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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine ATR-Sonde zum Untersuchen wässriger
bzw. flüssiger Medien. ATR-Sonden umfassen gewöhnlich
einen Strahlungsführungskörper, in dem Licht mittels Totalreflexion
an einer Oberfläche des Körpers geführt
wird, wobei die Oberfläche mit dem zu untersuchenden Medium
beaufschlagbar ist, wodurch das evaneszente Feld des Lichts mit
dem Medium in Wechselwirkung gelangt.
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Der
Strahlungsführungskörper ist gewöhnlich
an einer Medienöffnung eines Sondengehäuses angeordnet,
welche er verschließt, und durch welche eine Oberfläche
des Strahlungsführungskörpers mit dem Medium beaufschlagbar
ist.
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Eine
Sonde umfasst weiterhin eine Lichtquelle zum Einkoppeln von Licht
in den Strahlungsführungskörper und einen Detektor
zum Wandeln des aus dem Strahlungsführungskörper
ausgekoppelten Lichts in ein elektrisches Signal sowie ggf. Lichtleiter
um Licht von der Lichtquelle zum Strahlungsführungskörper
hin oder von letzterem weg zum Detektor zu leiten.
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Eine
Herausforderung für den Entwurf der Sonden stellt die Ein-
und Auskopplung des Lichtes in den Strahlungsführungskörper
dar, denn im Idealfall soll er für jeden Strahl einerseits
mehrere Totalreflexionen an der Grenzfläche zum Medium
ermöglichen, und andererseits soll er eine einfache Konstruktion
aufweisen. Die einfachste Konstruktion wäre eine planparallele
Platte zwischen deren planparallelen Oberflächen mittels
weiterer Totalreflexionen das Licht mehrfach geführt werden
kann, wobei sich hier das Problem der Einkopplung stellt. Diamant ist
der geeignetste Werkstoff für den Strahlungsführungskörper.
Aufgrund des hohen Materialpreises folgt daraus, dass aufwendige
optische Konstruktionen, die ein großes Materialvolumen
verbrauchen, oder viele Facetten benötigen, zu teuer sind.
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Sting
und Milosevic offenbaren daher in
US-Patent
Nr. 5,703,366 eine ATR-Sonde, bei der ein Einkoppelkörper
beispielsweise aus ZnSe, Saphir oder ähnliches mit einer
ringförmigen Koppelfläche auf den Strahlungsführungskörper
aufgesetzt ist, so dass ein direkter Übergang des Lichts
zwischen ZnSe und dem Diamant des Strahlungsführungskörpers
erfolgt. Der Einkoppelkörper weist geneigte Umlenkflächen
auf, die es ermöglichen das Licht unter solchen Winkeln
in den Strahlungsführungskörper einzukoppeln,
dass an der dem Strahlungsführungskörper abgewandten
Grenzfläche, die dem Medium zugewandt ist, Totalreflexion
erfolgt. Um Mehrfachreflexionen zwischen den planparallelen Oberflächen des
Strahlungsführungskörpers zu ermöglichen, weist
der Einkoppelkörper in seinem Zentrum eine von der ringförmigen
Koppelfläche umgebene Aussparung auf, so dass von der medienberührenden Grenzfläche
total reflektierte Lichtstrahlen im Bereich der Aussparung nicht
ausgekoppelt werden können sondern erneut zu der medienberührenden
Grenzfläche total reflektiert werden. Diese Konstruktion
ist jedoch sehr aufwendig, denn die Grenzfläche zwischen
dem Einkoppelkörper und dem Strahlungsführungskörper
ist anfällig für Störungen beispielsweise aufgrund
von Druck- und Temperaturschwankungen, die das Einkoppelverhalten
nachhaltig beeinträchtigen können.
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Die
DE 10 2006 036 409
A1 offenbart eine ATR-Sonde die das obige Problem eliminiert,
durch einen Strahlungsführungskörper mit planparallelen Oberflächen,
der an den äußeren Rändern der Oberflächen
paarweise einander gegenüberliegenden facettenartigen Umlenkflächen
aufweist, wobei im wesentlichen senkrecht zu den Oberflächen
eingekoppeltes Licht an einer ersten Facette derart umgelenkt wird
dass es nach einer Totalreflexion die etwa im Zentrum der medienberührenden
Oberfläche erfolgt, auf die zweite Facette trifft und dort
erneut umgelenkt wird, um anschließend im wesentlichen
senkrecht zu den planparallelen Oberflächen des Strahlungsführungskörpers
ausgekoppelt zu werden.
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Wenngleich
dieser Ansatz durchaus die gewünschte Einfachheit im Aufbau
und die angestrebte Unempfindlichkeit erzielt, so wird dies doch
mit einer geringeren Empfindlichkeit der ATR-Sonde erzielt, denn
es erfolgt, im Strahlengang nur eine Reflexion unter einem vergleichsweise
großen Winkel an der medienberührenden Grenzfläche,
so dass die Wechselwirkung des evaneszenten Feldes mit dem Medium,
die letztlich die Empfindlichkeit der Sonde bestimmt, vergleichsweise
gering ist.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine ATR-Sonde
bereitzustellen, welche die Nachteile des Stands der Technik überwindet.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die ATR-Sonde gemäß des unabhängigen
Patentanspruchs 1.
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Eine
erfindungsgemäße ATR-Sonde umfasst: ein Gehäuse,
mit einem Innenraum, welcher eine Medienöffnung zur Außenseite
des Gehäuses aufweist, wobei die Medienöffnung
von einer ringförmigen Dichtfläche umgeben ist;
einen die Medienöffnung verschließenden, transparenten
Strahlungsführungskörper mit zwei planparallelen
Oberflächen, zwischen denen Licht mittels Totalreflexion
geführt werden kann, wobei zumindest ein sensitiver Abschnitt
einer ersten der planparallelen Oberflächen mit der Medienöffnung
fluchtend positioniert und durch die Medienöffnung mit
einem Messmedium beaufschlagbar ist, wobei der sensitive Abschnitt
der ersten Oberfläche durch einen Dichtring begrenzt ist, der
zwischen der ersten Oberfläche und der Dichtfläche
angeordnet ist, wobei der Strahlungsführungskörper
von dem Innenraum her mit einem Stützkörper abgestützt
wird; Sendelichtleiter, die in dem Innenraum des Gehäuses
verlaufen; Empfangslichtleiter, die in dem Innenraum des Gehäuses
verlaufen; wobei Licht aus den Sendelichtleitern von der dem sensitiven
Abschnitt abgewandten Seite des Strahlungsführungskörpers
her in den Strahlungsführungskörper einkoppelbar
ist, wobei an die erste planparallele Oberfläche eine erste
geneigte Umlenkfläche anschließt an welcher in
den Strahlungsführungskörper eingekoppeltes Licht
durch Totalreflexion in der Weise umgelenkt wird, dass es zunächst
auf die zweite der planparallelen Oberflächen trifft, und
in dem Strahlungsführungskörper zwischen den planparallelen
Oberflächen mittels weiterer Totalreflexionen geführt
werden kann, wobei an die erste Oberfläche gegenüber
der ersten geneigten Umlenkfläche weiterhin eine zweite
geneigte Umlenkfläche anschließt, an welcher zwischen
den planparallelen Oberflächen mittels Totalreflexion geführtes
Licht auftrifft und durch Totalreflexion in der Weise umgelenkt
wird, dass es anschließend auf der dem Sensitiven Abschnitt
abgewandten Seite des Strahlungsführungskörpers
aus dem Strahlungsführungskörper ausgekoppelt
und in die Empfangslichtleiter eingekoppelt werden kann, wobei die
erste und die zweite Umlenkfläche außerhalb des
von dem Dichtring umschlossenen Bereichs in dem Innenraum des Gehäuses
angeordnet sind, wobei das eingekoppelte Licht nicht kollimiert
ist, und wobei die wirksame Fläche der Sendelichtleiter,
aus denen Licht in den Strahlungsführungskörper
eingekoppelt wird, kleiner ist, als die wirksame Fläche
der Empfangslichtleiter, in die Licht aus dem Strahlungsführungskörper
ausgekoppelt wird.
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Die
wirksame Fläche der Sendelichtleiter bezeichnet insbesondere
die Summe der Stirnflächen mehrerer Sendelichtleiter, aus
denen Licht ausgekoppelt werden kann.
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Die
wirksame Fläche der Empfangslichtleiter bezeichnet insbesondere
die Summe der Stirnflächen mehrerer Empfangslichtleiter,
in die Licht eingekoppelt werden kann.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung sind die erste geneigte Fläche
und die Sendelichtleiter in der Weise positioniert und ausgerichtet,
dass allenfalls ein vernachlässigbarer Anteil A1 der eingekoppelten Lichtintensität
vor der ersten Totalreflexion an der zweiten Oberfläche
oder unmittelbar nach der ersten Totalreflexion an der zweiten Oberfläche
auf einen Abschnitt der ersten Oberfläche trifft, an dem
der Dichtring anliegt, wobei A1 < 0,2,
vorzugsweise < 0,1 und
besonders bevorzugt < 0,05.
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Bevorzugt
sind weiterhin die zweite geneigte Fläche und die Empfangslichtleiter
in der Weise positioniert und ausgerichtet, dass allenfalls ein
vernachlässigbarer Anteil A2 der in die Empfangslichtleiter ausgekoppelten
Lichtintensität nach der der letzten Totalreflexion an
der zweiten Oberfläche oder unmittelbar vor der letzten
Totalreflexion an der zweiten Oberfläche auf einen Abschnitt
der ersten Oberfläche trifft, an dem der Dichtring anliegt,
wobei A2 < 0,3, vorzugsweise < 0,2 und besonders
bevorzugt < 0,1.
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Der
Stützkörper kann gemäß einer
Derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Ferulle umfassen,
in der die Endabschnitte der Lichtleiter geführt werden,
um die Lichtleiter bezüglich des Strahlungsführungskörpers
zu positionieren und auszurichten.
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Zwischen
den Stirnflächen der Lichtleiter und der zweiten Oberfläche
des Strahlungsführungskörper ist gemäß einer
Weiterbildung ein Abstand von mindestens 20 μm, vorzugsweise
mindestens 60 μm, und besonders bevorzugt mindestens 100 μm
vorgesehen ist.
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Vorzugsweise
sind die Stirnflächen der Lichtleiter nicht exakt parallel
zur zweiten Oberfläche ausgerichtet, wodurch Interferenzen
zwischen den Stirnflächen und der zweiten Oberfläche,
vermieden bzw. reduziert werden.
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Der
Abstand kann beispielsweise über einen Abstandkörper
eingestellt werden, der zwischen dem Stützkörper
und dem Strahlungsführungskörper angeordnet ist.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Abstandkörper
auf seiner dem Strahlungsführungskörper zugewandten
Seite zumindest in einem Bereich der an einem zentralen Bereich
der zweiten Oberfläche des Strahlungsführungskörpers eine
raue Oberfläche. Die Oberfläche soll dabei so rau
sein, dass das Licht allenfalls vernachlässigbar aus dem
Strahlungsführungskörper ausgekoppelt und in den
Abstandhalter eingekoppelt, bzw. an der Oberfläche des
Abstandhalters reflektiert wird. Anderenfalls würde durch
ungewünschte Mehrfachreflektionen zwischen dem Strahlungsführungskörper
und dem Abstandhalter eine Art Interferometer entstehen. Der Abstandhalter
kann beispielsweise eine aufgeraute Polymerfolie umfassen, beispielsweise
Kapton.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Stützkörper
an seiner dem Strahlungsführungskörper zugewandten
Oberfläche Vorsprünge, mit denen der Abstand zwischen
der Zweiten Oberfläche des Strahlungsführungskörpers
und den Stirnflächen der Lichtleiter definiert wird.
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In
einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der der
Strahlungsführungkörper monolithisch und weist
Diamant Saphir oder ZnSe auf.
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Die
Sendelichtleiter und die Empfangslichtleiter umfassen bevorzugt
Silberhalogenidfasern oder Chalkogenidfasern.
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Sofern
die ATR-Sonde als Spektrometer dienen soll, ist ein dispersives
Element vorgesehen, welches beispielsweise ein Verlaufsfilter umfassen
kann. Gleichermaßen sind Gitter geeignet. Anstelle eines Dispersiven
Elements kann ebenfalls ein Interferometer vorgesehen sein.
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In
einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erstreckt
sich die zweite Oberfläche bis zum äußeren
Rand des Strahlungsführungskörpers, d. h., die
zweite Oberfläche überlappt mit der ersten und
der zweiten Umlenkfläche.
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In
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung schließt an die
zweite Oberfläche zumindest abschnittsweise fluchtend mit
der ersten geneigten Umlenkfläche eine erste Brechungsfläche
an, die bezüglich der zweiten Oberfläche geneigt
ist, und durch welche das eingekoppelte Licht gebrochen wird. Entsprechend
kann eine zweite Brechungsfläche vorgesehen sein, die gegenüber
der ersten Brechungsfläche an die zweite Oberfläche
anschließt und zumindest abschnittsweise fluchtend mit
der zweiten geneigten Umlenkfläche angeordnet ist, und
durch welche das auszukoppelnde Licht gebrochen wird.
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Die
Erfindung wird nun anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele
erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
Eine Schnittzeichnung einer erfindungsgemäßen
ATR- Sonde mit einem Strahlungsführungskörper mit
planparallelen Oberflächen;
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2:
Eine Schnittzeichnung durch einen Strahlungsführungskörper
mit planparallelen Oberflächen gemäß einer
ersten Ausführungsform der Erfindung mit einer Darstellung
von rechnerisch ermittelten Strahlengängen durch den Strahlungsführungskörper;
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3:
Eine Schnittzeichnung durch einen Strahlungsführungskörper
mit planparallelen Oberflächen gemäß einer
zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer Darstellung
von rechnerisch ermittelten Strahlengängen durch den Strahlungsführungskörper;
und
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4:
Eine Aufsicht auf eine Stirnfläche einer Faserferulle zur
Positionierung unter einem Strahlungsführungskörper
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die
Konstruktion einer erfindungsgemäßen ATR-Sonde
ist im Längsschnitt in 1 dargestellt. Als
Strahlungsführungskörper 2 ist ein Diamant-Element
mit planparallelen Oberflächen und vorgesehen, der mittels
einer elastischen Dichtring 4, insbesondere in Form einer
Flachdichtung, an einer umlaufenden Dichtfläche um eine
stirnseitige Öffnung 52 in einem zylindrischen
Sondengehäuse 5 axial abgestützt ist.
Durch die stirnseitige Öffnung 52 ist ein Abschnitt
einer ersten planparallelen Oberfläche des Strahlungsführungskörpers 2 mit
einem Messmedium beaufschlagbar. Der Dichtring 4 kann prinzipiell beliebige
medienbeständige, insbesondere gegenüber Säuren,
Basen und Lösungsmitteln, sowie druck- und temperaturbeständige
Werkstoffe aufweisen. Derzeit ist Kalrez bevorzugt.
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Das
Sondengehäuse weist ein Sondenkopfteil 51 auf,
welches an seiner frontseitigen Stirnfläche die stirnseitige Öffnung 52 aufweist.
Rückseitig schließt an das Sondenkopfteil ein
Sondenschaftrohr 53 an, welches in das Sondenkopfteil eingreift,
wobei ein Dichtring 54 zwischen dem Sondenschaftrohr 53 und
dem Sondenkopfteil vorgesehen ist.
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Im
Sondenkopfteil 51 ist eine Faserferulle 6 angeordnet,
mit welcher Lichtleiter positioniert werden. Hierzu weist die Ferulle 6 Justagebohrungen 61, 63 in
einem Frontteil 65 der Ferulle auf, in welche die Fasern
mittels eines geeigneten Klebers eingeklebt sind, beispielsweise
mit einem Epoxidharz, welches mit dem Material der Lichtleiterfasern
kompatibel ist, wobei die Lichtleiterfasern insbesondere Silberhalogenid
oder Chalkogenid aufweisen.
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Die
Fasern sind in der Zeichnung nicht dargestellt, um die Übersichtlichkeit
der Zeichnung zu bewahren. Grundsätzlich kann die Stirnfläche
des Frontteils 65 der Ferulle 6 direkt an dem
Strahlungsführungskörpers anliegen, wobei jedoch
zu beachten ist, dass die Stirnflächen der Fasern vorzugsweise zum
Strahlungsführungskörper ausreichend beabstandet
sein sollten, um Intensitätsmodulationen aufgrund von Fabry-Perot-Interferenzen
zu vermeiden.
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Dazu
können entweder die Stirnflächen der Fasern bezüglich
der Stirnfläche des Frontteils 65 der Ferulle 6 zurückgesetzt
sein, oder zwischen dem Frontteil 65 der Ferulle 6 und
dem Strahlungsführungskörper 2 kann noch
ein Abstandhalter vorgesehen sein, wenn die Stirnflächen
der Fasern im wesentlichen mit der Stirnfläche des Frontteils
der Ferulle fluchten.
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Die
zweite Alternative ist hier vorgesehen, wobei hierzu eine Polymerfolie, insbesondere
eine Polyimid-Folie, vorzugsweise Kapton, mit einer Stärke
von etwa 60 μm zwischen der Stirnfläche des Frontteils
der Ferulle und dem Strahlungsführungskörper eingespannt
ist, Die strahlungsführungskörperseitige Oberfläche
der Polymerfolie ist aufgeraut mit einer Rauigkeit von einigen μm,
um zu gewährleisten, dass die Folie nicht das Signal der
ATR-Sonde beeinträchtigt.
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Für
den Fall das die Stirnfläche des Frontteils 65 der
Ferulle direkt an dem Strahlungsführungskörper
anliegt, ist die Stirnfläche in ihrem Zentralbereich entsprechend
aufzurauen, um eine Wechselwirkung mit dem totalreflektierten Licht
im Strahlungsführungskörper hinreichend zu reduzieren.
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Das
Frontteil der Ferulle umfasst weiterhin Lichtleiterkanäle 64,
die mit größeren Toleranzen gefertigt sind als
die Justagebohrungen 61, 63, und durch welche
die Lichtleiter zu den Justagebohrungen geführt werden.
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An
der Rückseite des Frontteils 65 der Ferulle schließt
ein Rückteil 66 an, welches an dem Sondenschaftrohr 53 axial
abgestützt ist, und somit den Frontteil 65 der
Ferulle 6, gegen den Strahlungsführungskörper
einspannt.
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Die
Ferulle kann grundsätzlich beliebige, hinreichend formstabile
Werkstoffe aufweisen, die mit dem Material der Lichtleiter bzw.
optischen Fasern kompatibel sind, wobei derzeit PEEK bevorzugt ist, da
es eine einfache und genaue Fertigung ermöglicht, kostengünstig
ist und auch bei hohen Temperaturen eine ausreichende mechanische
Stabilität aufweist. In dem Rückteil 66 der
Ferulle, der VA-Stahl aufweisen kann, und der im wesentlichen einen
zylindersymmetrischen Aufbau hat, ist der sondenkopfseitige Endabschnitt
eines Kunststoffrohrs 67 angeordnet, in welchem die Lichtleiter
durch den Sondenschaft zum Sondenkopf geführt werden. Das
Kunststoffrohr umfasst in einer derzeit bevorzugten Ausgestaltung
PEEK.
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Der
Strahlungsführungskörper 2 kann beispielsweise
aus den Materialien Naturdiamant, künstlich hergestelltem
CVD-Diamant, Saphir oder ZnSe gefertigt sein. Andere optisch transparente
Materialien die für die aktuelle Applikationen ausreichend
kratzfest, druckfest und chemie-resistent sind, können
ebenfalls eingesetzt werden.
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Der
derzeit bevorzugte Durchmesser des Strahlungsführungskörpers
beträgt nicht mehr als 10 mm, besonders bevorzugt etwa
9 mm, damit der Strahlungsführungskörper in eine
Sonde mit einem Außendurchmesser von etwa 12 mm integriert
werden kann. Die Materialstärke des Strahlungsführungskörpers
kann insbesondere 0,5 mm bis 1,0 mm aufweisen, wobei derzeit 0,6
mm bevorzugt sind.
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Einzelheiten
zum Strahlungsführungskörper werden nun anhand
der 2 und 3 erläutert. Das in 2 dargestellte
Ausführungsbeispiel, zeigt einen Strahlungsführungskörper 2 aus
Diamant mit einer ersten Oberfläche 21 und einer
dazu parallelen zweiten Oberfläche 22, wobei die
beiden Oberflächen planparallel sind. An der ersten Oberfläche
liegt eine ringförmige Flachdichtung 4 an. Der
von der Flachdichtung umschlossene Bereich der ersten Oberfläche
ist im Messbetrieb mit einem Medium beaufschlagbar. Außerhalb
der Flachdichtung 4 weist der Strahlungsführungskörper
zwei einander gegenüberliegende Facetten 22 und 24 auf,
die an die erste Oberfläche 21 anschließen,
wobei eine erste der Facetten 23 als erste Umlenkfläche
dient, an der durch die zweite Oberfläche 22 eingestrahltes
Licht total reflektiert wird. Nach mehreren Totalreflexionen zwischen
der ersten Oberfläche 21 und der zweiten Oberfläche 22 wird
der Anteil des Lichts, der auf die zweite Facette 24 trifft,
die als zweite Umlenkfläche dient, total reflektiert, so
dass es unter einem solchen Winkel auf die zweite Oberfläche 22 trifft,
dass es ausgekoppelt werden kann.
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Für
MIR Anwendungen ist ein Facettenwinkel von weniger als 42° erforderlich.
Ein minimaler Wert für die Facettenwinkel ist 15°.
Vorzugsweise soll der Facettenwinkel geringer als 35° sein,
wobei derzeit 30° bis 33° bevorzugt sind. In der
vorliegenden Ausführungsform beträgt der Facettenwinkel
31,5°. Die Winkel der ersten und der zweiten Facette können
grundsätzlich ungleich sein, wobei in den vorliegenden
Ausführungsbeispielen die Facettenwinkel im Rahmen der
Fertigungstoleranzen gleich sind.
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Sei
dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3 weist
der Strahlungsführungskörper wiederum zwei planparallele
Oberflächen 121 und 122 auf, wobei die
erste der Oberflächen 121 in einen von einem Dichtring 104 umschlossenen
Bereich mit einem Messmedium beaufschlagbar ist, und wobei das Licht
von der Seite der zweiten Oberfläche 122 den Strahlungsführungskörper 102 eingekoppelt
wird.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel ist der Strahlungsführungskörper
ebenfalls aus Diamant gefertigt, wobei er vier Facetten aufweist,
von denen eine erste Facette 123 und eine zweite Facette 124, die
an den Rand der ersten Oberfläche 121 angrenzen
und wieder als erste und zweite Umlenkfläche zur Totalreflektion
des eingekoppelten Lichts bzw. des auszukoppelnden Lichts dienen.
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Weiterhin
weist der Strahlungsführungskörper 102 eine
dritte Facette 125 und eine vierte Facette 126 auf,
die einander gegenüberliegend an die zweite Oberfläche
angrenzen und zumindest abschnittsweise mit der ersten bzw. zweiten
Facette fluchten. Die dritte Facette 125 dient als erste
Brechungsfläche durch welche Licht in den Strahlungskörper
eingekoppelt und gebrochen wird, bevor es auf die erste Facette
trifft, so dass der K-Vektor des Lichts nach der Brechung eine Komponente
in Richtung einer Mittelebene des Strahlungsführungskörpers
aufweist, welche parallel zu den Grenzlinien zwischen den planparallelen
Oberflächen und den Facetten verläuft.
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Die
vierte Facette 126, dient als zweite Brechungsfläche,
auf welche auszukoppelndes Licht trifft, welches von der zweiten
Facette 124 total reflektiert wird, und welches beim Auskoppeln
in der Weise gebrochen wird, dass eine von der Mittelebene des Strahlungsführungskörpers
weg gerichtete Komponente des K-Vektors des Lichts nach der Brechung
reduziert ist.
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Die
Summe der vier Facettenwinkel des Strahlungsführungskörpers
mit planparallelen Oberflächen beträgt vorzugsweise
nicht mehr als 120°.
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In
der vorliegenden Ausgestaltung sind alle Facettenwinkel im wesentlichen
gleich, nämlich 19°. Dennoch können die
Facetten unterschiedlich groß sein, wie in 3 ersichtlich.
Die dritte und vierte Facette setzen in einem größeren
Abstand zur Mittelebene an, als die erste und zweite Facette.
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In
einer anderen Ausgestaltung weisen die erste und die zweite Facette
einen ersten Winkel auf, und die dritte und vierte Facette einen
zweiten Winkel, der von dem ersten Winkel abweicht.
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Schließlich
können alle Facetten unterschiedliche Winkel aufweisen.
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Unter
Verweis auf 2 und 3 werden nun
die Anordnung der Sendelichtleiter 11; 111 bzw. Empfangslichtleiter 13; 113 und
der jeweils resultierende Strahlengang erläutert.
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Die
Lichtleiter sind mittels der in den 2 und 3 nicht
dargestellten Justagebohrungen im wesentlichen senkrecht zu den
planparallelen Oberflächen ausgerichtet.
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Die
Lichtleiter 11, 13, 111, 113 haben
eine typische numerische Apertur die beispielsweise im Bereich von
0,2 bis 0,5 liegen kann. Im Falle NA = 0,25 fächert sich
dadurch der Lichtstrahl auf zu einer Lichtkeule mit etwa +/–14° Strahlwinkel
in Luft. Durch den hohen Brechwert des Strahlungsführungskörpers 2, 102 wird
der maximale Strahlwinkel der Lichtkeule in dem Strahlungsführungskörper 2, 102 beim
Eintritt wieder geringer. Trotzdem erweitert sich, durch der hohen
NA und die vielen Totalreflexionen im Strahlungsführungskörper 2, 102,
der Strahl zu der zweiten Facette 24, 124 hin,
wo darunter die Empfangslichtleiter 13, 113 stehen.
Um mehr Licht für den Detektor zu erfassen, weist die ATR-Sonde
mehr Empfangslichtleiter 13, 113 als Sendelichtleiter 11, 111 auf.
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Eine
wichtige Anforderung für die ATR Prozesssonde ist das der
Dichtring 4, 104 am Strahlenführungskörper 2, 102 einen
möglichst geringen, vorzugsweise keinen, Einfluss auf das
Spektrum der Prozesssonde haben darf. Daraus ergibt sich, dass die
Lichtstrahlen die zu den Empfangslichtleitern 13; 113 ausgekoppelt
werden sollen, nicht oder allenfalls vernachlässigbar an
dem Bereich der ersten Oberfläche 21, 121 totalreflektiert
werden dürfen, an dem der Dichtring 4, 104 anliegt.
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Das
Optikdesign mit den Sende- und Empangslichtleitern 11, 13, 111, 113,
dem Strahlungsführungskörper 2, 102 und
dem Dichtring 4, 104 beinhaltet in dieser Beziehung
die im Folgenden beschriebene Symmetrie bezogen auf die Strahlungsführung.
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Durch
eine geeignete Wahl des Facettenwinkels, der Dicke des Strahlungsführungskörpers 2, 102,
der Position der Sendelichtleiter 11, 111 und
des inneren und äußeren Durchmessers des Dichtrings 4, 104,
treffen ausgehend von der gegebenen NA der Sendelichtleiter 11, 111,
auf der Unterseite vom Dichtring 4, 104 in der
Nähe der Sendelichtleiter 11, 111 keine
Lichtstrahlen.
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Ab
der zweiten Totalreflexion, die an der zweiten Oberfläche 22, 122 des
Strahlungsführungskörpers 2, 102 erfolgt, ändern
sich die Reflexionswinkel der einzelnen berechneten Strahlen nicht,
und damit auch nicht der Winkelvorrat des Strahlenbündels, weil
der Strahlungsführungskörper 2, 102 in
dem mittleren Bereich eine planparallele Platte ist. Die Lichtstrahlen
die von unten auf der unteren Seite vom Dichtring 4, 104 in
der Nähe von den Empfangslichtleitern 13, 113 treffen,
haben genau diesen Winkelvorrat, und können daher nicht
den Strahlenweg über der zweiten Facette 24, 124 zu
den Empfangslichtleitern 13, 113 folgen. Dies
kann leicht aus 2 und 3 gesehen
werden.
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Die
Stirnflächen der Lichtleiter haben beim ersten Ausführungsbeispiel
einen Abstand von etwa 60 μm von der zweiten Oberfläche 22 des
Strahlungsführungskörpers 2, um insbesondere
druckabhängige Interferenzen zu vermeiden. Dieser Abstand ist
durch eine in 1 als verstärkte Linie
angedeutete Polyimidfolie (Kapton) in einer entsprechenden Stärke
eingestellt, die zwischen der Ferulle und dem Strahlungsführungskörper
eingespannt ist. Zur Vermeidung von Störungen des Signals
durch die Folie ist die Folie aufgeraut.
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4 zeigt
eine Aufsicht auf die Stirnfläche der Ferulle 6,
mit den Lichtleitern 11 und 13, in individuell
zugeordneten Justagebohrungen, sowie den überlagerten Strahlungsführungskörper 2.
Die Grenzlinien zwischen der ersten Facette 23 bzw. der zweiten
Facette 24 und der ersten Oberfläche 21 sind deutlich
erkennbar.
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Der
Strahlungsführungskörper 2 weist etwa um
90° verdreht zu den Facetten, eine erste und zweite Fixierungsbohrung 27, 28 auf,
in welche Zapfen 69 eingreifen, die von der Stirnfläche
der Ferulle hervorstehen, um die Positionierung der Facetten 23, 24 bezüglich
der Lichtleiter 11, 13 zu gewährleisten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5703366 [0005]
- - DE 102006036409 A1 [0006]