DE3613950C2 - Vorrichtung zur Analyse von Licht, das von einem Gegenstand ausgeht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse von Licht, das von einem Gegenstand ausgeht.

Aus der US-Patentschrift 35 54 721 ist eine Faseranordnung zum Übertragen von Strahlung bekannt mit einem ersten optischen Faserelement, das aus einem Kern sowie einer den Kern umgebenden Umhüllung gebildet ist und einen verhältnismäßig großen Durchmesser aufweist, einer Anzahl von zweiten optischen Faserelementen, die um das erste optische Faserelement herum angeordnet sind, wobei jedes der zweiten Faserelemente aus einem Kern sowie einer den Kern umgebenden Umhüllung besteht und einen verhältnismäßig kleinen Durchmesser aufweist, und einer äußeren Umhüllung, welche das erste Faserelement und die zweite Faserelemente umgibt.

Aus der Druckschrift DE 30 08 416 A1 ist ein Glasfaser-Lichtleiter bekannt, bei dem Siliziumdioxid und mit Fluor, mit Boroxid oder mit Fluoroxid und Boroxid dotiertes Siliziumoxid als Materialien verwendet werden.

Ferner ist es aus der Druckschrift DE 29 37 257 A1 bekannt, bei einem Bildübertragungselement aus einer Vielzahl von Faserelementen eine Ummantelung aus Quarz sowie eine die Ummantelung umgebende Beschichtung aus einem Kunstharz vorzusehen.

Schließlich ist aus der Druckschrift DE 37 09 177 A1 eine Analysevorrichtung in Form einer Spektralfotometeranordnung mit einem Lichteintrittsabschnitt bekannt, bei welcher eine Faseranordnung mit einem ersten Ende nahe an einem Untersuchungsgegenstand positionierbar und mit einem zweiten Ende an den Lichteintrittsabschnitt der Fotometeranordnung ansetzbar ist und zur Analyse des Lichtes dient, das von einer Reaktionszone eines Plasmas ausgeht.

Fig. 1 der Zeichnungen zeigte eine Analysevorrichtung, die als Emissionsspektroskop ausgebildet ist. Dort umfaßt ein Plasmagenerator 10 eine positive Elektrode 12 und eine negative Elektrode 13. Eine Probe 14 wird in eine Plasmaflamme 16, die durch die positiven und negativen Elektroden 12 und 13 gebildet wird, eingeführt, so daß die Probe 14 erhitzt und zu einer Emission angeregt wird, wobei der Emissionsabschnitt mit der Ziffer 18, wie dies am besten in Fig. 2 gezeigt ist, bezeichnet ist. Eine bildübertragende Faser 20 erstreckt sich in einem Gehäuse 22 des Plasmagenerators 10 und weist einen Kondensator 24 auf, der an einem Ende in dem Gehäuse 22 befestigt ist. Die bildübertragende Faser 20 umfaßt eine Vielzahl von Faserelementen. Das eine Ende der bildübertragenden Faser 20 ist an eine Vorrichtung 26 für die Feineinstellung der optischen Achse der Faser 20 fixiert. Die bildübertragende Faser 20 erstreckt sich durch ein Spiralloch 28a in einem Block 28, welcher in einer Wand 30 aus Beton befestigt ist. Zunächst wird ein Okularlinse 32 an das andere Ende der bildübertragenden Faser 20 angebracht, entfernt von dem Kondensator 24 angeordnet ist, und der Kondensator 24 wird mit dem Emissionsteil 18 mittels einer Einstellvorrichtung 26 für die optische Achse ausgerichtet. Dann wird die Okularlinse 32 von dem anderen Ende der bildübertragenden Faser 20 entfernt und das andere Ende wird an ein Gehäuse 34 einer spektroskopischen Analysevorrichtung 36 befestigt, so daß das Bild des Emissionsabschnitts 18 dorthin durch die bildübertragende Faser 20 und einen Schlitz 34a des Gehäuses 34 übertragen wird. Wie dies am besten in Fig. 2 gezeigt ist, ist der Emissionsabschnitt von dem Plasma 12 in der Form eines umgekehrten Y eingeschlossen.

Die bildübertragende Faser 20 dient als ein Bildsensor zum Sichtbarmachen des Emissionsabschnitts 18 und zur Übertragung des Bildes davon. Die bildübertragende Faser 20 dient auch zur Übertragung der Leuchtkraft des Emissionsabschnitts 18. Da die bildübertragende Faser 20 die Funktion eines Bildsensors ausübt, muß sie eine hohe Auflösung aufweisen. Um diese zu erzielen, ist es wünschenswert, die Anzahl der Faserelemente in der bildübertragenden Faser 20, die zur Übertragung des Bildes des Emissionsabschnittes 18 dienen, zu erhöhen. Es ist jedoch unerwünscht, daß die Bildübertragungsfaser 20 einen zu großen Durchmesser erhält, weil dadurch die Flexibilität der Faser 20 beeinflußt wird. Wenn es deshalb wünschenswert ist, die Anzahl der Faserelemente zu erhöhen und doch den Durchmesser der bildübertragenden Faser 20 zu begrenzen, dann muß jedes der Faserelemente einen kleinen Durchmesser haben, wobei jedes der Faserelemente sich aus einem Kern und einer Hülle um den Kern zusammensetzt. Als Ergebnis wird die Menge der Energie, die in die Hülle ausleckt, groß. Im allgemeinen wird der Kern eines jeden Faserelementes in einer bildübertragenden Faser aus reinem Siliziumdioxid hergestellt, während man die Umhüllung aus einem fluordotierten Siliziumdioxid herstellt. Die bei der Spektroskopieanalyse gemessene Wellenlänge liegt zwischen Ultraviolett und dem sichtbaren Lichtbereich. Die Umhüllung aus fluordotiertem Siliziumdioxid ergibt einen größeren Verlust, d. h. schlechte Anfangscharakteristika, insbesondere im Kurzwellenbereich von 0,24 bis 0,35 µm. Wenn daher die Energie in die Umhüllung ausleckt, wird der Übertragungsverlust der Lichtkraft erheblich. Darüber hinaus besitzt die Umhüllung aus fluordotiertem Siliziumdioxid eine schlechte Strahlungsbeständigkeit im Vergleich zu reinem Siliziumdioxid. Wenn man daher eine bildübertragende Faser der hier beschriebenen Art in einer Umgebung anwendet, welche radioaktiv ist, dann wird der Übertragungsverlust zusätzlich vergößert.

Die Menge der Energie, die in die Umhüllung ausleckt, hängt in einem großen Maße vom Durchmesser des Kerns des Faserelementes ab. Je größer der Kerndurchmesser wird, um so geringer wird die Menge der ausgeleckten Energie und dadurch werden die Eigenschaften der Faserelemente verbessert. Deshalb ist es eine einfache Lösung, den Durchmesser des Kerns des Faserelementes zu vergrößern. Diese Maßnahme ist jedoch von Nachteil, denn wenn der Durchmesser des Faserelements größer wird, dann wird auch der Gesamtdurchmesser der bildübertragenden Faser größer. Eine bildübertragende Faser mit einem solchen Durchmesser ist weniger flexibel und kann infolgedessen nicht zu einem kleinen Radius gebogen und nicht einfach gehandhabt werden.

Um den Übertragungsverlust aufgrund der Umhüllung der Faserelemente in annehmbaren Grenzen zu halten, ist es erforderlich, daß der Kern der Faserelemente einen Durchmesser von etwa 50 µm aufweist. Die Herstellung einer Bildübertragungsfaser mit Faserelementen eines solchen Durchmessers ist jedoch nicht einfach.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Analyse von einem Gegenstand ausgehenden Licht zu schaffen, bei welcher unter Wahrung einer hohen Flexibilität der bildübertragenden Faser das von einem beobachteten Objekt ausgehende Licht verlustarm übertragen wird, ohne die Qualität des übertragenen Bildes wesentlich zu beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Darin zeigt

Fig. 1 die obenbeschriebene Emissionsspektroskopie-Analysevorrichtung in schematischer Darstellung,

Fig. 2 den Emissionsabschnitt in einem Plasmagenerator in vergrößerter Darstellung,

Fig. 3 die Faseranordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt,

Fig. 4 das bei Betrachtung durch die Faseranordnung erscheinende Bild eines Plasmas,

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Übertragungseigenschaften der Faseranordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Abhängigkeit von der Lichtwellenlänge und

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung des Übertragungsverlustes in Abhängigkeit von der Dosis.

Die Faseranordnung, die in Fig. 1 mit 20 und in der detaillierten Darstellung in Fig. 3 mit 50 bezeichnet ist, umfaßt ein erstes optisches Faserelement 52, das zur Übertragung der Lichtkraft dient, und eine Vielzahl von zweiten optischen Faserelementen 54, die zur Bildübertragung dienen. Diese sind um das Lichtkraftübertragungs-Faserelement 52 herum und in dessen Längsrichtung angeordnet. Ferner umfaßt die Faseranordnung 20, 50 eine Ummantelung 56 aus Quarz, die um den Bildübertragungsteil 54a ausgebildet ist und eine Beschichtung 58 aus einem Kunstharz aufweist, welche um die Ummantelung 56 ausgebildet ist. Das Lichtkraftübertragungs-Faseranordnung 20, 50 und hat einen viel größeren Durchmesser als jedes der Bildübertragungs-Faserelemente 54.

Das Lichtkraftübertragungs-Faserelement 52 setzt sich aus einem Kern 52a aus reinem Siliziumdioxid und einer um den Kern 52a ausgebildeten Umhüllung 52b zusammen. Die Umhüllung 52b besteht aus fluordotiertem Siliziumdioxid, bordotiertem Siliziumdioxid oder fluor- und bordotiertem Siliziumdioxid. Der Kern 52a hat einen Durchmesser von 600 µm, während die Umhüllung einen Durchmesser von 800 µm hat. Die numerische Apertur (N. A.) ist 0,21.

Die Anzahl der Faserelemente im Bildübertragungsteil 54 ist 6000. Jedes dieser Faserelemente setzt sich auch aus einem Kern 54a und einer um den Kern ausgebildeten Umhüllung 54b zusammen, wobei der Kern aus reinem Siliziumdioxid besteht und einen Durchmesser von 10 µm hat. Die Ummantelung 56 hat einen Außendurchmesser von 2,0 mm.

Der Kern 52a des Lichtkraftübertragungs-Faserelementes 52 hat einen Durchmesser von nicht weniger als 50 µm, um das Auslecken der Energie in die Umhüllung 52b, d. h. den Übertragungsverlust, in annehmbaren Grenzen zu halten.

Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung der Bildübertragungsfaser 20, 50 beschrieben.

Ein Mutterstab mit einem Außendurchmesser von 15 mm, der sich aus einem Kernteil aus reinem Siliziumdioxid und einem Umhüllungsteil aus fluordotiertem Siliziumdioxid um den Kernteil zusammensetzt, wird bei einer Temperatur von etwa 2200°C in einem Erhitzer auf einen Durchmesser von 10 mm verlängert, wodurch man eine zwischen-optische Faser erhält. Das Verhältnis des Kernteils zu dem Umhüllungsteil beträgt 1, 2, der Unterschied im Brechungsindex 1, 2% (Δ= 1,2%). Diese zwischen-optische Faser wird hergestellt, um das Lichtkraftübertragungs-Faser 52 zur Verfügung zu stellen.

Ein anderer Mutterstab mit einem Außendurchmesser von 15 mm aus einem Kernteil aus reinem Siliziumdioxid und einem Umhüllungsteil aus fluordotiertem Siliziumdioxid um den Kernteil wird zu einem Durchmesser von 300 µm ausgezogen unter Ausbildung einer zweiten zwischenoptischen Faser, wobei das Verhältnis des Kernteils zu dem Umhüllungsteil 1,4 (Δn=1,1%) beträgt. Die zweite zwischen-optische Faser wird hergestellt, um das Bildübertragungs-Faserelement 54 zur Verfügung zu stellen.

Ein Quarzrohr mit einem Innendurchmesser von 21 mm und einem Außendurchmesser von 24 mm wird für die Ummantelung 56 hergestellt. Dann wird die erste zwischen-optische Faser mit dem größeren Durchmesser in das Quarzrohr eingebracht und so darin fixiert, daß es koaxial mit dem Quarzrohr ist, wobei man eine Befestigungsvorrichtung verwendet. Dann wird eine Anzahl der zweiten zwischen- optischen Fasern mit einem geringen Durchmesser in den kreisförmigen Raum, der zwischen der äußeren Umfangsoberfläche der ersten zwischen-optischen Faser und der inneren Umfangsoberfläche des Quarzrohres ausgebildet ist, eingebracht unter Ausbildung einer optischen Faservorform, wobei die zweiten zwischen-optischen Fasern sich längs der Achse der ersten zwischen-optischen Fasser und dem Quarzrohr erstrecken. Dann wird die Vorform mit einer Geschwindigkeit von 30 mm/min in ein Ziehwerkzeug in einem Erhitzer eingeführt und bei erhöhten Temperaturen mit 4 m/min unter Ausbildung einer Bildübertragungsfaser 50 ausgezogen. Auf diese Weise werden die erste und die zweite zwischen-optischen Fasern jeweils in das Lichtkraftübertragungs-Faserelement 52 bzw. in das Bildübertragungs-Faserelement 54 überführt. Ebenso wird das Quarzrohr in die Ummantelung 56 umgewandelt. Ein Ultraviolett(UV)-härtbares Harz wird auf die Ummantelung oder das Rohr 56 mittels einer Inline-Beschichtungsmethode aufgebracht unter Ausbildung des Überzugs 58, wobei man die Bildübertragungsfaser erhält. Der Durchmesser der Bildübertragungsfaser 50, bevor der Überzug 58 darauf aufgebracht wird, beträgt 1,9 mm und der Durchmesser der Bildübertragungsfaser mit dem Überzug 58 beträgt 2,4 mm.

Nachfolgend wird der Betrieb der Bildübertragungsfaser 50 beschrieben. In einem Fernbedienungssystem für eine Vorrichtung zur Emissionsspektroskopie-Analyse, die der in Fig. 1 gezeigten entspricht, wird ein Bild der zu analysierenden Probe mittels der Bildübertragungs-Faserelemente 54 der Bildübertragungsfaser 50 übertragen. Mit anderen Worten heißt dies, daß man die Probe durch die Bildübertragungsfaserelemente 54 sieht, wobei das Bild, das man beim Blick durch die Bildübertragungsfaser 50 erhält, in Fig. 4 gezeigt ist, in welcher die Ziffer 16 ein Plasma und die Ziffer 18 einen Emissionsteil bedeuten. Die Bildübertragungsfaserelemente 54, die als Bildsensor dienen, sind ähnlich den üblichen aufgebaut und haben deshalb auch eine ähnliche Empfindlichkeit. Das Übertragungs-Faserelement 52, das zur Übertragung der Lichtkraft des Emissionsteils 18 dient, hat einen derart großen Durchmesser, daß die Lichtenergie kaum in die Umhüllung ausleckt und dadurch wird der Übertragungsverlust auf einem Minimum gehalten. Da die Kerne der Faserelemente 52 und 54 aus reinem Siliziumdioxid, welches gute Bestrahlungsbeständigkeit aufweist, bestehen, kann man die Bildübertragungsfaser 50 auch für eine Fernbedienungsemissionsspektroskopie-Analyse einer radioaktiven Substanz verwenden.

Beispiel 1

Eine Bildübertragungsfaser für die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem gleichen Aufbau wie die Bildübertragungsfaser 50 in Fig. 3 wird nach dem vorher beschriebenen Verfahren hergestellt. Für Vergleichszwecke wird eine Vergleichsbildübertragungsfaser der üblichen Art hergestellt, die sich von der Bildübertragungsfaser 50 in Fig. 3 darin unterscheidet, daß das LichtübertragungsFaserelement 52 mit einem größeren Durchmesser fortgelassen wurde und daß die Bildübertragungs-Faserelemente 54 vollständig die Umhüllung 56 ausfüllen. Die erfindungsgemäße Bildübertragungsfaser und die Vergleichsbildübertragungsfaser wurden bezüglich der Übertragung geprüft. Die erielten Ergebnisse sind in Fig. 5 gezeigt. Aus Fig. 5 geht hervor, daß die eben beschriebene Bildübertragungsfaser eine bessere Übertragung ergibt als die übliche Bildübertragungsfaser.

Die oben beschriebene Bildübertragungsfaser und die Vergleichsbildübertragungsfaser wurden auch hinsichtlich des Übertragungsverlustes in einer radioaktiven Umgebung untersucht. Die Ergebnisse sind in Fig. 6 gezeigt. Aus Fig. 6 geht hervor, daß bei der oben beschriebenen Bildübertragungsfaser ein geringerer Übertragungsverlust eintritt als bei der Vergleichsbildübertragungsfaser.

Die vorgenannte Übertragung und der vorgenannte Verlust in einer radioaktiven Umgebung bei der oben beschriebenen Bildübertragungsfaser sind nahezu so gut wie die bei einer einzelnen optischen Faser, die ungefähr den gleichen Durchmesser hat wie die oben beschriebene Bildübertragungsfaser.

Beispiel 2

Eine Emissionsspektroskopie-Analyse einer Probe wurde unter Verwendung eines gleichen Systems, wie es in Fig. 1 gezeigt wird, durchgeführt, wobei man eine Bildübertragungsfaser der oben beschriebenen Art und eine Vergleichsbildübertragungsfaser, die beide nach dem Verfahren gemäß Beispiel 1 erhalten worden waren, verwendete. Die Analysenergebnisse werden in der nachfolgenden Tabelle gezeigt.

Tabelle

Aus der Tabelle geht hervor, daß die Nachweisempfindlichkeit der Bildübertragungsfaser der Vorrichtung gemäß der Erfindung viel besser ist als die bei einer Vergleichsbildübertragungsfaser.

Wie vorher dargelegt, dient in der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Bildübertragungsfaser zur befriedigenden Übertragung eines Bildes und der Lichtkraft.

Obwohl bei der beispielsweise gezeigten Ausführungsform die Bildübertragungsfaser 50 nur ein Lichtkraftübertragungsfaserelement 52 mit einem größeren Durchmesser aufweist, kann sie auch mehr als eines haben. Ebenso haben zwar die Lichtkraftübertragungs-Faserelemente 52 einen kreisförmigen Querschnitt, jedoch können sie auch einen anderen als einen kreisförmigen Querschnitt haben, z. B. eine polygonale Form oder eine ovale Form. Weiterhin ist das Lichtübertragungsfaserelement 52 bei der gezeigten Vorrichtung zwar im Zentrum der Bildübertragungsfaser 50 angefordert, jedoch kann es auch exzentrisch zur Längsachse der Bildübertragungsfaser 50 angeordnet sein.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Analyse von Licht, das von einem Gegenstand ausgeht umfassend

• (a) eine Analyseeinrichtung (36) mit einem Lichteintrittsabschnitt (34a),
• (b) eine mit einem ersten Ende nahe am Gegenstand positionierbare und mit einem zweiten Ende an den Lichteintrittsabschnitt (36) ansetzbare Faseranordnung (20, 50), enthaltend
  • (b1) mindestens ein erstes optisches Faserelement (52), das aus einem Kern (52a) sowie einer den Kern umgebenden Umhüllung (52b) gebildet ist und einen Durchmesser von mindestens 50 µm aufweist, und
  • (b2) eine Vielzahl von zweiten optischen Faserelementen (54), die jeweils aus einem Kern (54a) sowie einer den Kern umgebenden Umhüllung (54a) gebildet sind und einen im Verhältnis zum Durchmesser des ersten optischen Faserelementes (52) kleinen Durchmessers aufweisen, wobei die zweiten optischen Faserelemente (54) mit ihren Umhüllungen (54b) in bezug auf die Mantelfläche des ersten optischen Elementes (52) radial und tangential miteinander in Kontakt sind und das erste optische Faserelement (52) in dicht gepackter gegenseitiger Anordnung umgeben, und
• (c) eine mit der Faseranordnung (20, 50) nahe ihrem gegenstandsseitigen Ende verbundene Einstelleinrichtung (26), mit der eine gegenstandsseitige Endfläche des ersten optischen Faserelementes (52) auf einen auswählbaren Teilbereich des Gegenstandes einstellbar ist,
• (d) wobei das erste optische Faserelement (52) ein vom ausgewählten Teilbereich des Gegenstandes ausgehendes Helligkeitssignal an die Analyseeinrichtung (36) überträgt, während die zweiten optischen Faserelemente (54) in ihrer Gesamtheit ein Bild eines den ausgewählten Teilbereich umgebenden Ringbereiches des Gegenstandes übertragen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Faseranordnung (20, 50) vom Lichteintrittsabschnitt (34a) der Analyseeinrichtung (36) abnehmbar und an die Faseranordnung eine Betrachtungseinrichtung (32) lösbar ansetzbar ist zur visuellen Betrachtung eines Bildes des jeweiligen Ringbereiches des Gegenstandes, wenn die erste Endfläche des ersten optischen Faserelementes (52) auf den jeweils ausgewählten Teilbereich des Gegenstandes eingestellt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin die Betrachtungseinrichtung (32) durch eine Okularlinse gebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche , worin das erste optische Faserelement (52) und die zweiten optischen Faserelemente (54) von einer äußeren Umhüllung oder einem Rohr (56) umgeben sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das erste Faserelement (52) im wesentlichen längs einer Mittelachse der durch die ersten und zweiten optischen Faserelemente (52, 54) enthaltenden Faseranordnung (20, 50) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die zweiten Faserelemente (54) jeweils einen Durchmesser von etwa 10 µm aufweisen.

7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die zweiten Faserelemente (54) etwa parallel zur Achse des ersten Faserelementes (52) ausgerichtet sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin das erste Faserelement (52), die zweiten Faserelemente (54) und die äußere Umhüllung durch Ziehen unter Erwärmung gebildet sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die äußere Umhüllung (56) mit einem Überzug (58) versehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin der Kern (52a, 54a) der ersten bzw. zweiten Faserelemente (52, 54) jeweils aus Siliziumdioxid und die Umhüllung (52b, 54b) der ersten bzw. zweiten Faserelemente (52, 54) jeweils aus halogen-gedoptem Siliziumdioxid besteht.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die äußere Umhüllung (56) aus Quarz und deren Überzug (58) aus einem Kunstharz besteht.