DE19615333A1 - Gasanalysator mit einer Anordnung zur Sprühreinigung eines optischen Elements - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gasanalysa­ tor zum Analysieren eines Probengases und ein Verfahren des Verwendens und des Reinigens eines derartigen Gasanalysa­ tors. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Gasanalysator und das Verfahren des Verwendens und Reinigens eines derartigen Gasanalysators, der optische Ele­ mente aufweist, die durch Verunreinigungen in dem Probengas beschmutzt werden können, derart, daß die optischen Elemente eine periodische Reinigung erfordern.

Die Raman-Lichtstreuung wurde verwendet, um Gasproben er­ folgreich zu analysieren. Wenn bei diesem Verfahren mono­ chromatisches Licht, das typischerweise anfänglich von einem Laser erzeugt wird, verwendet wird, um eine Gasprobe zu be­ strahlen, die viele unterschiedliche Arten von Gasmolekülen enthält, bewirkt das monochromatische Licht, daß die Gasmo­ leküle in der Gasprobe Licht mit anderen Frequenzen als das einfallende Licht anregen und emittieren. Die Erfassung und die Analyse der Frequenzänderungen des gestreuten Lichts be­ züglich des einfallenden Lichts liefern Informationen über die Identität und die Menge der Komponenten in dem Proben­ gas. Die Raman-Lichtstreuung wurde beispielsweise erfolg­ reich verwendet, um Gasproben vom Atem von Patienten zu ana­ lysieren, beispielsweise beim Bestimmen des Anästhesie-Pe­ gels während eines operativen Eingriffs.

Um eine wirksame Raman-Lichtstreuung zu erzeugen, muß eine adäquate Lichtmenge verfügbar sein, um die Gasproben anzu­ regen. Die Gasproben enthalten jedoch häufig Verunreinigun­ gen, die organische Komponenten und Partikelstoffe enthalten können. Solche Verunreinigungen können die Oberflächen der optischen Elemente in dem Gasanalysator beschmutzen. Bei­ spielsweise können in dem Fall, in dem die Gasabtastungszel­ le (oder der Hohlraum) innerhalb des Resonanzhohlraums eines Lasers angeordnet ist, optische Elemente, beispielsweise ein Reflektor (z. B. ein Spiegel), ein Brewster-Fenster und der­ gleichen, in einem direkten Kontakt mit den Gasproben ange­ ordnet sein. Nach einer wiederholten Verwendung können sich die Verunreinigungen in den Gasproben auf den Oberflächen der optischen Elemente, wie z. B. der Reflektoren und der Fenster, ablagern, wodurch die Amplitude des Anregungslaser­ lichts reduziert wird.

Beispielsweise können die optischen Elemente in einem Gas­ analysator, der zum Analysieren des Atems eines menschlichen Patienten während eines operativen Eingriffs verwendet wird, durch Verunreinigungen, beispielsweise Partikelstoffe, Pro­ teine und andere organische Substanzen, beschmutzt werden. Nachdem ein optisches Element bis zu einem unannehmbaren Grad beschmutzt wurde, sollte der Gasanalysator gereinigt werden. In der Vergangenheit wurde der Gasanalysator per Hand geöffnet und mit einem Lappen oder einem Bausch, der ein Lösungsmittel, beispielsweise Aceton, enthält, gewischt, um die Verunreinigungen zu beseitigen. Jedoch sind die Lichtstreuungs-Elemente und -Oberflächen in derartigen Gas­ analysatoren im allgemeinen klein und empfindlich. Das wie­ derholte Öffnen und Schließen des Gehäuses ebenso wie das Reinigen der optischen Elemente mittels Wischen können die optischen Elemente beschädigen oder bewirken, daß dieselben fehlausgerichtet werden.

Um das Verhindern, daß sich Verunreinigungen auf optischen Elementen in dem Gasanalysesystem, das zum Analysieren von Atemgasproben verwendet wird, ansammeln, zu unterstützen, offenbart das U.S.-Patent 5.153.671 ein Gasanalysesystem mit zwei Puffergas-Einlaßtoren, eines an jedem Ende einer Gas­ analysezelle zum Einführen eines Puffergasflusses in die Zelle. Der Fluß von Puffergas ist wirksam, um die Gasprobe innerhalb der Analysekammer zu begrenzen, um nachteilige Ef­ fekte, die auftreten, wenn die Gasproben die optischen Ele­ mente kontaktieren, zu reduzieren. Jedoch kann dieses Ver­ fahren des Reduzierens des Kontakts der Gasproben mit den optischen Elementen nicht vollständig verhindern, daß sich Verunreinigungen auf denselben ansammeln, wobei eine perio­ dische Reinigung noch benötigt werden kann. Ferner ist die­ ser Entwurf komplex, und das Puffergas kann das Probengas in der Analysezelle verdünnen.

In der Druckindustrie wurden Sprühmittel eines speziellen Materials, die durch das Kühlen einer Flüssigkeit oder eines Gases erhalten werden, zur Verwendung bei der Reinigung vor­ geschlagen. Beispielsweise offenbart das U.S.-Patent 5.107.764 eine Vorrichtung zum Reinigen von Druckerpressen­ komponenten, beispielsweise einem rotierenden Gummizylinder einer Offset-Druckpresse, mit Kohlendioxid-Schnee oder -Pel­ lets. Der Schnee oder die Pellets werden durch einen Luft­ strom unter Druck zu einer beweglichen Düse befördert, die auf ein Ziel gerichtet wird, das gereinigt werden muß.

Das U.S.-Patent 5.294.261 offenbart ein Verfahren zum Ent­ fernen von Verunreinigungspartikeln von einer mikroelektro­ nischen Oberfläche unter Verwendung eines auftreffenden Stroms aus Aerosol, das im wesentlichen zumindest Fest­ stoff-Argon oder Stickstoffpartikel enthält. Die Feststoff­ partikel werden gebildet, indem eine unter Druck gesetzte Flüssigkeit aus Argon oder ein gasförmiger und/oder flüssi­ ger stickstoffhaltiger Strom ausgedehnt wird.

Die Hughes-Company brachte ECO-SNOW-Systeme unter Verwendung von Kohlendioxidschnee zum Reinigen von Kraftfahrzeugkaros­ serien, Plattenlaufwerkteilen, Sonnenblenden, Ventilen und dem Hubble Space Telescope auf den Markt. Bei diesen Syste­ men wird ein Strahl aus Kohlendioxidschnee mittels eines Handreinigungsstabs auf das Reinigungsziel gerichtet.

Es wurde jedoch nicht gezeigt oder vorgeschlagen, daß ein Sprühmittel aus Feststoffpartikeln aus Kohlendioxid oder anderen Substanzen zum Reinigen optischer Elemente in Gas­ analysatoren verwendet werden kann.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gasana­ lysevorrichtung und einen Atemanalysator zu schaffen, bei denen eine In-Situ-Beseitigung von Verunreinigungen auf op­ tischen Elementen derselben möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Gasanalysevorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie einen Atemanalysator gemäß Anspruch 10 ge­ löst.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht da­ rin, ein Verfahren zum Analysieren eines Probengases zu schaffen, bei dem Verunreinigungen auf optischen Komponenten in der verwendeten Gasanalysevorrichtung beseitigt werden, und ein Verfahren zum Reinigen eines optischen Elements in einem Gasanalysator zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Analysieren eines Probengases gemäß Anspruch 11 sowie ein Verfahren zum Reini­ gen eines optischen Elements gemäß Anspruch 22 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Gasanalysevorrichtung zur Analyse eines Probengases, wobei die Vorrichtung einen Mechanismus zum Reinigen optischer Elemente, beispielsweise Reflektoren und Fenster, in der Vorrichtung aufweist. Die Gasanalysevorrichtung weist eine Lichtquelle (beispielsweise einen Laser) zum Emittieren von Licht, einen Körper mit ei­ nem isolierten Hohlraum, in den sich das Licht, das durch die Lichtquelle emittiert wird, ausbreitet, einen Detektor zum Analysieren von Licht, das durch das Probengas in dem isolierten Hohlraum gestreut wird, einen Behälter, der eine unter Druck gesetzte Substanz enthält, die unter Umgebungs­ bedingungen gasförmig ist, und ein Sprühsystem, das in dem Hohlraum angebracht ist, das die Substanz als eine subli­ mierbare Substanz sprüht, auf. Der Körper weist ein Proben­ einlaßtor zum Einführen des Probengases in den Hohlraum und ein Auslaßtor zum Entlüften des Gases aus dem Hohlraum auf.

Der isolierte Hohlraum weist ein oder mehrere optische Ele­ mente (beispielsweise Spiegel, Fenster) auf, die jeweils ei­ ne reflektierende Oberfläche oder eine Oberfläche, die für eine Lichttransmission angepaßt ist, aufweisen. Auf eine solche Oberfläche wird der Sprühnebel aus der sublimierbaren Substanz (beispielsweise Kohlendioxid-"Schnee") für eine In-Situ-Beseitigung von Verunreinigungen von dieser Oberflä­ che gerichtet. Der Ausdruck "sublimierbare Substanz", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf eine Substanz, die aus dem Sprühsystem in einer Feststofform auf die optischen Elemente ausgesprüht wird, die jedoch bei Umgebungsbedingun­ gen (oder Raumbedingungen) (beispielsweise in einem Klinik­ zimmer oder einem Labor) in dem isolierten Hohlraum stabil in ihrer gasförmigen Form ist, so daß der Feststoff subli­ miert, ohne die flüssige Phase zu durchlaufen. Der Ausdruck "isolierter Hohlraum" bezieht sich auf einen Hohlraum, der im wesentlichen geschlossen ist, so daß Umgebungsgase nicht frei in den Hohlraum gelangen können, mit Ausnahme durch die Einlaßtore oder Auslaßtore. Ferner können derartige Einlaß- und Auslaß-Tore mit Ventilen gesteuert werden, um einen vollständig geschlossenen Hohlraum zu erhalten. Der Ausdruck "In-Situ-Beseitigung" bezieht sich auf die Beseitigung von Verunreinigungen von einem optischen Element mittels eines Systems, das innerhalb des isolierten Hohlraums angebracht ist, derart, daß die Verunreinigungen entfernt werden kön­ nen, ohne den Körper zu öffnen und das optische Element der Umgebung auszusetzen.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren des Verwendens einer Gasanalysevorrichtung, die eine Lichtquelle zum Emittieren von Licht, einen Körper mit einem isolierten Hohlraum, in den sich das Licht, das durch die Lichtquelle emittiert wird, ausbreitet, und einen Detektor zum Analysie­ ren von Licht, das durch das Gas gestreut wird, aufweist. Der Körper weist ein Probeneinlaßtor zum Einführen eines Probengases in den isolierten Hohlraum und ein Auslaßtor zum Entlüften des Gases aus dem Hohlraum auf. Der Hohlraum weist ein oder mehrere optische Elemente auf. Jedes optische Ele­ ment weist eine reflektierende Oberfläche und eine Oberflä­ che, die für eine Lichtübertragung angepaßt ist, beispiels­ weise einen Spiegel oder ein Fenster, auf. Das Verfahren um­ faßt das Einlassen eines Probengases zur Analyse in den iso­ lierten Hohlraum, das Analysieren des Probengases durch das Bestrahlen der Gasprobe mit Licht, das von der Lichtquelle emittiert wird, sowie das Erfassen des Lichts, das durch das Gas gestreut wird, und das Sprühen einer sublimierbaren Sub­ stanz auf die Oberfläche des optischen Elements, um Verun­ reinigungen zu beseitigen.

Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Reinigen eines optischen Elements mit einer reflektierenden Oberfläche oder einer Oberfläche, die für eine Lichttrans­ mission angepaßt ist, in einem isolierten Hohlraum. Das Ver­ fahren weist das Sprühen einer sublimierbaren Substanz auf die Oberfläche des optischen Elements mittels einer In- Situ-Düse in dem isolierten Hohlraum, das Sublimieren der sublimierbaren Substanz und das Entlüften der sublimierten sublimierbaren Substanz und der Verunreinigungen, die von dem optischen Element beseitigt sind, aus dem isolierten Hohlraum auf.

Die Gasanalysevorrichtung der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft verwendet werden, um Probengase zu analysieren, die Verunreinigungen enthalten, beispielsweise Partikelstof­ fe, organische Stoffe, Proteine und dergleichen, da das Sprühsystem der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um derartige Verunreinigungen wirksam und effizient von optischen Elementen in der Vorrichtung zu beseitigen. Anwendbare analytische Techniken, die bei einer Gasanalyse­ vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wer­ den können, schließen eine Raman-Streuung, eine Rayleigh-Streuung, eine Fluoreszenz, eine Phosphoreszenz und derglei­ chen ein, sind jedoch nicht auf dieselben begrenzt. Bei der­ artigen Gasanalysevorrichtungen (beispielsweise unter Ver­ wendung der Raman-Lichtstreuungstechnologie) ist die Rein­ heit ebenso wie die Ausrichtung der optischen Elemente, bei­ spielsweise der Reflektoren in dem Resonanzhohlraum des La­ sers, wichtig für die effiziente Verwendung der Laserener­ gie. Beispielsweise wird die Reduzierung des Reflexionsver­ mögens des Reflektors durch Verunreinigungen einen Resonanz­ energieverlust und daher weniger Raman-Lichtstreuung bewir­ ken. Die Fehlausrichtung des Reflektors oder eine Positions­ verschiebung des Licht-Emitters oder der Reflektoren wird bewirken, daß der Lichtstrahl, der durch den Licht-Emitter emittiert wird, fehlgeleitet wird, wobei wiederum die Laser­ energiemenge gesenkt wird, die zum Erzeugen der gewünschten Raman-Lichtstreuung verfügbar ist. Die vorliegende Erfindung kann verwendet werden, um die optischen Elemente zu reini­ gen, ohne den Körper des Gasanalysators zu öffnen, wodurch das Risiko einer Fehlausrichtung der optischen Elemente re­ duziert wird.

Obwohl früher Feststoff-Argon- und -Kohlendioxid-Partikel zum Reinigen verwendet wurden, unterscheiden sich derartige bekannte Verwendungen stark von den Vorrichtungen und Ver­ fahren der vorliegenden Erfindung. Beim Reinigen von Mikro­ elektronik besteht kein Bedarf danach, das Ausmaß der Ver­ schmutzung zu überwachen. Beim Reinigen von Druckgeräten, Kraftfahrzeugkarosserien, usw., kann das Ausmaß der "Ver­ schmutzung" ohne weiteres bestimmt werden, da die ver­ schmutzten Oberflächen ohne weiteres einsehbar sind. Um Gasanalysatoren zu reinigen, besteht eine Anforderung darin, das optische Element nur absatzweise zu reinigen (nur, wenn eine Reinigung benötigt wird), um die optischen Elemente nicht unnötig abzunutzen. Eine weitere Anforderung besteht darin, das optische Element zu reinigen, während die Aus­ richtung des optischen Systems in einem isolierten Hohlraum beibehalten wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem ein Resonanzhohlraum eines Lasers zum Begrenzen des Probengases verwendet ist, macht die hohe Lichtintensität in dem Resonanzhohlraum denselben für eine Gasanalyse besonders geeignet. Jedoch ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Reinheit und die richtige Ausrichtung des optischen Systems besonders wichtig, um ein genaues Ergebnis zu erhalten. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Anforderungen und lie­ fert eine Technik, die das Überwachen und das In-Situ-Reini­ gen sogar in kleinen Gasanalysatoren ermöglicht.

Die Verwendung der vorliegenden Erfindung beseitigt ferner den Bedarf danach, die optischen Elemente per Hand mit einem Lappen (oder einem Bausch) zu wischen, der ein Ultrarein-Lö­ sungsmittel (beispielsweise Aceton, Isopropanol, Trichlor­ ethan, Chlorfluorkohlenstoff (CFC) und dergleichen) enthält, wie es üblicherweise beim Reinigen von Gasanalysatoren durchgeführt wurde. Das Waschen per Hand läßt häufig Spuren des Lösungsmittels oder sogar Stückchen von dem Lappen (oder dem Bausch) auf der Oberfläche des optischen Elements zu­ rück. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels können Spuren von Verunreinigungen, die in dem Lösungsmittel aufgelöst sind, auf dem optischen Element verbleiben. Ferner können derartige Lösungsmittel die Umwelt negativ beeinflussen. Die optischen Elemente in Gasanalysatoren können ziemlich klein sein (beispielsweise weist ein Resonanzhohlraum mit einem Volumen von 0,1 cm Durchmesser einen Reflektor von 0,5 cm über die reflektierende Oberfläche auf). Herkömmliche Typen von Kohlendioxidschnee-Strahlreinigungsvorrichtungen, bei­ spielsweise der Stabtyp, der von der Hughes-Company verkauft wird, sind sperrig und in einem kleinen, begrenzten Bereich, beispielsweise in der Analysezelle (d. h. dem isolierten Hohlraum) eines Gasanalysators, schwierig zu verwenden. Fer­ ner erfordern derartige Geräte geschulte Arbeitskräfte, um das Positionieren und Auslösen des Sprühnebels sorgfältig zu steuern.

Bei der vorliegenden Erfindung verhindert die Verwendung der In-Situ-Beseitigung von Verunreinigungen ferner, daß in dem isolierten Hohlraum Umgebungswasserdampf in der Luft konden­ siert, friert und von dem Sprühnebel mitgerissen wird, um auf die Oberfläche des optischen Elements zu treffen. Es wurde herausgefunden, daß derartige Wasser- und Eis-Partikel den Wirkungsgrad der Reinigung reduzieren. Eispartikel kön­ nen schmelzen, wenn dieselben auf das optische Element tref­ fen und Wärme absorbieren. Das Wasser und das Eis können verhindern, daß einige der sublimierbaren Substanzen einen direkten Zugriff auf die Oberfläche des optischen Elements haben. In einem isolierten Hohlraum, beispielsweise dem der vorliegenden Erfindung, ist die Menge an vorliegendem, at­ mosphärischem Wasserdampf minimal, da der Hohlraum isoliert ist, wobei aller Wasserdampf durch das Gas in dem Sprühnebel und durch das Gas, das durch die Sublimation der sublimier­ baren Substanz gebildet wird, schnell ausgespült werden kann.

Es wurde herausgefunden, daß die Verwendung von Kohlendio­ xid- (CO₂-) Partikeln ("Schnee"), um Verunreinigungen von optischen Elementen in einem isolierenden Hohlraum zu besei­ tigen, ferner den Vorteil aufweist, daß die Kalibrierungs­ schritte vereinfacht sein können. Es wurde herausgefunden, daß Kohlendioxid ein geeignetes Gas zur Verwendung als ein Standardgas bei der Kalibrierung des Gasanalysators ist. Kohlendioxid ist ein normales Nebenprodukt der menschlichen Atmung und eine wichtige Meßgröße für die Analyse von At­ mungsgasen. Mit seinen bekannten Raman-Spektren ergibt eine Messung mit einem hundertprozentigen Kohlendioxid in dem isolierten Hohlraum eine Amplitudenkalibrierung der Spek­ trallinien. Nachdem das optische Element in dem Gasanalysa­ tor mit einem Sprühnebel von aus Partikeln bestehendem Koh­ lendioxid gemäß der vorliegenden Erfindung gereinigt wurde, kann das restliche gasförmige Kohlendioxid in dem isolierten Hohlraum, das durch die Sublimation des aus Partikeln beste­ henden Kohlendioxids erzeugt wird, für eine Kalibrierung verwendet werden.

Bei der vorliegenden Erfindung ergibt die Verwendung eines vollständig gefüllten Raums oder einer anderen Einrichtung zum Erzeugen von Stößen (Bursts) einer spezifischen Menge der sublimierbaren Substanz eine reproduzierbare Reinigung der optischen Elemente, da die Menge der verwendeten subli­ mierbaren Substanz sich während unterschiedlicher Stöße nicht signifikant ändert. Auf diese Weise kann die optische Oberfläche zuverlässig gereinigt werden, ohne eine übermäßi­ ge Abnutzung auf der optischen Oberfläche zu erzeugen oder eine übermäßige Menge der sublimierbaren Substanz in die Um­ gebung oder den isolierten Hohlraum zu lassen. Ferner ist ein derartiges System besonders für eine automatische Steue­ rung anpaßbar. Beispielsweise kann eine Überwachungsvorrich­ tung verwendet werden, um den Lichtverlust, der durch eine Absorption und eine Streuung auf dem optischen Element be­ wirkt wird, zu überwachen. Wenn ein Schwellenbetrag eines Lichtverlusts erfaßt wird, kann die Überwachungsvorrichtung ein Signal senden, um das Sprühsystem zu aktivieren, um ei­ nen Stoß der sublimierbaren Substanz auf die Oberfläche des optischen Elements zu sprühen, um die Oberfläche zu reini­ gen, wodurch das Reflexionsvermögen oder der Lichttransmis­ sionsgrad des optischen Elements wiederhergestellt wird. Auf diese Weise kann ein vollständig automatisches System ver­ wendet werden, um periodisch das optische Element zu reini­ gen, um ein annehmbares Verhalten des Gasanalysators zu be­ wahren.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale dar­ stellen und die nicht maßstäblich sind, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei­ spiels der Gasanalysevorrichtung der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei­ spiels der vorliegenden Erfindung, die mehr Einzel­ heiten des Ausführungsbeispiels von Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Resonanzhohlraums und des Verstärkungsmediums des Lasers, der in dem Gasanalysator von Fig. 2 verwendet ist;

Fig. 4 eine grafische Darstellung dem Zustandsdiagramms von Kohlendioxid;

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Draufsicht eines Ventils, das verwendet werden kann, um eine spezi­ fische Menge der Substanz, die in einen Gasanalysa­ tor der vorliegenden Erfindung gesprüht werden soll, abzugeben, wobei das Ventil in einer Posi­ tion, um eine Kammer in dem Ventil zu füllen, ge­ zeigt ist;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Draufsicht des Ventils von Fig. 5, nachdem das Ventil in eine un­ terschiedliche Ausrichtung gedreht wurde, um die sublimierbare Substanz aus der Kammer in dem Ventil zu sprühen; und

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines weiteren Aus­ führungsbeispiels des Resonanzhohlraums und des Verstärkungsmediums eines Lasers, der in der Gas­ analysevorrichtung der vorliegenden Erfindung ver­ wendet werden kann.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausfüh­ rungsbeispiels der Gasanalysevorrichtung (oder des Gasanaly­ sators) der vorliegenden Erfindung, die eine Anordnung zum Sprüh-Reinigen eines optischen Elements in der Gasanalyse­ vorrichtung aufweist. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Gasanalysevorrichtung 1 eine Quelle 4 einer Substanz auf, die als eine sublimierbare Substanz zum Reinigen des optischen Elements versprüht werden soll. Ein Mechanismus 6 überträgt die Substanz zu einem Sprühauslaß 8 (beispielswei­ se einer Düse). Die Gasanalysevorrichtung 1 weist einen iso­ lierten Hohlraum 10 auf, der ein Probengas für die Analyse begrenzen kann. Eine Lichtquelle (die aus Gründen der Klar­ heit in der Zeichnung von Fig. 1 nicht dargestellt ist) strahlt das Probengas in den isolierten Hohlraum. Das Licht, das durch die Lichtquelle emittiert wird, wird zu einem op­ tischen Element 12 in der Gasanalysevorrichtung 1 übertra­ gen. Der Sprühauslaß 8 ist positioniert, um eine Sprühnebel, der eine sublimierbare Substanz enthält, auf die Oberfläche des optischen Elements 12 auszustoßen, um Verunreinigungen von derselben zu entfernen.

Gemäß Fig. 2, die ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt, weist die Gasanalysevorrichtung 1 eine Lichtquelle (die in Fig. 2 nicht dargestellt ist, um Einzel­ heiten der anderen Strukturen besser zu zeigen) zum Emittie­ ren von Licht auf. Vorzugsweise ist die Lichtquelle ein Ver­ stärkungsmedium (oder ein Lichtemitter), wie z. B. eine Plas­ maentladungsröhre oder eine Laserdiode eines Lasers. Die Gasanalysevorrichtung 1 weist einen Körper (oder ein Gehäu­ se) 14 auf, das einen isolierten Hohlraum 10 einschließt. Der isolierte Hohlraum 10 ist beispielsweise durch das Schließen von Einlaß- und Auslaß-Toren verschließbar, der­ art, daß ein Probengas zur Analyse in dem isolierten Hohl­ raum begrenzt sein kann.

Der Körper 14 der Gasanalysevorrichtung weist ein Probenein­ laßtor 16 zum Einlassen des Probengases in den isolierten Hohlraum 10 auf. Das Probeneinlaßtor 16 kann durch ein Pro­ beneinlaßventil 18 gesteuert sein, um den isolierten Hohl­ raum 10 von der Quelle des Probengases zu isolieren. Ein Auslaßtor 20 mit einem Auslaßventil 22 kann verwendet sein, um das Gas in dem isolierten Hohlraum zu entlüften. Vorzugs­ weise sind das Probeneinlaßtor und das Auslaßtor an gegen­ überliegenden Enden des isolierten Hohlraums 10 (der typi­ scherweise einen linearen Aufbau hat) positioniert. Auf die­ se Weise ist der Todraum in dem isolierten Hohlraum 10 mini­ miert, so daß eine frische Probe des Probengases effizient eingeführt werden kann, um die alte Probe aus dem isolierten Hohlraum zu spülen.

Gemäß Fig. 3, die eine schematische Darstellung des isolier­ ten Hohlraums und des Lasers, der bei dem Ausführungsbei­ spiel von Fig. 2 verwendet ist, zeigt, weist der Laser ein Verstärkungsmedium 24 außerhalb des isolierten Hohlraums 10, der auch als der Resonanzhohlraum des Lasers dient, auf. Der Resonanzhohlraum (d. h. der isolierte Hohlraum 10) weist ei­ nen ersten Reflektor 26 bzw. einen zweiten Reflektor 28 an seinen beiden Enden auf. Laserlicht (dargestellt durch Ia) wird von dem Verstärkungsmedium 24 durch den Reflektor 28 in den isolierten Hohlraum 10 gesendet. Laserlicht wird durch die Reflektoren 26 und 28 in den Resonanzhohlraum 10 reflek­ tiert. Die reflektierten Lichtstrahlen sind durch Ib und Ic dargestellt. Die Reflektoren 26, 28 sind vorzugsweise di­ elektrische Spiegel, die aus Glas mit einer dielektrischen Beschichtung hergestellt sind, derart, daß Laserlicht Ia von dem Verstärkungsmedium 24 durch den Reflektor 28 in den Re­ sonanzhohlraum gesendet werden kann, und daß eine kleine Lichtmenge durch den Reflektor 26 durchgelassen und von dem Detektor 27 erfaßt wird.

Die Abmessungen des Resonanzhohlraums sind derart, daß der Lichtstrahl, der von dem Verstärkungsmedium in den Resonanz­ hohlraum übertragen wird, zwischen dem ersten und dem zwei­ ten Reflektor 26, 28 in Resonanz tritt. Auf diese Weise breitet sich der Lichtstrahl in dem Resonanzhohlraum aus und tritt mit dem Probengas, das in demselben begrenzt ist, in Wechselwirkung. Die Anregung der Atome in dem Probengas durch das Licht hat eine Raman-Lichtstreuung zur Folge. Die Raman-Streustrahlung wird durch einen Detektor 29 (wie in Fig. 2 gezeigt ist) erfaßt, der vorzugsweise lateral (d. h. aus der Achse des Resonanzhohlraums versetzt) und außerhalb des isolierten Hohlraums an einem Ort positioniert ist, der geeignet ist, um das Raman-gestreute Licht aufzufangen. Das Raman-gestreute Licht, das durch den Detektor 29 erfaßt wird, verläßt den isolierten Hohlraum durch ein Fenster 31 in dem Körper 14, der das Probengas begrenzt. Die Technik für die Raman-Lichtstreuung ebenso wie für die Erfassung und die Analyse derart gestreuten Lichts ist in der Technik gut bekannt (wie beispielsweise in dem U.S.-Patent 5.153.671 offenbart ist, dessen Offenbarung, die sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen, Erfassen und Analysieren der Raman-Lichtstreuung bei der Analyse von Gasproben bezieht, hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist).

Der Körper 14, der den isolierten Hohlraum definiert, ist mit einem Sprühsystem zum Entfernen von Verunreinigungen von dem Reflektor 26 verbunden. Das Sprühsystem weist vorzugs­ weise eine Düse 32 auf, die innerhalb des isolierten Hohl­ raums 10 an dem Körper befestigt ist. Die Ausrichtung der Düse 32 ist derart, daß ein Strahl oder ein Sprühnebel 33 direkt auf die Oberfläche des Reflektors 26 gerichtet werden kann, um die gewünschte Fläche durch die Emission eines Sprühnebels aus der Düse zu reinigen, wenn es erwünscht ist. Eine derartige Reinigung kann periodisch nach einer vorbe­ stimmten Analysezeitdauer oder wenn ein Schwellenbetrag ei­ nes Resonanzlichtverlustes an dem Reflektor 26 durch ange­ sammelte Verunreinigungen erreicht wurde, durchgeführt wer­ den.

Die Düse 32 ist mittels einer Leitung 34 für eine Fluidver­ bindung mit einem Vorrat der Substanz, die gesprüht werden soll, verbunden. Vorzugsweise ist der Vorrat eine unter Druck gesetzte Flüssigkeit 36, die in einem Behälter 38, beispielsweise einem Stahltank, gelagert ist. Der Behälter 38 ist vorzugsweise mittels einer Leitung 39 mit einem Ven­ til 40 verbunden, das mit einem vollständig gefüllten Raum (oder einer Kammer) 42 verbunden ist, der verwendet werden kann, um ein spezifisches Volumen der Flüssigkeit, die durch die Düse 32 gesprüht werden soll, zu speichern. Ein Auslaß­ ventil 44 des vollständig gefüllten Raums verbindet den vollständig gefüllten Raum 42 mit einer Leitung 34, derart, daß, wenn das Einlaßventil 40 des vollständig gefüllten Raums geschlossen ist und das Auslaßventil 44 des vollstän­ dig gefüllten Raums geöffnet ist, der Druck innerhalb des vollständig gefüllten Raums 42 die Flüssigkeit in demselben zwingt, die Düse 32 als ein Sprühnebel zu verlassen. Dies kann durchgeführt werden, wenn Verunreinigungen von dem Re­ flektor 26 entfernt werden sollen.

Beim Betrieb zum Reinigen des Reflektors 26 wird der voll­ ständige Raum 42 zuerst beispielsweise durch die Schwerkraft durch das Verschließen des Auslaßventils 44 des vollständig gefüllten Raums und dann das Öffnen des Einlaßventils 40 des vollständig gefüllten Raums mit der Flüssigkeit 36 gefüllt. Das Einlaßventil 40 des vollständig gefüllten Raums kann dann geschlossen werden, um eine spezifische Menge der Flüs­ sigkeit 36 in dem vollständig gefüllten Raum 42 zu begren­ zen. Wenn bestimmt wird, daß der Reflektor 26 gereinigt wer­ den muß, kann das Auslaßventil des vollständig gefüllten Raums geöffnet werden, um die Flüssigkeit durch die Leitung 34 zu zwingen, um die Düse 32 zu verlassen. Bevor der Sprüh­ nebel in den isolierten Hohlraum 10 ausgestoßen wird, wird das Probeneinlaßventil 18 vorzugsweise geschlossen und das Auslaßventil 22 geöffnet, um das Gas aus dem isolierten Hohlraum 14 zu entlüften. Während des Sprühens ist der Druck des Gases in dem isolierten Hohlraum vorzugsweise auf atmos­ phärischen Druck (d. h. etwa 76 cm der Quecksilbersäule auf Meereshöhe), derart, daß, wenn die Substanz 36 die Düse 32 verläßt, dieselbe sich ausdehnt und abkühlt. Teile des Gases bilden flockenartige Partikel, die als Ganzes das Erschei­ nungsbild von Schnee aufweisen.

Die Substanz 36 ist vorzugsweise Kohlendioxid (CO₂). Kohlen­ dioxid kann in dem Behälter 38 bei Zimmertemperatur und ei­ nem Druck von etwa 57 × 10⁵ Pascal (d. h. 830 psig) oder mehr gespeichert werden. Unter diesen Bedingungen ist dasselbe eine Flüssigkeit. Wenn der Druck plötzlich von demselben ge­ nommen wird, indem beispielsweise ermöglicht wird, daß das­ selbe aus einer Düse austritt, um sich adiabatisch auf einen Druck von etwa dem atmosphärischen Druck auszudehnen, wird Feststoff-Kohlendioxid gebildet. Jedoch kann CO₂ genauso gut bei einem geringeren Druck als ein Gas gespeichert werden. Dasselbe kann verwendet werden, solange eine adäquate Menge von "Schnee" durch eine adiabatische Dekompression gebildet werden kann. Basierend auf der vorliegenden Erfindung wäre ein Fachmann in der Lage, den Druck und die Menge des CO₂ zu bestimmen, die zum Reinigen einer speziellen Oberfläche auf einem optischen Element verwendet werden sollen.

In Fig. 4 ist das Zustandsdiagramm von Kohlendioxid gezeigt. Ein Punkt A stellt den Zustand des flüssigen Kohlendioxids in dem vollständig gefüllten Raum dar, bevor es durch die Düse entladen wird. Während die Auslaßdüse 44 des vollstän­ dig gefüllten Raums geöffnet ist, was ermöglicht, daß das Kohlendioxid als ein Strahl (oder ein Sprühnebel) in den isolierten Hohlraum 10 austritt, dehnt sich das Kohlendioxid (entsprechend der Linie B in Fig. 4) aus und kühlt ab. Das Kohlendioxid erfährt eine Phasenänderung und erstarrt in der Nähe von -78°C bei etwa atmosphärischem Druck (näherungswei­ se dargestellt durch den Punkt C in Fig. 4). Das aus Parti­ keln bestehende Kohlendioxid trifft auf die Oberfläche des optischen Elements (d. h. den Reflektor 26), um Verunreini­ gungen von demselben zu entfernen. Die Bewegungsenergie des aus Partikeln bestehenden Kohlendioxids hat einen Schrubb­ effekt zur Beseitigung von Verunreinigungen zur Folge. Fer­ ner hat die Ausdehnung des Kohlendioxids von einem festen Zustand in einen gasförmigen Zustand "Mikroexplosionen" zur Folge, die einen Gasfluß erzeugen, der Verunreinigungen von der Oberfläche trägt. Jedoch ermöglicht die "schneeartige" Konsistenz der Partikel, daß die Oberfläche des optischen Elements gereinigt wird, ohne gekratzt zu werden, wodurch die Glattheit der Oberfläche bewahrt wird. Der Sprühnebel kann ferner Kohlendioxid in flüssiger Form enthalten oder übergangsweise erzeugen. Ein derartiges flüssiges Kohlen­ dioxid kann die Auflösung einiger der organischen Komponen­ ten in den Verunreinigungen unterstützen. Die Kohlendioxid­ partikel absorbieren Energie von ihrer Umgebung und subli­ mieren (am Punkt D in Fig. 4). Das verdampfte Kohlendioxid erwärmt sich allmählich auf die Temperatur der Umgebung (beispielsweise beträgt die Umgebungstemperatur in einem Labor typischerweise etwa 25°C) entlang der Linie E.

Unter Verwendung des vollständig gefüllten Raums 42, des Einlaßventils 40 des vollständig gefüllten Raums und des Auslaßventils 44 des vollständig gefüllten Raums können Sprühnebelstöße von aus Partikeln bestehendem Kohlendioxid derart auf ein optisches Element (beispielsweise den Reflek­ tor 26) gerichtet werden, daß wiederholbare Dosen gesprüht werden können. Die Größe der Dosis kann variiert werden, um durch das Einstellen entweder des Drucks der Flüssigkeit 36 oder des Volumens des vollständig gefüllten Raums 42 das be­ ste Ergebnis zu erzeugen. Wenn es erwünscht ist, kann ferner eine überschüssige Kohlendioxidmenge gesprüht werden, der­ art, daß nach der Sublimation und dem Abgleich auf eine ge­ eignete Temperatur das Kohlendioxidgas in dem isolierten Hohlraum als ein Standard für eine Kalibrierung verwendet werden kann. Als eine Alternative zu dem vollständig gefüll­ ten Raum mit den zugehörigen Einlaß- und Auslaß-Ventilen 40, 44 kann ein einzelnes Ventil, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, verwendet sein.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, kann ein Ventil 48 jeweils durch Leitungen 39, 34 mit dem Behälter 38 und der Düse 32 verbun­ den sein. Das Ventil 48 weist eine Kammer 50 mit zwei Öff­ nungen 52, 54 auf. Die Größe der Kammer ist derart gewählt, daß die Menge des flüssigen Kohlendioxids, das in derselben gespeichert werden kann, geeignet ist, um einen Sprühnebel­ stoß zu liefern, der ausreicht, um Verunreinigungen von der Oberfläche des optischen Elements 26, auf die der Sprühnebel gerichtet ist, zu beseitigen. Im Betrieb wird das Ventil 48 gedreht, derart, daß die Öffnung 52 des Ventils dem Lumen 56 der Leitung 39 gegenüberliegt, um zu ermöglichen, daß flüs­ siges Kohlendioxid aus demselben in die Kammer 50 eindringt, um die Kammer 50 mit flüssigem Kohlendioxid zu füllen. Zu der gleichen Zeit ist die Öffnung 56 des Ventils 58 durch einen Teil des Körpers des Ventils 60 abgedichtet.

Wenn Verunreinigungen von der Oberfläche des optischen Ele­ ments (beispielsweise des Reflektors 26) beseitigt werden sollen, wird das Ventil 48 derart gedreht, daß die Öffnung 54 der Kammer 50 dem Lumen 58 der Leitung 34 gegenüberliegt, und die Öffnung 54 der Kammer durch den Körper des Ventils abgedichtet ist. In dieser Stellung kann sich das Fluid in der Kammer 50 durch das Lumen 58 der Leitung 34 ausdehnen und kann durch die Düse 32 in den isolierten Hohlraum 10 ausgestoßen werden. Auf diese Weise muß nur ein Ventil akti­ viert werden, um einen Sprühnebelstoß von der Düse zu lie­ fern, um Verunreinigungen von dem optischen Element zu rei­ nigen. Die Größe der Stöße kann zuverlässig reproduziert werden, da ein definiertes Volumen in die Kammer emittiert wird, und wiederholbare Dosen von im wesentlichen gleicher Menge gesprüht werden können.

Als eine Alternative zu dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 3 gezeigt ist, kann ferner ein Ausführungsbeispiel der vor­ liegenden Erfindung, bei dem das Verstärkungsmedium inner­ halb des Resonanzhohlraums angeordnet ist, wie in Fig. 7 ge­ zeigt ist, verwendet werden. Eine derartige Laser- und Reso­ nanzhohlraum-Anordnung, ebenso wie die Laser- und Resonanz­ hohlraum-Anordnung von Fig. 3, sind in der Technik gut be­ kannt. Beispielsweise offenbart das U.S.-Patent 5.153.671 eine Laser-Resonanzhohlraum-Anordnung, bei der eine Plasma­ entladungsröhre innerhalb eines Resonanzhohlraums positio­ niert ist. Eine derartige Anordnung kann bei der Gasanalyse­ vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wo­ bei der Mechanismus zur Strahlsprühreinigung der Oberfläche eines optischen Elements in dem Resonanzhohlraum in eine derartige Anordnung eingebaut werden kann.

Gemäß Fig. 7 ist der Resonanzhohlraum an seinen zwei Enden durch Reflektoren 26′ und 28′ definiert. Ein Verstärkungs­ medium 24′ befindet sich innerhalb des Resonanzhohlraums 10′. An einem Ende des Verstärkungsmediums wird Licht Ia durch ein Brewster-Fenster zu dem isolierten Hohlraum emit­ tiert. Licht wird zu dem Reflektor 26′ übertragen und brei­ tet sich durch eine Reflexion an den Reflektoren 26′, 28′ in dem Resonanzhohlraum aus. Die reflektierten Lichtstrahlen sind durch Ib und Ic dargestellt.

Ein Überwachungssystem (das beispielsweise einen Detektor 27, wie in Fig. 2 gezeigt ist, einschließt) kann in die Aus­ führungsbeispiele der Fig. 3 und 7 eingebaut sein, um den Resonanzlichtverlust an einem beliebigen der optischen Ele­ mente zu überwachen. Wenn Licht auf ein optisches Element fällt, das Licht durchläßt, beispielsweise einen dielektri­ schen Spiegel oder ein Fenster, streut die Ansammlung von Verunreinigungen auf dem optischen Element das einfallende Licht und reduziert die Lichtmenge, die durch das optische Element durchgelassen wird. Folglich hängt die Menge des Lichts, das durch das optische Element (beispielsweise den Reflektor 26) durchgelassen und erfaßt wird (beispielsweise durch den Detektor 27), umgekehrt von der Menge der Verun­ reinigungen auf dem optischen Element ab.

Aufgrund der Resonanzcharakteristika des Lichts in dem Reso­ nanzhohlraum wird die Abklingzeit (ring-down time) des Lichts in dem Resonanzhohlraum signifikant von der Menge von Verunreinigungen auf den optischen Elementen beeinflußt. Wenn das Verstärkungsmedium für eine kurze Zeitdauer (d. h. einige wenige Mikrosekunden) ausgeschaltet wird, nimmt die Menge des Lichts, das an den Reflektoren reflektiert wird, mit der Zeit ab, da dasselbe durch die Streuung von den Ver­ unreinigungen und durch die Übertragung durch die Reflekto­ ren verteilt wird. Diese "Abklingzeit", die der Abnahme der Lichtenergie (d. h. dem Resonanzlichtverlust) bei mehreren Reflexionen von den Reflektoren entspricht, ist eine Anzeige der Reinheit der optischen Elemente. Je geringer die Licht­ energie ist, die auf den Reflektor auftrifft, desto geringer ist das Licht, das durch denselben durchgelassen wird. Folg­ lich kann durch das Überwachen des Lichts, das durch ein op­ tisches Element (beispielsweise den Reflektor 26) durchge­ lassen wird, die Abklingzeit und daher die Reinheit des op­ tischen Elements gemessen werden. Beispielsweise wird nach dem Abschalten des Verstärkungsmediums die Energie, die in dem Resonanzhohlraum gespeichert ist, durch das Überwachen der Lichtenergie, die aus dem Hohlraum transmittiert wird, mittels eines Photodetektors, beispielsweise einer photo­ elektrischen Zelle und eines Oszilloskops, als eine Funktion der Zeit erfaßt. Aus dem Profil der Energieabnahme kann der Q-Faktor (d. h. der Gütefaktor), der das Verhältnis der ge­ speicherten Energie zu dem Energieverlust pro Oszillations­ zyklus ist, gemessen werden. Derartige Techniken und Vor­ richtungen zum Messen der Abklingzeit und der Bestimmung des Q-Faktors bei einem Laser sind in der Technik gut bekannt. Ein Schwellenpegel der Reinheit wird basierend auf dem ge­ wünschten Q-Faktor ausgewählt. Der Druck des Auftreffens und die Menge des "Schnees", die benötigt werden, um die Ober­ fläche zu reinigen, wird von dem Ausmaß der Verschmutzung abhängen (d. h. der Schwelle der Reinheit, wenn das Reini­ gungsverfahren realisiert wird).

Zusätzlich zu dem Sprühmechanismus zum Sprühen auf den Re­ flektor 26 können andere ähnliche Anordnungen von Sprühme­ chanismen für eines oder mehrere der optischen Elemente ein­ geschlossen sein (beispielsweise einen Reflektor, eine Lin­ se, ein Fenster, beispielsweise das Brewster-Fenster, und dergleichen). Wenn beispielsweise beide Reflektoren des Re­ sonanzhohlraums dem Probengas ausgesetzt sind, derart, daß Verunreinigungen die Oberflächen der Reflektoren beschmutzen können, können Sprühsysteme in situ an jedem Reflektor ange­ bracht sein, um die Verunreinigungen zu beseitigen.

Ferner können das Ventil oder die Ventile, die zwischen der Quelle des Kohlendioxids und der Spraydüse angeordnet sind, automatisch gesteuert werden (beispielsweise durch Mikropro­ zessoren). Wenn das Überwachungssystem einen Resonanzlicht­ verlust über einem Schwellenpegel an dem optischen Element erfaßt, kann (können) auf diese Weise das (die) Ventil(e) derart betätigt werden, daß ein Sprühnebelstoß aus der Düse ausgestoßen wird, um die Verunreinigungen von der Oberfläche des optischen Elements zu beseitigen. Bei dem Ausführungs­ beispiel, das in Fig. 2 gezeigt ist, können beispielsweise Signale von dem Detektor 27 zu einer Steuerung 45 übertragen werden, um die Steuerventile 40 und 44 derart zu steuern, daß ein CO₂-Sprühnebelstoß ausgestoßen wird, um den Reflek­ tor 26 zu reinigen, wenn es nötig ist. Vorrichtungen und Me­ chanismen zum automatischen Steuern der Ventile basierend auf Informationen, die von einem Überwachungssystem gesam­ melt werden, sind in der Technik allgemein bekannt.

Das Reinigungssystem der vorliegenden Erfindung ist für eine automatische Steuerung speziell gut geeignet. Erstens ist die Größe der optischen Elemente (beispielsweise der Reflek­ toren) klein genug, so daß dieselben durch CO₂-Sprühnebel­ stöße effizient gereinigt werden können, ohne die Sprühdüse manuell einzustellen. Dies gilt insbesondere bei dem bevor­ zugten Ausführungsbeispiel, bei dem der isolierte Hohlraum der Resonanzhohlraum eines Lasers ist, da der Resonanzlaser­ strahl nur auf einem kleinen reflektierenden Bereich auf je­ dem Reflektor reflektiert wird. Zweitens ist das Licht, das aus dem Resonanzhohlraum transmittiert wird, für eine Erfas­ sung besonders geeignet, um das Ausmaß der Verschmutzung des Reflektors anzuzeigen. Dies ist der Fall, da der Reflektor (beispielsweise 26) drei Funktionen durchführt: ein direktes Kontaktieren und Begrenzen der Gase, die analysiert werden, ein Reflektieren des Laserlichts und das Transmittieren von Licht aus dem Hohlraum heraus zu einem Detektor. Durch das Bestimmen der Abklingzeit des Resonanzhohlraums kann der Zu­ stand des optischen Elements zuverlässig überwacht werden.

Als eine Alternative zu den Ausführungsbeispielen des Gas­ analysesystems, das oben beschrieben ist, können weitere Gasanalysesysteme angepaßt werden, um das Sprühsystem zum Reinigen eines optischen Elements, wie es gemäß der vorlie­ genden Erfindung offenbart ist, aufzuweisen. Beispielsweise kann das Gasanalysesystem, das in dem U.S.-Patent 5.153.671 (das durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist) beschrieben ist, ebenfalls das Sprühsystem gleichartig dem von Fig. 2 aufweisen, derart, daß die optischen Elemente in der Gas­ analysevorrichtung periodisch gereinigt werden können.

Obwohl Kohlendioxid verwendet ist, um das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zu zeigen, kann jedes andere Gas, das aus seiner festen Phase (speziell einer fe­ sten Phase, die durch eine adiabatische Ausdehnung durch ei­ ne Düse erhalten werden kann) unter Umgebungsbedingungen sublimiert werden kann, verwendet werden. Andere Gase können Zustandscharakteristika aufweisen, die dieselben ähnlich wie Kohlendioxid für das Bilden eines sublimierbaren "Schnees" geeignet macht (beispielsweise Ammoniak und Argon). Die Wahl des Gases ist durch die optische Einrichtung und die Verun­ reinigungen, die beseitigt werden sollen, bestimmt, und ist für Fachleute auf dem Gebiet des Phasengleichgewichts und der Löslichkeit offensichtlich.

Statt der Abhängigkeit von dem inhärenten Druck der Flüssig­ keit während der Speicherung, um die Substanz durch die Dü­ sen auszustoßen, um einen Sprühnebel zu bilden, kann ein extern zugeführter Gasstrom, beispielsweise unter Druck ge­ setzte Luft, verwendet werden, um die Flüssigkeit durch die Düse zu zwingen, um einen Sprühnebel zu bilden, der die aus Partikeln bestehende Substanz und das extern zugeführte Gas enthält. Systeme, die einen Luftstrom verwenden, um einen Sprühnebel eines Partikelstoffes zu tragen, sind in der Technik bekannt (wie beispielsweise in dem U.S.-Patent 5.107.764 beschrieben ist). Ein System unter Verwendung von Argon zum Herstellen von Argon-"Schnee", der durch einen Strom von Stickstoffgas getragen wird, ist in dem U.S.-Pa­ tent 5.062.898 beschrieben. Diese Offenbarungen sind hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.

Das folgende Beispiel wird geboten, um die Wirksamkeit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung darzustellen, um pe­ riodisch die optischen Elemente, die durch Verunreinigungen in Probengasen verschmutzt wurden, zu reinigen, und um den Betrieb der Gasanalysevorrichtung der vorliegenden Erfindung darzustellen.

Beispiel

Um eine Atemprobe von einem Patienten, beispielsweise für Anästhesiegase, zu analysieren, wird eine Vorrichtung, die in Fig. 2 gezeigt ist, verwendet. In dem Abtastmodus wird ein Abtastgas durch die Probenkammer 10 gezogen. Dasselbe tritt durch einen Einlaß 16 ein und durch einen Auslaß 20 aus. Das Probengas kann von der Beatmungsschaltung eines Patienten, der mit einer Anästhesiemaschine verbunden ist, stammen. Ein Einlaßventil 18 und ein Auslaßventil 22 bleiben während des Abtastmodus offen, um den Gasfluß durch die Zel­ le zu ermöglichen. Spiegel 26 und 28 bilden die Enden eines optischen Resonanzhohlraums, so daß ein intensiver Laser­ strahl zwischen den Spiegeln reflektiert wird. Der intensive Laserstrahl induziert gestreutes Licht von den Molekülen des Probengases. Das gestreute Licht verläßt ein Fenster 31 in der Probenzelle und wird durch einen Detektor 29 erfaßt.

Die Intensität des Laserstrahls wird durch das Messen der optischen Strahlung, die durch einen der Spiegel austritt und den Detektor 27 erreicht, bestimmt. Da das gestreute Licht auch proportional zu der Intensität des Laserstrahls ist, ist das gesteuerte Licht ferner ein Anzeiger der Laser­ strahlintensität. Während des Abtastmodus lagern sich Verun­ reinigungen in dem Probengas auf den Spiegeln ab, was eine Abnahme der Laserintensität bewirkt. Dies wird direkt auf dem Leistungsüberwachungsdetektor 27 beobachtet (alternativ kann das Ausmaß der Verunreinigung durch die abnehmenden Si­ gnale auf dem Streulichtdetektor 31 bestimmt werden).

Wenn die Laserintensität einen vorbestimmten Schwellenwert (oder ein Minimum) erreicht, wechselt das System in einen Reinigungsmodus. Die folgende Sequenz von Ereignissen be­ schreibt den Reinigungsmodus:

• 0) Während des Abtastmodus bleibt das Ventil 44 geschlossen und das Ventil 40 bleibt offen. Dies ermöglicht das Auf­ füllen des vollständig gefüllten Raums 42 mit einem vor­ bestimmten Volumen des Reinigungsmediums 36 aus einem größeren Behälter 38 des Reinigungsmediums.
• 1) Das Ventil 18 schließt, um den Fluß des Probengases in die Zelle zu stoppen.
• 2) Das Ventil 40 schließt.
• 3) Das Ventil 44 öffnet, was die schnelle Entladung des Reinigungsmediums durch die Düse 34 bewirkt. Die schnel­ le Ausdehnung durch die Düse bewirkt das Frieren des Reinigungsmediums, so daß ein Strahl 33 aus gefrorenen Partikeln auf die Oberfläche des verunreinigten Spiegels trifft. Der Strahl richtet den Fluß auf einen kleinen Ort auf dem Spiegel, der auch der Ort des Resonanzlaser­ strahls ist. Der Strahl entfernt die Verunreinigungen von der Spiegeloberfläche. Die Partikel von dem Strahl sublimieren schnell, wobei das gasförmige Reinigungsme­ dium und die Verunreinigungen die Zelle durch den Auslaß 20 und das Ventil 22 verlassen.
• 4) Das Ventil 44 schließt.
• 5) Das Ventil 40 öffnet, um den vollständig gefüllten Raum für den nächsten Reinigungszyklus wieder zu füllen.
• 6) Die Schritte 3 bis 6 können, wenn es notwendig ist, wie­ derholt werden, um alle Verunreinigungen auf einer opti­ schen Oberfläche zu beseitigen, oder um weitere optische Oberflächen (beispielsweise den anderen Spiegel) zu rei­ nigen.
• 7) Das Ventil 18 öffnet wieder, um zu ermöglichen, daß Pro­ bengas in die Zelle eindringt, wodurch der Reinigungs­ modus beendet und der Abtastmodus wieder aufgenommen wird.

Obwohl die veranschaulichenden Ausführungsbeispiele des Gas­ analysesystems der vorliegenden Erfindung und des Verwen­ dungsverfahrens des Systems detailliert beschrieben wurden, sollte es offensichtlich sein, daß die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele durch Fachleute speziell größenmäßig, formmäßig und bezüglich der Kombination der verschiedenen beschriebenen Merkmale modifiziert werden können, ohne von dem Geist und dem Bereich der Erfindung abzuweichen. Bei­ spielsweise können die Ventile statt des Verwendens eines vollständig gefüllten Raums, um eine feste Menge von flüssi­ gem Kohlendioxid zu liefern, gesteuert werden, um eine zeit­ lich gesteuerte Sprühdauer zu liefern.

Claims (22)

1. Gasanalysevorrichtung (1) mit folgenden Merkmalen:
einer Lichtquelle (24) zum Emittieren von Licht;
einem Körper (14) mit einem isolierten Hohlraum (10), in dem sich das Licht, das durch die Lichtquelle (24) emittiert wird, ausbreitet, einem Probeneinlaßtor (16), um ein Probengas, das durch das Licht bestrahlt werden soll, in den Hohlraum einzuführen, und einem Auslaßtor (20) zum Entlüften des Gases aus dem Hohlraum; wobei der Hohlraum ein oder mehrere optische Elemente (26, 28) einschließt, von denen jedes eine Oberfläche auf­ weist;
einem Detektor (29) zum Analysieren von Licht, das durch das Probengas gestreut wird; und
einem Sprühsystem (4, 6, 8), das mit dem Körper verbun­ den ist, um eine sublimierbare Substanz auf die Ober­ fläche des einen oder der mehreren optischen Elemente (26, 28) in dem Hohlraum zu sprühen, um Verunreinigun­ gen in situ von denselben zu beseitigen.

2. Gasanalysevorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Sprühsystem (4, 6, 8) eine Düse (32), die sich in dem Hohlraum befindet, einen Behälter (38) eines Fluids, das durch eine adiabatische Expansion in eine subli­ mierbare Substanz transformierbar ist, und einen voll­ ständig gefüllten Raum (42) aufweist, der wirksam mit dem Behälter und der Düse verbunden ist und eine Fluid-Verbindung zu denselben aufweist, wobei der voll­ ständig gefüllte Raum angepaßt ist, um eine Fluiddosis bei einem Druck oberhalb des atmosphärischen Drucks zu speichern, derart, daß jedesmal, wenn das Sprühsystem (4, 6, 8) aktiviert wird, eine spezifische Menge des Fluids von dem vollständig gefüllten Raum übertragen und als eine sublimierbare Substanz (33) aus der Düse gesprüht wird.

3. Gasanalysevorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die gesprühte sublimierbare Substanz (33) aus Partikeln besteht.

4. Gasanalysevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die sublimierbare Substanz (33) Kohlendioxid ist.

5. Gasanalysevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Gasanalysevorrichtung (1) angepaßt ist, um eine Atemprobe von einem Säugetier zu analysieren.

6. Gasanalysevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Licht durch ein Verstärkungsmedium (24′) eines Lasers erzeugt wird, und bei dem der isolierte Hohlraum (10) einen Resonanzhohlraum des Lasers zur Verstärkung des Lichts einschließt.

7. Gasanalysevorrichtung gemäß Anspruch 6, die ferner eine Einrichtung (27) zum Überwachen des Resonanzlichtver­ lustes auf der Oberfläche eines optischen Elements (26) aufweist, um das Sprühsystem (4, 6, 8) automatisch zu aktivieren, um die Oberfläche zu reinigen, wenn der Re­ sonanzlichtverlust über einem Schwellenpegel ist.

8. Gasanalysevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Licht durch ein Laserverstärkungsmedium (24) außerhalb des isolierten Hohlraums erzeugt wird.

9. Gasanalysevorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Oberfläche entweder eine reflektierende Oberfläche oder eine Oberfläche ist, die zur Lichttrans­ mission angepaßt ist.

10. Atemanalysator zum Analysieren des Atems von einem Pa­ tienten mit folgenden Merkmalen:
einem Laser (24, 26, 28) zum Emittieren von Laserlicht;
einem Körper (14) mit einem isolierten Hohlraum (10), in dem sich das Licht, das durch den Laser emittiert wird, ausbreitet, einem Probeneinlaßtor (16), um eine Atemprobe in den isolierten Hohlraum (10), der durch das Laserlicht bestrahlt werden soll, einzuführen, und einem Auslaßtor (20) zum Entlüften des Gases aus dem isolierten Hohlraum (10); wobei der isolierte Hohlraum ein oder mehrere optische Elemente (26, 28) aufweist, von denen jedes eine reflektierende Oberfläche auf­ weist, um das Laserlicht in Resonanz zu bringen;
einem Detektor (29), der dem Körper (14) zugeordnet ist, um Licht, das von der Atemprobe gestreut wird, zu analysieren; und
einem Sprühsystem (4, 6, 8), das mit dem Körper verbun­ den ist, um eine Fluid zu dekomprimieren, um eine sub­ limierbare Substanz zum Auftreffen auf die Oberfläche des einen oder der mehreren optischen Elemente (26, 28) in dem Hohlraum zu bilden, um Verunreinigungen in situ von denselben zu beseitigen.

11. Verfahren des Analysierens eines Probengases unter Ver­ wendung einer Gasanalysevorrichtung (1), die eine Lichtquelle (24) zum Emittieren von Licht, einen Körper (14) mit einem isolierten Hohlraum (10), in dem sich das Licht, das durch die Lichtquelle emittiert wird, ausbreitet, ein Probeneinlaßtor (16) für die Einführung eines Probengases in den Hohlraum (10) und ein Auslaß­ tor (20) zum Entlüften des Gases aus dem Hohlraum (10), wobei der Hohlraum (10) ein optisches Element (26) mit einer Oberfläche aufweist, und einen Detektor (29) zum Analysieren von Licht, das durch das Gas gestreut wird, aufweist; wobei das Verfahren folgende Schritte auf­ weist:

• (a) Einlassen eines Probengases zur Analyse in den isolierten Hohlraum (10);
• (b) Analysieren des Probengases durch das Bestrahlen des Probengases mit Licht, das von der Lichtquelle (24) emittiert wird, und Erfassen des gestreuten Lichts; und
• (c) Sprühen einer sublimierbaren Substanz (33) auf die Oberfläche der optischen Elemente (26), um Verun­ reinigungen zu beseitigen.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11, das ferner das Überwachen des Lichtverlusts an der Oberfläche des optischen Ele­ ments (26) aufweist, um den Zeitpunkt zum Sprühen der sublimierbaren Substanz zu bestimmen.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, bei dem der isolierte Hohlraum (10) ein Laserresonanzhohlraum ist, und bei dem der Lichtverlust durch das Messen der Abklingzeit in dem Resonanzhohlraum überwacht wird.

14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, das fer­ ner das Dekomprimieren eines Fluids (36) aufweist, um eine sublimierbare Substanz (33) zum Auftreffen auf die Oberfläche des optischen Elements zu bilden.

15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem das Sprühen der sublimierbaren Substanz in situ in dem isolierten Hohlraum (10) durchgeführt wird.

16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, bei dem die sublimierbare Substanz (33) Kohlendioxid ist.

17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 26, bei dem die sublimierbare Substanz (33) aus Partikeln besteht.

18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 17, das fer­ ner das Erhalten eines Probengases von dem Atem eines Säugetiers für die Analyse aufweist.

19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 18, bei dem die sublimierbare Substanz (33) periodisch in Dosen ei­ ner spezifischen Menge gesprüht wird.

20. Verfahren gemäß Anspruch 19, das das Isolieren einer Menge eines Fluids (36) der Substanz, die gesprüht wer­ den soll, aufweist, um eine Dosis einer spezifischen Menge zu erhalten.

21. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 20, bei dem die Schritte (a) und (b) wiederholt werden, um vor dem Schritt (c) eine Mehrzahl von Proben zu analysieren.

22. Verfahren zum Reinigen eines optischen Elements (26) in einem Gasanalysator (1) mit einer reflektierenden Ober­ fläche und einer Oberfläche, die für eine Lichttrans­ mission angepaßt ist, in einem isolierten Hohlraum (10), mit folgenden Schritten:

• (a) Sprühen einer sublimierbaren Substanz (33) auf die Oberfläche des optischen Elements (26) mittels ei­ ner In-Situ-Düse (32) in dem isolierten Hohlraum, wobei die sublimierbare Substanz (33) in dem iso­ lierten Hohlraum sublimiert; und
• (b) Entlüften der sublimierten sublimierbaren Substanz und von Verunreinigungen, die von dem optischen Element (26) beseitigt werden.