung der Beleuchtungsspalt mit einem dazu senkrechten Beleuchtungsspalt vervollständigt und fernerhin die Schrägspaltvorrichtung so ausgeführt ist, daß dem Licht, welches von dem hinzugefügten Beleuchtungsspalt kommt, freier Durchgang gewährt wird.
6. 6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Kombination zwischen einer an sich bekannten Vorrichtung zur Registrierung der ersten Ableitung des Brechungsindex und einer an sich bekannten Vorrichtung zur interferometrischen Registrierung des Brechungsindex, charakterisiert durch Interferometerplatten mit halbdurchsichtigem Belag zur Aufteilung des einfallenden Lichtes in zwei kohärente Bündel durch teilweise Reflexion bzw. teilweisen Durchgang und zur Rückführung dieser kohärenten Strahlenbündel nach deren Durchgang durch die Meßzelle.
7. 7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Interferometervorrichtung mit halbdurchsichtigen Platten, kombiniert mit einer »Schlierenscanningvorrichtung«, wobei die Voraussetzungen für Interferenz im Gebiet außerhalb des Schlierenschattens gegeben sind.
8. 8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Kombination der Schrägspaltvorrichtung und einer Interferometervorrichtung mit halbdurchsichtigen Platten, wobei der Schrägspalt mit einer danebenliegenden senkrechten Öffnung vervollständigt ist, wodurch man ein Interferenzdiagramm auf der Seite der Ableitungskurve erhält.
9. 9. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, gekennzeichnet durch die Kombination der Schrägspaltvorrichtung und einer Interferometervorrichtung mit halbdurchsichtigen Platten, wobei der Schrägspalt mit einem waagerechten von dem einen Ende des Schrägspaltes ausgehenden Spalt vervollständigt ist.
10. iö. Vorrichtung gemäß eines der Ansprüche ι bis 9 für Sedimentationsmessungen in einer Zentrifuge, gekennzeichnet dadurch, daß in dem Zentrifugenrotor eine Meßzelle und eine Referenzzelle in gleichem Abstand vom Rotormittelpunkt angeordnet sind und ferner im Zentrifugenhaus zwei Öffnungen für den Durchlaß des Lichtes vorgesehen und so angeordnet sind, daß die beiden Zellen sich gleichzeitig vor je einer Öffnung befinden und daß ferner in der Bahn der Lichtstrahlen an und für sich bekannte Lichtablenkungs- und Lichtdrehvorrichtungen zur Trennung des einfallenden Liehtes in zwei Bündel angebracht sind, eine für jede Zelle und zur Orientierung der genannten Bündel in Richtung des Rotorradius bzw. zur Rückführung der Strahlenbündel zur Interferenz auf der gemeinsamen Bildebene.
11. 11. Vorrichtung gemäß Ansprach 1 und 2 zur gleichzeitigen interferometrischen Registrierung sowohl der Brechungsindexfunktion als ihrer Ableitung für geschichtete Lösungen, gekennzeichnet durch die Kombination einer interferometrischen Vorrichtung zur Registrierung des Brechungsindex und einer interferometrischen Vorrichtung zur Registrierung seiner Ableitung, wobei die Registrierungsvorrichtungen mit einer Lichtaufteilungsvorrichtung zur Aufteilung des einfallenden Lichtes in zwei Paar kohärente Lichtbündel (<z_x und ce₂ bzw. /J₁ und ß₂, Fig. 6) versehen sind, auf solche Art, daß das eine Strahlenbündel ((Z₁) in dem einen Paar durch die Meßzelle hindurchgeht, während das andere Strahlenbündel (<z₂) in demselben Paar außerhalb derselben in der Hauptsache denselben optischen Weg zurücklegt, und daß die Strahlenbündel (ß_t und ß₂) in dem anderen Paar vor dem Eintritt in die Zelle gleichviel nach jeder Seite parallel mit der

    Richtung des Brechungsindexgradienten verschoben werden und die Registrierungsvorrichtungen außerdem mit einer das Licht brechenden Vorrichtung zur Wiedervereinigung der kohärenten Strahlenbündel (α_1; α₂ und ß_v /S₂) zur Interferenz auf nebeneinanderliegenden Stellen in der gemeinsamen Bildebene versehen sind.
12. 12. Vorrichtung gemäß Anspruch ι für ίο Messung in strömenden Lösungen, gekennzeichnet durch ein Linsensystem, so ausgeführt, daß nur der Beleuchtungsspalt bzw. -punkt, aber nicht die Zelle, optisch auf der gemeinsamen Bildebene abgebildet wird sowie durch eine mechanische Bewegungsvorrichtung zur Verschiebung der photographischen Platte oder des Films während der Registrierung mit konstanter Geschwindigkeit oder mit einer Geschwindigkeit, welche dem Volumen oder Gewicht der transportierten Lösung proportional ist, in einer Richtung, welche senkrecht zu den optischen Verschiebungen des Bildes des Beleuchtungsspaltes oder -punktes verläuft.
13. 13. Vorrichtung gemäß Anspruch 14, gekennzeichnet durch die Kombination einer interferometrischen Vorrichtung zur Registrierung des Brechungsindex und einer interferometrischen Vorrichtung zur Registrierung von dessen Ableitung, wobei die Interferometermeßzelle mit mindestens drei Kammern ausgeführt ist, eine Lösung mit konstantem Brechungsindex enthaltend, die zwei anderen die strömende, zu messende Lösung enthaltend, wobei ferner das optische System so ausgebildet ist, daß die Interferenz zwischen zwei kohärenten Strahlenbündeln, welche durch die Kammer mit konstantem Brechungsindex hindurchgehen bzw. durch eine der Kammern mit strömender Lösung, eintrifft, sowie zwischen zwei anderen kohärenten Strahlenbündeln, welche durch je eine der in Serie geschalteten Kammern mit strömender Lösung hindurchgehen, wobei ferner seitenablenkende Prismen od. dgl. zum Auffangen der beiden Interferenzfiguren nebeneinander auf derselben photographischen Platte oder demselben Film angeordnet sind, und wobei schließlich zur Erzielung der kontinuierlichen Registrierung die photographische Platte oder der Film in einer mechanischen Bewegungsvorrichtung angebracht ist, welche für eine Bewegung parallel mit den Interferenzfransen hinter einem schmalen Spalt, der senkrecht zu den Fransen steht, ausgeführt ist.
14. 14. Vorrichtung gemäß Anspruch 14, gekennzeichnet durcheine Differenzprismenvorrichtung zur Registrierung des Brechungsindex und eine ähnliche Vorrichtung zur Registrierung seiner Ableitung.
15. 15. Meßzelle für interferometrische Meßvorrichtungen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß diese als eine Küvette mit zwei einander gegenüberliegenden Wänden, welche über eine der dazu senkrechten Wände hinausragt, ausgeführt ist.

    Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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