Dispositif pour faire osciller des rayons
La présente invention a pour objet un dispositif pour faire osciller des rayons. Ce dispositif peut être utilisé dans diverses applications, il peut être actionné par des moyens d'entraînement simples de faible puissance et fonctionne sans vibration préjudiciable. Le dispositif selon l'invention peut notamment être utilisé avec un monochromateur pour provoquer le déplacement du spectre par rapport à la fente de sortie et au détecteur avec un mouvement oscillant, pendant lequel déplacement le spectre est exploré par le détecteur alternativement dans des sens opposés. Un tel appareil peut être utilisé dans un spectromètre pour la spectrométrie à absorption.
Dans des spectomètres à exploration rapide du type contenant un miroir Littrow pour la réception de rayons dispersés à partir du prisme et pour les renvoyer au prisme pour une seconde dispersion, I'action d'exploration désirée doit par conséquent être accomplie en faisant vibrer ou osciller le miroir Littrow autour d'un axe parallèle au bord de réfraction du prisme. Le miroir Littrow et sa monture étant lourds, on a rencontré des difficultés à réaliser des moyens d'entraînement satisfaisants pour faire osciller le miroir et la monture à la fréquence élevée et à l'amplitude désirée et les moyens d'entraînement sont volumineux et nécessairement puissants.
Des moyens d'équilibrage compliqués sont également nécessaires s'il s'agit d'éviter des vibrations nuisibles:
Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un miroir de nutation agencé de manière à recevoir un faisceau de rayons provenant d'une source. un réflecteur sur lequel est dirigé ledit faisceau de rayons provenant du miroir de nutation, et à partir duquel ce faisceau revient sur le miroir de nutation, et en ce que le réflecteur est agencé et disposé de telle manière que la direction du faisceau de rayons sortant du dispositif ne change que parallèlement à un seul plan pendant le mouvement du miroir de nutation.
Dans sa forme la plus simple. le réflecteur est de préférence un miroir dièdre. c'est-à-dire est constitué par une paire de miroirs plans montés avec les plans de leurs faces s'étendant perpendiculairement l'un à l'autre. Lorsque le dispositif comprend un tel miroir dièdre, I'effet d'exploration est obtenu en faisant tourner Ic miroir de nutation à la vitesse désirée et. puisque ce miroir de nutation peut être équilibre de façon précise, et est léger. il peut être entraîné en rotation sans vibration importante par un petit moteur électrique. Dans une variante. le miroir dièdre peut être remplacé par un second miroir de nutation entraîné en rotation dans une relation correcte par rapport au premier.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, trois formes d'exécution du dispositif faisant l'objet de la présente invention.
La fig. 1 est une vue en plan schématique d'un spectromètre muni d'une première forme d'exécution du dispositif suivant l'invention.
Les fi. 2 et 3 sont des vues schématiques montrant l'action du miroir dièdre.
La fig. 4 est une vue semblable à la fig. 1 d'un spectromètre muni, d'une autre forme d'exécution.
La fig. 5 est une vue schématique d'une troisième forme d'exécution.
La fig. 6 est une vue en élévation d'un élément utilisé dans la forme d'exécution représentée à la fig. 5.
Le spectromètre représenté à la fig. 1 compend une source S de radiations et un élément optique 10 qui concentre les radiations provenant de la source sur une fente d'entrée 11.
Dans l'instrument représenté, on utilise des radiations visibles et l'élément 10 est une lentille, tandis que dans un instrument utilisant les radiations infra-rouges, l'élément de concentration est ordinairement un miroir concave.
Les radiations pénétrant à travers la fente 11 sont collimatées par un élément optique 12 qui est représenté par une lentille et les radiations collimatées passent à un élément de dispersion tel qu'un prisme 13 monté avec son arête de réfraction 13cor pratiquement parallèle à la fente 11. Le faisceau dispersé quittant le prisme tombe sur le miroir plan 14 animé d'un mouvement de nutation, et monté de telle ma nière sur l'arbre 15 d'un moteur 16 que la perpendiculaire à la surface du miroir forme un petit angle avec son axe de rotation. Les radiations réfléchies par le miroir de nutation sont dirigées vers un réflecteur 17 constitué par un miroir dièdre formé par une paire de miroirs 1 7a, 1 7b s'étendant avec leurs plans à angle droit et présentant un bord 17c commun.
L'arête 1 7c s'étend dans un plan à angle droit par rapport à l'arête de réfraction 1 3a du prisme 13.
Le faisceau dispersé réfléchi par le miroir de nutation tombe sur un élément du miroir dièdre, est réfléchi par celui-ci sur l'autre élément et est ensuite renvoyé au miroir de nutation. Les radiations passent à partir de ce dernier miroir au prisme pour une seconde dispersion et le faisceau dispersé à nouveau se déplace vers l'élément optique 12 qui le concentre sur une fente de sortie 18. le faisceau étant dévié sur son parcours vers la fente par un miroir plan 19. La fente de sortie est pratiquement parallèle à celle d'entrée et les radiations sortant de la fente de sortie tombent sur un détecteur 20 dont la réponse aux radiations peut être utilisée de la manière habituelle. Une cellule 21 pour un échantillon à examiner peut être disposée dans l'instrument à n'importe quel endroit habituel comme, par exemple. entre l'élément optique 10 et la fente d'entrée 11.
Pendant le fonctionnement de l'instrument, le miroir de nutation 14 est entraîné en rotation par le moteur 16 à la vitesse désirée, et le miroir 14, ainsi que le miroir 17, coopèrent pour obliger le spectre tombant sur la fente de sortie de se déplacer en arrière et en avant transversalement par rapport à la fente, de sorte que le spectre est exploré sur un intervalle de longueurs d'onde qui dépend de, et varie directement, avec l'angle entre la perpendiculaire à la surface de réflexion du miroir 14 et de son axe de rotation. La longueur d'onde centrale dans l'intervalle exploré peut être choisie en inclinant le moteur 1 6 ou le miroir dièdre 17 autour d'axes perpendiculaires au plan de l'instrument, de tels axes étant verticaux dans l'instrument représenté.
La manière suivant laquelle le miroir de nutation 14 et le miroir dièdre 1 7 coopèrent pour permettre au spectre d'être exploré comme décrit, se comprend facilement d'après les fir.
2 et 3. Dans la fig. 2 la ligne pleine 14a représente le plan du miroir 14 dans une position et la ligne pointillée 1 4h représente le plan du miroir après qu'il a été tourné sur son axe de 1800 à partir de la position 14a. Les deux positions du plan du miroir sont telles que les lignes 14a, 14b définissent le plus grand angle entre elles dans un plan horizontal con
tenant la ligne d'intersection 17c des plans des
éléments du miroir dièdre. L'angle 6 est le dou
ble de l'angle de basculement du miroir, c'est
à-dire de l'angle fait par la perpendiculaire à la
surface du miroir avec l'axe de rotation du mi
roir.
Un rayon provenant du prisme frappant
le miroir 14 est indiqué en R et on remarquera
que pour la position 14a du miroir 14, le
rayon R, après s'être déplacé du miroir 14
au miroir dièdre 17 et après avoir subi à cet
endroit une double réflexion, retourne au mi
roir et sort suivant la ligne Ra. Lorsque le plan
du miroir 14 s'étend en 14b le rayon émergeant
est indiqué en Rb, et l'angle entre les rayons
Ra et Rb projetés sur le plan horizontal con
tenant la ligne d'intersection 1 7c des éléments
du miroir plan est 4 0. Le rayon entrant R est
donc dévié d'un angle 4 0, suivant le plan ho
rizontal, de référence, pendant un parcours an
gulaire du miroir de nutation de 1800.
A la fig. 3 le plan du miroir de nutation est
représenté dans les positions 14c, 14d, qui sont
situées angulairement à 900 dans le même sens
à partir des positions 14a, 14b respectivement.
Les lignes 14c, 14d représentant le plan du
miroir 14 forment l'angle maximum ss dans
un plan à angle droit par rapport à la ligne d'in
tersection 17c des plans des éléments du mi
roir dièdre. La fig. 3 montre qu'en raison des
caractéristiques du miroir dièdre, les projec
tions des rayons Ra, Rb sortants, sur le plan
de la figure sont parallèles l'un à l'autre et à celle du rayon entrant.
Comme il ressort des fig. 2 et 3, un rayon
frappant le miroir 14 et réfléchi par celui-ci,
définit un cône lorsque le miroir tourne. Lors
que le rayon subit la double réflexion par le
miroir 17, le rayon est renvoyé au miroir de
nutation sans déviation angulaire excepté sui
vant un plan perpendiculaire à l'arête de réfrac
tion du prisme et contenant la ligne d'intersec
tion 17c des éléments du miroir dièdre. I1 ré
sulte de l'action des miroirs de nutation et du
miroir dièdre que le spectre se déplace en ar
rière et en avant transversalement à la fente de
sortie lorsque le miroir de nutation tourne, et
sans déviation dans une direction parallèle à
la longueur de la fente.
La vitesse à laquelle le spectre est exploré dépend de la vitesse de rotation du miroir de nutation, chaque rotation complète ayant pour résultat un mouvement du spectre par rapport à la fente de sortie, tout d'abord dans une direction et ensuite dans l'autre.
Le même résultat peut être obtenu en utilisant l'appareil représenté à la fig. 4. Ce dernier comprend une source S', une lentille convergente 10', une lentille de collimation 12'. un prisme ou autre élément de dispersion 13' et un miroir de nutation 14'monté sur l'arbre 15' d'un moteur 16'. Le faisceau dispersé provenant du prisme et tombant sur le miroir 14' est réfléchi vers un second miroir de nutation 22 monté sur l'arbre 23 d'un moteur 24 et est renvoyé sur le miroir 14', qui réfléchit ce faisceau vers le prisme pour une seconde dispersion et le faisceau doublement dispersé est ensuite concentré par la lentille 12' sur la fente de sortie 18', étant dévié dans son parcours vers cette fente par un miroir 19'. Les radiations sortant de la fente de sortie tombent sur un détecteur 20'.
Le second miroir de nutation 22. s'il est correctement construit et actionné, fonctionne de la même manière que le miroir dièdre 17. c'est-à-dire qu'il renvoie au premier miroir 14' les radiations reçues à partir de celui-ci sans déviation excepté parallèlement à un seul plan.
Pour qu'il puisse fonctionner comme décrit, le miroir doit remplir certaines exigences. L'angle de basculement du miroir 22, c'est-à-dire l'angle compris entre la normale à la surface du miroir et son axe de rotation doit être le double de l'angle de basculement du miroir 14'.
Les deux miroirs doivent tourner à la même vitesse angulaire et leurs sens de rotation doivent être opposés. Finalement le miroir 22 doit être calé de telle manière par rapport au miroir 14' que lorsque la perpendiculaire au miroir 14' se rapproche du plan horizontal 1 partir d'un côté, la normale au miroir 22 se rapproche du plan horizontal à partir du côté opposé et les deux normales s'étendent dans le plan horizontal au même instant.
Dans les spectromètres représentés au dessin et décrits ci-dessus, le spectre est tout d'abord exploré dans une direction et ensuite dans l'autre et le faisceau retourne à partir du premier miroir de nutation (miroir 14, fig. 1) au prisme pour une seconde dispersion. 11 peut être désirable d'explorer le spectre dans un seul sens et ceci peut être réalisé en donnant au premier miroir de nutation une forme semi-circulaire.
Si on désire renvoyer le faisceau du premier miroir sur un parcours différent de celui suivant lequel le faisceau provenant du prisme atteint le miroir. ceci peut être également réalisé en faisant basculer le miroir dièdre autour d'un axe normal à un plan horizontal contenant la ligne d'intersection 17c des éléments du miroir dièdre ou en faisant basculer l'axe de rotation du miroir 22 autour d'un axe vertical. Lorsque ces changements sont réalisés, il est nécessaire d'augmenter le diamètre du premier miroir de nutation! ou de remplacer ce miroir par deux miroirs tournant en phase et s'étendant avec leurs axes parallèles et décalés dans un plan horizontal.
L'assemblage ou appareil formé du miroir de nutation et soit d'un miroir dièdre, soit d'un second miroir de nutation, peut être utilisé avec avantage dans des spectromètres. dans lesquels un intervalle des longueurs d'onde du spectre est exploré. De tels spectromètres utilisent ordinairement un miroir Littrow et l'action d'exploration est effectuée en faisant tourner le miroir Littrow autour d'un axe généralement parallèle au plan de ce miroir et à l'arête de réfraction du prisme.
Lorsque l'assemblage des miroirs selon l'invention est utilisé au lieu d'un miroir Littrow dans un tel spectromètre, l'angle de basculement du premier miroir de nutation peut être choisi de telle manière qu'un grand mouvement angulaire du miroir approximativement d'une demi-révolution puisse être nécessaire pour explorer un intervalle particu ier des longueurs d'onde. Avec une telle disposition l'utilisation de l'assemblage fournit un avantage mécanique qui augmente lorsque l'intervalle des longueurs d'onde à explorer devient plus petit. Les moyens d'entraînement du miroir de nutation dans un appareil pour l'usage décrit peuvent par consequent être moins précis que ceux employés pour faire tourner un montage Littrow pour des buts d'exploration semblables.
L'appareil décrit peut être utilisé pour faire varier la transmission optique d'un monochromateur en fonction de la longueur d'onde et dans ce but. le miroir de nutation (miroir 14 dans l'appareil de la fig. 1) est muni d'un cache non réfléchissant disposé de préférence le long de la périphérie du miroir. Le miroir 25 (fig. 6) est représenté muni d'un tel cache 25tir et le miroir est monté avec le cache sur l'ar- bre 26 (fig. 5) d'un moteur 27 et fait passer le faisceau reçu à partir du prisme vers un miroir dièdre 28 ou un second miroir de nutation tel que 22 qui ramène le faisceau du miroir 25.
Le miroir 25 est monté de telle manière par rapport au prisme que seule une petite région (par exemple 29) du miroir adjacente à son bord et recouverte en partie par le cache 25c est utilisée à n'importe quel moment et, lorsque le miroir tourne. l'aire de la partie réfléchissante du miroir varie avec la longueur d'onde de la lumière traversant la fente de sortie et tombant sur le détecteur. En utilisant un cache de forme judicieuse dans la position angulaire correcte sur le miroir, la transmission optique du monochromateur peut être modifiée pour compenser les variations dans la sensibilité du détecteur en réponse à de la lumière de différentes longueurs d'onde. On réalise ainsi un appareil qui présente une caractéristique de réponse rectiligne et indépendante de la longueur d'onde.