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Ein Christiansenfilter fr ultraviolettes Licht.

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22
Annalen der Physik. 5. Folge. Band, 17. 1933
E6n Christiansenfilter f i i r zcltraviobettes Licht I)
Ton X o n r a d v o m B'ragstein
(Mit 10 Figuren)
Das Prinzip des Chriatiansenfilters und bisherige Durchfuhrungen
I m J a h r e 1884 hatte C h r i s t i a n s e n 3 zum erstenmal
auf einen Filtereffekt aufmerksam gemacht, der auftritt, wenn
man weiBes Licht auf ein geeignetes Gemisch einer Fliissigkeit
mit eineni groben Pulver eiiier durchsichtigen, festen Substanz,
also etwa Glas oder Quarz, auf'f'allen IaBt. Wenn inan ein
solches Gemisch in einen Glastrog mit planen Fenstern bringt,
und durcli den Trog nach einer Lichtquelle blickt, erscheint
die Lichtquelle in ejneni farbigen Lichte. Objektiv kann man
diesen Effekt zeigen, irtdem man eine Lichtquelle (am besten
eine punktformige, also etwa den positiven Krater einer Rogenh m p e oder einer 1~'olframpunktlampe)mit Hilfe einer Linse
auf einem Schirm abbildet. TT'enn man das Filter direkt hinter
die Linse setzt, erscheint das Rild der Lichtquelle farbig mit
einem Hof in der Xomplementirfarbe. Wenn man nun, nach
dem Vorgehen von F. W e i g e r t und seinen Mitarbeitern3),
am Ort des Bildes eine Blende einbringt, die die gleiche GroBe
wie das Bild besitzt, so wird das ganze Streulicht des Hofes
abgeschirmt und es geht durch die Blende nahezu monochromatisches Licht hindurch. Darauf beruht die praktische
Anv enclung des Effelrtes zur Herstellung von einfarbigem Licht.
Die Erlrlarung dieser Erscheinung ist die folgende: Wenn sich
die Dispersionslrurven der fliissigen und der festen Komponente
des Oemisches schneiden, ist fur die Wellenliinge des Schnittpunktes der Brechungsquotient fur beide Medien der gleiche.
Das Gemisch ist f u r diese ausgezeiclinete IYellenlange optisch
homogen, und ein Lichtstrahl dieser Tellenliinge geht un-
_ _ _ _
1) H. K o h u u. K. v. F r n g s t e i n , Pliys. Zs. 33. S. 929. 1932
(Vortriige und Diskussionen des VIIJ. Deutschen Physikertages in Bad
Nauheim).
2) C. C h r i s t i a n s e n , Wird. Ann. 23. S. 298. 1884; 24. S. 439. 1885.
3) KIhercs hieriiber sowie Literaturaiigaben siehe folgende Seite.
I<.21. Fragskin. EinChristiunsenfilter fiir uttruvioiettes Licht
23
abgelenkt durch das Filter. Alle Xachbarwellenlangen werden
aber an jeder einzelnen Grenzfliiche: Filterfliissigkeit-fester
Korper gebrochen. Jeder Lichtstrahl erleidet eine gewisse
Anzahl solcher Brechungen, erfiihrt also im Endeffekt eine
Ablenkuiig Ton bestimmter GriiBe. Das gesamte auffitllende
Lichtbundel wird in einen gewissen Raumwinkel zerstreut.
W e i g e r t 1) und Mitarbeiter haben sich neuerdings in
einer Reihe von Arbeiten eingehend mit den Eigenschaften
und Verwendungsmiiglichkeiten eines solchen Filters beschaftigt.
Unter der Fereinfachenden Annahme, dalj das filterfremde
Licht vollkommen diffus zerstreut wird, gelangen sie zu folgender Formel, die den Zusammenhang zwischen der Wirksamkeit des Filters und den variabeln GriiBen der Abbildung
liefert :
Liclit
__ n @ f - y)’.
E, = filtereigenes -R = Filterreinbeit = ~EL
filterfremdes Licht
6
Lu und ,8 sind dabei Konstanten, f : Brennweite der Linse. Die
Bedeutung der anderen GroBen ist aus der nachstehenden
Fig. 1 zu entnehinen.
Als Filtersubstanz verwenden sie nicht eine
cler von C h r i s t i a n s e n
angegebenen Kombinationen, sondern ein Geniisch eines Spezialglnspulvers 9 und BenzoeFig. 1. Filteranordnung.
L : Lichtquelle
Li: Linse
skuremethylester ; die
Brauchbarkeit
dieses A‘: Bild der Lichtquelle
F : Filter
Filtergutes wird im
Sichtbaren eingehend experimentell unter~ucht.~)W e i g e r t ,
S t a u d e und E l v e g a r d (a. a. 0.) haben danu weiterhin eine
wesentliche Verbesserung der Filterwirkung durch die Methode
~-
-
1) Hr. Prof. W e i g e r t hatte die Liebenswurdigkeit, das Manuskript
der vorliegcnden Arbeit zu lesen. Fur einige wertvolle Bemerkungen
miichte ich ihm auch an dieser Stelle bestens danken.
2) 11. S t a u d e , Diss. 1,eipzig 1925; F. W e i g e r t u. H. S t a u d e ,
Ztschr. f. phys. Chem. 130. S. 607. 1927: F. W e i g e r t , H. S t a u d e ,
E E l v e g a r d , Ztschr. f. phys. Chem. (B) 2. S. 149. 1929; F. W e i g e r t
u. J. H h i d e i , ebenda9. S. 329. 1930.
3) l’rismenkron fur Feldstecher von Schott & Gen.-Jena. Das Filter
ist neuerdings als monochromatisches Universalfilter nach C h r i s t i a n s e n W e i g e r t von der Firma Schott R Gen.-Jena zii beziehen.
4) Im AnschluB an die W e i g e r t - S t a u d e s c h e n Untersuchungen
wurden f u r Vorlesungszwecke auf Veranlassung von Prof. S c h a e f e r
am hiesigen Institut einige Versuehe mit einem Christiansenfilter im
Sichtbareii gemacht.
24
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 17. 1933
der Autokollimation erreicht. Nach der ersten Filterung wird
das Licht an einem Hohlspiegel reflektiert, so daB es ein
zweites Mal, und zwar in umgekehrter Richtung, das Filter
durchsetzt. Die durch diesen Kunstgriff erzielte doppelte
Filterung vernieidet die Verwendung eines zweiten Filters und
eine unbequeme Verliingerung des Strahlenganges.
I n der voranstelienden Arbeit (8. 11) wurde zum Zweclre
einer doppelten spektralen Zerlegung im Ultraviolett *) ein
nach dem Christiansenprinzip konstruiertes Filter benutzt.
Da ein solches Filter auch fiir viele andere Zwecke Verwendung finden kann, wurde eine quantitative Untersuchung aller
Filtereigenschaften vorgenonimen, im besonderen wurde auch
die von W e i g e r t und seinen Mitarbeitern erkannte und formulierte Abhangigkeit der airksamkeit des Filters von der
optischen Abbildung in1 ultravioletten Spektralgebiet einer
Priifung unterzogen und weitgehend bestatigt gefunden. Die
Anwendungsmoglichkeit des Prinzips auch auBerhalb des sichtbaren Spektrums ist in der Natur der Sache begriindet.
Hierauf haben C h r i s t i a n s e n sowie S t a u d e (a. a. 0.) hingewiesen, ohne jedoch die Konstruktion eines Filters f u r das
Fltraviolett durchzufuhren.
I m folgenden sol1 iiber die auBere Einrichtung des Filters
und seine Wirltungsweise eingehend berichtet werden. Als die
Konstruktion des Filters bereits abgeschlossen war und das
Filter bei den Reflexionsinessungen in vorstehender Arbeit
(8. 11) Verwendung fand, veroffentlichte F o c k e 2 ) einen kurzen
Bericht iiber ein Ultraviolettfilter des gleichen Prinzips. P o c k e
verwendet eine Mischung von Sylol und Jenaer Uviolglas3)
von Schott & Gen. Die Veroffentlichung der vorliegenden
Arbeit scheint mir trotzdem nicht uberfiussig zu sein, da das
von mir verwendete Filter anders konstruiert ist und eine
genaue quantitative Untersuchung seiner Eigenschaften vorliegt.
Gesichtspunkte f u r die Wahl der Filtersubstanz
Bei der Wahl der F'ilterfliissigkeit und des eingelagerten
festen Kijrpers hat man immer verschiedene Gesichtspunkte
zu beachten:
1. Der feste Korper niuB isotrop und fur den gewiinschten
Spektralbereich durchlassig sein. (Die Auswahl unter ultra~. ~-
1) Bei Reflexionsmessungen im Ultraviolett.
2) Festschrift zur Feier des 25. Verbandstages des Arnstadter Verbandes Mathematischer und Naturwissenschaftlicher Verbindungen an
Deutschen Hochschulen.
3) TiBK 5.
I<. 1’. Fragstein Ein Cliristiansenfilter fur ultraviolettes Licht
25
violettdurchl~ssigen,isotropen, festen Korpern ist recht gering.
EY IYar deshalb verhiiltnismaBig naheliegend, amorphen Quarz
zu verwenden).
2. Die Filterflussigkeit darf fur den verwendeten Spektralbereich nicht absorbieren.
3. Die Dispersionskurve der E’lussigkeit niuB einen Schnittpunkt mit der Dispersionskurve des festen Korpers liefern.
4. Es durfen sich die beiden Kurven nicht untcr zu
kleinem T i n k e l schneiden ; denn wenn die Dispersionskurven
nahezn parallel verlaufen bza-. aufeinander liegen, wird das
Licht eines groBen Wellenliingengebietes nahezu gleichmaBig
durchgelassen; d. h. die eigentliche F’ilterwirkung bleibt aus.
Eine glcichzeitige Erfullung aller vier Bedingungen erwies
sich f u r das U.V. als ziemlich schwierig. So waren z. B. Versuche mit Tetrachlorkohlenstoff und konzentrierter Zuckerlosung
erfolglos. Als geeignet iin obigen Sinne erwies sich eine Mischung
von 56O/, Benzol (auf die chemische Reinheit des Benzols ist
sehr zu achten) und 44O/, Alkohol. Der Schnittpunlrt der Uispersionskurve dieses Flussigkeitsgemisches mit derjenigen von
durchgeschmolzenem Quarz liegt bei 20° etwa bei 360 mp.
Der gemeinsame Brechungsquotient ist fur diese TTellenliinge
n = 1,475. Einen Uberblick uber den f u r die Filterung
charakteristischen Schnittwinkel der Dispersionskurven der
fliissigen und der festen Komponente bei zwei verschiedenen
Kombinationen gibt Tab. 1. Als MaB fur die GroBe dieses
Winkels wird die Differenz der Brechungsquotienten in einem
dbstand von 40 m p vom Schnittpunkt benutzt. Die aus
Tab. 1 ersichtliche betrachtliche GroBe des Schnittwinkels bei
Quarz
der verwendeten Filterkombination: Benzol-Alkohol
scheint der ,Grund fur ihre besondere Eignung zu sein. Die
Verwendung eines Fliissigkeitsgemisches wird von T e i g e r t
und S t a u d e (a. a. 0.) vermieden, weil in offenen Trogen wegen
cles verschiedenen Dampfdruckes die beiden Komponenten un-
+
Tabelle 1
GroBe des Schnittwinkels der Dispersionskurven bei 20
______._______
~Kombination @/lmy)“
(n/ - njl),
1
~
~
~~
~~
. .
Benzol-Alkohol + amorpher Quarz
.
Glyzerin-Wasser + Quarz . . . . . .
.
1
1
~~
i
~
-~
0,0105
0,0020
~
0,0070
0,0009
(nfl- n,), = Differenz der Brechungsquotienten auf der violetteib Seite
des Schnittpunkts
(n, ?zfJ7 = Differenz der Brechungsquotienten auf der roteir Seite
-
26
Annabn der Physik. 5. Folge. Band 17. 1933
gleichmagig verclunsten und die Zusammensetzung sich daher
Sindert. D a aber in der hier benutzten Anordnung (s. Fig. 2 )
die Filterfliissigkeit durch einen Schliff von der Stmosphare
abgeschlossen ist, ist eine solche Anderung nicht zu befiirchten.
Das in Fig. 2 dnrgestellte FiltergefaiB wurde nach unseren
Angaben von der Birma Heraeus-Hanau aus Quarz hergestellt.
Die Planheit der Fenster F ist wesentlich, da festgestellt
werden ltonnte, da8 etwas deformierte Fenster die Filterwirkung zunichte machen.
Wellenllingeneinstellung durch T e m p e r a t u r r e g u l i e r u n g
Die Lage der maximalen Filterdurchliissigkeit kann durch
I 1
1emperaturerholiung von Zimmertemperatur bis etwa 50 O C
mit Hilfe der spater (s. S. 27) beschriebenen Thermostateneinrichtung um etwa SO inp nach ltiirzeren Kellenlangen hin
verschoben werden. Wenn man dieses 7Nellenlangenintervall
kurz als ,,Arbeitsgebiet" bezeichnet, so hat man es durch die
\\'ah1 des Mischungsverhaltnisses von Benzol und Alkohol in
der Hand, den Anfangspunlrt des ,,Arbeitsgebietes", der der
Zimmertemgeratur entspricht, an eine beliebige Stelle im Ultraviolett zu legen.
Die Konstanthaltnng der Filtertemperatur ermoglicht erst
eine Verwendung des Filters f u r quantitative Messungen.
W e i g e r t und S t a u d e (a. a. 0.) setzen zu diesem Zweck das
E'iltergefkiB in ein Wasserbad und halten dessen Teinperatur rnit
Thermoregulator und Riihrvorrichtung bis auf l/,* O C konstant.
I n der vorliegenden IJntersuchung wurde eine Nethode zur
Konstanthaltung cler Temperatur ausprobiert, die die Verwendung eines Bades umgeht.') Die Heizung erfolgt auf elektrischem
Wege durch einige Windungen Heizdrahtes (Hzw, Fig. 3). die
urn das FiltergefaB herumgelegt sind. Der Hals des FiltergefA3es wird ebenfalls rnit der Filterfliissigkeit gefiillt und in
gleicher Weise geheizt. 1)er Filterinhalt selbst dient als
Temperaturfuhler. I n den Hals des Filtergefgfies H kann ein
mit einem Schliff S versehenes U-formiges Kapillarrohr eingesetzt werden, das bis zu einer gewissen Hohe mit Quecksilber gefiillt wird. I n das offene Ende der Kapillare wird
ein in der Hiihe verstellbarer Platinkontnkt P eingefiilirt.
Dieser Teil der Kapillare ist init einer eingeritzten Skala Sh:
versehen. Znr Verringerung des fiflnungsfunkens ist iiber den
Quecksilberspiegel etw-ns Benzol geschichtet. Ein zweiter Platin1) Die Dimensionen der Filterspparatur werden dadurch geringer,
was ihre Einbringung in den Strnhlengang erleichtert.
I<. v. Fragstein. Ein Christiansen~ilterfurultraviolettes Licht
27
kontakt ist bei I< (vgl. auch Pig. 3) eingeschmolzen. Wenn sich
das Volumen der E’ilterflussigkeit infolge einer Temperaturerhohung durch den Heizstrom vergroBert, wird, entsprechend
der iiblichen T’hermostatenregulierung, das Quecksilber an &n
Kontakt P gedriickt und dadurch
ein Unterbrecher betatigt, der den
Heizstrom so laiige ausschaltet, bis
sich das Quecksilber infolge Bb-
5
Fig. 2. FiltergefaW
mit Thermostateneiiirichtung
Fig. 3. Schaltungsschema.
R,, R, : Widerstande
-
T i : Unterbrecher
B : Batterie
14Volt
K , P : Platiukontakte
Hzw: Heizwicklung
kiihlung der Filterfliissigkeit wieder
von dem Kontakt entfernt. Der
Unterbrecher wird dadurch ausgeschaltet, der Heizstroin wieder geschlossen usf. Uber die
Genauigkeit der Konstanthaltung der Temperatur und iiber
die davon abhangige zeitliche Konstanz der Durchlassigkeit
des Filters merden spater ( ~ g l S.
. 38) quantitative Angaben
gemacht werden.
Fullung, Eichung und Bedienung des Filters
Bei der Fullung des Filters hat man darauf zu achten,
da8 sich keine Luftblnsen bilrlen. Zu diesem Zweck mu13 erst
die Pliissigkeit und dann das Pulver eingefiillt werden. Jedeni
Stand h des Quecksilbers im Skalenrohr S k (vgl. Fig. 2) ist eine
bestimmte Temperatiir mil clamit eine hestimmte Wellenlange
28
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 17. 1933
ma.ximaler Durchlassigkeit zugeordnet. Nan hat experimentell
zu einigen Hijhen des Quecksilberniveaus die entsprechenden
WellenYangen ail ermitteln. Die Zuordnung ergiht eine
1 entspmht 3
360 350 -
C 2mpefafufuntersrh/ed
4
8
$
349- F
l
) entqr!cht 5 O C fimperatufunterxh/eu'
l
l
l
l
l
Qffecks//befs/an4,h "/n,,mm "der Ska/a
l
l
l
l
l
10 20 30 i% 50 60 70 80 9 ?OO llDmm
>
Fig. 4. Eichkurve des Filters
Kurve h = f (h), die wir die ,,Eichkurve" des Filters nennen
wollen. Kin Beispiel einer solchen Eichkurve ist in Fig. 4
gegeben.
Es ware an und fur sich vielleicht geeigneter, als Charakteristikuni f u r jede Lage des Filtermaximums die zugehiirige
Teniperatur zu benutzen. Bei der vorliegenden Filteranordnung
ist es aber vie1 bequemer, den Quecksilberstand im Skalenrohr zu beobachten als die jeweilige Temperatur des Filters
zu bestimmen. U'enn man den Quecksilberstand als Anzeiger
f u r die Lage des Filtermaximums benutzt, hat man darauf
zu achten, daB jede friscbe Fiillung, wenn sich eine solche
als notwendig erweist, in genau gleicher Weise vollzogen
wird: Erstens niuB die Filterfliissigkeit im Hals des FiltergefaSes genau so hoch stehen wie bei der alten Fiillung,
ferner mu8 der Quecksilberfaden im Kapillarrohr die gleiche
Lange besitzen wie vorher und schliefilich muS die Quecksilbersaule in1 Skalenrohr a n diejenige Stelle zu stehen
kommen, die der wahrend der E'ullung herrschenden Zimmer-
I<.v. Fragstein. Ein Christiansenfilter fur ultravioleites Licht
29
temperatur entspriclit. Aus diesem Grunde ist es also notwendig, wenigstens fur ein kleines Interval1 im Bereich der
Zimmertemperatur zusammengehiirige Werte von Quecksilberstand und Zimmertemperatur zu kennen. Durch einen kleinen
Kunstgriff kann man das Niveau der Quecksilbersaule an jede
beliebige Stelle im Skalenrohr bringen: Beror inan das vorschriftsmkfiig mit Quecksilber gefullte Kapillarrohr in den
Schliff einsetzt, erwSirmt man die Bilterfliissigkeit im Hals des
FiltergefaDes niit einer lileinen Gasflamme. Darauf setzt mail
den Scliliff ein. Bei der allmahlichen Bbkiihlung cles Bilterhalses auf Zimmertemperatur steigt d a m das Quecksilber in
dem geschlosseneii Schenkel der Kapillare. Durch geeignete
Dosierung der Warmezufuhr vor dem Einsetzen des Schliffes
kann man das Quecksilberniveau bei Zimmertemperatur auf
jede gewiinschte Marke bringen. - TT’enn man einen Spektrographen zur Verfiigung hat, wird man natiirlich bequemer
durch einige photographische Aufnahmen nach einer frischen
Pullung die Eichkurve neu aufnehmen. Dadurch vermeidet
inan alle Schwierigkeiten.
Vorausgesetzt, daB das Filter vorschriftsrnaBig gefullt ist,
hat die Bedienung folgendermaBen vor sich zu gehen. Man
entnimmt der Eichkurve den f u r die gewunschte Wellenlange
erforderlichen Quecksilberstand im Skalenrohr. Auf diese
Marke reguliert man genau den Platinkontakt P ein und heizt
das Filter. Dann stellt sich automatisch die gewiinschte
Wellenlange niaximaler Durchlassigkeit ein. Man muB etwa
20-30 &Tin. warten, bis sich vollig lionstante Bedingungen
hergestellt haben.
Quantitative Untersuchung der Wirksamkeit
des Filters, Erlauterung der Filterwirkung an einigen
photographischen Aufnahmen
Die folgenden Rilder zeigen einige Spektrogramme mit
und ohne Filter. Fig. 5 ist mit einer Osram-Vitaluxlampe
aufgenommen, Fig. 6 mit einer Quarz-Quecksilberlampe. Die.
Relichtungszeiten bei verschiedenen Aufnahmen ein und derselben Platte sind konstant.
Auf allen Aufnahmen erkennt nian schon ohne Ausmessung der Schwarzungen die Schinalheit des durchgelassenen
Wellenlangengebietes.
Die verwendete photographisch-photometrische Methode
Die Wirksamkeit des Filters wurde sowohl auf photographisch-photometrischem wie auf lichtelektrischem Wege mit
Anitalen der Plzysik. 5 . Folge. Band 17. 1933
30
Hilfe einer Photozelle untersncht. Bei der photographischphotometrischen Methode wurde in der ublichen Weise
(vgl. Fig. 5) auf der gleichen Platte und bei gleichen Be-
6
1
d
C
365rnp
d
Ill I!
C
e
f
I
b
312 mp,
?!
Fig. 5. a , b, c, d, e : kontinuierliches Spektrum in funf verschiedenen Abschwaehungen
ohne Filter. f, g kontinuierliclies Spektrum mit Filter bei
gleicher Temperatur.
(Maximale Durchlassigkeit bei ungefahr 365 mp). ETg: Quecksilberspektrum
Iil
III
e
a
Fig. 6. a, c, e : Hg-Spektrurn
ohne Filter; b : Hg-Spektrum
mit Filter, maximale Durchlassigkeit bei 312 mp;
t l : Hg-Spektrum mit Filter,
maximale Durchlassigkeit bei
365 mp
lichtungszeiten das Spektrum einer geeigneteii Lichtquelle [es
v iirde eine Speziallampe von Osram (Vitalux'i benutzt, die uoch
die niitige Energie im Ultraviolett lieferte] einmal mit Filter
aufgenommen uncl einige Male ohne Filter mit hekannten Abschwiichungen als Schwiirzungsmarken. Hierfiir diente ein
rotierender Sektor , der iu den nachstehenden Verhaltnissen
ahzuschwiiclien gestattete. Die Schwkzungen der Platte wurden
Tabelle 2
AbschwRchungsstufen des rotierenden Sektors
~-
Stufe
~
in.;,
~-
'
I
1
I
G
-~
'
2
-~
~
I
3
/
_ _
'
6
~
_ _
_ _
_
~ _
~-
-~
~
4
,
6
~
1
37,s
~
24,s
12,3
1
6.0
3,0
I<. v.Fragstein. Eirz Christiansenjilter fur ultraviolettes Licht
31
mit eineni K o c h - GoosschenRegistrierphotometer (8usfUhrungsform 1927) ausgemessen. Bei der ublichen S r t der Auswertung
wiirde man f u r jede Weellenlange aus der Schwiirzungs-Int ensitgtskurve die cler Schwarzung auf der Filteraufnahme zugehorige lntensitat entnehmen; d. h. man miiBte so viele
Schwarzungskurven zeiclinen, als nian Punkte der Durchlassiglreitslcurve erhalten will.
Durch eine etwas variierte Methode kann
man mit Hilfe eines 50
einzigen
Diagranims
auskommen (vgl. E’igur 7 ) .
Man niiBt
die Schwiirzungen in 45
deinjenigen Wellenliingenintervall, in dem
sich das gefilterte Licht
befindet, und zeichnet
auf ein Blatt die
SchwLzungs -Wellenlgngenkurven
sowohl
fiir die verschiedenen
Intensitiitsstufen
als 35
auch f u r die Filteraufnahme. Die Schnittpunkte der Filterlcurve
mit den Schwiirzungs- 36
wellenltingenkurven der
Ahstand auf derphatogr Batte /Mat?thde He/en/ange)
einzelnen Stufen ordnen
I
I
I
I
I
/
1
1
bestiinmten Wellenlan4
5
6
7
8
9 I0 II
Wen bestimmte Durchliissigkeiten zu, dereii Fig. 7. Schwiirzungswelledangcnkurven.
a, b, c, d : Intensitiitsstufen
graphische Darstellung
e : Filteraufnahme
die Durchlgssigkeitskurve ergibt. l)
Blur die Untersuchung der Durchlgssigkeit des Filters in
Spektralgebieten, die nicht in unlnittelbarer TJmgebung des
Filtermaximums liegen, sowie der zeitlichen Konstanz der
Filtereigenschaften bei Verxendung des Thermostaten , wurde
die photographisch- photometrische MeWinethode durcli eine
lichtelektrische erganzt. Rei parallel laufenden Messungen
~
~~-
~
1) Frl. cand. phil. M. B e u t e l l , die mich in hilfsbereiter Weise bei
der Aufnahrne und Auswertung der Photogramme unterstutzte, sage ich
an dieser Stelle meinen herzlichen Dank.
32
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 17. 1933
unter identischen Abbildungsbedingungen ergaben sich innerhalb der MeBgenauigkeit ubereinstiumende Resultate der
beiden Methoden.
Aufnahme und Diskussion der Durchliissigkeitskurve
in einem groBeren Wellenlhgenbereich und ihre Abhiingigkeit
von der Lage dea Filtermaximums
Um AufschluB iiber die ,,Reinheit" des Filterlichtes zu
gewinnen, mu8 man die Durchkssigkeit in dem gesamten
Spektralgebiet zu beiden Seiten des Naximums untersuchen.
Unter ,,Reinheit(' ist das Verhsltnis des filtereignen zum filterfremden Licht zu verstehen (was man als filterfremd und was
als filtereigen bezeichnet, ist bis zu einem gewissen Grade
willkurlich). F u r das vorliegende Filter kann man sich darauf
beschriinken, nur den Spektralbereich vou 300-550 mp zu
untersuchen. Dieses Gebiet bezeichneu wir kiinftig als ,,gesamtes" Spektrum; denn unterhalb 300 mp absorbiert die
E'ilterfliissigkeit, oberhalb 550 mp kann aber das filterfrernde,
d. h. storende Licht, durch geeignete Wahl des MeBapparates
(Photozelle, photographische Platte) unschadlich gemacht
merden. Die Ausmessung iiber das genannte Spektralgebiet
auf photographisch-photometrischem Wege vorzunehmen , erschien nicht zweckmaiBig; denn um in den Gebieten geringer
Durchliissigkeit (kleiner als 1o/o,) die Schwkzungen des gefilterten Lichtes in die Schwgrzungsmarken einordnen zu
konnen, hatte man letztere mit sehr starker Abschwitchung
aufnehmen mussen; eine solche ist im allgemeinen mit groI3erem
Fehler verbunden. Es wurde deshalb die Bestimmung der
Durchyassigkeit mit Hilfe einer photoelektrischen Zelle durchgeftihrt. Die strenge Proportionalitiit (vgl. voranstehende Arbeit
S. 12) zwischen Strahlungsintensifat und Photostrom erlaubte
unter Zuhilfenahme der bereits erwahnten Abschwachung mit
einem rotierenden Sektor Durchlassigkeiten bis unter 1o/i,o zuverlassig zu messen, was sich als fur unsere Zwecke ausreichend erwies. Die Resultate der Messung sind in Tab. 3
wiedergegeben und in Fig. 8 graphisch dargestellt. Messung I
und I1 unterscheiden sich in der Brennweite der abbildenden
Linsen. Diese betriigt bei I 147, bei IT 270 rnm. Man erkennt, daB bei Verwendung einer liingerbrennweitigen Lime
die Durchliissigkeitskurve in der Umgebung des Maximums
rascher absinkt, was auch in der geringeren Halbwertsbreite der
Kurve I1 gegenuber 1 seinen hsdrL1ck findet, menn mir unter
,,Halbwertsbreite" wie iibIich dasjenige ~~ellenlangenintervall
verstehen wollen, in dem die Durchliissigkeit anf die Halfte
I<.v. Ragstein. Bin Christiansenfilter f u r ultraviolettas Licht
53
Tabelle 3
Durchlassigkeit des Filters uber einen griifleren Wellenlangenbereich
bei Verwendung zweier Abbildungen
______
~.
_________
I I c3I
365
370
Wellenlange in mp
Durchlassigkeit
in Oji0
3 7
I f = 14,’icm;
{
1
~ - _ _ _ _
450
500
650
8,5
1,3
0,9 0,8
0,8 1 0,4 1 0,18 0,14 0,008
IT f = 27cm.
380
I
400
3,8
I
~
’
Fig. 8. Durchlassigkeit des Filters
uber einen griifleren Wellenllngenbereich
des Maximalbetrages gesunken ist. (Die verschiedene Lage
der Maxima in beiden Kurven riihrt daher, daB die Messungen
bei etw?? verschiedener Temperatur ausgefuhrt wurden). Dies
ist in Ubereinstimmung init der schon eingangs (vgl. S. 23)
erwiihnten Formel von W e i g e r t und S t a u d e fur die Abhangigkeit der Filterreinheit von der Art der Abbildung. Eine
Veranderung des Abstandes: Filter-Lime wirkt nach der obigen
Formel in ahnlichem Sinne auf die Filterreinheit wie eine
Variation der Brennweite der abbildenden Linse. Auf photographisch-photometrischem Wego wurde der EinfluB der Abstandsanderung untersucht.
Die Resultate sind in Fig. 9
enthalten. Die Werte der Durchlassigkeit sind hier in willkiirlichem Ma6 angegeben. Der zu jeder Kurve gehorige Abstand: Filter-Linse ist in der Fig. 9 vermerkt, ebenso die
Halbwertsbreiten. Man sieht, wie mit VergroBerung des wirksamen Abstandes die Durchlassigkeitskurven gleichzeitig hoher
und breiter werden. Man hat es also weitgehend in der Hand,
Annnlen dor Ptlysik. 6 . Folge. 17.
3
34
Annalen der Physilc. 5 . Folge. Band 17. 1933
durch Wahl der Brennweite der abbildenden Linse und durch
Anderung des Abstaiides zwischen Filter und Linse die Gestalt
der Durchlassigkeitskurve dem gewiinschten Zweck anzupassen.
Man kann wold annehmen, daB das filterfrenide Licht fur
die Wellenlangen , die von derjenigen maximaler DurchlassigIceit weit abliegen , einigermaBen gleichmatBig iiber den Halbmum zerstreut werden. Dann hat man zii erwarten, daD in
gewissem Abstand vom Maximum eine konstaote, minimale
Durchlassigkeit erreicht wird. Die GroBe dieser konstanten
Durchliissigkeit ist gcgeben durch den Quotienten aus dein
50
[
B
Q
t
$
~~~
c
m
t
280
290
We//en/ange
I
300
310
340
JJOm&
Fig. 9. Abhsngigkeit der Halbwertsbreite vom Abstand: Filter-Lime.
c = Abstand: Filter-Linse; d = Halbwertsbreite
I: z = 4 c m ; 8 = 2 r n p 11:z = 2 4 c m ; S = 5 m p
IIfi x = 34 cm; 6 = 13 m p
riiumlichen Winkel der gewahlten Abbildung und dem raumlichen Winkel 2n. Bei den in Fig. 8 verwendeten Abbildungen
ist dieser Quotient 0,05 bzw. O,Olo/oo. Die gemessenen Kurven
nahern sich diesen konstanten Durchliissigkeitswerten nach
einem anfangs relativ steilen Abfall vom Maximum aus, ohne
sie jedoch ganz zu erreichen.
Die Breite des Abfallsgebietes ist bestirnmt dnrch die
GroDe des Schnittwinkels der Dispersionskurven der beiden
Filterkomponenten. Da dieser Schnittwinkel, wie aus den
Daten der Tab. 1 hervorgeht, verhiltnism8Big groB ist, erklart
sich die geringe Breite des Durchlassigkeitsgebietes. Allerdings
kann man praktisch nicht von einem genau definierten Schnittpunkt sprechen, da die Dispersionskurven beider Filterkoniponenten infolge eines gewissen Temperaturabfalls im Filter und
infolge von Spannungen iin Quarzpulver gewissermaBen eine
endliche Breite einnehmen. Es gibt also praktisch keine
I;. v. Pragstein. Ein Christiansenfilter fiir ultraviobltes Licht
Wellenlange, fiir die das
Filter uber seine ganze Ausdehnung vtilligoptischhomogen ware. Daher wird fur
jede Wellenlange, auch fur
diejenige maximalor Durchlassigkeit ein gewisser Anteil
des Lichtes aus dem raumlichen Winkel der Ahbildung
heraus abgelenkt.
Hierdurch erklart sich, da8 die
Durchlassigkeit im Maximum iiicht den bei volliger
optischer Homogenitat zu
erwartenden Wert erreicht,
der sich von 10O0/, nur
durch die Absorptions- und
Reflexionsverluste
unterscheiden diirfte. Ferner bewirkt die Verschmiertheit
des Schnittpunktes die beobachtete Verbreiterung des
Abfallsgebietes.
Mit abnehmender Wellenlange nimmt der Schnittwinkel der Dispersionskurven zu. Demzufolge ist bei
Verlagerung des Filtermaximums nach kurzeren Wellenlangen hin (durch Temperaturanderungen) ein Schmalerwerden des Abfallgehietes
zu erwarten. I n der Tat ist
&us den W e i g e r t schen
Untersuchungen im Sichtbaren eine systematische
Abnahme der Halbwertsbreiten deutlich zu erkennen. I n Fig. 10 sind
eine Reihe photographischphotometrisch gewonnener
Durchlassigkeitskurven dargestellt, bei denen das
Filtermaximum allm%hlich
35
36
Annalen der Physik. 5. Folge. Band 17. 2933
von 368-303 mp verschoben wurde. I n Tab. 6 (S.39) sind die
entsprechenden maximalen Durchlassjgkeiten und Halbwertsbreiten angegeben. Eine Abnahme der Halbwertsbreiten mit der
Wellenlange ist auch hier zu verfolgen. Gleichzeitig sinkt
aber auch der Absolutwert der maximalen Durchlassigkeit
nach kurzeren Wellenlangen hin, da der Anteil des Lichtes,
der, wie oben besprochen, infolge der Inhomogenifat der Filterfiillung aus dem Abbildungswinkel heraus abgelenkt wid, mit
abnehmender Wellenlange wachsen muB.
Berechnung der Filterreinheit bei vorgegebener Energieverteilung
der Lichtquelle und vorgegebenem MeBinetrument
Eine nberschlagsrechnung gestattet bei vorgegebener Lichtquelle und bei Kenntnis der spektralen Empfindiichkeit des
MeBinstrumentes den Grad der Reinheit des Filterlichtes zu
erkennen. Abweichend von der bisher (vgl. S. 23) verwendeten
Definition ist die ,,Reinheit" hier durch den folgenden Quotienten
definiert :
icJ(i)
-__-____-~.
=(I)
R'=
*
6(A)d
i
U
m
T
[J@) D (I)6 (I)d I - S J (1) (I) e (2.) d 2.
0
V
Hierbei ist die Strahlung in jedem schmalen Spektralbereich d h mit dem Empfindlichkeitswerte E (A) des NeBinstrumentes, in unserem E'alle einer fur das U.V. besonders geeigneten Photozelle'), multipliziert. D (A) ist die spektrale Durchlassigkeit des Filters (in der folgenden Berechnung werden die
D (A)-Werte der Fig. 8, I1 benutzt). J (A) ist die Energieverteilung eines Temperaturstrahlers yon a) 4000°, b) 6000O. Als
filtereigene Strahlung gelte die Strahlung in demjenigen Intervall, in dein die Durchliissigkeit des Filters bis auf I/ des
Maximalbetrages gesunken ist (das filtereigene Licht ge&t in
diesem Falle zu einem Wellenlangengebiet von uugefaihr 20 mp).
Hierauf beziehen sich die Grenzen r und v des Zahlerintegrals.
Das filterfremde Licht ist dargestellt als Differenz der Strahlung des gesamten Spektrums und der Filterstrahlung. Unter
,,gesamt" ist das gleiche zu verstehen wie friiher S. 32.
Bei 4000O ergibt sich R = 79/21
bei 6000O ergibt sich R = 83/17.
1) R. S u h r m a n , Ztschr. f. wiss. Phot. 29. S. 156. 1930.
I<.v. Fragstein. Ein Christiansenfilter fiir ultravwtettes Licht
$7
Falls man an Stelle eines Temperaturstrahlers eine Lichtquelle verwendet, die ihre wesentliche Energie im U.V. besitzt
(wie z. B. eine Wasserstofientladungsrohre, in der das kontinuierliche Spektruni im U.V. angeregt wird), so erhailt man
naturlich sehr vie1 gunstigere Resultate.
Fur viele Zwecke wird eine Filterung der beschriebenen
Art ausreichend sein (Verwendung des Filters zu spektraler
Vorzerlegung, zu Bestrahlungszwecken biologischer Art, bei
denen breitere U'ellenlangengebiete erwiinscht sind, zu Absorptionsmessungen, wenn keine sehr starke Selektivitat zu erwarten ist usw.). Falls man aber hohere Anspriiche an die
Reinheit des Filterlichtes stellt, kann man diese, wie es
W e i g e r t , S t a u d e und E l v e g a r d angegeben haben, entweder
durch Wiederholung der Abbildung bei Verwendung zweier Filter
oder durch die Methode der Autokollimation steigern. Zwei Filter
auf der gleichen Temperatur zu halten, ohne sie in ein gemeinsames Bad zu setzen, bedeutet bei der hier beschriebenen Anordnung keine Schwierigkeit, da mit Hilfe des verstellbaren
Platinkontaktes P beide Filter von vornherein auf die gleiche
Temperatur eingestellt werden konnen.
Wie die Untersuchungen von S t a u d e (a. a. 0.) im Sichtbaren ergeben haben, wird durch VergroBerung der Schichtdicke die Halbwertsbreite eine geringere und damit eine
griiBere Reinheit des Filterlichtes erzielt. Gleichzeitig wird aber
die maximale Filterdurchlassigkeit verringert. I m allgemeinen
steht die Steigerung der Filterreinheit in keinem Verhaltnis
zu dem Verlust an Durchlassigkeit. Es empfiehlt sich daher,
geringe Schichtdicken (in der vorliegenden Untersuchung wurde
durchgehend eine Schicht von 1 cm verwendet), zu benutzen
und hohere Anspriiche an die Filterreinheit durch eine nochmalige Filterung zu befriedigen.
Konetana der Filterwirkung
Ein sehr wesentlicher Punkt fiir die Verwendbarkeit des
Filters ist offeiibar die Konstanthaltung und Reproduzierbarkeit
der Temperatur und damit der Wellenlange und GroBe maximaler Durchlassigkeit. F u r photograpliische Zwecke wiirde es
bei langeren Belichtungszeiten eventuell nicht storen, wenn,
bildlich gesprochen, das Maximum der Durchlassigkeitskurve
kleine, gegen die Belichtungszeit kurzfristige Schwankungen
auf der Wellenlangenskala ausfiihrte. Das w iirde im Endeffekt
eine gewisse Verbreiterung der Filterkurve bewirken, die man
von vornherein in Rechnung stellen konnte. Sobald aber
nicht eine integrierende MeBmethode (photographische Platte)
Annalen der Physik. 5 . Folge. Band 17. 1933
38
verwendet wird, sondern etwa eine Photozelle, wird man in
diesem Fall schwankende MeBresultate erhalten.
Uni die Konstanz der Filtereigenschaften zu prufen,
wurde deshalb dns Filterlicht noch einmal spektral zerlegt
und dann mit Hilfe einer Photozelle die an einer festgehaltenen
Wellenlange durchgelassene Intensitat gemessen. Wenn die
Durchlassigkeitskurve infolge einer Temperaturveranderung
nun merklich auf der Wellenlangenskala gewandert ware,
hatte sich natiirlich anch an der fixierten Beobachtungswellenlange die gemessene Intensitat andern mussen. Es
wurden nun in kontinuierlicher Folge die Aufladezeiten des
mit der Zelle verbundenen Elektrometers beobachtet und
der Augenblick der automatischen
gleichzeitig mit - bzw.
Unterbrechung bzw. SchlieBung des Heizstroines notiert. Tab. 4
zeigt die Aufladezeiten. Man sieht, daB die erhaltenen MTerte
+
Tabelle 4
(-
bzw.
Konstanz der Filterdurchllssigkeit
markiert den Augenblick der Unterbrechung bzm. SchlieBung
des Heizstromes)
+
mit Filter
Aufladezeiten des Elektromcters in see
i ohne Filter
mit Filter
T
I
T
I
_ _ ~ _ _
~~~
-
6,60
6,G6 -+
6,66
6,66
6,68
6,SO 6,80
6,G6
6,60 6,68
+
M.-W.B,GS
-
I
TT
~~
3,OO
3,04
3,02
6,58
f5,70 6,70 +
&SO
6,68
6,60
6,84
6,88 +
6,G6
.
6,72
3,OO
2,9S
3,OG
3,OG
2,98
3,oo
3,OO
3,01
mit Filter
111
-.
-~~
-
nach 45 min
6,66 +
F,54
6,62 6,70 +
G,70
6.50
(70
6,74
6,S4 +
6,78
-~
H,88
-
-A
L
max. Abweichung vain Mittel aus den k W . von I, 11, 111 (mit Filter)
0,4O/O
unabhgngig von der Periode des Heizstromes sind. Die geringfiigigen, durchaus nicht periodischen Schwankungen sind kaum
groBer als die Schwankungen der Intensitat in der Lichtquelle
selbst. Man kann also sagen, daB die Temperaturschwankung
des Filters keinen bedeutenden EinfluB auf die Konstanz der
X.v. E'ragstein. Ezir Christiansenfilter fur ultraviolettes Lidit 39
Durchliissigkeit ausiibt. Die GriiBe der Temperaturschwankung
1iBt sicli auch ungefahr angeben. Der Quecksilberspiegel
schwankt zwischen Unterbrechung und SchlieBung hochstens
um 'I, mm. Aus der Eichknrve I = f(h) (vgl. S. 28) ergibt
sich dafiir eine Temperaturschwankung, die kleiner als l/l,,o C:
sein durfte. Tab. 4 zeigt die vorziigliche Konstanz der Filtereigenschaften: Sowohl wahrend so kurzer Zeitraume (einige
Sekunden), wie sie benotigt werden bei Messungen niit Photozelle oder Thermosaule als auch uber Zeitraume von etwa
einer Stunde. Es sind also weder kurzfristige Schwankungen
zu befiirchten, die die Werte der Einzeleinstellungen beeinflussen k6nnten, noch langfristige Anderungen wahrend der
Dauer einer MeBzeit. SclilieBlich wurde an zwei verschiedenen
Tagen die Konstanz der Filterdurchlassigkeit unter Festhaltung
samtlicher Bedingungen untersucht. Die in diesem Falle erhaltenen Resultate sprechen fur beste Reproduzierbarkeit
(vgl. Tab. 5).
Tabelle 5
Konstanz der Filterdurchlassigkeit
(Reproduzierbarkeit an zwei verschiedenen Tagen)
Durchliissigkeit (in O i 0 ) bei 312 m p
.
-
~
i
__
~~
43,?1O/~
1
1
44,701,
I
19. v.
~
~~~
I
11
1
j
~
~
21.
-~
--
~~
v.
~
45,0°/,
45,0°/,
Zusammenstellung der Ergebnisse
Die in Tab. 6 mitgeteilten Ergebnisse (vgl. auch Fig. 10)
lassen zusammenfassend erkennen, was in bezug auf Durchlassigkeit uncl Halbwertsbreite mit dem beschriebenen Filter
Tabelle 6
Maximale Dnrchlassigkeit und Halbwertsbreite in Abhangigkeit von der Wellenlange (einfache Filterung)
-
Wellenlange
~~~
Maximalc
Durch-
Halbwertsbreite
Die eingeklammerten Zahlen heziehen sich auf eine unabhangige
Wiederholung der Messung.
40
Annalen der Physilc. 5. Folge. Band 17. 1933
zu erreichen ist. Sie beziehen sich auf eine Schichtdicke von
1 cm, auf eine Lichtquelle von 0,5 cm Durchmesser und auf
eine Brennweite von f = 27 cm. Bei Verwendung einer kiirzeren Abbildung (f = 14,7 cm) erhoht sich z. B. bei 312 m p
die Durchrassigkeit auf 44 "1,. Bei langeren Wellenlangen
scheint die Erhohung nicht mehr wesentlich zu sein.
Zusammenfaesung
Es wird ein nach dem Cliristiansenschen Prinzip (a. a. 0.1
konstruiertes Filter fur ultraviolettes Licht, das bis zu einer
Wellenlange von etwa 300 m p zu benutzen ist, angegeben.
Mit Hilfe einer bequemen Temperaturregulierung, die die Verwendung eines Pliissigkeitsbades iiberdiissig macht, ist es moglicli, den Ort maximaler Durchlassigkeit des Filters in dem
betrachteten ultravioletten Spektralgebiet beliebig zu wahlen
und die Filtereigenschaften mit groBer Genauigkeit konstant zu
halten. Die Halbwertsbreiten konnen, wie die W eigertschen
Untersuchungen im Sichtbaren ergeben haben, durch Veranderung der optischen Abbildung weitgehend variiert werden.
Bei der hier verwendeten Anordnung konnten Minimalbetrage
von 2-3 m p erreicht werden. Die maximale Durchlassigkeit
ist von der Wellenlange abhangig und variiert z.B. im Bereich
yon 370-300 m p von 65-25O/,.
Das in der drbeit verwendete Registrierphotometer ist
vom ElektrophysikausschuB der Notgemeinschaft der Deutschen
Wissenschaft freundlichst zur Verfiigung gestellt worden: wofiir
wir auch an dieser Stelle unsern aufrichtigen Dank aussprechen.
Fur die freundliche nberlassung einer Osram-Vitalux-Lampe
sage ich der Firma Osram ebenfalls nieinen herzlichen Dank.
In gleicher Weise gilt mein Dank der Firma Heraeus-Hanau,
die mir in liebenswiirdiger Weise das Quarzpulver zur Fullung
des Filters zur Verfiigung stellte.
B r e s l a u , Physikalisches Institut der Universitat.
(Eingegangen 23. Februar 1933)
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