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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. US 5 703 366 A 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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Die
US 3 332 315 A offenbart ein Spektroskopie-System mit einem Gehäuse und einer ringförmigen Dichtfläche, sowie mit einem Strahlungsführungskörper mit zwei planparallelen Oberflächen, an denen eingekoppeltes Licht mittels mehrerer Totalreflexionen geführt wird, wobei eine der planparallelen Oberflächen mit einem Messmedium beaufschlagbar ist.
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Die
US 4 730 882 A offenbart ein Spektroskopie-System mit einem Sendelichtleiter und einem Empfangslichtleiter, welches einen Strahlungsführungskörper mit zwei geneigten Umlenkflächen und zwei planparallelen Oberflächen aufweist.
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Die
DE 42 28 070 A1 offenbart einen ATR-Kristall, welcher mit einem Gehäuse ausgestattet ist und einen Strahlungsführungskörper mit zwei planparallelen Oberflächen aufweist, an denen eingekoppeltes Licht mittels mehrerer Totalreflexionen geführt wird, wobei wiederum eine der planparallelen Oberflächen mit einem Messmedium beaufschlagbar ist.
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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:
- 1: Eine Schnittzeichnung einer erfindungsgemäßen ATR-Sonde mit einem Strahlungsführungskörper mit planparallelen Oberflächen;
- 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;
- 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
- 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,
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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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Bei 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 Empfangslichtleitern 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. 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.
