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