DE19523140A1 - Multi-channel spectrometer with line sensor - Google Patents

Multi-channel spectrometer with line sensor

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Abstract

The optical multi-channel spectrometer (10) (preferably a concave grating spectrometer with a Rowland mounting (2)) has a linear receiver array (8) consisting of a number of quadratic photo-receivers arranged next to one another. The linear extension of the spectral distribution vertical to the dispersion direction of the spectrometer is substantially greater than the width of an individual photo-receiver. The receiver array is located on or close to the focal surface of the spectrometer and the angle fo the longitudinal axis of the array to the dispersion direction is greater than 45 deg. A means of adjusting this angle can be provided.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Spektrometer mit einem linearen Empfänger-Array vorzugsweise zur Anwendung in der analytischen Spektrometrie.The invention relates to an optical spectrometer with a linear receiver array preferably for use in the analytical spectrometry.

Das optische Mehrkanal-Spektrometer soll einerseits die simultane Messung von einer oder mehreren Spektrallinien nebst deren spektraler Nachbarschaft zu messen gestatten, andererseits auch eine genügende Meßempfindlichkeit besitzen um auch noch kleine Strahlungsintensitäten erfassen zu können.The optical multi-channel spectrometer is said to be the one simultaneous measurement of one or more spectral lines together with allow to measure their spectral neighborhood, on the other hand also have sufficient measurement sensitivity to be able to detect small radiation intensities.

Es ist bekannt, daß neben den bereits seit längerer Zeit zum Strahlungsnachweis verwendeten Fotovervielfachern auch lineare Empfänger-Arrays verwendet werden. Letztere bestehen aus einer Vielzahl einzelner nebeneinander angeordneter Halbleiter-Foto­ empfänger. In den üblichen Anordnungen fällt die vom Array ge­ bildete Achse mit der Dispersionsrichtung des Spektrometers zusammen. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß nur wenige Fotoempfänger eine gegebene Spektrallinie und deren Nachbargebiete überdecken, wodurch die Entfaltung des Linienprofils systematische Fehler aufweist. Darüberhinaus treten zusätzliche Linienverbreiterungen auf, da die Fokal­ kurven der Spektrometer über die Länge des Arrays erhebliche Krümmungen besitzen.It is known that in addition to the for a long time Radiation detection also used linear photomultipliers Receiver arrays are used. The latter consist of one Large number of individual semiconductor photos arranged side by side receiver. In the usual arrangements, that of the array falls formed axis with the direction of dispersion of the spectrometer together. However, this arrangement has the disadvantage that only few photo receivers a given spectral line and their Cover neighboring areas, whereby the development of the Line profile has systematic errors. Furthermore additional line broadening occurs because the focal the spectrometer curves considerably over the length of the array Have curvatures.

Ein zusätzlicher Nachteil ist eine zum Nachweis sehr kleiner Strahlungsintensitäten nicht ausreichende Empfindlichkeit. Um diesen Nachteil auszugleichen, werden sehr lichtstarke Spektro­ meter verwendet, deren lineare Dispersion für zahlreiche ana­ lytische Anwendungen nicht ausreicht oder die Empfänger-Arrays müssen auf tiefe Temperaturen abgekühlt werden. An additional disadvantage is one for the detection very small Radiation intensities insufficient sensitivity. Around To compensate for this disadvantage are very bright Spectro meters, whose linear dispersion for numerous ana lytic applications are insufficient or the receiver arrays must be cooled to low temperatures.  

Weiterhin werden Empfänger-Arrays mit rechteckigen Foto­ empfängern verwendet (P.S.C Van der Plas, E. Uitbeÿerse, N.T.C. De Loos-Vollebregt und L. De Galan, Spectrochimica Acta 42 B, 1027 (1987)). Die lichtempfindliche Fläche derartiger Arrays beträgt senkrecht zu deren Längenausdehnung einige mm bei einer Breite von ca. 10 µm.Furthermore, receiver arrays with rectangular photo receivers (P.S.C Van der Plas, E. Uitbeÿerse, N.T.C. De Loos-Vollebregt and L. De Galan, Spectrochimica Acta 42 B, 1027 (1987)). The photosensitive surface of such arrays perpendicular to their length extension is a few mm for a Width of approx. 10 µm.

Als spezielle Bauelemente mit relativ geringen hergestellten Stückzahlen sind Arrays mit rechteckigen Fotoempfängern erheb­ lich teuerer als solche mit quadratischen.Manufactured as special components with relatively low Numbers are arrays with rectangular photo receivers Lich more expensive than those with square.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde in einem optischen Spektrometer mit hoher spektraler Auflösung im Bereich von 10⁴ bis 10⁵ ungekühlte Array-Empfänger zum Nachweis kleiner Strahlungsintensitäten einsetzen.The invention has for its object in an optical Spectrometer with high spectral resolution in the range of 10⁴ up to 10⁵ uncooled array receivers to detect smaller ones Use radiation intensities.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein optisches Spektrometer, z. B. in Paschen-Runge-Aufstellung eines Konkavgitters, mit einer Längsausdehnung des Eintrittsspaltes und damit der Ausdehnung seiner spektralen Bilder in der Fokalfläche von typisch größer 5 mm verwendet wird, und ein Empfänger-Array in der Fokalfläche angeordnet ist, dessen Längsachse mit der Dispersionsrichtung einen Winkel größer als 45° bildet.This object is achieved in that a optical spectrometer, e.g. B. Paschen-Runge lineup Concave grating, with a longitudinal extension of the entry gap and thus the expansion of his spectral images in the focal area of typically larger than 5 mm is used, and a receiver array is arranged in the focal surface, the longitudinal axis of which with the Dispersion direction forms an angle greater than 45 °.

Zur Erweiterung des erfaßbaren Spektralbereiches können auch mehrere gegeneinander versetzte Empfänger-Arrays und/oder mehrere alternativ von der zu untersuchenden Strahlungsquelle beaufschlagte Eintrittsspalte verwendet werden. To expand the detectable spectral range can also several mutually offset receiver arrays and / or several alternatively of the radiation source to be examined acted upon entry column are used.  

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß mit zunehmendem Winkel (α) zwischen der Array-Achse und der Dispersionsvorrichtung die Zahl der einzelnen Fotoempfänger zunimmt, welche von einer gegebenen Spektrallinie beaufschlagt werden. Die zugehörigen Meßsignale dieser Fotoempfänger werden rechentechnisch zusammengefaßt, wodurch sich eine etwa mit der Quadratwurzel aus der jeweiligen Anzahl der zusammengefaßten Meßsignale zunehmende Verbesserung des Nachweisvermögens ergibt. Die Wahl des Winkels a gestattet eine Anpassung des von einem Empfänger-Array erfaßten Spektralbereiches an die jeweils vorhandene kleinste Strahlungsintensität.The device according to the invention has the advantage that with increasing angle (α) between the array axis and the Dispersion device the number of individual photo receivers increases, which is acted upon by a given spectral line will. The associated measurement signals of these photo receivers computationally summarized, which is approximately with the Square root of the respective number of the combined Measurement signals increasing improvement in the detection ability results. The choice of the angle a allows an adjustment of the one Receiver array captured spectral range to each existing smallest radiation intensity.

Die Erfindung ermöglicht nicht nur den Ersatz der gegenwärtig häufig angewandten Kombination von Austrittsspalt und Fotover­ vielfacher durch ein Element, sondern zugleich die simultane Messung des Linienprofils und seiner spektralen Umgebung mit ausreichend kleiner Schrittweite. Aufgrund der geringen in Dispersionsrichtung vom Array genutzten Länge-der Fokalkurve wirkt sich deren Krümmung nicht verbreiternd auf das Linien­ profil aus.The invention not only enables the replacement of the present frequently used combination of exit slit and photo over more often through one element, but at the same time the simultaneous Measurement of the line profile and its spectral environment with sufficiently small increment. Because of the low in Dispersion direction from the length of the focal curve used by the array their curvature does not widen the line profile.

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel er­ läutert werden. Fig. 1 zeigt ein Mehrkanal-Spektrometer mit Ein­ trittsspalt (1), durch den die zu analysierende Strahlung (3) auf das Konkav-Ausgangsgitter (4) fällt. Letzteres befindet sich gemeinsam mit dem Eintrittsspalt (1) und Empfänger-Array (6) auf dem Rowland-Kreis (2). Die Fokalfläche des Spektrometers, welche den Rowland-Kreis enthält, ist aus einer Richtung radial zum Rowland-Kreis gesehen, im unteren Teil (10) der Fig. 1 darge­ stellt. The invention will be explained in an exemplary embodiment, he. Fig. 1 shows a multi-channel spectrometer with an entrance slit ( 1 ) through which the radiation to be analyzed ( 3 ) falls on the concave output grating ( 4 ). The latter is located on the Rowland circle ( 2 ) together with the entry slit ( 1 ) and receiver array ( 6 ). The focal surface of the spectrometer, which contains the Rowland circle, is seen from a direction radial to the Rowland circle, in the lower part ( 10 ) of FIG. 1 represents Darge.

Die vom Gitter (4) gebeugten Strahlen (5) erzeugen die zu messenden Spektrallinien (9). Letztere beaufschlagen die drei Empfänger-Arrays (6, 7, 8), welche typischerweise einige Tausend Fotoempfänger enthalten.The rays ( 5 ) diffracted by the grating ( 4 ) generate the spectral lines ( 9 ) to be measured. The latter act on the three receiver arrays ( 6 , 7 , 8 ), which typically contain a few thousand photo receivers.

Je nach Wahl des Winkels α und der Breite der Spektrallinie (9) werden ca. 20 bis einige Hundert Fotoempfänger durch eine Spektrallinie bestrahlt. Die Signale dieser Fotoempfänger werden dann elektronisch zusammengefaßt, was jedoch in Fig. 1 zur Vereinfachung nicht dargestellt ist.Depending on the choice of the angle α and the width of the spectral line ( 9 ), approximately 20 to a few hundred photo receivers are irradiated by a spectral line. The signals from these photo receivers are then summarized electronically, but this is not shown in FIG. 1 for simplicity.

Claims (6)

1. Optisches Mehrkanal-Spektrometer vorzugsweise ein Konkav­ gitterspektrometer in Rowland-Aufstellung mit einem linearen Empfänger-Array (8), letzteres bestehend aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten im wesentlichen quadratischen Fotoempfängern, wobei die lineare Ausdehnung der Spektral- Verteilung senkrecht zur Dispersionsrichtung des Mehrkanal- Spektrometers wesentlich größer als die Breite eines einzelnen Fotoempfängers ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfänger-Array auf oder nahe der Fokalfläche des Spektrometers (10) angeordnet ist, und die Längsachse des Arrays einen Winkel von mehr als 45° gegenüber der Dispersionsrichtung des Spektrometers bildet.1. Optical multichannel spectrometer, preferably a concave grating spectrometer in a Rowland configuration with a linear receiver array ( 8 ), the latter consisting of a multiplicity of essentially square photo receivers arranged next to one another, the linear extent of the spectral distribution perpendicular to the direction of dispersion of the multichannel - Spectrometer is substantially larger than the width of a single photo receiver, characterized in that the receiver array is arranged on or near the focal surface of the spectrometer ( 10 ), and the longitudinal axis of the array is at an angle of more than 45 ° with respect to the direction of dispersion of the spectrometer forms. 2. Optisches Mehrkanal-Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfänger-Array (8) an einer Justiervorrichtung befestigt ist, mit welcher der Winkel zwischen der Längsachse des Empfänger-Arrays und der Dispersionsrichtung des Spektrometers variert werden kann.2. Optical multi-channel spectrometer according to claim 1, characterized in that the receiver array ( 8 ) is attached to an adjusting device with which the angle between the longitudinal axis of the receiver array and the direction of dispersion of the spectrometer can be varied. 3. Optisches Mehrkanal-Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiteres Empfänger-Array (8) vorhanden ist, welches auf oder nahe der Fokalfläche (10) des Mehrkanal-Spektrometers im wesentlichen parallel zum ersten Empfänger-Array angeordnet, insbesondere derart senkrecht zur Dispersionsrichtung dagegen versetzt ist, daß jeweils mindestens ein einzelner Fotoempfänger des ersten und des benachbarten Empfänger-Arrays von Strahlung der gleichen Wellenlänge des Mehrkanal-Spektrometers beauf­ schlagt werden.3. Optical multi-channel spectrometer according to claim 1 or 2, characterized in that at least one further receiver array ( 8 ) is present, which is arranged on or near the focal surface ( 10 ) of the multi-channel spectrometer substantially parallel to the first receiver array , in particular, is offset perpendicularly to the direction of dispersion, however, in such a way that at least one individual photo receiver of the first and the adjacent receiver array is subjected to radiation of the same wavelength of the multi-channel spectrometer. 4. Optisches Mehrkanal-Spektrometer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Meßsignale der ein interessierendes Wellenlängenintervall überdeckenden Foto­ empfänger in geeigneter Weise rechentechnisch zusammengefaßt und das Signal-zu-Rauschverhältnis der zusammengefaßten Meß­ signale gegenüber dem der einzelnen Meßsignale erhöht wird.4. Optical multi-channel spectrometer according to claim 1 to 3, characterized in that the individual measurement signals of a interesting photo covering the wavelength interval computationally summarized receiver in a suitable manner and the signal-to-noise ratio of the combined measurement signals compared to that of the individual measurement signals is increased. 5. Optisches Mehrkanal-Spektrometer nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem ersten Ein­ trittsspalt (1) mindestens ein zweiter Eintrittsspalt im Spektrometer vorhanden ist, dessen Winkelposition gegen die Gitternormale von der des ersten Eintrittsspaltes ver­ schieden ist und der alternativ von der zu messenden Strahlungsquelle beaufschlagt wird, wodurch sich die von den Empfänger-Arrays erfaßten Spektralbereiche unterscheiden wenn der erste oder ein anderer Eintrittsspalt benutzt wird.5. Optical multichannel spectrometer according to claim 1 to 4, characterized in that in addition to the first entry slit ( 1 ) there is at least a second entry slit in the spectrometer, the angular position of which is different from that of the first entry slit ver and alternatively is acted upon by the radiation source to be measured, whereby the spectral ranges detected by the receiver arrays differ when the first or another entrance slit is used. 6. Optisches Mehrkanal-Spektrometer nach Anspruch 1 bis 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch mathematische Aus­ gleichsrechnungen aus den Meßsignalen der eine Spektrallinie und deren spektrale Umgebung überdeckenden Fotoempfängern, die die Spektrallinie charakterisierenden Größen, wie die Lage des Maximums relativ zu den Fotoempfängern, die maxi­ male Intensität und die Halbwertbreite sowie die Intensität des der Spektrallinie benachbarten kontinuierlichen oder linienhaften Spektrums, ermittelt werden.6. Optical multi-channel spectrometer according to claim 1 to 3 or 5, characterized in that by mathematical Aus equal calculations from the measurement signals of a spectral line and their spectral environment covering photo receivers, the quantities characterizing the spectral line, such as the Location of the maximum relative to the photo receivers, the maxi male intensity and the full width at half maximum as well as the intensity of the continuous or adjacent to the spectral line linear spectrum can be determined.
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