DE839724C

DE839724C - Spektralphotometer für Messungen im Infrarot-Bereich

Info

Publication number: DE839724C
Application number: DENDAT839724D
Authority: DE
Inventors: hatillon-Sous-Bagneux Seine Karl Luft (Frankreich)
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1948-07-13
Publication date: 1952-04-10
Also published as: US2654287A; BE489979A; CH285194A; NL97524C; FR1121901A; GB679632A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Spektralphotometer, die für Messungen im Infrarot-Bereich bestimmt sind und mit Mitteln zur Regelung der Spaltbreite versehen sind.

Bei der bisherigen Regelung der Spaltbreite ist man von zwei verschiedenen Prinzipien ausgegangen. Xach dem einen dieser beiden Prinzipien wird die Regelung derart vorgenommen, daß der vom Monochromator durchgelassene Wellenlängen-oder

ίο Frequenzbereich (A λ) zur Erzielung einer gleichmäßigen Reinheit des Spektrums trotz Änderung der Dispersion konstant bleibt. Charakteristisch für diese Art der Regelung ist, daß sie praktisch nur für Spektralphotometer im sichtbaren Spektralgebiet angewendet wurde.

Das zweite bekannte Regelungsprinzip bezweckt die Erzielung einer im ganzen Spektralbereich konstanten Austrittsenergie. Dieses letzte Prinzip ist im wesentlichen nur bei den Infrarotspektrographen für unmittelbare Aufzeichnung der Transparenz.zur ao Anwendung gelangt. Der Grund hierfür ist leicht einzusehen. Das sichtbare Spektralgebiet umfaßt eine Oktave; die Änderung der spektralen Emission der Strahlungsquelle, der Dispersion und der Empfängerempfindlichkeit ist daher verhältnismäßig gering, as Bei den Infrarotspektrographen dagegen, z. B. bei solchen, die mit einem NaCl-Priisma arbeiten und einen Wellenlängenbereich von 2 bis 16 μ erfassen, ändert sich die spektrale Emission der üblichen Strahlungsquellen, wie z. B. die des Nernststiftes,

um annähernd drei Zehnerpotenzen. Würde man, wie bei den Spektralphotometern dm sichtbaren Spektralgebiet, den vom Monochromator durchgelassenen Wellenlängen-oder Frequenzbereich konstant halten, so würde sich die Austrittsenergie, wie sich durch Rechnung zeigen läßt, um fast zwei Zehnerpotenzen ändern. Aus meßtechnischen Gründen ist jedoch ein weitgehender Ausgleich der Austrittsenergie notwendig. Man hat daher bei den älteren Infrarotspektrographen die Spaltweiten von Hand diskontinuierlich geändert, während bei den modernen, zur unmittelbaren Aufzeichnung der Transparenz dienenden Spektrographen die Spaltweite automatisch und kontinuierlich so verändert wird, daß die Austrittsenergie konstant bleibt.

Bei der bekannten Regelung auf konstante Austrittsenergie verzichtet man grundsätzlich auf eine von speziellen Bedingungen unabhängige Definition des Spektrums. Am deutlichsten wird dies bei solchen Anordnungen, l>ei denen die Spalte nicht nach einer vorgegebenen Ausgleichskurve verstellt werden, sondern elektromagnetisch mit Hilfe einer geeigneten Verstärkeranordnung so verstellt werden, daß die Austrittsenergie automatisch konstant bleibt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein drittes, bisher noch nicht zur Anwendung gekommenes Prinzip. Gemäß der Erfindung wird die Spaltbreite derart geregelt, daß das praktische

Auflösungsvermögen A„ = —^- für einen wesent-■< *■ ρ

liehen Teil des zu untersuchenden Wellenlängenbereichs konstant bleibt.

Hält man A_p konstant, so bleibt die Änderung der Austrittsenergie innerhalb gewisser Grenzen, und der Einfluß dieser Änderung auf das Meßergebnis kann dadurch ausgeglichen werden, daß in geeigneter Weise auf den Verstärkerkreis des elektrischen Strahlenempfängers des Photometers eingewirkt wird.

Durch die Festlegung des Auflösungsvermögens A₁, läßt sich also einerseits eine von äußeren Bedingungen unabhängige Definition des Spektrums und andererseits aiii hinreichender Energieausgleich erreichen, was für die Infrarotspektroskopie von grundsätzlicher Bedeutung sein dürfte.

Die Festlegung des Auflösungsvermögens hat

aber noch einen weiteren wesentlichen Vorteil. Sie liefert nämlich eine einfache Gesetzmäßigkeit für die

. rationelle Durchmessung des Spektrums. Durch die Festlegung des Auflösungsvermögens wird gewissermaßen das gesamte Spektrum in eine Anzahl Elementarbereiche zerlegt. Für eine getreue Wiedergabe des Absorptionsspektrums ist es notwendig, daß für die Messung der Absorption in jedem dieser Ek'tnentarbereiche mindestens die Einstellzeit der elektrischen Meßanordnung zur Verfügung steht. Ebenso muß für die Wiedergabe auf dem Registrierpapier eine gewisse Mindestlänge zur Verfügung stehen. Es folgt daher, daß die Prismen- oder Spiegeldrehung zur Durchmessung des Spektrums in rationellster Weise so erfolgt, daß für jeden Elementarbereich des Spektrums die gleiche Registrierzeit und die gleiche Registrierlänge zur Verfügung stehen. In diesem Fall werden die Gesamtregistrierzeit und die Gesamtregistrierlänge ein Minimum. Durch diese Festlegung der Spiegel- oder Prismendrehung ist aber auch der Wellenlängenmaßstab auf dem Registrierstreifen festgelegt, sofern der Vorschub, wie allgemein üblich, zeitproportional erfolgt.

Allgemein gesprochen bedeutet die Anpassung eine Verzerrung des Wellenlängenmaßstabes. Da jedoch erfindungsgemäß A_p konstant ist, erhält man eine sehr einfache Vorschrift für die Spiegel- oder Prismendrehung, und die Verzerrung des Wellenlängenmaßstabes erfolgt nach einem einfachen und übersichtlichen Gesetz. Die Spiegeldrehung muß nämlich so vorgenommen werden, daß in gleichen Zeiten ein mit λ linear wachsendes Wellenlängenintervall über den Austrittsspalt wandert, und für die Darstellung des Spektrums ergibt sich daraus zwangsläufig der logarithmische Maßstab.

Es ist zwar bekannt, die Prismen- oder Spiegeldrehung so zu steuern, daß in gleichen Zeiten gleiche Wellenlängen- oder Frequenzintervalle über den Austrittsspalt wandern, um auf diese Weise eine Darstellung des Spektrums im linearen Wellenlängen- oder Frequenzmaßstab zu erhalten und so die Verzerrung durch den Gang der Dispersion aufzuheben. Da bei den Spektralphotometern für das sichtbare Gebiet, bei denen durch Spaltweitenänderung Δλ oder Avkonstant gehalten wird, die Erfüllung der Anpassungsbedingung bei Verwendung eines linearen Wellenlängen- oder Frequenzmaßstabes eine Trivialität darstellt und andererseits bei den Infrarotspektrographen bisher ebenfalls nur eine Linearisierung des Wellenlängen- oder Frequenzmaßstabes durchgeführt wurde, ist der Schluß zulässig, daß bei Infrarotspektrographen das Problem der Anpassung bisher noch nicht in seiner Bedeutung erkannt wurde. Bei den letzteren bedeutet nämlich die Verwendung eines linearen Wellenlängen- bzw. Frequenzmaßstabes zwangsläufig eine sehr schlechte Anpassung. Wie man leicht berechnen kann, beträgt die minimale Registrierzeit infolgedessen ein Mehrfaches der bei Anpassung erforderlichen Zeit. Würde man jedoch versuchen, bei Regelung der Spalte auf konstante Austrittsenergie ebenfalls eine Anpassung vorzunehmen, so erhielte man infolge des unübersichtlichen Verlaufs des Auflösungsvermögens einen entsprechend unübersichtlichen Verlauf der Spiegeldrehung und des Wellenlängenmaßstabes.

Wesentlich für die praktische Realisierung der Erfindung ist die Verwendung eines Monochromators, der weitgehend frei von störenden Abbildungsfehlern ist, so daß das praktische Auf lösungsvermögen mit genügender Sicherheit berechnet werden kann. Hierfür eignet sich l>esonders die an sich bekannte Anordnung mit zwei im entgegengesetzten Sinn geneigten Kugelspiegeln zur Kompensation der Abbildungsfehler erster Ordnung.

Die im vorstehenden erläuterte Erfindung kann auf verschiedene Weise verwirklicht werden. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Nocken 1 zwischen dem Antrieb des beweglichen Teiles, z. B. eines beweglichen Spiegels 2, dessen Stellung den in einem gegebenen

Augenblick zu prüfenden Teil des Spektrums (entsprechend einer bestimmten Wellenlänge) bestimmt, und dem Antrieb der zur Regelung der Eingangsbzw. Ausgangsspalte 3 bzw. 4 vorgesehenen Vorrichtungen eingeschaltet. Die Antriebsmittel für den Spiegel 2 sowie für die Spalteinstellvorrichtung können Stangen, Hebel od. dgl. sein, wie es in der Figur schematisch dargestellt ist. Diese Antriebsmittel drehen beispielsweise den Spiegel 2 um eine

ίο zur Fläche parallele Achse, während sie an den Spalten 3 und 4 ein oder noch besser l>eide Gleitstücke 3", 3⁶, 4", 4* entgegengesetzt aufeinander zu oder voneinander weg versetzen. Man erhält die gleichzeitige Verschiebung des Spiegels 2 und der Gleitstücke an den Spalten 3 und 4, wenn man die Xockeneinrichtung 1 um die Achse 5 drehen läßt, wobei die Form eines Keiles bzw. der Nocken so gewählt ist, daß das von den Spaltweiten der Spalte 3 und 4 abhängige Auflösungsvermögen für jede von der Spiegelstellung bestimmte Wellenlänge wenigstens annähernd konstant für die verschiedenen Wellenlängen list. Die Ausbildung des optischen Systems, das die durch den Eingangsspalt 3 in das Spektralphotometer eintretenden Strahlen zum Ausgangsspalt 4 zurückschickt, nachdem diese Strahlen ein Prisma 6 passiert haben, kann an sich auf verschiedene Weise geschehen. Besonders zweckmäßig ist es jedoch, in an sich bekannter Weise in dem optischen System zwei Kugelspiegel 7 und 8 anzuordnen, deren Hauptachsen zur Kompensation der Aberration erster Ordnung nicht in der gleichen Wirkungslinie liegen, sondern einen Winkel einschließen.

Mau erhält also ein sehr vollkommenes optisches System, welches nötig ist, damit das Auflösungsvermögen tatsächlich den gewünschten Wert erhält. Wenn man Parabolspiegel verwenden würde, träfe man auf Schwierigkeiten, die durch das Kugelspiegelsystem vermieden werden.

Diese Kugelspiegel richten die Strahlen parallel und reflektieren sie auf das Prisma 6, durch das sie hindurchgehen, um erneut von dem l>eweglichen * Spiegel 2 reflektiert zu werden. Siie passieren dann ein zweites Mal das Prisma 6, werden wieder von den Spiegeln 8 und 7 reflektiert und endlich auf den Ausgangsspalt 4 geworfen. Die Hilfsspiegel 9 und 10, einmal hinter dem Eingangsspalt 3 und zum anderen vor dem Ausgangsspalt 4, reflektieren die Strahlen auf die optische Vorrichtung 7, 8, 6 und 2 bzw. von dorther auf den Ausgangsspalt 4.

Es wird darauf hingewiesen, daß bei einem Steinsalzprisma 6 und bei Verwendung der Strahlungsquelle eines auf 2200⁰ C erhitzten Nernstfadens die Ausgangsenergie l>ei einer Spaltänderung, welche das Auflösungsvermögen konstant hält, um 100 Prozent zwischen 15 und 3 μ schwankt.

Entweder genügt es, so wie oben beschrieben zu verfahren, oder man greift besser noch zu einer anderen Anordnung der Erfindung, wonach bei einer gegebenen Ansprechdauer und Genauigkeit des Apparates eine Mindestregistrierzeit und eine Mindestabrollänge des Registrierpapiers für das ganze Spektrum erreicht werden soll, ohne daß irgendein Spektralbereich vernachlässigt wird. Zu diesem Zweck und nach dieser Anordnung stellt man die Vorrichtung für die schnelle Auswertung der verschiedenen Spektralgebiete so ein, daß für den ganzen Bereich der zu prüfenden Wellenlänge gleichweite Spaltbilder zu gleichen Zeiten ausgewertet werden.

Es sei bemerkt, daß das Spaltbild der im Spektrum vom monochromatischen Bild der Eingangsspaltöffnung eingenommene Raum ist oder, anders ausgedrückt, der Abstand der Wellenlängen, die man nicht trennen kann, weil sie von einem gleichen Spaltbild überdeckt sind.

Wenn die Drehgeschwindigkeit der Achse 5, ebenso die Geschwindigkeit des vorrückenden Registrierpapiers konstant ist (diese Bewegungen sind aufeinander abgestimmt), muß man dem Spiegel 2 eine Geschwindigkeit geben, die um so größer wird, je größer die zu prüfenden Wellenlängen sind. Zu diesem Zweck kann man sich der Nockenvorrichtung ι bedienen, die z. B. auf die Achse 5 aufgeschoben ist und zwischen der Achse 5 und dem Antrieb des Spiegels 2 noch einen Nocken i" besiitzt. Ein weiterer Nocken i^b, der gleichfalls zur Nockenvorrichtung 1 gehört, steuert die Spaltweiten der Spalte 3 und 4. Die Einheit (Nocken i° und i*) wird so bewegt, daß das Auf lösungsvermögen gemäß dem Grundgedanken der Erfindung vorbestimmbar bleibt.

Wenn man gleichzeitig die Konstanz des Auflösungsvermögens sichert (Bedingung 1), ebenso die Konstanz der Zeit, .in der gleichweite Spaltbilder durchlaufen werden (Bedingung 2), so erhält man für die Darstellung des Spektrums eine logarithmische Skala der Wellenlängen.

Diese geht aus den folgenden Gleichungen hervor. Es ergibt sich die folgende erste Bedingung:

— const = R₁

Als

und die zweite Bedingung:

Auf dem Schaubild bzw. Registrierdiagramm ist die Abzisse χ (für eine gegebene Wellenlänge) eine gewisse Funktion der Wellenlänge

Die spektrale Spaltweite auf dem Diagramm ist also Ax s = f(X) AXs.

Wenn ν die Abrollgeschwindigkeit des Registrierpapiers mit dem Diagramm im Abzissenpunkt χ ist, erhält man, wenn man die Zeit des vorbeiziehenden Spaltbildes als t bezeichnet:

At =

A xs

Nach der Bedingung 2 ist

At = const = R₂.

Da es nun praktisch schwierig ist, die Ablaufgeschwindigkeit des Papiers mit dem Diagramm zu

variieren, muß man, wie oben bereits erwähnt, die praktische Bedingung stellen:

d*
^V== dT = const = i?₃.

Nach der Bedingung 2 hat man

_ Axs _ Axs _ P(λ) Δλ5 _
^At=--i- ⁼ --R-⁼ RT~ ^{= R}*

somit

/ (X) AXs = const = R₂ · R₃.

Nun ersetzt man AXs durch seinen Wert aus der Bedingung ι

	und hat	*r (χ) ν χ*	= Ki	dx	λ	R₃ = κ,
					R¹
ao	danach		el* .	κ log X
			άλ	*R,-*
		ergibt		άλ
	so daß sich	χ =	⁼⁼ κ
			= κ	+ const.

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Aus vorstehendem ergibt sich also, daß man wirklich eine logarithmische Wellenlängenskala für die Darstellung des Spektrums erhält.

Welche Durchführungsart man auch wählt, man erhält immer ein Spektrophotometer, dessen Arbeitsweise aus dem Gesagten genügend klar hervorgeht und dessen Vorteile vor allem darin liegen, daß die Registrierung der Absorptionskurven schnell und wiedergabefähig zugleich erfolgt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Spektralphotometer für das infrarote Spektralgebiet, das mit Mitteln zur Spaltbreitenregelung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese Mittel derart ausgebildet sind, daß das

praktische Auflösungsvermögen A_n = —rr über

einen wesentlichen Teil des zu untersuchenden Wellenlängenbereichs infolge der Spaltbreitenveränderung praktisch konstant bleibt.

2. Spektralphotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Austrittsenergie durch eine entsprechende Regelung des Verstärkers des elektrischen Strah-

. lenempfängers des Spektralphotometers ausgeglichen wird.

3. Spektralphotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sein optisches System in an sich bekannter Weise zwei konkave Kugelspiegel aufweist, die mit Bezug auf den Hauptstrahl entgegengesetzt geneigt sind derart, daß die Abbildungsfehler erster Ordnung kompensiert werden.

4. Spektralphotometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel- oder Prismendrehung derart vorgenommen wird, daß in gleichen Zeiten ein linear mit λ wachsendes Wellenlängenintervall über den Austrittsspalt wandert, so daß zur Wiedergabe des Spektrums ein logarithmischer Wellenlängenmaßstab verwendet werden kann.

Angezogene Druckschriften:
Deutsche Pateritschrift Nr. 737 161.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

I 5020 5.