Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Spektrometer nach dem

Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die optische Emissionsspektrometrie (OES) verwendet Gitterspektrometer zur Bestimmung von Elementgehalten in einer Probe anhand einer Analyse der Strahlungsemission angeregter Atome. Dabei müssen große Spektralbereiche simultan gemessen werden - ausgehend vom tiefen UV bis ins nahe IR.

Aufgrund der enormen Liniendichten und Komplexitäten der

Atomemissionsspektren ist neben einer großen Bandbreite zusätzlich ein hohes spektrales Auflösungsvermögen erforderlich, um die Überlagerung

benachbarter Fremdlinien zu verhindern. Dies trifft im Besonderen auf die OES-Analyse von Metallen zu.

Ein Beugungsgitter bewirkt eine Dispersion des Spektrums gemäß den

Gleichungen : λ ^■ N = d ^■ [sina + sinß] (Gl . l)

Δβ/Δλ = N/[d ^■ cosß], für kleine Δλ (Gl .2)

A _G : = d/N ^■ [sina + 1] (Gl .3) mit λ= Wellenlänge, N = Beugungsordnung, d = Abstand der Gitterfurchen, a = Einfallswinkel, ß= Beugungswinkel und A _G = Grenzwellenlänge. Die Winkeldispersion Δβ/Δλ (Gl.2) gibt die Differenz des Beugungswinkels Δβ für zwei Wellenlängen an, die sich um den kleinen Betrag Δλ unterscheiden. Das spektrale Auflösungsvermögen des Spektrometers wird ganz wesentlich von der Winkeldispersion des Beugungsgitters bestimmt.

Die Grenzwellenlänge A _G kennzeichnet die Wellenlänge, für die der

Beugungswinkel 90° erreicht (Gl.3). Größere Wellenlängen als A _G werden an diesem Gitter nicht mehr gebeugt. Die Grenzwellenlänge muss also oberhalb der längsten Wellenlänge des darzustellenden Spektrums liegen. Gl .3 besagt, dass für die Beugung langer Wellenlängen der Abstand der Gitterfurchen d groß und die Beugungsordnung N niedrig gewählt werden müssen. Für eine hohe Winkeldispersion ist jedoch genau das umgekehrte Vorgehen notwendig. Nach Gl .2 wird eine hohe Winkeldispersion durch einen kleinen

Furchenabstand oder eine hohe Beugungsordnung erzielt.

Die größte zu messende Wellenlänge bestimmt den Furchenabstand des Gitters und legt damit auch die Winkeldispersion fest. Die Forderungen nach großer spektraler Abdeckung und hoher Winkeldispersion lassen sich daher nicht gleichzeitig realisieren.

Nach dem Stand der Technik werden zur Lösung des Konflikts zwei Wege beschritten. Der erste Weg besteht darin, verschiedene Beugungsordnungen eines Beugungsgitters gleichzeitig zu verwenden. Teile des Spektrums mit höherer Anforderung an die Winkeldispersion werden in höherer

Beugungsordnung gemessen. Hierbei tritt das Problem auf, dass z.B. unter dem Beugungswinkel der Wellenlänge λ in zweiter Beugungsordnung gleichzeitig die Wellenlänge 2λ in erster Beugungsordnung erscheint. Es müssen daher Maßnahmen getroffen werden, um die sich überlagernden Beugungsordnungen getrennt zu detektieren. Diesen Ansatz verfolgen Echelle- Spektrometer. Hier werden viele, sich überlagernde Beugungsordnungen räumlich getrennt auf einen zweidimensionalen Arraydetektor abgebildet.

Es hat sich herausgestellt, dass Echelle-Systeme aufgrund von

Übersprecheffekten, welche die analytische Leistungsfähigkeit herabsetzen, weniger geeignet sind für die OES von Metallen. Der zweite Lösungsweg besteht darin, mehrere Spektrometereinheiten gleichzeitig in einem Gerät zu vereinen, wobei die jeweiligen Beugungsgitter unterschiedliche Furchenabstände besitzen. Auf diese Weise lassen sich ausgewählte Teile des Spektrums mit höherer Winkeldispersion darstellen als das Hauptspektrum. Die Verwendung mehrerer simultan messender

Spektrometereinheiten in einem Gerät bringt jedoch Nachteile mit sich. Alle Einheiten müssen optisch in gleicher Weise an die Strahlungsquelle

angekoppelt werden. Außerdem sind Konstruktionsaufwand und

Materialeinsatz deutlich erhöht, wodurch hohe Kosten entstehen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige und kompakte Anordnung eines optischen Spektrometers anzugeben, die einen breiten, ausgedehnten Wellenlängenbereich aufspaltet, wobei die

Winkeldispersion möglichst hoch ist. Diese Aufgabe wird von einem optischen Spektrometer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei einem Spektrometer für die optische Emissionsspektrometrie verläuft der Strahlengang der von einer Quelle im Wellenlängenbereich UV bis IR ausgesendeten Strahlung über einen Eintrittsspalt und ein Gitter zu

Detektoren, wobei im Betrieb die Strahlung von dem Eintrittsspalt unter einem ersten Einfallswinkel gegen eine Gitternormale auf das Gitter fällt. Weil dabei zusätzlich ein erster Spiegel an einer Stelle vorgesehen ist, an der die in nullter Ordnung an dem Gitter reflektierte Strahlung auf den ersten Spiegel fällt, weiter ein zweiter Spiegel an einer Stelle vorgesehen ist, an der die in nullter Ordnung an dem Gitter reflektierte Strahlung von dem ersten Spiegel auf den zweiten Spiegel fällt, wobei der zweite Spiegel so ausgerichtet ist, dass die an dem zweiten Spiegel reflektierte Strahlung unter einem zweiten Einfallswinkel auf das Gitter fällt, und wenigstens eine Blende vorgesehen ist, die in den optischen Pfad zwischen dem Gitter, dem ersten Spiegel, dem zweiten Spiegel und dem Gitter zur wahlweisen Unterbrechung dieses Pfades einschaltbar ist, kann am Ort der Detektoren entweder ein Spektrum basierend auf dem ersten Einfallswinkel oder zwei sich überlagernde Spektren basierend auf dem ersten Einfallswinkel und auf dem zweiten Einfallswinkel erzeugt werden. Die Auflösung dieser beiden Teilspektren ist nach der Gittergleichung von der Strichzahl des Gitters abhängig. Wenn das gesamte Spektrum kontinuierlich auf die Detektoren abgebildet werden soll, ist die Strichzahl und damit die Auflösung begrenzt. Da das Spektrum nach dieser Erfindung in zwei Teilspektren aufgeteilt werden kann, kann ein Gitter mit höherer Strichzahl verwendet werden, was eine höhere Winkeldispersion bietet.

Wenn weiter ein Filter in den optischen Pfad zwischen dem Eintrittsspalt und dem Gitter einschaltbar ist, sobald die Blende ausgeschaltet ist, können in diesem Filter die Wellenlängen des Spektrums absorbiert werden, , das unter dem ersten Einfallswinkel am Ort der Detektoren entsteht. Bei ausgeschalteter Blende und eingeschaltetem Filter fällt nur das Spektrum des zweiten

Einfallswinkels auf die Detektoren.

Das zu messende Gesamtspektrum lässt sich auf diese Weise in zwei

Teilabschnitte aufteilen, die nacheinander von den Detektoren gemessen werden. Die Winkeldispersion und somit die spektrale Auflösung in jedem der beiden Abschnitte kann wesentlich größer sein verglichen mit einer

herkömmlichen Anordnung, bei der das Gesamtspektrum auf die Detektoren abgebildet werden muss.

Vorzugsweise wird a2 > a l gewählt , da in diesem Falle das Filterelement ein einfaches Langpassfilter sein kann. Aus Gl. 1 geht hervor, das mit a2 > a l das zu a l gehörige Spektrum kurzwelliger als das zu a2 gehörige Spektrum. Daher kann das zu a l gehörende Spektrum leicht durch einem Langpassfilter mit geeignet gewählter Filterkante unterdrückt werden. In Abhängigkeit von einer Steuerung werden entweder die Blende oder das Filter eingeschaltet und so das Spektrum automatisch umgeschaltet. Die Steuerung kann vorzugsweise auf ein gemeinsames Stellglied wirken.

Vorzugsweise ist die Quelle eine Funkenanregungsquelle oder eine

Bogenanregungsquelle oder ein induktiv gekoppeltes Plasma (ICP).

Ein bewährter Aufbau ergibt sich, wenn das Gitter ein Konkavgitter ist, und das Gitter, der Eintrittsspalt und die Detektoren in Rowlandanordnung aufgestellt sind. Schließlich können einer oder beide Spiegel mit fokussierenden Eigenschaften, beispielsweise als zylindrische oder sphärische Spiegel ausgeführt sein, um die Abbildungseigenschaften unter dem Einfallswinkel a2 zu verbessern.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der

Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: den Strahlengang eines erfindungsgemäßen Spektrometers in einer ersten Betriebsart; sowie

Fig. 2: den Strahlengang des Spektrometers aus Fig. 1 in einer zweiten

Betriebsart.

Die Figur 1 zeigt schematisch den Strahlengang und die Anordnung der optischen Komponenten eines erfindungsgemäßen Spektrometers in einer Draufsicht auf die Beugungsebene. Das Spektrometer weist eine Rowland- Anordnung auf, in der ein konkaves, reflektierendes Gitter 1 mit einem gegebenen Krümmungsradius R den Rowlandkreis mit dem Radius Vi R und dem Mittelpunkt M bestimmt. Die Gitternormale N zeichnet die optische Symmetrieachse des Gitters 1 aus. Gegen die Gitternormale N werden die eingangs genannten Winkel a= Einfallswinkel und ß= Beugungswinkel gemessen.

Auf dem Rowlandkreis sind ein Eintrittsspalt 2 sowie mehrere Detektoren 3, 4, 5 und 6 angeordnet. Die Detektoren 3 - 6 sind in diesem Ausführungsbeispiel als CCD-Zeilensensoren in linearer Anordnung ausgeführt.

Das Spektrometer weist weiter einen ersten Spiegel 7 und einen zweiten Spiegel 8 auf. Im Lichtweg zwischen dem ersten Spiegel 7 und dem zweiten Spiegel 8 ist eine schaltbare Blende 9 angeordnet, die den Lichtweg an dieser Stelle je nach Schaltstellung vollständig blockieren (wie in Figur 1 dargestellt ist) oder freigeben kann.

Weiter ist in dem Lichtweg zwischen dem Eintrittsspalt 2 und dem Gitter 1 ein schaltbares Filter 10 vorgesehen, das sich in einer ersten Schaltstellung wie in Figur 1 dargestellt vollständig außerhalb des Lichtwegs befindet und in einer zweiten Schaltstellung innerhalb des Lichtwegs befindet. Das Filter 10 ist ein Langpassfilter, das alle Wellenlängen passieren lässt, die größer als eine bestimmte Wellenlänge sind, und alle Wellenlängen absorbiert, die kleiner als die bestimmte Wellenlänge sind.

Der Lichtweg der zu analysierenden Strahlung einer Quelle 11 von dem

Eintrittsspalt 2 verläuft in Figur 1 also unter dem Winkel a l zur Gitternormalen N bis zu dem Gitter 1. Hier wird ein Teil in nullter Ordnung unter dem Winkel - a l zu dem ersten Spiegel 7 reflektiert, von dort aus in Richtung auf den zweiten Spiegel 8, der Teil nullter Ordnung wird aber an der Blende 9 vollständig absorbiert.

Ein anderer Teil der Strahlung wird an dem Gitter 1 in erster Ordnung gebeugt und unter dem wellenlängenabhängigen Winkel ßl spektral zerlegt und trifft dann auf die Sensoren 3 - 6, die auf dem Rowlandkreis angeordnet sind und auf denen in bekannter Weise Bilder des Eintrittsspaltes in den verschiedenen Wellenlängen entstehen.

Der Wellenlängenbereich, der in der Anordnung aus Figur 1 auf die Detektoren 3 - 6 fällt, ist nicht der gesamte zu analysierende Wellenlängenbereich von UV bis rot, sondern nur der kurzwellige Teil, beispielsweise von 150 nm bis 350 nm.

Die Figur 2 zeigt die Anordnung aus Figur 1 in einer anderen Schaltstellung . Hier ist die schaltbare Blende 9 aus dem Lichtweg heraus gefahren, so dass der Weg zwischen dem ersten Spiegel 7 und dem zweiten Spiegel 8 frei ist. Außerdem ist das Filter 10 in den Lichtweg hinein gefahren, so dass nur der langwellige Teil der von der Quelle 11 ausgehenden Strahlung den Lichtweg von dem Eintrittsspalt 2 zu dem Gitter 1 passieren kann, der kurzwellige Teil des Spektrums wird absorbiert.

Die Strahlung tritt in der Stellung aus Figur 2 also von der Quelle 11 durch den Eintrittsspalt 2 und wird in dem Filter 10 gefiltert. Der langwellige Teil fällt dann unter dem Winkel a l auf das Gitter 1. Da der Beugungswinkel ß wellenlängenabhängig ist, wird der langwellige Teil der Strahlung zwar in erster Ordnung gebeugt, liegt aber außerhalb des Bereichs, den die

Detektoren 3 - 6 erfassen. Der langwellige Teil wird aber auch unter dem Winkel -a l in nullter Ordnung ohne Dispersion an dem Gitter 1 reflektiert und auf den ersten Spiegel 7 gelenkt. Von dort aus wird der langwellige Teil dann zu dem zweiten Spiegel 8 reflektiert , der die Strahlung wieder auf das Gitter 1 zurück wirft, jedoch nun unter einem anderen Einfallswinkel a2, der in diesem Ausführungsbeispiel größer ist als a l .

Die unter dem Winkel a2 auf das Gitter 1 fallende Strahlung wird in erster Ordnung gebeugt und fällt dann unter dem wellenlängenabhängigen

Beugungswinkel 62 auf die Detektoren 3 - 6. Dort liegt nun der langwellige Teil der Strahlung an, die von der Quelle 11 ausgeht. Das Spektrum, beispielsweise von 300 nm bis 800 nm kann nun erfasst werden. Das Filter 10 verhindert dabei, dass der kurzwellige Teil des Spektrums auf die Detektoren 3 - 6 fällt und das gewünschte Signal überlagert.

Wenn man bei der Messung einer Probe während einer Emission von Strahlung die Stellungen der Blende 9 und des Filters 10 umschaltet, können so einmal der kurzwellige Teil gemessen werden, wie in Fig . 1, und dann der langwellige Teil, wie in Fig. 2. Die Blende 9 und das Filter 10 werden zweckmäßig mit einem gemeinsamen Stellantrieb 12 simultan umgeschaltet.

Auf diese Weise kann ein ausgedehntes Spektrum mit einem Gitter und einer kompakten Detektoranordnung gemessen werden, und das mit einer spektralen Auflösung die ansonsten einen doppelt so großen Detektorbereich oder eine zweite dispersive Anordnung erfordern würde. Das so geschaffene Spektrometer kann deshalb bei hoher Auflösung leichter, kompakter und preisgünstiger sein.