GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung liegt im Gebiet der optischen
Spektroskopie. Insbesondere betrifft sie die analytische
Spektroskopie auf der Grundlage einer Messung durch das sogenannte
Verfahren der abgeschwächten Totalreflexion, das auf der
Abschwächung von austretenden Wellen beruht, die am Übergang
zwischen einem nichtummantelten optischen Wellenleiter und
einem umgebenden Medium mit geringerem Brechungsindex sich
ausbreiten.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
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Die folgende Beschreibung des Standes der Technik umreißt den
Hintergrund der Erfindung hauptsächlich in bezug zur
Infrarot-(IR)-Spektroskopie, wobei man jedoch verstehen muß, daß
die vorliegende Erfindung auch bei der Spektroskopie unter
Verwendung von Licht in anderen Wellenlängenbereichen, wie in
Bereichen des ultravioletten und sichtbaren Lichts, anwendbar
ist.
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Die Spektroskopie wird heutzutage im großen Umfang bei der
qualitativen und quantitativen Materialanalyse verwendet. Oft
weisen Infrarotnachweisverfahren Vorteile auf gegenüber
spektroskopischen Verfahren unter Verwendung von kürzeren
Wellenlängen, wie sichtbarem Licht, da organische und biologische
Materialien charakteristische scharfe und relativ enge
Absorptionsspitzen im IR-Bereich aufweisen.
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Beim Durchführen einer direkten spektroskopischen IR-Analyse
wird ein Lichtstrahl durch ein Probenmaterial durchgeführt,
und die Transmission wird als Funktion der Wellenlänge
gemessen, was zu einem charakteristischen Spektrum führt. Die
Messungen können direkt sein und zu einem Absorptionsspektrum
führen, oder sie können indirekt sein und zu einem
Emissionsspektrum führen.
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Der hier verwendete Begriff "Messung" bezieht sich allgemein
und ohne Unterschied auf Nachweis, Identifizierung und
quantitative Messung.
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Übliche spektroskopische IR-Verfahren leiden unter einem
durch die starke Absorption von IR-Strahlung bedingten
intrinsischen Problem. Daher müssen Substratmaterialien
regelmäßig durch ein Medium, das im Infraroten transparent ist,
z.B. eine Flüssigkeit wie Nujol (Handelsname) oder ein festes
Salz wie KBR, verdünnt werden. Die damit einhergehende hohe
Verdünnung der Probe kann Ungenauigkeiten in den Ergebnissen
hervorrufen.
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Ein alternatives Verfahren einer direkten spektroskopischen
Messung ist das sogenannte Verfahren der abgeschwächten
Totalreflexion (ATR). Dieses Verfahren zum Aufzeichnen des
optischen Spektrums eines Probenmaterials verwendet einen
nichtummantelten Wellenleiter für die Bestimmung der
Konzentration einer Testspezies, die in einem flüssigen, einem festen
oder einem gasförmigen Medium verteilt ist, das einen
geringeren Brechungsindex als der Wellenleiter aufweist. Es beruht
auf einer totalen internen Lichtreflexion, die eine
abklingende Lichtwelle erzeugt, die sich entlang des
Wellenleiter/Testmedium-Übergangs ausbreitet, und es mißt die
Anpassung der abklingenden Lichtwelle. Das ATR-Verfahren
ermöglicht es, genaue spektroskopische Messungen mit kleineren
Mengen von Probenmaterial als bei der üblichen IR-
Spektroskopie zu erhalten.
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Die ATR vewendende analytische spektroskopische Verfahren
sind beispielsweise in den US-Patenten 4 447 546 und 4 558
014 und in WO 83/01112 beschrieben. Diese Veröffentlichungen
beschreiben fluorimetrische Messungen, die durch
Totalreflexionsfluoreszenzverfahren ausgeführt wurden.
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Die Eindringtiefe der abklingenden Welle in das
Substratmedium hängt stark vom Einfallswinkel des intern reflektierten
Lichts ab, und je näher dieser Winkel am kritischen Winkel
(jenseits dem es keine Totalreflexion gibt) ist, erhöht sich
die Eindringtiefe exponentiell.
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Die Intensität der Wechselwirkung zwischen dem innerhalb des
nichtummantelten Wellenleiters fortschreitenden Licht und dem
diesen umgebenden Medium hängt ab von der Konzentration der
Lösung, der Intensität der Absorption, der Eindringtiefe (die
selbst vom Einfallswinkel des intern reflektierten Lichts
abhängt), und der Anzahl der internen Lichtreflexionen pro
Einheitslänge, was wiederum umgekehrt proportional zum
Durchmesser der Faser ist. Eine Erhöhung in der Anzahl der internen
Reflexionen verstärkt die Wechselwirkung des Lichts mit dem
umgebenden Substrat linear, wogegen eine Erhöhung des
Einfallswinkels die Wechselwirkung exponentiell verstärkt.
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Hideo Tai et al. offenbaren in Optic Letters, Band 12, Nr. 6,
Seiten 437-443 (1987), ein Verfahren einer Gasspektroskopie,
bei dem eine dünne ummantelte optische Faser als Sensor
verwendet wird.
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Die GB 2 180 367A offenbart die Verwendung einer sich
verjüngenden optischen Faser für die Durchführung einer
Immunprüfung mittels Fluorometrie.
AUFGABEN DER ERFINDUNG
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Im folgenden wird eine Meßvorrichtung mit einem Behälter zum
Aufnehmen einer Testflüssigkeit, der mit einem Sensor
ausgestattet ist, als "Sonde" bezeichnet werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die
Empfindlichkeit von spektroskopischen Messungen durch das ATR-
Verfahren durch Intensivierung der Wechselwirkung zwischen
dem Wellenleiter und dem umgebenden Testmedium zu erhöhen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Sonde mit einem hochempfindlichen optischen Sensor zur
Verwendung in der ATR-Verfahren zu schaffen, die geeignet ist
für Messungen von kleinen Mengen an Testmaterialien,
beispielsweise einzelnen kleinen Tröpfchen von der Art, wie sie
in Aerosolen vorhanden sind.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Mittel zur
direkten spektroskopischen Messung ohne die Notwendigkeit
jeglicher Sensitivierungswirkstoffe zur Zwischenschaltung zwischen
dem Sensor und dem Testmedium zu schaffen.
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Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine sogenannte dynamische Sonde zu schaffen, nämlich eine
effektive und hochempfindliche Sonde, die für das andauernde
Überwachen eines durchfließenden Testfluids geeignet
ausgebildet ist.
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Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine empfindliche Wegwerfsonde zu schaffen zur Verwendung in
dem ATR-Verfahren, die zum Nehmen einer Probe eines
Testmediums, zum Durchführen einer ATR-Analyse und, bei Bedarf, zum
Speichern der Probe als Referenz für zukünftige Messungen
geeignet ist.
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Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden
aus der folgenden Beschreibung offensichtlich werden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Die vorgehenden Aufgaben werden erfindungsgemäß durch ein
Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß
Anspruch 4 gelöst.
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Bei Bedarf kann die Basisseite jedes Kegelstumpfabschnitts
eines jeden Sensors in einen äußeren zylindrischen Abschnitt
übergehen, der den gleichen Durchmesser wie die Basis
aufweist.
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Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es
möglich, jegliche Art von Glasfasern wie auf Kalkogen
Verbundstoff beruhende Glasfasern, Silika-Glasfasern,
fluoridische Glasfasern und ähnliches zu verwenden. Die Wahl für die
Art von Glasfaser hängt u.a. vom Bereich des Lichtspektrums
ab, bei dem die Messungen ausgeführt werden.
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Die Erfindung schafft weiter zur Verwendung bei der
Durchführung in dem obigen Verfahren eine Sonde mit einem
röhrenartigen Gehäuse, das zum Aufnehmen eines Probemediums geeignet
ausgebildet ist und in das wenigstens ein optischer
Fasersensor mit einer nicht ummantelten Fühlzone und
Lichteintrittsund Lichtaustrittsenden eingefügt ist, und die dadurch
gekennzeichnet ist, daß die Fühlzone jedes Sensors einen
Abschnitt mit kleinem Durchmesser umfaßt, von dem beide Enden
in Kegelstumpfabschnitte übergehen, deren Basen mit großem
Durchmesser von dem zylindrischen Abschnitt mit kleinem
Durchmesser abgekehrt sind.
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Bei Bedarf kann jede Basisseite eines jeden
Kegelstumpfabschnittes jedes Sensors in einen äußeren zylindrischen
Abschnitt übergehen, der den gleichen Durchmesser wie die Basis
aufweist.
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Das röhrenartige Gehäuse einer erfindungsgemäßen Sonde kann
eine kreisförmige oder eine polygonförmige Querschnittsform
aufweisen.
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Aufgrund der besonderen Geometrie des oder der Sensoren in
einer erfindungsgemäßen Sonde ist die Empfindlichkeit der
Fühlzone jedes Sensors beträchtlich erhöht. Dies beruht auf
drei kummulativen Effekten: Zum einen erhöht der
Kegelstumpfabschnitt an der Lichtaufnahmeseite den Einfallswinkel
in den Abschnitt mit kleinem Durchmesser der Fühlzone jedes
Sensors und damit wird die Eindringtiefe der abklingenden
Lichtwelle in das Testfluid erhöht. Zum zweiten wird die
Anzahl der internen Lichtreflexionen pro Einheitslänge aufgrund
des kleinen Durchmessers des Fühlzonenabschnitts jedes
Sensors erhöht. Zum dritten konzentriert der
Kegelstumpfabschnitt an der Seite des Lichtaufnahmeendes das einlaufende
Licht. Als Folge dieser drei Effekte gibt es eine erhöhte
Wechselwirkung zwischen der abklingenden Lichtwelle in der
Fühlzone jedes Sensors und dem umgebenden Testmedium, wodurch
die Empfindlichkeit des oder der Sensoren beträchlich erhöht
wird.
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Aufgrund der hohen Empfindlichkeit des oder der Sensoren in
erfindungsgemäßen Sonden gibt es keine Notwendigkeit für ein
Sensitivierungsreagenz, und das Testfluid kann direkt
gemessen werden.
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Wenn eine erfindungsgemäße Sonde zwei oder mehrere Sensoren
aufweist, werden diese hier im folgenden als "Bündel"
bezeichnet werden.
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Bei einem Sensorbündel in einer erfindungsgemäßen Sonde
bleiben die Fühlzonen aller Sensoren diskrete Einheiten und jeder
Sensor arbeitet unabhängig von den anderen. Auf diese Weise
wird die Empfindlichkeit der Anordnung im Vergleich zu einer
Sonde mit einem einzigen Sensor erhöht, da das Kontaktgebiet
zwischen den Sensoren und dem Testmedium erhöht wird und
dadurch ein effektives Volumen des Testmediums erhöht wird.
Derartige Sonden sind beispielsweise beim andauernden
Überwachen von Testfluiden wie verdünnten Lösungen, Emulsionen und
Erosolen, die geringe Mengen von Testmaterial pro
Einheitsvolumen enthalten, nützlich.
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Aufgrund der hohen Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen
Sonde sind nur kleine Mengen an Testmedium zur Durchführung
einer aussagekräftigen Spektralanalyse notwendig.
Dementsprechend weist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die
Sonde Kapillardimensionen auf, die im Einzelfall durch das
effektive Eindringvolumen der abklingenden Welle in der
Fühlzone des oder der Sensoren bestimmt werden.
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Aufgrund der hohen Empfindlichkeit der Sensoren führen die
erfindungsgemäßen Sonden zu verläßlichen Echtzeitergebnissen.
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Eine erfindungsgemäße Sonde kann zur Verwendung in einem
Einzeltest oder Serienbetriebsmodus (batch mode) oder zur
kontinuierlichen Verwendung entworfen sein. Im Einzeltestmodus
kann die Sonde lediglich zur Einmalverwendung dienen und bei
Abschluß der Spektralanalyse kann die Sonde mit ihrem Inhalt
entweder entsorgt oder als Referenz für zukünftige Messungen
aufbewahrt werden. Aufgrund der intrinsisch kleinen Größe der
erfindungsgemäßen Sonden für die Verwendung im
Einzeltestmodus
sind diese Sonden einfach zu transportieren, was es
ermöglicht, die Probennahme für den Einzeltestmodus entfernt
von dem ATR-Gerät durchzuführen, was noch einen weiteren
offensichtlichen Vorteil darstellt.
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Alternativ kann eine erfindungsgemäße Sonde als sogenannte
dynamische Sonde gestaltet sein, die für eine kontinuierliche
Betriebsweise mit konstantem Durchfluß eines Testfluids
ausgelegt ist. Eine derartige Ausführungsform ist zur
kontinuierlichen ATR-Überwachung nützlich.
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Das Gehäuse der Sonde kann aus jedem beliebigen Material
bestehen. Während der Lagerung kann die Sonde ggf. mit einer
inerten Flüssigkeit gefüllt werden, um auf diese Weise die
nicht ummantelte Fühlzone des oder der Sensoren zu schützen.
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Während des Füllens, der Lagerung und des Transports sind die
im Einzeltestmodus verwendeten erfindungsgemäßen Sonden
vorzugsweise mit einer Abdeckung versehen. Für die Anfertigung
eines optischen Fasersensors, der die zur Anbringung in einer
erfindungsgemäßen Sonde notwendige Form aufweist, wird ein
optischer Faserkern zuerst durch Ziehen einer Rohform in
einem Ziehturm erzeugt, was per se bekannt ist. Danach wird die
Faser in Stücke geeigneter Längen geschnitten und jedes Stück
oder alternativ ein Bündel solcher Stücke wird in einer
geeignet entworfenen Wärmestreckvorrichtung eingesetzt. In
einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt eine derartige
Wärmestreckvorrichtung zwei ausgerichtete Halterrohre. Die
ausgerichteten Halterrohre sind zueinander im Abstand unter
Bildung einer Lücke, an der die Faser freiliegt. Die
Endabschnitte der Fasern treten aus den entfernten Enden der
Halterrohre aus und zwei gleiche Gewichte werden daran
angehängt. Der freiliegende zentrale Bereich der Faser oder des
Faserbündels wird dann erwärmt, wobei er aufgeweicht und
infolge der Zugwirkung durch die beiden Gewichte gestreckt
wird. Im Verlauf eines derartigen Streckens werden konische
Bereiche zwischen dem in die Länge gezogenen zentralen
Abschnitt mit kleinem Durchmesser und den äußeren zylindrischen
Abschnitten mit ursprünglichem Durchmesser gebildet. Die
Vorrichtung hat auch Endbegrenzungen, die die Gewichte
auffangen, wenn die Fasern in dem gewünschten Ausmaß gestreckt
worden sind.
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Bei Abschluß des obigen Faserformungsvorganges werden die
Faser(n) zum Erhalt des oder der gewünschten Sensoren auf Größe
zugeschnitten, die beiden Enden jedes Sensors poliert wie per
se bekannt ist, und der oder die Sensoren werden in den
röhrenartigen Halter geschoben, der als Gehäuse der Sonde dient
und sie werden geeignet darin zentriert und befestigt.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird nun lediglich
beispielhaft in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen die
Erfindung beschrieben, wobei die Erfindung darauf nicht
beschränkt sein soll. In den Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 einen Aufriß eines Sensors zur Verwendung in einer
erfindungsgemäßen Sonde, in dem die Erhöhung in der
Anzahl von Reflexionen pro Einheitslänge in dem
Abschnitt mit geringem Durchmesser der Fühlzone
skizziert ist;
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Fig. 2 einen axialen Schnitt einer erfindungsgemäßen Sonde
mit einem einzigen Sensor;
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Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III der Figur
2;
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Fig. 4 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Sonde mit
einem Bündel von Sensoren;
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Fig. 5 eine Diagrammdarstellung für die Herstellung eines
optischen Fasersensors für eine erfindungsgemäße Son-
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Fig. 6 ein Blockdiagramm eines IR-Spektrometers, das
erfindungsgemäß nach dem ATR-Verfahren arbeitet;
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Fig. 7 ein Infrarot-Absorptionsspektrum von Paraffin in
einer erfindungsgemäßen Sonde mit einem einzigen
Sensor; und
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Fig. 8 ein Absorptionsspektrum von Paraffin unter Verwendung
einer Sonde nach dem Stand der Technik mit einem
einzigen Sensor nach Fig. 7, der jedoch einen einzelnen
erfindungsgemäß geformten Fasersensor umfaßt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die Figur 1 zeigt einen in erfindungsgemäßen Sonden
verwendeten optischen Fasersensor. Wie gezeigt ist, umfaßt die
Fühlzone des Sensors einen zentralen zylindrischen Abschnitt 1
mit kleinem Durchmesser D1, der von zwei konischen
Abschnitten 2 flankiert wird, deren Basen 3 von dem zentralen
Abschnitt 1 abgekehrt sind und die jeweils in weitere
zylindrische Abschnitte 4 mit größerem Durchmesser D2 übergehen.
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Es sei hier bemerkt, daß die Figur 1 und auch die folgenden
Figuren nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind und daß
tatsächlich das Verhältnis D2/D1 beträchtlich größer ist als in den
Zeichnungen gezeigt ist.
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In der Figur 1 ist die Art und Weise, wie der konische
Abschnitt 2 an der Lichtaufnahmeseite Licht kondensiert, um
somit die Anzahl von Reflexionen pro Einheitslänge zu erhöhen,
schematisch mittels der fiktiven Lichtstrahlen 5 und 6
gezeigt. Man sieht deutlich, daß der Abstand zwischen den
Reflexionspunkten dieser beiden Strahlen an der Faseroberfläche
allmählich von dem zylinderischen Abschnitt 3 mit großem
Durchmesser über den konischen Abschnitt 2 abnimmt und
innerhalb des zylindrischen Abschnitts 1 mit kleinem Durchmesser
am kleinsten ist. Mit anderen Worten, in dem zylindrischen
Abschnitt 1 mit kleinem Durchmesser ist die Anzahl von
Reflexionen pro Einheitslänge viel größer als in dem
zylindrischen Abschnitt 4 mit großem Durchmesser.
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Bei der Verwendung ist der gesamte oder ein Teil des
Abschnitts mit kleinem Durchmesser der Fühlzone eines gemäß der
in der Figur 1 gezeigten Art geformten optischen Fasersensors
mit einem Testmedium in Kontakt und eine abklingende
Lichtwelle breitet sich an dem Übergang Testmedium/Sensor aus. Die
Intensität der Wechselwirkung zwischen der abklingenden
Lichtwelle und dem umgebenden Medium ist direkt proportional
zu dem Verhältnis der Durchmesser D2/D1 und zu der Länge L
des Abschnitts 1 mit kleinem Durchmesser. Das Verhältnis der
Durchmesser ist jedoch durch die Anforderung beschränkt, daß
der sich ergebende Einfallswinkel unterhalb eines kritischen
Winkels bleiben muß, so daß das Licht in der Faser innerhalb
der Domäne der Totalreflexion bleibt. Der kritische Winkel
erhöht sich mit dem Unterschied zwischen den Brechungsindizes
des Sensors und des Testmediums und folglich sind Sensoren
mit einem hohen Brechungsindex regelmäßig bevorzugt,
beispielsweise solche, die aus Kalkogenglas hergestellt sind.
Vorbehaltlich der obigen Einschränkung ist es wünschenswert,
einen Sensor in einer erfindungsgemäßen Sonde so zu
entwerfen, daß der zentrale Abschnitt 1 so dünn und so lang wie
praktisch möglich ist.
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Ein typisches Beispiel einer erfindungsgemäßen Sonde zur
Verwendung in dem Einzeltestbetriebsmodus, die einen einzigen
Fasersensor aufweist, ist in den Figuren 2 und 3 gezeigt. Wie
gezeigt umfaßt eine Sonde 7 ein röhrenartiges Gehäuse 8 mit
kreisförmiger Querschnittsform. Das Gehäuse 8 umfaßt zwei
abdichtbare Öffnungen 9 für die Eingabe eines Probenmediums.
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Eine optische Fasersonde 10 ist zwischen zwei ringförmigen
Körpern 11 gehalten, die eine sich verjüngende
Querschnittsform aufweisen und aus lichtundurchlässigem Material
hergestellt sind. Die Form des Sensors 10 ist ähnlich zu der in
der Figur 1 gezeigten, und er umfaßt einen zylindrischen
zentralen Abschnitt 12 mit kleinem Durchmesser, der in
Längsrichtung von zwei konischen Abschnitten 13 flankiert wird,
die jeweils in einen zweiten zylindrischen Abschnitt 14 mit
großem Durchmesser übergehen. Die Enden des Abschnitts 14
sind geeignet poliert, wie per se bekannt ist, und während
des Auffüllens, Lagerns und Transports werden sie mittels
Abdeckungen 15 geschützt.
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Eine erfindungsgemäße Sonde zur Verwendung beim
kontinuierlichen Betriebsmodus weist im Prinzip eine ähnlich Bauart auf,
wobei jedoch die Öffnungen 9 vorzugsweise durch Einlaß- und
Auslaßrohre ersetzt sind.
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Die in der Figur 4 im Querschnitt gezeigte erfindungsgemäße
Sonde ist im wesentlichen zu der nach den Figuren 2 und 3
ähnlich, wobei jedoch der einzige Fasersensor durch ein
Bündel von Sensoren hier ersetzt ist, und wobei ähnliche
Bauteile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Wie gezeigt,
ist der einzelne Fasersensor 10 nach den Figuren 2 und 3 hier
durch ein Bündel 16 ersetzt, das eine Vielzahl von
individuellen Fasern 18 umfaßt, die jeweils einen zentralen Abschnitt
19 mit kleinem Durchmesser aufweisen, der in Längsrichtung
von zwei konischen Abschnitten 20 flankiert ist (nur einer
ist in der Figur 4 gezeigt) und jeweils in einen
zylindrischen Abschnitt mit großem Durchmesser (nicht gezeigt)
übergeht.
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Die Herstellung einer Sonde mit einem optischen Fasersensor
gemäß der vorliegenden Erfindung ist in dem Diagramm der
Figur 5 veranschaulicht. Wie gezeigt, ist ein optisches
Faserstück 22 mit geeigneter Länge und Durchmesser (50 - 1000 µ)
in zwei ausgerichteten Kapillarhalterrohren 23, die durch
eine Lücke 24 getrennt sind, enthalten. An den beiden Enden der
optischen Faser 22 sind Schnüre 25 angebracht, von denen jede
durch eine Umlenkrolle 26 unterstützt ist und wobei von jeder
ein Gewicht 27 herabhängt, und wobei die beiden Gewichte 27
genau gleich sind.
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Unter den Gewichten 27 sind Stopvorrichtungen 28 vorgesehen,
die von den anfänglichen Positionen der Gewichte um einen
Abstand (L/2) entfernt sind, wobei L die Länge der Fühlzone des
fertigen Sensors ist.
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Der freiliegende Abschnitt der Faser 23, der sich über die
Lücke 25 erstreckt, wird erwärmt, worauf sich dieser
Abschnitt aufweicht und gestreckt wird, was mit einer
Verringerung seines Durchmessers und der Ausbildung von konischen
Übergangsabschnitten zwischen dem gestreckten zentralen
zylindrischen Abschnitt mit kleinem Durchmesser und den
flankierenden nicht gestreckten zylindrischen Abschnitten mit
großem Durchmesser der optischen Faser 25 einhergeht. Dieser
Streckvorgang dauert solange an, bis die Gewichte 27 durch
die Stopvorrichtungen 28 zum Ruhen kommen, woraufhin das
Aufheizen unterbrochen wird. Die als Ergebnis erhaltene Faser
wird dann auf Länge abgeschnitten und in eine der
Halterröhren 23 geschoben, die als Gehäuse für die fertige
erfindungsgemäße Sonde dient. Die Enden des Sensors können dann poliert
werden, wie per se bekannt ist, und schließlich wird der
Sensor auf jegliche geeignete Weise zentriert und zurückgesetzt,
wie per se bekannt ist.
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Wenn ein Sensor mit nur einem konischen Abschnitt benötigt
wird, wird die im Ergebnis erhaltene geformte Faser an dem
zentralen Abschnitt mit kleinem Durchschnitt geschnitten, und
jeder erhaltene Sensor wird in eine der Röhren 23 geschoben,
worauf dann die gleichen Vorgänge wie oben erwähnt folgen.
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Die Anfertigung einer Sonde mit einem Bündel von diskreten
Sensoren ist im wesentlich ähnlich.
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Zur Herstellung einer Sonde mit einem Sensorbündel mit einer
einzigen Fühlzone, die sich an beiden Enden in eine Vielzahl
von diskreten Kegelstumpf- und Endabschnitten erstreckt, wird
ein Bündel aus diskreten Fasern verwendet, und der
Streckvorgang wird mit einem Verdrehungsvorgang verbunden,
beispielsweise durch Drehen der beiden Halterrohre 23 in
entgegengesetzte Richtungen, wodurch die freiliegenden Abschnitte aller
Fasern 22 eines Bündels zusammengeschmolzen werden unter
gleichzeitiger Streckung.
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Die Figur 6 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer
ATR-Anordnung zum Aufzeichnen eines IR-Spektrums unter
Verwendung einer erfindungsgemäßen Sonde. Wie gezeigt, umfaßt
die Spektrometeranordnung eine Lichtquelle 30, einen
Aufteilungsspiegel 31, eine Probensonde 32, eine Referenzsonde 33,
Enddetektoren 34 und 35 und einen Analysator 36. Beim Betrieb
wird von der Lichtquelle 30 austretendes IR-Licht durch den
Aufteilungsspiegel 31 aufgespalten, wobei zwei Strahlen
erzeugt werden, von denen einer durch die Probensonde 32, und
der andere durch die Referenzsonde 33 hindurchtritt. Die
Enddetektoren 34 und 35 detektieren die Anpassung des
abklingenden Lichts, das jeweils aus der Probensonde 32 und der
Referenzprobe
33 austritt, und der Analysator 36 vergleicht die
durch die Detektoren erzeugten Signale und gibt ein
qualitatives Spektrum und/oder eine Anzeige der Probenkonzentration
wieder.
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Anstatt der Verwendung eines Aufteilungsspiegels 31 ist es
auch möglich, die Sensoren sowohl der Probensonde 32 als auch
der Referenzsonde 33 direkt mit der Lichtquelle 30 zu
verbinden.
EIN VERGLEICHSBEISPIEL
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In einem ersten Experiment wurde das IR-Spektrum eines
einzigen Paraffintropfens mit einer Größe von 0,2 mm aufgezeichnet
unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Sonde mit einem
einzigen optischen Fasersensor, der aus As&sub2;Se&sub3; chalcogenglas
hergestellt war und einen Brechungsindex von 2,77 aufwies. Die
Gestaltung des Sensors war ähnlich zu der in der Figur 1
gezeigten, wobei die Fühlzone 2 cm lang war und einen
Durchmesser von 20 µ aufwies, wogegen der Durchmesser der
flankierenden zylindrischen Abschnitte 500 µ betrug. Der
Paraffintropfen war somit in Kontakt mit einem kleinen Abschnitt der
Fühlzone.
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In einem zweiten Experiment wurde eine herkömmliche Sonde
großer Größe mit einem einzigen optischen Fasersensor aus dem
gleichen Chalcogenglas, mit 500 µ Durchmesser und mit einer
Fühlzone von 20 cm Länge verwendet. Die Paraffinmenge in dem
zweiten Experiment war viel größer, um somit die gesamte
Länge des optischen Fasersensors zu umgeben. In beiden
Expenmenten wurde eine Nikolit-FTIR-Spektrometer verwendet mit
einem reflektiven optischen System zum Konzentrieren des Lichts
auf den Sensor. Das aus dem Sensor austretende Licht wurde
durch einen externen MCT-Detektor gemessen, der direkt mit
einem Analysator verbunden war. Die Figur 7 zeigt eine Kurve
eines IR-Spektrums, die in dem ersten Experiment
aufgezeichnet wurde, und die Figur 8 zeigt eine Kurve eines IR-
Spektrums, die in dem zweiten Experiment aufgezeichnet wurde.
Aus einem Vergleich dieser beiden Kurven geht hervor, daß die
Empfindlichkeit und das Auflösungsvermögen, das gemäß der
Erfindung erzielt wird, beträchtlich höher ist als für den Fall
einer Sonde nach dem Stand der Technik. Bei Vergleich der
Längen des Kontaktgebiets der Fühlzone in dem Experiment mit
der erfindungsgemäßen Sonde, die 0,2 mm betrug, mit der Länge
des Kontaktgebiets in dem Experiment mit der herkömmlichen
Sonde, die gleich war zu der Länge der Sonde, nämlich 20 cm
(in diesem Experiment war der gesamte Sensor mit dem Paraffin
in Kontakt), kann man sehen, daß die Empfindlichkeit einer
erfindungsgemäßen Sonde ungefähr das 2.000fache zu der der
herkömmlichen optischen Fasersonde beträgt.