DE2243552A1 - Verfahren und einrichtung zur messung der konzentration von stoffen in ihrer gasphase - Google Patents

Description

Patentanwalt·
MBnehon 22, Steinsdorfrtr. 1· . 22435 5

-530-19.347P 5. 9. 1972'

Institut vysokich temperatur Akademii nauk SSSR Moskau (UdSSR)

Verfahren und Einrichtung zur Messung der Konzentration von Stoffen in ihrer Gasphase

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zur Bestimmung von Stoffmengen mit Hilfe der Spektralanalyse, insbesondere zur Messung der Konzentration von Stoffen in ihrer Gasphase.

Die Erfindung kann zur Bestimmung von kleinsten Bei mengungen in verschiedenen Stoffen benutzt werden.

Von den verschiedenen Verfahren zur Bestimmung von Stoffmengen gehören die Methoden der Spektralanalyse zu den Verfahren mit der größten Empfindlichkeit. Aus dieses. Grund finden diese Verfahren weitgehende Verwendung auf Gebieten, in denen die Analyse von kleinsten Stoffmengen erforderlich wird.

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Es ist ein Verfahren zur Messung der Konzentration von Stoffen in ihrer Gasphase bekannt, bei dem ein von einer Lichtquelle ausgehender Lichtstrom ein Target mit einem zu untersuchenden Stoff in der Gasphase durchsetzt, ein Teil der Lichtquellenstrahlung durch den zu prüfenden Stoff absorbiert wird und Strahlung ohne Absorption hindurchgeht, wobei weiterhin die Herausfilterung eines Spektralbereichs erfolgt und der diesem Spektralbereich entsprechende Lichtstrom in ein elektrisches Signal umgewandelt wird (vgl. z. B. "Atomare Absorptions-Spektralanalyse" von B. W. LwOW₁ Verlag "Nauka", Moskau, 1 966, Kapitel *»,5).

Die bekannten Einrichtungen, die zur Durchführung dee erwähnten Verfahrens dienen, enthalten eine Lichtquelle, deren Lichtstrom nacheinander das Target mit dem zu untersuchenden Stoff in der Gasphase, eine Vorrichtung zur Herauefilterung eines Strahlungsspektralbereichs aus dem Lichtstrom und einen Lichtstrahlungsempfänger durchsetzt, wobei der letztere den Lichtstrom des herausgefilterten Spektrumbereichs in ein elektrisches Signal umwandelt, das einem Registriergerät zugeführt wird.

Ale Target wird in solchen Einrichtungen eine Küvette oder Flamme benutzt. Zur Messung der Konzentration des zu untersuchenden Stoffes wird der letztere verdampft, wobei Atome dieses Stoffes einen Teil der von der Lichtquelle erzeugten Strahlung absorbieren.

Nach der sich ergebenden optischen Dichte, d. h. nach den Logarithmus des Verhältnisses der Intensitätswerte des einfallenden und des durch den im Raum der Flamme oder der Kürette enthaltenen Untersuchungsstoff in der Gasphase hin-

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durchgegangenen monochromatischen Lichtstromes, bestimmt man die Konzentration der Atome in der absorbierenden Schicht des betreffenden Stoffes.

Diese Methode der Konzentrationsbestimmung setzt die Einhaltung mehrerer besonderer Bedingungen voraus. Zu diesen Bedingungen gehört unter anderem die Übereinstimmung des Maximums der Emissionslinie der Lichtquelle und des Maximums der Absorptionslinie des zur Untersuchung gewähl- < ten Stoffes. Dabei muß die Emissionslinie der Lichtquelle bedeutend schmaler als die Absorptionslinie des Stoffes sein, und der Umriß der Absorptionslinie darf nur von den Doppler- und Lorentzeffekten bestimmt werden.

Bei Messungen in Flamme oder Küvette wird praktisch keine von diesen Bedingungen erfüllt. Deswegen werden die beschriebenen bekannten Einrichtungen im voraus nach bekannten Stoffzusammensetzungen geeicht, um den Übergang von gemessenen Werten der optischen Dichte von Untersuchungsstoffen zu ihren Konzentrationswerten zu ermöglichen.

Die minimale Konzentration von Atomen in der Gasphase des zu untersuchenden Stoffes, die bei Anwendung des erwähnten Verfahrens und der beschriebenen Einrichtung gemessen werden kann, ist durch den Maximalwert der optischen Dichte und durch die Minimalbreite der Absorptionslinie begrenzt.

Um eine lineare Abhängigkeit der optischen Dichte des Untersuchungsstoffes von seiner Konzentration zu erzielen, wird die Absorptionslinie des Stoffes mit Hilfe eines in die Küvette oder Flamme unter Überdruck eingeführten Fremd-

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gases künstlich verbreitert, wobei aber die Konzentrationsmessung große Fehler ergibt.

Der Maximalwert der optischen Dichte, der beim erwähnten Verfahren ermittelt wird, hängt von Schwankungen des Lichtstromes auf seinem Wege von der Lichtquelle bis zum Lichtstrahlungsempfänger sowie vom Rauschen dieses Empfängers und des Registriergeräts ab. Bei Benutzung der in einer Flamme oder einer Küvette eingeschlossenen Absorptionsschichten entstehen große Schwankungen des zu registrierenden Lichtstromes, da der von der Absorptionsschicht herrührende gleichmäßige Hintergrund dem Linienspektrum der von der Lichtquelle der beschriebenen Einrichtung kommenden Strahlung überlagert wird. Dabei wird die Messung von geringen Werten des Signal-Rausch-Verhältnisses (Rauschab- ■ stands) (unter 1 %) unmöglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Beseitigung der erwähnten Mängel ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung der Konzentration von Stoffen in einer Gasphase bei Benutzung einer Absorptionsschicht in Form eines Atombündels oder -Strahls zu entwickeln, die es ermöglichen, die Empfindlichkeit und die Genauigkeit bei Messung der Konzentration von Atomen in der Gasphase des zu untersuchenden Stoffes zu erhöhen, ohne daß eine Eichung nach Mustern mit bekannter Zusammensetzung erforderlich wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Messung der Konzentration eines Stoffes in seiner Gasphase, bei dem ein von einer Lichtquelle ausgehender Lichtstrom ein Target mit einen zu untersuchenden Stoff in der Gasphase durchsetzt» ein Teil der Lichtquellenstrahlung durch den Untersuchungs-

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stoff absorbiert wird und Strahlung ohne Absorption hindurchgeht, wobei weiterhin die Herausfilterting eines Spektrumbereichs erfolgt und der diesem Spektralbereich entsprechende Lichtstrom in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zu untersuchende Stoff in das Target als periodisch unterbrochenes Atombündel eingeführt wird, das einen Teil des das Target ständig durchsetzenden Lichtstromes jedesmal absorbiert, wenn es im Weg dieses Lichtstromes erscheint, wobei eine Wechselkomponente des Lichtstromes entsteht und hierbei ein Strahlungsspektralbereich herausgefiltert wird, der die ganze Absorptionslinie des Untersuchungsstoffes einschließt, sowie die Wechselkomponente des elektrischen Signals mehrfach und synchron mit der Atombündelunterbrechung gespeichert und hierdurch der Nutzsignalanteil im Rauschen vergrößert wird, worauf man das der Konzentration des Untersuchungsstoffes in der Gasphase entsprechende Verhältnis der gespeicherten Wechselkomponente zum elektrischen Signal bestimmt, das dem durch das Target ohne Absorption hindurchgegangenen Lichtstrom entspricht.

Vor dem Durchgang des Lichtstromes durch das Atombündel ist es zweckmäßig, dessen Atome in einen Zustand mit angeregten Elektronen zu bringen, um die Konzentration eines Stoffes mit kompliziertem Absorptionsspektrum im unangeregten Zustand zu messen.

Eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der Konzentration eines Stoffes in seiner Gasphase, mit einer Lichtquelle, deren Lichtstrom nacheinander durchsetzt ein Target mit'dem Untersuchungsstoff in der Gasphase, ein· Vorrichtung zur Herausfilterung

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eines Emissionsspektralbereichs aus dem Lichtstrom der Lichtquelle und einen Lichtstrahlungsempfänger zur Umwandlung des vom herausgefilterten Emissionsspektralbereich hervorgerufenen Lichtstromes in ein zu e neu Registriergerät gelangendes elektrisches Signal, ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch die Ausführung des Targets als Vakuumkammer mit einem System von Kollimationsblenden zur Erzeugung eines Atombündels aus der Gasphase des Untersuchungsstoffes und durch eine Vorrichtung zur Unterbrechung des Atombündels in der Vakuumkammer, die in bezug auf diese Kammer so angeordnet ist, daß eine Unterbrechung des Atombündels gewährleistet wird, wobei die Vorrichtung zur Herausfilterung eines Emissionsspektralbereichs aus dem Lichtstrom als ein Spektralgerät zur Aussonderung eines mit der Absorptionslinie des Atombündels vergleichbaren Bereichs aus dem Spektrum der Lichtquelle aufgebaut ist, und wobei zwischen dem Lichtstrahlungsempfänger und dem Registriergerät eine mit diesen elektrisch verbundene Speicherschaltung vorgesehen ist, die den Nutzeignalanteil im Rauschen erhöht.

Ee ist auch eine Ausführung der Einrichtung möglich, bei der die Speicherschaltung einen mit dem Ausgang des Lichtstrahlungsempfängers elektrisch verbundenen Synchrondetektor und einen Taktgeber aufweist, der zwischen dem zweiten Eingang des Detektors und einem Mittel zur Unterbrechung des Atoabündels liegt.

Bei einer anderen Aueführung der Einrichtung weist das Spektralgerät in Strahlengang des Lichtstromes ein au· sw·! parallel angeordneten halbdurchsichtigen Spiegeln bestehendes Mehretrahl-Interferometer und einen Monochromator auf.

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Es ist auch zweckmäßig, daß das Mehrstrahl-Interferometer in der Vakuumkammer angeordnet ist und seine halbdurchsichtigen Spiegel ungefähr parallel zur Atombündelachse in der Kammer liegen und diese Bün'del umfassen.

Vorteilhaft ist auch eine Ausführung der Einrichtung, bei der die Lichtquelle für die Absorptionslinie eines Untersuchungsstoffes mit Isotopenstruktur ein Linienstrahlungsspektrum von einem in der Lichtquelle untergebrachten geradzahligen Isotop des zu untersuchenden Stoffes aufweist.

Die Erfindung ermöglicht eine bedeutende Erhöhung der Empfindlichkeit und der Genauigkeit der Messung von Stoffkonzentrationen in der GasphaseJ- Dabei ist keine vorhergehende Eichung nach Mustern mit bekannter Zusammensetzung erforderlich. ' "■"-* ' ^;'-

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Zeichnungnäher erläutert. Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschema eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung, die das Verfahren zur Messung der Konzentration eines Stoffes in der Gasphase gemäß der Erfindung durchführt;

Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau des Spiegelmonochromators in der Einrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 3 das Fabry-Perot-Interferometer der erfindungsgemäßen Einrichtung (Längsschnitt);

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Fig. k ein Blockschaltbild des Synchrondetektors der erfindungsgemäßen Einrichtung; und

Fig. 5 ein Prinzipschema eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Die Einrichtung, die das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Konzentration von Stoffen in ihrer Gasphase durchführt, besteht erfindungsgemäß aus einer Lichtquelle 1 (Fig. 1) mit einem Linienspektrum der von einem geradzahligen Kadmiumisotop (Cd ) herrührenden Strahlung, was erforderlich ist, um eine Konzentrationsmessung von Cd zu ermöglichen, dessen Absorptionslinien eine komplizierte, für Isotope charakteristische Struktur aufweiseil. Die Lichtquelle 1 stellt eine kugelförmige Lampe dar, die mit einem

11k Edelgas und einigen Milligramm vom Isotop Cd gefüllt ist. Die elektrodenlose Hochfrequenzentladung bewirkt in der Lampe ein nicht gezeigter Hochfrequenzgenerator. Ein von der Lampe erzeugter, mit dickerer Linie gezeigter Lichtstrom 2 wird mit Hilfe einer bikonvexen Linse gebündelt, die so angeordnet ist, daß die Lichtquelle 1 auf der Achse eines Atombündels k abgebildet wird, das in einer Vakuumkammer 5 erzeugt wird.

Die Vakuumkammer 5 enthält eine aus Metall gefertigte Effusionszelle 6, die von einem spiralförmigen elektrischen Heizelement 7 und drei Thermoschildern 8 aus Metall umgeben ist. In der Effusionszelle 6 und in jedem Schild β ist «eine Öffnung vorgesehen. Alle Öffnungen wirken zusammen mit einer in der Kammer 5 eingebauten Blende 8 als Kollimationsblenden und sorgen für die erforderliche Apertur des Atombündels k.

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Die Vakuumkammer 5 ist außerdem mit einem nicht gezeigten Pumpsystem und einer Vorrichtung zur Unterbrechung des Atombündels 4 ausgestattet, die beim betreffenden Ausführungsbeispiel eine Scheibe 10 mit an ihrem Kreisumfang
angeordneten Öffnungen 11 darstellt,' deren Anzahl zur Un-. terbrechungsfrequenz des Atombündels 4 in Beziehung steht. Die Scheibe 10 ist an einer Welle 12 zwischen der Blende 9 und dem oberen Thermoschild 8 so befestigt, daß das Atombündel 4 unbehindert durch ihre Öffnungen 11 hindurchgeht.

Hinter der Kammer 5 sind im Strahlengang des Lichtstromes 2 ein Objektiv 13 mit der Brennebene auf der Achse des Atombündels,4 sowie ein Spektralgerät 14, das aus einem Mehrstrahl-Fabry-Perot-Interferometer 15 und einem Monochromator 16 besteht, angeordnet, die durch ein achromatisches Objektiv 17 verbunden sind, dessen Brennebene mit
einem Eingangsspalt 18 (Fig. 2) des Monochromators 16 zusammenfällt.

Das Mehrstrahl-Interferometer 15 (Fig· 1) nach Fabry-Perot weist einen nicht eingezeichneten isolierenden Thermoschild auf, in dessen Innenraum zwei parallelstehende halbdurchlässige Flachspiegel 19 mit hohem Reflexionsvermögen angeordnet sind. Die Flachspiegel 19 sind mit mehreren dielektrischen Schichten überzogen, die eine sehr kleine Absorption ergeben. Eine Möglichkeit, den Abstand der Spiegel 19 voneinander um eine geringe Größe (etwa 1 /am) zu ändern, ergibt sich durch Ausstattung eines Spiegels 19 mit einem aus drei piezokeramischen Stäben bestehenden Halter 20, wobei an jeden dieser Stäbe eine elektrische Spannung angelegt wird. Infolge*des in der Piezokeramik entstehenden reziproken Piezoeffekts ergibt sich beim Halter 20 eine Längenänderung.

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Zur anfänglichen Grobjustierung der Spiegel 19 (Fig. 3) dient ein Schlitten 21, auf dem der mit dem Halter 20 ausgestattete Spiegel 19 befestigt ist und der mittels einer nicht gezeigten Bewegungsschraube auf der Oberfläche eines Trägers 22 verschoben werden kann.

Der durch den Eingangsspalt 18 (Fig. 2) des Monochromators 16 hindurchgegangene Lichtstrom 2 fällt auf ein Prisma 23 mit zwei Spiegelflächen, das so angeordnet ist, daß der Lichtstrom 2 nach seiner Reflexion von einer der Prismaspiegelflächen zum Parabolspiegel 24 gelangt, in dessen Brennebene der Eingangsspalt 18 liegt. Im Strahlengang des vom Spiegel 2k reflektierten Lichtstromes 2 befindet sich ein Dispersionsprisma 25, von dem der Lichtstrom 2 in ein Spektrum nach Wellenlängen zerlegt wird. Hinter dem Prisma 25 sind Spiegel 26 und 27 so angeordnet, daß der zerlegte Lichtstrom 2 nach Reflexion vom Spiegel 26 auf den Spiegel 27 fällt, nach Reflexion von dem letzteren zum Spiegel 26 zurückgeworfen wird und nach Reflexion von diesem wieder durch das Prisma 25 hindurchgeht.

Ein Ausgangsspalt 28 des Monochromators i6 liegt In der zweiten Brennebene des Prismas 23.

Das Dispersionsprisma 25 und der Spiegel 26 sind auf einem nicht gezeigten gemeinsamen Träger montiert. Durch Drehung dieses Trägers um die Achse 29 erfolgt die Abstimmung nach Wellenlängen des durch das Prisma 25 zerlegten Spektrums.

Der Ausgangsspalt 28 dee Monochromator 16 (Fig. i) wird durch ein hinter diesem Spalt 28 eingebautes Objektiv

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30 auf eine Ebene 31 projiziert, in der ein justierbarer Spalt 32 und ein abnehmbarer Streifen· 33 liegen,- von denen zwei parallelliegende Spalte gebildet werden, die senkrecht zur Abbildung des Eingangsspaltes 18 (Fig. 2) des Monoehromators 16 liegen. Der durch diese Spalte hindurchgegangene und in zwei Teile aufgespaltene Lichtstrom 2 (Fig. 1) gelangt zu einem hinter der Ebene 31 angeordneten Prisma 3^ mit Spiegelflächen, das diese Teile des Lichtstromes .2 in zwei entgegengesetzte Richtungen ablenkt. EinTeil des Lichtstromes 2 gelangt zu einem und der andere Teil zu einem anderen Lichtstrahlungsempfänger., Die beiden Licht Strahlungsempfänger stellen im betreffenden Ausführungsbeispiel der Einrichtung Fotovervielfacher 35 und 36 dar, die den Lichtstrom 2 in ein elektrisches Signal umwandeln und dieses verstärken. :;

Der Ausgang des Fotovervielfachers 35 ist mit dem Eingang eines zweiten Stromverstärkers 38 verbunden, der einen nach einer bekannten Schaltung mit Halbleiterbauelementen aufgebauten Gleichstromkompensator hoher Stabilität enthält. ,

Der Ausgang des Stromverstärkers 38 ist mit dem Halter 20 des zum Interferometer 15 gehörenden Spiegels 19 elektrisch verbunden, wobei eine Gegenkopplung in bezug auf die Lage des Interferenzbildes vom Interferometer 15 entsteht.

Der Ausgang des Fotovervielfacher 36 ist mit dem Eingang eines Stromverstärkers 39 verbünden. Der Verstärker 39 enthält eine nicht gezeigte doppelt ausgelegte und mit Transistoren bestückte Eingangsschaltung, einen Differenz-Operationsverstärker und eine Transistorausgangsstufe, wo-

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bei in den Stufen des Verstärkers 39 eine hundertprozentige Gegenkopplung angewandt ist. Zum Verstärker 39 gehört auch ein Filter mit regelbarer Durchlaßbandbreite, das einen Verstärker mit großem Verstärkungsfaktor und mit Gegenkopplung enthält. Die Stromverstärkung kann beim Verstärker 39 von 1(T* bis 10¹¹ V/A geändert werden, und die Durchlaßbandbreite ist von 10 /us bis 300 ms regelbar«

Der erste Ausgang des Stromverstärkers 39 ist mit de« Eingang eines integrierenden Digitalvoltmeters 40 verbun- . den, das nach einer bekannten mit Halbleiterbauelementen bestückten Schaltung ausgelegt ist. Das Voltmeter 40 hat mit einem Registriergerät Verbindung, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Einrichtung als Digitalschreiber 4i ausgeführt ist. _:

Der zweite Ausgang des Stromverstärkers 39 ist mit dem Eingang eines Synchrondetektors 42 verbunden.

Der mit Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltungen bestückte Synchrondetektor 42 besteht aus einem Nutzsignalkanal Λ3 (Fig. 4), einem Steuersignalkanal 44, einem Synchrondemodulator 45 und einem Verstärker 46 des demodulierten Signals.

Der Nutzsignalkanal 43 stellt einen Wechselβtromverstärker dar, dessen Eingangsstufen 47 nach einer bekannten Schaltung mit Feldeffekttransistor und vier in Reihe liegenden gegengekoppelten Operationsverstärkern ausgeführt sind. Zwischen dem Ausgang des ersten Operationsverstärkers und dem Eingang des zweiten liegt ein Bandfilter 48, das in der Zeichnung zur besseren Anschaulichkeit ale ein-

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zelne Einheit dargestelltvist. Das Bandfilter 48 besteht aus einem Niederfrequenz- und einem Hochfrequenzteil mit integrierten Schaltungen sowie einem ausgangsseitigen Operationsverstärker, der auf die Modulätionsfrequenz des Atombündels 4 (Fig· 1) abgestimmt ist. Die Eingangsstufen 47 (Fig. 4) des ¥eehselstromverstärkers sind mit einer Ausgangsstufe 49 elektrisch verbunden, die nach einer bekannten Schaltung mit zwei Operationsverstärkern aufgebaut ist, von denen ein Verstärker als ^Inverter geschaltet ist. Zur Nulldrift-Beseitigung weist die Stufe 49 eine Gegenkopplung auf.

Ära Ausgang des beschriebenen WechselStromverstärkers Lt man zwei um 180 phasenversc; zur Demodulation bestimmte Signale.

erhält man zwei um 180 phasenverschobene und verstärkte,

Der Steuersignalkanal 44 enthält einen Detektor 50 mit Nulldurchgang, der nach bekannter Schaltung eines breitbandigen Verstärkers mit Mittkopplung ausgeführt ist. Der Ausgang des Detektors 50 ist mit dem Eingang eines nach dem Prinzip eines Integrators mit Transistorschalter aufgebauten Sägezahnimpulsgenerators 51 sowie mit dem Eingang eines mit Transistoren und integrierten Schaltungen bestückten Signalumformers.52 verbunden, der die Frequenz in Spannung umsetzt. Der Ausgang des Signalumformers 52 ist an den zweiten Eingang eines Generators 51 «nd an den Eingang eines Sägezahnimpulsgenerators 53 angeschlossen.

Der Ausgang des Generators 51 hai; mit dem Eingang eines mit Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltungen ,bestückten Pegeldetektors 54 Verbindung. Dor Ausgang dieses Detektors ist mit dem Eingang eines auf der

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Grundlage von Transistoren und einer integrierten Schaltung aufgebauten Generators 55 gegenphasiger Rechteckimpulae sowie mit dem zweiten Eingang des Sägezahnimpulsgeneratoi-s verbunden.

Der Ausgang des Generators 53 ist an den Eingang eines Pegeldetektors 56 angeschlossen, dessen usgang am zweiten Eingang des Generators 55 gegenphasiger Rechteckimpulse liegt.

Somit verwandelt der Steuersignalkanal kk ein periodisches Steuersignal von beliebiger Form in zwei gegenphasige Rechteckimpulse. .

Die Ausgänge der Kanäle 43 und kk sind an zwei Eingänge des Synchrondetektors k5 angeschlossen, der auf der Grundlage einer einfachen Schaltung mit zwei steuernden Feldeffekttransistoren aufgebaut ist. . ,

Der Ausgang des Synchrondetektors k5 ist mit dem Eingang des Verstärkers k6 des demodulierten Signals verbunden. Zum letzteren gehören ein Vorverstärker 57» der nach einen bekannten Summierglied mit einem Niederfrequenzfilter ausgeführt ist, und ein Ausgangsverstärker 58, der nach einer ebenfalls bekannten Schaltung mit Gegenkopplung und einem Verstärkungsumschalter ausgelegt ist.

Die Ausgänge des zu den Eingangsstufen kj des Wechselstromverstärkers gehörenden Operationsverstärkers» des Nutzsignalkanals kj und des Verstärkers k6 des demodulierten Signals sind an den Eingang einer Überlastungsanzeigeeinheit 59 geschaltet, die nach einer bekannten Schaltung

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mit doppeltem Operationsverstärker aufgebaut - ist. Der letztere steuert einen Transistor an, in dessen'Kollektorkreis eine Anzeigelampe liegt» .

Die Schaltung des beschriebenen Synchrondetektors 42

ermöglicht die Herausfilterung von Signalen aus dem weißen

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Rauschen, das 10 bis 10 mal größer als das Nutζsignal ist.

Dem zweiten Eingang des Synchrondetektors 42 (Fig. 1) wird ein Steuersignal von einem Taktgeber 60 zugeführt, der zusammen mit dem Synchrondetektor 42 eine Speicherschaltung bildet. Der Taktgeber 60 ist im betreffenden Äusführungsbeispiel der Einrichtung als Scheibe 6i ausgeführt, die an der Welle 12 außerhalb der Vakuumkammer 5 befestigt ist» Die Scheibe 6-1- hat Öffnungen 62, deren Anordnung "und Anzahl mit denen der Öffnungen 11 in der' Scheibe 10' übereinstimmen. Außerdem gehören zürn Taktgeber 60 eine Glühlampe; 63 und eine Fotozelle 64, die an beiden Seiten der Scheibe 61 so angeordnet sind, daß der Lichtstrom' von der Lampe 63 nach dein Durchgang der Öffnung 62 auf die Fotozelle 64 fällt.

Die Velle 12 wird von einem Synchronmotor 65 über ein Untersetzungsgetriebe gedreht. .

Der Ausgang des Synchrondetektors 42 ist mit dem Eingang eines integrierenden Digitalvoltmeters 66 verbunden, das an einen Digitalschreiber 67 angeschlossen ist.

Es ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Einrichtung möglich, das dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ähnlich aufgebaut ist. · · . ·.

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2 2 4 3 ^Γ ? 2

Sein Unterschied besteht darin, daß das Interferometer 15 (Fig. 5) ohne isolierenden Thermoschild in der Vakuumkammer 5 angeordnet ist und seine Spiegel 19 parallel zur Achse des Atombündels k stehen, wobei sie das letztere vollständig umfassen.

In diesem Tall weist der Träger 22 (Fig. 3) eine nicht gezeigte Öffnung auf, durch die des Atombündel k frei hindurchgehen kann.

Bei dieser Anordnung des Interferometers 15 ist die Anwendung der Linse 3 (Fig. 1) nicht notwendig. Unmittelbar hinter der Lichtquelle 1 (Fig. 5) ist das Objektiv 13 eingebaut, in dessen Brennebene die Lichtquelle 1 liegt. Ebenso wie beim beschriebenen Ausführungsbeispiel der Einrichtung dient das achromatische Objektiv 17 zur Verbindung des Interferometers 15 mit dem Monochromator 16.

Zur besseren Anpassung der geometrischen Abmessungen dea Atombündele k und des Lichtstromes 2 an ihrer Kreuzungastelle kann das Objektiv 13 zweckmäOigerweise so angeordnet werden, daß die Lichtquelle 1 auf die Achs« des AtombUndels k abgebildet wird.

Im AusfUhrungsbeispiel der Einrichtung mit der Anordnung des Interferometers 15 in Innenraum der Kammer 5 ist es zweckmäßiger, Sphäroidspiegel anzuwenden, die es am besten ermöglichen, die geometrischen Abmessungen des Atombündels k und des Lichtstrome 2 aneinander anzupassen, wobei letztlich das Signal-Rausch-Verhältnis vergrößert wird.

Es ist auch von Vorteil, in den beiden Ausführungsbei-

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spielen der Einrichtung eine Lichtquelle mit großer Leistung, z. B. einen Laserstrahl mit umstimmbarer Wellenlänge, zu benutzen, wobei das Signal-Rausch-Verhältnis ebenfalls wesentlich erhöht wird.

Es ist auch ein Ausführungsbeispiel der -Einrichtung möglich, in der ein angeregtes Atpmbündel des zu untersuchenden Stoffes als Lichtquelle mit einem Linienstrahlungsspektrum benutzt wird. Infolge gleicher Parameter der Atombündel der Lichtquelle und des Untersuchungsstoffes stimmt dabei die Breite der Emissionslinie dieser Lichtquelle mit der Breite der Absorptionslinie des zu untersuchenden Stoffes überein. Bei dieser Ausführung der Einrichtung wird es möglich, für die Herausfilterung eines Strahlungsspektralbereichs einen Monochromator oder ein Interferenzfilter anzuwenden»

Die beschriebene Einrichtung, die das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Konzentration von Stoffen in ihrer Gasphase realisiert, funktioniert wie folgtt

Man führt eine gewisse Menge Cd in die Effusionszelle (Fig. 1) ein, befestigt die Thermosphilder 8 und beginnt die Vakuumkammer 5 zu evakuieren, bis ein Restdruck von ungefähr 1 · 10" Torr erreicht wird. Gleichzeitig wird die Voreinstellung der Spiegel 19 im Interferometer 15 vorgenommen, indem man den Abstand der Spiegel voneinander durch Betätigung der Bewegungsschraube verändert,, mit der ein Spiegel 19 mit dem Halter 20 (Fig. 3) in bezug auf den anderen mit dem Träger 22 fest verbundenen Spiegel 19 auf der Oberfläche dieses Trägers 22 verschoben werden kann. Der Abstand der Spiegel 19 voneinander wird mit Berücksichtigung des erforderlichen Auflösungsvermögens des Interferometers 15 gewählt, bei dem die Herausfilterung eine a die ganze Ab-

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sorptionslinie von Cd einschließenden Strahlungsspektralbereichs der Lichtquelle 1 (Fig. 1) möglich ist. Zur Justierung der Spiegel 19 in bezug auf ihre Parallelität wird an jeden der drei piezokeramisehen Stäbe eine Spannung von bestimmter Größe angelegt.

Darauf wird in den justierbaren Spalt «32 ein auswechselbarer Streifen von bestimmter Breite eingesetzt, um in der Ebene 31 zwei Spalte zu bilden, deren Abmessungen die Herausfilterung von zwei die ganze Absorptionslinie von Cd einschließenden Bereichen aus der Emissionslinie ermöglichen. Dabei müssen die Mittelpunkte der Spalte so weit voneinander entfernt sein, daß bei Herausfiltern des erwähnten Bereichs aus einem Gebiet um den Höhepunkt der Emissionslinie von Cd durch einen der Spalte der andere Spalt den Bereich aus einen Gebiet etwa in der Mitte der Flanke dieser Emissionslinie herausfiltert.

Venn in der Vakuumkammer der erwähnte Restdruck erreicht ist, wird das Heizelement 7 der Effusionszelle 6 angeschlossen, und man verdampft Cd bei einer Temperatur, die für die Dichte des aus der öffnung der Effusionszelle 6 heraustretenden Cd-Atomstroms bestimmend ist. Unter Einwirkung des Kollimationsblendsystems wird der Cd-Atomstrom zum AtombUndel k mit einer bestimmten Apertur geformt. Nachher wird der Synchronmotor 65 eingeschaltet, von dem die Scheiben 10 und 6i gedreht werden.

Im Zeitpunkt, wenn die öffnung 11 der Scheibe 10 und die Achse des Atombündele k zusammenfallen, geht die··· unbehindert durch die öffnung hindurch. Durch die öffnung 62 Scheibe 61 strömt gleichzeitig der Lichtstrom der Lamp·

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63, der von der Fotozelle 64 in ein elektrisches Signal umgewandelt "wird. Dieses wird dem S'ynctarondetektor 42 zugeführt. · ^νΓ- ' ■ ■ ' -

Die Unterbrechung des Atombündels 4 erfolgt im Zeitpunkt, in dem die Öffnung 11 und die Achse des Atombündels k nicht zusammenfallen. Zur Verhinderung der Signalerzeugung bei unvollständiger Überdeckung des Atombündels durch die Scheibe 10 sind die Öffnungen 62 der Scheibe 61 viel kleiner als die Öffnungen 11 ausgeführt.

Bei der Unterbrechung des Atombündels 4 wird dem Synchrondetektor 42 kein Signal vom Taktgeber 60 zugeführt.

Der von der Lichtquelle T erzeugte Lichtstrom 2 wird durch die Linse 3 an der Achse des Atombündels k zusammengeführt. *

Wenn im Wege des die Vakuumkammer 5 ständig durchdringenden Lichtströmes 2 das Atombühdel 4 erscheint, absorbieren die Atome des Bündels 4 einen Teil der von der Lichtquelle kommenden Strahlung; Ferner wird der zum Teil absorbierte Lichtstrom 2 durch das Objektiv 13 zu einein färallellichtstrom geformt, der auf den Spiegel 19 des Interferometers 15 fällt. Infolge der mehrmaligen Reflexion von den Spiegeln 19 erhält man ein Interferenzbild, das durch das achromatische Objektiv 17 am Eingangsspalt 18 (Fig. 2) des Monochromators 16 abgebildet wird.

Der Eingangsspalt 18 schneidet aus dem mittleren Teil des Interferenzbildes einen Streifen aus, dessen Lichtstrom nach Reflexion von einer Spiegelfläche des Prismas 23 auf

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den Parabolspiegel Zk fällt. Der von diesem Spiegel Zk reflektierte Lichtstrom gelangt zum Dispersionsprisma 25 als parallelgerichtetes Lichtbündel. Nach der ersten Zerlegung in Spektren und nach Reflexion vom Spiegel 26 fällt der Lichtstrom auf den Spiegel 27 und gelangt, von diesem reflektiert, wieder zum Spiegel 26. Nach Reflexion von letzterem durchläuft der Lichtstrom das· Prisma 25 zum zweiten Mal.

Der in Spektren zerlegte Lichtstrom wird von einer anderen Spiegelfläche des Prismas 23 reflektiert und vom Parabolspiegel 24 auf dem Ausgangsspalt 28 gesammelt.

Durch Drehung des Prismas 25 mitsamt dem Spiegel 26 um die Achse 29 erfolgt die Abstimmung des Monochromator 16 auf die Wellenlänge der Cd-Emission.

Somit liefert der Ausgangsspalt 28 einen streifenförmigen Ausschnitt aus dem mittleren Teil des Interferenzbildes, der der Wellenlänge der Cd-Emission entspricht.

Der durch den Ausgangsspalt 28 dee Monochromators 16 hindurchgegangene Lichtstrom wird vom Objektiv 30 (Fig. 1) auf der Ebene 31 derart gesammelt, daß der Auegangespalt (Fig. 2) auf der Ebene 31 (Fig. 1) abgebildet wird, die in doppelter Vergrößerung erscheint, um die Benutzung der Spalte zu erleichtern, welche senkrecht zum Ausgangsspalt 28 (Fig. 2) liegen und durch Einführung des auswechselbaren Streifens 33 in den Spalt 32 (Fig. 1) gebildet werden. Diese Spalte schneiden aus dem in der Ebene 31 entstehenden Interferenzbild zwei in der Nähe des Mittelpunktes dieses Interferenzbildes liegende Streifen aus. Einer von diesen

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Ausschnitten entspricht dem Scheitelpunkt der Emissionslinie von Cd und umfaßt die ganze Absorptionslinie von Cd (für Cd fällt der Mittelpunkt der Absorptionslinie mit dem Mittelpunkt der Emissionslinie zusammen). Der zweite ausgeschnittene Streifen entspricht ungefähr der Flankenmitte bei der Eraissionslinie von Cd.

Der vom ausgeschnittenen Streifen kommende Lichtstrom, der ungefähr der Flankenmitte der Cd-Emissionslinie entspricht, wird vom Prisma 34 zur Fotokatode des Fotoverviel-

fachers 35 geworfen, der diesen Lichtstrora in ein elektrisches Signal umwandelt, das vom Stromverstärker 37 vorverstärkt wird. Das verstärkt® elektrische Signal gelangt zum zweiten Stromverstärker 38 mit einem hochstabilen Kompensator.

Das verstärkte und vollständig kompensier Ire elektrische Signal wird den piezokeratnisehen Stäben des Halters 20 zugeführt, der zu einer Abstimmung des Interferometers 15 dient, bei der einer der herausgefilterten Streifen dem Scheitelpunkt der Emissionslinie von Cd entsprechen muß. Dies· Abstimmung erfolgt durch Änderung der an die piezokeramisehen Stäbe angelegten Hauptspannung.

Infolge des transversalen piezoelektrischen Effekts ändert sich die Entfernung zwischen den Spiegeln 19 des Interferometers 15, und dadurch wird die Abtastung der Cd-Emissionslinie möglich. ' ·

Der Hauptmangel der Abtastung mit Hilfe der Piezokeramik besteht in der hohen Empfindlichkeit der piezoelektrischen Stäbe zu Änderungen der Umgebungstemperatur, und dies

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bedingt eine Verschiebung des Interferenzbildes. Um das zu vermeiden, wurde die Rückkopplung eingeführt, welche die Lage des Mittelpunktes der Cd-Emissionslinie stabilisiert und durch Anlegung einer zusätzlichen elektrischen Spannung in Serie mit der Hauptspannung an die piezokeramischen Stäbe erfolgt.

Wenn dex Mittelpunkt der Cd-Emissionslinie sich verschiebt, entsteht am Ausgang des Verstärkers 38 ein zusätzliches elektrisches Signal, das die piezoelektrischen Stäbe derart beeinflußt, daß die von diesem Signal hervorgerufene Verschiebung des Interferenzbildes dieses in seine Auegangelage bringt.

Der Lichtstrom des herausgefilterten Bereiches, der dem Scheitelpunkt der Cd-Emissionslinie entspricht, wird vom Prisma Jh zur Fotokatode des Fotovervielfachers 36 geleitet, der diesen Lichtstrom in ein elektrisches Signal umwandelt, das von der Rückkopplung in bezug auf die Lage des Interferenzbildes stabilisiert wird. Das elektrische Signal durchläuft den Stromverstärker 39, gelangt darauf zum Eingang des Synchrondetektorβ 42 und wird gleichzeitig vom Digital voltmeter kO sowie vom Digital schreiber 41 registriert.

Sobald das Atombündel 4 einen Teil der von der Quelle kommenden Strahlung absorbiert, wird dem zweiten Eingang des Synchrondetektors 42, wie bereits erwähnt wurde, ein elektrisches Signal vom Taktgeber 6o zugeführt.

Bei periodischer Unterbrechung des Atombündels 4 erhält man am Eingang des Synchrondetektorβ 42 ein elektri-

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sehes Signal, das eine Wechselkomponente enthält» die der Änderung des Lichtstromes 2 infolge seiner teilweisen periodischen Absorption durch das Atombündel k entspricht. Dabei wird dem zweiten Eingang des Detektors k2 ein periodisches elektrisches Signal vom Taktgeber 60 mit der Unterbrechungsfrequenz des Atombündels h zugeführt. ' ,

Die Wechselkomponente des elektrischen Signals wird sodann mit Hilfe des Detektors k2 und synchron mit der Unterbrechung des Atombündels h mehrfach gespeichert, wobei der Anteil des Nutzsignals im Rauschen vergrößert wird.

Das vom Stromverstärker 39 gelieferte und die Wechselkomponente enthaltende Nutzsignal wird in den Eingangsstufen kj (Fig· *0 eines WechselStromverstärkers spannungsmäßig verstärkt, und mit Hilfe des Filters 48 wird aus seinem Frequenzspektrum ein Frequenzband herausgefiltert, das die Un-" terbrechungsfrequenz des Atombündels h (Fig. 1) einschließt. Dabei tritt fast keine Änderung der Wechselkomponente des elektrischen Signals ein. Die Ausgangsstufen k9 des Wechselstromverstärkers wandeln das verstärkte elektrische Nutaisignal in zwei um 18O phasenverschobene Nutzsignale um. Weiterhin gelangen die beiden Signale zum Eingang des Synchron-. demodulators 45.

Vm das elektrische Signal synchron mit der Unterbrechung des Atombündeis 4 zu demodulieren, führt man dem zweiten Eingang des Synchrondemodulator 45 ein im Steuersignalkanal hh verarbeitetes elektrisches Signal vom Taktgeber 60 (Fig.. h) zu.

Vom Taktgeber 6o kommt das elektrische Steuersignal zum

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Nulldurchgangs-Detektor 50, der es verstärkt und in Impulse mit einer bestimmten Amplitude umwandelt. Vom Ausgang des Detektors 50 gelangen die Impulse gleichzeitig zu den Eingängen des Sägezahnimpulsgenerators 51 und des Frequenz-Spannungs-Signalumformers 52. Dabei entstehen am Ausgang des Generators 51 Sägezahnimpulse, bei denen jeder Punkt der Vorderflanke einer bestimmten Phase des elektrischen Steuersignals entspricht. Am Ausgang des Wandlers 52 erhält man eine Spannung, deren Größe der Frequenz dies elektrischen Steuersignals proportional ist. Diese Spannung wird dem zweiten Eingang des Generators 51 zugeführt und ändert die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit beim Sägezahnimpuls.

Vom Ausgang des Generators 51 werden die Impulse auf den Eingang des Pegeldetektors 5^ gegeben, der in Funktion tritt, wenn die Spannung des linear ansteigenden Impulsteils eine bestimmte, der Phase des elektrischen Steuersignals proportionale Größe erreicht. Dabei entsteht am Ausgang dea Detektors 5k ein Impuls, dessen Erzeugungszeitpunkt der Phase des elektrischen Steuersignals entspricht und der den Generator 55 der gegenphasigen Rechteckimpulse sowie den Sägezahnimpulsgenerator 53 auslöst. Dem zweiten Eingang des Generators 53 und gleichzeitig dem Generator 51 wird eine Spannung vom Signalumformer 52 zugeführt, wobei beide Generatoren einseitig stabil sind und der Sägezahnspannungsabfall beim Erreichen einer vorgegebenen Größe durch diese Spannung erfolgt.

Vom Ausgang des Generators 53 werden die Impulse auf den Eingang des Pegeldetektors 56 geführt, der ebenso wie der Detektor 5k einen Impuls zur Auslösung des Generators 55 abgibt.

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Am Eingang des Generators 55 erscheinen also zwei gleiche Impulse, die in der Zeit um eine der Phasenänderung.des Steuersignals um 18O° entsprechende Größe verschoben sind. Dabei erhält man am Ausgang des Generators 55 zwei gegenphasige Rechteckimpulse, die zum Eingang des Synchrondemodulators 45 gelangen, das zu demodulierende elektrische Signal dann durchläßt, wenn seine Phase mit der Phase des Steuersignals übereinstimmt..

Das vom Ausgang des Demodulators 45 abgenommene demodulierte elektrische Signal wird im Vorverstärker 57 verstärkt, und aus seinem Frequenzspektrum wird in der Näh» der Nullfrequenz ein Band herausgefiltert, dessen Breite .je nach Signal/Rausch-Verhältnis eingestellt wird. Darauf wird das demodulierte elektrische Signal vom Ausgangsverstärker 58 verstärkt. ^ '

Zur Registrierung der Überlastung von Eingangs- und Ausgangsstufen 47, 49 des WechselStromverstärkers und des Ausgangsverstärkers 58, die zu Amplitudenverzerrungen des zu demodulierenden Signals führt, dient die Überlastungsanzeigeeinheit 59· -

Somit erhält man am Ausgang des Synchrondetektors 42 ein Gleichstromsignal, dessen 'Größe der Amplitude der Vechselkomponent· im Nutzsignal proportional ist. Dieses Signal wird vom Digitalvoltmeter 66 (Fig. 1) und vom Digitalschreiber 67 registriert.

In der Folge bestimmt man das der Konzentration von Cd in seiner Gasphase proportionale Verhältnis der gespeicherten Wechselkomponente des elektrischen Signals zum Si-

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gnal, welches dem Lichtstrom 2 entspricht, der durch die Vakuumkammer 5 ohne Absorption hindurchgegangen ist.

Die Ermittlung der Konzentration von Atomen im Atombündel des zu untersuchenden Stoffes erfolgt aufgrund der gemessenen Größe der Vechselkomponente (i - l) des elektrischen Signals und der Signalgröße I nach der Formeis

I - I

_{XT A} , ο m * c ' / _Λ \

N = Δν —j · ( 1 )

e · 1 · f · a

Hierbei bedeuten:

--herausgefilterter Bereich des kontinuierlichen Emis sionsspektrums, der die ganze Absorptionslinie einschließt; im Fall einer Quelle mit Linienemissionsspektrum muß Δν) viel kleiner als die Breite der Emissionslinie sein, was bei der Absorption im Atom bündel immer möglich ist;

1 = Breite des Atombündels an der Stelle des Lichtβtrom durchgangs durch dieses Bündel;

f * Oszillatorstärke; m, β = Masse bzw. Ladung des Elektrons;

c = Weltkonetante (Lichtgeschwindigkeit) (3 * 10¹⁰ cm/s); a s Häufigkeit des als Lichtquelle benutzten Isotops.

Die Formel (i) ist bei geringen Werten der optischen Dichte, d. h. bei kleinen Werten des Produkts des Lichtab-

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sorp.tionsf aktors K^ mit der Länge der Absorptions schicht 1 (Κλ · 1<< 1) gültig. Bei der Absorption im Atombündel ist das auch immer erreichbar»

- Bei Anregung des Atombündels vor dem Durchgang.des
Lichtstromes durch dieses. Bündel,, um die Konzentration eines Stoffes mit einem komplizierten Absorptionsspektrum in unangeregtem Zustand zu messen, muß in der Formel (i) berücksichtigt werden, daß die Größe N die Konzentration an angeregten Atomen im Atombündel darstellt» Um die Konzentration von neutralen Ausgangsatomen im Atombündel zu armitteln, muß man den Querschnitt der die Atome in den' angeregten Zustand überführenden Reaktion sowie die Eigenschaften der an dieser Reaktion beteiligten Reaktionsmittel kennen. Bei Benutzung eines energiehomogenen Elektronenbündels für die Erregung von Atomen müssen z. B₀ der
Querschnitt der Atomanregung durch Elektronenstoß bei gegebener Elektronenenergie, die Stromdichte der bombardierenden Elektronen, die Geschwindigkeit der zu untersuchenden Atome sowie die Höhe des Elektronenbündels (für metastabile Niveaus) bekannt sein. Die Querschnitte der Atomanregung durch einen Elektromenstoß sind zur Zeit für di© meisten Elemente mit guter Genauigkeit (10 bis 15 $) gemessen. Stehen diese Daten für die zu untersuchenden Element© nicht zur Verfügung, so können sie gemessen werden»

Alle sonst erforderlichen Angaben werden unmittelbar beim Messen der Konzentration von Atomen im Atombündel ermittelt.

Im zweiten Ausführungsbeispiel der Einrichtung wird
der Lichtstrom 2 nach Durchlaufen eines Spiegels 19 des

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Interferometers 15 vom Objektiv 13 (Fig. 5) auf der Achse des Atombündels h gesammelt.

Nach mehrmaliger Reflexion des Lichtstromes 2 an den Spiegeln 19 (wobei der Lichtstrom 2 gleichzeitig bei Entstehung des Atombündels k durch dieses ebenfalls mehrmals absorbiert wird) erhält man ein Interferenzbild, das wie im ersten Ausführungsbeispiel der Einrichtung durch das achromatische Objektiv 17 auf dem Eingangsspalt 18 (Fig. 2) des Monochromators 16 abgebildet wird.

In der Formel (1) zur Konzentrationsberechnung muß dabei die Vergrößerung der Absorptionslänge 1' infolge mehrmaligen Lichtstromdurchganges durch das Atombündel berücksichtigt werden. Für dieses Ausführungsbeispiel ist I¹ = bl, wobei 1 die Breite des Atombündels bedeutet und b die Häufigkeit des Lichtstromdurchgangs durch das Atombündel bezeichnet, die vom Reflexionsfaktor der Spiegel abhängt.

Um die maximale Empfindlichkeit bei der Bestimmung der Konzentration von Cd-Atomen im Atombündel nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu berechnen, muß man mögliche Optimalwerte der in die Formel (i) eingehenden Größen abschätzen. Der herauszufilternde Bereich des Emissionsspek- , trans ZS>) muß ungefähr gleich k Δ^ η sein, wobei Δ^ η die Absorptionslinienbreite bedeutet, die von der Cd-Verdampfungetemperatür und der Atombündelapertur abhängig ist. Bei einem gut kollimierten Atombündel kann man für die Cd-Resonanzlinie von 2288 % eine Absorptionslinienbreite ΔΌ η =

*ί 1 ■

4 · 10"^ cm" erhalten. Die Oszillatorstärke f dieser Linie ist gleich 1,2. Bei guter Kollimation des Atombündele beträgt die Atombündelbreite 1=4 cm, was man z. B. bei An-

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wendung eines Blendensystems mit mehreren Kanälen erreichen kann. Das Verhältnis .

-2 S& kann man. mit ,gu.ter, Senauigkei t (bis 1O^- . r.) mit Hilfe eines

Synchrondetektqrs messen. .

Beim Einsetzen dieser Werte in die Formel (i) erhält man N = 5 · 10 Atome/cm «

Beim zweiten Ausführungsbeispiel der Einrichtung kann

1'

man die minimal zu messende Konzentration um b = γ mal infolge eines mehrmaligen Durchgangs des Lichtstromes durch das Atombündel herabsetzen. Beim heutigen Stand der Interferometerspiegel-Hersteilung ist der Wert b = 50 ganz realistisch, aber die Atombündelbreite 1 muß dabei um das 4fache reduziert werden, um eine Änderung der Entfernung zwischen den Xnterferometerspiegeln in weiten Grenzen zu ermöglichen. Dabei beträgt N 5 · ϊθ■ Atome/cm^J.

Das, erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die absolute Messung der Konzentration von Atomen im Atombündel des zu untersuchenden Stoffes, erfordert also keine vorhergehende Eichung der Einrichtung nach bekannten Mustern. Dabei ist die bei diesem Verfahren zur Messung der Konzentration eines zu untersuchenden Stoffes in seiner Gasphase erreichbare Grenzenspfindlichkeit um mehrere Größenordnungen höher als bei bekannten Verfahren»

Die «rfindtmgsgemäSe Einrichtung, die das Verfahren zur Messung der Konzentration eines zu tmtsrsueiiesidori Stof-

fes in seiner Gasphase realisiert, gibt die Möglichkeit, einen Komplex von in der Hauptsache bekannten elektronischen und optischen Geräten zu benutzen.

Die Benutzung eines Atombündels als Absorptionsschicht. ergibt eine bedeutende Erhöhung der Genauigkeit bei der Konzentrationsmessung.

Die Einführung des Atombündelmodulators urid der Schaltung zur Speicherung des elektrischen Signals ermöglicht •ine bedeutende Erhöhung des Signal/Rausch-Verhältnisses.

Bei Benutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Einrichtung läßt sich die Konzentration von Beimengungen in ultrareinen Stoffen bestimmen, indem man z. B. eine Beimengung während eines bestimmten Zeitintervalls vollständig verdampft.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Verfahren zur Messung der Konzentration eines Stoffes in seiner Gasphase, bei dem ein von einer Lichtquelleausgehender Lichtstrom ein Target mit einem zu untersuchenden Stoff in der Gasphase durchsetzt, ein Teil der Lichtquellenstrahlung durch den Untersuchungsstoff absorbiert wird und Strahlung ohne Absorption hindurchgeht, wobei weiterhin die Herausfilterung eines Spektrumbereichs erfolgt und der diesem Spektralbereich entsprechende Lichtstrom in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, dadurch ge kennzeichnet , daß der zu untersuchende Stoff in das Target als periodisch unterbrochenes Atombündel eingeführt wird, das einen Teil des das Target ständig durchsetzenden Lichtstromes jedesmal absorbiert, wenn es im Weg dieses Lichtstromes erscheint, wobei eine Wechselkomponente des Lichtstromes entsteht und hierbei ein Strahlungsspektralbereich herausgefiltert wird, der die ganze Absorptionslinie des Untersuchungsstoffes einschließt, sowie die Wechse!komponente des elektrischen Signals mehrfach und synchron mit der Atombündelunterbrechung gespeichert und hierdurch der Nutzsignalanteil im Rauschen vergrößert wird, worauf man das der Konzentration des Untersuchungsstoffes in der Gasphase entsprechende Verhältnis der gespeicherten Wech- . selkomponente zum elektrischen Signal bestimmt, das dem durch das Target· ohne Absorption hindurchgegangenen Lichtstrom entspricht.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Durchgang des Lichtstromes durch das Atombündel

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   dessen Atome in einen Zustand mit angeregten Elektronen gebracht werden, um die Konzentration eines Stoffes mit kompliziertem Absorptionsspektrum im unangeregten Zustand zu messen.

   3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Lichtquelle, deren Lichtstrom nacheinander durchsetzt ein Tar;et mit dem Untersuchungsstoff in der Gasphase, eine Vorrichtung zur Herausfilterung eines Emissionsspektralbereichs aus dem Lichtstrom der Lichtquelle und einen Lichtstrahlungsempfänger zur Umwandlung des vom herausgefilterten Emissionsspektralbereich hervorgerufenen Lichtstromes in ein zu einem Registriergerät gelangendes elektrisches Signal, g e k e η η zeichnet durch die Ausführung des Targets als Vakuumkammer (5) mit einem System von Kolliraationsblenden zur Erzeugung eines Atombündels (k) aus der Gasphase des Untersuchungsstoffes und durch eine Vorrichtung,zur Unterbrechung des Atombühdels in der Vakuumkammer (5)# die in bezug auf diese Kammer (5) so angeordnet ist, daß eine Unterbrechung des Atombündels (k) gewährleistet wird, wobei die Vorrichtung zur Herausfilterung eines Emissionsspektralbereichs aus dem Lichtstrom (2) als ein Spektralgerät (i4) zur Aussonderung eines mit der Absorptionslinie des Atombündels (4) vergleichbaren Bereichs aus dem Spektrum der Lichtquelle (i) aufgebaut ist, und wobei zwischen dem Lichtstrahlungsempfänger und dem Registriergerät eine mit diesen elektrisch yerbundene Speicherschaltung vorgesehen ist, die den Nutzsignalanteil im Rauschen erhöht.

   k. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

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   daß die Speicherschaltung einen mit dem Ausgang des Lichtstrahlungsempfänger elektrisch verbundenen Synchrondetektor (42) und einen Taktgeber (6o) aufweist, der zwischen dem zweiten Eingang des Detektors (42) und.einem Mittel zur Unterbrechung des Atombündels (4) liegt.

   5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektralgerät (i4) im Strahlengang des Lichtstromes ein aus zwei parallel angeordneten halbdurchlässigen Spiegeln (Τ°) bestehendes Mehrstrahl-Ihterferometer (15) und einen Monochromator (i6) aufweist.

   6. Einrichtung nach Anspruch 51 dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrstrahl-Interferometer (.15) in der Vakuumkammer (5) angeordnet ist und seine halbdurchlässige Spiegel (19) . ungefähr parallel zur Achse des Atombündels (4) in dieser Kammer (5) stehen und dieses Bündel (4) umfassen.

   7· Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da- durch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (i) für die Absorptionslinie des Üntersuchungsstoffes mit Isotopenstruktur ein Linienemissionsspektrum von einem in der Lichtquelle (i) untergebrachten geradzahligen Isotop des zu untersuchenden Stoffes aufweist.

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