Optisches System

Spektrometer-Optiken

Licht trägt die Information über die Zusammensetzung der zu untersuchenden Probe vom Funkenstand in das optische System und wird dort analysiert. Früher wurden häufig scannende Monochromatoren mit lediglich einem Detektor gefertigt. Der Strahlengang erfolgte z.B. nach Czerny-Turner, wobei das Gitter zur Erfassung aller Wellenlängenbereiche gedreht wurde.

Heute ist die Paschen-Runge-Aufstellung auf einem Rowlandkreis der übliche Aufbau für Polychromatoren in der Funkenspektrometrie. Es werden weder Gitter noch Detektorpositionen bewegt. Damit garantiert man eine stabile Festlegung der Fokalebene.

In der Funken-Emissionsspektrometrie ist eine spektrale Auflösung im Bereich der Linienbreite erforderlich. Damit können eine Vielzahl an Linienüberlagerungen vermieden und Korrekturfaktoren in Kalibrierfunktionen niedrig gehalten werden. Dies ist vorteilhaft für die sichergestellte Richtigkeit von Analysen. Die spektrale Auflösung lässt sich über die fokale Länge, die Strichzahl des verwendeten Dispersionsgitters, die resultierende Lineardispersion und die fachgerechte Justage aller optischen Komponenten erzielen. Früher waren fokale Längen von über einem Meter keine Seltenheit. Solche Optiken waren sogar begehbar. Je größer die Optik, desto schwieriger ist eine mechanische Stabilität zu gewährleisten. Soll das Vakuum-UV durch eine Evakuierung des optischen Systems zugänglich gemacht werden, sind an die Größen des Optikraumes Grenzen gesetzt. Die Fertigung von Gittern mit hoher Strichzahl und somit großer theoretischer spektraler Auflösung ist heute kein technisches Problem mehr. Je höher die Gitterstrichzahl, desto eingeschränkter ist allerdings der nutzbare Wellenlängenbereich. Für die Überdeckung aller erforderlichen Emissionslinien benötigt man einen Wellenlängenbereich von 120 bis 800 nm. Heute sind bei stationären Systemen fokale Längen von 500 bis 1000 mm und Gitterstrichzahlen von 1200 bis 3600 pro mm üblich. Damit kann eine reziproke Lineardispersion von 0,5 bis 1,0 nm/mm in erster Ordnung erreicht werden. Bei Austrittsspaltbreiten von 15 µm erreicht man damit spektrale Auflösungen von etwa 7 pm.

Das Reflexionsgitter dispergiert das einfallende polychromatische Licht. In Paschen-Runge-Aufstellung handelt es sich um ein konkaves Rowlandgitter. Die Aufspaltung in unterschiedliche Wellenlängern erfolgt durch Beugung und lässt sich anhand der Gittergleichung beschreiben:

Hierbei ist α der Winkel der auf das Gitter treffenden Strahlen, β sind die Ausfallswinkel mit einer bestimmten Wellenlänge λ. Zu berücksichtigen ist weiterhin der Furchenabstand der Gitterstriche d und die Beugungsordnung n. Gitter können geritzt oder fotografisch entwickelt werden (holographische Gitter). Zur Steigerung der Lichtausbeute können Gitter geblazt werden. Durch ein spezielles Furchenprofil erreicht man hiermit eine bevorzugte Beugungsordnung (hier die erste).

Unterhalb von etwa 200 nm absorbieren Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf. Um eine gute Transparenz über den erforderlichen Wellenlängenbereich sicherzustellen, kann der Optikraum evakuiert oder mit einem geeigneten Gas gefüllt werden. Die Evakuierung auf Feinvakuum hat den Vorteil, dass die Wellenlängenpositionen unabhängig von Schwankungen des Luftdrucks der Außenumgebung und der Gaszusammensetzung bleiben. Somit ist eine Langzeitstabilität von Störgrößen garantiert. Weiterhin steigen die Intervalle für eine Profileinstellung des optischen Systems.

Ein optisches System soll langzeitstabile Werte liefern. Dazu ist ein mechanisch optimaler Aufbau erforderlich, der eine Positionierung auf wenige µm garantiert. Die Profilpositionen werden von Zeit zu Zeit mit Hilfe eines Refraktors am Eintrittsspalt oder eines beweglichen Eintrittsspaltes überprüft und ggf. korrigiert. Weiterhin sollte das optische System unabhängig von den äußeren Bedingungen betrieben werden. Dazu zählen Außentemperatur und Luftdruck. Somit werden die optischen Systeme stationärer Funkenspektrometer meist auf einige zehntel Grad thermisch stabilisiert. Durch Regelung auf einen bestimmten Unterdruck ist ein Vakuumspektrometer zudem unabhängig von Schwankungen des äußeren Luftdruckes.

Detektoren

Seit den 60er Jahren haben sich Photomultiplier (PM) als Standarddetektoren in der Funkenspektrometrie etabliert. Zu Beginn wurden Monochromator-Optiken mit nur einem PM häufig in Czerny-Turner-Aufstellung realisiert. Es resultierte ein komplettes Emissionsspektrum ähnlich einer Photoplatte. Nachteil dieses Verfahrens war der hohe Zeitaufwand zur Erfassung des Spektrums. Steht die analytische Aufgabe fest, so ist es sinnvoller, an allen relevanten Wellenlängen-Positionen einen PM zu plazieren. Dieser Polychromator kann simultan alle Messkanäle erfassen. Es gibt unterschiedliche PM-Typen, die eine optimale Empfindlichkeit für bestimmte Wellenlängenbereiche aufweisen. Somit ist eine Polychromatoroptik nicht nur mit einer Sorte Detektoren bestückt. Besitzt das Spektrometer eine umfangreiche Aufgabenstellung, so ist eine hohe Kanalzahl und somit eine große Anzahl an PMs erforderlich. Jeder PM benötigt Platz hinter dem Austrittsspalt. Bei 50-Kanal-Spektrometern ist die Plazierung der PMs nicht trivial und fordert den Optikbauer. Es gibt heute verschiedene PM-Bauformen: Durchmesser von 1 und ½ Zoll sowie Lichteinfall seitlich (side on) oder von vorne (head on). Für Vielkanal-Optiken bietet sich die Verwendung der kleinen Bauform an. Es gibt weiterhin PM-Typen, sie für bestimmte Wellenlängenbereiche „blind“ (solar blind) sind. Solche PMs können zur Detektion von Emissionslinien in der zweiten Ordnung verwendet werden.

Neben Photomultipliern können Halbleiter-Sensorzeilen eingesetzt werden. In mobilen Spektrometern zur Erkennung der Werkstoffqualität wurden vor einigen Jahren CCDs (Charge Coupled Device) eingeführt. Die ersten Systeme arbeiteten mit einem Wellenlängenbereich etwa von 190 bis 600 nm. Die verwendeten Sensoren finden eine verbreitete Anwendung z.B. in Barcode-Lesern oder Scannern. Sie gestatten einen kleinen Optikaufbau, so dass es sogar Optiken als PC-Einsteckkarten gibt. Solche Systeme sind wegen ihrer unzulänglichen spektralen Auflösung für die stationäre Funkenspektrometrie ungeeignet. Daneben zeigen diese Barcode-Zeilensensoren keine Empfindlichkeit im UV-Bereich, was die Verwendung vieler Emissionslinien ausschließt und den Applikationsumfang einschränkt.

Emissionsspektrometer unter Verwendung von Halbleiter-Sensorzeilen haben den Vorteil, dass das komplette Emissionsspektrum bei jeder Messung simultan erfasst werden kann. Somit zeichnen sich solche Systeme durch ihre Vielseitigkeit und Flexibilität aus. Mehrmatrix-Anwendungen und nachträgliche Kanalerweiterungen lassen sich einfach realisieren. Für den Einsatz in Labor-Funkenspektrometern sind Halbleitersensoren erforderlich, die für den spektroskopischen Einsatz optimiert sind. Z.B. sollte die Pixelfläche den Gegebenheiten der Emissionsspektroskopie mit resultierenden Linienspektren angepasst sein. Schmale und hohe photoempfindliche Pixel stellen ein Optimum dar. Pixel mit etwa 10 µm Breite und ca. 1 mm Höhe entsprechen diesen Anforderungen. Weiterhin muss die spektrale Empfindlichkeit über den Wellenlängenbereich von 130 – 800 nm gewährleistet werden. Vor allem bei Wellenlängen unterhalb etwa 250 nm zeigen viele Standard-Sensorzeilen keine Empfindlichkeit mehr. Es gibt drei Möglichkeiten um dies zu ermöglichen: Es können nachträglich aufgebrachte Beschichtungen verwendet werden, die UV-Strahlung in höhere Wellenlängen transformieren. Zweitens können UV-absorbierende Deckschichten bei der Herstellung der Halbleitersensoren vermieden werden. Drittens können sogenannte „Rückseiten-gedünnte“ (Back-thinned) Sensoren verwendet werden, die resultierende Quanteneffizienz übersteigt sogar die von Photomultipliern.

Es können auch Flächensensoren, ähnlich solcher in Digitalkameras, zum Einsatz kommen. Es gibt einige Echelle-Spektrometer auf dem Markt, die CCD bzw. CID Flächensensoren verwenden. In solchen Optiken ist ein zweites dispergierendes Element, meist ein Prisma, erforderlich. Auch bei Flächensensoren ist die Empfindlichkeit im UV (λ<180 nm) ein kritisches Problem.

Die klassische Photoplatte hat heute keine Bedeutung mehr; zum Teil unbegründet, da sie eine sehr hohe Empfindlichkeit über den kompletten Wellenlängenbereich aufweist und immer das komplette Emissionsspektrum liefert. Durch die Einführung von Polychromator-Optiken mit PMTs geht viel Information des Emissionsspektrums verloren. Photoplatten sind aber für eine schnelle, moderne Messwerterfassung ungeeignet.

Spektrometeroptiken bei OBLF

Druckstabilisierung

OBLF Optiken sind Vakuum-Systeme. Gegenüber gasgefüllten Optiken ist die Dispersion vom Außendruck unabhängig. Diese Abhängigkeit einer Gasfüllung kann bei Luftdruckschwankungen zu erhöhtem Reprofilieraufwand und unter Umständen sogar zu fehlerhaften Analysen führen. Dagegen sind die OBLF-Vakuumoptiken von äußeren Bedingungen unabhängig und weisen eine hervorragende Transmission auf; auch bei kritischen kurzen Wellenlängen, welche zur Bestimmung der Elemente wie z.B. Wasserstoff, Sauerstoff Kohlenstoff oder Stickstoff notwendig sind. Die gute Transmission wird bei entsprechendem Vakuum über lange Zeit sichergestellt, so dass Wartungsarbeiten zum Reinigen der Gasatmoshäre entfallen.

Temperaturstabilisierung

Die erforderliche mechanische Stabilität des optischen Systems wird durch thermische und mechanische Isolierung der Optik im Vakuumkessel erreicht. Eine Dreipunktauflage isoliert den optischen Rahmen im Vakuum sowohl thermisch als auch mechanisch vom umgebenden Vakuumkessel. Temperaturänderungen der Umgebung werden somit nur durch homogene Strahlung übertragen und verzerren das System nicht mehr, wie es sonst bei einem direkten Wärmefluss üblich ist. Durch den bei Vakuumkesseln wirkenden atmosphärischen Druck werden mechanische Spannungen erzeugt, die aber wegen der mechanischen Isolierung den optischen Rahmen nicht beeinflussen können.

Das Langzeitverhalten eines Spektrometers wird nicht nur ausschließlich von dem optischen System, sondern auch von den Temperaturbeiwerten der Messwerterfassung vorgegeben. Dabei verbietet der wellenlängenabhängige Charakter der Temperaturbeiwerte eine elektronische Kompensation. Nur eine konstante Temperatur kann diesen Effekt eliminieren. Deshalb regelt der im Vakuumkessel befindliche Prozessor die Temperatur des optischen Systems inklusive der Messwerterfassung auf 0,03 ºC genau.

Hochwertige Optik in Theorie und Praxis

Durch die besondere Gitterausleuchtung und die Form der Lichtspalte sind Abbildungsfehler praktisch ausgeschlossen. Aber nicht nur in der Theorie! Durch Verwendung hochwertiger optischer Komponenten, kombiniert mit einer extremen Qualitätskontrolle, werden diese hervorragenden optischen Eigenschaften auch in die Praxis umgesetzt. Ein exzellentes Signal-Rausch-Verhältnis ist das Ergebnis.

Intelligente Zusatzfunktionen

Die Erfüllung heutiger Anforderungen an ein High-End-Spektrometer, wie zum Beispiel die zusätzliche Analyse extrem kurzwelliger Spektrallinien sowie die Wartungsfreiheit aller Baugruppen während der Lebenserwartung des Gerätes, setzt intelligente Überwachungs- und Korrekturmechanismen voraus. Alle OBLF-Vakuumoptiken sind daher mit einer rechnergesteuerten und motorisch angetriebenen Profiliereinrichtung ausgestattet, welche sicherstellt, dass der Zustand des optischen Systems zum Zeitpunkt der Kalibrierung über die Lebensdauer des Spektrometers fortgeschrieben wird.

Vakuum wird salonfähig

Da die hohen, oben aufgeführten Ansprüche an optische Systeme aus klar ersichtlichen physikalischen Gründen mit Hilfe von luft- oder gasgefüllten Systemen nicht erreichbar sind, hat sich OBLF darauf konzentriert, die Nachteile einer Vakuumoptik, nämlich den hohen Wartungsaufwand und die evtl. auftretende Verschmutzung der Optik durch Ölrückdiffusion, zu eliminieren. Diese Nachteile entstehen ausschließlich auf Grund der in klassischen Spektrometern kontinuierlich laufenden Vakuumpumpe. Wird sie ausgeschaltet und vom System getrennt, verschwinden auch diese Probleme. Um dies zu ermöglichen, muss die Leckrate verringert werden!

Bei allen heutigen OBLF-Spektrometern ist die gesamte Messwerterfassung in den Vakuumkessel integriert worden und reduziert damit die Anzahl der notwendigen Vakuumdurchführungen auf ein Minimum und garantiert somit geringste Leckraten.

Mit Hilfe der rechnergestützten Leckratenerfassung und gekoppelter Pumpensteuerung werden Einschaltzeiten der Pumpe von kleiner 5 % erreicht. Bei einer Betriebszeit des Spektrometers von 15 Jahren ergibt sich damit eine gesamte Laufzeit der Pumpe von nur 9 Monaten. Schlagworte wie Pumpenwartung und Ölrückdiffusion gehören damit der Vergangenheit an.

Die technischen Daten der OBLF-PMT-Vakuumoptik: