Benutzer:Paul Pot/Monochromator

Monochromator http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Monochromator&oldid=100579402

Ein Monochromator (griech.: mono = ein + chroma = Farbe) ist ein optisches Gerät zur spektralen Isolierung einer bestimmten Wellenlänge aus einer einfallenden Menge elektromagnetischer Strahlung (z. B. Licht, Röntgenstrahlung, Synchrotronstrahlung).

Elektromagnetische Strahlung ist ohne Behandlung – bedingt durch ihre Herkunft – polychromatisch, also aus verschiedenen Wellenlängen zusammengesetzt (poly = viel). Bei der Verwendung eines Monochromators wird der unerwünschte Anteil der Strahlung absorbiert oder abgelenkt. Für verschiedene Wellenlängenbereiche elektromagnetischer Strahlung differiert die Funktionsweise von Monochromatoren.

Anwendungsbereiche

Sichtbares Licht

Aufbau und Funktionsweise eines Czerny-Turner-Monochromators

Für sichtbares Licht, also elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich von ca. 400 nm bis ca. 800 nm Wellenlänge, sowie angrenzendes UV wie auch Infrarot, werden folgende Prinzipien ausgenutzt werden.

Röntgenstrahlen

schematische Darstellung der Wirkungsweise eines fokussierenden Kristallmonochromators

schematische Darstellung der Wirkungsweise eines Kristallmonochromators für die Präkollimation

Ein Monochromator für Röntgenstrahlung, also elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von 10–0,002 nm, erfüllt prinzipiell die gleiche Funktion, nur auf eine andere Weise: An einem geeigneten Kristall in einem geeigneten Winkel wird die Strahlung nach der Bragg-Bedingung reflektiert. Da die Röntgenstrahlen in den Kristall eindringen, wird die Strahlung nicht nur an der Kristalloberfläche reflektiert werden, sondern an sehr vielen Gitterebenen des Kristallgitters. Ein Strahl, der an der äußersten Gitterebene reflektiert wird, legt eine kürzere Strecke zurück als ein Strahl, der von einer Ebene innerhalb des Kristalls reflektiert wird. Diese Streckendifferenz wird Gangunterschied genannt. Durch diesen Gangunterschied kommt es zu einer Interferenz der Strahlen. Durch die hohe Anzahl an verschiedenen Gangunterschieden sowie durch die hohe Anzahl an reflektierenden Gitterebenen erfahren beinahe alle Wellenlängen eine destruktive Interferenz! Nur diejenige Wellenlänge, die in dem gegebenen Winkel die Bragg-Bedingung erfüllt, interferiert konstruktiv. Für röntgenographische Messungen werden meist gebogene Kristallmonochromatoren verwendet, aus der eine Rundung heraus gefräst wurde. Ein solcher Monochromator kann der Fokussierung oder der Präkollimation eines divergenten Röntgenstrahls dienen.

Anwendung finden Kristallmonochromatoren für röntgenographische Messungen. z. B. für:

• Röntgenpulverdiffraktometer
• Röntgenfluoreszenzanalyse
• Photoelektronenspektroskopie
• Absorptionsverfahren wie EXAFS, XANES, AAS.

Technik

Sichtbares Licht

Dispersion und Beugung

Beugung (Physik) Dispersion (Physik)

Dispergierendes Element

Das einfallende Licht wird durch das dispergierendes Element abhängig von seiner Wellenlänge stufenlos aufgefächert.

Dispergierendes Element Das geschieht durch ein (z. B. ein Prisma) oder ein optisches Gitter (an dem das Licht nicht dispergiert, sondern gebeugt wird).

(siehe auch: Elektromagnetische Welle)

Ein Prisma setzt man dann ein, wenn ein großer Wellenlängenbereich abgedeckt werden soll. Je nach Wellenlängenbereich setzt man Prismen aus Glas (sichtbar VIS, nahes IR, nahes UV) oder aus Steinsalz (NaCl, für fernes IR) ein. Letztere bedürfen wegen ihrer Hygroskopie einer intensiven Pflege.

Beim Gitter hängt der Ablenkwinkel im Gegensatz zum Prisma linear von der Wellenlänge ab, das spektrale Auflösungsvermögen ist hierbei konstant: Es hängt neben dem wellenlängenabhängigen Ablenkwinkel auch von der Spaltbreite ab. (Es entsteht zusätzlich Licht höherer Ordnung.) Durch so genannte holografische Gitter werden die zuletzt genannten Nachteile immer mehr vermieden. Von den holografischen Gittern gibt es mittlerweile auch Ausführungen, die selbst zusätzlich wie ein Hohlspiegel geformt sind (engl. concave blazed holographic gratings); damit werden sämtliche weitere abbildenden Elemente (Spiegel) zwischen Eintritts- und Austrittsspalt überflüssig, wodurch Verluste und Abbildungsfehler weiter vermindert werden.

Spaltblenden

Am Eingang sowie am Ausgang des Monochromators befindet sich jeweils eine Spaltblende. Durch die Abbildung des Eintrittsspalt auf den Austrittsspalt über das dispergierende Element erfolgt die Selektion der gewünschten Wellenlängen. Der Spalt am Eingang dient dabei als sekundäre Lichtquelle, das dispergierende Element fächert das Spektrum auf, der Spalt am Ausgang läßt nur den gewünschten Wellenlängenanteil durch.

Die Breite von Eintritts- und Austrittsspalt wird meist gleich gewählt, typischerweise im Bereich zwischen 0,5 bis 2 mm. Die optimale Breite ergibt sich als Kompromiss aus benötigter Intensität des Lichts (also nicht zu schmal) und benötigter spektraler Auflösung (also nicht zu breit). Je nach Anwendung und Kostenrahmen sind fest verbaute, austauschbare oder manuell einstellbaren Spaltblenden anzutreffen.

Neben der Spaltbreite sind manchmal auch die Spalthöhen durch ein weiteres Blendenpaar einstellbar (typisch 10 bis 20 mm).

Bei Einsatzbereichen mit hoher Intensität des einfallenden Lichtes ist es notwendig die Blende zu kühlen, da die Absorption des Lichtes eine Erwärmung des Absorbers hervorruft.

Als spektrale Spaltbreite bezeichnet man im Zusammen mit den Spaltblenden welcher Wellenlängenbereich vom linken bis zum rechten Rand des Austrittsspalts überstrichen wird, also die Wellenlängenauflösung.

Einstellung der Wellenlänge

Zur Einstellung der gewünschten Wellenlänge ist das dispergierende Element (manchmal auch eins der anderen Abbildungselemente wie ein Spiegel) meist auf einem Drehteller montiert, der über eine Welle mechanisch angesteuert wird. Die Welle wird je nach Ausführung entweder per Hand oder per Motor verstellt. Zur Erfassung der eingestellten Wellenlänge wird häufig durch die Welle auch ein mechanisches Zählwerk oder ein Drehwinkelgeber angesteuert.

Weitere Bauelemente

Je nach Aufbau befinden sich weitere Bauelemente im optischen Pfad. So sind beim Czerny-Turner-Monochromator zwei Fokus-Spiegel vorhanden. Desweiteren können Umlenkspiegel verbaut sein um eine günstigere Anordnung von Eingangs- zu Ausgangs-Blende zu erreichen (z. B. 180° Anordnung).

Doppelmonochromator

Zur Reduktion des Streulichts werden auch Doppelmonochromatoren gebaut, die praktisch aus zwei direkt hintereinander montierten Einzelmonochromatoren in einem gemeinsamen Gehäuse bestehen. Die beiden Drehantriebe zur Wellenlängeneinstellung spielfrei gekoppelt und die Ausgangs-Spaltblende des ersten dient gleichzeitig als Eingangs-Spaltblende des zweiten Monochromators. Durch die Hintereinanderschaltung von identischen Mononchromatoren erhöht sich das spektrale Auflösungsvermögen nicht, jedoch wird der Anteil an Streulicht verringert.

Streulicht ist dabei Licht außerhalb des gewünschten Wellenlängen-Bereiches. Durch ein nicht ideales dispersives Element (z. B. Optisches Gitter) wird unbeabsichtigt dieses Streulicht auf den Ausgangsspalt abgebildet. Durch zweimaliges Anwenden der Frequenzselektion mit dem Doppelmonochromator wird das störende Streulicht verringert. Anwendung findet der Doppelmonochromator beispielsweise in der Spektroskopie der Ramanstreuung.

Interferenz

Interferometer

Interferometer dienen als durchstimmbare, extrem schmalbandige Interferenzfilter. Insbesondere das Fabry-Pérot-Interferometer wird in manchen Bereichen als Monochromator für die Spektroskopie verwendet.

Interferenzfilter

Für Mikroskopie finden schmalbandige Interferenzfilter Verwendung die entweder manuell oder per Filterrad gewechselt werden können. Die auswählbaren Spektralbereiche sind dabei auf die vorhanden Filter beschränkt.

Kalibrierung

Spektrum einer Quecksilberdampflampe

Vor einer Messung muss die Zuordnung zwischen der mechanischen Stellung des dispergierenden Elements und der dabei selektierten Wellenlänge ermittelt werden, also die Kalibrierung. Zu diesem Zweck verwendet man meistens eine Lichtquelle mit bekannten, schmalbandigen Spektrallinien und misst den Intensitätsverlauf hinter dem Monochromator in Abhängigkeit von der Monochromatorposition. Als Lichtquelle bietet sich hier die Quecksilberdampflampe an, da sie wohlbekannte Linien im gesamten sichtbaren und im UV-Bereich aufweist.

Zwischen den durch diese Linien gefundenen Stützpunkten interpoliert man später die Eichkurve in Form einer möglichst glatten Kurve, um die Zuordnung auch an beliebigen Zwischenpunkten zu erhalten. Man kann sogar vorsichtig etwas über den Bereich der beobachteten Spektrallinien hinaus extrapolieren.

Röntgenstrahlen

Kristallmonochromator

schematische Darstellung der Wirkungsweise eines fokussierenden Kristallmonochromators

schematische Darstellung der Wirkungsweise eines Kristallmonochromators für die Präkollimation

Ein Monochromator für Röntgenstrahlung, also elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von 10–0,002 nm, erfüllt prinzipiell die gleiche Funktion, nur auf eine andere Weise: An einem geeigneten Kristall in einem geeigneten Winkel wird die Strahlung nach der Bragg-Bedingung reflektiert. Da die Röntgenstrahlen in den Kristall eindringen, wird die Strahlung nicht nur an der Kristalloberfläche reflektiert werden, sondern an sehr vielen Gitterebenen des Kristallgitters. Ein Strahl, der an der äußersten Gitterebene reflektiert wird, legt eine kürzere Strecke zurück als ein Strahl, der von einer Ebene innerhalb des Kristalls reflektiert wird. Diese Streckendifferenz wird Gangunterschied genannt. Durch diesen Gangunterschied kommt es zu einer Interferenz der Strahlen. Durch die hohe Anzahl an verschiedenen Gangunterschieden sowie durch die hohe Anzahl an reflektierenden Gitterebenen erfahren beinahe alle Wellenlängen eine destruktive Interferenz! Nur diejenige Wellenlänge, die in dem gegebenen Winkel die Bragg-Bedingung erfüllt, interferiert konstruktiv. Für röntgenographische Messungen werden meist gebogene Kristallmonochromatoren verwendet, aus der eine Rundung heraus gefräst wurde. Ein solcher Monochromator kann der Fokussierung oder der Präkollimation eines divergenten Röntgenstrahls dienen.

Siehe auch

• Polychromator
• optische Spektrometer