MXPA97002263A

MXPA97002263A - Deteccion de reflectancia total atenuada

Info

Publication number: MXPA97002263A
Application number: MXPA/A/1997/002263A
Authority: MX
Inventors: A Stevenson William
Original assignee: Fostermiller Inc
Priority date: 1994-09-29
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 1998-04-01

Abstract

La presente invención se refiere a un sensor de fibra de transmisión por radiación para monitoreo espectroscópico, que comprende una fibraóptica con una porción de transmisión y una porción de sensor, dichas porciones de transmisión y de sensor teniendo una porción continua de núcleo y revestimiento sobre dicha porción de núcleo a través de todas dichas porciones de transmisión y de sensor, dicho revestimiento en dicha porción de sensor siendo de configuración asimétrica tal que una porción de superficie de núcleo sin revestir en dicha porción de sensor es provista para exposición al material por monitorearse espectroscópicamente, dicha fibra siendo de configuración en forma de U con dos porciones de pata conectadas por medio de una porción de vuelta, y dicha porción de superficie expuesta de núcleo extendiéndose a través de dicha porción de vuelta hacia cada una de dichas porciones de pata.

Description

DETECCIÓN DE REFLECTANCIA TOTAL ATENUADA Antecedentes de la Invención Esta invención se refiere a tecnología espectroscópica y mas particularmente a tecnología para analizar material usando tecnología de reflectancia total atenuada por fibra óptica. Se emplea frecuentemente la espectroscopia en un análisis cualitativo y cuantitativo de materiales. Las técnicas de detección por radiación infrarroja son ventajosas frecuentemente sobre las técnicas espectroscópicas que usan radicación de longitudes de onda mas cortas, tales como luz visible o ultravioleta, pues los materiales orgánicos y biológicos tienen picos de absorción de identificación única intensos y relativamente angostos, característicos, en la región infrarroja. El monitoreo espectroscópico infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) es útil en espectroscopia, como se discute, por ejemplo, en las patentes de los Estados Unidos Nos. Re. 33,789 de Stevenson; 5,070,243 de Borstein y colaboradores; 5,239,176 de Stevenson; y 4,852,967 de Cook. El material que está siendo analizado o monitoreado puede ser gaseoso, líquido o sólido. Esta invención se refiere al uso de una fibra óptica como un sensor de reflexión interna múltiple (MIR) y mas particularmente a la tecnología de usar fibras ópticas como sensores MIR para llevar a cabo mediciones tanto de espectrosco-pía de emisión como de espectroscopia de absorción de un material de alta absorción o alta dispersión, una técnica en ocasiones referida como reflectancia total atenuada (ATR) o espectroscopia de onda evanesciente. Compendio de la Invención De acuerdo con un aspecto de la invención, se proporciona una fibra de transmisión por radiación para monitoreo espectroscópico que incluye una porción de transmisión y una porción de sensor. La porción de transmisión tiene un núcleo continuo y un revestimiento continuo sobre 100% de la porción de transmisión y entre 40 a 60% de la porción de sensor. El resto de la porción de sensor tiene una superficie de núcleo expuesta (que es aplanada en formas de realización particulares, pero puede ser de otras formas, tales como cilindrica, según sea apropiado) , tanto el revestimiento como el núcleo son removidos mecánicamente por esmerilado y pulido con compuestos abrasivos ópticos adecuados o removidos químicamente por grabado con un grabador adecuado tal como hidróxido de potasio, oxicloruro de zirconio o fluoruro de hidrógeno. La fibra puede ser tan corta como un centímetro y en una forma de realización particular, la porción de sensor es de alrededor de un centímetro de largo. El núcleo de la fibra de sensor de preferencia es de un vidrio de chalcogénido tal como arsénico selenio telurio, trisulfuro de arsénico, germanio selenio telurio, arsénico germanio selenio; un vidrio de fluoruro de metal pesado tal como zirconio, bario, lantano, aluminio, fluoruro de sodio; sílice fundido o vidrios de silicato, o materiales de un solo cristal tales como haluros de plata, bromoyoduro de talio, y haluro de cesio o zafiro. De preferencia, el núcleo tiene un diámetro inicial antes de remoción por corte de al menos quince mieras pero menos de un milímetro y un índice refractivo mayor de 1.5. De preferencia, la fibra incluye estructura para cambiar la estructura de modo del haz de luz que se propaga dentro de la fibra tal como uno o varios dobleces agudos y/o por medio de porciones de transición cónicas tales como husos. En una forma de realización particular, la porción de transmisión tiene un núcleo de vidrio de chalcogénido de un diámetro de alrededor de 750 mieras y una capa de revestimiento de vidrio de chalcogénido de alrededor de 125 mieras de grosor; el núcleo y el revestimiento de la región del sensor son removidos por corte a aproximadamente el centro del núcleo o a una profundidad total de alrededor de 500 mieras en una longitud de aproximadamente un centímetro. La fibra óptica en la porción de transmisión tiene una apertura numérica de 0.5, el núcleo de vidrio tiene una temperatura de transición al vidrio de 136 °C, un coeficiente de expansión térmica de 23.6 x 10"6/°C y un índice de refracción a una longitud de onda de 10.6 mieras de 2.81; mientras «que el revestimiento de vidrio tiene una temperatura de transición al vidrio de alrededor de 105 °C y un índice de refracción de alrededor de 2.18 a una longitud de onda de 10.6 mieras .

Cuando tal sensor es encapsulado o plantado en un epoxi óptico típico, el vidrio de revestimiento y/o núcleo en la región del sensor puede ser removido por corte en forma precisa a la profundidad deseada usando técnicas convencionales de esmerilado y pulido ópticos. El epoxi óptico proporciona un soporte firme, tenaz para la fibra y es esmerilado y pulido a la misma tasa que el vidrio. Esto proporciona un soporte firme continuo y un montaje para la fibra que puede usarse para montar y proteger el frágil sensor en una variedad de sondas ATR diferentes. La onda evanesciente que se propaga en la superficie pulida del vidrio del núcleo no es absorbida por el epoxi pues el vidrio de revestimiento en el lado inferior de la región de sensor es la única parte que está en contacto óptico íntimo con el epoxi. Combinando este sensor de núcleo expuesto asimétrica-mente con técnicas ópticas de alteración de modo tales como doblez simple en la forma de una U o usando husos bicónicos, pueden lograrse mediciones espectrales cualitativas y cuantitativas que igualan las obtenidas por los mejores sensores de núcleo/revestimiento ahusado. Una diferencia mayor es la facilidad de manufactura reproducible. Las fibras pueden ser dobladas precisamente usando aditamentos sencillos y pueden sujetarse en forma permanente en una variedad de cementos ópticos adecuados. La remoción por corte o extirpación del sensor puede ser controlada en forma muy precisa usando una variedad de e«quipos y técnicas bien conocidos de esmerilado y pulido.

Un soporte protector permanente para el sensor puede ser provisto plantándolo en un cemento óptico duro, tenaz y duradero que no interfiera con la operación del sensor. Esto es particularmente cierto cuando el sensor vaya a ser usado para monitorear espectroscópicamente sólidos, polvos abrasivos, líquidos viscosos que fluyen, y corrientes gaseosas de alta velocidad. De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un sistema espectroscópico que incluye una fuente de radiación para generar un haz de banda amplia de radiación, un detector, un aparato analizador de espectro, y una fibra de transmisión por radiación alargada para disposición en un medio de absorción que comprende una porción de transmisión y una porción de sensor, y una estructura de acoplamiento para acoplar ópticamente la fibra de transmisión con la fuente para transmitir un haz de radiación a través de la fibra a la porción de sensor y para acoplar el haz absorbido de vuelta al detector y el aparato de análisis de espectro para analizar el medio de absorción en el que está dispuesta dicha porción de sensor. La longitud de fibra puede variar de menos de un centímetro a diez metros o mas. Las porciones de transmisión y de sensor son descritas previamente. Breve Descripción de los Dibujos Otros aspectos y ventajas de la invención serán observados al avanzar la siguiente descripción de formas de realización particulares, en conjunción con los dibujos, en los cuales : La figura 1 es una vista diagramática de un sensor de fibra óptica de onda evanesciente de acuerdo con la invención, y la figura ÍA es una vista en secciones a lo largo de la línea 1A-1A de la figura 1; La figura 2 es una vista diagramática de otro sensor de onda evanesciente de acuerdo con la invención; La figura 3 es una vista diagramática de un sensor de fibra óptica de onda evanesciente de acuerdo con la invención, configurado en una U; La figura 4 es una vista diagramática de todavía otro sensor de fibra óptica de onda evanesciente configurado en un doblez apretado en U, con dobleces complementarios en la porción de transmisión justo antes y después de la región de sensor, y toda la fibra encapsulada en un cemento óptico; La figura 5 es un diagrama esquemático de un sistema espectroscópico que emplea el sensor de la figura 4; la figura 5A es una vista diagramática amplificada; y la figura 5B es una vista en secciones a lo largo de la línea 5B-5B de la figura 5A; Las figuras 6 y 7 son diagramas esquemáticos de variaciones del sistema de la figura 5; y La figura 8 es una gráfica de espectros de absorbancia de isopropanol al 100%, obtenidos con un sistema espectroscópico del tipo mostrado en la figura 5 y con un sensor de fibra óptica de acuerdo con la invención bosquejado en la figura 4 y un sensor de núcleo/revestimiento ahusados de diseño óptimo de acuerdo con la patente de los Estados Unidos No. 5,239,176 de Stevenson. Descripción de las Formas de Realización Particulares Con referencia a las vistas diagramáticas de las figuras 1 y ÍA, la fibra óptica 10 incluye la porción de núcleo 12 de vidrio de chalcogénido de arsénico, selenio, telurio (AsSeTe) y una capa de revestimiento 14 de un vidrio de chalcogénido de sulfuro de arsénico (AsS) de menor índice de refracción. La fibra 10 tiene porciones de transmisión 16, 18, porciones de núcleo de transmisión 12T, cada una teniendo un diámetro externo de aproximadamente 750 mieras, y porciones de revestimiento de transmisión 14T, cada una teniendo un diámetro externo de aproximadamente un milímetro. La porción de sensor 20 tiene una longitud de alrededor de 4 cm, con la porción de núcleo 22 que es de forma semi-circular y tiene una superficie relativamente aplanada 24 que es de aproximadamente 750 mieras de ancho, y un revestimiento semi-circular 26 que es de aproximadamente 125 mieras de grosor. Como se indicó, un rayo de luz 28 se propaga a ángulos de reflexión dentro de la apertura numérica de la fibra. Ocurren mas reflexiones por unidad de longitud en la región de sensor 20 debido a la sección transversal reducida de la porción de núcleo 22 en la región de sensor 20. La fibra 10 es procesada encapsulando toda la fibra en un cemento óptico adecuado y luego esmerilando y puliendo la región de sensor 20 con abrasivos ópticos adecuados hasta que la porción de núcleo 22 y la porción de revestimiento 26 unida sean removidas o extirpadas aproximadamente en 50% y se exponga una superficie lisa, aplanada del sensor 24. La figura 2 bosqueja una fibra 10' que contiene husos entre las porciones de transmisión 16' y 18' y la superficie de núcleo expuesta 24' de la porción de sensor 20' . Los husos están de acuerdo con las enseñanzas de la patente de los Estados Unidos No. 5,239,176 de Stevenson y crean mas modos de orden superior en la región de sensor 20' y luego restauran estos modos a los modos de propagación normal en la región de transmisión, como se muestra por la traza de rayo 28', de esta manera creando un sensor mas sensitivo. La figura 3 bosqueja otra fibra sensora 10" de acuerdo con la invención en la forma de una U cuadrada con una porción de vuelta 19 en la cual la región de sensor 20" está dispuesta. La región de sensor 20" es aproximadamente de dos centímetros de largo e incluye la superficie de núcleo aplanada 24". La reordenación asimétrica de la estructura de modo a modos de orden superior es lograda en los dobleces en 90° en las porciones de transmisión 16", 18". La figura 4 bosqueja otra fibra sensora adecuada para montaje en "sondas de aguja" de diámetro pequeño -de aproximadamente 5 mm- , diseñadas para hacer mediciones espectrales de onda evanesciente en espacios confinados tales como tubos de ensaye o cilindros de diámetro pequeño. Un doblez en U apretado 31, de aproximadamente 2 mm de radio, es combinado con dobleces de ángulo relativamente bajo 29 para producir modos de orden superior en la región de sensor 40 en un sensor compacto. Con referencia a la figura 4, el sensor 30 incluye una fibra óptica de tipo similar a las fibras de los sensores mostradas en las figuras 1-3 e incluye la porción de núcleo 32 de alrededor de 750 mieras de diámetro externo y capa de revestimiento 34 de alrededor de 125 mieras de grosor. La fibra 31 es adosada en un cemento óptico de epoxi 36 adecuado, tal que las porciones terminales 38 en el extremo de las porciones de transmisión 31T estén a nivel con la superficie de extremo 37 del epoxi 36. La fibra 30 es doblada (en 29) dos veces, cada una a un ángulo de alrededor de 15° y de nuevo para formar un doblez apretado en U 31 de radio de aproximadamente 2 mm, el alojamiento 36 teniendo un diámetro externo de alrededor de 5 mm. El soporte de alojamiento de epoxi 36 es pulido con abrasivos ópticos adecuados hasta que la porción de núcleo 32 y la porción de revestimiento 34 unida sean removidas aproximadamente 50% y se forme una superficie de sensor lisa, aplanada 40 a un ángulo de alrededor de 15° con el eje de la porción cilindrica del alojamiento 36. El doblez apretado en U 31 de aproximadamente 2 mm de radio en la superficie expuesta 40, junto con los dobleces de ángulo relativamente bajo 29, produce modos de orden superior en la región de sensor 40 en un sensor compacto que es de alrededor de 5 mm de diámetro y tiene una superficie de sensor 41 que es de alrededor de 1 cm de longitud. Un revestimiento de material ópticamente transparente, duro, tal como fluoruro de magnesio, puede ser aplicado a la superficie de sensor 40 pulida para uso en aplicaciones de medición de contacto tales como con abrasivos, sólidos o tejido humano. Aspectos adicionales del sensor mostrado en la figura 4, en combinación con un sistema de análisis FTIR, son mostrados en la figura 5. El sensor 30 es montado en un tubo de soporte de sonda de acero inoxidable 42 en el cual se sujetan cables de acoplamiento 44 mediante cemento óptico 45 adecuado y tiene extremos de acoplamiento expuestos dentro del tubo 42. Formado en el tubo 42 está un rebajo de guía cuña 46 y un rebajo anular que recibe el anillo en O 48. Acoplado al cable de fibra óptica de núcleo y revestimiento de transmisión de entrada 44 está un espectrómetro FTIR 50 del tipo de interferómetro Michelson que incluye una fuente infrarroja 54, el divisor de haces 56 y los espejos de enfoque 58, 60. Acoplado al cable de transmisión de salida de fibra óptica de núcleo y revestimiento 44 está un detector MCT (telúrido de mercurio cadmio) 62, el amplificador que se conecta 64 y el procesador de salida 66 que incluye la pantalla 68. Un sensor 30 del tipo mostrado en la figura 4 es insertado en el alojamiento 42 con alineación axial y radial por una cuña 47 que vincula la guía de cuña 46, y las superficies de extremo 38 de la fibra sensora 31 son polarizadas contra las superficies de extremo de los cables de transmisión 43, 44 mediante el anillo en 0 de fluoroelastómero 48. Un forro protector 70 removible puede estar dispuesto sobre la porción protuberante del sensor 30, la superficie de extremo biselada 72 estando a nivel con la superficie de sensor 40 para aplicaciones para monitorear material sólido tal como partículas abrasivas o tejido humano, y sobresaliendo ligeramente donde el material por monitorearse es un líquido. Un sensor del tipo de acuerdo con la invención, bosquejado en la figura 4, fue conectado al aparato analizador bosquejado en la figura 5. Las mediciones para determinar la sensitividad del sensor, el rango dinámico, el rendimiento y las relaciones de señal a ruido fueron llevadas a cabo como sigue. El sistema fue fijado para resolución de cuatro números de onda (4 cm"1) , un tiempo de exploración de un minuto (52 exploraciones) , y un rango espectral de 4,000 a 1,000 cm"1. Se usó isopropanol anhidro, puro, como analito de prueba. Con el sensor 30 conectado, se obtuvo un espectro de un solo haz del sistema en aire. Luego se sumergió el sensor 30 en isopropanol y se obtuvo un segundo espectro de un solo haz del sistema con el sensor 30 sumergido en isopropanol. El segundo espectro fue relacionado contra el primero para producir un espectro de absorbancia de isopropanol. Un sensor de núcleo/revestimiento ahusado del tipo mostrado en la patente de los Estados Unidos No. 5,239,176, con cables de transmisión apropiados, fue entonces sustituido por el sensor de la figura 4 y cables de acuerdo con la invención, y se obtuvieron espectros similares bajo las mismas condiciones experimentales . La figura 8 muestra los resultados comparativos. El sensor de núcleo removido (figura 4) mostró una altura de pico de absorbancia a 1,126 cm"1 (un pico analítico mayor para isopropanol) de 0.55 unidades de absorbancia, mientras que el sensor ahusado muestra un valor de absorbancia de 0.6 unidades de absorbancia para el mismo pico. El ruido rms fue medido para ambos espectros en la región entre 1,810 y 1,850 cm"1. El ruido total para el sensor de núcleo removido de la figura 4 fue de 0.00015 unidades de absorbancia, dando como resultado una relación de señal a ruido de 3,667 a l. El ruido total para el sensor ahusado del tipo mostrado en la patente de los Estados Unidos No. 5,239,176 fue de 0.00024 unidades de absorbancia entre 1,810 y 1,850 cm"1, dando como resultado una relación de señal a ruido de 2,500 a 1. En el desempeño global, los sensores son aproximadamente equivalentes. En otra forma de realización, mostrada en la figura 7, la fibra 10 incluye una porción de transmisión 16 sencilla con el retro-reflector 92 en el extremo remoto de la porción de sensor 20 de modo que el haz transmitido, modificado por absorbancia en el sensor 20, sea reflejado de vuelta a través de la porción 16 al divisor de haces 94; y en otra forma de realización, mostrada en la figura 6, la fibra 10 tiene varios sensores 20 creados de acuerdo con la invención a lo largo de su longitud. Aunque formas de realización particulares de la invención han sido descritas y mostradas, serán evidentes a los técnicos en la materia otras formas de realización, y por tanto no se pretende que la invención sea limitada a las formas de realización descritas, o a sus detalles, y que se puedan prever aspectos que se alejan de ellos, pero dentro del espíritu y los alcances de la invención.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Aparato sensor de fibra de transmisión por radiación para monitoreo espectroscópico, que comprende una fibra óptica con una porción de transmisión y una porción de sensor, dichas porciones de transmisión y de sensor teniendo una porción continua de núcleo y un revestimiento continuo sobre dicha porción de núcleo a través de todas dichas porciones de transmisión y de sensor, caracterizado porque dicho revestimiento en dicha porción de sensor es de configuración asimétrica tal que una porción de superficie de núcleo sin revestir en dicha porción de sensor sea provista para exposición al material que va a ser monitoreado espectroscópicamente . 2. Aparato de espectroscopia que comprende una fuente de radiación para generar un haz de radiación, un aparato para analizar espectro, un sensor que incluye una fibra de transmisión por radiación alargada para disposición en un material de interés que comprende una porción de transmisión y una porción de sensor, dichas porciones de transmisión y de sensor teniendo una porción continua de núcleo y un revestimiento continuo sobre dicha porción de núcleo a través de dichas porciones de transmisión y de sensor, y una estructura de acoplamiento para acoplar dicha fibra de transmisión a dicha fuente para transmitir un haz de radiación infrarroja a través de dicha fibra a dicha porción de sensor y para acoplar dicha fibra a dicho aparato para analizar a fin de analizar el medio de absorción en el cual se dispone dicha porción de sensor, caracterizado porque dicho revestimiento en dicha porción de sensor es de configuración asimétrica tal que una porción de superficie de núcleo sin revestir en dicha porción de sensor sea provista para exposición al material que va a ser monitoreado espectroscópicamente. 3. El aparato de la reivindicación 2, donde dicha fuente es del tipo de interferómetro Michelson y genera un haz de radiación infrarroja. 4. El aparato de la reivindicación 2 o 3, donde dicho aparato para analizar es del tipo de transformada de Fourier. 5. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado adicionalmente por la provisión de una estructura de soporte de encapsulación que rodea dicha fibra óptica con dicha superficie de sensor expuesta en una superficie de dicha estructura de soporte. 6. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado adicionalmente porque dicho revestimiento en dicha porción de transmisión tiene un grosor suficiente para contener el campo evanesciente a longitudes de onda de interés analítico. 7. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado adicionalmente porque dicho núcleo es seleccionado del grupo que comprende vidrio de chalcogénido tal como sulfuro de arsénico, selénido de arsénico germanio, o telúrido de germanio selenio, vidrio de fluoruro de metal pesado, vidrio de óxido tal como vidrio de sílice, y materiales de cristal sencillo o policristalinos tales como talio, bromoyoduro, haluro de cesio o haluro de plata. 8. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado adicionalmente porque dicha porción de núcleo de sensor tiene un diámetro en el rango de 15 a 1,000 mieras y un índice de refracción mayor de 1.5. 9. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado adicionalmente porque dicha porción de transmisión tiene un núcleo de vidrio de chalcogénido de un diámetro de alrededor de 750 mieras y una capa de revestimiento de vidrio de chalcogénido de un grosor de alrededor de 100 mieras; y la superficie de núcleo expuesta en dicha región de sensor tiene una longitud de al menos alrededor de un centímetro y una anchura de menos de un centímetro. 10. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado adicionalmente porque dicha superficie expuesta es aplanada y tiene una anchura de al menos alrededor de un tercio del diámetro de dicha porción de núcleo. 11. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado adicionalmente porque dicha fibra es formada en forma de U con una porción de vuelta, y dicha superficie de núcleo expuesta se extiende hacia dicha porción de vuelta. 12. El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado adicionalmente porque dicha fibra incluye además dobleces de ángulo relativamente bajo en porciones separadas de dicha porción de vuelta. 13. El sistema de la reivindicación 12, caracterizado adicionalmente porque el ángulo de dichos dobleces de bajo ángulo es de alrededor de 15°.

1 . El aparato de cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado adicionalmente por la provisión de una estructura de alojamiento de sensor y una estructura para retener de manera liberable dicho sensor en dicha estructura de alójamiento.