DE2121202A1

DE2121202A1 - Anordnung zur korrelativen Spektroskopie

Info

Publication number: DE2121202A1
Application number: DE19712121202
Authority: DE
Inventors: Jan Roland Dr. Täby Jacobson (Schweden). P
Original assignee: AGA AB
Current assignee: Pharos AB
Priority date: 1970-04-30
Filing date: 1971-04-29
Publication date: 1971-11-11
Also published as: JPS5338631B1; CA942528A; US3744918A; DE2121202B2; SE355073B

Description

Patentanwalt

8 München 60

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β» Wl Wi -stew 190-921P

AGA AKTIEBOLAG. Lidingö 1 (Schweden)

Anordnung zur korrelativen Spektroskopie

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur korrelativen Spektroskopie, insbesondere zum Analysieren von Gasen auf die Anwesenheit bestimmter Bestandteile mit einem Analysator zum Aufnehmen von Emissions-, Absorptions- und/oder Fluoreszenzspektren für von einem zu untersuchenden Gas ausgehendes Licht.

Bei Spektrometern üblicher Ausführung wird das zu untersuchende Licht mit Hilfe eines dispergierend wirkenden Bauelements wie eines Prismas oder eines Gitters in «in Spektrum zerlegt, und anschließend wird nach passender Fokussierung die Intensität des Lichtes für bestimmte Wellenlängen ermittelt. Gegebenenfalle kann in Verbindung alt einer ™ solchen Intensitätsanalyse auch ein Korrelationsfilter verwendet werden, dessen Lichtdurchlässigkeit innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs mit der spektralen Lichtverteilung für einen bestimmten Stoff übereinstimmt, dessen Anwesenheit in dem untersuchten Gas festgestellt werden soll.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu entwickeln, mit deren EiIfe sich eine solche korrelative Spektroskopie bei einfacherem und damit billigerem Aufbau der Konstruktion mit dennoch sichereren und zuverlässigeren Resultaten als bisher durchführen läßt.

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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Analysator eine vor einem Detektor angeordnete und die Lichtübertragung steuernde Scheibe enthält, deren eine Seite mit einem Interferenzfilter versehen ist, das mindestens ein Teilstück mit einem Lichtübertragungsverhalten, das innerhalb eines bestimmten, dem Spektrum eines interessierenden Gasbestandteils entsprechenden Wellenlängenbereichs eine Funktion der Wellenlänge ist, und weitere Teilstücke mit abweichenden Lichtübertragungsverhalten aufweist, welche Teilstücke von unterschiedlichem Lichtübertragungsverhalten abwechselnd in den Lichtweg vor des Detektor einfügbar sind.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Anordnung weist den Vorteil auf, daß sie ohne eine mechanisch bewegte Maske für die Abtastung auskommt, die bei den bekannten Anordnungen wegen der für ihre Bewegung einzuhaltenden engen Toleranzen ein kritisches Bauelement darstellt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Scheibe und das Interferenzfilter um eine gemeinsame Achse drehbar, und in Weiterbildung der Erfindung kann der Übergang im Lichtübertragungsverhalten zwischen den verschiedenen Teilstücken des Interferenzfilters kontinuierlich sein.

Eine andere Auegestaltung der Erfindung besteht darin, daß vor dem Detektor in den Weg des von dem zu untersuchenden Gas ausgehenden Lichts ein zweites Filter eingefügt ist, dessen Lichtübertragungeverhalten innerhalb des vorgegebenen Wellenlängenbereichs die Spektralabhängigkeit. -' der Detektorenpfindlichkeit kompensiert. Dabei ist dieses zweite Filter bevorzugt auf der anderen Seite der die Lichtübertragung steuernden Scheibe, also dem Interferenzfilter gegenüber angeordnet.

Für den Bau des Interferenzfilters ist eine Ausführung bevorzugt, bei der mehrere, beispielsweise vier Segmente mit untereinander gleichem Lichtübertragungsverhalten und dazwischen angeordnete Teilstücke mit abweichendem Lichtübertragungsverhalten vorhanden sind, die mit einer der Anzahl der Segmente mit gleichem Lichtübertragungsverhalten entspre-

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chenden Anzahl von Detektoren zusammenwirken. Dabei können die Auegangssignale der Detektoren jeweils nach einer der Lage des zugehörigen Segmente la Interferenzfilter relativ zu einem Bezugsradiua des Interferenzfilters entsprechenden Phasenverschiebung zusammenfaßbar sein.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematised gehaltene Gesamtansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Anordnung,

Fig. 2 bis 6 Diagramme zur Erläuterung der Funktionsweise der Anordnung von Fig. 1,

Fig. 7 und 8 zwei Ausführungsmöglichkeiten für einen Teil der Anordnung nach Fig. 1 und

Fig. 9 eine schematisch gehaltene Gesamtansicht einer zweiten Ausführungsform für eine erfindungsgemäß ausgebildete Anordnung, die zum Teil entsprechend Fig. 8 gebaut ist.

In Fig. 1 wird das zu analysierende Licht einem optischen System 1 zugeführt, das die Aufgabe hat, das Licht zu sammeln und auf ein· Öffnung 3 in einer feststehenden Blende k zu konzentrieren und ein aus im wesentlichen parallelen Lichtstrahlen bestehendes Lichtbündel 2 zu erzeugen. Dieses Lichtbündel 2 passiert dann die Öffnung 3i die gemäß der Darstellung in Fig. 7 segmentformig gehalten ist. Anschließend trifft das Licht auf eine die Lichtübertragung steuernde Scheibe 5, die durch einen Antrieb 6 um eine Achse 7 gedreht werden kann. Die Scheibe 5 ist auf beiden Seiten mit weiter unten im einzelnen beschriebenen Filtern 8 und 9 versehen. Das durch die mit den Filtern 8 und 9 versehene Scheibe 5 hindurchgegangene Licht gelangt dann zu einem Lichtdetektor 10, und dessen elektrisches Ausgangssignal wird über einen Verstärker 11 einer Regietriereinrichtung 12 bekannter Bauart zugeführt.

Die Filter 8 und 9 eind beide Interferenzfilter, unterscheiden sich jedoch in Bauweise und Funktion voneinander. Das Filter 8 diet als Sperr- und/oder Kompensätionsfilter und wird im vorliegendem Falle dazu benutzt, die Spektralabhängigkeit der Empfindlichkeit des Lichtdetektors

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10 zu kompensieren. Wird dabei angenommen, daß die Empfindlichkeit dee Lichtdetektors 10 in Abhängigkeit von der Wellenlänge A des einfallenden Lichtes der Kurve 13 in Fig. 3 folgt und daß weiter für die Analyse des zu untersuchenden Gases ein Wellenlängenbereich A₁- A_? interessiert, so erhält das Filter 8 eine Lichtdurchlässigkeit entsprechend der Kurve Ik in Fig. 2. Die Kombination des Filters 8 mit dem Lichtdetektor 10 ergibt dann als Resultierende die Kurve 15 in Fig. 31 die innerhalb des interessierenden Wellenlängenbereiehs A₁- \^ angenähert geradlinig verläuft.

Das Filter 9 ist ein zirkulär variables Interferenzfilter, dessen Interferenzspektrua innerhalb gewisser Filtersegmente dem Absorptionsspektrum eines in dem zu analysierenden Gas festzustellenden Bestandteils entspricht. Wenn daher die Intensität des einfallenden Lichtes innerhalb des Wellenlängenbereichs /V₁- Λ_Ρ der in Fig. 5 dargestellten Kurve folgt, so verläuft der Lichtdurchgang durch bestimmte, unten im einzelnen definierte Segmente des Filters 9 innerhalb des gleichen Wellenlängenbereichs A₁"" Λ ~ entsprechend der kontinuierlichen Kurve 16 in Fig. k. Ein Vergleich der Fig. k und 5 zeigt, daß für diese Filtersegmente die Transparenz für die Wellenlängen ihr Maximum erreicht, bei denen auch die Intensität des einfallenden Lichtes ein Maximum aufweist .

Die Lage der Segmente des Filters 9» deren Lichtübertragungsverhalten der Kurve 16 entspricht, iet in Fig. 7 veranschaulicht. Fig. 7 zeigt in der Zeichenebene die Blende k mit der Öffnung 3 ^und dahinter die Scheibe 5· Mit gestrichelten Linien sind in Fig. 7 zwei Segmente 17 und 18 eingezeichnet, die einander auf dem gleichen Scheibendurchmesser gegenüberliegen und für die ein Lichtübertragungsverhalten entsprechend der Kurve 16 in Fig. k angenommen ist. Steht daher eines der Segmente 17 öder 18 hinter der Öffnung 3i so erreicht das auf den Lichtdetektor 10 auftreffende Licht ein Maximum.

Die dazwischenliegenden Teile des Filters 9 zeigen ein Lichtübertragungsverhalten, das vom Verlauf der Kurve 16 in Fig. h abweicht. So zeigt

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ein um 90 gegen die Segmente 17 oder 18 versetztes Segment 19 ein Lichtübertragungsverhalten gemäß der gestrichelten Kurve 20 in<" Fig.^f₁ und weiterhin folgt das Lichtübertragungsverhalten eines dem Segment 19 auf dem gleichen Durchmesser gegenüberliegenden Teils des Filters 9 der strichpunktierten Kurve 21 in Fig. k.

Wie Fig. k zeigt, haben die Kurven 16, 20 und 21 im wesentlichen die gleiche Form, sind jedoch so gegeneinander verschoben, daß die Durchlässigkeitsmaxima für die Kurven 20 und 21 bei Wellenlängen auftreten, die zu beiden Seiten der Durchlässigkeitsmaxima für die Kurve 16 liegen. Außerdem ist das Filter 9 vorzugsweise so ausgebildet, daß sich für die μ zwischen den Segmenten 17| 18 und 19 liegenden Teile ein kontinuierlicher Übergang im Lichtübertragungsverhalten ergibt. Wird die Scheibe 5 mit den Filtern 8 und 9 in Drehung um die Achse 7 versetzt, so folgt die Intensität des auf den Lichtdetektor 10 auftreffenden Lichts wegen des oben beschriebenen Aufbaus der Anordnung der Kurve 22 in Fig. 6. Fig. 6 veranschaulicht so die Änderung in der Intensität des auf den Lichtdetektor 10 auftreffenden Lichts in Abhängigkeit von der Winkellage der Scheibe 5 relativ zu einer bestimmten Bezugsrichtung. Die Kurve 22 in Fig. 6 stellt einen.einem Gleichstrom überlagerten Wechselstrom dar, und dieser Wechselstrom kann in bekannter Weise im Verstärker 11 verstärkt und anschließend in der Registriereinrichtung 12 festgehalten werden. Wie die obige Beschreibung erkennen läßt, tritt ein solcher Wechselstrom dann auf, wenn das analysierte Gas einen Bestand- A teil enthält, dessen Spektrum dem Übertragungespektrum gemäß den Kurven in Fig. k entspricht.

Soll das Gas bezüglich eines anderen Bestandteils analysiert werden, so muß die Scheibe 5 mit dem Filter 9 durch eine andere Scheibe ersetzt werden, die mit einem diesem Bestandteil angepaßten Filter versehen ist.

Die Interferenzfilter. 8 und 9 lassen sich mittels gesteuerter Vakuuznbedämpfüng eines Substrats so herstellen, daß die gewünschten Lichtübertragungseigenschaften erhalten werden. Dabei wird von einem zuvor für

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den interessierenden Bestandteil des zu analysierenden Gases gemessenen Spektrum ausgegangen! das ein Absorptions- oder ein Emissionsspektrum sein kann. In manchen Fällen ist es angebracht, die Scheibe 5 selbst einen Teil des Interferenzfilters 9 bilden zu lassen, dessen Dicke längs dee !Anfangs so variiert werden kann, daß sich eine kontinuierliche Änderung im Lichtübertragungsverhalten ergibt.

Bei der in Tig. 8 veranschaulichten zweiten Ausführungsform für die Blende k und die dahinter angeordnete drehbare Scheibe 5 ist die' Blende k mit einer größeren Anzahl - im dargestellten Falle vier - Öffnungen 23 bis 26 versehen. Dabei ist für das auf der drehbaren Scheibe 5 an-W geordnete Filter 9 eine solche Ausbildung angenommen, daß die vier bei einer bestimmten Winkellage der Scheibe 5 hinter den Öffnungen 23 bis 26 in der Blende h liegenden Teile des Filters 9 ein Lichtübertragungsverhalten zeigen, da* grundsätzlich dem Verlauf der Kurve 16 in Fig. k entspricht. Die dazwischenliegenden Filterteile haben dann in zwei Diametralrichtungen Übertragungseigenschaften entsprechend der Kurve 20, Während die im rechten Winkel dazu liegenden Filterteile in ihrem Lichtübertragungsverhalten der Kurve 21 folgen.

Anordnungen unter Verwendung des durch die Scheibe 5 mit Filtern gemäß Fig. δ hindurchgehenden Lichtes können entsprechend Fig. 9 ge-* baut ee"in. Dort fällt das zu analysierende Licht wieder auf ein opti-A sches System 1, das die rotierende Scheibe 5 durch die vier in der Zeichnung sichtbaren Öffnungen in der Blende h hindurch mit parallelen Lichtstrahlen beleuchtet. Weiter ist auf dem Lichtwege ein zweites optisches System 27 angeordnet, und dahinter befinden sich vier Licbtdetektoren 28 bis 31· Jeder der Lichtdetektoren 28 bis 31 ist über einen eigenen Phasenschieber 32. bis 35 mit einem Addierglied 36 verbunden, an dessen Ausgang 37 eiⁿ Signal auftritt, das die Summe der in den Lichtdetektoren 28 bis 31 entstehenden Signale darstellt. Die Änderung dieses Ausgangssignals mit der Drehung der Scheibe 5 verläuft analog zur Kurve 22 in Fig. 6 mit der Ausnahme, daß die Signal;naxima mit einem gegenseitigen Abstand von SO erscheinen.

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Die Scheibe 5 nit den Filtern 8 und 9 braucht nicht wie bei den dargestellten Ausführungsbeispielen drehbar zu sein; vielmehr sind auch andere Möglichkeiten wie etwa eine Schwingungebewegung anwendbar, die im Sinne der Erfindung Filterteile mit unterschiedlichem LichtÜbertragungsverhalt en abwechselnd in den Lichtweg vor dem Lichtdetektor gelangen lassen.

In diesem Falle kann das Filter auf einem rechteckigen Träger aufgebracht sein, und die Variationen zwischen den Kurven 16, 20 und 21 in Fig. k erfolgen entlang einer geraden Linie, die vorzugsweise parallel zur Längsseite des rechteckigen Trägers verläuft.

Außerdem müesen die Filter 8 und 9 nicht auf dem gleichen Träger angeordnet werden. Befinden sie sich auf verschiedenen Trägern, so muß mindestens eines der Filter zirkulär variabel sein, wenn die Änderung im Übertragungsverhalten in der in Fig. 1 veranschaulichten Weise, d. h. mittels eines rotierenden Filters erzielt wird.

Die restlichen Filter können auf einem oder mehreren getrennten Trägern sitzen, die nicht unbedingt zusammen mit dem zirkulär variablen Filter zu rotieren brauchen.

Selbstverständlich iat die Anzahl der Öffnungen in der feststehenden Blende k nicht auf die Zahl vier begrenzt} in Verbindung mit einer ent- M sprechenden Ansah! von Lichtdetektoren kann auch eine größere Anzahl von Öffnungen in der Blende vorgesehen werden.

Auch die Abweichungen zwischen den Kurven 21, 16 und 20 in Fig. h können größer als in der Zeichnung seih. Wird die Abweichung für ein periodisches Spektrum einer Probe, beispielsweise eines Gases, größer als der Wert d in Fig. 4, so verdoppelt sich die Frequenz des erhaltenen Ausgangssignals, was zu gesteigerter Selektivität führen kann.

Patentansprüche;

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Claims

Patentansprüche

/Ί .^Anordnung zur korrelativen Spektroskopie, insbesondere zum Analysieren von Gasen auf die Anwesenheit bestimmter Bestandteile mit einem Analysator zum Aufnehmen von Emissions-, Absorptions- und/oder Fluoreszenzspektren für von einem zu untersuchenden Gas ausgehendes Licht, dadurch gekennzeichnet, daß der Analysator eine vor einem Detektor (10) angeordnete und die Lichtübertragung steuernde Scheibe (5) enthält, deren eine Seite mit einem Interferenzfilter (9) versehen ist, das mindestens ein Teilstück (17 bzw. 18) mit einem Lichtübertragungsverhalten, das innerhalb eines bestimmten, dem Spektrum eines interessierenden Gasbestandteils entsprechenden Wellenlängenbereichs ( Λ- - λ_ρ) eine Funktion der Wellenlänge ist, und weitere Teilstücke (19) mit abweichendem Lichtübertragungsverhalten aufweist, welche Teilstücke von unterschiedlichem Lichtübertragungsverhalten abwechselnd in den Lichtweg vor dem Detektor einfügbar sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Scheibe (5) und Interferenzfilter (9) um eine gemeinsame Achse (7) drehbar sind.
3· Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der übergang im Lichtübertragungsverhalten zwischen den verschiedenen Teilstücken (17, 18; 19) des Interferenzfilters (9) kontinuierlich ist.
k. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3t dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Detektor (1O) in den Weg des von dem zu untersuchenden Gas ausgehenden Lichtes ein zweites Filter (8) eingefügt ist, dessen Lichtübertragungsverhalten innerhalb des vorgegebenen Wellenlängenbereichs (A — A_) die Spektralabhängigkeit der Detektorempfindlichkeit kompensiert.
5· Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Filier (8) auf der anderen Seite der die Lichtübertragung steuernden Scheibe (5) angeordnet ist.

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6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5ι dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter (9) mehrere, beispielsweise vier Segmente mit untereinander gleichem Lichtübertragungsverhalten und dazwischen angeordnete Teilstücke mit abweichendem Lichtübertragungsverhalten aufweist und daß eine der Anzahl der Segmente mit gleichem Lichtübertragungsverhalten entsprechende Anzahl von Detektoren (28 bis 31) mit dem Interferenzfilter zusammenwirkt.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Axtsgangssignale der Detektoren (28 bis 31) jeweils nach einer der Lage des zugehörigen Segments im Interferenzfilter (9) relativ zu einem Bezugs- ' radius des Interferenzfilters entsprechenden Phasenverschiebung zusammenfaßbar sind..

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