DE1088249B - Spektrometer - Google Patents

Description

• Spektrometer Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Spektrometer, bei welchen ein ebenes Beugungsgitter zur Erzeugung der Spektren verwendet wird.
• Die Erfindung ist insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, auf Infrarot-Spektrometer anwendbar.
• Bei solchen Spektrometern läßt man eine parallele Strahlung auf ein ebenes Gitter fallen, welch letzteres entweder ein Original oder eine Nachbildung des Originals sein kann. Die Strahlen erleiden an dem Gitter eine Beugung, und zwar werden einige der gebeugten Strahlen einander verstärken, wenn die folgende Gleichung erfüllt wird: d sin i1 + d sin i2 = n.
• In dieser Gleichung ist d der gegenseitige Abstand der auf dem Gitter eingeritzten Linien, i, ist der Einfallswinkel, i2 ist der Beugungswinkel, Ä ist die Wellenlänge der betreffenden Wellen, und n ist eine ganze Zahl, die die Ordnungszahl des Spektrums angibt.
• Diese Gleichung wird häufig als die Gittergleichung bezeichnet.
• Die Fig. 1 der schematischen Zeichnungen bezieht sich auf die obige Gleichung.
• Bei Infrarot-Spektrometern wird im allgemeinen eine Littrow-Anordnung eines ebenen Gitters verwendet; in diesem Falle erhält die Gittergleichung die Form 2 d sin i = ni, worin il = i2 = Wird das Gitter mit konstanter Winkelgeschwindigkeit gedreht, dann ist dA di auch wegen dt dt auch d t konstant, vorausgesetzt, daß i klein ist, und man erhält eine enge Annäherung an eine lineare Wellenlängenskala. i nimmt jedoch häufig recht große Werte an - 45C oder darüber -, und dann wird, wenn man sin i durch i ersetzt, der sich daraus ergebende Fehler ganz erheblich.
• Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung, durch welche das Gitter, beispielsweise durch eine Schraube, derart gedreht werden kann, daß man ein lineares Verhältnis zwischen der Wellenlänge und der Anzahl der Gewindegänge der Schraube erhält. Durch das geeignete Eichen der Schraube oder bei Verwendung einer Mikrometerschraube ist es möglich, an der Schraube selbst die Wellenlänge direkt in Mikron abzulesen, vorausgesetzt, daß die Vorrichtung zweckmäßige Abmessungen erhält.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich demnach auf eine Vorrichtung, um einem ebenen Beugungsgitter in einem Spektrometer mit festem Kollimator oder Spaltrohr eine Drehbewegung zu erteilen, und ist dadurch gekennzeichnet, daß zur Vornahme der um eine Achse parallel zu den Gitterlinien auszuführenden Drehbewegung in an sich bekannter Weise ein am Gitter starr befestigter Hebel vorgesehen ist, der, wie an sich bekannt, mit Verstellmitteln zusammenwirkt und mit ihnen Berührung hat, wobei der Teil des Hebelarmes, der mit den Verstellmitteln direkte oder indirekte Berührung hat, einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und die Anordnung so getroffen ist,. daß in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des Gitters eine durch die Mitte des Kreisquerschnittes und die Drehachse des Gitters gehende Gerade (AB) einen Winkel (BAU) mit einer Geraden (AH) bildet, die in einer die Gitterachse enthaltenden und senkrecht zur Bewegungsrichtung des Teiles der Verstellmittel, der in Berührung mit dem Hebelende ist, stehenden Ebene liegt, welcher Winkel (BA H) gleich dem arithmetischen Mittel der Einfalls- und Beugungswinkel der auf das Gitter- fallenden Strahlen ist, so daß eine Verschiebung der Mitte des Kreisquerschnittes längs einer Geraden (BH) parallel zur Projektion in die Bezugsebene (senkrecht zur Drehachse des Gitters stehende Ebene) der Bewegungsgeraden des Teiles der Verstellmittel, der in Berührung mit dem Hebelende ist, proportional der Lageänderung des Verstellgliedes ist, das für eine direkte Anzeige der Wellenlänge eine gleichmäßige Teilung aufweist.
• Die Fig. 1 zeigt den Weg der einfallenden Strahlen und denjenigen der gebeugten Strahlen.
• Die Fig; 2 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
• Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Geräts ist ein Hebel A-B starr an einem ebenen Beugungsgitter G bei A befestigt.
• Dieser Hebel wird mittels einer Feder S mit seinem anderen Ende B in Berührung mit einem auf der Mikrometerschraube III sitzenden Bauteil gehalten.
• Dieser Bauteil P besitzt eine ebene Oberfläche, welche im rechten Winkel zu der Achse der Schraube steht, und auf dieser Oberfläche kann das kugelförmige Ende des Hebels AB gleiten oder sich drehen. Anstatt des dargestellten kugelförmigen Endes kann das Ende des Hebels auch zylindrisch sein oder mit einer Rolle versehen werden.
• Um eine genau lineare Skala in den Fällen zu erhalten, wo der Einfallswinkel der Strahlen gleich dem Beugungswinkel ist, wie z. B. bei der Littrow-Anordnung, ist es notwendig, den Winkel B AH gleich dem Einfallswinkel der auf das Gitter auffallenden Strahlung zu. machen, wobei AH unter einem rechten Winkel zu der Achse der Mikrometerschraube M steht. Wenn diese Winkel für die eine Einstellung des Gitters gleich sind, dann bleiben sie natürlich auch für alle anderen Einstellungen gleich, vorausgesetzt, daß das Gitter so wie dargestellt eingebaut wird, d. h., der Einbau erfolgt so, daß der Einfallswinkel und der Winkel BXH bei der Drehung des Gitters gemeinsam zunehmen bzw. abnehmen.
• Es sei angenommen, daß bei der Wellenlänge in Mikron der Einfallswinkel gleich i ist, während bei der Wellenlänge Ä +1 [] der Winkel auf i+a vergrößert und die Mikrometereinstellung um einen Betrag h größer wird, dann ist, da für die erste Ordnung sind= 31 - BH 2d AB und +1 (z'+ = n + 1 BH+h sin(i+a)= 2d = AB 1/2d = h/AB .
• Wenn also h = 0,1" am Mikrometer ist, dann stellt 0,1" stets das gleiche Wellenlängen-Jntervall für jede beliebige Einstellung des Gitters dar, und wenn zusätzlich AB [in Zoll] = 0,2 d [in Mikron] ist, dann stellt 0,1" genau 1 Mikron in der ersten Ordnung, 0,5 Mikron in der zweiten Ordnung usw. dar. Wenn beispielsweise das Gitter 2400 Linien pro Zoll hat, dann ist d = 10,583 Mikron und AB = 2,1167 Zoll.
• Unter der Länge AB in der obigen Gleichung ist für die in Fig. 2 dargestellte Ausführung die Länge längs des Hebels, gemessen zwischen dem Punkt A an dem Hebel, um welchen sich das Gitter dreht, und dem Mittelpunkt des Hebelendes zu verstehen.
• Die Fig. 3 stellt eine wahlweise Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar, wobei ABCD ein Parallelogramm ist, gebildet aus den starr angelenkten Gliedern AB, BC, CD und DA, und dieses letztgenannte Glied in seiner Lage fest ist. Wenn also der Winkel DA B geändert wird, ist BC stets parallel zu A D. G ist das Gitter, welches so angebracht ist, daß es starr mit AB verbunden ist und der Drehpunkt der Gittervorderseite sich bei A befindet. Das Verbindungsglied AD D ist nicht jeweils erforderlich, da A und D am Sockel des Spektrometers fest angebrachte Drehzapfen sind. An dem Glied B C ist ein Querstück E F unter rechtem Winkel zu dem ersteren befestigt.
• Dieses Querstück ruht auf dem vorzugsweise kugelförmig gestalteten (hier nicht dargestellt) Ende einer Mikrometerschraube M.
• Eine Feder S ist vorgesehen, um zwischen EF und der Mikrometerschraube eine dauernde Berührung aufrechtzuerhalten.
• Wie zuvor wird auch hier der Winkel BAH gleich dem Einfallswinkel gemacht, und AB in Zoll wird zahlenmäßig gleichgesetzt 0,2d Mikron, mit dem Ergebnis, daß 0,1 Zoll genau 1 Mikron in der ersten Ordnung usw. darstellt.
• Die Fig. 4 stellt eine wahlweise Form der Übertragung der Mikrometerbewegung auf das Glied B C nach Fig. 3 dar. Das Querstück EF trägt hier eine in geeigneter Weise angebrachte Rolle J, welche so angeordnet ist, daß sie sich an die Oberfläche einer flachen Scheibe P, die auf der Mikrometerschraube M sitzt, anlegt. Die Achse der Mikrometerschraube M steht parallel zu B C. Die Oberfläche der Scheibe steht genau unter rechtem Winkel zu der Achse der Mikrometerschraube und ist groß genug, um bei der Drehung der Schraube die seitliche Bewegung der Rolle zu gestatten.
• Das Ende des Querstücks könnte natürlich kugelförmig sein.
• Für den allgemeineren Fall, wo Einfalls- und Beugungswinkel verschieden voneinander sind, kann man die Gleichung aufstellen: d [sin i1 + sin (i1 + #) ] = n#.
• Hierin ist <3= 8 - i1 und für ein gegebenes Spektrometer eine Konstante.
• Nunmehr ist also und wiederum kann man wie bei der Formgebung nach den Fig. 2 und 3 eine genaue lineare Skala erhalten, wenn der Winkel BAH gleich ii + 6 wird, und a wenn AB B zahlenmäßig gleichgesetzt wird 2 d h cos-2, dann entspricht eine Differenz in der Mikrometerablesung von »h« einer Wellenlängendifferenz von 1 Mikron. -Ist beispielsweise h = 0,1 Zoll und soll es 1 Mikron darstellen, dann muß die Länge von AB in Zoll gleich 0,2d d cos 2 sein. Wie zuvor stellt auch hier das Maß 0,1 Zoll am Mikrometer den Wert von 0,5 Mikron in der zweiten Ordnung dar, usw.
• Bei allen oben angeführten Beispielen für die Erfindung wurde angenommen, daß der Hebel, die Mikrometerschraube und die einfallende Strahlung alle in der gleichen Ebene gelegen sind, d. h. also in einer Ebene, welche im rechten Winkel zu der Ebene der Gitterlinien gelegen ist.
• Falls jedoch die Mikrometerschraube und der Hebel in verschiedenen Ebenen gelegen sind, gelten die Gleichungen immer noch, vorausgesetzt, daß die verwendeten Winkel bezogen werden auf die Projektionen der Drehachse der Mikrometerschraube oder des Hebels oder auch beider in eine Ebene, die rechtwinklig auf der der Ebene der Gitterlinien steht. In gleicher Weise muß bei den Gleichungen für die Länge des Betätigungshebels die Länge der Projektion des Betätigungshebels in eine Ebene, die rechtwinklig auf der Ebene der Gitterlinien steht, genommen werden.
• Der in den Ansprüchen enthaltene Winkel B ist der Winkel, den eine den Angriffspunkt des Betätigungshebels an der Drehachse des Gitters und die Mitte des kreisförmigen Querschnittes des Hebelendes verbindende Gerade mit einer Ebene bildet, die rechtwinklig auf der Ebene der Gitterlinien steht.
• Wenn die Achse der Mikrometerschraube einen Winkel mit der rechtwinklig auf der Ebene der Gitterlinien stehenden Ebene einschließt, dann lautet die entsprechende Gleichung für die Länge des Hebelarms oder von dessen Projektion AB in die Ebene, die rechtwinklig zu der Ebene der Gitterlinien steht: AB = dh sec 0 cos 8, und zwar für den Fall, daß das Anbauteil der Mikrometerschraube unter rechtem Winkel zu deren Achse angebracht ist und daß sich dieses Anbauteil in Berührung mit dem Hebel bzw. dem Hebelbetätigungsmittel nach den Fig. 2 und 4 befindet. Dabei bedeutet 0 den Winkel zwischen der Achse der Mikrometerschraube und einer Ebene, die senkrecht auf der Ebene der Gitterlinien steht.
• Im Falle der in der Fig. 3 dargestellten Formgebunz errechnet sich jedoch die Länge von AB nach der Formel PATENTANSPROCEXE: 1. Vorrichtung, um einem ebenen Beugungsgitter in einem Spektrometer mit festem Kollimator oder Spaltrohr eine Drehbewegung zu erteilen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vornahme der um eine Achse parallel zu den Gitterlinien auszuführenden Drehbewegung in an sich bekannter Weise ein am Gitter starr befestigter Hebelvorgesehen ist, der, wie an sich bekannt, mit Verstellmitteln zusammenwirkt und mit ihnen Berührung hat, wobei der Teil des Hebelarmes, der mit den Verstellmitteln direkte oder indirekte Berührung hat, einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und die Anordnung so getroffen ist, daß in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des Gitters eine durch die Mitte des Kreisquerschnittes und die Drehachse des Gitters gehende Gerade (AB) einen Winkel (BAH) mit einer Geraden (AH) bildet, die in einer die Gitterachse enthaltenden und senkrecht zur Bewegungsrichtung des Teiles der Verstellmittel, der in Berührung mit dem Hebelende ist, stehenden Ebene liegt, welcher Winkel (B AH) gleich dem arithmetischen Mittel der Einfalls- und Beugungswinkel der auf das Gitter fallenden Strahlen ist, so daß eine Verschiebung der Mitte des Kreisquerschnittes längs einer Geraden (BH) parallel zur Projektion in die Bezugsebene (senkrecht zur Drehachse des Gitters stehende Ebene) der Bewegungsgeraden des Teiles der Verstellmittel, der in Berührung mit dem Hebelende ist, proportional der Lageänderung des Verstellgliedes ist, das für eine direkte Anzeige der Wellenlänge eine gleichmäßige Teilung aufweist.

Claims (1)

1. 2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungselement eine Schraube ist.

   3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube ein Bauelement mit flacher Oberfläche bewegt, wobei die letztere stets parallel zu einer festen Ebene bleibt und das von dem Gitter entfernte Ende des Hebels in Berührung mit der flachen Oberfläche gehalten wird und Kreisquerschnitt aufweist.

   4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Hebels, welches in Berührung mit der flachen Oberfläche steht, kugelförmig ist.

   5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende des Hebels, welches in Berührung mit der flachen Oberfläche steht, aus einer Rolle besteht.

   6. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Drehpunkt des Gitters und dem zweiten Festpunkt auf dem Hebel auf einer Senkrechten zu der durch die Schraube durch die Berührungsstelle bewegten flachen Oberfläche für den Fall, daß die flache Oberfläche jederzeit unter einem rechten Winkel zu der Drehachse der Schraube gehalten wird, zahlenmäßig gleichgesetzt wird einem Wert von 2d h cos-2 sec ç sec B, worin d die Gitterkonstante ist, gemessen in Mikron, 8 gleich ist der Differenz zwischen dem Beugungswinkel und dem Einfallswinkel der auf das Gitter fallenden Strahlen, h die Bewegung der Schraube in der Richtung ihrer Drehachse ist entsprechend einer Wellenlängendifferenz von 1 Mikron, 0 der Winkel ist, welchen die Drehachse der Schraube mit einer rechtwinklig zu den Gitterlinien liegenden Ebene bildet, und fl der Winkel ist, welchen die Linie, die den Mittelpunkt der Drehung des Gitters und den erwähnten zweiten Festpunkt an dem Hebel miteinander verbindet, mit der gleichen Ebene einschließt.

   7. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel eines von vier starren Bauelementen ist, die alle in der gleichen Ebene angeordnet und aneinander angelenkt sind, so daß sie ein Parallelogramm bilden, wobei die starren Bauelemente bestehen aus einem ersten Bauelement, welches räumlich fixiert ist, einem zweiten und dritten Element, welche an das erwähnte erste Element angelenkt sind, sowie einem vierten Element, welches an das zweite und das dritte Element angelenkt ist, wobei das erwähnte vierte Element durch die Schraube betätigt wird und das Beugungsgitter an dem zweiten Element befestigt ist, und zwar unmittelbar neben der Stelle, wo das letztgenannte an das erste Bauelement angelenkt ist.

   8. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel eines von vier starren Bauelementen ist, die aneinander in solcher Weise angelenkt sind, daß sie ein Rahmenwerk bilden, dessen Projektion auf eine Ebene, die im rechten Winkel zu den Gitterlinien steht, ein Parallelogramm ist, wobei das erwähnte Rahmenwerk besteht aus einem ersten Bauelement, welches räumlich fixiert ist, einem zweiten und dritten Element, welche an das erwähnte erste Element angelenkt sind, sowie einem vierten Element, welches an das zweite und das dritte Element angelenkt ist, wobei das erwähnte vierte Element durch die Schraube betätigt wird und das Beugungsgitter an dem zweiten Element befestigt ist, und zwar unmittelbar neben der Stelle, wo das letztgenannte an das erste Bauelement angelenkt ist.

   9. Vorrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Bauelement, d. h. also das erste der genannten Bauelemente ersetzt wird durch zwei feste Drehzapfen, um welche das zweite und das dritte Bauelement sich drehen können.

   10. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das vierte Bauelement ein unter einem rechten Winkel hervorstehendes Teil besitzt, welches in direkter Berührung mit dem Ende der Schraube gehalten wird.

   11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der hervorstehende Teil des vierten Bauelements in dauernder Berührung mit einem Bauelement gehalten wird, welches durch die Schraube bewegt wird, wobei das erwähnte Bauelement eine flache Oberfläche darbietet, die stets parallel zu einer festen Ebene bleibt und dabei den hervorstehenden Teil berührt, wobei ferner der Ietztere so geformt ist, daß der Abstand zwischen einem Festpunkt auf dem erwähnten Teil, auf einer Senkrechten, die auf der flachen Oberfläche durch den Berührungspunkt hindurch errichtet wird, und dem Berührungspunkt konstant bleibt.

   12. Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der hervorstehende Teil eine kugelförmige oder zylindrische Oberfläche hat, welche mit der flachen Oberfläche des durch die Schraube bewegten Bauelements in Berührung steht.

   13. Vorrichtung gemäß Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des zweiten Bauelements in dem Falle, wo die flache Oberfläche jederzeit unter einem rechten Winkel zu der Drehachse der Schraube gehalten wird, zahlen- mäßig gleichgesetzt wird einem Wert von 2 d h - cos 82 seci sec ,S, worin d die Gitterkon-2' stante in Mikron, 8 gleich der Differenz zwischen dem Beugungswinkel und dem Einfallswinkel der auf das Gitter fallenden Strahlen, h die Bewegung der Schraube in Richtung ihrer Drehachse entsprechend einer Wellenlängendifferenz von 1 Mikron, 0 der Winkel, welchen die Drehachse der Schraube mit einer rechtwinklig zu den Gitterlinien liegenden Ebene einschließt, und ß der Winkel ist, welchen das erwähnte zweite Bauelement mit der gleichen Ebene einschließt.

   14. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der hervorstehende Teil des vierten Bauelements, welcher in Berührung mit der Schraube steht, flach ist.

   15. Vorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des zweiten Bauelements zahlenmäßig gleichgesetzt wird einem Wert von 2 d h 2d,tcos-2 cos 2 sec 0 sec ß, worin d die Gitterkonstante in Mikron, 8 gleich der Differenz zwischen dem Beugungswinkel und dem Einfallswinkel der auf das Gitter fallenden Strahlen, lt die Bewegung der Schraube in Richtung ihrer Drehachse entsprechend einer Wellenlängendifferenz von 1 Mikron, 0 der Winkel, welchen die Drehachse der Schraube mit einer rechtwinklig zu den Gitterlinien liegenden Ebene einschließt, und fl der Winkel ist, welchen das erwähnte zweite Bauelement mit der gleichen Ebene einschließt.

   16. Vorrichtung gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube eine Mikrometerschraube ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschriften Nr. 631 748, 731 943; USA.-Patentschrift Nr. 2 330 694.