DD256060A3

DD256060A3 - Echelle spectrometer

Info

Publication number: DD256060A3
Application number: DD26641684A
Authority: DD
Inventors: Stefan Florek; Helmut Becker-Ross
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1984-08-20
Filing date: 1984-08-20
Publication date: 1988-04-27

Abstract

Das vorgeschlagene Echelle-Spektrometer kann in der Atomemissionsspektroskopie im Polychromator- und Monochromatorbetrieb eingesetzt werden. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ohne wesentliche Veraenderungen am optischen System eines Echelle-Spektrometers dieses sowohl im Polychromator- als auch im Monochromatorbetrieb einsetzbar zu gestalten. Das Echelle-Spektrometer besteht, in Richtung des Strahlenganges gesehen, aus einer Eintrittspaltanordnung, einem sphaerischen Kollimatorspiegel, einem Prisma, einem Echelle-Gitter, wobei die Dispersionsebene des Prismas senkrecht zu der des Echelle-Gitters verlaeuft, einem sphaerischen Kameraspiegel mit der Brennweite des Kollimatorspiegels und optischen Elementen in der Fokalebene des Spektrometers zur Aussonderung und Weiterleitung interessierender Spektralelemente zu einer Anzahl von Empfaengern. Der Kameraspiegel ist um zwei Achsen drehbar gelagert. Die geometrisch im wesentlichen gleichmaessig ueber die Fokalebene verteilten und fuer den Polychromatorbetrieb vorgesehenen optischen Elemente werden in ihrer Anzahl zumindest teilweise fuer den Monochromatorbetrieb eingesetzt. Fig. 1The proposed Echelle spectrometer can be used in atomic emission spectroscopy in polychromator and monochromator operation. The object of the invention is to make it usable without significant changes to the optical system of an echelle spectrometer in both the polychromator and monochromator. The echelle spectrometer, viewed in the direction of the beam path, consists of an entrance slit arrangement, a spherical collimator mirror, a prism, an echelle grating with the dispersion plane of the prism perpendicular to that of the echelle grating, a spherical camera mirror with the focal length of the collimator mirror and optical elements in the focal plane of the spectrometer for rejecting and relaying spectral elements of interest to a number of receivers. The camera mirror is rotatable about two axes. The geometrically distributed substantially uniformly over the focal plane and provided for the Polychromatorbetrieb optical elements are used in number at least partially for monochromator. Fig. 1

Description

Ein Kassettenwechsel ist auch bei Änderung des Analysenprogramms im Polychromatorbetrieb notwendig. Durch die genannten Maßnahmen wird das Spektrometer aufwendig und teuer.A cassette change is also necessary when changing the analysis program in Polychromator mode. By the measures mentioned, the spectrometer is complicated and expensive.

Eine bereits vorgeschlagene Anordnung, bestehend aus Eintrittsspalt, Echelle-Gitter, zwei festen sphärischen Konkavspiegeln gleicher Brennweite als Kollimator- und Kameraspiegel und einer Empfängeranordnung ist dadurch ausgezeichnet, daß die Reflexion der Mittelpunktstrahlen S₁ und S2 am Kollimatorspiegel und der Mittelpunktstrahlen S₃ und S₄ am Kameraspiegel in Ebenen erfolgt, die senkrecht zur Dispersionsebene des Echelle-Gitters verlaufen, daß die Abstände der Scheitelpunkte von Kollimatorspiegel und Kameraspiegel zum Echelle-Gitter gleich sind, daß der Eintrittsspalt und die Empfängeranordhung zur Koma- Kompensation auf der entgegengesetzten Seite in gleichem Abstand von der Dispersionsebene des Echelle-Gitters liegen, und daß alle außeraxialen Winkel zwischen den Mittelpunktstrahlen so gering dimensioniert sind, wie es die erforderlichen Größen der einzelnen Bauelemente zulassen, wobei die Mittelpunktstrahlen folgendermaßen definiert sind:A previously proposed arrangement, consisting of entrance slit, the echelle grating, two solid spherical concave mirrors of the same focal length as the collimator and camera mirror and a receiver arrangement is excellent in that the reflectance of the center point beams S ₁ and S2 at the collimating mirror and the center point beam S ₃ and S ₄ at the camera mirror in planes perpendicular to the dispersion plane of the echelle grating, the distances of the vertices of the collimator mirror and camera mirror to the echelle grating are equal, the entrance slit and the coma compensation receiver array on the opposite side equidistant from lie in the dispersion plane of the echelle grating, and that all off-axis angles between the center rays are dimensioned to be as small as the required sizes of the individual components allow, the center rays being defined as follows:

5₁ — Strahl, der durch die Mitte des Eintrittsspaltes verläuft und auf den Mittelpunkt der Kollimatorspiegelfläche trifft,5 ₁ beam passing through the center of the entrance slit and meeting the center of the collimator mirror surface,

5₂ — Strahl, der am Mittelpunkt der Kollimatorspiegelfläche in der Weise reflektiert wird, daß er auf den Mittelpunkt der5 ₂ - beam which is reflected at the center of the collimator mirror surface in such a way that it is at the center of the

Echelle-Gitterfläche fällt,Echelle grid area drops,

5₃ — am Mittelpunkt der Echelle-Gitterfläche in Richtung auf den Mittelpunkt des Kameraspiegels gebeugter Strahl,5 ₃ - beam diffracted at the center of the echelle grating surface toward the center of the camera mirror,

54 — Strahl, der am Mittelpunkt der Kameraspiegelfläche in der Weise reflektiert wird, daß er auf die geometrische Mitte des54 - beam which is reflected at the center of the camera mirror surface in such a way that it on the geometric center of the

dem interessierenden Spektralbereich entsprechenden Spektrums trifft.the spectral region of interest.

Das Echelle-Gitter wird zur Trennung der Beugungsordnungen in Kombination mit einem Prisma verwendet, wobei die Dispersionsebene des Prismas senkrecht zur Dispersionsebene des Echelle-Gitters verläuft.The Echelle grating is used to separate the diffraction orders in combination with a prism, the dispersion plane of the prism being perpendicular to the dispersion plane of the Echelle grating.

Zur Unterdrückung astigmatischer Abbildungsfehler besteht der Eintrittsspalt aus zwei Teilplatten, wobei ein Teilspalt die Spalthöhe und der andere die Spaltbreite bestimmtTo suppress astigmatic aberrations, the entrance slit consists of two partial plates, one partial slit determining the slit height and the other the slit width

Diese Anordnung weist den Nachteil auf, daß mit ihr nur im Polychromatorbetrieb gearbeitet werden kann. This arrangement has the disadvantage that it can only be used in Polychromatorbetrieb with her.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht darin, den bei den bekannten technischen Lösungen auftretenden Aufwand zur Umschaltung von Monochromator- auf Polychromatorbetrieb und umgekehrt zu verringern.The object of the invention is to reduce the overhead occurring in the known technical solutions for switching from monochromator to Polychromatorbetrieb and vice versa.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne wesentliche Veränderungen am optischen System eines Echelle-Spektrometers, dieses sowohl im Polychromator — als auch im Monochromatorbetrieb einsetzbar zu gestalten. Diese Aufgabe wird durch ein Echelle-Spektrometer, das entlang des Strahlenverlaufes aus einer Eintrittsspaltanordnung, einem sphärischen Kollimatorspiegel, einem Prisma und einem Echelle-Gitter mit senkrecht zueinander angeordneten Dispersionsebenen, einem sphärischen Kameraspiegel, der die Brennweite des Kollimatorspiegels aufweist und in der Fokalebene des Spektrometers angeordneten optischen Elementen zur Aussonderung und Weiterleitung interessierender Spektralelemente zu einem Empfängersystem besteht und bei dem die Reflexionsebenen von Kollimatorspiegel und Kameraspiegel jeweils senkrecht zur Dispersionsebene des Echelle-Gitters verlaufen, die Abstände der Scheitelpunkte vom Kollimatorspiegel und Kameraspiegel zum Echelle-Gitter gleich sind, die Eintrittsspaltanordnung und Empfängeranordnung zur Koma-Kompensation jeweils auf zueinander entgegengesetzten Seiten der Dispersionsebene des Echelle-Gitters und im gleichen Abstand zu dieser Ebene angeordnet sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kameraspiegel um zueinander im wesentlichen senkrechte Achsen drehbar gelagert ist und daß die geometrisch im wesentlichen gleichmäßig über die Fokalebene verteilten und für den Polychromatorbetrieb vorgesehenen optischen Elemente in ihrer Anzahl zumindest teilweise für den Monochromatorbetrieb eingesetzt werden.The invention has for its object, without significant changes to the optical system of an echelle spectrometer to make this usable both in the polychromator - as well as in monochromator. This object is achieved by an echelle spectrometer, which along the beam path of an entrance slit arrangement, a spherical collimator, a prism and an Echelle grating with mutually perpendicular dispersion planes, a spherical camera mirror having the focal length of the collimator and in the focal plane of the spectrometer arranged optical elements for the separation and forwarding of interest spectral elements to a receiver system and in which the reflection planes of the collimator mirror and camera mirror each perpendicular to the dispersion plane of the echelle lattice, the distances of the vertices of the collimator and camera mirror are equal to Echelle lattice, the entrance slit arrangement and Coma compensation receiver arrangement are arranged on mutually opposite sides of the dispersion plane of the echelle grating and at the same distance from this plane, according to the invention achieved in that the camera mirror is rotatably mounted about mutually substantially perpendicular axes and that the geometrically distributed substantially uniformly over the focal plane and provided for the Polychromatorbetrieb optical elements are used in number at least partially for monochromator.

Die zwischen den Mittelpunktstrahlen des optischen Systems des Spektrometers auftretenden außeraxialen Winkel sind dabei so gering zu dimensionieren, wie es die erforderlichen Größen der einzelnen Bauelemente zulassen.The off-axis angles occurring between the center rays of the optical system of the spectrometer are to be dimensioned so small as allow the required sizes of the individual components.

Die speziellen Abbildungseigenschaften des beschriebenen Echelle-Spektrometers erlauben eine Verschiebung des Spektrums auf der Fokalfläche ohne Verminderung der Abbiidungsqualität des optischen Systems durch geringfügige Drehung des Kameraspiegels. Bei definierter Drehung des Kameraspiegels um zwei Achsen läßt sich jedes Spektralelement des Gesamtspektrums auf die Stirnfläche einer in begrenztem Abstand befindlichen Lichtleitfaser mit vernachlässigbarer Aberration abbilden. Durch die Auswahl einer minimalen Anzahl annähernd gleichmäßig über das Spektrum verteilter Lichtleitfasern aus der für den Polychromatorbetrieb vorhandenen Gesamtheit kann so das gesamte Spektrum mit der zur Verfügung stehenden Empfängeranordnung kontinuierlich registriert werden, indem der Kameraspiegel innerhalb des zur Gewährleistung des geforderten Auflösungsvermögens zugelassenen Winkelbereichs definiert gedreht wird. Dabei sollte die Anzahl der Sequenzkanäle im Monochromatorbetrieb zweckmäßigerweise gleich der Anzahl der im Spektrometer vorhandenen Simultankanäle für den Polychromatorbetrieb sein. Neben dem Monochromatorbetrieb wird durch die Drehung des Kameraspiegels im Polychromatorbetrieb eine Registrierung der unmittelbar benachbarten Spektralintervalle der simultan gemessenen Spektralelemente und eine durch Umwelteinflüsse bedingte Nachführung des Spektrums auf der Fokalfläche ermöglicht.The specific imaging characteristics of the Echelle spectrometer described allow a shift of the spectrum on the focal plane without reducing the Abbiidungsqualität the optical system by slight rotation of the camera mirror. With a defined rotation of the camera mirror about two axes, each spectral element of the entire spectrum can be imaged onto the end face of a limited distance optical fiber with negligible aberration. By selecting a minimum number of approximately uniformly distributed over the spectrum of optical fibers from the total existing for the Polychromatorbetrieb Entity so the entire spectrum can be continuously registered with the available receiver assembly by the camera mirror is rotated within the allowed to ensure the required resolution angular range defined , The number of sequence channels in monochromator operation should expediently be equal to the number of simultaneous channels present in the spectrometer for the polychromator operation. In addition to the monochromator operation, a registration of the immediately adjacent spectral intervals of the simultaneously measured spectral elements and a tracking of the spectrum on the focal surface caused by environmental influences is made possible by the rotation of the camera mirror in polychromator operation.

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to a schematic drawing. Show it:

Fig. 1: die optische Anordnung der einzelnen Bauelemente,1 shows the optical arrangement of the individual components,

Fig. 2: die Verteilung der Stirnflächen von Lichtleitfasern in einem Faserblock.Fig. 2: the distribution of the end faces of optical fibers in a fiber block.

Das durch die Eintrittsspaltanordnung 1, s. Fig. 1, laufende Lichtbündel wird durch den sphärischen Kollimatorspiegel 2 nahezu parallel auf die Dispersionsanordnung bestehend aus Prisma 3 und Echelle-Gitter 4 gelenkt. Nach Beugung am Echelle-Gitter4 und zweitem Durchlauf durch das Prisma 3 wird das Spektrum der zu untersuchenden Analysenprobe durch den Kameraspiegel 5 auf die Fokalfläche 6 abgebildet. Die Ablenkung der Mittelpunktstrahlen an den Spiegeln 2 und 5 erfolgt in Ebenen, die senkrecht zur Dispersionsebene des Echelle-Gitters 4 verlaufen. Der um die beiden Achsen a und a' drehbar angeordnete Kameraspiegel kann mit Hilfe von Schrittmotoren mittels jeweils einer Spindel über einen Hebelarm definiert bewegt werden. Die Bewegung erfolgt rechnergesteuert.The through the entrance slit assembly 1, s. Fig. 1, the current light beam is guided by the spherical collimator 2 almost parallel to the dispersion arrangement consisting of prism 3 and echelle grating 4. After diffraction on the Echelle grating 4 and second pass through the prism 3, the spectrum of the sample to be examined is imaged by the camera mirror 5 onto the focal surface 6. The deflection of the center rays on the mirrors 2 and 5 takes place in planes which run perpendicular to the dispersion plane of the echelle grating 4. The about the two axes a and a 'rotatably arranged camera mirror can be moved defined by means of stepper motors by means of a respective spindle via a lever arm. The movement is computer controlled.

In der Fokalfläche 6 sind in einem Faserblock, entsprechend Patentanmeldung WP G 01 J/254997.7 an den Orten 8 der ca. 140 Hauptanalysenlinien Lichtleitfasern hinter einer Spaltmaske positioniert. Durch Stecken der Lichtleitfasern auf einen Schlitten mit mehreren Programmregistern, vor dem aus acht Empfängern bestehenden SEV-Matrix können im Polychromatorbetrieb verschiedene Analysenprogramme vorgewählt werden. Durch Verschiebung des Schlittens oder Umstecken der Lichtleitfasern können die Programme beliebig und auf einfache Weise variiert werden.In the focal surface 6, optical fibers are positioned behind a gap mask in a fiber block, corresponding to patent application WP G 01 J / 254997.7, at locations 8 of the approximately 140 main analysis lines. By plugging the optical fibers onto a carriage with several program registers, in front of the eight receivers existing SEV matrix in the Polychromatorbetrieb various analysis programs can be preselected. By shifting the carriage or repositioning the optical fibers, the programs can be varied as desired and in a simple manner.

Die Verteilung der Stirnflächen der Lichtleitfasern im Faserblock, die den geometrischen Orten der Hauptanalysenlinien der Elemente im Echelle-Spektrum entspricht, ist in Fig. 2 dargestellt. Für den Monochromatorbetrieb werden der Empfängeranzahl entsprechend aus der Gesamtheit der Polychromatorkanäle acht geometrisch möglichst gleichmäßig über das Spektrum verteilte Lichtleitfasern ausgewählt und auf ein Register des Schlittens der Empfängeranordnung gesteckt. Die Registrierung aller Spektralelemente des Gesamtspektrums kann somit erfindungsgemäß über den jeweils nächstgelegenen Monochromatorkanal durch Drehung des Kameraspiegels erfolgen. Zum Beispiel wird die Quecksilberlinie Hg 194,227nm,s. Fig.2, über den Zink-Kanal Zn 202,551 nm registriert. Dazu muß der Kameraspiegel um 3,84 Winkelminuten um die horizontale Achse a und um 3,84 Winkelminuten um die vertikale Achse a'gedreht werden. Diese Maßnahme bewirkt keine Verschlechterung der Abbildungsqualität. Demgegenüber wäre eine Registrierung der genannten Hg-Linie über den Monochromatorkanal Magnesium Mg 279,553nm mit einer deutlichen, aberrationsbedingten Erhöhung der Halbwertsbreite der Linie verbunden. Bei der Verwendung der acht in Fig. 2 dargestellten Monochromatorkanäle 7 kann die Drehung des Kameraspiegels zur kontinuierlichen Registrierung des Gesamtspektrums im Bereich eines maximalen Drehwinkels unter 30 Winkelminuten gehalten werden.The distribution of the end faces of the optical fibers in the fiber block, which corresponds to the geometric locations of the main analysis lines of the elements in the Echelle spectrum, is shown in FIG. For the monochromator operation, the receiver number corresponding to the entirety of the polychromatic channels is selected eight optical fibers distributed geometrically as uniformly as possible over the spectrum and plugged onto a register of the carriage of the receiver arrangement. The registration of all spectral elements of the entire spectrum can thus take place according to the invention via the respective nearest monochromator channel by rotation of the camera mirror. For example, the mercury line Hg 194,227nm, s. Fig.2, registered on the zinc channel Zn 202.551 nm. To do this, the camera mirror must be rotated 3.84 angular minutes about the horizontal axis a and 3.84 angular minutes about the vertical axis a. This measure does not cause deterioration of the image quality. In contrast, a registration of said Hg-line via the monochromator channel magnesium Mg 279.553nm would be associated with a significant aberration-induced increase in the half-width of the line. When using the eight monochromator channels 7 shown in FIG. 2, the rotation of the camera mirror for the continuous registration of the entire spectrum in the range of a maximum angle of rotation can be kept below 30 angular minutes.

Um die absolute Wellenlängenmessung im Monochromatorbetrieb und die optimale Spiegelstellung im Polychromatorbetrieb zu garantieren, erfolgt über einen Eichkanal in bestimmten Zeitabständen eine automatische Selbstjustage des Spektrometers.In order to guarantee the absolute wavelength measurement in the monochromator mode and the optimal mirror position in the polychromator mode, an automatic self-adjustment of the spectrometer takes place via a calibration channel at specific time intervals.

Claims

Echelle spectrometer, along the beam path of an entrance slit assembly, a spherical collimator, a prism and an Echelle grating with mutually perpendicular dispersion planes, a spherical camera mirror having the focal length of the Kollimatorspiegels and disposed in the focal plane of the spectrometer optical elements for rejection and forwarding spectral elements of interest to a receiver system and wherein the reflection planes of the collimator mirror and camera mirror are each perpendicular to the dispersion plane of the echelle grating, the distances of the vertices from the collimator mirror and camera mirror to the echelle grating are the same, the entrance slit arrangement and receiver array for coma compensation are arranged on mutually opposite sides of the dispersion plane of the echelle grating and at the same distance from this plane, characterized in that the camera mirror u m mutually substantially perpendicular axes is rotatably mounted and that the geometrically distributed substantially uniformly over the focal plane and provided for the Polychromatorbetrieb optical elements are used in number at least partially for monochromator.

For this

2 pages drawings

Field of application of the invention

The invention relates to an Echelle spectrometer which can be used in atomic emission spectroscopy both in Polychromatorbetrieb for simultaneous registration of multiple spectral lines as well as in Monochromatorbetrieb for a continuous sequential registration of the entire spectrum of an analytical sample.

Characteristic of the known technical solutions

To solve certain spectrometric tasks, special grating spectrometers, so-called polychromators are needed, which allow a plurality of spectral elements from a defined spectral range (UV, VIS, NIR) in a suitable manner, to image each on a photoelectric receiver and the intensities of the individual spectral elements to be determined simultaneously. This simultaneous analysis makes it possible, in particular in routine analytical operation, to significantly shorten the measuring time and considerably reduces the sample requirement. As particularly suitable optical systems have prevailed among various other arrangements Echelle spectrometer.

On the other hand, in addition to the simultaneous measurement of selected analog lines, it is often necessary to make a continuous sequential registration of the entire spectrum or substantial parts thereof. Monochromators are used in a known manner for this purpose. These optical arrangements are sufficiently well corrected only for one beam path with respect to their aberrations and the registration of all elements of the entire spectral range is carried out continuously sequentially by the movement of at least one optical component. The simultaneous measurement of several spectral lines within an extended spectral range is therefore not possible with a monochromator. If, as is necessary in a large number of applications, both spectrometric measuring methods, the simultaneous and the sequential registration, are required, then either two independent spectrometers, a polychromator and a monochromator, must be used or significant changes made to a spectrometer. Such Echelle spectrometer, which can work both as a polychromator and as a monochromator, is known (prospectus of the company. Beckman, Spectraspan V). In this case, an Echelle grating and a prism are used as dispersive elements. The light to be examined falling on the grating is split into monochromatic bundles in which different wavelengths of different order are superimposed. These are then split by the prism in the second dimension. At the output of the spectrometer, the entire spectrum of an analyte substance is areally. An interchangeable cassette system, located between the spectrometer and the photomultiplier housing, now offers the possibility of simultaneous and sequential determination of a sample. In the simultaneous determination of the polychromator is centered on the output surface and the cassette behind it contains on its front side, the exit column at the geometric locations of the corresponding emission lines. Inside the cassette is located behind each gap a deflection optics, which directs the light to the corresponding photomultipliers, which are fixed. For monochromator operation, a special cassette with variable exit slit in the middle is available. By pivoting the grid-prism combination can be set with the help of a drive any desired analysis line on the exit slit. Behind the exit slit, a photomultiplier is arranged. As a significant and detrimental change to this spectrometer in addition to the movement of two optical elements of the exchange of the cassette when changing from Polychromatorauf monochromator operation is to be regarded.