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Vorrichtung zur laufenden, kurvenmäßigen Anzeige der Lichtabsorptions
differenzen zweier flüssiger Substanzen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zur laufenden, kurvenmäßigen Anzeige der Lichtabsorptionsdifferenzen zweier Substanzen
als Funktion der Wellenlänge. Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art wird durch
einen Monochromator geleitetes Licht von periodisch über den gewünschten Bereich
streichender Wellenlänge einerseits durch eine zu untersuchende Substanz und andererseits
durch eine Vergleichssubstanz geleitet und eine der fotoelektrisch gemessenen Differenz
der heiden sich hierdurch ergebenden Lichtstärken entsprechende Spannung zur Vertikal
ablenkung des mit der Periode der Wellenlängenänderung des Lichtes horizontal gekippten
Kathodenstrahles einer Braunschen Röhre verwendet.
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In dieser bekannten Einrichtung werden zwei getrennte, durch den
gleichen Monochromator erzeugte Teillichtstrahlen verwendet und zwei Fotozellen
od.dgl. benutzt, die jede von einem dieser Teillichtstrahlen beaufschlagt werden,
so daß die senkrechte Ablenkspannung der Kathodenstrahlröhre durch einfache Verbindung
dieser beiden sich gegenüberliegenden Fotozellen erreicht wird. Dieses Verfahren
ist jedoch viel zu roh und ungeeignet, um wirklich brauchbare und sehr genaue Messungen
zu erreichen.
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Um nun wirklich brauchbare und sehr genaue Messungen in derselben
bequemen Art wiederzugeben, mit der die Ergebnisse der Messungen bei der bekannten
Vorrichtung angezeigt werden, besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Apparat
der bekannten Art zu schaffen, in welchem alle Fehlerquellen, die durch eine Spaltung
des Strahles in zwei Teile und durch Verwendung mehrerer Fotozellen auftreten können,
restlos beseitigt sind.
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Zur Erreichung dieses Zwecks wurde ein überraschend einfacher Weg
gefunden, und zwar durch die Verwendung ein und desselben Strahles für die periodische
Ablenkung, der wechselseitig erst durch die eine und dann durch die andere der zu
vergleichenden Substanzen geschickt wird, wobei er in heiden Fällen auf ein und
dieselbe Fotozelle auftrifft. Hierdurch erzeugt die Fotozelle einen Fotostrom, welcher
sich zusammensetzt aus einer kontinuierlichen Komponente entsprechend dem Hauptwert
des sich auf beiden Wegen bewegenden Lichtes und einer Wechselkomponente mit einer
Frequenz gleich der der Strahlenablenkungsfrequenz, die der Differenz der Lichtwerte
auf den beiden Wegen entspricht.
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Die Erfindung besteht somit darin, daß ein und dasselbe aus dem Monochromator
kommende Strahlenbündel in bei gewöhnlichen Fotometern bekannter Weise einer Fotozelle
abwechselnd über die zu untersuchende Substanz und über die Vergleichssubstanz zugeleitet
und die entsprechend verstärkte Wechselkomponente der Fotozellenspannung an eine
phasenempfindliche Einrichtung angeschlossen ist, und daß eine gerichtete Kathodenstrahlkurvenanzeige
dadurch erhalten wird, daß die verstärkte Wechselstromkomponente der Kathodenstrahlspannung
direkt zur Meßablenkung des Kathodenstrahls verwendet, der Strahl jedoch außer-
-halb einer kurzen, in der Mitte einer der beiden Halbperioden dieser Wechselspannung
liegenden Teilperiode unterdr .ckt ist.
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt Fig. I eine schematische
Wiedergabe eines vollständigen Gerätes nach der Erfindung, wobei bestimmte Teile
des physikalischen Gerätes zum schnelleren Verständnis weggelassen sind, Elg. 2
ein Einzelteil einer der Absorptionszellen mit veränderlicher Weglänge, Fig. 3 eine
optische Umschaltanordnung, Fig. 4 ein vollständiges optisches und Abienksystem
ohne Gehäuse und Stützvorrichtungen.
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Nach dem Beispiel besteht das Gerät aus zwei tragbaren Einheiten,
von denen die eine ein optisches Doppelstrahlsystem für den Durchgang eines Lichtstrahles
durch jedes der beiden Muster, einen Monochromator und einen Detektor enthält, und
die andere Einheit eine Stromquelle und'die erforderliche Elektronen- und Anzeigeeinrichtung
für die Anzeige der Differenzen der Beschaffenheit der beiden Substanzen enthält.
Nach dem Beispiel besitzt eine Quelle für sichtbare oder infrarote Strahlung zur
erforderlichen Erzeugung eines durch die Substanzen zu schickenden Lichtstrahles
die Form einer Wolframfaden-Projektionslampe I, die durch eine Stromquelle 2 über
eine Gleichrichter- und Glättungsvorrichtung 3 zur Herabsetzung irgendwelcher Brummodulation
in der Intensität des emittierten Lichtes betrieben wird. Die Ausstrahlung der in
Tätigkeit befindlichen Lampe wird durch zwei konkave Spiegel 4 und 5 gesammelt und
wird durch Spiegel 8 und g (Fig. 4) auf zwei Brennpunkte eingestellt, die im Mittelpunkt
zweier Kammern 6 und 7 liegen. Jede Kammer 6 und 7 enthält vier Absorptionszellen
10 veränderlicher Weglänge in solcher Anordnung, daß der Lichtstrahl vertikal durch
sie hindurchläuft. Diese Zellen und ihr Gehäuse in den Kammern sind im einzelnen
zu Fig. 2 erläutert. Die Kammer 6 ist für die Prüfmusterzellen und die Kammer 7
für die Bezugsmusterzellen bestimmt. Zellen fester oder veränderlicher Länge, durch
die die Flüssigkeit zirkulieren kann, können ebenfalls in den Kammern 6 und 7 benutzt
werden.
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Nach Verlassen der Zellenkammern 6 und 7 werden die beiden Lichtstrahlen
durch zwei weitere Konkavspiegel II und I2 wieder fokussiert und durch einen Planspiegel
13 (Fig. 4) so gerichtet, um an der gleichen Stelle auf einem anderen kleinen Spiegel
I4 Bilder zu erzeugen, welch letzterer auf einem Torsionsstab 15 (Fig. 3) befestigt
ist, der während seiner Schwingung als optischer Umschalter dient, wie schematisch
mit i6 in Fig. I angedeutet ist. Das von diesem kleinen Spiegel 14 des optischen
Schalters I6 reflektierte Licht fällt auf einen Konkavspiegel I7, der es über den
Spiegel 18 (Fig. 4) auf den Eintrittsschlitz 20 eines Monochromators fokussiert.
Der Monochromator ist in Fig. 4 mit 21 und dessen Austrittsschlitz mit 22 bezeichnet.
Ein Spiegel 19 reduziert die Länge des Lichtstrahles und damit die Abmessungen des
Gerätes. Sobald sich der Torsionsstab 15 in seiner äußersten Sdhwinglage befindet,
fällt ein Strahl vollständig an den letzterwähnten Konkavspiegel 17, während das
Bild auf dem Schlitz 20 des Monochromators 21 während der Umschaltung nahezu stationär
bleibt.
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Zum besseren Verständnis werden nun bestimmte Einzelheiten des Gerätes
beschrieben.
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Die Zellen Io mit veränderlicher Weglänge werden in einem vertikaien
Strahl verwendet und besitzen entsprechend Fig. 2 Schmelzglasfenster 23, 24 von
I mm Dicke mit einer Minimalöffnung A für den Strahl, die 20 mm im Durchmesser beträgt.
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Die maximale mit B angedeutete Weglänge beträgt 5 mm, und die Höhe,
die für jede Zelle erforderlich ist, beträgt 25 mm, so daß daher vier solche Zellen
auf einer Höhe von 10 cm übereinander gestapelt werden können. Es wurde festgestellt,
daß diese Höhe der Zellenkammer vorteilhaft ist. Die Zellen sind auf Schlitten 25
montiert, die in Nuten 26 der Seiten 27 der Kammern laufen, um sie leicht in den
Strahl schieben zu können, und sie sind mit einer Skala mit einer Einteilung von
hunderstel Millimeter versehen. In der Zeichnung sind nur Teile det Seiten 27 dargestellt.
Zur Änderung der Weglänge sind die Schlitten 25 mit einem Gewinderingbecher
28
verbunden, in den ein Ring 29 einschraubbar ist, der mit einer Platte 30 verbunden
ist, die das Fenster 23 durch Konsolen 3I trägt. Es ist ersichtlich, daß das Verschrauben
des Ringes 29 in den oder aus dem Becher eine Axialbewegung der Platte 30 verursacht,
wodurch die Abmessung B der Weglänge verändert wird. Zur Eichung des Abstandes der
Fenster 23 und 24 und damit der Weglänge B wird ein Deckelring 32, der geeignete
Markierungen besitzt, am Ring 29 angeschraubt und greift über die Wandung 33 des
Bechers 28, wie gezeigt ist. Die Wandung 33 hat eine geeignete, bei der Betätigung
sichtbare Indexmarkierung. Das feste Fenster 24 wird auf dem Becher 28 durch das
Feststellglied 34 an seiner Stelle gehalten, welch letzteres die Form eines Bechers
oder Behälters 34 einnimmt. Eine Schraube 36 und andere nicht gezeigte Teile sind
in der Platte 30, die sich auf den Ring 29 abstützt, zur Feineinstellung der Fenster
in Parallelstel lung vorgesehen, sobald kleine Weglängen benutzt werden, wobei die
Niederhalteschrauben 37 locker sind, um die Einstellung zuzulassen. Danach werden
sie angezogen. Das Füllen der Zellen ist sehr einfach und überlaufende Flüssigkeit
wird in dem äußeren Becher oder Behälter 35 der Kammer aufgefangen, sobald die Weglänge
reduziert wird.
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Ein Flüssigkeitsverlust durch Verdampfen kann nur über eine besondere,
nicht dargestellte Füllöffnung oder über die Gewinde eintreten und kann daher in
vernünftigen Grenzen gehalten werden, wenn häufige und große Vorstellungen in der
Weglänge vermieden werden.
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Im nahen Infrarotbereich des 53pelçtrums, für den empfindliche, im
Handel erhältliche lichtelektrische Wandler benutzbar sind und in dem Schmelzgl
asfenster eine hohe Durchlässigkeit besitzen, können den Wasserstoffbereich überspannende
Grundfrequenzbänder sehr stark. jedoch Oberschwingungen und kombinierte Schwillgungen
viel weniger stark sein. Für analytische Zrrecke ist es vorteilhaft, Weglängen von
mindestens I mm zu verwenden, so daß Zellensvegahlesungen leicht durchgeführt werden
können. und zwar mit einer Genauigkeit von besser als I O/o bei wiederholter Einstellung.
So kann es erwünscht sein, eine Lösung in Tetrachlorkohlenstoff, Schwefelkohlenstoff
oder einem anderen geeigneten Lösungsmittel zu verwenden, wenn fundamentale Absorptionen
benutzt werden und reine Substanzen für Schwache Absorptionen im Bereich von I bis
2,5 mm.
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Nach Fig. 3 besteht die optische Umschalteinheit I6 aus einem starren
Rahmen 3S, der den Torsionsstab 15 trägt, welcher aus Stahl oder einer Beryllium-Kupfer-Legierung
besteht, und mit dessen NIittelpunkt eine leichte weiche Eisenarmatur 39 verbunden
ist, die den Spiegel 14 trägt, der bei dieser Ausführung die Abmessungen 2,5 X I2,5
X 0,5 mm hat. Ein Magnetjoch 40 aus weichen Eisenplättchen trägt zwei Spulen 41
und 42 und endet in konischen Polschuhen 43 und 44 in Nähe der Enden der Armatur
39 und erteilt dem Torsionsstab 15 Antriebsimpulse. Ein Nilultivibrator 45 ist vorgesehen,
um ein Signal von der Resonanzschwingung der Torsionsstange 15 zu erzeugen, und
betreibt eine Doppeltriode 46, in deren Anodenkreise die Spulen 42 und 43 liegen.
In Nähe des einen Endes der Torsionsstange I5 ist eine kleine Weicheisenarmatur
47 befestigt, die den magnetischen Krcis einer polarisierten Solenoidspule 48 schließt,
die magnetisch von dem Feld der Spulen 4I und 42 durch den Schirm 49 abgeschirmt
ist. Die von der Aufnahmespule 50 abgegebene Spannung wird nach - geeigneter Phaseneinstellung
im Phasenschieber 5 í durch den Verstärker 52 verstärkt, um Impulse zu erzeugen,
die an das Gitter des Multivibrators 45 gelegt werden und somit das Antriebssignal
für den in seiner Resonanzfrequenz schwingenden Torsionsstab 15 synchronisieren.
Eine normale Schwingungsamplitude von 70 wird aufrechterhalten.
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In Fig. 4, die die Anordnung des benutzten optischen Systems zeigt,
wird eine Littrow-Spiegelanordnung in dem Monochromator 21 benutzt, wobei der Austrittsschlitz
22 vertikal über dem Eintrittsschlitz 20 liegt und beide mit -dem gleichen Radius
gebogen sind. Ein Richtspiegel 53 mit Brennpunktlängen von 50 cm wird in dieser
speziellen Ausführung vervvendet, und zwar zusammen mit einem 605-Schmelzglasprisma
54 mit einer Höhe von 6 cm und einer Kantenlänge von 6,5 cm. Der tastende Littrow-Spiegel
56 besitzt eine Höhe von 5,5 cm und eine Breite von 4 cm. In dem Abtaster der mit
55 in Fig. 1 angedeutet ist, ist der Spiegel 56 aus Steifigkeitbgründen aus geschmolzenem
Silikat hergestellt und läuft zur Kante bei 57 zwecks Herabsetzung seines Trägheitsmomentes
konisch aus. Er wird auf einer gehärteten Stahlstange 58 befestigt.
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Diese ist ebenso wie eine Galvanometerspule mit zwei Windungen 59.
6o auf einem leitenden Rahmen 6I befestigt.
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Flachdrahtaufhängungen 5 8a aus Phosphorbronze werden zwischen den
beiden Enden der Stahlstange und einem starren Rahmen 58, von dem nur ein Teil gezeigt
ist. benutzt. Das Magnetfeld wird durch geeignete, von einer Erregerspule umgebene
Polstücke und einem starken, nicht dargestellten permanenten NIageten erzeugt. Die
mechanische Resonanzfrequenz der aus Spiegel, Stange und Spule bestehenden Anordnung
beträgt 50 Schwingungen pro Sekunde. Eine Luftdämpfung wird durch den Spiegel 56
und eine elektrische Dämpfung teils durch den leitenden Spulenrahmen 6I und teils
durch Verstärkung der Leistung der Wicklung 59 erzeugt, die als Dämpfungsspule und
Rüekkopplung dieses Signals in geeigneter Phase an die Wicklung 60, die als Antriebsspule
arbeitet, wirkt.
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Durch diese Alittel kann die Frequenz des Systems so gesteuert werden,
daß sie der Wellenkurve der zugeführten Antriebsspannung folgt. Die Antriebsspule
wird von der Stromkreisanordnung angetrieben, wie sie schematisch in Fig.4 dargestellt
ist, und besteht aus einer Kathodenverstärkerstufe 92, die eine sägezahnförmige
Spannung von zehn Schwingungen pro Sekunde erzeugt. Das Dämpfungssignal aus der
Spule 59 wird im Verstärker 63 verstärkt und zu der Ausgangsspannung des Sägezahngenerators
62 mit zehn Schwingungen pro Sekunde zu-
addiert, wie dargestellt
ist, wobei das resultierende Signal über 92 der Antriebs spule 6o zugeführt wird,
so daß der Spiegel 56 der sägezahnförmigen Spannung mit zehn Schwingungen pro Sekunde
folgt. Die Empfindlichkeit des Verstärkers 6.3 des Dämpfungssignals wird dann durch
die Einstellvorrichtung 64 eingestellt, bis die Winkelgeschwindigkeit des Spiegels
über den größeren Teil des Abtastverlaufs konstant ist. Er werden zwei Steuerungen
vorgesehen, und zwar 65 zur Erzeugung einer elektrischen Steuerung der Amplitude
der zugeführten sägeförmigen Antriebsspannung und eine mechanische Steuerung der
mittleren Winkellage des Abtastspiegels, die die Wellenlänge bestimmt, bei der das
Abtasten beginnt. Diese letztere Steuerung ist schematisch durch einen Finger 66
angedeutet, der an der Aufhängung 67 befestigt ist und einen Nocken 68 berührt,
dessen Lage durch einen Stellknopf 69 eingestellt werden kann. Eine an dem feststehenden
Teil des Rahmens 5 8b bei 71 befestigte Feder 70 versucht, den Finger 66 gegen-den
Nocken 67 zu halten. Bei Größerwerden der Tastamplitude kann ein großer Spektralbereich
mit einem gewissen Auflösungsvelust beobachtet werden entsprechend der verfügbaren
Bandbreite des Verstärkers, oder es kann eine mehr ins einzelne gehende Prüifung
eines engeren Spektralbereiches vorgenommen werden, der nur bei Abnahme der Tastamplitude
ins Auge fällt. Die optische Auflösungskraft, zur Unterscheidung gegen die elektrische,
wird in üblicher Weise durch Änderung der Schlitzweite des Monochromators und die
Empfindlichkeit des Hauptverstärkers gesteuert.
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Das Licht, weiches aus dem Austrittsschlitz des Monochromators austritt,
wird durch einen Spiegel 72 reflektiert und durch Linsen 73 gesammelt entweder auf
einem lichtelektrischen Zellenwandler 74, vie z. B. eine Bieisulfidlzelle für den
I- bis 3-my-Bereich, oder auf einem Photozellenverstärker 75 für sichtbare und ultraviolette
Bereiche. Dies kann, wie schematisch dargestellt, dadurch durchgeführt werden, daß
ein beweglicher Spiegel 76 in den von der Linse 73 kommenden Strahlenweg gestellt
wird.
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Dieser Spiegel 76 sitzt auf einer Stange 77, die in einem festen Bock
78 gelagert ist und durch einen Knopf 79 verdrehbar ist. Es kann Vorsorge für einen
schnellen Wechsel von einem auf den anderen Bereich getroffen werden, sobald der
Lichtstrahl vom Austrittsschlitz auf den einen oder den anderen dieser Auflöser
umgeschaltet wird, und zwar durch geeignetes Umschalten der Eingangsleitung des
Hauptverstärkers.
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Unter Bezugnahme auf Fig. I verstärkt ein zweistufiger, widerstandsgekoppelter
Verstärker 80, der in der Nähe der Wandler 74 und 75 liegt, das Signal mit der Frequenz
1500, welches der Differenz der Strahlungsintensität zwischen den abwechselnden
optischen Wegen entspricht. Unmittelbar auf diesen Verstärker folgt ein aus zwei
Gliedern bestehendes LC-Filter 8I, das einen solchen Q-Wert besitzt, daß die wirksame
Bandbreite des Hauptverstärkers und Filters 300 bis 400 Ez bei einer Umschaltfrequenz
von I500 beträgt. Das Ausgangssignal aus dem Strahlungsdetektor besteht aus Lichtimpulsen
von der Abtastfrequenz mit einer Modulation entsprechend der mittleren Intensität
der beiden Strahlen und einer überlagerten I500-Hz-Amplitude, die der jeweiligen
Differenz entspricht. Wenn das System aus Verstärker und Filter den Durchgang von
Frequenzen weit unter .1500 zuläßt, wird eine Differenzierung der Bildmodulation
eintreten und die AusgangsspannungerJ in ungewünschter Weise verfälschen. Es ist
weiterhin erforderlich, harmonische Oberschwingungen der optischen Umschaltfrequenz
zu unterdrücken oder zu gewährleisten, daß ihre Phasenverhältnisse zur Grundschwingung
unverändert bleiben; zu diesem Zweck wird das oben beschriebene Filter 8i benutzt,
das diese harmonischen Schwingungen auf eine vernachlässigbar kleine Amplitude vermindert
ohne mlangemessene Beschränkung der Bandbreite.
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Das Differenzsignal mit der Frequenz I500 wird, nachdem es im Verstärker
82 weiter verstärkt und durch ein Phasendrehglied 83 gelaufen ist, einer senkrechten
Ablenkplatte 84 einer Kathodenstrahlröhre 85 zugeführt. Ein System, ähnelnd einer
synchronen Gleitrichtung, wird verwendet, in dem ein kurzer Impuls, der einen kleinen
Bruchteil einer Periode der optischen Umschaltfrequenz benötigt, durch den Generator
91 aus dem Ausgang der optischen Umschalt-Aufnahmespule 50 erzeugt und dem Wehneltzylinder
87 der gezeigten Kathodenstrahlröhre derart zugeführt wird, daß diese Elektrode
87 sich während des Impulses auf einem festen Potential befindet, aber sonst ein
ausreichend negatives Potential erhält, um den Strahl zu verdunkeln.
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Für eine gute Fleckschärfe ist unter diesen Umständen eine Korrektur
der Linsenspannung erwünscht, und eine solche kann daher an der Bedie nungsplatte
des Gerätes vorgesehen werden. Der erzeugte Impuls besitzt ein festes Phasenverhältnis
zum Umschaltfrequenzsignal aus dem Hauptverstärker und tritt an dem Punkt auf, an
dem die Durchleuchtung über den einen optischen Weg ein Maximum und die Durchleuchtung
über den anderen optischen Weg ein Minimum ist. Auf diese Weise zeigt dies, wenn
der Teil des Hauptverstärkersignais, das auf der Kathodenstrahlröhre erscheint,
oberhalb der Nullinie liegt, eine höhere Strahlungsenergie in einem Strahl an, und
wenn dieser Teil unter der Linie liegt, eine höhere Strahlungsenergie in dem anderen
Strahl an. Eine Ausgleichssteuerung wird in dem optischen Doppelstrahlsystem verwendet,
durch die die Energien in den beiden Strahlen gleichgemacht werden können.
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Bei Verwendung des Gerätes wird ein Muster einer unbekannten Flüssigkeit
in eine Zelle 10 gefüllt und in die Kammer 6 gebracht. Eine unbekannte Bezugsflüssigkeit
wird dann in eine andere Zelle gefüllt und in die Kammer 7 gebracht. Das Tastgerät
wird dann in Tätigkeit gesetzt, um auf der Kathodenstrahlröhre eine Anzeige der
Differenz der Absorptionsspektren der beiden Muster anzugeben. Dies ist möglich,
weil, obgleich die momentane Anzeige auf dem Schirm dem Absorptionsspektrum nur
einer Flüssigkeit entspricht, die Fre-
quenz der Umschaltung vom
Prüfmuster auf das Bezugsmuster groß genug ist, um eine scheinbar ständige Anzeige
der Differenz zwischen den beiden Spektren zu erhalten. Die Zusammensetzung der
Bezugsflüssigkeit in der Kammer 7 kann dann geändert werden, entweder durch Zusatz
geeigneter Flüssigkeiten zum ursprünglichen Bezugsmuster in der Zelle 10 oder durch
Einsetzen weiterer Zellen 10, die solche zusätzlichen Flüssigkeiten enthalten, in
die Nuten 26 der Kammer 7, bis die Differenz, die sich auf dem Schirm der Röhre
85 anzeigt, gleich Null ist. In Fällen, in denen eine besondere Meßgenauigkeit erforderlich
ist, kann eine Zelle, durch die eine Bezugsmischung veränderlicher Zusammensetzung
zirkulieren kann, an. Stelle einer Anzahl Zellen veränderlicher Weglänge, die die
Bezugskomponenten enthalten, verwendet werden.
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Im elektrischen Teil der Apparatur werden die verschiedenen Kreise
vorzugsweise in auswechselbaren Einheiten angeordnet, außer den Transformatoren,
der Bedienungsplatte und einer Verteilerplatte, auf welcher auch die Kathodenstrahlröhre
montiert ist. Zwei der auswechselbaren Einheiten stellen Netzgeräte dar, von denen
das eine eine mittels Hochvakuumröhren stabilisierte Gleichspannung von 4400 Volt,
das andere eine Hochspannung von - 1250 Volt zur Speisung der Kathodenstrahlröhre
und -750 Volt für den Sekundärelektronen-Vervielfacher liefert.
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Ein Zeitablenkgerät 88 erzeugt die sägezahnförmige Abtastspannung,
die Ablenkspannung für die horizontalen Ablenkplatten 89 und go und das Signal zur
Verdunkelung des Rücklaufes. In diesem Zeitablenkgerät 88 werden aus dem so-Perioden-Wechselstromnetz
Impulse erzeugt, um einen Multivibrator zu synchronisieren, der auf einer Frequenz
von 10 Hz arbeitet. Ein aus diesen gewonnener differenzierter Impuls wird benutzt,
um einen einfachen Dioden-Sägezahngenerator zu steuern, dessen Ausgangsspannung
nach Transformierung auf einen niedrigen Impedanzwert einerseits dem Tastorgan 55
zugeführt wird, andererseits als Empfangsspannung für einen Gegentaktverstärker
dient, dessen Ausgang mit den horizontalen Ablenkplatten der Kathodenstrahlröhre
in Verbindung steht, Die Sägezahnspannung wird gleichfalls differenziert und verstärkt,
um einen Impuls zu liefern, der es erlaubt, den Rücklauf und den anfänglichen verzerrten
Teil der Kippkurve auszulöschen. Regelorgane für die . Rücklaufverdunkelung und
die Multivibratorfrequenz sind im Zeitablenkgerät 88 eingebaut.
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In der optischen Umschalteinrichtung sind Antriebs- und Synchronisiervorrichtungen
für den Schalter, wie oben beschrieben, vorgesehen, weiterhin ein zweistufiger Verstärker
und ein Phasendrehglied für das Differenzsignal aus dem Hauptverstärker und eine
Schaltanordnung zur Erzeugung von Synchronisierimpulsen für das oben beschriebene
phasenempfindliche Anzeigesystem. Ein Regelorgan für die Regelung der von der Umschaltaufnahmeeinrichtung
gelieferten Spannung ist in dieser Einheit vorgesehen, während die Bedienung der
I5oo-Hz-Multivibratorfrequenz und die Nachregelung der Fleckschärfe auf der Bedienungsplatte
der elektrischen Einheit, andererseits die Kontrolle der optischen Umschaltamplitude
auf der Bedienungsplatte der optischen Einheit untere bracht sind.
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Bei einer Apparatur der beschriebenen Art ist es wünschenswert, daß
die Funktionen des Gerätes jederzeit schnell überprüft und etwaige Fehler so fort
erkannt werden können. Zu diesem Zweck ist ein vielfaches Kontrollsystem vorgesehen,
welches die eingebaute Kathodenstrahlröhre als Anzeigeorgan benutzt, wobei mittels
geeigneter Schalter an etwa dreißig Punkten der Schaltung die jeweilige Kurvenform
beobachtet werden kann. Ein Meßinstrument ist in der Frontplatte eingebaut, mit
welchem mittels eines geeigneten Umschalters eine Anzahl interessierender Spannungen
und Ströme überprüft werden können.
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Einige Faktoren, die die Leistung des Gerätes berühren, sollen in
folgendem untersucht werden.
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Es ist klar, daß die Qualität lichtelektrischerWandler, ausgedrückt
durch das Verhältnis von Nutzsignal zur Störspannung und die Zeitkonstante, maßgebend
den Erfolg bestimmen, mit welchem hohe Auflösung und sehr hohes Verhältnis von Nutz-
zu Störspannung erreicht werden können.
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Für Arbeiten mit Flüssigkeiten im Infrarotgebiet von I bis 3 my, in
welchem verhältnismäßig starke Strahlungsquellen zur Verfügung stehen, scheinen
lichtelektrische Wandler bzw. Detektoren mit kurzer Zeitkonstante (100 bis 500 Mikrosekunden)
zweckmäßig zu sein. Die Bedeutung der Zeitkonstante kann an folgendem Beispiel erläutert
werden.
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Soll das Bild auf einer Kathodenstrahlröhre stehen, muß ein gewisser
Minimalwert für die Ablenkfrequenz festgelegt werden. Eine Erhöhung dieser Frequenz
wird eine Abnahme des Verhältnisses optische Umschaltfrequenz zur Ablenkfrequenz
zur Folge haben. Die optische Umschaltfrequenz wird natürlich auf einen Maximumwert
festzulegen sein, entsprechend der Zeitkonstante des Lichtdetektors.
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Es ist daher von Vorteil, daß mehrere Umschaltvorgänge ablaufen, während
der Monochromator einmal das Absorptionsband überstreicht. Deshalb ist es statthaft,
im Verstärker Bandbreiten von 1/5 bis l/o der optischen Umschaltfrequenz zu benutzen.
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Diese Randbreite wird den Störpegel bestimmen und sollte aus diesem
Grunde schmal sein, wobei dieselbe gleichfalls die elektrische Auflösung des Spektrums
bestimmt und deshalb zehnmal so groß sein sollte als die Ablenkfrequenz. Ein bei
dem be schriebenen Ausführungsbeispiel erzieltes Kompe miß sieht folgendeWerte vor:
Ablenkfrequenz IaHsr (Minimum für stehendes Bild), Bandbreite von Verstärker und
Filter 300Hz, optische Umschaltfrequenz rSoo Hz (Maximum für Bleisulfidzellen).
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Diese Werte setzen voraus, daß die Zeitkonstante des Lichtdetektors
kürzer ist als 500' Mikrosekunden, aber nicht notwendigerweise kleiner als 100 Mikrosekunden.
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Um die Proben aufeinander abzustimmen, ist es nicht von Bedeutung,
daß die beobachteten Spektra
keine Verzerrungen aufweisen, es ist
vielmehr wünschenswert, daß so viel Einzelheiten als möglich wiedergegeben werden.
In manchen Fällen ist es daher zulässig, einen größeren Spektralbereich abzutasten
als bei guter elektrischer Auflösung beobachtet werden kann.
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Sollen zwei Proben auf eine Genauigkeit von Iprozentiger Absorption
abgeglichen werden, so darf das Spitzenverhältnis Signal- zu Störamplitude den Wert
100 offensichtlich nicht unterschreiten. Angenommen, daß diese: Bedingung erreicht
wird, so ist es wichtig zu prüfen, ob ein systematischer Fehler die Genauigkeit
des Abgleichvorganges beeinträchtigen kann. Die erste Maßnahme beim Abgleich besteht
darin, die »Hintergrund«-Intensitäten aufeinander abzustimmen. Wenn z. B. zwei flüssige
Mischungen im Spektralgebiet von 2 bis -3 my miteinander verglichen werden sollen,
können die Zellen 6 und 7 zunächst mit irgendeiner durchsichtigen Flüssigkeit, wie
Tetrachlorkohlenstoff, gefüllt und das Differenzspektrum bei gleicher Weglänge durch
Betätigung der Lichtstrahlkontrolle auf o gebracht werden.
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Wenn anschließend die zu untersuchenden Flüssigkeiten in die Zellen
eingefüllt werden, so deutet jedes Abweichen vom Nullwert auf einen Unterschied
in der Absorption hin. Die Zusammensetzung der Bezugsmischung kann dann geändert
werden, bis der Nullabgleich wiederhergestellt ist.
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Es ist klar, daß ein vollkommener Abgleich der »Hintergrund«-Intensitäten
und weiterhin der Absorption von Mustern nur für eine einzelne Wellenlänge erreicht
werden kann. Um dieses Ziel auch für einen größeren Spektralbereich zu erreichen,
müssen gewisse optische Bedingungen erfüllt werden. Diese bestehen erstens darin,
daß die Lichtverteilung am Eingangsschlitz 20 des Monochromators für beide Strahlen
den gleichen Wert besitzt und daß zweitens die Lichtverteilung am Spiegel 53 für
beide Strahlen äquivalent ist.-In der Apparatur nach der Erfindung ist die Symmetrie
zwischen den zwei Strahlen gewährleistet, wenn dieselben durch den Monochromator
21 hindurchgehen. Da beide Strahlen auf einen Brennpunkt auf dem optischen Scihaltspiegel
14 vereinigt werden, kann keine Verlagerung des Bildes am Eingangsschlitz 20 des
Monochromators stattfinden, wenn der optische Schalter schwingt. Die beiden Spiegel,
die das Licht auf den Eingangsschlitz des Monochromators werfen, können als eine
einzige beleuchtete Fläche angesehen werden, welche in zwei gleiche Teile unterteilt
ist. Wenn sich der optische Schalter in der Ruhelage befindet, so kann die Trennungslinie
zwischen beiden Teilen als in Übereinstimmung befindlich angesehen werden mit der
mittleren Höhe des Schlitzes und des Richtspiegels 53, des Prismas 54 und des Tastspiegels
56. Wenn der optische Schalter in seine mittlere Lage schwingt, so schwingt die
Trennungslinie zwischen den von den verschiedenen Strahlen beleuchteten Abschnitten
oberhalb und unterhalb der mittleren Höhe des Richtspiegels. Es ergibt sich, daß
zu einem Zeitpunkt mehr Licht von dem einen Strahl durch die untere Hälfte des Prismas
hindurchgeht und mehr von dem anderen Strahl durch die obere Hälfte, wobei die Differenz
in gleichem Maße abnimmt als die Schwingungsamplitude des optischen Schalters zunimmt.
Deshalb muß bei Prisma, Richtspiegel und Abtastspiegel eine weitgehende Symmetrie
in bezug auf die horizontale Achse gefordert werden, desgleichen bei der Ausleuchtung
des Richtspiegels durch die zwei Strahlen.
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Das Doppelstrahlsystem beschränkt unsymmetrische Bildverzerrungen
auf eine Richtung parallel zum Schlitz des Monochromators. Wenn dies geschieht,
so ist die horizontale Lichtverteilung quer zur Prismenfläche 54 hinreichend einheitlich
für beide Strahlen. Homogenität der Lichtverteilung in vertikaler Richtung wird
durch die normale Strahlverbreiterung parallel zur Länge des Schlitz zes verbessert.
Besondere Sorgfalt muß auf die optische Qualität der Fenster 23 und 24 bei den Absorptionszellen
gelegt werden; in dieser Hinsicht hat sich Schmelzglas bestens bewährt. Es'ergibt
sich, daß über einen größeren Spektralbereich (z. B. 2 bis. 3 my) ein guter Abgleich
normalerweise innerhalb I °/o oder auch mit höherer Genauigkeit erzielt werden kann,
wenn alle optischen Einstellungen optimal vorgenommen, Spiegel und Fenster stets
sauber gehalten werden und schließlich der abgetastete Bereich möglich klein gehalten
wird. Es möge noch erwähnt werden, daß zu Prüfzwecken auch das Bezugsmuster in dem
einen Strahl mit einer dritten Mischung in dem anderen Strahl verglichen werden
kann. Diese Arbeitsweise kann apparaturmäßig bedingte Fehler ausmerzen, welche nicht
von der optischen Qualität und der Sauberkeit der Zellen abhängen.
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Es soll noch auf einige mögliche Abänderungen ,der Apparatur für
besondere Zwecke eingegangen werden. Die Verwendung des Geräts für die Untersuchung
von Flüssigkeiten im nahen Ultrarotgebiet wurde bereits besprochen. Die Anwendung
der Methode auf die Analyse von vasen erscheint durchaus praktisch, wie gleichfalls
deren Benutzung für Flüssigkeiten unsichtbaren und ultravioletten Spektrums, für
welche Gebiete geeignete Licht--detektoren mit genügend kleiner Zeitkonstante im
Handel erhältlich sind. Eine Ausdehnung des Spektralbereiches auf das gesamte infrarote
Steinsalzgebiet könnte erreicht werden entweder durch Verkleinerung der Ablenkfrequenz
oder durch Verwendung von Kathodenstrahlröhren mit nachleuchtendem Schirm oder durch
Benutzung von Anzeigeeinrichtungen, bei welchen die Spektren der beiden Strahlen
abwechselnd nacheinander periodisch wiedergegeben werden, da nicht selektive Lichtdetektoren
sehr kurzer Zeitkonstante und hohen Signal- zu Störspannungs-Verhältnisses schwierig
herzustellen sind. Eine Apparatur zur Untersuchung des Steinsalzgebietes würde daher
einen optischen Schalter erfordern, der entweder bei einer Frequenz von einigen
100 Hz läuft oder auch mit dem Abtaster im Gleichlauf arbeitet; außerdem müßte ein
nicht selektiver Lichtdetektor geeigneter Zeitkonstante, wie Iz. B. eine mit Helium
gefüllte Gelay-Zelle, vorgesehen sein, in Verbindung mit
einem geeigneten
Verstärker. Man müßte hierbei das schlechtere Verhältnis von Signal- zu Störspannung
von nicht selektiven Lichtdetektoren in Kauf nehmen, desgleichen den mit zunehmender
Wellenlänge schnell abfallenden Energieanteil der Lichtquelle, wie die Notwendigkeit,
optische Materialien zu benutzen, die sich weniger gut handhaben lassen als Schmelzglas.
Auch müßte man sich abfinden entweder mit einer niedrigeren Kippfrequenz oder mit
dem Umstand, daß das ganze Energiespel<trum wiedergegeben werden muß an Stelle
der oben beschriebenen Nullanzeige. Trotzdem ist ein solches Verfahren überall dort
gerechtfertigt, wo Analysen nur bei der Grundwelle durchgeführt werden und nicht
auf irgendwelchen Nebenbändern.
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Die Apparatur kann auch so abgeändert werden, daß ein automatischer
Abgleich der Spektren durch eine Kontrolle der Absorptions-Zelle mittels »servomechanism«
durchgeführt wird.
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Um diese Technik in solchen Fällen anzuwenden, in denen eine beträchtliche
gegenseitige Störung einzelner Mischungskomponenten auftritt, kann es notwendig
sein, sowohl unbekannte als auch bekannte Komponenten in Lösung mit einem durchsichtigen
Lösungsmittel zu verwenden oder Kombinationen von Komponenten zu benutzen, eher
als reine Komponenten in einem Satz von verändert lichen Zellen.