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Research Collection Doctoral Thesis Automatischer, vollelektronischer Spektrograph Author(s): Vögele, Edwin Anton Publication Date: 1963 Permanent Link: https://doi.org/10.3929/ethz-a-000087748 Rights / License: In Copyright - Non-Commercial Use Permitted This page was generated automatically upon download from the ETH Zurich Research Collection. For more information please consult the Terms of use. ETH Library Prom. Nr. 3444 Automatischer, vollelektronischer Spektrograph Von der EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE IN ZÜRICH zur Erlangung der Würde eines Doktors der technischen Wissenschaften genehmigte PRO MOTIONSARBEIT vorgelegt von EDWIN ANTON dipl. El.-Ing. von VOEGELE ETH Untereggen (Kt. St. Gallen) Referent: Herr Prof. Dr. M. J. O. Strutt Korreferent: Herr Prof. Dr. F. W. Berg Juris-Verlag 1963 Zürich Leer - Vide - Empty Meinen Eltern und meiner Frau gewidmet Leer - Vide - Empty VORWORT vorliegende Die Dissertation wurde in den Jahren 1960 in höhere Elektrotechnik der E.T.H. M.J.O.Strutt Zürich, regung dieser kussionen und Arbeit, E.T.H., für sein F.W.Berg, möchte ich herzlich danken für die An¬ Dis¬ Diskussionen, die besonders danken habe ich auch übernahm, Institutes der möchte ich ebenfalls im Institut danke ich für verschiedene Mitarbeitern in der dessen Hilfe beim Aufbau der dem Herrn cand. im Juni 1963 Anregungen schaltungstechnische Probleme betrafen. Nicht unseren A.Thüring, Zeichner, Photographischen Vorstand des das Korreferat aussprechen. Auch den Mitarbeitern Zürich, Institut für Prof. Dr. ständiges Interesse und für viele wertvolle liebenswürdigerweise dafür meinen Dank zu • Ratschläge. Herrn Prof. Dr. der am von • steht, ausgeführt. Herrn Prof. Dr. M. J. O. Strutt zu 1963 das unter der Leitung • Ing. Werkstatt, Apparatur insbesondere und zuletzt Herrn unentbehrlich war, sowie H. Matter. E.A. Vögele Leer - Vide - Empty - 7 - INHALTSVERZEICHNIS 9 1. Einleitung 2. Problemstellung 3. Prinzip der Ausführung 4. Photoelektrische Wandler Uebersicht 4.2. Praktisch verwendbare Wandler 13 Vakuumphotozelle 17 19 4.2.2. Photo-Multiplier 19 4.2.3. Image-Orthikon 19 4.2.4. Der 11 13 4.1. 4.2.1. 5. 10 24 Photodiode elektronische Teil 27 5.1. Das Blockschema 27 5.2. Die Photodiode 31 5.3. Die Kompensation 5.4. Die Multivibratoren 5.5. Die Schmitt-Trigger 38 39 43 5.6. Der Verstärker 43 5.7. Der Demodulator 48 5.8. Der Integrator 51 5.9. Die Abfrage 55 5.10. Die Signalmischung 56 5.11. Das Schieberegister 56 5.12. Die Speisung 59 5.13. Der Aufbau des elektronischen Teils 59 - 6. Der optische 6.1. Grundlagen 7. 8 - Aufbau 62 62 6.2. Strahlengang 64 6.3. Dispersion des Prismas 66 6.4. Anordnung 70 6.5. Der Aufbau 73 6.6. Lichtquelle 74 Messungen, 7.1. der Photodioden Vergleich Messmethoden der mit anderen Spektrophotometern Spektrophotometer 78 7.2. Fehlerquellen bei Spektrophotometern 79 7.3. Fehlerquellen des 80 7.4. Messungen neu entwickelten Spektrographen 82 7.5. Vergleich mit anderen Spektrophotometern 8. 9. 78 90 7.5.1. Auflösungsvermögen 90 7.5.2. Geschwindigkeit 90 7.5.3. Genauigkeit 91 7.5.4. Aufwand und Lebenserwartung 92 7.5.5. Ausbaufähigkeit 92 Anwendungen, Verbesserungsmöglichkeiten 93 8.1. Anwendungen 93 8.2. Verbesserungsmöglichkeiten 94 Zusammenfassung 98 Literaturverzeichnis 99 Symbolliste 106 - 1. Spektroskopie, der Intensität sichtbarer Zusammensetzung immer genauer und immer schneller und ten für das Genauigkeit (z. einer Minuten bis graphen (KO) [7" »15]). B. zur Darstellung kürzere Messzeiten zu Strahlung, gibt zu messen. zwei Grundtendenzen: [1,2,3,] und lange Spektren Messzei¬ Normaler¬ gerechnet selten mit einigen Sekunden schneller, Erst mit der der es spektralen Präzisionsmessungen mit hoher spektralen Verteilungskurve. Stunden, Einfachere Geräte arbeiten nicht aufzeichnen gen von der Untersuchung der erfordern grossen Aufwand vollständige Ausmessen weise wird mit Zeiten [4,5,6]. - EINLEITUNG Auf dem Gebiet der optischen Auflösung 9 auch wenn Verwendung von [16,17,18] ist sie automatisch Kathodenstrahl-Oszillo¬ es möglich geworden, erreichen und auch zeitlich sich ändernde spektrale Verteilun¬ wiederzugeben. Der bisher universellste mir bekannte Spektrum in wickelte Spektromat Das Anliegen mechanisch Apparat, weniger als einer Sekunde aufzuzeichnen, einfachem Aufbau. es ermöglicht, das ganze ist der in diesem Institut ent¬ [19,20]. dieser Arbeit hier ist die bewegte der Entwicklung Teile und kontinuierlich arbeitenden eines sehr schnellen, Spektrographen mit ohne möglichst - 2. Die relative von länge Strahlung. Wiederholfrequenz und alle auf gute Gerätes. Die von der Emission der Transmission matisch und kontinuierlich - PROBLEMSTELLUNG spektrale Verteilung farbigen Flächen und der 10 aufgezeichnet von von Lichtquellen, Filtern und Flüssigkeiten sollen auto¬ werden als Intensität in Funktion der Wellen¬ Anzeige soll auf einem Oszillographenschirm mit einer 100 Hz erfolgen. Es sollen keine bewegten nötigen Operationen elektronisch ausgeführt werden. Empfindlichkeit der Remission und Genauigkeit der Anzeige Teile verwendet Es wird Wert gelegt und auf Wirtschaftlichkeit des 11 - 3. gestellte Das sollen ten ser DAS Signale aufgezeichnet werden, des AUSFUEHRUNG DER PRINZIP folgendermassen Problem lässt sich Wellenlängenabstand - Auf einem KO formulieren: gegenseitige Lage je deren einem genau bekann¬ und deren Höhe den relativen Intensitäten Lichtes, Wellenlängenbereiche entsprechen. Verbindung Die gewis¬ Signale (Pulse) der Enden der ergibt dann die gesuchte relative Spektralverteilung. jede Wellenlänge Für Signal der an stabes, abzubilden ist. Zuerst ist die photoelektrischer Wandler einzusetzen, dessen Die Repetitionszeit ist T Strahlung spektral Gitter oder Prisma, ist ein richtigen Stelle des Oszillographenbildes, d.h. des Wellenlängenmass¬ Filter, der Licht- in elektrische vorgesehen, wobei die len, Lösungsmöglichkeit (siehe Kap. 4) Elemente Signale 1/100 Sekunden. Von den möglichen Mitteln, gewählt (siehe Kap. 6.1.). wurde zuerst ein Image Aus verschiedenen Gründen aufgegeben. aber wieder führte dann auf die Verwendung Eine von (z.B. - 625 Zei¬ (siehe Kap. 4.2.3.) Analyse Si Für die Orthikon - Möglichkeit des Benützens der Zeilen als Elemente Kanäle) faszinieren musste. also soviele wurde diese zerlegen. zu wurde das Prisma Umwandlung = der möglichen Photo-Duo-Dioden 1 N 2175. Die Strahlung, die auf einenphotoelektrischen Wandler trifft, tionales Stromsignal umgewandelt. beitung, jeweils der im Dieses richtigen Zeitpunkt Oszillographenröhre erscheinen. Kanäle mit einem der nicht den momentanen Wert des anzuzeigen, wie dies bei aufnahmen ausgeführt wird. lichkeit. Bei der Abfrage Der Diodenstrom Ein muss, nach Abtastperiode, - Photodiode lässt Stromes, sondern Fernseh - Aussteuerung Prinzip der Dioden richtigen muss zuerst verstärkt des Verstärkers mechanisch es (z.B. sinnvoll Ort erscheinen, eine über die Abtastzeit Man erhält damit eine wesentliche modulieren) erfolgen. ten Photodioden Verar¬ integrierte Aufnahmeröhren für Studio- und Aussen- wird die Information wird darum ein Wechselstromverstärker kann im am Dies wird erreicht durch die Steuerung der werden, < um 1 integriert werden jiA nicht in eingesetzt (siehe Kap. muss Steigerung der Empfind¬ gleichzeitig gelöscht. Gleichstromverstärker kommt aber für Ströme Zur entsprechender d. h. Schieberegister. Das sehr kleine Stromsignal der Si Grosse Signal wird in ein propor¬ zu können. Frage (Drift). Es 5.6. ). der Photostrom moduliert werden. Dies Lochblende Die bipolare [21]) (n - p oder elektrisch - ermöglicht symmetrische Aussteuerung n) (Speisespannung Konstruktion der verwende¬ mit Sinus- oder Pulsspannungen. - Aus den in Kap. Kompensation Ein sehr was in Aussteuerung nur mit Pulsen und Frage. frequenzkonstanter Multivibrator (Kap. Ein bistabiler Multivibrator und für die Photodioden - gezeigten Gründen kommt Diodenkapazität astabiler, ganzen Ablauf. bandig, 5.2. der 12 erzeugt Kompensationsschaltung. durch einen Resonanztransformator am 5.4.) die Pulse für die steuert den Aussteuerung der Der Verstärker ist schmal- Ausgang erreicht wurde. Die Wechselspannung wird kohärent gleichgerichtet in einem Demodulator, der über einen Impulstransformator gration vom dieses verstärkten und Schaltung verwendet; über einen vom auf den KO Der am gleichgerichteten gegeben und der Kondensator gesteuert wird. Zur Inte¬ Diodenstromes wird eine Integrationskondensator Schieberegister gesteuerten Bootstrap erscheinende Spannung wird Schalttransistor und einen Widerstand gleichzeitig entleert. Weg des Signals jeder Diode geht also über Verstärker, Demodulator, Integrator, Abfrage Der die astabilen Multivibrator und Signalmischung auf den Kathodenstrahl-Oszillographen. optische Aufbau Multivibratoren bildet mit den zusammen eine Einheit, Photodioden, den Verstärkern und den den optischen Teil. Demodulatoren und folgende Stufen bilden mit der Stromversorgung für alle Schaltungen zusammen eine zweite Einheit, den elektronischen Teil. Dazu werden noch der KO und eine Lichtquelle gebraucht, wobei als Eichlicht¬ quelle eine Xenonlampe verwendet wird [22], Die einzelnen Teile werden in den Kapiteln Ansichten des ausgeführten 4,5 und 6 beschrieben. Gerätes zeigen Fig. 36 und Fig. 55. - - 13 - PHOTOELEKTRISCHE 4. Uebersicht 4.1. Grundsätzlich kommen für WANDLER spektrale Untersuchungen 4 Methoden in Frage tl, 10,23,24,25]: 1) Visuell 2) Thermoelektrisch 3) Photographisch 4) 1) Die visuelle Methode ist mehr für Messzwecke empfindlich, 2) Photoelektrisch sehr nur bedingt verwendet werden. kann aber Verhältnisse setzen die Licht- zunächst in Das Ueberblick, Auge ist kann aber wohl sehr Leuchtdichten nicht angeben. von (Bolometer, Wandler Die thermoelektrischen schnell einen qualitativ, gibt Wärmeenergie Thermistoren und um Thermoelemente) und diese dann in elektrische Widerstandsänderung oder Thermospannung. Diese Wandler sind träge und rela¬ tiv unempfindlich, da sie einen schlechten Energieumsetzung aufweisen. Sie zeigen 3) für Wellenlängen [26] und sind im Die vom allg. Ultraviolett 4) Der Messwert bleibt dauernd photoelektrische bei Belichtung des Wandlers aus, (äusserer Photoeffekt) Mangel Empfindlichkeit oder der aller von festen Oberflächen Energie benötigen (IR) (Breitbandempfänger) bei genügend langer Belichtungs¬ sorgfältige Eichung der Schwärzungskurve aufgezeichnet. der sei die es Aenderung der Elektronenemission Leitfähigkeit (innerer Photoeffekt). photoelektrischen Wellenlänge der Wandler ist die starke Ein grund¬ Abhängigkeit der Strahlung (Spektrale Empfindlichkeit) [26], Der äussere Photoeffekt beruht auf der aus zweimaligen Methode nützt die Aenderung einer elektrischen Eigenschaft Die sätzlicher bei der gleichmässige Empfindlichkeit bis Infrarot (Schwärzung) ist, setzt aber eine zeit, sehr empfindlich, voraus. aber eine linear. Methode photographische (UV) Wirkungsgrad Tatsache, dass durch Photonen Elektronen (vorwiegend Metallen) herausgelöst werden. Besonders kleine die Lichtquanten dazu bei Alkali- und Erdalkalimetallen. Darum wer- 14 - den diese, mit - gewissen Zusätzen (Sensibilisatoren) aktiviert, als Kathoden für Photozellen eingesetzt. Der innere Photoeffekt zeigt sich als Lösung der Bindung der Valenzelektronen durch Licht und ist darum bei messbar. schicht Metallen, wo Hat das beleuchtete Element eine (bzw. -en), wird es (bzw. zwei) als Photodiode [26]. Photodioden, als Photowiderstand Bindungen gelöst sind, nicht schon viele die ohne Sperr¬ genau definierte -Duo-Diode) bezeichnet, (bzw. Vorspannung betrieben sonst werden, erzeugen selbst eine Spannung und werden dann Photoelemente genannt. Photozellen Die wichtigsten Vertreter und ihre a) Vakuumphotozellen. Sie bestehen Eigenschaften aus der folgende: sind lichtempfindlichen, renden Kathode und der Elektronen sammelnden Anode. Der bei genügender Vorspannung erhalten wird, zeigt schen Strom und Beleuchtungsstärke. [1,25], Zelle ausgesucht werden empfindliche Gasfüllung Der Strom ist sehr tion und damit Messungen muss zwi¬ aber die sodass äusserst klein, (Elektrometerröhren) zur Anzeige Steigerung der Empfindlichkeit ist möglich mit Die In diesen wird durch Ionisation Stromverstärkung Proportionalität der Strom nicht stabil hängig (wegen der Sättigungsstrom, Proportionalität eingebautem Verstärker (Sekundärelektronenvervielfacher). oder b) Gasgefüllte Photozellen. und die Für sehr genaue Galvanometer oder Verstärker verwendet werden müssen. eine gute Elektronen emittie¬ der Strom - (speziell Ionisation), Ladungsträgermultiplika¬ erhalten. Diese ist bescheiden Beleuchtungsstärke in der Nähe der (bis etwa 10 fach) Ausserdem ist nicht gut. Zündspannung) und frequenzab¬ sodass die gasgefüllte Photozelle selten für Mess¬ zwecke verwendet wird, c) Sekundärelektronenvervielfacher lich eine Vakuumphotozelle vervielfacher. Er verlangt mit höherer wird. gleichen Empfindlichkeit, oder Photomultiplier. eingebautem Verstärker, für stabile eine äusserst gut stabilisierte Der SEV hat die (SEV) Verstärkung, die Speisung (Speisespannung Eigenschaften wie die wie sie sonst nur Der SEV ist eigent¬ dem Sekundärelektronen¬ 10 ... 10 betragen kann, meist über 1000 Vakuumphotozelle Volt). bei wesentlich noch von Photowiderständen erreicht - d) Auch Bildwandler- und Sie dienen - Bildverstärkerröhren, mit Ausnahme des gehören, 15 Vldicons, Gruppe der Vakuum-Photozellen. In die dazu, Lichtintensitätsverteilungen festzustellen, ev. zu speichern und auf sowie Fernseh-Aufnahmeröhren nach Zeit, Richtung und Grosse Abfrage wiederzugeben. Photowiderstände Als Material für Photowiderstände dienen vorwiegend Blei- und Cadmiumver- bindungen, sogenannte Chalkogenide. im aber gekühlt werden müssen, z.T. IR, Für besondere werden auch andere Materialien gen mit Zwecke, z. B. Strahlungsmessun¬ (Ge, InSb, u.a.) verwendet, flüssiger Luft oder sogar die dann flüssigem He. Photowiderstände sind den Vakuumphotozellen hinsichtlich Betriebssicherheit gleich¬ wertig. Ihre Empfindlichkeit entspricht etwa der Strom - Beleuchtungsstärke, bzw. den seltensten Fällen vorhanden. Widerstand von SEV. Eine Proportionalität Bleuchtungsstärke, - Der Widerstand lässt sich ist hingegen in näherungsweise angeben durch die Formel R(E2) wobei R der Widerstand bei zwischen 0,6 und 1,2 = R(EX) El • ( 9 ) (4.1.) , E2 entsprechender Beleuchtungsstärke annehmen kann und oft auch noch von der E ist und q Vorbehandlung Werte beein- flusst wird. Der Widerstand R ist stark temperaturabhängig und seine zeitliche Konstanz nicht gut. Die spektrale Empfindlichkeit variiert im sichtbaren Bereich meist sehr stark und ist zudem noch von sind ausserdem ziemlich träge (Grenzfrequenz bestenfalls einige 100 Hz). Alle Eigenschaften lassen Photowiderstände als wenig erscheinen. zusammen der Beleuchtungsstärke abhängig. Photowiderstände geeignet diese für Messzwecke 16 - Fhotodioden (Theorie und siehe Photoelemente: z. [27 •••31]). B. vorwiegend dioden dienen - Als Materialien Germanium und Silizium, Herstellung zur Photo¬ von während für Photoelemente Selen und neuerdings auch Silizium verwendet werden. Ein 4 tige Atome, - wertiger Halbleiterkristall wird auf einer Seite mit die Elektronen leicht aufnehmen, (5 auf der anderen Seite mit Donoren versehen der Kristall wird abgeben; Material bildet sich eine ladung verknüpfte n leitend). - 1 wobei U und I und n - Das mit der Raum¬ aus. Ladungsträgerkonzentra¬ dass sich die ausgleichen. Die Gleichung für den Diodenstrom Diodenspannung = und (exp xo "ÏT -ström, e T die absolute Temperatur und I Konstante, Bei Photodioden ist dies die Gleichung klein sein soll. Photostrom möglichst Dotierung, Geometrie und tu - [27]: lautet (T wer¬ - wird), leitend zwischen p Uebergangsgebiet verhindert, - wertige Atome, die leicht Elektronen - Raumladungszone (Sperrschicht) elektrische Feld tionen beider Seiten durch Diffusion meist Im Akzeptoren (3 sodass der Kristall p Der Temperatur des (4-20 "1}' k die Boltzmann- die Elementarladung, den Sättigungsstrom bedeuten. Dunkelstromes, Sättigungstrom des Halbleiters. IQ Er ist der abhängig beträgt dem gegenüber Material, von bei Germanium einige uA, bei Silizium etwa 1000 mal weniger für Zimmertemperatur 300°K). Werden im Halbleiter dieren die Minoritätsträger handene Feld auf die sachen an jeder Gegenseite Seite wichtigsten Sperrschicht, befördert werden. wo Ladungsüberschüsse Photospannung, Der vor¬ verur¬ bei der Photodiode (Photostrom). gute Proportionalität Kurzschlusstroms). Diese dann diffun¬ erzeugt, sie durch das dort Vorteile der Photodioden und -elemente ständen sind die wesentlich geringere tät und die zur durch Lichteinfall den Klemmen des Photoelementes eine einen zusätzlichen Strom Die Ladungsträgerpaare Trägheit, Strom grösste - gegenüber Photowider¬ die bedeutend bessere zeitliche Stabili¬ Beleuchtungsstärke (bei Photoelementen Nachteil ist die viel kleinere Empfindlichkeit des im sichtbaren Bereich als bei Photowiderständen. Die wichtigsten Vorteile gegenüber Vakuumphotozellen sind der wesentlich ge¬ ringere Platzbedarf, die grössere Empfindlichkeit (einige mA/lm statt 20 • • • 50 uA/lm) 17 - - und die ausgeglichenere spektrale Empfindlichkeit. Grenzfrequenz, (Max. die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit 4.2. von Praktisch Unter den vielen Stoffen, 1,5 Ge bei Nachteile sind die Jim, Si meist bei von 0,85 Jim). Wandler verwendbare die lichtelektrische niedrigere Blauempfindlichkeit und die schlechte Eigenschaften aufweisen, sind wenige auch technisch nutzbar. Meist fehlt schon eine gute Ausbeute (Wirkungsgrad). Neben einer guten Empfindlichkeit stellung photoelektrischen Wandlern auch Die von Verarbeitung soll beständig sein, lebig muss ein industriell verwendbarer Stoff leicht und billig keinen grossen Aufwand erfordern. auch bei Belichtung und in engen Grenzen und Erwärmung. reproduzierbar zu Her¬ beschaffen sein. Das Material Es soll zur muss chemisch betriebssicher, lang¬ herzustellen sein. Aus diesen Gründen kommen für den sichtbaren Bereich folgende Stoffe in Be¬ tracht: für Photozellen: Cd-Chalkogenide, für Photodioden: Si, Ge, für Photoelemente: Se, Si. Die Brauchbarkeit bestimmter Zweck hängt ab von Cs-Verbindungen, für Photowiderstände: den Ansprüchen photoelektrischer Wandler 1. Zeitliche Konstanz des Photostromes 2. Proportionalität Photostrom 3. Absolute 4. Spektrale Empfindlichkeitsverteilung, - (Alterung, Ermüdung), Beleuchtungsstärke, Empfindlichkeit, 5. Frequenzabhängigkeit 6. Temperaturverhalten, 7. Signal 8. Aufwand und Kosten. - für einen bestimmten an: zu - Rausch - des Photostromes, Verhältnis, Daneben können noch konstruktive und bestimmend bei der Auswahl sein. schaltungstechnische Gesichtspunkte mit¬ 18 - gestellte Aufgabe Für die hier 1. Die gewünschte sind stände nicht verarbeitet werden. stärke, 2. wurde Wenn für eigener im zu der der n Verwendung Kanäle, Wandler verwendet untersuchenden Ort des Spektren Punkte besonders Grunde, Spektrums in die das wird, Spektrum können nur von wäre, z.B. die Kosten sind aber auf jeden zu Beleuchtungs¬ Spektrum aufgeteilt werden soll, schwierige Aufgabe. kleinflächige Wandler, obwohl deren mit Lichtleitern zusammen durch Photowider¬ dann bedeutet das Unterbringen dieser eine konstruktiv gut gebraucht werden, Zeitkonstante Photowiderständen abgesehen. Fall Wandler Direkt am und SEV können hier Verwendung grundsätzlich möglich (Faser-Optik) [321 grosser ein n wie Photodioden und ev. Photoelemente, angebracht werden. Vakuumphotozellen also nicht beachten: aber auch wegen zeitlicher Photostrom von zu zulässige können aber z.B. Aus diesem ungenügender Proportionalität von jeden folgende kurze Abtastzeit beschränkt die maximal der Wandler. Schnell sich ändernde Inkonstanz und - Der Aufwand und Verwendung als bei der von Photodio¬ den. Es besteht noch die Möglichkeit, Wandler vorzunehmen. Zeilen) ren 3. die Verwendung Photoelemente sind n Kanäle in einem einzigen war Image-Orthikons, auch der der Unterteilung (in ursprünglich empfindlichsten ver¬ und linea¬ proportional die ohne Vorspannung betrieben werden. zur Beleuchtungsstärke. da diese wesentlich mehr Ueberlegungen Ihr Wenn das Arbeiten Spannung aber nicht speziell gefordert wird, ist einzusetzen, Aus diesen eines Photodioden, Kurzschlusstrom ist Photodioden auf die (siehe Kap. 4.2.3.). Aufnahmeröhre ohne äussere Aufteilung einige 100 Kanäle realisierbar. So in bis folgte Weg die In einer Fernsehaufnahmeröhre ist diese es vorteilhafter, Leistung abgeben können. reduziert sich die Zahl der in Betracht kommenden Wandler auf folgende 4: Vakuumphotozelle Photomultiplier oder SEV (Kap. 4.2.1.) (Kap. 4.2.2. ) Image-Orthikon (Kap. 4.2.3.) Photodiode (Kap. 4.2.4.) 19 - 4.2.1. Vakuum Die zeitliche Konstanz der Vakuum ebenfalls, besonders beträgt lichkeit 20 • wenn • 50 • ( Hz), 10 « der je Empfänger pA/lm, je im beträchtlich, Spektrum) gut, die Proportionalität [1,25]. Die absolute Empfind¬ spektralen Empfindlichkeitsverteilung, nach der liegen kann. Grenzfrequenz Die ist sehr des Photostromes klein. (Anordnung da neben dem konstruktiven Aufwand (pro auch ein erheblicher schaltungstechnischer hochohmiger Verstärker) ein sehr Photozelle ist Temperaturabhängigkeit die Der Aufwand ist Photozelle - die Zelle ausgesucht wird deren Maximum im Blauen wie im Roten hoch - - Kanal erforderlich ist. 4.2.2. Photomultiplier Eigenschaften Die zeigt (Kap. 4.1.), nur bei der aber an des wie schon in der Uebersicht ge¬ Empfindlichkeit durch die die Kathode auch etwa 40 Elektronenvervielfachung n sein. grösste Problem wäre auch hier die Abbildung Image - Zeile, n Kanäle gemeinsam Spektrumsausschnitte der Orthikon Mit einer Fernseh-Aufnahmeröhre wird das von der geworfene Bild röhre zeilenweise Spaltbildern abgetastet. sofern das Spektrum gezeigt wird, muss Das zu in verschiedenen Farben gestattet eine genaue Zuordnung eines linear, d.h. die Optik verarbeitende auf die Photokathode Spektrum (Lichtwellenlängen). besteht Die Lichtwellenlängenintervalles Dispersion eigent¬ Aufnahme zu einer konstant ist. Wie in Kap. 6.1. empfindliche Röhre gebraucht wird. Die empfindlichste das Image-Orthikon. Wirkungsweise [33... 37]. - dazu ein Gitter verwendet werden. Die Lichtverluste sind dabei gross, sodass eine sehr Die B. Multiplier. 4.2.3. aus jiA/lm, z. Voraussetzung für einwandfreien und konstanten Betrieb ist eine gut stabilisierte Speisespannung. Diese könnte für alle sein. Das lich Eine Ausnahme ist Vakuumphotozelle. wie die der Empfindlichkeit festzustellen. Wohl ergibt A/lm äusserst Photomultipliers sind, gleichen der Anode kann die etwa 25 auf die die des Image-Orthikons wird erklärt an Hand der Fig. la ist - Fig. la Phatok; 20 - Prinzip des Image-Orthikons Speicherelektrode Wandbelaç Fokyssierspule Sammelelektrode Strahlanode uADynode Steuergitter ' Kathode Abtastteil Bildteil Fig. lb Das Licht Schematischer Aufbau des optische System getroffene 3. Image-Orthikons 5820 1 projiziert ein Bild auf die Photokathode Teil derselben sendet in den Bildwandler Verstärkerteil (durch Die Elektronen werden äusseren Photoeffekt elektronenoptisch abgebildet. Durch die Beschleunigungsspannung von (20 • • • 50 um) ausgespannten Primärelektronen) aufgenommen schwach leitende Glasfolie, positiv aufgeladen wird. die von Metallnetz 5 hoher werden. Die befreite) auf die von Elektronen Speicherplatte 4 einigen 100 V werden Speicherplatte Sekundärelektronen herausgeschlagen, Abstand 2. Der aus Durchlässigkeit (für Speicherplatte der einem in sehr kleinem ist eine sehr die dünne, die je nach Elektroneneinfall örtlich verschieden stark 21 - Die Auswertung durch einen Elektronenstrahl 8. Speicherbildes erfolgt dieses Vom Strahler zeuger system 7 und Vertikalen - ausgehend, abgelenkt (siehe Fig. lb). wird in der Horizontalen magnetisch er Vor der Platte wird der Strahl bis auf wenige eV gebremst. Die positiven Ladungen auf der Platte binden durch Influenz Elektronen des Strahls. gleichen Folie positiven und negativen Ladungen auf beiden Seiten der Die sich innerhalb einer ohne dass die Abtastperiode aus, nächstgelegenen Bildpunkte gestört werden. Denn diese sind weiter entfernt voneinander als die Folien¬ dicke. Der zurückkehrende Strahl 9 ist moduliert mit dem zum ursprünglichen, verstärkt und das Im Unterschied Proportionalität konstanten Strahl. Signal zu am an und Orthikon Ikonoskop - zeigt so stark ist, muss mit vom Netz gleich dem 10 wenn Beleuchtungsstärken die eine gute Von einer gewissen In der Kennlinie wird Aufladung des Netztes wird, [33,36,37], aufgenommen werden Beleuchtungsstärken gearbeitet werden, Nach kleinen Image-Orthikon das nimmt aber der Strom nicht mehr zu. dass dessen Potential elektronen nicht mehr 5-stufigen, SEV meist Beleuchtungsstärke (siehe Fig. 2). dieser Knick als Knie bezeichnet. Dieser tritt auf, tes einem, als Differenz Belastungswiderstand 11 abgenommen. Photostrom Beleuchtungsstärke Er wird in Ladungsbild eines Für Messzwecke die unterhalb des Knies ist die Verwendbarkeit des Bildpunk¬ und Sekundär¬ liegen. Image-Orthikons be¬ grenzt durch das Rauschen. Im normalen Fernsehaufnahmebetrieb beträgt das Ver¬ hältnis Signal zu Rauschen je nach Typ 35 (grösster Helligkeitsunterschied, kung müsste für • • 45. Damit ist der der gezeigt werden Verstärkung erfolgt Beleuchtungsstärke viel durch einen SEV. tiefer dieser eine sehr genau konstante Speisespannung. weichungen Spannung bringen Die Modulationstiefe ist der Zustand "hell" bzw. dann dürfen dann treten nur len, von weniger erfolgt die Grauwerte der nur starke Aenderungen der "dunkel" durch keinen bzw. liegen könnte. % (siehe Fig. 3). vollen Strom angezeigt von einer Zeile auf die anzeigen (Uebersprechen). [38], auf Lichtwechselfrequenz begrenzt auch die Der nächste, Die Soll werden, Aber selbst Uebergang von Weiss sondern mit 2 bis Abhängigkeit maximal er¬ Schon kleinste Ab¬ als 100 Wechsel hell-dunkel vorhanden sein. nicht sodass Verstärkung. für kleine Zeilenzahlen 100 Verschleifungen (Zwischenstufen) nach Schwarz Die Verstär¬ Kap. 4.2.2. schon Wie in wähnt, benötigt der Kontrastumfang kann) festgelegt. vorliegende Anwendung bedeutend weniger breitbandig sein, die untere Grenze der verwendbaren Die erste • 5 Zei¬ der Modulationstiefe mögliche Abtastfrequenz. - 22 - u 5 2 / as 0.2 m / 0.001 0.005 0.002 0.01 Fig. 2 0.1 O.05 0.02 Beleuchtungssfärke E 0.2 [lux] Kennlinie des Image-Orthikons 5820 100 \ = S s 60 \ \ \ ç \ .1 5 •g 20 0 100 200 300 400 500 Zeiten Fig. 3 Modulationstiefe des Image-Orthikons 23 - - too \ s / 80 / \ / 60 1 \ \ 1 1 / / 20 \ \ \ 05 O.I 0.3 07 0.6 Wellenlänge Fig. 4 Das Spektrale Empfindlichkeit Ausgangssignal stärkt werden. Kanäle können Dazu dès genügt Wert noch beeinflusst ein relativ werden, z. werden um den Faktor 100 soll, Die eines von B. zur 10 (wie bei Dispersion verlangt werden. Die Herstellung Signal (das eines nach einem ver¬ Die einzelnen und in ihrem energiegleichen Spektrums. unterhalb des Knies bleiben das auch nocht gut und Rauschen. Die unumgänglich. zu noch muss) angezeigt Image-Orthikons verlangt einen sehr grossen Aufwand; Steigerung chen der Zeilen ist nicht muss übersteigen. Vakuumphotozellen) des Lichtes ist 30 uA .. die Röhre sollte ausgesucht werden können auf Linearität lität 1.1 5820 schmalbandiger Verstärker. abgeschwächten Signal, kann 1 :1000 weit Verwendung Image-Orthikons Zeilenablenkfrequenz, abgetrennt zur Die Spanne zwischen dem stärksten und dem des Image-Orthikons dann, synchron 1.0 09 Q8 [>f"3 der (geometrisch), Proportiona¬ Verwendung Eine sehr konstante Abtastgeschwindigkeit ist eines Gitters photoelektrischen Wandler, muss begrenzt. Ueberspre- vermeiden. All diese Gesichtspunkte führten weist. Und dies ist die Photodiode. zur Speisung des SEV zur Suche der weniger grundsätzliche Nachteile auf¬ 24 - Photodiode 4.2.4. Die Empfindlichkeit praktischer - liegt Photodioden bei 10 • bewegt sich etwa in der Mitte der jenigen von Vakuumphotozellen kleiner ist) und Photomultiplier (etwa 1000 mal grosser). Die • 100 • (die mA/lm. Sie etwa 1000 mal Einlassöffnung ist stirnseitig und mit einer Glaslinse abgeschlossen. Ihre sehr kleine Fläche meist von o einigen werden ergibt mm Vorteil, dass den anderseits den können, die Dioden direkt im Nachteil, dass sie nur Strahlengang angebracht einen Strom von 10« •• 50 nA/lx liefern. Ge-Photodioden sind schon seit längerer Zeit erhältlich. maximum tät ist liegt bei etwa 1,5 gut, spricht Lichtwellenlänge (siehe Fig. 5). um Empfindlichkeits- Dir Dire Proportionali¬ Dunkelstrom absieht. Dieser liegt bei einigen uA und ent¬ wenn mar. vom damit einer äquivalenten Dunkelbeleuchtung von ca. 100 Ix, d.h. 100 Ix er¬ geben eine Verdopplung des Stromes. Eine Kompensation des sehr stark temperatur¬ abhängigen Dunkelstromes (3 db nug, - Abfall der um mit guter Genauigkeit ist schwierig. Die Grenzfrequenz Empfindlichkeit) kann bis 100 kHz betragen [31]. auch grössere Abtastfrequenzen zuzulassen als 100 Hz. Sie ist hoch ge¬ Die Konstanz der Dioden ist gut. Si-Photodioden sind erst seit kurzem im Handel erhältlich. Das Maximum der 0,85 jim (siehe Fig. 6). oder noch etwas höher Empfindlichkeit liegt bei portionalität Der Dunkelstrom der Si-Photodioden gut. ist Zimmertemperatur, entspricht. was einer äquivalenten Beleuchtungsstärke Wird dieser Dunkelstrom wandfrei gemessen werden. Die dings liegt kompensiert, so können Temperaturabhängigkeit Grössenordnung Beleuchtungsstärken gerechnet Si-Photodioden den Ge-Photodioden vorgezogen. tungstechnische 10 Stück von von Texas Vorteile von etwa 0,1 für Ix mix noch ein¬ des Dunkelstromes ist aller¬ liegt in der gleichen jenen. Da mit sehr kleinen Diode IN 2175 Ihre Pro¬ einigen nA einige noch stärker als bei Ge-Photodioden. Die Grenzfrequenz wie bei bei Instruments, Ausgewählt wurde die Photo-Duo- die ihrer Konstruktion wegen grosse schal¬ ergab (siehe Kap. 5.2. ). der Firma Texas Instrument dieser Stelle bestens verdanken möchte. werden muss, wurden Von diesen Dioden wurden uns geschenkt für diese Arbeit, was ich an 25 - - 100 \ s' y 80 / 60 \ / \ / \ / \ / \ / 20 a« \ 0.6 tt8 10 12 Wellenlänge Fig. 5 Relative 16 U [jim spektrale Empfindlichkeit 20 18 1 der Ge-Photodiode TP 50 ^—• 1 . 1 \ / 'S / I \ \ \ / / 40 1 1 — 20 Q3 CU 0.S 0.6 0.7 Wellenlänge Fig. 6 Relative 0.8 0.9 10 U [>imj spektrale Empfindlichkeit der Si-Photo-Duo-Diode 1 N 2175 - Die 26 - Grenzfrequenz dieser Photodiode liegt bei 20 kHz. Die Proportionalität stellte sich als weniger gut als erwartet heraus. Es tritt ein Verstärkungsfaktor in Erscheinung, der die Stärke stört. Wie stark dieser Effekt wird im Kap. 7 behandelt. Auf Problem. jeden Proportionalität ist, und wie er vom Strom Strom - abhängiger Beleuchtungs- allenfalls behoben werden Fall ist dies kein grundsätzlich kann, nicht lösbares 27 - 5. DER - ELEKTRONISCHE 5.1. TEIL Blockschema Das Die in den Photodioden fliessenden Ströme sollen in vorgegebener nacheinander als Pulse sen erhalten werden: proportional abgebildet werden. man Diese können erzeugt durch die Photoströme an Reihenfolge folgendermas- Widerständen Spannun¬ gen, die nacheinander auf einen KO geschaltet werden. Dies ist aber eine schlechte Ausnützung der Information, die so nur für einen kurzen Moment jeder Abtastperiode verwendet wird. Einen der Bildpunkten mit waren Anzeige das Fortschritte der Fernsehtechnik brachte die Ladung Aufnahmen bei schlechter Speicherung sammelt grössten der Aufnahmeröhre zu Idee, speichern (siehe Kap. 4.2.3.). Beleuchtung möglich geworden. in den Erst da¬ Diese Idee der wurde hier übernommen. Die Photoströme werden in Kondensatoren ge¬ (integriert), die nacheinander entladen verwendet werden. Die Transistoren, Reihenfolge der die als Schalter eingesetzt Entladepulse werden, wobei die Abfrage bestimmt ein in der sind, zur Schieberegister, gewünschten Reihenfolge öffnet und schliesst. Da die Photodioden sen Stromquellen sind, können die Kondensatoren direkt gespeist werden. Die Spannung muss. Wie in den Kondensatoren steigt an und Zeit. Leider ist der Strom sehr sodass klein, Kap. 5.2. gezeigt wird, muss er proportional von zu die¬ Strom zuerst noch verstärkt werden dazu ein Wechselstromverstärker wendet werden. Der Wechselstrom wird im Demodulator gleichgerichtet ver¬ und dann zur Integration verwendet. Im Blockschema (Fig. 7) umfassend die Multivibratoren die Photodioden die Verstärker Hälfte mit den MV& als Schaltungen dargestellt. Taktgeber PD, den Schmitt-Trigger ST*, VE, sind im optischen Aufbau Schmitt-Triggern pulstransformator schaltungen AB in einem sind diese IT zu und der ST2 und Mischung MS sind, MV"b Die linke Kompensationsschaltungen KP dem DE, Hälfte, als Spannungsquelle für (Kap. 6) untergebracht. ST„, den Demodulatoren die und Schieberegister SR, den Integratoren IN, dem Im¬ den nebst der Speisung all dieser separaten Gehäuse eingebaut. Zur Anzeige wird Abfrage¬ Elemente, ein Kathodenstrahloszillo- graph KO (Tektronix 503) verwendet. Der die Weg des Signals ist ausgezogen gezeichnet, die Steuerwege gestrichelt, Unterteilung in Geräte strichpunktiert. und Die rechte 28 - MVa ST, - 1 "t MV. ST, SR IT ST, Lr: 1KP H ,KP iPD iVE ,DE "1 ^ >VE »DE IN AB AB MS fiKP h 10 PD 10 10 VE Schaltkreise Fig. 7 (Index 1 .AB Blockschema • • • 10 bezeichnet die 10 Kanäle): PD Photodiode KP Kompensation II 5.3 MVa Astabiler Multivibrator It 5.4 MVb STj. Bistabiler Multivibrator II 5.4 II 5.5 5.6 „ Kap. 5.2 Schmitt-Trigger 1«"3 VE Verstärker It DE Demodulator It 5.7 5.7 5.8 IT Impulstransformator II IN Integrator II AB Abfrageschaltung It 5.9 MS Mischung II 5.10 SR Schieberegister If 5.11 KO Kathodenstrahloszillograph der Signale KO 29 - - Die Schaltkreise eines einzelnen Kanals werden in Zeitplan Fig. in (Bezeichnungen 9 siehe An den elektronischen Teil sind 1) Alle Schaltkreise sind möglich zu tretenden 2) bauen. Forderung diese so folgende Kapitel). folgende Anforderungen einfach wie gilt Insbesondere für die n-fach auf¬ KP, VE, DE, IN, AB. Die Schaltkreise sind mit Transisto¬ und Halbleiterdioden anstelle ren Röhren auszuführen. von Damit fällt die Heizung weg, und der Leistungsbedarf wird klein. Das Gerät ist nach dem Einschalten sofort betriebsbereit. Der Platzbedarf der 3) Schaltung Alle Schaltkreise sollen ist klein. gemeinsame Erdung besitzen. Damit wird hend dass die Kanäle ein¬ vermieden, weitge¬ ander beeinflussen. Es sind dadurch aber verschiedene lungen, 4) Die auch für Transformatorkopp¬ Pulse, nötig. Abschirmung wurde überdimensioniert, streuung z. zu sind B. um von ja Anfang an keine Ein¬ erhalten. Die Verstärker jeder für sich in eine Eisen¬ schachtel eingebaut. 5) Proportionalitätsfaktor Pulsspitze Der U • zu Photostrom I_ soll in weiten Grenzen genau einstellbar sein. kann z. B. am Spektrum (alle KO ein energiegleiches gleich gross) eingestellt werden. Kanal. Damit Pulse auf dem KO dienen zwei Potentiometer für Mit dem ersten Fig. 8 dargestellt, der Dazu jeden (logarithmisch) CE zu stellen: - 30 - nnnnnnnnnnnnnnnnnnnfMVa î Uei Uci B7 H! VJ Fig. 9 wird der Zeitplan (Bezeichnungen Verstärkungsfaktor dem zweiten Kap. 5.9.). (linear) siehe des Verstärkers ein bestimmter Teil des folgende Kapitel) eingestellt (siehe Kap. 5.6.), mit Abfragepulses abgegriffen (siehe 31 - 5.2. Beleuchtungsstärke Die Photodiode Die dioden verwendet werden. Der zu Kap. 4 wurde In Wandler in eine elektrische photoelektrische wird durch (Photostrom) umgewandelt. Grosse - gezeigt, erwartende Photostrom dazu Photo¬ warum ist sehr klein und Ip muss zuerst verstärkt werden. Gleichstromverstärkung Von einer ströme einigen nA von Arbeitspunktes), Dies ist einfach zu erhalten durch Möglichkeit, Sperrichtung. Zusammenhang Der Beleuchtungsstärke, 5 V ist Die Photodiode nahezu dass keine mechanisch dargestellt. In Vorspannung, ja eine Vor¬ dann ändert sich auch der sondern die Stromstärke der Spannung, ist, sobald diese bei gleicher grosser als Fig. 10a sind die Kennlinien einer gewöhnlichen Um grosse (Leerlaufspannung wenige Spannungswerten ausgesteuert werden soll, Stromänderung U_- und dem mV Punkt bringt erhalten, = 0 sollte zwischen einer ausgesteuert werden können. Photoelement, wieder anders. Eine bis einige 100 Abweichung eine sehr grosse, unerwünschte Ganz anders sind die Verhältnisse bei einer linien symmetrisch sind zu Upo> *p bei Betrieb als jede Beleuchtungsstärke um von erzeugen, besteht in der Spei¬ zu Eine Photodiode braucht linear, unabhängig zwischen welchen Sperrspannung (Up,) Wechselsignal ist nicht abgeklärt werden. Dieser Punkt nung verlangt, (Lichtzer¬ (siehe Fig. 10b). Frage, genau ein Aendert sich die Strom. aber für Wechselsignal erzeugt werden. periodisches Abdecken der Lichtquelle Wechselspannung. spannung in grossen zuerst ein Es wird aber für diese Arbeit sung der Photodioden mit muss Schaltungen. muss Teile verwendet werden. Diese Lösung fällt dadurch weg. Eine andere 0, Verstärker für Gleich¬ wurde abgesehen. überhaupt stabil genug herstellbar (Drift des keine sehr einfachen [21]). siehe bewegten etwa wenn Wechselstromverstärkung Bei hacker, sind, an (siehe Fig. 10b). Die von mV) ist Span¬ Stromänderung. Photo-Doppeldiode, Aussteuerung dieser kann hier deren Kenn¬ beliebig nach beiden Seiten erfolgen. Am einfachsten ist die Aussteuerung mit einer Sinusspannung. Eine solche ist relativ einfach und stabil herzustellen mittels L-C- oder R-C-Oszillator und auch einfach zu verstärken. Erscheinung, Dabei tritt aber die Kapazität der Photodiode sehr störend in insbesondere bei kleinen Beleuchtungsstärken E. 32 - - »P1 -02 Fig. 10a 6 Kennlinien der Photodiode TP legten Spannung Up, mit 50, Upi Photostrom Beleuchtungsstärke [y] y Ip 10 12 in Funktion der ange¬ E als Parameter ^-—* Ip —- [üA] ——— . "i. J L— i 1 a. -1 6 -1 2 IJtf 1 ^ i — —' Fig. Kl — —— •—p jpi -l -4—i i J « - -J—. r =£= — - [V] 1 3 UP —H J _—— . 10b Analoge Kennlinien für die Photodiode IN 2175 zeichnete Punkte siehe Text. (E willkürlich). Einge¬ - Die der 2,5 Kapazität von • • • 3 4 pF, was bei E Es sei z. B. ergibt. und der Sperrschicht- lichteter Diode etwa schluss = Zuleitungskapazität der = unbe- beträgt bei Diffusionskapazität. Sie einen beträchtlichen kapazitiven Neben- 1 Ix ein Strom von 50 nA UpW Cp Eine erwarten. zu von 470 nA = 50 nA fliessen in Wirklichkeit etwa das Zehnfache. Statt Es ist den nötig, Aussteuerung durch wie noch kapazitiven mit Rechteckpulsen zu Aussteuerung Upl • • • Als nächstes ist Frequenzgang die der Empfindlichkeit Up2> klein zu sollen abzuklären, den um Diodenkapazität Auf die Photodiode ein; Hz, der Kapazitätswerten Kabels) aufgeladen, Pulse erhält Stromes. die tritt (aus sollte aber so Den Daten¬ an klein als mög¬ der linear mit der Frequenz gemessen an¬ Integrations¬ (siehe Kap. 5.4.). (siehe Fig. 12): Auf dem KO wird ein Puls gegeben. Im ersten Moment wirken die ein, sodass Diodenkapazität Eine (Eingangskapazität CR bei bekanntem man Spannungsteilung Cp« 2,5 • (ï^, CR) Kapazitäten Spannungsteilung entspre¬ berechnet werden kann. dann kann aus der ohmschen somit die 11 zeigt Fig. klein sein. Auf eine Aussteuerung der Photodioden durch man die Frequenzteilers oder -vervielfachers vermieden. Für die unbelichtete Diode erhält Durch die zu folgendermassen (Rp, Cp) Up 10b diese Frequenz darf also ohne Einbusse der Frequenz des Multivibrators wurde in Ip2). die die Widerstände überbrücken. Kurzschlüsse, zitäten B. Wechselfrequenz fallen. Die Pulsfrequenz wurde erscheint die Kurvenform der Fig. 13. chend den + der Photodiode 1 N 2175 halten. Aber sie darf auch nicht einige Perioden des KO und des Ipl kapazitiven Einfluss, Damit wird auch der Einsatz eines werden. was z. geschehen kann, Spannungsdifferenz noch verwendet werden. Die Frequenz darum angesetzt mit 1000 Die trennen, zu welche Pulsfrequenz verwendet werden soll. Empfindlichkeit angesetzt werden, steigt, ohmschen Strom grösste Stromänderung ergibt (siehe Fig. Stromänderung Bis 5 kHz tritt kein Abfall periode vom anstelle der Sinusspannung dass für eine bestimmte sehen, symmetrische Aussteuerung blatt). Strom gezeigt wird. Es ist sofort als zusammen aus bei 1 kHz und 25 V verursacht einen Strom pF ip lich - Kapazität der Photodiode setzt sich Diode, in der 33 • • 4 pF, Sind die Kapa¬ R_ berechnet Rp » 1 • • • 2 GH.. symmetrische, rechteckförmige Trennung des kapazitiven und des ohmschen Anteils des Dies ist eine wesentliche Voraussetzung für das Gelingen dieser Arbeit. - 34 - 1 [db] 0 \ -1 \ -2 -3 10 1000 30 60100 10000 20000 f Fig. 11 [Hz] Frequenzgang der Empfindlichkeit der Photodiode 1 N 2175 Fig. 12 Die Photodiode in der Schaltung =±=C0 Fig. 13 Kurvenform an R^ der Fig. 12 35 - Als nächstes wird der - und die Bandbreite des Verstärkers Eingangswiderstand festgelegt. Der Eingangswiderstand einerseits gross genug muss die kleinstmöglichen Signale eine Leistung Eingangswiderstand stärker kann breitbandig (verstärkt Grundwelle) ausgeführt ten und die Tatsache, Einsatz eines (siehe Kap. 5.6.). 100 kJl vorgesehen von den Puls) oder selektiv (verstärkt Aufwandes, werden. Ein Vergleich des dass der Gleichrichter der gleiche Erde besitzen Ausgangstransformators bedingt), führen dazu, durch, Gleichrichtung (siehe Kap. 5. 7. ) Analyse des Einflusses der deren Einfluss auf die Grundwelle der in Fig. 13 zu nur die nur Der Ver¬ dessen Rauscheigenschaf¬ muss (was den ausgebildet werden. ungeraden Oberwellen gedämpft werden. die durch den Resonanzkreis stark Zur lässt kann, den selektiven Verstär¬ ker vorzuziehen. Der Transformator kann dann als Resonanzkreis Die kohärente auch für um Widerstand der Diode. Es und soll anderseits klein sein gegen den kleinstmöglichen wurde ein sein, die verstärkt werden erhalten, zu Diodenkapazität untersuchen. gezeichneten Kurvenform, wie sie Cp auf das Signal genügt es, Fourieranalyse Dazu dient eine am Verstärkereingangswiderstand auftritt. Es gilt: 0<t<-y- -^-<t<T Die Grundwelle : U1 : D" T =-|p-, Xj = |UJ| +|U1|exp(-^-) (5.1.) = -|U^|-|U2|exp(-J-) (5.2.) beträgt: V2a^ Mit = wTj, x2 = U)T2, Di 2 + bjcos(wt x=ut - arctg-^-) (5.3.) wird: 2TT = "4" I 0 u' cosxdx + -à- ü"cosxdx TU (5.4.) 36 - - 2ir tr l U TT sinx dx + J*" + (5.5.) sinx dx TT Das Resultat lautet: i ITT-*« TT = ^ bl 1 ex4 —I^irrV^f-^ ^ 2 J L 1+x2 [ xlJ + l+x| 2 = /m'. TtQU1 n I 11 + ,„' » ^1 I U2p 4 iuiill + Tl TtHix r « 1 — L 1 „ r(l+exp TT x. 1+x? TT Iiu2ix' x2 2 . + ) ö-(1+exP -^~Z «"•> 1+x2 [ Tt L x2. -—- •> . (5.7.) T, 1 und r Um den Einfluss der wir t T„ sind einigemal kleiner als TT2 1 symmetrische darum werden exp , 2 auf die Grundwelle Impulsspitzen zu r I Ti i xl J und untersuchen, können Verhältnisse annehmen und setzen: lUl| = |U2l = Ul ' |Ui| |U2| = = Ui ' T 1 = T2 <*1 = x2>- Damit wird: 2Uj h TT a 4 die Grundwelle des 2U, TTt Tl = 1 (5.9.) l+x? TT (Uj = 0) gilt: 0 1%' »i x, 1 +- * Rechteckimpulses aj (5.8.) 1+3 -U, 1 Für xt = und 4U. UR1, = b. sinx — TT sin x (5.10.) - URl,ist proportional erzeugten Rp und somit 37 - proportional dem durch die Strom der Photodiode. Dieser Wert wird durch den fälscht. Die Abweichung der Beleuchtungsstärke kapazitiven Strom ver¬ Amplitude beträgt: U, Rl (5.11.) V. RI1 Für grosse Verhältnisse beträchtlich sein. wie sie hier —;—, Eine kleine auftreten, Zahlentabelle soll das ul 1 kann diese Abweichung zeigen: 100 10 UR1 Tl UR1' IT 10 ÏÏ 20 1,21 4,70 43,2 1,09 3,36 30,8 Das Auftreten dieser Vergrösserung der Grundwelle kann durch verschiedene Massnahmen reduziert werden. Es kann z.B. den Verstärker nur der der kapazitive wendet. gegeben werden. rechteckförmige, Teil von Der von kapazitive jeder Pulshälfte Pulsteil würde R„ verursachte, durchgelassen. kompensiert werden. Diese zweite nur ein Teil auf abgeschnitten und Es kann aber auch Möglichkeit wurde hier ange¬ 38 - 5.3. Die Der einen kapazitive Stromanteil des Diodenstromes wird ip Dazu wird ein Generator sationsschaltung. aber (siehe Fig. 14 und (keramischer 9). Diese gleichen anstelle Kondensator am erhalten. 5 von pF). Potentiometer einer festen Abgleichen erfolgt Potentiometers. Spannungen werden (siehe Kap. 5.4. ) erfolgt durch Einstellen Kapazität Störpegels Eingestellt um eine zweite, Der an der ip Abgleich k.ft). zusammen¬ Cq eines bistabi¬ hat einen festen des kapazitiven Stromes Ein Trimmer Wechselspannung • • • Je nach Kanal wurde eine zum Ab¬ Kompensation wäre zu erhalten, Verbesserung Rq auch, und Photodiode, beliebige Temperatur verbunden. VE Schaltung Verstär¬ statt wenn Damit wäre der belichteten und der unbelichteten für am 50 erreicht. unbelichtete Photodiode eingesetzt würde. gleicher Temperatur 14 Kompen¬ U„ und U„ liefert Der Kondensator Rq (250 - Ausgängen beiden wurde auf Minimum der den Faktor 10 kelstromkompensation = durch Messen des Verstärkerausganges bei Verdrehen des Eine noch etwas bessere bei ig der zwei zeitlich und eines Potentiometers bewährt sich nicht. kerausgang bei unbeleuchteter Photodiode. des verwendet, kompensiert durch entgegengesetzte, symmetrische Spannungspulse len Multivibrators Das Kompensation gleichgrossen, entgegengesetzt gerichteten Strompuls fallende, Wert - der Photodiode und der Kompensation und C _ zwar eine Dun- 39 - 5.4. Die Der astabile Multivibrator Abtastung. Er soll eine quenzstabil ist. die Multivibratoren dient als MVa Rechteckspannung Die erfolgte ST,) [39], die abgeben, MV^ möglichst und einen Schmitt-Trigger triggert Der und den Demodulator-Impulstransformator Dimensionierung nach 1000 Hz von für den ganzen Ablauf der fre¬ Schmitt-Trig¬ Mit dem bistabilen Multivibrator werden die Photodioden und Kompensationsschaltungen gespeist. register (über Taktgeber Er muss einen bistabilen Multivibrator aussteuern. ger ST- - einer einfachen und doch sehr Als Forderung für IT das Schiebe¬ (über STg). frequenzstabilen Schaltung Frequenzabweichungen sind dort ange¬ kleine geben: 1) Die verwendeten Transistoren sollen 2) Die Grossignalverstärkung 3) Die Batteriespannung soll 4) Die Temperaturabhängigkeiten der frequenzbestimmenden tat von Collector zu soll möglichst kleinen Sperrstrom hoch als so aber klein, 10 > Iç-nn haben. sein. möglich angesetzt werden. Basis und Widerstand von Basis zu Teile (Kopplungskapazi Speisung) sind - möglichst gut gegeneinander abzugleichen. 5) Die zeitliche Stabilität dieser Elemente soll Um die erste Forderung zu erfüllen, Texas Instruments verwendet verstärkung « 20). Die über dem Transistor stände beträgt am PpgQ 100 < gut sein. wurden Si-Schalttransistoren 2 S 322 von nA). Sie erfüllen auch Punkt 2 Batteriespannung wurde (40 V) angesetzt. - 2,5 • 10 -4 o C Polyesterfolienkondensatoren Die Frequenz von -1 . • • • 40°C (Schieberegister, Verstärker). gut konstant bleiben. schwankungen Weder ihr Alterung etwa nicht sehr genau muss Schaltkreise lassen eine geringe Verschiebung zu, werden [39]; Temperaturkoeffizient Dieser wird durch den Temperaturkoeffizient von im Bereich 20 1000 Hz (Grossignal¬ zulässige Spannung Punkt 5 ist für gebräuchliche Halbwatt-Wider¬ besten erfüllt zwischen 10 und 150 kfl etwa gross wie die so bzw. Eine einmal noch kompensiert (Punkt 4). eingehalten werden. Alle können darauf eingestellt eingestellte Frequenz Temperaturänderung sollen die Frequenz beeinflussen. oder soll dann aber Speisespannungs- - 15 R7 = 2k2 = 2k2 = 22k = 22k = 2k2 = 2k2 = 2k7 G und H: - Astabiler und bistabiler Multivibrator Stückliste: Rj R2 Rg R4 R5 R6 40 Rg R9 R10 Rll R12 R13 = 2k7 = 27k = 27k = 150 = 1 M = 1 M Werte R 33n Ausgänge (siehe Fig. 14) [XI], C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C = 33n = 200p = 200p = lu = lu = 220p = 220p [F] = 2 S 322 = 2 S 322 = OC 77 = OC 77 = OA 85 = OA 85 Tl T2 T3 T4 Dl D2 US3= 40 V - An der aufgebauten te gemessen: Bei A4= 25°C A und A Ug3 f Ug3 von -J1 10 V für A Hz, -fr 3 - Schaltung (siehe Fig. 15, = 25°C A f =9 Hz. 20 V = = 41 Die = 25°C AUg3 und linker Teil) ein A f von 7 = 20 V A f = Ug3 = Wer¬ 30 V und -J 13 Hz und 50° = Frequenz des Multivibrators liegt also für grosse Speisespannungsänderungen innerhalb weniger Temperatur- und folgende wurden Hz, Hz die einmal um eingestellte Frequenz. Wie in der Pulse stellen. [39] gezeigt wird, Eigenschaften, sind die einander Darum wurden diese entgegengesetzte Anforderung eine oder andere Gute Rechteckform erhält und bistabilem Multivibrator. Ein bistabiler Multivibrator MV^ (Flip-Flop) Kompensationsschaltungen. entgegengesetzt gleichen Spannungen U„ gute Schaltbeispiele Der für ungesättigte, 2 us. ••• und wird Die eingesetzt zur (siehe Fig. 14) Uq Speisung verlangten symmetrischen zwar Erhöhung der + beträgt (nur) 33 16,5 können (siehe Fig. 15, Speisespannung Steigerung in Anstiegs- V bei einer V nach beiden Seiten 50 V aushalten. Eine Erhöhung und damit die Ausserdem steigt die 2 W-Widerständen rufen würde. lichkeit bei Ausführungen bistabile Multivibrator hat Die Pulshöhe festerer Transistoren. 1 W- ev. ist die ein¬ am rechter [40], worin sehr viele Transistorschaltungen gefunden wurden. sodass die Photodioden mit Diese können eine mit Schaltung). Dimensioniert wurde dieser anhand der etwa 1 man Anforderungen Je nach den fachsten mit einem bistabilen Multivibrator erhalten werden Teil der Schaltung die Schaltung vorzuziehen. der Photodioden und der und an der astabile Multivibrator Eigenschaften getrennt: wird eingesetzt für gute Frequenzstabilität. Schmitt-Trigger und gute Rechteckform Frequenzstabilität der Spannung von und Abfallzeiten Speisespannung ausgesteuert der Ug3 40V, = werden können. Pulsspannung bedingt Verwendung anderer, Wärmeentwicklung, was V auf das Dreifache nur aber spannungs¬ z. Anderseits beträgt der Gewinn 16,5 von B. an nach Empfind¬ etwa 30 %. - 42 - Çn=fe b) a) g. 16 ÛR» a) Schmitt-Trigger b) Treiberstufe für Impulstransformator IT StückUste: Schmitt-Trigger ST„ ST, "•20 21 22 23 l24 R, 25 l26 22k 10k ST„ 10k 3k3 4k7 4k7 100 47 47 22k 4k7 4k7 5k Pot. 25k Pot. 25k Pot. 3k3 4k7 4k7 lk 220 220 220 220 220 C20 T20 T21 lOQp In In 2 S 322 OC 76 OC 76 2 S 322 OC 76 OC 76 US US3=4OV U1=25V US2=2OV R, 27 Treiber stufe: R28=lk' C21 **** T22=OC 80 43 - 5.5. Schmitt-Trigger ist Ein Schon für Verstärker. gangsspannung eine Schmitt-Trigger übersteuerter, rückgekoppelter, 2-stufiger ein stark kleine, periodische Aenderungen rechteckige Pulsfolge. Ausgangswiderstand ren, etwa doppelt Der für die klein. Schmitt-Trigger Triggerkreise ST.. und deren ist sein gut, Eingang ist die Aus¬ Eingangswiderstand hoch, Die Schaltzeiten werden gross wie beim so am Die Höhe der Pulse kann beinahe die der Speisespannung erreichen. Seine Stabilität sein - bei aber, gleichen Transisto¬ Flip-Flop. wird verwendet Abkopplung Erzeugung zur von Rechteckpulsen astabilen Multivibrator. Die Schal¬ vom tung aller 3 Schmitt-Trigger, die nach [40] dimensioniert wurden, zeigt Fig. 16a. wie die STj ist, MV, im optischen untergebracht, Teil STg und bei den STg zu trig- gernden Schaltungen. Der Schmitt-Trigger STg dient zum Triggern des Schieberegisters (siehe 5.11.). Kap. Der Schmitt-Trigger Impulstransformator ST„ steuert über die Treiber stufe IT und dieser wiederum die Demodulatoren 5.6. Der Für jeden der n (siehe Fig. 16b) den (siehe Kap. 5.7.). Verstärker Kanäle wird ein Verstärker benötigt. In diesem wird der sehr kleine Photostrom ganz erheblich verstärkt. Es kann der Puls in einem Breitband¬ verstärker oder nur dessen Grundwelle schmalbandig verstärkt werden. Rauschverhalten sprechen zugunsten des schmalbandigen Verstärkers, Aufwand und der auch ver¬ wendet wurde. Im folgenden Die werden Quellenimpedanz zuerst Photodiode als solche wirkt. nügendes Signal sein, genug um nachlässigbar zur die ist sehr Der Anforderungen hoch, da der Eingangswiderstand Verstärkung verfügbar zu klein gegen den Diodenwiderstand Der Dunkelwiderstand der Photodioden der kleinste Widerstand bei einigen Mil. wurde zu haben. auch bei der höchsten auftretenden 100 kXl angesetzt. an zu liegt Der den Verstärker Sperrwiderstand der muss gross Anderseits festgelegt. beleuchteten sein, um muss er ein ge¬ aber klein Beleuchtungsstärke noch ver¬ sein. bei etwa 1 Gil (siehe Kap. 5.2.), Eingangswiderstand des Verstärkers 44 Dl U <U U fa - Fig. 17 =lk Rj R2=lk2 5k Pot. Rg R4 15k R5 39k R6=18k = = = 45 - Verstärkerschema: R10=lk8 RX1 R12 R13 R14 R15 = 2k2 =10k R8 3k9 Rg=56 Tj T2 Tg U, = R17 R18 OC 603 = OC 79 = 25 V = C2 Cg u/10 = 16 = 0,22 = 68 C4=40u/16V = 470 Cg 64 ji/10 C6 68n C7 25 u/25 C8=0,47u Cg 64 p/25 = 6M8 = 180 V V 22k OC 603 = Co=0,lu Ct 20 u/6,4 = R16=6,8(2%) = Stückliste u = V = = V = V primär 53 mHy (Schalenkern P 26/16) = n2 = 140, 100 Wdg. Aui Fig. 18 Wechselstromersatzschaltbild des Verstärkers (ohne Arbeitspunkt-Stabilisierungswiderstände) 46 - wird bestimmt durch die Last. Diese besteht Ausgangswiderstand Der Demodulator, - der wiederum den Integrator speist. Gleichspannung Die Aus diesem Grund tor soll möglichst wenig schwanken. gewisse minimale Grosse haben. Er darf anderseits nicht die Entladezeit zu gross (siehe Kap. gesehen. Dessen Anpassung 5. 7.). der Kondensator eine muss zu gross sonst wird sein, Ein Lastwiderstand von 100 li wird vor¬ den Leistungstransistor erfolgt durch einen an dem aus Demodula¬ am Ausgangs¬ transformator. Spannungsverstärkung Die des Demodulators braucht nicht gross 20 V vertragen Sperrspannung, Wert nicht überschreiten sollte. sen sein. zu Die Schalttransistoren sodass die Es wird eine Ausgangsspannung Spannungsverstärkung von v die¬ = 20 angenommen. Damit ist auch die Stromverstärkung festgelegt. v. 1 eln v = 2-stufigen Transistorverstärker nicht gut g = v. • v hingegen liefert genug Verstärkung. Durch (R3) kann die Verstärkung geändert werden. Anpassung, Die (siehe Kap. 5.1. = 4 ein einen • 10 kann Ein Erdung Damit wird die einem 3-stufiger Ver¬ Potentiome¬ aller Schaltkreise Ausgangstransformator. Dieser transformator oder Schwingkreis auszuführen. von logarithmisches insbesondere aber die gemeinsame ), verlangen 20'000 = aufgebracht werden. stärker ter beträgt RLast verlangte Leistungsverstärkung Die -^PiL 20 = U Sie ist als Resonanz¬ verlangte Schmalban- digkeit erreicht. Zur eine Dimensionierung von umfangreiche Literatur, Die Verstärkerschaltungen ich wovon nur folgende ausgeführte Schaltung zeigt Fig. 17, mit Transistoren existiert erwähnen möchte [40, 41]. ihr Wechselstromersatzschaltbild Fig. 18. Bei einer ein Emitterschaltung Eingangswiderstand von noch etwa verzehnfacht wird derstand von einigen (siehe 100 kH und mehr eingeführt werden. Mit über 100 kH erhöht. nur mit zu 6,8 il Gleichstromarbeitspunktstabilisierung [42] kil erreicht, der mit 1. Stufe in Fig. erhalten, wird der muss 17). wird speziellen Schaltungen Eingangswi¬ Um aber einen Stromgegenkopplung Eingangswiderstand von 40 (R^g • • • in Fig. 17) 50 kfi. auf 47 - Schwingkreise Die der einzelnen Verstärker sind immer leicht gegeneinander Verschiebt sich die Pulsfrequenz des Multivibrators etwas verstimmt. 5.4.), Kap. - dann ändert die und Verstärkung, zwar für Aus diesem Grund wurde eine im Maximum flache Frequenzkurve gestrebt. Da die kohärente Gleichrichtung des Demodulators (geschwächt) durchlässt (die (siehe jeden Verstärker verschieden. nur 3. Harmonische mit Faktor ——), (siehe Fig. 19) an¬ ungerade Vielfache wird trotzdem eine 3 Zusätzlich werden die hohen Frequenzen noch durch C» ge¬ gute Filterung erreicht. schwächt. Der Verstärker sistor (OC 79) zeigt einen leichten sein thermisches Temperaturgang. Sobald der Leistungstran¬ Gleichgewicht erreicht hat, bleibt die Verstärkung stabil. Gemessen wurde bei einem Lastwiderstand schen 105 und 120 kil, vu die Frequenz 1 kHz. 100-•• 2,7 V 200fiV „, genügt -. Das 0,2 db. Rauschsignal zur Aussteuerung Der maximale Aufgebaut Kap. 5.13. ). 16,8 und des 19,2 und «. Eingangswiderstand Vj Ausgang beträgt am kurzgeschlossen etwa 30fiV Für eine Variation der als zwischen 120 il von = 1,5 ••• bei offenem Das maximale UE 77 Eingangsstrom > 1 : 100 ändert sich bei voller Verstärkung ist 25 x 33 x 200 mm. ' 0.9 \ 0.7 \ 0.6 0.5 600 Fig. 19 für Eingang von Integrators. Eingangsspannung Abmessungen 104 • Ausgangssignal vu 800 Frequenzkurve X)00 1600 2200 f [Hz] des Resonanztransformators um weniger 1,5 jiA wurde der Verstärker analog den übrigen Schaltkreisen Er hat die 1,8 zwi¬ (siehe „. - 5.7. Der Demodulator 2,7 stand kann bis Wie bei allen sich trägt, Die Schaltkreisen, so nicht oo Basisstrom, wenige Für bei nicht z.B. so streng, durch. geschwächt, aber samem Erdpunkt aber über einen Die die Last sperrt Transistor T liegende Wenn U_ bei XL nur über Zeitkonstante in der 2 ms. Restspannung be¬ günstigsten mit der Frequenz des Kohärentdetektors. Prinzip er nur die Grundwelle und deren Kapazität Bei endlicher [43] Eine bessere ist die Selekti¬ Ausnützung ist die Aussteuerung Signals des Einer Zusam¬ wurde die hier angewendete Schaltung aller Schaltkreise erfüllt. Die der Schaltung (siehe Fig. 21) über den leitenden Transistor nicht Deren Forderung Spannungs- nach gemein¬ der Transistoren muss Impulstransformator erfolgen. periode des Wechselstromes wird Cm in Mit dieser entnommen. Wirkungsweise Tn sperrt; unter 3 V arbeitet bis wenige mV kann grossem Mehraufwand bringt die Zweiweggleichrichtung. verdopplerschaltung an OC 141. am Einweggleichrichtung würde genügen. zu Schaltung sodass schmale Frequenzbänder durchgelassen werden. menstellung der möglichen Schaltungen die Spannungen grosser Kapazität des Glättungskondensators lässt Eine Lastwider¬ (siehe Fig. 20).. mV Aussteuerung der Transistoren erfolgt vität nicht am betragen. Proportionalität proportional. symmetrische Transistoren, ungerade Vielfache, Spannung wurde auch hier zuerst die einfachste des Wechselstromes. Man arbeitet dann nach dem Bei Die gleich¬ 1 : 1000 soll sich die Transistoren erreicht werden. Von diesen wieder eignen gesteuerten je nach proportional ändern. im Minimum also ebensoviel mV «, Gleichrichtung mit besten am V Wechselstrom gelieferten Verstärker die Gleichrichtung mit Dioden. untersucht, d.h. hingegen vom des Demodulators Gleichspannung Demodulator Der den - des Wechselstromes im Verhältnis Aenderungen richten. Für eine solche muss 48 R., Cn Tm (Integrator) , der Quelle (Verstärker) wird aus Cn gespeist. der Kondensator der erscheint, aufgeladen und gleichzeitig Tn Cn Halbperiode Spannung um die Last gespeist. dann werden die Kondensatoren sondern auch über den Widerstand R Lastwiderstand, Quelle, deren Cm Der Transistor In der nächsten aus leitet. In einer Halb¬ aufgeladen. und den Widerstand R Beleuchtungsänderung sinkt, mal folgende: wird und erhöht von ist sondern etwa C • entladen. Es ist nicht die R wirksam. Schwankungen Beleuchtungsstärke werden mit dieser Zeitkonstanten verarbeitet. Sie beträgt - 49 - 220 200 7 1,-Çi.A IB-5m > 190 WO 7/ 1» 100- 80 ILL 1,-im, 20- 20 Fig. ta 80 60 BO BO U0 Durchlasskennlinien des Transistors OC 141 20 -11+ VE Uo a Fig. 21 IN Schema des Demodulators DE Re = 120, Cm = Cn = 20 n, Tm = Tn = OC 141 (n-p-n) 50 - Zur Aussteuerung wickelt nach stufe einfacht, der [44]. wenn Impulstransformator der Transistoren wurde ein Er wird (siehe Fig. 16a) - und die Last gespeist Schmitt-Trigger vom b), Kap. 5.5. symmetrisch ). Die ist. Dies ST2 Aussteuerung war IT ent¬ über eine Treiber¬ wird wesentlich ver¬ mit ein Grund für das Verwenden Zweiweggleichrichtung. An den sekundären Strompuls stellt werden. Die Anstiegzeit (Basisstrom) ist nicht kritisch; aber nicht mehr als die Hälfte des Höchstwertes müssen bestimmte betragen, vität von muss. etwa 50 gebracht (je 110 Der Basisstrom Mit Schalenkern S 45/25 und ge¬ damit die Transistoren gut geöffnet bleiben. Für den Transformator bedeutet dies, dass gross sein Forderungen der Dachabfall des Stromes sollte seine Induktivität primär 2200 Wdg. wurde eine Indukti¬ Hy erreicht. Sekundär wurden alle 20 Wicklungen gleichzeitig auf¬ Wdg. ), beträgt um für alle Demodulatoren gleiche Verhältnisse etwa 10 mA im Maximum. Die Linearität des Demodulators ist aus Fig. 22 ersichtlich. 2 Fig. 22 uJv] Linearität des Demodulators DE zu schaffen. 51 - 5.8. Der Mit dem (die der aus erhalten wird) gesammelt während der Zeit, inder die anderen UD (Kbndensatorladung), in der sie sich Anzeige gut eignet (Entladepuls). zur fachste Integration ist das Laden eines Kondensators über einen Widerstand UD erhalten, ist daher nicht verschiedenen, lineare massen im Kondensators Anstieg CT Voraussetzung, eine U_, von UD noch darzulegenden zu aufbaut. In eine gegen 0 geeignete Schaltung Schaltung Miller-Integrator an Bei der wird die Uc so dessen Ausgang ul, Ijj = so- zu erfolgt. immer gezeigt, 7-4.). der beim Laden des , d wird eine gleich Spannung gehalten wird. U_ t., bzw. proportional Up durch einen Miller-Integrator oder verstärkt, wenig Elemente. Aus kondensator C. dass immer werden derjenigen muss am es Eingang ist Sie an =0. vu = 1 die Span¬ (siehe Fig. 23b). sich vorzüglich ergibt vu nahe bei 1, dass sowohl die Quelle Erde haben ul eines Verstärkers mit wird —£— Bootstrap-Schaltung eignet müssen, ergab jetzt für jeden Integrator der anderen eine eine Darling¬ ist einfach und braucht UD wie der Integrations¬ sich die Umstellung nach eigene Stromversorgung, Integratoren galvanisch getrennt ist, bereitgestellt (siehe Kap. 5.12.). Der Kondensator C auf, U^, Uc = Forderung, einen Pol Fig. 23d. Allerdings von der und zwischen U„ und wird durch einen Verstärker mit tonschaltung [46] (siehe Fig. 23c). Up Kap. —— Spannungsdifferenz erscheint, Bootstrap-Schaltung Als Verstärker für die die Uc von linear 23a wird Fig. Gleichzeitig gebracht. Diese Differenzspannung liegt —"OD, nung Rd, Bootstrap-Schaltung. Beim v Aufladung [45], UD (nach erhalten ist U_ Realisiert wird eine solche . Up Kondensa¬ Gründen ist aber eine einiger- Dann ist U„ proportional I_ und der Integrationszeit und L am Proportionalität Um dass die liefert einen Strom Spannung die durch eine erzeugt, Die Spannung V„ verkleinert aber die Spannung über Zeit. folgenden Spannungsquelle Die 0). Aufladung (Integration) zweckmässig. wie ein linearer V'c mal gleichen Zeitabständen abgefragt. wird in Uc Aus Rd Spannungsquelle aus einer CL = Die ein¬ V„ steigt exponentiell. abnimmt: dass I_ zu (siehe Fig. 23a) für UL ist Stromstärke L. Un tor gebracht und anderseits wird die Information in eine Form abgefragt werden, Kanäle Integrator wird zweierlei bezweckt: einerseits wird die Information Integrator Spannung - gehört zum Demodulator. die mit dem Widerstand R. zusammen den stimmt. Die Grosse der Kapazität von C, An ihm tritt die zu integrierenden Gleichspannung Strom L. be¬ wird durch die Verhältnisse bei der Abfra- ' b) IS. a) Vu"' VERSTARKER i A Ur Fig. 23 I Bootstrap-Schaltung Prinzip 1 * Ud allgemeines Prinzip ue fc' Bootstrap mit R2 R. d = = CL 4k7 n C lk8 = = -o — u r l,5;i 20 TE T_. D • = = Ugll UT* • Ug20 OC 602 OC 603 • f = Darlington-Verstärker ausgeführte Schaltung: c) Integrationsschaltung d) Un Uc Bl¬ 20 • • • 22 V I CO - ge (siehe Kap. 5.9. ) festgelegt also 20 R. ist V), so zu tj dass Uç > Up Ausgangsspannung zulässige Kbndensatorspannüng Uc die UE ändert, von so sind Up. der klein sein muss, derung wird besser von vorwiegend Dies sind die wurde, lesen wurden vorwiegend begrenzt. Integration ist es, zwei Grossen verantwortlich für eine Stromverstärkung der beiden Transisto¬ beim Transistor T_. Ge-Transistoren erfüllt Si-Transistoren. Es zeigte erreicht Uc des Verstär¬ während der Integrations- die über einen grossen Bereich des Basisstromes konstant sein Sperrstrom, Kbndensator¬ werden kann. proportionale Aenderung von zulässige Abfragetransistors (OC 141, nahezu erreicht wird. Eine Besonderheit der linearen Wenn U— sich ren, des Darlingtonschaltung, dass mit der maximalen bemessen, Die maximal Spannungsfestigkeit bzw. durch die Speisespannung der kers VE die maximal zeit - CL=l,5uF. zu spannüng wird bestimmt durch die 53 sich, (siehe Fig. 24), sollte, und der Die erste For¬ die zweite besser dass die beste Linearität mit Ge-Transistoren die auf konstante Stromverstärkung und kleinen Sperrstrom ausge¬ (OC 603 und OC 602). Die erreichte Linearität ist aus Fig. 25 ersichtlich. uCE= iv UCE=O25V 250 Fig. 24 Statische Stromverstärkung in Funktion des Basisstromes 500 - 54 - U.-(U -008)3.24 0.5 15 10 Fig. 25 Linearität des Integrators Fig. 26 a) 25 2D Abfrageschaltung a) Prinzip b) Ausgeführte Schaltung: RL = 50 Pot. CL=l,5u TT Li L . = OC 141 Topfkern D primär 50 nt <B = 4000, c) Aussteuerung T c) an n, t \ t 70 = Hy 200 Wdg. der Basis von T. d) Ausgangspuls U„ d) 36/22 ... - 55 5.9. Die Die Informationen der durch ein Schieberegister zeige verwendet n SR Abfrage Kanäle werden erhalten durch Entladen der über Widerstände kondensatoren C. - RL (siehe Fig. 26a). dass die gesteuert, so werden, jeweils zur Ausgangspulse Integrations¬ werden SL die Uß, Abtastperiode Zeit der richtigen Die Schalter zur An¬ erscheinen. Als Schalter werden Transistoren verwendet. Die Entladezeit kleinen Bruchteil so sten auf 1/150, dem KO sehr was Ist z.B. schmale, zu klein Abgriff abgenommene Signal Der Spitzenwert Durchlasswiderstand. Soll die Differenz klein 13,33 5011, C. mit mal kleiner als die Entladezeit (siehe Fig. 41 • • • 46 und 51« Der Transistor T. und R. l,5pF angesetzt. • muss • t, = 1 (Nadelpulse) dann aus Fig. 26d) ist beliebig muss so gross wie am Transistor- R. gross sein ge¬ Fig. 20 ersichtlich. RL 75 ps, also ist Damit wird die Form der Pulse gut 54). über einen Transformator einen gemeinsamen Punkt rung des Transformators ist die auf. Begrenzung des Ent- Die Zeitkonstante t: ms. dann treten auf U_ ist nahezu werden, gen diesen Durchlasswiderstand. Dessen Grosse ist wurde mit angesetzt, UA (siehe von auf einen Uß RL CL der Entladung ist tL, dann sinkt Uc während Die Differenz wird verursacht durch Abfall U«. von t" soll kein Fehler in der näch¬ = L ist ein Potentiometer. Er dient der einstellbar zwischen 0 und U„. der Endwert t*L tL Restspannung nicht mehr gut sichtbare Pulse Lt am Während 5 mal kleiner als genügen würde. Wird Der Widerstand RT ladestromes. Das dass durch diese entsteht. Die Zeitkonstante T halten. zu der Abtastzeit T. -g- abfallen, Integrationsperiode genügend klein tT ist tL (Erde) haben müssen. Anstiegszeit gesteuert werden, da C. Kritisch bei der Dimensionie- des sekundären Stromes i_ , der im Steuerkreis des Transistors fliesst. Wenn der Widerstand des Transistors nicht schnell genug vom auf den Durchlasswiderstand da RL CT Pulsspitze Sperrwiderstand von U„ abgeflacht, sich mit variabler Zeitkonstante entlädt und zwischen Durchlasswiderstand und Spannungsteilung grossem Basisstrom wird absinkt, dann erscheint die doch (i_ bis 50 in Bruchteilen einer (siehe Kap. 7). Um diesen Einfluss stattfindet. zu unterdrücken, mA) geschaltet. Beträgt us die wird Anstiegszeit schon ein Durchlasswiderstand « R. T. mit 10 fis, erreicht dann 56 - Für jeden Kanal braucht matoren werden speist. Dir es einenbesonderen Pulstransformator. Diese Transfor¬ folgende je durch - Stufen des Schieberegisters (siehe Kap. 5.11.) Windungszahlverhältnis beträgt 1 0, 1 V heruntertransformiert wird. Die Transistoren brauchen steuerung. Die Primärinduktivität ist 50 5.10. Die Das von RL • • • verbunden, Parallelschaltung Potentiometer, damit die sein, Das Ersatzschaltbild Fig. 27b, dass UA A frage benötigte Strom muss eine zur Aus¬ und mit dem KO belastet durch die führt, Entkopplung eingeführt durch Widerstände R. der . Diese jeweiligen Puls¬ zeigt Fig. 27b. Darin sind die übrigen zugehörigen Entkopplungswiderstände = i die am KO erscheinende n-1 »_i__ R.. Man sieht aus n-1 Riç. Schieberegister erfolgt Spannung ist, dessen Ein- steuert die Schieberegister Reihenfolge der Abfrage der durch Entladen eines Kondensators Schalter ist ein wenn ist. 5.11. Das selbst V Ua i Das 0,7 Potentiometerabgriff (variable) Belastung müssen gross gegen R. gegen die Es Entkopplung quelle (R.) klein bleibt. gangswiderstand gerade das aller anderen Potentiometer. vernachlässigt am Abgriffe zusammengeschaltet werden. Das Einfachste ist die ohmsche R. ••• Signalmischung Würden alle dann würde das 5 ge¬ 20 V auf von 70 Hy. Signal jedes Kanals erscheint als Spannung U, (siehe Fig. 27a). Spannung womit die 20, : vom (siehe n Kanäle. Die Ab¬ Kap. 5.9. ). Der dabei Schieberegister über einen Pulstransformator gesteuer¬ ter Transistor. Ein Schieberegister (shift register) Im Rahmen einer Diplomarbeit [47] besteht meist wurde in tung untersucht, die das gleiche leistet und bezeichnet wird (siehe Fig. 28). Eine solche Schaltung Die Arbeitsweise ist am aus bistabilen Multivibratoren. Institut eine einfachere Schal¬ besten mit n-stabiler Multivibrator Dabei sind alle bis auf eine Stufe leitend. Der ge¬ sperrte Zustand läuft immer weiter, bunden ist. unserem wenn die letzte Stufe wieder mit der ersten wurde noch nirgends folgende (siehe Fig. 28): beschrieben gefunden. ver¬ 57 - a) Entkopplungswiderständen (R. Kanäle mit b) ungeladen. sind Jetzt TA leiten, springe liegt von ändern über mit der Zeitkonstanten Ra k) Signalmischung die Dioden D. 0 (Erde) weiterhin auf 0 plötzlich auch der Punkt kann, 10 ebenfalls, die Kondensatoren C. der erste Transistor in den gesperrten Zustand. Sein Collector ändert das Potential leitenden Transistors = Ersatzschema eines Kanals Fig. 27 Alle Transistoren - A; Ra Ck. auf und, - (Ugi)« da sich die die Diode Bevor Die Basis des sperrt. jedoch C. Spannung C^ zweiten, über Cj,. nicht lädt sich auf nach ganz auf - - aufgeladen ist, springt der erste Transistor in den leitenden Zustand. Der Collector des ersten Tran¬ sistors liegt wieder an 0 und, da die Diode andere Pol macht den gleichen der zweite Transistor und 1^ nach - . sperrt. Sobald das stor wieder. Damit wird der leitet, Potentialsprung, Das von Ck- Der sodass die Basis stark positiv wird; positive Potential wird abgebaut über die Diode Potential 0 erreicht Ausgangszustand Als höchste Spannung tritt die auch der eine Pol ist, leitet auch der zweite Transi¬ wieder erreicht. doppelte Speisespannung auf zwischen Basis und Collector. Darum mussten genügend spannungsfeste Transistoren verwendet werden (OC 77). Mit dem Potentiometer R kann die Feineinstellung der Frequenz erfolgen. 58 t/i o o < H - O 'Sa z^; < Q o iH Il II U O o t- o o m eu .Q <u u **& o Ph o *}< r OC of fa 03 tf C- CO CD < -<d o? > u ~\jf of II u o << (/> A! Ai oj in 59 - Um eine se - wenig belastungsabhängige Schaltung erhalten, zu wurden relativ gros¬ (50 mA) angesetzt. Collectorströme Gestartet wird das Schieberegister mit einem Schalter entsprechenden wird. Dabei wird für den S, gedrückt der kurz Transistor der eben beschriebene Vorgang eingeleitet. Getriggert Kap. 5.5. ) wird das Schieberegister mit dem über die Kondensatoren C^. 5.12. Die Speisung der Zur (siehe Fig. 29). Die STg (Uni), STg kommen die entkoppelt (Strom (U„,. mA) zwischen 0 und 5 Das Gehäuse, de Schaltkreise SR mit Der aufgebaut Schieberegisters SR Aussteuerung des Im¬ und der Multivibratoren MV und # > _ .,.). STj (Ug3). die Speisespannung bei sich nur Aufbau STg, 7 und wenig ändert des 8): Stromänderung (max. 50 elektronischen der Last mV). Teils untergebracht ist, Demodulator DE mit an umfasst STg, sowie die folgen¬ Impulstransformator Integrator IN, Abfrage AB, Signal-Mischung MS, Triggereinheit übrigen Schaltkreise, und MV., IT Schiebe¬ Speisung der ganzen Schaltung. nämlich die Multivibratoren MV Die die Photodioden die Kbmpensätionsschaltungen KP, die Verstärker VE und Schmitt-Trigger im Da¬ Letztere werden mit einer Zenerdiode in dem der elektronische Teil (siehe Fig. Schmitt-Trigger register (Ug2) IT in eine solche des der Verstärker VE und der vorbelastet, sodass 5.13. und + wurde ein Netzteil separaten Speisungen der Integratoren, die voneinander galvanisch sein müssen 1 Z 22 T 10 Schaltung Speisung wurde aufgeteilt pulstransformators zu Speisung ganzen elektronischen und Schmitt-Trigger STg (siehe Schmitt-Trigger ST., PD, sind optischen Aufbau untergebracht. Die ganze streifen, die Stifte in Schaltung wurde in Anlehnung regelmässigen Abständen eingebracht und an an Löcher gedruckte Schaltungen auf Hartpapier¬ aufweisen, aufgebaut. In diese können diesen die Bauelemente angelötet werden. Auf einem Eisenblech sind solche Streifen auf beiden Seiten angebracht. Dabei sind die Schaltkreise so verteilt, dass das Eisenblech gleichzeitig als Abschirmung 60 - - S1 S3 220 V'v. U. S 11 S 12 JS20 Fig. 29 US1 = 20 V US2=25V = B30C600 B, = 2»5 =B30C600 Z Cxl m cyl=2»5m Lx = 4 Hy CX2 = 2>5 m Cy2=2,5m Rx2 = = 10 Speisung US3=4OV B3 w =B60C160 = JS11« ° &\J Cx3=lm Rx3=150 Netztransformator, = , y 35 VA 22V on=B25C50 B,, II*« 20,5-.. 25Oji = Zenerdioden = 680 - 61 - der einander eventuell beeinflussenden Schaltkreise dient. ebenfalls auf einem Eisenblech aufgebaut Speisung (Netzteil) Die und durch ein drittes von tung abgeschirmt (Brummabschirmung). Untereinander und nach verbindungen (bis 26-polig) verwendet worden. von aussen zur aussen sind Steck¬ Zusammenschaltung der eingeschobenen Schaltteile Am Gehäuse direkt montiert sind bedient werden ist der übrigen Schal¬ müssen, nur die Widerstände R, die Potentiometer R. für die , Signalmischung, die der Startschalter und verschiedene Stecker. Einen Blick in die aufgebaute Schaltung zeigt Fig. 36, Ansichten davon Fig. 55. 62 - 6.1. Für einen Teil der AUFBAU OPTISCHE 6. DER Dieser Ausschnitt des - Grundlagen elektromagnetischen Strahlung Wellenlängenbereiches wird sind unsere mit sichtbare Augen empfindlich. Strahlung oder Licht bezeichnet. Für jede Wellenlänge des Lichtes besitzen wir eine andere Empfindlich¬ keit, Zahl X <380 die für nm X >780 und nm unmerkbar klein wird. Aus einer grossen Beobachtern wurde eine mittlere relative von Augenempfindlichkeitskurve V^ (siehe Fig. 30) genormt [48]. Die objektive Strahlungsmessung lungsmessung, die die der Lichttechnik ist Teilgebiet Augenempfindlichkeit berücksichtigt / subjektiv ist, \ / 60 \ / \ / 1 \ / 0.35 \ 0.5 0.4 0.6 Wellenlänge Fig. 30 Wellenlänge Strahlungsleistung, als Funktion der [i""] V, wird monochromatisch genannt. Der einer monochromatischen Spektralfarbe" wiedergegeben. Strahlung wird mit Meist sind aber verschiedene die in jedem kleinen Wellenlängen "gesättigte auf erhält (z. B. physio¬ oder Wellenlängen gemischt. Wellenlängenintervall Wellenlänge aufgetragen, dann Treten alle sichtbaren 0.75 0.7 Augenempfindlichkeitskurve einer einzigen logische Eindruck ist, und darum \ 1 Strahlung. während die Strah¬ \ 1 80 Wird die Physik, angehört. 100 Strahlung der man das vorhanden Spektrum schwarzer der Strahler), dann 63 - nennt man linien), das Spektrum kontinuierlich, treten dann erhält Spektren ergibt Licht zwischen - ein Optik. den Gesetzen der geometrischer Farbenlehre). B. Sommerfeld rechnung des Strahlenganges Spektralapparate, genügt in meist die Anwendung der Geradlinige Ausbreitung Unabhängigkeit Umkehrbarkeit des Strahls. Wellenoptik Probleme, insbesondere lung verwendet werden, die die Beugung und von Interferenz, Spektralapparate spaltung (siehe z.B. Medium, Beugungserscheinungen, bei [25,49, abhängen. Solche sind die 51 • vorwiegend • • Prismen oder Gitter zur und lichtstark in die verschiedenen Spaltbilder gleich der Brechung ausgenützt (siehe (gute Lichtausnützung), Wellenlängen) weit auseinander auseinander, Bei Gittern wird die Dispersion gewöhnlichem Strichgitter reflektierten Strahl und die eignete liegender Wellenlängen [56,57], nur werden, [49,58]). im infraroten Gebiet oder für noch zu Ort (blau) liegen verteilt sich die Lichtenergie auf den Spektren vieler Ordnungen (siehe z.B. Berechnung insbesondere am sie mittels Beugung und Interferenz erreicht. Bei die nur noch noch ein Spektrum erzeugen, sog. Echelette-Gitter normale Gitter X A eng beieinander. Furchenform können Gitter erhalten Idealfall wiegend (rot) aber ihre ist nicht konstant. Da¬ des Spektrums nicht gleich weit voneinander entfernt. Für kleine X spektralen Auf¬ 55]). Wellenlängenabhängigkeit für grosse Brechung, und die Absorption und Reflexion. billig Prismen sind Dispersion (Aufspaltung einem die muss Wellenlängen müssen Eigenschaften der Strah¬ der Wellenlänge verwenden Bei Prismen wird die weit Letztere Hilfe gezogen werden. zu durch sind die geometrischen Optik. Strahlenbündel, Zur Auftrennung des Lichtes nach Kap. 6.3.). unter anderen auch der eines Lichtstrahls im einheitlichen 3. geome¬ Zur Be¬ [50]: der verschiedenen 2. und zur klassischen Mechanik. optischen Instrumenten, Voraussetzungen Für besondere zur unterscheidet Wellenoptik verhält sich Wellenoptik Die trischen Optik ähnlich wie die Wellenmechanik [49] oder Strahlenoptik, physikalischer oder physiologischer Optik (z. 1. von "gemischtes Spektrum". gehorcht beruht auf den (Spektral¬ einzelne Wellenlängen auf nur Die Kombination beider Arten Linienspektrum. ein man wenig lichtstark sind. für den sichtbaren Bereich erhältlich. unzerlegten, [49]). Durch ge¬ wenige oder im (Beschreibung Solche Echelette-Gitter werden längere Wellen verwendet, wenn siehe vor¬ dort Erst in neuester Zeit sind Echelette-Gitter Allerdings sind sie nicht gerade billig. 64 - Ein Vergleich der Lichtstärke von Prisma und Echelette-Gitter bei Auflösungsvermögen [59] Lichtausnutzung steht der Vorteil der nahezu konstanten aber in jedem Geisterbilder, teuer, billige Fall wird die Absorption, Filter werden oft zugleich eingesetzt Auflösungsvermögen, mit der Lichtausnützung der Filter wird unterschieden zwischen [25] Interferenzfilter verwendet Rohner wurden, und . sind Strutt Anwendungen von König [19,20], Mit Prismen oder Gittern ten ist Strahlenganges Dispersion luste an Linsen oder optischen Flächen und optische Strahlengang solcher [10], zusammen Es sind zwei die Spektrographen, haben sollen [13]. nur geringes Je nach Bauart Grenz- und Schmalband- oder Geräte, zu Frühling braucht deren Konstruktion Filter [11,15], wenn man zur Chatten Herstellung Konkavgitter gleichzeitig möglich. [l3] , eines definier¬ verwendet Dabei werden werden, Strahlungsver¬ Aufbau dient der Strahlengang Erzeugung zu An den optischen Aufbau wurden struktion, billige gewonnen werden. Dabei gewisse Abbildungsfehler vermieden. der Lichtquelle bis von Spektrum usw., beschrieben worden. 6.2. Der Gute Gitter sind und zeigen vielfach entstehen. Breitband-, Spiegel. Nur und Fokusierung [8] den Pris¬ Interferenz, ausgenützt [25,60]. für sehr einfache aber gute gegenüber Dispersion entgegen. Filtern kann ein von der Gitter Gitter sind nicht stabil die durch Fehler der Teilmaschine Auch mit einer Reihe gleichem fällt zuungunsten des Prismas aus. Dem Nachteil der schlechteren men - den Spektrums und umfasst den photoelektrischen Wandlern. folgende Anforderungen gestellt: Elemente in bewährter grundsätzlich eines Anordnung, einfache Kon¬ kleine Lichtverluste. verschiedene Methoden der Auswertung des Spektrums möglich: 1. Die Intensität im Spektrum kann an gewissen Stützstellen sehr schmalbandig be¬ stimmt werden. Wenn sich der Verlauf zwischen 2 Stützstellen nicht stark ändert, wie dies z.B. des wirklichen gut. Spektrums bei Linienspektren durch lineare der Fall Verbindung ist, plötzlich dann ist die Näherung der Werte zweier Stützstellen - 65 - 2. Das Wellenlängengebiet wird eingeteilt in Bereiche A X zur die , je einem Wandler (ev. gewichteter) Angezeigt wird dann ein Auswertung zugeführt werden. Mittelwert des Bereiches. Dabei sind Spektrallinien einbezogen. Die zweite (und Lösung ist von Vorteil, dieses nicht monochromatisch Wandler klein ist. Aus zu wenn sein sehr wenig Licht braucht), letztgenanntem Grund, oder die aber auch aus zur Verfügung Empfindlichkeit steht der geometrischen Bedingun¬ gen, wurde hier die zweite Methode der Spektrumsbestimmung angewendet. Bei dieser Arbeit ist das Spektrographen, der sehr Hauptziel schnell, die direkt anzeigt. Dazu wurde eine Kanalzahl bemerkenswert grosse Genauigkeit Prüfung der Ausführbarkeit eines kontinuierlich und ohne mechanisch bewegte Teile (n = 10) vorgesehen, (siehe Kap. 7) erwarten die lässt, zwar nicht eine mit der aber ob- genanntes Ziel erreicht wird. Der optische Strahlengang (siehe Kap. 6.6. ) lel gerichtet. Zur auf den Dispersion Kameraobjektiv vereinigt bildern, die je nach Eine Scheibe ist dargestellt dem Die und Durchmesser 48 mm. Das wurde ein Prisma verwendet Wellenlänge Spalt. Fig. 31. von der Lichtquelle (siehe Kap. 6.3.). die Strahlen wieder auf der Ebene der Wandler an zur Objektive Beide sind des Spaltes wird erhalten durch eine sind Achromate mit Brennweiten f gleich, = Kollimator-objektiv Prisma -J=_- \ Y\j<ameraobjel<tiv Spaltbilder Fig. 31 Strahlengang des Opalglas 164 - mm sodass der Spalt in natürlicher Grosse abgebildet wird. Spalt Das Spalt¬ verschiedenen Orten erscheinen. gleichmässige Ausleuchtung vor in Spalt fallende Licht wird durch das Kollimatorobjektiv paral¬ Spektrographen 66 - In den - können noch verschiedene Strahlengang Vorrichtungen zusätzlich hineinge¬ bracht werden: a) Eine Küvette b) Filter, zur Untersuchung der Durchlässigkeit deren Absorption festzustellen von Flüssigkeiten, ist, c) Blenden, d) ein Schieber Verdunkelung zur 6.3. der Photodioden Dispersion des Prismas ß Fällt ein Lichtstrahl unter einem Winkel Medien, dann wird ein Teil des Strahls unter dem durchgelassen. Teil Das Brechungsindex n. Der ter dem Winkel V ; es n ren von der gilt Wellenlänge Grosse ist abhängig Fig. 32 zum Lot auf die Trennfläche zweier gleichen Winkel reflektiert und ein optische Verhalten der Medien wird charakterisiert durch den durchgehende Teil der das Gesetz sin Ist (siehe Kap. 6.5.). (3 • von n. Strahlung verlässt die Trennfläche un¬ Snellius: = X der Strahlung abhängig, dann tritt Dispersion ein. De¬ vom Material und Strahlablenkung am von der Geometrie Prisma (Bezeichnung (siehe Fig. 32). siehe Text) 67 - - Man unterscheidet beim Prisma zwischen: Materialdispersion dn _ D = , dX Winkeldispersion und linearer dS dS dn dS dA. dn dX dn Dispersion ds dS , = den S wobei dehnung I d6 _ u • dX dn f die Brennweite des Ablenkwinkel, in der , = i dX Abbildungsfläche (siehe bedeuten Kameraobjektivs Wir betrachten in Fig. 32 einen unter dem Winkel lenden und unter dem Winkel Fläche erscheint er Winkel Dabei wird ß» aus- Y unter dem Winkel total % unt* tritt 2 um aus die Aus¬ An der zweiten dem Prisma unter dem 6 abgelenkt, der den Winkel s auf das Prisma einfal¬ ^ darin weiterlaufenden Lichtstrahl. , er (i und [ 25,49,51-55,61]). dazu z. B. zu berechnen ist. Es gut: »! 8 X2 + Ej = sin ß j + =n (6.1.) « = £2 sin (ßj = Xj - Xt) sin , + ß2 (ß2 = n - K2) sin = Pj + ß2 - (6.2.) oc (6.3.) Jf2 damit: ^ = ßj - oc + arc sin Ein Prisma wird allgemein lösungsvermögen und die lenkung wird erhalten für [sin oc V n -sin im Minimum der Helligkeit ß1 = am p2 = ßj cosecsinßj ] Ablenkung eingesetzt, grössten ß, - sind X1 = [59]. ï2 = (6.4.) da dann das Auf¬ Das Minimum der Ab¬ 8 [49,61]. 68 - - Damit wird: X 2 ß sin & und im n = 1 sin X = 2 und 6. 6.3., 6.2. n — 60°, = - dem meist verwendeten Winkel: (6.4!') (n t 2) 06 l! folgt: Sln sinfî = (6.4!) oC - 2 für OC sin arc (6.3.) sin— 2 sin-f1) (n 2arcsin = n = B speziellen 6 Aus (6.l!) oc = : = (6.5.) sin Y sin Die Ableitung von (6.5.) wird, \ T 1 / 2 Berücksichtigung ]f cosl-^-^l dn unter 2 - n von (6.4!): 2 . Bin , „ , (6.6.) - 2sin Die [-^-\ Winkeldispersion 2 sin (%-) wird: _ d& # dA. _dn = D. 2 sin d^ dn ,PC x (-£-) fi 2 [l - n2 sin2 2 ,1 (-^-)J 2 ,«* (6.7.) und die lineare Dispersion: = QA f. 4|Cl A = f • D- 2 sin Ä [l - n2 sin2 (-£-)] 2 (6.8.) 69 - Für 06 = 60° gilt speziell: \ dX Das kopie, zwei - Auflösungsvermögen A, gibt an, wie nahe zwei (6.8D / 4 eine weitere charakteristische Grosse der Wellenlängen getrennte Linien festgestellt werden beieinander zu können. liegen dürfen, Es gilt um Spektros¬ noch als die Definition von Rayleigh: A = -A- Wird die Breite des auf die Prismenseite auffallenden Strahlenbündels mit a, die Kantenlänge Prismas mit b der Prismenseite gegen dieses Bündel mit 1 und die bezeichnet, gilt (mit Gleichung 6.3! und 2 1 sin— 2 b = a = 1 cos b = 2 Anderseits dann a p sin muss = 6.6.): (6.9.) 1 [l r OC (-^-) - 1 n2 sin2 2 - n (—)] 2 sin 06 (6.10.) 2 1 -±2 (—) gelten: (6.12.) AS»— a Damit wird , Basislänge des X X d 6 X d h AX A 8 dX X/a dn D.bD 70 - Gesucht wurde ein Diese soll etwa bereich A \ (d = 2 mm), Sortiment preislich günstiges sein, gross so 0,3 = um Spindler auf grosse Lichtstärke und Brennweite ma ist Schwerflint mit aus nd nF Daraus b = nc - ergeben D = & = = 0,0257 *p folgende sich 0,151 59° gelegt (f 40 mm, oc Xd 1,728 = Prisma wie Achromate wurden aus dem = = do 587,6 nm = 486,1 nm um"1 lösung beträgt Mit den -^r 15 nur 4|r und 48 = mm). Das Pris¬ folgende Daten: Xc 44-= 0,3 JS- 49,2 -22L As werden konnte d = 656,3 nm (Mittelwerte): Werte: 32- = 164 mm, und hat = 0,504 Berücksichtigt = 60° = d>. -^ Bei den Achromaten wurde Wert ausgewählt. er Wellenlängen¬ aneinandergereihten Photodioden entspricht. und Hoy Dispersion. Prisma mit grosser A s für den verwendeten dass etwa der Breite der d.h. etwa 20 mm, von - = um 15 » je am A mm die mittlere 25 11m"1 R> Dispersion. Ende des 6000 Die verlangte Auf¬ Wellenlängenbereichs. angegebenen Werten sollte die gestellte Aufgabe gelöst werden können. 6.4. Anordnung der Photodioden An die Befestigung der Photodioden müssen folgende Bedingungen gestellt wer¬ den: 1. Die Photodioden müssen unverrückbar gegeneinander befestigt sein. 2. Sie müssen in der 3. Sie sollen winkel. gleichen parallel liegen, Ebene da die (Abbildungsebene der Spaltbilder) liegen. Empfindlichkeit abhängig ist vom Einstrahlungs¬ - 4. Sie sollen gleichmässig über den zu 71 - untersuchenden Wellenlängenbereich verteilt sein. 5. Sie sollen gegeneinander abgeschirmt sein. Alle diese Forderungen die ein Lochraster parallel, erfüllt, enthält, eingesteckt unverrückbar und Ende der Bohrung dient als liegen. werden Die seitliche d.h. etwa 3 Jede Diode Verschiebung Diodenkopf an ••• fängt die Photodioden in eine (siehe Fig. 33). Fig. 33 am ist auf tylO zu des Diodendurchmessers einer bestimmten von 2 mm Wellenlänge auf 5 nm. einen Wellenlängenbereich A X ein in der Intensität Eisenplatte (siehe Kap. 6.2. ). (siehe Fig. 34). die Intensität der mittleren Wellenlänge werde ungeschwächt aufgenommen. Wellenlänge X Ein Grat sodass alle Diodenköpfe in der gleichen Ebene ist rund und mit einer Glaslinse versehen (Fig. 34b), Eisenplatte, Die Dioden sind gegeneinander abgeschirmt angebracht. Anschlag, genau einstellbar und damit die Zuordnung ——, wenn werden A Der Nehmen wir eines Intervalls A X Dann wird eine im Abstand q davon auftreffende um den Faktor mit Lochraster zur 1/1 - [-3—] geschwächt. Aufnahme der Photodioden Schnitt durch die Photodiode 1 N 2175 Flg. 34 a Fig. 34 b 1 Fokussierende Glaslinse 2 n-p-n Si-Kristall 3 Isolator als Distanzhülse 4 Hartglaskörper 5 Zuleitungen (vergoldet) Masse in mm Abbildung des Spaltes auf die Photo¬ diode Die Grosse Abbildung des Spaltes erfolgt (für (Breite A s). Infolge A X ist. von jeder kleinen zu X = 450 = • 30 460 nm, • • grossen 750 nm Dispersion Licht) ist für siehe in Text) natürlicher jedes Wellenlängenin¬ verschieden. Die Breite A s variert also für gleiche X , das einer bestimmten Diode zugeordnet Photodiode kann einigermassen konstant gehalten werden durch eine Mit dieser A X s A X je nach dem Wellenlängenbereiche monochromatisches der nichtkonstanten tervall die Breite des Spaltbildes A (Bezeichnungen X zunehmende Abdeckung der Diodenbreite. Anordnung ran. Dieser wurde für eingeteilt. Die mittlere die der letzten 730 Interferenzfiltern. umfassen die Photodioden einen Bereich nm. n = von 10 in 10 Bereiche der Breite Wellenlänge Die Punkte Xm X der ersten Diode wurden geeicht beträgt mit Hilfe von - 73 Aufbau 6.5. Der Der Strahlengang dichten, abgewinkelten wurde (siehe Fig. 35). vom Spalt Kanal aus Optik Blech, 59° brachtes Opalglas. mit einem Spalt Der Direkt Schieber, den Photodioden befindet sich in einem licht¬ ausgestrichen der innen mit Wandtafellack 32' beträgt und mit wurde mit Reitern auf einer aufgebaut. zu 6 des Der Winkel wird bestimmt durch den Ablenkwinkel Lichtstrahls im Prisma, der tisch bis - wird vor der den 60° angenähert optischen Bank, homogen ausgeleuchtet durch ein den Photodioden befindet sich eine Strahlengang zu wurde. Die das Prisma auf einem Prismen¬ unterbrechen vor diesem ange¬ lichtdichte Wand gestattet (siehe auch Fig. 36 und Fig. 55). 1:10 Fig. 35 optischen Teils Aufnahme der Photodioden 5 Platte Kollimatorobjektiv 6 Beidseitig je 60°-Prisma 7 Blende 8 KUvette ten 1 Spalt (Breite 2 3 4 1,5 mm) Aufbau des max. aus Kameraobjektiv Schwerflint zur zur zur 5 Verstärker Verdunkelung der Photodioden Untersuchung Filterhalter befindet sich von vor Flüssigkei¬ dem Spalt - Fig. 36 Rechts: Ansicht des folgenden gezeigt wird, eine besondere dieser Kompensation) Einblick in den elektronischen Teil 6.6. Wie im - optischen Teils (Anordnung der Verstärker, der Photodioden und der Links: 74 Lichtquelle muss für Absorptions- und Reflexionsmessungen Lichtquelle verwendet werden. Emissionsspektren können relativ speziellen oder zu besonderen zu Eichlichtquellen ausgemessen werden. Lichtquellen für optische Messungen müssen örtlich und zeitlich konstant sein. Je nach Verwendungszweck wird eine kontinuierliche oder eine diskontinuierliche (Spektrallinien) Intensitätsverteilung vorgezogen Eine mit Wechselstrom betriebene [25]. Lichtquelle kommt nicht in Frage, da diese Intensitäts- und Farbflimmern aufweisen würde. Ebenfalls unbrauchbar für de Anwendung sind Quellen Wellenlängen stark mit diskontinuierlicher Emission. bevorzugt. vorliegen¬ Damit würden einzelne 75 - Eine kontinuierliches Deren Glühlampe. - Emissionsspektrum erzeugt Energieverteilung analog 1st Strahlungsgesetz gehorcht [503. dem Planck'schen Aenderung temperaturen eine starke einfachsten mit einer man am der eines schwarzen Körpers, die Darnach ist für übliche Lampen¬ der Intensität von kurzen zu langen Wellen vor¬ handen. Mit der Erhöhung dieser Temperatur verschiebt sich die Wellenlänge der maximalen Intensität gemäss dem Wien'schen Wellenlängen. Bereich kleiner. ten, dann ist dicker der es Will Glühfaden, umso Intensitätsverteilung Fig. 37 b ist die dass sich jetzt die bei einer bei Aenderung im sichtbaren erhal¬ Glühfadentemperaturen einzuhalten. Temperaturen sind zulässig. Je Denn bei einem Materialabtrag infolge Verdampfen nicht der Am besten eignet sich eine Wolframbandlampe. Temperatur Empfindlichkeitskurve energiegleiche Emission) sieht, höhere kleineren zu (energiegleiches) Spektrum ebenes hohe gleicher Temperatur wie bei einem dünnen. gefährlich Deren möglichst vorteilhaft, möglichst dicken Faden ist bei so ein man Verschiebungsgesetz grosser und deren Dabei wird die Intensität von 2870°k zeigt Fig. Verwendung Empfindlichkeit 37a. (siehe Fig. 1 N 2175 der Photodiode In 6 für Wolframbandlampe gezeichnet. einer Man im sichtbaren Bereich etwa 1 : 20 ändert. Ausserdem ist die Dispersion des Prismas für kleine Lichtwellenlängen viel grosser (etwa als für grosse 10 mal grosser). Ohne Prüfobjekt im Photostrom in der ersten und letzten Photodiode etwa 1 ter solchen Umständen können keine : Strahlengang würde der 200 verschieden sein. Un¬ guten Absorptions- und Reflexionsmessungen er¬ wartet werden. Besser als eine temperatur Glühlampe eignet und ohne Linien im sich eine Spektrum. Diese Xenon-Hochdruck-Gasentladungslampe [22]. die spektrale Empfindlichkeit Fig. bei um messungen 0,46 und 0,73 pm Dispersion bedingte, Empfindlichkeit dem KO ein ebenes die Deren ist à'usserst erwünscht. Die restliche durch die unterschiedliche dioden nach Anforderungen zu fast Spektrum als völlig ein am besten eine Xenonlampe ist hier < Variation, 1 : als Quelle zeigt 2. Die Anhebung insbesondere auch die konnte mittels Einordnen der Photo¬ Verschwinden gebracht werden. Um auf Ausgangszustand erhalten, genügt jetzt Verstärkung regelt. zum hoher Farb¬ erfüllt Emissionsspektrum zeigt Fig. 38a; der Photodiode mit einer 38b. Die Variation zwischen 0,46 Gasentladungslampe für Ausgleichen Zudem steht mit einer Absorptions- mit dem Xenonlampe und Reflexions¬ Potentiometer, viel Licht zur das Verfügung. - 76 - 100 ^ y — / \/ »o / / M •a S 60 a. a- & / j \ / \ \ \ \ Ab / / y at os as 0.7 as [jjm] Wolframbandlampe bei Emission einer Fig. 37 a Relative spektrale b Relative spektrale Empfindlichkeit einer 10 0.9 Wellenlänge der Photodiode 2870°k 1 N 2175 für Licht Wolframbandlampe 100 1\ 1 \ 80 * — I \ / / / / 1 -7 / " » — ,b 6° - ——— ——* * - , y (U 0.« 05 .0.55 Wellenlänge Fig. 38a b 06 065 0.75 [prit] Relative spektrale Emission einer Xenonlampe nach [22] Relative spektrale Empfindlichkeit der Photodiode 1 N 2175 für Licht der Xenonlampe - Die verwendete Xenonlampe 77 - XBO 1001 der Firma Osram einen Lichtstrom von 30'000 Im ab bei einer Lichtstärke mittleren Leuchtdichte ändert eich wohl die 38*000 von Intensität, cd/cm 2 . Wird der nicht aber die von gibt bei Nennbetrieb 3'300 cd und einer Lampenstrom geändert, spektrale Zusammensetzung so der Strahlung. Für die spiegel Lampe wird die nahe einer Strahlung verlangte liefern kann. spezielles Gehäuse konstruiert. Durch einen Hohl¬ in die gewünschte Austrittsöffnung, abgeschlossen die wurde ein Richtung verstärkt. die durch ein Filter oder ein werden kann. Als Leerlauf Spannung Stromversorgung dient von > Der Bogen brennt Opalglas (diffuses Licht) ein Schweissumformer, 70 V und den Betriebsstrom von 30 • • • der 50 A - 7. MESSUNGEN, 78 - VERGLEICH ANDEREN MIT SPEKTROPHOTOMETERN 7.1. Unter dem von Begriff Spektrophotometer Spektren zusammen, die mit phen sind Geräte, die ein Spektrophotometer der Messmethoden fasst man photoelektrischen Spektrum sichtbar alle Geräte Bestimmung zur Wandlern arbeiten. machen (KO) Spektrogra- oder aufzeichnen (englisch: recording spectrophotometer). Je nach der reichbaren mit der das Messmethode, Spektrum mögen A Grenzen gesetzt. Diese empirischen Formel von Luft sind der er¬ Auflösungsver¬ verknüpft miteinander nach der (siehe [25], S. 310): F folgende, grundsätzlich sung unterscheiden wird, F und dem systematische Mängel, d.h. Mängel Grenzen sind der Methode selbst. Die erwähnten Grossen sind Man kann bestimmt Registriergeschwindigkeit W, der Genauigkeit A2 ifw" = konst. verschiedene Messmethoden einer spektralen Mes¬ [25]: 1. Die Ausschlagmethode: Man misst nacheinander den Photostrom des der durch Standard und Prüfling hervorgerufen wird, z. B. Wandlers, mit einem Zeigerin¬ strument. 2. Die Kompensationsmethode : elektrisch Man (durch Gegenspannung des Differenzstromes dient z. B. kompensiert oder mit ein den Photostrom des Wandlers Brückenschaltung); zur Nullanzeige Zeigerinstrument. 3. Die Substitutionsmethode: Man kompensiert den Photostrom des Wandlers optisch durch eine Standard + Aenderung 4. Lichtschwächungseinrichtung; Lichtschwächungseinrichtung der Lichtschwächung Die Flimmermethode: Prüfling und Standard + Absorption abgelesen wird, Prüfling Strahlengang gebracht Photostrom 3, aber Man kompensiert dienen an und und durch abgeglichen. abwechslungsweise Lichtschwächungseinrichtung durchstrahlt, Lichtschwächungseinrichtung, Polarisationsprismen. gleichen Sie arbeitet wie Methode Wechselsignal entsteht. Als auf nacheinander werden in den wird sodass ein auf Wechselstrom 0. der direkt die Durchlässigkeit, bzw. Graukeil, Kammblende, rotierender Sektor oder 79 - - Gemessen wird mit einem oder mit zwei wobei der zweite dazu Wandlern, dienen kann, die Schwankungen der Strahlungsquelle unwirksam dem werden ein oder zwei Strahlengänge schwankungskompensation oder zur verwendet, Aufnahme des Standards Bei Methoden 3 und 4 braucht der Photostrom nicht tungsstärke genaue zu sein; bei Methoden 1 und 2 hingegen Messung. Präzisionsmessungen (siehe zu machen. wobei der zweite der [1], [25] S. Strahlungs- (Methode 4) dient. proportional ist dies Ausser- zur Voraussetzung 271) Beleuch¬ für eine können darum nur mit Methoden 3 oder 4 erhalten werden. grundsätzlicher Ein weiterer des Einflusses von Schwankungen tungswechsel) der Messung aus der (sofern diese bei Methode 4 immer am kungen beträgt treten sie bei Methode 1 immer auf. Schwankungen berücksichtigen. bei Spektrophotometern da sie die meisten Fehlerquellen der bis Strahlungsleistung Strahlungsleistung l«--2% (siehe wenn aus. Daher der Lichtquelle. z.B. [2,62], [25] muss • S. 252). Eine Variation 5 mal grösseren der Strom der Spaltbreite. Besonders chromatische Strahlung vorausgesetzt z.B. • Der Einfluss dieser Schwan¬ Aenderung der Lichtquelle gut stabilisiert dieser Fehler klein bleiben soll. Fehler durch endliche (siehe enthält, wenige aufweisen. des Speisestromes wirkt sich in einer etwa 4- b) Während sind als der Beleuch¬ wichtigsten Fehlerquellen sind: a) Schwankungen sein, Berücksichtigung der Lichtquelle. Schwankungen langsamer Ungenauesten, während Methoden 3 und 4 nur Die die Fehlerquellen Die Methode 1 ist Strahlungsleistung herausfallen, Die Methoden 2 und 3 können diese 7.2. Unterschied der Methoden ist die [1,63], [25] S. 283). wird, bei Messungen, ist dieser Fehler Um diesen Fehler klein zu bei denen zu mono¬ berücksichtigen halten, werden oft Doppelmonochromatoren verwendet. c) Streulicht. Der Messfehler, der durch Streulicht verursacht ebenfalls durch Nichtmonochromasie der ders bei (siehe ungeschickter Anordnung z.B. [64], [25] S. 287). Strahlung. des optischen wird, Dieser Fehler Aufbaus, entsteht kann, beson¬ beträchtlich werden 80 - d) Temperatureinfluss Strahlengang auf und bei Präzisionsmessungen aus. Dabei auf etwa ± 0,1°C (siehe [1], [25] bar sein soll tät Ip(E) ist suchten Alterung Abweichung [62]. sucht werden (Aenderung die als Die nicht wird, auch mit ausge¬ muss k) Ablesefehler einer bes. bei der [1,62], [25] z.B. Skala, Fehlerquellen, a) Schwankungen bei genauen Messungen aber unter¬ (siehe Kap. 4) Ermüdung) Instrumente, Verstärker, die auf die entwickelten neu Genauigkeit Photomultipliern kann dieser Feh¬ usw. der Lichtquelle. In Stromschwankung. [ 221 sind bei dem • • • Hierüber wurden keine wird für die die 1,6 Dabei bleibe die Bei konstanter der Lichtstärke maximal ± 1 haben, berücksichtigen: zu Strahlungsleistung Strahlung konstant. Spektrographen einen Einfluss Strahlungsleistung angegeben, sie verursachende und bei Gleichstrommessungen. eigenen Untersuchungen angestellt. der 254). von usw. Spektrographen der S. Verwendung Schaltung. Fehlerquellen des hier beschriebenen selten erreicht. kompensiert wird, beträchtlich werden. Nichtlinearitäten der Schwankung klein, Proportionali¬ Proportionalität Eine proportional gelten, (bis 15%) (siehe Bei Photowiderständen i) kung besten am beträchtlich h) Empfindlichkeitsänderungen der Beleuchtungsstärke. bei Messmethoden 1 und 2. der Verstärkung des Vervielfachers durch wenn er Als 270). S. und Photodioden g) Nullpunktsschwankungen, 7.3. Messung reproduzier¬ und Ermüdung des Wandlers. Dieser Einfluss bleibt bei Vakuumphotozellen ler, die wenn bei einer Beleuchtungsänderung 1 :10 Vakuumphotozellen, Meist ist die f) %o wirkt sich besonders die Temperatur der Messeinrichtung muss Photostrom und Voraussetzung besser 1 von von Prüfling. Dieser gehalten werden, genau konstant e) Nichtproportionalität - Xenonlampe mal so spektrale Zusammensetzung Netzspannung betrage 1,5 %, eine gross sei wie die die zeitliche Schwan¬ die der Leuchtdichte ± 0,5 • • • 1 %. 81 - b) Der Einfluss von Spalt, Justierung nicht gemessen. Die zeigt, dass z. Rotlicht vorhanden zuwenig (Fig. 45) c) Die Abweichung stärke. handelt und Streulicht ( ist, zeigt er Am zuviel = 520 Hilfe des sich nm) (Fig. 43), z.B. [63, 64, 65]) nicht exakt wenn arbeitet; • wurde • • 46) wenn dieses geschwächt wird, an. der Proportionalität zwischen Photostrom und Beleuchtungs¬ von Genaue Proportionalität ist bei der es (siehe Auswertung verschiedener Spektrogramme (Fig. 43 der dritte Kanal B. - hier, eine Voraussetzung. Ausschlagmethode, Sie wurde auf einer Entfernungsgesetzes untersucht. Wird und eine solche um optischen Bank mit der Photostrom gegen das rezi¬ proke Quadrat der Entfernung einer punktförmigen Lichtquelle (Wolframbandlampe) von Wie der Photodiode aufgetragen, Fig. 39 zeigt, ist dies für Um sicher optische zu sein, so entsteht bei Proportionalität Ip(E) eine Gerade. eine Photodiode 1 N 2175 nicht exakt der Fall. dass nicht ein systematischer Messfehler vorliegt, Bank kontrolliert durch Ausmessen einer Photodiode TP 50, die nach Proportionalität zeigt. 15 0.5 7 Reziprokes Prüfung der Proportionalität der Entfernungsquadrat a) b) wurde die Si-Photodiode 1 N 2175 Ge-Photodiode TP 50 [31] - Wie Messungen mit verschiedenen 82 - genau bestimmbar und kann darum durch gliedes d) in den Kanal ist die Beleuchtungsstärken zeigten, Einfügen nachträglich kompensiert werden Abweichung entsprechenden eines (siehe auch Korrektur- Kap. 8.2. ). Nichtlinearitäten der Schaltkreise. Die Nichtlinearität der Verstärker mit dem Kap. Eingangssignal 5.6.). Auch die Demodulatoren weisen keine merkbare Nichtlinearität auf Kap. 5.7., Die (siehe ist sehr klein besonders Fig. 22). Integratoren zeigen für sehr kleine (siehe Kap. 5.8., speziell Fig. 25). höchstens etwa 2 (siehe Kap. 8) % (siehe Signale Der eine Abweichung der dadurch Fehler, des Maximalwertes werden. Auch diese durch ein entsprechendes Korrekturglied fast von der Geraden entsteht, kann Fehlerquelle kann völlig unwirksam ge¬ macht werden. e) Zeitliche Inkonstanz. Schaltkreise ist gut. Die zeitliche Konstanz des Photostromes und der meisten die einen leichten Drift aufweisen. Bei der sich, dass während schiedenen Kanäle Durch längerer auftritt, Wiederholung Verhaltens, zu der zeigt ver¬ erwarten wäre. bis zum trotzdem mit der im nächsten Kapitel ge¬ gemessen werden. Auflösungsvermögen, Wellenlänge (siehe Fig. 43) Signale energiegleiches Spektrum kann, Messungen das durch die Zahl der Wandler bestimmt ist (siehe Kap. 6.3.), gestattet nicht, Spektren, keit mit der des ganzen Gerätes als durch den Drift der Verstärker 7.4. Das kleine Ausmessung Zeit eine stärkere Variation der des Einsteilens auf Erreichen eines stabilen zeigten Genauigkeit (siehe Kap. 5.6.), Eine Ausnahme machen nur die Verstärker aufweisen die starke (z.B. Bandenfilter), werden mit leicht verschobener (um Aenderung der auszumessen. etwa 10 ••• 15 nm Durchlässig¬ Kantenfilter für RG 1) Kantenlage gezeigt. Die Das Registriergeschwindigkeit (Abtastfrequenz) Spektrum wurde erscheint auf dem KO sauber und stabil zu 100 Hz festgelegt. (siehe Fig. 41--«46 und 51« "54). - 83 - •0 * I «o 60 10 20 korrigierter [%] Korrekturkurve bei Berücksichtigung der Fig. 40 portionalität Ip(E) 100 80 Wert Messfehler, die durch Nichtpro- Integrators maximal entstehen und Nichtlinearität des können. Zur Bestimmung der Genauigkeit wurde Breitbandfiltern der Jenaer Glaswerke lässigkeitswerte wurden noch chenden Filterglases (Kurven gesetzt, dass die in halten werden, was, [66] korrigiert x in Fig. [66]. Spektrograph Die dem 47--« 50). Beider für die © (Kurven A der ), ). Durchlässigkeiten ebenfalls die mittels der Korrekturkurve Werden die Nichtproportionalität schon die zwischen den zu Die gross sind, eingezeichneten ( (1 genau einge¬ veränderten Werte der Photodioden und die Nichtlinearität und A dann werden Messwerte ) liegen. Nur bei Werten, er¬ die wird der Fehler bei Korrektur grosser. Photographien (Spektrogramme) Edixa Reflex D O voraus¬ gleichen Figuren eingetragen (Fig. 40) Integratoren mittels Korrekturkurve berücksichtigt, halten, Auswertung entspre¬ wurde kaum der Fall sein wird. Kantenfiltern, Die Messwerte der einzelnen Filter wurden in die (Kurven Katalog ausgemessen mit entnommenen Durch¬ mit dem Reflexionskoeffizient des angegebenen Werte besonders bei der sec Belichtungszeit, wurden Blende aufgenommen mit einer Kamera 4). Fig. 41 zeigt das Spektrogramm eines "energiegleichen Spektrums", das durch entsprechende Einstellung der Verstärkung mittels Potentiometer erhalten wurde. - Ausgangsverteilung Dieses wird als Fig. 42 zeigt das Spektrogramm, signal (0%-Linie) betragt Fig. 43 zeigt das der etwa 2 % 2, Fig. - Strahlungsdichte (100%-Linie) das ohne angenommen. Beleuchtung erscheint. Das Rest¬ des Maximalwertes. Spektrogramm Wärmeschutzfilters KG 84 1, Fig. eines Rotfilters RG 44 das eines 45 das eines Blaufilters BG 23 und Fig. 46 das eines Blaufilters BG 34. Die Auswertung Messungen erfolgt der (in Fig. Der Sollwert eines Filters wert (in Fig. die dritte © in Tabelle , Zeile) wurde als in den Fig. 47 x, in Tabelle je erste • • • 50 und in Tabelle 1. Zeile) wird mit dem Mess¬ je zweite Zeile) verglichen. Die Differenz (in Tabelle je Fehler, bezogen auf Maximalwert, betrachtet. Für die 4 pro Kanal auftretenden Fehler wurde der durchschnittliche Fehler berechnet. Man sieht aus Tabelle 1, dass dieser Wert zwischen 1,4 (Kanal 9) schwankt. Der mittlere Fehler aller Kanäle beträgt linearität (siehe Fig. 47- • 50) • 4,6 %. und 9,5 (Kanal 3) Bei Korrektur der Nicht- würde der Messwert im schraffierten Gebiet liegen, sich also verbessern. Ein Teil des Fehlers verwendete, näle sehr einfache beträgt der Fehler dürfte, besonders für die Kanäle 3, 4 und 10, auf die Optik zurückzuführen sein. Ohne die drei erwähnten Ka¬ nur 2, 5 %. Fig. 41 Spektrogramm eines "energie¬ gleichen Spektrums" Vertikal 0,2 V/cm Horizontal 1 ms/cm (100%-Linie) Fig. 42 Spektrogramm ohne Belich¬ tung (Störpegel, 0%-Linie) - 85 - Fig. 43 Spektrogramm eines RG 1 Rotfilters (Masstab siehe Fig. 41) Fig. 44 Spektrogramm eines Wärmeschutzfilters KG 2 Fig. 45 Spektrogramm Blaufilters eines BG 23 Fig. 46 Spektrogramm eines Blaufilters BG 34 - - 0.55 (US Fig. 47 86 Auswertung des Spektrogramms des Rotfilters RG 1 (Fig. 43): (nach [66]) x Sollwert o Messwert A Korrigierter Wert (nach Fig. 40 korrigiert) Messwert liegt bei richtiger Korrektur im schraffierten Gebiet) (Der 60 1 r o 20- 10 Fig. 48 Auswertung 0.65 0.55 0.« des (Bemerkungen Spektrogramms siehe Fig. 47) des Wärmeschutzfilters KG 2 Kanal 0.75 a[jim] (Fig. 44) 87 - - [S] 60- "m 1 8 % s *u^ \ a 20" o- 1 1 1 2 ! t 3 < O.<5 Fig. 49 6 Auswertung des • 10 ! Kahal 0.7571 BG 23 (Fig. 45) des Blaufilters BG 34 (Fig. 46) Spektrogramms des Blaufilters siehe Fig. eus 7 0*5 0.55 (Bemerkungen Fig. 50 1 S 47) 0.5S Auswertung des (Bemerkungen Spektrogramms siehe Fig. 47) - 88 - Fig. 51 Spektrogramm Vertikal 20 der 0 o-Linie, mV/cm Fig. 52 Spektrogramm filters von eines Interferenz- 486 nm (A m des 2. Kanals 490 um) (Masstab Fig. wie Fig. 51) 53 Spektrogramm filters von eines Interferenz- 522 nm (A m des 3. Kanals 520 nm) Fig. 54 Spektrogramm filters von eines Interferenz 660 8. Kanals 670 nm nm) (X m des - 89 - In Fig. 52 • • • 54 werden noch die Durchlässigkeitsmaxima Filter kleine werden, um Spektrogramme in der Nähe einer Kanalmitte Durchlässigkeiten besitzen, gute Anzeige - erhalten zu musste die (20 mV/cm). von Interferenzfiltern, X liegt, gezeigt. Empfindlichkeit gleichen Im deren Da diese des KO erhöht Masstab zeigt Fig. die Nullinie. Tabelle 1 Je 1. Zeile Zahlenwerte in Kanal 1 2. Zeile Messwert, Sollwert, % des 3. Zeile Differenz Maximalwertes 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Filter RG1 0 0 0 0 0 66 90 91 91,5 91,5 (Fig. 43) 2 2 6 2 2 29 79 89 89 89 -2 -1,5 -1,5 (-37) (-11) +2 +2 +6 +2 +2 KG 2 90 90 90 90 90 89 88 87 84,5 80 (Fig. 44) 88 89 86 88 88 88 88 85 84 70 -2 -1 -4 -2 -2 -1 0 -2 -0,5 -10 BG23 87,5 86 80 70 53 32 18,5 12 9 (Fig. 45) 84 84 64 57 48 28 20 12 8 5 -3,5 -2 -16 13 -5 -4 +1,5 0 -1 -1 BG34 69 61 53,5 47 42 37,5 34 32 30 30 (Fig. 46) 64 58 46 44 44 34 32 29 28 24 -5 -3 -7,5 -3 +2 -3,5 -2 -3 -2 -6 2,1 9,5 6 mittlerer Fehler des 3,4 6,8 3,0 3,1 Kanals mittlerer Fehler 4,6 (2,5) 1,5 2,1 1,4 5,9 51 90 - 7.5. Die Vergleich mit - anderen Spektrophotometern Beurteilung dieses Prinzips und der Vergleich der Leistungsfähigkeit dieses Spektrographen mit anderen durchgeführt (siehe Spektralgeräten wurde dazu z.B. unter folgenden Gesichtspunkten [3, 23, 25, 60, 67]): auch Auflösungsvermögen Geschwindigkeit Genauigkeit Aufwand und Lebenserwartung Ausbaufähigkeit 7.5.1. Mit Prismenspektrographen auseinanderliegen (z.B. sonderen [23]). Auflösungsvermögen sind Auflösungen Noch bessere Stufengitter; [60]), siehe wobei die nötige Mit diesem beitenden Auflösungsvermögen kann das hier erreichte nicht spektralen Breite des , deren Breite abhängt Spektrographen und von Auflösungsvermögen vorgegeben (siehe Kap. 6.3.: vermögen kann erhöht werden durch Die Registriergeschwindigkeit benötigen Genauigkeit und von Beckman Coor der schreibenden Auflösungsvermögen, die durch Umbau aus von ein und Smith = 15• • • 25). der Kanäle wer¬ zu verar¬ Bereiche, Das ist Auflösungs¬ (siehe Kap. 8.2. ). Spektrographen Stunden, bis ist klein. Die sie, allerdings mit guter Spektrum ganz aufgezeichnet haben. Er¬ Hardy [4] (30 [14] (1,5 min«--h), einem der Geschwindigkeit mehrere Minuten bis einige wähnen möchte ich hier die Geräte (15 min), oft mit verglichen von der Anzahl der A Vermehrung der Zahl 7.5.2. meisten Vorzerlegung ausgeführt wird. den. Durch die Einteilung in Bereiche A A räte Auflösung die 3-"10pm möglich, lässt sich erzielen mit be¬ Interferenzanordnungen (Fabry-Perot-Etalon, Lummer-Gehrke-Platte, Michelson'sches Prismen das Linien von Witte s... 3min), Cary [68] [6] (1min"- 8h); (meist Beckman-) Spektralphotometer [69] (15 min), Savitzky und Haiford Kaye und Devaney [71] (viele min), Yang und Legallais ausserdem entstandenen Ge¬ [70] (25 min), [72] (einige min). 91 - Erst mit der Verwendung eines - Kaihodenstrahloszillographen Anzeige zur der Spektren wurden grössere Registriergeschwindigkeiten erreicht und damit die Unter¬ wurde mit rotierenden Schaltern Hz), (z.B. 5 mit Filterrad meist mit King 120 und die l-"2Hz) Hz, ein Lubbers de von und 10 Hz, [14] Vos Nie sei oder er¬ [75] 60, erreichte Aenderung Bildfolge Spektrums eines wird 1000 von kaum auf die z.B. man Spektren sec pro von kommen, explodierenden Kolbenblitz¬ einer aufnehmen konnten. Bei dem hier wurde, [74]20Hz, Ablenkung verwendet wird, [76] Stewart mit der sie z.B. lampe etwa Ab¬ etwa Hz) ausgeführt. Wenn mechanische Love 11 50 [19,20], [16] l"«2Hz, Daly [18] u.a. Opt. Comp. [17], und Mitarb. Dieke Strutt Nielsen [73] 18Hz, Wheatley wähntes Gerät der Amer. bzw. und Rohner Schwingspiegeln (z.B. u.a. (z.B. notwendige Die suchung veränderlicher spektraler Zusammensetzungen möglich. lenkung ist eine das mit 100 Hz gezeigten Prinzip, Begrenzung der Abtastfrequenz einzig durch den Abfall der Empfind¬ lichkeit des Wandlers mit der Frequenz (siehe Kap. 8.2. ), grösste Genauigkeit, günstigstenfalls 0,01 %, zu sehen. Und diese kann, je nach Wandler liegen. sehr hoch 7.5.3. Die Abtastfrequenz ausgeführt Genauigkeit die sich erreichen aber sicher besser lässt, 0,1 %, wird und von [1] Deck von mit ([25], Kortüm mit günstigstenfalls 0,02 % der optischen Konzentrationsbestimmung" angegeben (Apparatur [25] S. 266). S. 271) Genauigkeit als "höchste bisher mit Sicherheit erreichte Solche Geräte verwenden immer die Substitutions- oder Flimmermethode. handelsüblicher Spektrophotometer angegeben. Sorgfältige Untersuchungen (z.B. [62,77]) ergeben Die Genauigkeit guter, einen Fehler von messungen bei 0,5 • • • 1 % (der Extinktion). analytischen Messungen, gemessen wurde. für In Relativmessungen [78] wenn und wurden mehrere mit verschiedenen [2] Auch Jäkel-Hartenstein von % 3 • • wird meist etwa • 5 % von erwähnt günstig grob gesagt bei Absolut¬ Unterschiede Typen zu festgestellt Spektrophotometern 4»««6% Fehler für Absolutmessungen. Einfache, oft auch meist nur zur grosse Fehler selbstgebaute Laborgeräte Berechnung auf, von Farbkoordinaten obwohl genaue [5,7,8,10,12,13,15]). Angaben oder zur groben Bestimmung dienend, der Spektren, weisen ebenfalls ziemlich Anhaltspunkte meist fehlen (z.B. 92 - Die 73 • • Beschreibungen 75], • [14] in ben über die von mit erwähntes Genauigkeit. Schwingspiegeln ausgerüsteten Gerät) Geräten ([16,18, enthalten meist keine oder unbestimmte [17] Das in - beschriebene das der Gerät, Anga¬ Untersuchung von Intensitätsschwankungen einzelner Linien mittels KO dient, weist einen geschätzten Fehler von maximalen 5 von Mit dem und, wenn rechnet % auf. Rohner 6,5 % neu [19] gibt einen mittleren Fehler von und einen an. entwickelten Spektrographen wurde ein mittlerer Fehler die drei schlechtesten Kanäle nicht berücksichtigt (siehe Kap. 7.4). Damit dürfte dieses Gerät, obwohl werden, es sehr < 2, 4,6% von 5 % ausge¬ wenig Messpunkte doch für viele Zwecke brauchbar sein. ergibt, 7.5.4. Gute Spektrophotometer besonderen Masse gilt Aufwand und Lebenserwartung sind ziemlich dies für Geräten, gering. möglich aufgebaut. Elektronischer wie wendet Lebenserwartung werden, nur gut dimensionierte, und Xenonlampe optischer mit von den Im Geräte. Teil wurden so mit ähn¬ einfach wie untergebracht. Für den Betrieb Speisung nötig. und Betriebssicherheit abhängig kostspielige Geräte. Spektrographen ist, verglichen Der ganze Aufbau ist in 2 Gehäusen ist dazu noch ein KO und die Die aufwendige registrierende Der Aufwand dieses hier entwickelten lichen 2,5 % sind, Eigenschaften im Aufbau relativ einfache da keine bewegten Teile der elektronischen Bauteile. Transistorschaltung hat aber eine ver¬ Eine gute Betriebssicherheit und Lebenserwartung. 7.5.5. Das verwendete Prinzip ist Ausbaufähigkeit ausbaufähig in Richtung grösseren Auflösevermögens, grösserer Geschwindigkeit und besserer Genauigkeit (siehe Kap. 8.2.). Ausserdem kann es noch wesentlich noch viel sparsamer kompakter und, aufgebaut werden. bei Verwendung gedruckter Schaltungen, 93 - 8. ANWENDUNGEN - VERBESSERUNGSMOEGLICHKEITEN UND 8.1. Anwendungen Der beschriebene 1. Er tastet ein Spektrum gen desselben die Spektrograph weist folgende Vorteile auf: 100 mal pro Sekunde wiedergegeben Abtastgeschwindigkeit ab, sodass auch schnelle Aenderun- werden können. Das verwendete bei praktisch gleichem Prinzip gestattet, Aufwand noch wesentlich zu erhöhen. 2. Er arbeitet geräuschlos angetriebenen und ohne sich abnutzende Systeme mit ihren Teile, Ungenauigkeiten (z. B. da er in der keine mechanisch Einstellung) und (Kontakt-) Schwierigkeiten besitzt. 3. 4. gestattet, Er kontinuierlich messen, da der Messwert über die Zeit integriert zu wird. Es werden die über eine Megrationsperiode, die Werte Abtastperiode, gemittelten Es ist ein beliebiger Wellenlängenbereich einstellbar optischen rung des die Teils und neue wenig kürzer nur ist als angezeigt. Eichung der Orte, durch an entsprechende Aende- denen die Photodioden an¬ gebracht werden müssen. 5. Die Abmessungen des Gerätes sind gering. Der elektronische Teil hat die Masse 53 x 33 x 56 cm, 21 cm, der die optische Teil (siehe Fig. 35) längste Ausdehnung (die misst über die Verstärker noch verkürzt werden könnte) ist etwa 95 cm, die Höhe 27 cm. 6. Der Aufwand für den Spektrographen gebenen ist, Literatur beschriebenen Geräte wie sierte Lampenspeisung). nur Zudem ist keine Netzgeräte oder Batterien) nötig, mit anderen, in der ange¬ zeigen, gering (siehe Kap. 7.5. ). 7. Der Leistungsbedarf ist ebenfalls klein mit und ohne Vergleiche 35 VA für das Gerät (ohne KO komplizierte Speisung (z. B. stabili¬ sondern einfach Netzanschluss. 94 - Anwendungsmöglichkeiten Die lung, von schnellen dieses Gerätes sind der relativen Aenderungen über schnelle wo - nur zur Ausgangssignale der einzelnen Kanäle können zu werden, um Anzeige, Durch Filmen der gen Spektren von sondern auch zur Abweichung zu Steuerung verwendet werden. Die direkt, in mit oder ohne KO-Anzeige, be¬ Färbereien, Druckereien, usw.) korrigieren. KO-Anzeige (oder schiedenen Kanäle auf je einen dort, Strah¬ und der Reflexion sofort eine gute Farbzusammensetzungen (z.B. kontrollieren und bei von lässt sich dieses Gerät mit Vorteil einsetzen. Es soll, kann dabei nicht nützt Ueberall spektralen Zusammensetzung Aenderungen der Absorption Uebersicht gewonnen werden mannigfaltig. B. z. Schreiber) durch können Ausgabe der Aufzeichnungen Signale der ver¬ über die Aenderun¬ gewonnen werden. Wie bei einem früher in unserem Institut entwickelten Gerät [19,20] könnten auch bei diesem durch eine Zusatzeinrichtung direkt die Farbkoordinaten erhalten werden. Da das Gerät ohne weiteres so wirken grosser Geräten, in der die Beschleunigungen Schwingspiegel aufgebaut werden kann, dass noch einwandfrei arbeitet und ähnliches verwenden), Ueberall dort, wo, auch während korrigiert werden Unterschied man zu den dieses Gerät auch längerer Zeit, die Aenderungen sollen, in der Textil-, Lampen-, Beleuchtungsindustrie, Spektrograph mit Vorteil 8.2. Die Ungewissheit, schaften realisierbar lösungsvermögen) Beendigung besser, wo lich oder noch auch beim Ein¬ Raumforschung verwenden. kontrolliert und Nach (im könnte es Farbstoff-, Lack-, Papier-, Glas-, in der Chemie, usw., kann dieser neue Verbesserungsmöglichkeiten ob ein sei, Spektrograph führte und einer zur Abtastfrequenz, Denn wie verbesserungsfähig. mit den in Festlegung Kap. 2 geforderten Eigen¬ einer Kanalzahl die wahrscheinlich Ausmessung Anforderungen gestellt nötig sind. Spektren Verwendung finden. des Aufbaus und der höhere von praktisch jedes damit eines Auf¬ bewältigen des Gerätes übersieht werden können und neu (und zu wo man waren. jetzt Verbesserungen nütz¬ entwickelte Gerät ist auch dieses 95 - Wohl die stärkung für sehr kleine tionalität zeigenden es bringen, Photo-Duo-Dioden Aenderung Speisung) der sei durch verbesserten es zu jeder Einfluss Dann wäre sitzt zu Genauigkeit zu (ev. Körrekturglied, das die Verwendung von bessere auch einfache Photodioden mit ebenfalls durch ein entsprechendes Schaltungsaufbau, Ver¬ Propor¬ entspre¬ Kbrrekturglied, erhalten werden. Da zwischen Photo¬ (zur Verstärkungsänderung) eingebaut sind, gesondert korrigiert werden. untersuchen, (z.B. Echelette-Gitter, genau die die durch ein oder durch würde die schon erwähnte erreichen wäre. Auch eine bessere Linearität dioden und Integratoren Potentiometer müsste Genauigkeit der Signale erhöht, Integratoren könnte, der sei Ip(E) Proportionalität bessere chender wichtigste Verbesserung - erreichen wäre. Auch könnten Abmessungen des Gitter, ob mit einem das sehr lichtstark Spaltbildes das konstante Dispersion be¬ ist), nicht eine Verbesserung rechteckige Photodioden, aufweisen würden, der die z.B. verwendet werden. Ent¬ sprechende Abmessungen sind für Si-Photoelemente bereits erhältlich. Eine weitere Verbesserung der Genauigkeit schen Teils mit besseren lichts optischen würde auch der Aufbau des opti¬ Elementen und besserer Abschirmung des bringen. Auch die elektronischen Schaltkreise können noch verbessert dere die die Integratoren und die Kompensation Verstärker, unbelichteten Photodioden de auch die Eine zur Gewinnung des (z.B. werden, Verbesserung Kompensationsstromes). des Auflösungsvermögens wird zeit dafür kürzer. Die Beleuchtungsstärke Integrationszeit wird dabei sogar etwas einzige Forderung ist, zur Erhöhung pfindlichkeit 3 db Dadurch wür¬ der Abfragefrequenz beginnt abgefallen (siehe Fig. 11). die • länger, • 50 Kanäle die Entlade¬ genügende Verfügung steht. der Photodiode Multivibratoren, • dass auf den Photodioden eine steht prinzipiell nichts im Wege. Die Em¬ erst bei 5 kHz abzunehmen und ist bei 20 kHz Die Abfragefrequenz wahrscheinlich auf wesentlich mehr erhöht werden. die von erhalten durch Erhöhen der Zahl der Wandler und damit der Pulse. Es könnten ohne weiteres 20 Einer insbeson¬ durch Einsatz Empfindlichkeitsgrenze verbessert. verwendet werden. Die um Streu¬ Schwingkreise der kann sicher auf 1 kHz, Geändert werden müssten dazu Verstärker, das Schieberegister und die Grosse der Integrationskondensatoren. Grundsätzliche Aenderungen des Gerätes, die eine sprechenden Mehraufwand bringen, wären die Verbesserung, Verwendung anderen Modulationsart und einer anderen Messmethode. anderer aber auch ent¬ Wandler, einer - Wie schon in leiter Orten [32] auf 96 - Kap. 4.2.1. erwähnt, könnten die Spaltbilder mittels Faser-Licht¬ Vakuumphotozellen (oder SEV) abgebildet werden, angebracht werden könnten. Die Proportionalität Ip(E) die an geeigneten und die erreichbare Grenzempfindlichkeit würden damit bedeutend verbessert bei nicht unbedeutendem Mehraufwand. Die Modulation könnte auch mit Kerr-Zellen ebenfalls ohne bewegte Teile moduliert werden. mit Kerr-Zellen noch verbessert die Flimmermethode werden, (4) angewendet wenn würde. ausgeführt werden. Damit könnte Auch die Messmethode selbst könnte anstelle der Ausschlagmethode (1) - 97 - Fig. 55 Ansichten des ausgeführten Gerätes - 9. Es wurde eine 98 - ZUSAMMENFASSUNG Ausführungsmöglichkeit tinuierlich und ohne bewegte Teile arbeitenden der in zu schnellen, automatisch, eines sehr Spektrographen entwickelt, verarbeitende Lichtwellenlängenbereich in einzelne Abschnitte jedem Abschnitt A X eintreffende Strahlungsleistung in elektrische wandelt und diese (nach geeigneter Verarbeitung) auf einem KO als Pulse angezeigt werden. mit einer Für eine ergeben im Mittel. Die Eigenschaften dieses verglichen Anwendungs- und sowie bei dem eingeteilt, Signale von praktische Ausführung Prinzips mit 10 Wandlern werden die Schaltung und der beschrieben. Die Messungen Frequenz einen Fehler der kon¬ die umge¬ 100 Hz dieses optische Aufbau ausführlich Anzeige von Gerätes werden mit anderen weniger als 5 % Spektrophotometern Verbesserungsmöglichkeiten angegeben. 99 - - LITERATURVERZEICHNIS Abkürzungen: [l] Deck, ATM Archiv für Technisches Messen AEUe Archiv der elektrischen JOSA Journal of the W. Entwicklung , Uebertragung Optical Society of America eines lichtelektrischen Messungen grösster Genauigkeit im Spektralphotometers für kurzwelligen Ultraviolett, Diss. ETH, 1938. [2] Jäkel-Hartenstein, dichteverteilungen Bd. [3] 11, Hardy, S. 305 und der Farbwerte der A.C., Spektrochemie, A New J.L., Winch, G. T., Engrs., Part n, Winch, G. T. photometer, Witte, von Chemiker Ztg., Bd. unter besonderer 81, S. 179 (1957). Construction of the General Electric Recording W. , Instr. , Alphen, Vol. 28, S. 365 The Measurement of Vol. The 96, Pract., Aufbau und P. M. S. 452 (1938). Light and , Vol. 5, S. 137 Wirkungsweise S. 161 Electr. 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R 41, Vol. Lübbers, zur P.J., . D., Niesei, und W. Ein , und Spectrometer, Kurzzeit-Spektralanalysator Registrierung rasch verlaufender Aenderungen der Absorption, Natur Lovell, S. 60 D.J. Cahn, L., und Ewing, C.E., Stewart, S. 799 H.S., und Rosin, Cine Spectro- S., (1954). Henderson, und - (1957). B.D., Spectrophotometer, JOSA, Vol. 48, S. [78] Rotenberg, D.L., (1951). graph, JOSA, Vol. 44, [77] E.R., A Fast-Scanning Infrared Recording S. 665 wiss., Bd. 44, [76] , Vincent, Parson, T., 380 Performance of the Beckman DK (1958). Intercomparison Spectrophotometers, Anal. Chem., Vol. 20, S. 423 of Beckman (1948). 106 - - SYMBOLLISTE a) Schaltkreise; PD Photodiode 1 N 2175 KP Kompensation MV„ Astabiler Multivibrator MVb Bistabiler Multivibrator ST, Schmitt-Trigger , VE Verstärker DE Demodulator IT Impulstransformator (zu DE) IN Integrator AB Abfrage MS Signalmischung SR Schieberegister KO Kathodenstrahloszillograph b) Spannungen [V]; Allgemein U U. Ausgangssignal (gemischt) U. Ausgangssignal (ungemischt) U_ Signal Lastwiderstand RT U_ Signalspannung am UL Gegenspannung an UD Quellenspannung Ug Ausgangsspannung a am Eingangsspannung Uq, Ujj IT US11 U_ an den Speisespannung « • • • Abgriff von Integrationskondensator R. Integration gleichgerichtet) des Verstärkers Ausgängen + STg VE+ST2 TT US20 Spannung (Uß des Verstärkers für SR » C. Rz für Spannungen US2 am i-i Up U„j für KO über der Photodiode des bistabilen Multivibrators - Spannung U„ rv xvl rtl U' U, *» xv Pulse der Photodiode R-, (Fig. 13) an Spannungsverstärkung (VE) v c) Un von f U_, U, - (allgemein) über R_ UD1, Ut,,, Grundwelle 107 Strome [A]: I Allgemein L, Basisstrom eines Transistors I_ Collectorstrom eines Transistors I_B_ Iq Sperrstrom L Entladestrom des eines Transistors Sättigungsstrom (allgemein) (allgemein) einer Diode Integrationskondensators " " ID Ladestrom Ip ip Iq Strom der Photodiode Kapazitiver Stromanteil von C" Ip Kompensationsstrom 1_ B ß (allgemein) Steuerstrom des T C Abfragetransistors TT Stromverstärkung eines Transistors (allgemein) = Stromverstärkung Vj am Verstärker d) Schaltelemente: (spezielle R Werte und [SL] Bezeichnungen siehe Bildunterschriften) Widerstand C [F] Kapazität L [Hy] Induktivität T Transistor D Diode (Transformator) e) Zeiten [sj: T Abtastzeit tj tL Integrationszeit tj Entladezeit tL TT Entladezeitkonstante TT = T(n = T/n = RTC. - l)/n 108 - Anstiegszeit des sekundären Stromes am lmpuü Abfallzeit *B Zeitkonstante des f) - Photodiodenpulses Lichttechnik: 4> [lm] Lichtstrom I [cd] Lichtstärke B [sb] Leuchtdichte E [lx] Beleuchtungsstärke (1 sb = 1 cd/cm2) Exponent (bei Photowiderständen) 9 Wellenlänge AX ein Xm mittlere \ beliebige relative X des Lichtes Wellenlängenbereich Wellenlänge " eines Bereichs " " Augenempfindlichkeitskurve (normiert) Brechungsindex n nd, nF, nc Brechungsindizes , für feste (genormte) X g) Längen [m]: h) a Breite des Strahlenbündels b Prismenbasisbreite 1 Prismenkantenlänge s Ausdehnung q Abstand, in dem f Brennweite eines d Durchmesser Winkel oC X dem Prisma gegen die einfallende Spektrums des vor von in der X auf eine Diode auftrifft Objektivs [o]: Oeffnungswinkel des Prismas (i Winkel des einfallenden Lichtstrahls y Winkel des austretenden Lichtstrahls 6 Ablenkwinkel £ ein Hilf swinkel am Prisma Strahlung Abbildungsfläche - 109 - Verschiedenes: T1 1 * [°c] Temperatur f [Hz] Frequenz 0) [Hz] Kreisfrequenz k 1 Absolute Temperatur A Auflösungsvermögen (eines W Registriergeschwindigkeit Prismas oder F Genauigkeit D Materialdispersion des Prismas n Anzahl der bzw. Photodioden g Leistungsverstärkung k Boltzmannkonstante e nj Kanäle, Elementarladung proportional ungefähr gleich A Amplitudenwert einer Sinusschwingung Gitters) LEBENSLAUF Ich wurde ich in Zürich, am 24. Februar 1933 in Zürich geboren. Die Primarschule besuchte Neuhausen Rheinfall, am Kantonsschule ebenfalls in Chur. St. Gallen und zeugnis Typus C ab. Anschliessend Rekrutenschule trat ich 1953 in die an die Diplom als die Sekundär- und die obligatorische Vorstudienpraxis Abteilung für Elektrotechnik nössischen Technischen Hochschule in Zürich ein. ich 1957 das Chur, 1952 schloss ich die Mittelschule mit dem Maturitäts¬ Elektroingenieur. Nach (m B) vierjährigem Leitung von Prof. Dr. entstand in den Jahren 1960 • • • Eidge¬ Studium erwarb Seit 1958 arbeite ich als Assistent Institut für höhere Elektrotechnik der Eidgenössischen Technischen unter der der und die M.J.O.Strutt steht. 63 in diesem Institut. am Hochschule, Vorliegende das Dissertation