DE19853754B4

DE19853754B4 - Simultanes Doppelgitter-Spektrometer mit Halbleiterzeilensensoren oder Photoelektronenvervielfachern

Info

Publication number: DE19853754B4
Application number: DE19853754A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dr. Bohle
Original assignee: Spectro Analytical Instruments GmbH and Co KG
Current assignee: Spectro Analytical Instruments GmbH and Co KG
Priority date: 1998-11-21
Filing date: 1998-11-21
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2018-11-22
Also published as: FR2786271B1; JP2000171300A; DE19853754A1; US6614528B1; FR2786271A1

Abstract

Optisches Gitterspektrometer in Rowlandanordnung mit Halbleiterzeilensensoren oder Photoelektronenvervielfachern, bei dem zwei konkave Dispersionsgitter mit gleichem Krümmungsradius derart angeordnet sind, dass die Fokalkreise der beiden Gitter deckungsgleich sind, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Eintrittsspalt (6) existiert, durch den das erste Gitter (1) beleuchtet wird, und dessen Bildort in nullter Beugungsordnung in Verbindung mit einem Umlenkspiegel (8) als virtueller Eintrittsspalt für das zweite Gitter (2) wirkt.

Description

Die Paschen-Runge-Anordnung findet seit langem Verwendung in der analytischen Spektrometrie. Dieser Umstand ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, dass Dispersion und Abbildung mit demselben optischen Element – einem Konkavgitter – erfolgen.
Unter Vorgabe des Einfallswinkels und der Liniendichte des Dispersionsgitters wird ein bestimmter Spektralbereich auf dem Rowlandkreis abgebildet. Die spektrale Auflösung – entscheidend für die Nachweisgrenzen in der Spektrometrie – ist dabei durch den Durchmesser des Rowlandkreises und die Dispersion bestimmt. Die Forderung nach einer kompakten Bauweise verbietet die Verwendung grosser Rowlandkreisdurchmesser. Das notwendige spektrale Auflösungsvermögen wird vorzugsweise über eine hohe Dispersion, d. h. eine hohe Zahl von Gitterlinien pro Millimeter erzielt. Der verfügbare Spektralbereich ergibt sich dann aus der Länge des genutzten Rowlandkreissegments. Bisherige Paschen-Runge-Spektrometer mit nur einem Dispersionsgitter besitzen Nachteile aufgrund folgender Tatsachen:

1. Unter grossen Beugungswinkeln führt die starke Zunahme der Aberrationen zu einer Verschlechterung der spektralen Auflösung, so dass die nutzbare Bogenlänge am Rowlandkreis und damit der verfügbare Spektralbereich eingeschränkt ist.
2. Es lässt sich nur ein zusammenhängender Spektralbereich darstellen, so dass Teile des Rowlandkreises von analytisch oft wenig interessanten Abschnitten des Spektrums belegt sind. Die in 1. und 2. genannten Beschränkungen können bisher oft nur durch Aufteilung des gesamten Spektralbereichs auf mehrere Spektrometereinheiten aufgehoben werden.
3. Kommerzielle Halbleiterzeilensensoren werden in standardisierten Chipgehäusen konfektioniert, deren geometrischen Dimensionen weit über die Abmessungen des lichtempfindlichen Teils hinausgehen. Bei der Aneinanderreihung mehrerer Zeilensensoren entlang der Fokalkurve müssen daher zur vollständigen Erfassung des Spektrums die einzelnen Chipgehäuse überlappend angeordnet werden. Dies kann entweder durch Schrägstellung zur Dispersionsebene erfolgen (vgl. Offenlegungsschrift DE 195 23 140 A1 , "Mehrkanal-Spektrometer mit Zeilensensor") oder durch Überlappung horizontal liegender Zeilen. In beiden Fällen wird von den Zeilensensoren überwiegend Strahlung in einer Entfernung von mehreren Millimetern oberhalb bzw. unterhalb der Dispersionsebene detektiert, in Bereichen also, wo die Abbildungsphysik der Rowlandanordnung eine Zunahme der Aberrationen, also eine Verminderung der spektralen Auflösung bewirkt.

Aus der Patentschrift US 5,274,435 A ist ein Spektrometer mit einer Monochromatoranordnung bekannt, bei der im Strahlengang ein erstes Gitter die zu analysierende divergente Strahlung kollimiert und auf ein zweites Gitter leitet, welches dann als dispersives Element die Strahlung spektral auffächert. Es wird zu einem gegebenen Zeitpunkt nur jeweils eine Wellenlänge gemessen. Aus der Offenlegungsschrift DE 1 106 518 B ist ein optisches Spektrometer mit zwei Gittern bekannt, bei dem zwei konkave Dispersionsgitter mit gleichem Krümmungsradius derart angeordnet sind, dass die Fokalkreise der beiden Gitter deckungsgleich sind. Es handelt sich um eine Monochromatoranordnung, bei der zur Spektralanalyse optische Elemente bewegt werden müssen.
Eine gleichzeitige (simultane) Erfassung weiter Abschnitte des erzeugten Spektrums ist mit diesen Anordnungen nicht möglich. Es ergeben sich somit die erfindungsgemäss zu lösenden Aufgaben:

1. Realisierung einer Spektrometereinheit, bei der eine Anpassung der Spektralbereiche und der zugehörigen Dispersionen an die analytische Aufgabe erreicht werden kann.
2. Realisierung einer Detektoranordnung an der Fokalkurve, bei welcher: (a) lediglich die Strahlung nahe der Dispersionsebene nachgewiesen und somit die optimale spektrale Auflösung gewährleistet wird, (b) mit handelsüblichen Halbleiterzeilensensoren eine möglichst lückenlose Erfassung des angebotenen Spektrums erfolgt.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem gattungsgemäßen Spektrometer nur ein Eitrittsspalt vorgesehen, durch den das erste Gitter beleuchtet wird, und dessen Bildort in nullter Beugungsordnung in Verbindung mit einem Umlenkspiegel als virtueller Eintrittsspalt für das zweite Gitter wirkt. Dabei stimmen die geometrischen Abmessungen und die Krümmungsradien der beiden Gitter überein, die Zahl der Gitterlinien pro Millimeter kann sich jedoch unterscheiden. Die Gitter sind so justiert, dass ihre Fokalkurven zur Deckung kommen und einen gemeinsamen Rowlandkreis [3] formen (Anspruch 1). Die Gitternormalen schneiden sich im Mittelpunkt des Rowlandkreises [4] und bilden den Winkel delta [5], der den Abstand der beiden Gitter beschreibt.
Das Spektrometer besitzt lediglich einen Eintrittsspalt [6], durch welchen das erste Gitter [1] unter dem Einfallwinkel alpha 1 [7] beleuchtet wird. Am Bildort des Eintrittsspalts in nullter Beugungsordnung befindet sich ein Umlenkspiegel [8], der die Strahlung auf das zweite Gitter [2] reflektiert. Auf diese Weise wirkt das Bild des Eintrittsspalts als virtueller Eintrittsspalt für das zweite Gitter [2], der unter dem Einfallwinkel alpha 2 [9] gesehen wird (Anspruch 2).
Symmetriebedingt gilt stets: alpha 2 = – ( alpha 1 + delta). Durch Wahl von alpha 1 und delta nach Betrag und Vorzeichen sowie der beiden Gitterkonstanten können an jedem Abschnitt des Rowlandkreises unterschiedliche Spektralbereiche mit unterschiedlicher Dispersion in 1. Beugungsordnung simultan abgebildet werden (Anspruch 3). Ausgenommen hiervon sind lediglich die Orte, an denen die Gitter selbst, der Eintrittsspalt oder der Umlenkspiegel stehen. Die Vielfalt der spektralen Kombinationsmöglichkeiten erhöht sich weiter bei Verwendung höherer Beugungsordnungen.
Im Regelfall interessiert im betrachteten Rowlandabschnitt nur die Emission von einem der Gitter. Durch Abblendung der jeweils unerwünschten Strahlung werden am Rowlandkreis getrennte Regionen für die jeweiligen Gitter reserviert, auf denen getrennte oder auch überlappende Spektralbereiche abgebildet werden. Die beiden Spektralbereiche mit ihren zugehörigen Dispersionen sind angepasst an die aktuellen analytischen Erfordernisse.
Besonders vorteilhaft sind die Konfigurationen, bei denen alpha 1 und alpha 2 verschiedene Vorzeichen besitzen. In diesem Fall findet eine weitgehende Kompensation der Aberrationen der Abbildung des zweiten Gitters statt (Anspruch 4). Für den Arbeitsbereich des zweiten Gitters ergeben sich daraus zwei Vorteile:

(a) Es lassen sich ohne Einbusse der spektralen Auflösung grössere Einfalls- und Beugungswinkel nutzen.
(b) Es ergeben sich durch die verbesserte Bildqualität höhere Strahlungsdichten, d. h. grössere Signalintensitäten.

Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich dann, wenn der Wellenlängenbereich des zweiten Gitters langwelliger gewählt wird als die Grenzwellenlänge des ersten Gitters (Anspruch 5). Die Grenzwellenlänge eines Reflexionsgitters ist die Wellenlänge, für die der Beugungswinkel der 1. Beugungsordnung 90 DEG beträgt. Für Strahlung mit längeren Wellenlängen existiert nur die nullte Beugungsordnung. Das erste Gitter wirkt lediglich als Hohlspiegel, die Strahlungsenergie verteilt sich nicht mehr auf mehrere Ordnungen, es gibt also kaum Intensitätsverluste für den Arbeitsbereich des zweiten Gitters.
Der Nachweis spektraler Information erfolgt einerseits in herkömmlicher Weise auf diskreten Spektrallinien mittels entsprechend positionierter Austrittsspalte und Photoelektronenvervielfacher (Photomultiplierröhren). Andererseits wird erfindungsgemäss ein breitbandiger spektraler Nachweis mit Hilfe von Halbleiter-Zeilensensoren erreicht. Es handelt sich um handelsübliche Zeilenarrays, die normalerweise in anderen Applikationen als der Spektrometrie Einsatz finden, mit Pixelzahlen von einigen 1000 und Pixeldimensionen in Dispersionsrichtung im 10 mu m Bereich. Die Zeilensensoren werden – wenn notwendig – nachträglich mit einer Fluoreszenzbeschichtung versehen, die sie für den Nachweis von Strahlung mit Wellenlängen unterhalb 360 nm empfindlich macht. Jeder Zeilensensor [13] bildet zusammen mit einem Zylinderspiegel [12] eine Detektoreinheit, die relativ zur Dispersionsebene verschieden montiert werden kann (2). Die Länge des Zylinderspiegels entspricht etwa der Länge des lichtempfindlichen Arrays. Die Zylinderachsen der Spiegel sind tangential zum Rowlandkreis ausgerichtet. Die Spiegel befinden sich nicht am Ort der Fokalkurve, sondern um einen gewissen Betrag zum Kreismittelpunkt hin eingerückt. Hier bewirken die Zylinderspiegel zweierlei (Anspruch 6):

(a) Die Abschnitte der Rowlandkurve im Bereich der Spiegel werden aus dem Kreisbogen ausgeschnitten und um 90 DEG nach oben bzw. unten an die Stelle verlegt, wo sich die Zeilensensoren befinden. Die Qualität der Rowlandabbildung wird dabei nicht verändert. Planspiegel anstelle der Zylinderspiegel würden hier zum gleichen Ergebnis führen.
(b) Die Spiegel fokussieren Strahlung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Durch Blenden [14] vor den Spiegeln wird der bei der Fokussierung wirksame vertikale Bereich bestimmt. Die richtige Dimensionierung der Blenden stellt sicher, dass die Zeilensensoren nur Strahlung aus Bereichen nahe der Dispersionsebene erfassen, wo die Bildqualität am besten, die spektrale Auflösung also am höchsten ist.

Durch abwechselndes Spiegeln nach oben bzw. unten wird erreicht, dass sich trotz des grossen geometrischen Platzbedarfs der Sensoren die Zylinderspiegel benachbarter Detektoreinheiten berühren können. Die Detektion des Spektrums lässt sich durch geometrische Anpassung der Zylinderspiegel an die jeweilige Position am Rowlandkreis weiter optimieren. Hierzu werden die Seitenkanten der Spiegel so geschnitten, dass sie aus der Blickrichtung des Gitters betrachtet senkrecht erscheinen. Auf diese Weise ergeben sich scharfe spektrale Trennstellen bei der Strahlungserfassung benachbarter Zeilensensoren und die Detektoreinheiten können lückenlos aneinandergeschoben werden (Anspruch 7).
Die beschriebene Spektrometeranordnung soll nachfolgend an einem Beispiel erläutert werden (3). Die Strahlung der Quelle tritt am Eintrittsspalt [6] in das Spektrometer ein und beleuchtet das erste Gitter [1]. Der in nullter Ordnung gebeugte Anteil wird auf den Umlenkspiegel [8] fokussiert und von dort auf das zweite Gitter [2] reflektiert. Die Einfallswinkel der beiden Gitter haben verschiedene Vorzeichen, d. h. die Aberrationen der Abbildung am zweiten Gitter [2] werden weitgehend kompensiert. Ein Abschottungsblech schränkt die Emission der Gitter so ein, dass auf dem Rowlandkreis zwei getrennte Bogensegmente als Arbeitsbereiche der Gitter in 1. Beugungsordnung reserviert werden [10, 11]. Die Detektoreinheiten – übersichtshalber wurden in 3 nur die Zylinderspiegel angedeutet – sind am Rowlandkreis tangential aufgereiht. Unabhängig davon, ob gerade nach oben oder unten gespiegelt wird, erscheinen die Spiegelkanten [15] parallel zu den Gitterstrichen.
Auf diese Weise erfolgt eine eindeutige Trennung der Spektralbereiche benachbarter Detektoreinheiten und die Spiegel lassen sich nahezu lückenlos zusammenführen. Desweiteren sind die Blenden [14] vor den Detektoreinheiten angedeutet, mit denen der Wirkungsbereich für die vertikale Fokussierung durch die Zylinderspiegel eingestellt wird.
Die vorgestellte Spektrometeranordnung wurde bereits technisch realisiert und die beschriebenen Eigenschaften in Messungen verifiziert.

Claims

Optisches Gitterspektrometer in Rowlandanordnung mit Halbleiterzeilensensoren oder Photoelektronenvervielfachern, bei dem zwei konkave Dispersionsgitter mit gleichem Krümmungsradius derart angeordnet sind, dass die Fokalkreise der beiden Gitter deckungsgleich sind, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Eintrittsspalt (6) existiert, durch den das erste Gitter (1) beleuchtet wird, und dessen Bildort in nullter Beugungsordnung in Verbindung mit einem Umlenkspiegel (8) als virtueller Eintrittsspalt für das zweite Gitter (2) wirkt.
Optisches Gitterspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Wahl der beiden Gitterkonstanten, des Einfallswinkels des ersten Gitters [7] und des Winkelabstands der Gitter [5] unterschiedliche Spektralbereiche mit unterschiedlichen spektralen Auflösungen an beliebigen Stellen des Rowlandkreisbogens, die nicht von den Gittern belegt sind, simultan dargestellt werden können.
Optisches Gitterspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfallswinkel der Gitter [7, 9] verschiedene Vorzeichen besitzen, so dass eine weitgehende Kompensation der Aberrationen der Abbildung am zweiten Gitter erfolgt.
Optisches Gitterspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch geeignete Wahl der beiden Gitterkonstanten, des Einfallswinkel des ersten Gitters [7] und des Winkelabstands der Gitter [5] die spektralen Arbeitsbereiche beider Gitter derart aufgeteilt werden können, dass die Strahlung im Arbeitsbereich des zweiten Gitters langwelliger als die Grenzwellenlänge des ersten Gitters ist, dort also nur in nullter Ordnung gebeugt wird.
Optisches Gitterspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Rowlandkreis mehrere Zylinderspiegel [12] mit tangentialer Ausrichtung der Zylinderachsen aufgereiht sind, welche eine Strahlablenkung derart bewirken, dass die Fokalkurve abschnittsweise nach unten bzw. oben verschoben wird, und dass gleichzeitig eine Strahlungsfokussierung senkrecht zur Dispersionsebene in einem vorgewählten Wirkungsbereich stattfindet.
Optisches Gitterspektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch abwechselndes Spiegeln nach oben bzw. unten einerseits sowie durch schrägen Zuschnitt der Seitenkanten [15] der Zylinderspiegel unter Winkeln, bei denen die Spiegelkanten in der Projektion auf die Gitterrichtung senkrecht zur Dispersionsebene erscheinen, andererseits, eine nahezu lückenlose Erfassung des Spektrums mit Halbleiterzeilensensoren erreicht wird.