DE102021126080A1 - Apparatus and method for measuring a cryogenic temperature and using an optical fiber - Google Patents

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Maria Chernysheva
Tino Elsmann
Ismael Chiamenti
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres
    • G01K11/3206—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres at discrete locations in the fibre, e.g. using Bragg scattering

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Messen einer kryogenen Temperatur, wobei die kyrogene Temperatur eine Temperatur unter 77 K ist. Die Vorrichtung (1) umfasst eine Lichtleitfaser (2) mit einem Faser-Bragg-Gitter (3), wobei zumindest das Faser-Bragg-Gitter (3) aus einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material besteht. Des Weiteren umfasst die Vorrichtung (1) eine Lichtquelle (4), die an einem ersten Ende (5) der Lichtleitfaser (2) derart angeordnet ist, dass sie Licht in die Lichtleitfaser (2) einbringt und ein Spektrometer (7), das derart angeordnet ist, dass es von der Lichtquelle (4) in die Lichtleitfaser (2) eingebrachtes und vom Faser-Bragg-Gitter (3) reflektiertes oder transmittiertes Licht analysiert. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Messen einer kryogenen Temperatur sowie die Verwendung einer Lichtleitfaser (2) mit einem Faser-Bragg-Gitter (3) zum Messen einer kryogenen Temperatur.The invention relates to a device (1) for measuring a cryogenic temperature, the cryogenic temperature being a temperature below 77K. The device (1) comprises an optical fiber (2) with a fiber Bragg grating (3), at least the fiber Bragg grating (3) consisting of a cryogenic temperature-sensitive optical material. Furthermore, the device (1) comprises a light source (4), which is arranged at a first end (5) of the optical fiber (2) in such a way that it introduces light into the optical fiber (2) and a spectrometer (7) that is arranged such that it analyzes light that is introduced into the optical fiber (2) by the light source (4) and reflected or transmitted by the fiber Bragg grating (3). The invention also relates to a method for measuring a cryogenic temperature and the use of an optical fiber (2) with a fiber Bragg grating (3) for measuring a cryogenic temperature.

Description

Gebiet der Erfindungfield of invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen einer kryogenen Temperatur mit einer Lichtleitfaser mit einem Faser-Bragg-Gitter. Das Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung einer Lichtleitfaser mit einem Faser-Bragg-Gitter zum Messen einer kryogenen Temperatur.The invention relates to a device and a method for measuring a cryogenic temperature using an optical fiber with a fiber Bragg grating. Furthermore, the invention relates to the use of an optical fiber with a fiber Bragg grating for measuring a cryogenic temperature.

Hintergrundbackground

Temperaturmessungen können auf verschiedene Weise durchgeführt werden. So sind beispielsweise Temperaturmessungen mittels elektronischen Temperatursensoren weit verbreitet. Solche Sensoren weisen jedoch beispielsweise eine Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern auf und können sich ihrerseits störend auf elektrische Komponenten in der Umgebung des Messbereichs auswirken.Temperature measurements can be made in a number of ways. For example, temperature measurements using electronic temperature sensors are widespread. However, such sensors are sensitive to magnetic fields, for example, and can in turn have a disruptive effect on electrical components in the vicinity of the measurement area.

Ein weiteres bekanntes Temperaturmessverfahren wird mit einem Faser-Bragg-Gitter in einer Lichtleitfaser durchgeführt. Dabei wird Licht mit einem schmalen Wellenlängenband in die Lichtleitfaser eingestrahlt, vom Faser-Bragg-Gitter reflektiert und gemessen. Das reflektierte Licht hat ein schmales Band, das um eine bestimmte Wellenlänge, die sogenannte Bragg-Wellenlänge, zentriert ist. Die Bragg-Wellenlänge ist temperaturabhängig und bei bekannter Temperaturabhängigkeit kann von der Wellenlänge auf die Temperatur des Faser-Bragg-Gitters geschlossen werden. Diese Messung ist unter anderem unempfindlich gegenüber Magnetfeldern und wirkt sich ihrerseits nicht störend auf die Umgebung des Messbereichs aus.Another known temperature measurement method is carried out with a fiber Bragg grating in an optical fiber. In this case, light with a narrow wavelength band is radiated into the optical fiber, reflected by the fiber Bragg grating and measured. The reflected light has a narrow band centered around a specific wavelength called the Bragg wavelength. The Bragg wavelength depends on the temperature and if the temperature dependence is known, the temperature of the fiber Bragg grating can be deduced from the wavelength. Among other things, this measurement is insensitive to magnetic fields and, for its part, does not have a disruptive effect on the area surrounding the measurement area.

Bekannte übliche Faser-Bragg-Gitter haben allerdings den Nachteil, dass die verminderte Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge bei der Reflexion eintritt bei kryogenen Temperaturen, also bei Temperaturen unterhalb des Siedepunkts von Stickstoff, also unterhalb von 77 K, eine Messung von kryogenen Temperaturen unmöglich macht. Eine Verbesserung kann hier erzielt werden, indem beispielsweise das Faser-Bragg-Gitter mit einer Beschichtung versehen wird, was es auch bei kryogenen Temperaturen temperaturempfindlicher macht. Durch die Beschichtung wird jedoch die thermische Reaktion des Faser-Bragg-Gitters verlangsamt. Des Weiteren kann der unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizient des Faser-Bragg-Gitters und der Beschichtung zu einer Delaminierung der Beschichtung oder zu einem Bruch der Lichtleitfaser führen. Ferner führt eine Beschichtung dazu, dass sich der Durchmesser des Sensors deutlich erhöht, beispielsweise von etwa 125 µm auf mehrere mm.However, known conventional fiber Bragg gratings have the disadvantage that the reduced temperature dependence of the wavelength during reflection occurs at cryogenic temperatures, i.e. at temperatures below the boiling point of nitrogen, i.e. below 77 K, making it impossible to measure cryogenic temperatures. An improvement can be achieved here, for example by providing the fiber Bragg grating with a coating, which makes it more temperature-sensitive even at cryogenic temperatures. However, the coating slows down the thermal response of the fiber Bragg grating. Furthermore, the different thermal expansion coefficients of the fiber Bragg grating and the coating can lead to delamination of the coating or breakage of the optical fiber. Furthermore, a coating causes the diameter of the sensor to increase significantly, for example from around 125 μm to several mm.

ZusammenfassungSummary

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zum Messen einer Temperatur mittels eines Faser-Bragg-Gitters vorzuschlagen, die auch zum Messen einer kryogenen Temperatur, also einer Temperatur unter 77 K, geeignet ist. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Messen einer kryogenen Temperatur mittels eines Faser-Bragg-Gitters vorzuschlagen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung.It is therefore the object of the invention to propose an improved device for measuring a temperature using a fiber Bragg grating, which is also suitable for measuring a cryogenic temperature, ie a temperature below 77 K. Furthermore, it is the object of the invention to propose a method for measuring a cryogenic temperature by means of a fiber Bragg grating. This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Further developments of the invention result from the dependent claims and the following description.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen einer kryogenen Temperatur. Unter einer kryogenen Temperatur wird dabei eine Temperatur unter 77 K, also unter der Siedepunkt von Stickstoff, verstanden. Insbesondere lassen sich mit der Vorrichtung auch noch tiefere Temperaturen, bis hin zum Siedepunkt von Helium, also 4 K, messen.One aspect of the invention relates to an apparatus for measuring a cryogenic temperature. A cryogenic temperature is understood to mean a temperature below 77 K, ie below the boiling point of nitrogen. In particular, even lower temperatures, down to the boiling point of helium, ie 4 K, can be measured with the device.

Die Vorrichtung umfasst dabei eine Lichtleitfaser mit einem Faser-Bragg-Gitter. Dabei besteht zumindest das Faser-Bragg-Gitter aus einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material. Das heißt, die Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter eingestrahltes Licht reflektiert, ändert sich auch bei kryogenen Temperaturen.The device comprises an optical fiber with a fiber Bragg grating. At least the fiber Bragg grating consists of a cryogenic temperature-sensitive optical material. This means that the wavelength at which the fiber Bragg grating reflects incident light also changes at cryogenic temperatures.

Dabei kann die gesamte Lichtleitfaser aus dem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material bestehen, so dass keine zusätzlichen Grenzflächen vorhanden sind, an denen Reflexion auftreten kann. Es kann aber auch lediglich das Faser-Bragg-Gitter oder ein Bereich der Lichtleitfaser, der das Faser-Bragg-Gitter umfasst, aus dem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material bestehen, während der Rest der Lichtleitfaser aus einem anderen Material, beispielsweise Quarzglas, besteht. Für den Fall, dass die Lichtleitfaser aus dem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material leicht zerbrechlich ist, wird hierdurch eine unempfindlichere Lichtleitfaser erhalten. Des Weiteren lässt sich eine solche Lichtleitfaser leichter mit bestehenden Geräten, die oft auf Lichtleitfasern aus Quarzglas basieren, verbinden.In this case, the entire optical fiber can consist of the cryogenically temperature-sensitive optical material, so that there are no additional boundary surfaces at which reflection can occur. However, it is also possible for only the fiber Bragg grating or a region of the optical fiber that includes the fiber Bragg grating to consist of the cryogenically temperature-sensitive optical material, while the rest of the optical fiber consists of another material, for example quartz glass. In the event that the optical fiber made of the cryogenic temperature-sensitive optical material is easily breakable, a more robust optical fiber is hereby obtained. Furthermore, such an optical fiber is easier to connect to existing devices, which are often based on fused silica optical fibers.

Des Weiteren umfasst die Vorrichtung eine Lichtquelle, die an einem ersten Ende der Lichtleitfaser derart angeordnet ist, dass sie Licht in die Lichtleitfaser einbringt. Das von der Lichtquelle ausgesandte Licht hat dabei einen spektralen Anteil im Bereich der Wellenlänge, bei der die Reflexion vom Faser-Bragg-Gitter auftritt. Vorzugsweise hat das von der Lichtquelle ausgesandte Licht einen spektralen Anteil im gesamten Bereich der Wellenlängen, bei denen die Reflexion vom Faser-Bragg-Gitter auftritt über den gesamten Temperaturbereich, der von Interesse ist.Furthermore, the device comprises a light source, which is arranged at a first end of the optical fiber in such a way that it introduces light into the optical fiber. The light emitted by the light source has a spectral component in the wavelength range at which reflection from the fiber Bragg grating occurs. The light emitted by the light source preferably has a spectral component in the entire range of wavelengths in which the reflection from the fiber Bragg grating occurs occurs over the entire temperature range that is of interest.

Ferner umfasst die Vorrichtung ein Spektrometer, das derart angeordnet ist, dass es von der Lichtquelle in die Lichtleitfaser eingebrachtes und vom Faser-Bragg-Gitter reflektiertes oder transmittiertes Licht analysiert. Im Fall der Analyse des reflektierten Lichts tritt ein Peak im Spektrum bei der Wellenlänge, bei der beim Faser-Bragg-Gitter bei der Temperatur des Faser-Bragg-Gitters Reflexion auftritt, auf. Diese Wellenlänge wird dabei mittels des Spektrometers bestimmt. Im Fall der Analyse des transmittierten Lichts tritt ein Tiefpunkt im Spektrum bei der Wellenlänge, bei der beim Faser-Bragg-Gitter bei der Temperatur des Faser-Bragg-Gitters Reflexion auftritt, auf.Furthermore, the device comprises a spectrometer, which is arranged in such a way that it analyzes light introduced into the optical fiber by the light source and reflected or transmitted by the fiber Bragg grating. In the case of analyzing the reflected light, a peak appears in the spectrum at the wavelength at which reflection occurs at the fiber Bragg grating at the temperature of the fiber Bragg grating. This wavelength is determined using the spectrometer. In the case of the analysis of the transmitted light, a trough in the spectrum occurs at the wavelength at which reflection occurs in the fiber Bragg grating at the temperature of the fiber Bragg grating.

Über die Wellenlänge, bei der der Peak bzw. der Tiefpunkt auftreten, und der bekannten Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge, bei der beim Faser-Bragg-Gitter Reflexion auftritt, kann somit die kryogene Temperatur bestimmt werden. Es ist also eine Messung einer kryogenen Temperatur möglich, die nicht von äußeren Magnetfeldern beeinflusst wird, die ihrerseits keine Störungen auf den Messbereich ausübt, die eine schnelle thermische Reaktion hat, die weitgehend unempfindlich auf Temperaturänderungen ist und die multiplexierbar ist.The cryogenic temperature can thus be determined via the wavelength at which the peak or the low point occurs and the known temperature dependence of the wavelength at which reflection occurs in the fiber Bragg grating. It is therefore possible to measure a cryogenic temperature that is not influenced by external magnetic fields, which in turn does not cause any interference in the measuring area, which has a fast thermal response, which is largely insensitive to temperature changes and which can be multiplexed.

In einigen Ausführungsformen ist das kryogen temperaturempfindliche optische Material ein Fluoridglas, insbesondere InF3, ZrF4, ZBLAN (ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF) oder AlF3, oder ein Chalkogenidglas, insbesondere ein Selenidglas, ganz insbesondere As2Se3 oder GeSe, oder ein Telluridglas, ganz insbesondere Na2O.ZnO.TeO2, TeO2.BaO.SrO.Nb2O5.WO3 oder TeO2.BaO.SrO.Nb2O5. Diese Materialien weisen auch bei kryogenen Temperaturen, also unter 77 K, bis hin zum Siedepunkt von Helium eine Abhängigkeit der Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter reflektiert, von der Temperatur auf, die zur Messung der Temperatur mittels des Faser-Bragg-Gitters geeignet ist.In some embodiments, the cryogenic temperature sensitive optical material is a fluoride glass, particularly InF 3 , ZrF 4 , ZBLAN (ZrF 4 -BaF 2 -LaF 3 -AlF 3 -NaF) or AlF 3 , or a chalcogenide glass, particularly a selenide glass, more particularly As 2 Se 3 or GeSe, or a telluride glass, more particularly Na 2 O.ZnO.TeO 2 , TeO 2 .BaO.SrO.Nb 2 O 5 .WO 3 or TeO 2 .BaO.SrO.Nb2O 5 . Even at cryogenic temperatures, i.e. below 77 K, up to the boiling point of helium, these materials show a dependence of the wavelength at which the fiber Bragg grating reflects on the temperature used to measure the temperature using the fiber Bragg grating. grid is suitable.

In einigen Ausführungsformen wurde das Faser-Bragg-Gitter mittels eines Femtosekundenlasers und einer Phasenmaske in eine Lichtleitfaser aus dem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material eingeschrieben, um den Brechungsindex der Lichtleitfaser periodisch zu ändern. Durch den Energieeintrag des Femtosekundenlasers verändert sich dabei der Brechungsindex des kryogen temperaturempfindlichen optischen Materials geringfügig, so dass ein Faser-Bragg-Gitter entsteht. Die Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter reflektiert, und auch die Bandbreite der Reflexion können dabei über den Abstand und die Anzahl der eingeschriebenen modifizierten Bereiche beeinflusst werden. Anstelle einer Phasenmaske kann beispielsweise auch eine optische Maske verwendet werden und auch weitere Methoden der Erzeugung des Faser-Bragg-Gitters sind denkbar.In some embodiments, the fiber Bragg grating was written into an optical fiber made of the cryogenic temperature sensitive optical material using a femtosecond laser and a phase mask to periodically change the refractive index of the optical fiber. The energy input from the femtosecond laser changes the refractive index of the cryogenic, temperature-sensitive optical material slightly, resulting in a fiber Bragg grating. The wavelength at which the fiber Bragg grating reflects and also the bandwidth of the reflection can be influenced by the distance and the number of modified areas written. Instead of a phase mask, an optical mask can also be used, for example, and other methods of generating the fiber Bragg grating are also conceivable.

In einigen Ausführungsformen ist die Lichtleitfaser unbeschichtet. So kann eine besonders schnelle thermische Reaktion erreicht werden und es besteht keine Gefahr, dass sich die Beschichtung durch die unterschiedliche Ausdehnung der Lichtleitfaser und der Beschichtung bei Temperaturänderungen von der Lichtleitfaser ablöst.In some embodiments, the optical fiber is uncoated. In this way, a particularly fast thermal reaction can be achieved and there is no risk of the coating detaching from the optical fiber due to the different expansion of the optical fiber and the coating when the temperature changes.

In einigen Ausführungsformen ist die Lichtleitfaser, insbesondere der Bereich der Lichtleitfaser, der das Faser-Bragg-Gitter umfasst, mit einer Beschichtung versehen. Dabei umfasst die Beschichtung insbesondere Nanomaterialien, Metalle, Polymethlymethacrylat, kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff und/oder Teflon. Unter Nanomaterialien werden insbesondere Materialien verstanden, die Nanoteilchen umfassen, wobei die Nanoteilchen ganz insbesondere eine Ausdehnung zwischen 3 nm und 30 nm haben. Als Metall kann beispielsweise Aluminium verwendet werden. Durch das Versehen der Lichtleitfaser mit einer Beschichtung wird die Temperaturabhängigkeit des Faser-Bragg-Gitters verstärkt, so dass noch genauere Messungen der kryogenen Temperatur möglich sind.In some embodiments, the optical fiber, in particular the area of the optical fiber that includes the fiber Bragg grating, is provided with a coating. The coating includes in particular nanomaterials, metals, polymethyl methacrylate, carbon fiber reinforced plastic and/or Teflon. Nanomaterials are to be understood in particular as meaning materials which comprise nanoparticles, the nanoparticles in particular having an extent of between 3 nm and 30 nm. Aluminum, for example, can be used as the metal. By providing the optical fiber with a coating, the temperature dependence of the fiber Bragg grating is increased, so that even more precise measurements of the cryogenic temperature are possible.

In einigen Ausführungsformen ist die Lichtleitfaser eine Multikern-Lichtleitfaser, deren Faserkerne aus dem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material bestehen. Zur Steigerung der Temperaturabhängigkeit des Faser-Bragg-Gitters kann der gemeinsame Mantel der Multikern-Lichtleitfaser Nanomaterialien, Metalle, Polymethlymethacrylat, kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff und/oder Teflon umfassen.In some embodiments, the optical fiber is a multi-core optical fiber whose fiber cores are made of the cryogenic temperature-sensitive optical material. To increase the temperature dependence of the fiber Bragg grating, the common cladding of the multi-core optical fiber can include nanomaterials, metals, polymethyl methacrylate, carbon fiber-reinforced plastic and/or Teflon.

In einigen Ausführungsformen ist die Lichtquelle ein Laser, insbesondere ein Nah-Infrarot-Laser. Unter nahem Infrarot wird dabei Licht der Wellenlängen von 780 nm bis 2,5 µm verstanden. Ganz insbesondere hat der Laser dabei eine Wellenlänge zwischen 1700 nm und 2100 nm. Es kann jedoch auch Licht anderer Wellenlängen verwendet werden. Dabei muss das Licht eine Komponente in dem Wellenlängenbereich, in dem das Faser-Bragg-Gitter reflektiert, haben und die Ausbreitungsbedingungen für eine Einmoden-Lichtleitfaser erfüllen.In some embodiments, the light source is a laser, in particular a near-infrared laser. In this context, near infrared is understood to mean light of wavelengths from 780 nm to 2.5 μm. In particular, the laser has a wavelength between 1700 nm and 2100 nm. However, light of other wavelengths can also be used. The light must have a component in the wavelength range in which the fiber Bragg grating reflects and must meet the propagation conditions for a single-mode optical fiber.

In einigen Ausführungsformen ist das Spektrometer am ersten Ende der Lichtleitfaser angeordnet. Das Spektrometer erfasst dann das vom Faser-Bragg-Gitter reflektierte Licht. Das Spektrometer und die Lichtquelle sind dann an dem selben Ende der Lichtleitfaser angeordnet, was beispielsweise mit einem Strahlteiler oder einem Zirkulator verwirklicht ist. Die Messung des Peaks des reflektierten Lichts bringt dabei eine besonders hohe Auflösung. Alternativ dazu ist das Spektrometer an einem der ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende der Lichtleitfaser angeordnet. Diese Anordnung benötigt weniger Komponenten als die Anordnung des Spektrometers am ersten Ende der Lichtleitfaser. In diesem Fall wird ein Tiefpunkt im Spektrum des transmittierten Lichts gemessen.In some embodiments, the spectrometer is located at the first end of the optical fiber. The spectrometer then detects the light reflected from the fiber Bragg grating. The spectrometer and the light source are then arranged at the same end of the optical fiber, which is realized, for example, with a beam splitter or a circulator. The measurement of the peak of the reflected light provides a particularly high resolution. Old natively, the spectrometer is located at a second end of the optical fiber opposite the first end. This arrangement requires fewer components than placing the spectrometer at the first end of the optical fiber. In this case, a low point in the spectrum of the transmitted light is measured.

In einigen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung ferner eine Auswertungseinheit zum Bestimmen der kryogenen Temperatur aus einem vom Spektrometer analysierten Spektrum. Dabei wird die Lage des Peaks des reflektierten Lichts bzw. des Tiefpunkts des transmittierten Lichts bestimmt und daraus über die bekannte Temperaturabhängigkeit der Wellenlänge des vom Faser-Bragg-Gitter reflektierten Lichts die Temperatur des Faser-Bragg-Gitters und damit des das Faser-Bragg-Gitter umgebenden Bereichs bestimmt.In some embodiments, the device also includes an evaluation unit for determining the cryogenic temperature from a spectrum analyzed by the spectrometer. The position of the peak of the reflected light or the low point of the transmitted light is determined and from this, via the known temperature dependence of the wavelength of the light reflected by the fiber Bragg grating, the temperature of the fiber Bragg grating and thus of the fiber Bragg Grid surrounding area determined.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer kryogenen Temperatur. Unter einer kryogenen Temperatur wird dabei eine Temperatur unter 77 K verstanden. Dabei wird Licht in ein erstes Ende einer Lichtleitfaser eingebracht. Die Lichtleitfaser umfasst dabei ein aus einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material bestehendes Faser-Bragg-Gitter. Ferner wird ein Spektrum des von dem Faser-Bragg-Gitter reflektierten oder transmittierten Lichts analysiert und mittels des analysierten Spektrums die kryogene Temperatur bestimmt. So wird eine kryogene Temperatur gemessen, wobei die Messung nicht von äußeren Magnetfeldern beeinflusst wird, ihrerseits keine Störungen auf den Messbereich ausübt, eine schnelle thermische Reaktion hat, weitgehend unempfindlich auf Temperaturänderungen ist und multiplexierbar ist.Another aspect of the invention relates to a method for measuring a cryogenic temperature. A cryogenic temperature is understood to mean a temperature below 77 K. In this case, light is introduced into a first end of an optical fiber. In this case, the optical fiber comprises a fiber Bragg grating consisting of a cryogenically temperature-sensitive optical material. Furthermore, a spectrum of the light reflected or transmitted by the fiber Bragg grating is analyzed and the cryogenic temperature is determined using the analyzed spectrum. In this way, a cryogenic temperature is measured, whereby the measurement is not influenced by external magnetic fields, does not cause any interference in the measuring area, has a fast thermal response, is largely insensitive to temperature changes and can be multiplexed.

In einigen Ausführungsformen wird eine Kalibrierung der Bestimmung der kryogenen Temperatur aus dem analysierten Spektrum mittels eines bekannten Thermosensors durchgeführt. Mittels des Thermosensors, beispielsweise eines Widerstands-Thermosensors, wird also die aktuelle Temperatur des Faser-Bragg-Gitters bzw. des das Faser-Bragg-Gitter umgebenden Bereichs gemessen. Ebenfalls wird die Wellenlänge, bei der ein Peak des reflektierten bzw. ein Tiefpunkt des transmittierten Spektrums auftritt, gemessen. Diese Messung wird bei verschiedenen Temperaturen wiederholt, so dass sich eine Abhängigkeit der Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter reflektiert, von der Temperatur ergibt. Mittels dieser Abhängigkeit kann dann wiederum aus einer Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter reflektiert, die Temperatur des Faser-Bragg-Gitters bestimmt werden.In some embodiments, a calibration of the cryogenic temperature determination from the analyzed spectrum is performed using a known thermal sensor. The current temperature of the fiber Bragg grating or of the area surrounding the fiber Bragg grating is thus measured by means of the thermal sensor, for example a resistance thermal sensor. The wavelength at which a peak of the reflected spectrum or a low point of the transmitted spectrum occurs is also measured. This measurement is repeated at different temperatures, so that the wavelength at which the fiber Bragg grating reflects depends on the temperature. This dependency can then in turn be used to determine the temperature of the fiber Bragg grating from a wavelength at which the fiber Bragg grating reflects.

Weitere Vorteile des Verfahrens ergeben sich analog zu den oben angeführten Vorteilen der Vorrichtung zum Messen einer kryogenen Temperatur.Further advantages of the method result analogously to the advantages of the device for measuring a cryogenic temperature mentioned above.

Ein nochmals weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung einer Lichtleitfaser mit einem Faser-Bragg-Gitter zum Messen einer kryogenen Temperatur. Dabei wird unter einer kryogenen Temperatur eine Temperatur unter 77 K verstanden. Zumindest das Faser-Bragg-Gitter besteht aus einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material. Das Messen der kryogenen Temperatur erfolgt mittels einer Lichtquelle, die Licht in die Lichtleitfaser einbringt und eines Spektrometers, das das von der Lichtquelle in die Lichtleitfaser eingebrachte und vom Faser-Bragg-Gitter reflektierte oder transmittierte Licht analysiert. So kann mit der besagten Lichtleitfaser eine kryogene Temperatur gemessen werden, wobei die Messung nicht von äußeren Magnetfeldern beeinflusst wird, ihrerseits keine Störungen auf den Messbereich ausübt, eine schnelle thermische Reaktion hat, weitgehend unempfindlich auf Temperaturänderungen ist und multiplexierbar ist.Yet another aspect of the invention relates to use of an optical fiber with a fiber Bragg grating for measuring a cryogenic temperature. A cryogenic temperature is understood to mean a temperature below 77 K. At least the fiber Bragg grating consists of a cryogenic temperature-sensitive optical material. The cryogenic temperature is measured using a light source that introduces light into the optical fiber and a spectrometer that analyzes the light that is introduced into the optical fiber from the light source and reflected or transmitted by the fiber Bragg grating. A cryogenic temperature can thus be measured with said optical fiber, the measurement being unaffected by external magnetic fields, in turn exerting no interference on the measurement area, having a rapid thermal response, being largely insensitive to temperature changes and being multiplexable.

In einigen Ausführungsformen ist das kryogen temperaturempfindliche optische Material ein Fluoridglas, insbesondere InF3, ZrF4, ZBLAN (ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF) oder AlF3, oder ein Chalkogenidglas, insbesondere ein Selenidglas, ganz insbesondere As2Se3 oder GeSe, oder ein Telluridglas, ganz insbesondere Na2O.ZnO.TeO2, TeO2.BaO.SrO.Nb2O5.WO3 oder TeO2.BaO.SrO.Nb2O5. Diese Materialien weisen auch bei kryogenen Temperaturen, also unter 77 K, bis hin zum Siedepunkt von Helium eine Abhängigkeit der Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter reflektiert, von der Temperatur auf, die zur Messung der Temperatur mittels des Faser-Bragg-Gitters geeignet ist.In some embodiments, the cryogenic temperature sensitive optical material is a fluoride glass, particularly InF 3 , ZrF 4 , ZBLAN (ZrF 4 -BaF 2 -LaF 3 -AlF 3 -NaF) or AlF 3 , or a chalcogenide glass, particularly a selenide glass, more particularly As 2 Se 3 or GeSe, or a telluride glass, more particularly Na 2 O.ZnO.TeO 2 , TeO 2 .BaO.SrO.Nb 2 O 5 .WO 3 or TeO 2 .BaO.SrO.Nb2O 5 . Even at cryogenic temperatures, i.e. below 77 K, up to the boiling point of helium, these materials show a dependence of the wavelength at which the fiber Bragg grating reflects on the temperature used to measure the temperature using the fiber Bragg grating. grid is suitable.

Weitere Vorteile der Verwendung der Lichtleitfaser zum Messen einer kryogenen Temperatur ergeben sich analog zu den oben angeführten Vorteilen der Vorrichtung zum Messen einer kryogenen Temperatur.Further advantages of using the optical fiber for measuring a cryogenic temperature arise analogously to the advantages of the device for measuring a cryogenic temperature mentioned above.

Es versteht sich, dass eine bevorzugte Ausführungsform auch aus einer Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem jeweiligen unabhängigen Anspruch erzielt werden kann.It goes without saying that a preferred embodiment can also be achieved from a combination of dependent claims with the respective independent claim.

Zur weiteren Verdeutlichung wird die Erfindung anhand von in den Figuren abgebildeten Ausführungsformen beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur als Beispiel, nicht aber als Einschränkung zu verstehen.For further clarification, the invention is described using the embodiments shown in the figures. These embodiments are meant to be exemplary only and not limiting.

Figurenlistecharacter list

Dabei zeigt:

  • 1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Messen einer kryogenen Temperatur;
  • 2 eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Messen einer kryogenen Temperatur; und
  • 3 eine Darstellung der Temperaturabhängigkeit eines Faser-Bragg-Gitters.
It shows:
  • 1 a schematic view of an embodiment of a device for measuring a cryogenic temperature;
  • 2 a schematic view of a further embodiment of a device for measuring a cryogenic temperature; and
  • 3 a representation of the temperature dependence of a fiber Bragg grating.

Detaillierte Beschreibung von AusführungsformenDetailed Description of Embodiments

In den Figuren kennzeichnen gleiche Bezugszeichen entweder gleiche Elemente oder Elemente mit gleichwertigen Funktionen. Elemente, die schon beschrieben wurden, werden nicht notwendigerweise in nachfolgenden Figuren noch einmal beschrieben.In the figures, the same reference symbols denote either the same elements or elements with equivalent functions. Elements that have already been described are not necessarily described again in subsequent figures.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zum Messen einer kryogenen Temperatur. Unter kryogener Temperatur wird dabei eine Temperatur unter 77 K verstanden. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Lichtleitfaser 2 mit einem Faser-Bragg-Gitter 3. Dabei besteht zumindest das Faser-Bragg-Gitter 3 aus einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material. Unter einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material versteht man dabei ein Material, bei dem bei kryogenen Temperaturen eine Temperaturänderung eine Änderung der Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter reflektiert, zur Folge hat. Das kryogen temperaturempfindliche optische Material ist dabei beispielsweise ein Fluoridglas, insbesondere InF3, ZrF4, ZBLAN oder AlF3, oder ein Chalkogenidglas, insbesondere ein Selenidglas, ganz insbesondere As2Se3 oder GeSe, oder ein Telluridglas, ganz insbesondere Na2O.ZnO.TeO2, TeO2.BaO.SrO.Nb2O5.WO3 oder TeO2. BaO.SrO. Nb2O5. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a device 1 for measuring a cryogenic temperature. A cryogenic temperature is understood to mean a temperature below 77 K. The device 1 comprises an optical fiber 2 with a fiber Bragg grating 3. At least the fiber Bragg grating 3 consists of a cryogenic temperature-sensitive optical material. A cryogenic temperature-sensitive optical material is understood to mean a material in which, at cryogenic temperatures, a temperature change results in a change in the wavelength at which the fiber Bragg grating reflects. The cryogenic temperature-sensitive optical material is, for example, a fluoride glass, in particular InF 3 , ZrF 4 , ZBLAN or AlF 3 , or a chalcogenide glass, in particular a selenide glass, in particular As 2 Se 3 or GeSe, or a telluride glass, in particular Na 2 O. ZnO.TeO 2 , TeO 2 .BaO.SrO.Nb 2 O 5 .WO 3 or TeO 2 . BaO.SrO. Nb2O5 .

Ferner umfasst die Vorrichtung 1 eine Lichtquelle 4, die an einem ersten Ende 5 der Lichtleitfaser 2 über einen Strahlteiler 6 angeordnet ist. Über die Lichtquelle 4 kann Licht in die Lichtleitfaser 2 eingebracht werden. Das Spektrum der Lichtquelle 4 ist dabei derart gewählt, dass es einen Anteil im Bereich der Wellenlänge hat, bei der das Faser-Bragg-Gitter 3 reflektiert.Furthermore, the device 1 comprises a light source 4 which is arranged at a first end 5 of the optical fiber 2 via a beam splitter 6 . Light can be introduced into the optical fiber 2 via the light source 4 . The spectrum of the light source 4 is selected in such a way that it has a proportion in the wavelength range at which the fiber Bragg grating 3 reflects.

Des Weiteren umfasst die Vorrichtung 1 ein Spektrometer 7, das ebenfalls am ersten Ende 5 der Lichtleitfaser 2 über den Strahlteiler 6 angeordnet ist. Das Spektrometer 7 ist dabei zum Analysieren des vom Faser-Bragg-Gitter 3 reflektierten Lichts ausgebildet. Insbesondere wird dabei die Wellenlänge des Peaks des reflektierten Lichts bestimmt.Furthermore, the device 1 includes a spectrometer 7 which is also arranged at the first end 5 of the optical fiber 2 via the beam splitter 6 . The spectrometer 7 is designed to analyze the light reflected from the fiber Bragg grating 3 . In particular, the wavelength of the peak of the reflected light is determined.

Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 1 eine Auswertungseinheit 8, die die Wellenlänge des Peaks des reflektierten Lichts vom Spektrometer 7 empfängt. Aus dieser Wellenlänge und der bekannten - beispielsweise im Vorfeld durch eine Kalibrierung bestimmten - Abhängigkeit der Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter 3 reflektiert, von der Temperatur des Faser-Bragg-Gitters 3 wird von der Auswertungseinheit 8 die Temperatur des Faser-Bragg-Gitters 3 und damit die Temperatur der Umgebung des Faser-Bragg-Gitters 3 bestimmt.In addition, the device 1 includes an evaluation unit 8 which receives the wavelength of the peak of the reflected light from the spectrometer 7 . From this wavelength and the known dependence of the wavelength at which the fiber Bragg grating 3 reflects, for example determined in advance by calibration, on the temperature of the fiber Bragg grating 3, the temperature of the fiber Bragg grating is determined by the evaluation unit 8. Bragg grating 3 and thus the temperature around the fiber Bragg grating 3 is determined.

Alternativ zur Verwendung einer Auswertungseinheit 8 kann die Temperatur des Faser-Bragg-Gitters 3 beispielsweise auch manuell aus einer Tabelle oder einem Graphen, die die Abhängigkeit der Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter 3 reflektiert, von der Temperatur beinhalten, abgelesen werden.As an alternative to using an evaluation unit 8, the temperature of the fiber Bragg grating 3 can, for example, also be read manually from a table or a graph that contains the dependence of the wavelength at which the fiber Bragg grating 3 reflects on the temperature .

2 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 1 zum Messen einer kryogenen Temperatur. Dabei ist das Spektrometer 7 an einem dem ersten Ende 5 gegenüberliegenden zweiten Ende 9 der Lichtleitfaser 2 angeordnet. Durch diese Anordnung kann der Strahlteiler 6 entfallen. Das Spektrometer 7 analysiert dann das vom Faser-Bragg-Gitter 3 transmittierte Licht und bestimmt die Wellenlänge des Tiefpunkts im Spektrum, das dem vom Faser-Bragg-Gitter 3 reflektierten Licht entspricht. 2 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment of a device 1 for measuring a cryogenic temperature. The spectrometer 7 is arranged at a second end 9 of the optical fiber 2 opposite the first end 5 . With this arrangement, the beam splitter 6 can be omitted. The spectrometer 7 then analyzes the light transmitted by the fiber Bragg grating 3 and determines the wavelength of the low point in the spectrum which corresponds to the light reflected from the fiber Bragg grating 3 .

Schließlich zeigt 3 die Abhängigkeit der Verschiebung der Wellenlänge Δλ des vom Faser-Bragg-Gitter 3 reflektierten Lichts von der Temperatur T. Der Nullpunkt der Verschiebung wurde dabei auf 293 K festgelegt. Bei dieser Temperatur reflektiert das Faser-Bragg-Gitter 3 bei einer Wellenlänge von 1990 nm. Des Weiteren wurde für dieses Beispiel als kryogen temperaturempfindliches optisches Material InF3 verwendet. Im vergrößerten Ausschnitt ist zu erkennen, dass selbst bei einer Temperatur nahe dem absoluten Nullpunkt noch eine messbare Verschiebung der Wellenlänge, bei der das Faser-Bragg-Gitter 3 reflektiert, erkennbar ist. Eine Messung der Temperatur ist mit einer wie zuvor beschriebenen Vorrichtung 1 und einem Faser-Bragg-Gitter 3 aus dem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material InF3 also noch bis nahe an den absoluten Nullpunkt möglich.Finally shows 3 the dependency of the displacement of the wavelength Δλ of the light reflected by the fiber Bragg grating 3 on the temperature T. The zero point of the displacement was fixed at 293 K. At this temperature, the fiber Bragg grating 3 reflects at a wavelength of 1990 nm. Furthermore, InF 3 was used as the cryogenic temperature-sensitive optical material for this example. The enlarged detail shows that even at a temperature close to absolute zero, a measurable shift in the wavelength at which the fiber Bragg grating 3 reflects can still be seen. With a device 1 as described above and a fiber Bragg grating 3 made of the cryogenic temperature-sensitive optical material InF 3 , the temperature can therefore still be measured close to absolute zero.

Claims (13)

Vorrichtung zum Messen einer kryogenen Temperatur, wobei die kyrogene Temperatur eine Temperatur unter 77 K ist, umfassend eine Lichtleitfaser (2) mit einem Faser-Bragg-Gitter (3), wobei zumindest das Faser-Bragg-Gitter (3) aus einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material besteht; eine Lichtquelle (4), die an einem ersten Ende (5) der Lichtleitfaser (2) derart angeordnet ist, dass sie Licht in die Lichtleitfaser (2) einbringt; und ein Spektrometer (7), das derart angeordnet ist, dass es von der Lichtquelle (4) in die Lichtleitfaser (2) eingebrachtes und vom Faser-Bragg-Gitter (3) reflektiertes oder transmittiertes Licht analysiert.Apparatus for measuring a cryogenic temperature, the cryogenic temperature being a temperature below 77 K, comprising an optical fiber (2) having a fiber Bragg grating (3), at least the fiber Bragg grating (3) being made of a cryogenic temperature sensitive optical material consists; a light source (4) which is arranged at a first end (5) of the optical fiber (2) in such a way that it introduces light into the optical fiber (2); and a spectrometer (7) which is arranged in such a way that it analyzes light introduced from the light source (4) into the optical fiber (2) and reflected or transmitted by the fiber Bragg grating (3). Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das kryogen temperaturempfindliche optische Material ein Fluoridglas, insbesondere InF3, ZrF4, ZBLAN oder AlF3, oder ein Chalkogenidglas, insbesondere ein Selenidglas, ganz insbesondere As2Se3 oder GeSe, oder ein Telluridglas, ganz insbesondere Na2O.ZnO.TeO2, TeO2.BaO.SrO.Nb2O5.WO3 oder TeO2.BaO.SrO.Nb2O5, ist.device after claim 1 , wherein the cryogenically temperature-sensitive optical material is a fluoride glass, in particular InF 3 , ZrF 4 , ZBLAN or AlF 3 , or a chalcogenide glass, in particular a selenide glass, in particular As 2 Se 3 or GeSe, or a telluride glass, in particular Na 2 O.ZnO .TeO 2 , TeO 2 .BaO.SrO.Nb 2 O 5 .WO 3 or TeO 2 .BaO.SrO.Nb2O 5 . Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Faser-Bragg-Gitter (3) mittels eines Femtosekundenlasers und einer Phasenmaske in die Lichtleitfaser (2) aus dem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material eingeschrieben wurde, um den Brechungsindex der Lichtleitfaser (2) periodisch zu ändern.device after claim 1 or 2 wherein the fiber Bragg grating (3) was written into the optical fiber (2) made of the cryogenic temperature-sensitive optical material by means of a femtosecond laser and a phase mask to periodically change the refractive index of the optical fiber (2). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lichtleitfaser (2) unbeschichtet ist.Device according to one of Claims 1 until 3 , wherein the optical fiber (2) is uncoated. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lichtleitfaser (2) mit einer Beschichtung versehen ist, wobei die Beschichtung insbesondere Nanomaterialien, Metalle, Polymethlymethacrylat, kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff und/oder Teflon umfasst.Device according to one of Claims 1 until 3 , wherein the optical fiber (2) is provided with a coating, wherein the coating comprises in particular nanomaterials, metals, polymethyl methacrylate, carbon fiber reinforced plastic and / or Teflon. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Lichtleitfaser (2) eine Multikern-Lichtleitfaser ist, deren Faserkerne aus dem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material bestehen.Device according to one of Claims 1 until 5 , wherein the optical fiber (2) is a multi-core optical fiber whose fiber cores consist of the cryogenic temperature-sensitive optical material. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Lichtquelle (4) ein Laser, insbesondere ein Nah-Infrarot-Laser, ganz insbesondere mit einer Wellenlänge zwischen 1700 nm und 2100 nm, ist.Device according to one of Claims 1 until 6 , wherein the light source (4) is a laser, in particular a near-infrared laser, in particular with a wavelength between 1700 nm and 2100 nm. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Spektrometer (7) am ersten Ende (5) der Lichtleitfaser (2) oder an einem der ersten Ende (5) gegenüberliegenden zweiten Ende (9) der Lichtleitfaser (2) angeordnet ist.Device according to one of Claims 1 until 7 , wherein the spectrometer (7) is arranged at the first end (5) of the optical fiber (2) or at one of the first end (5) opposite the second end (9) of the optical fiber (2). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend eine Auswertungseinheit (8) zum Bestimmen der kryogenen Temperatur aus einem vom Spektrometer (7) analysierten Spektrum.Device according to one of Claims 1 until 8th , further comprising an evaluation unit (8) for determining the cryogenic temperature from a spectrum analyzed by the spectrometer (7). Verfahren zum Messen einer kryogenen Temperatur, wobei die kryogene Temperatur eine Temperatur unter 77 K ist, und wobei Licht in ein erstes Ende (5) einer Lichtleitfaser (2) mit einem aus einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material bestehenden Faser-Bragg-Gitter (3) eingebracht wird; ein Spektrum des von dem Faser-Bragg-Gitter (3) reflektierten oder transmittierten Lichts analysiert wird; und mittels des analysierten Spektrums die kryogene Temperatur bestimmt wird.A method of measuring a cryogenic temperature, wherein the cryogenic temperature is a temperature below 77K, and wherein Light is introduced into a first end (5) of an optical fiber (2) having a fiber Bragg grating (3) made of a cryogenic temperature-sensitive optical material; a spectrum of the light reflected or transmitted by the fiber Bragg grating (3) is analyzed; and the cryogenic temperature is determined by means of the analyzed spectrum. Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine Kalibrierung der Bestimmung der kryogenen Temperatur aus dem analysierten Spektrum mittels eines bekannten Thermosensors durchgeführt wird.procedure after claim 10 , wherein a calibration of the determination of the cryogenic temperature from the analyzed spectrum is carried out using a known thermal sensor. Verwendung einer Lichtleitfaser (2) mit einem Faser-Bragg-Gitter (3), wobei zumindest das Faser-Bragg-Gitter (3) aus einem kryogen temperaturempfindlichen optischen Material besteht, zum Messen einer kryogenen Temperatur mittels einer Lichtquelle (4), die Licht in die Lichtleitfaser (2) einbringt und eines Spektrometers (7), das das von der Lichtquelle (4) in die Lichtleitfaser (2) eingebrachte und vom Faser-Bragg-Gitter (3) reflektierte oder transmittierte Licht analysiert, wobei die kryogene Temperatur eine Temperatur unter 77 K ist.Use of an optical fiber (2) with a fiber Bragg grating (3), wherein at least the fiber Bragg grating (3) consists of a cryogenic temperature-sensitive optical material, for measuring a cryogenic temperature by means of a light source (4) that emits light into the optical fiber (2) and a spectrometer (7), which analyzes the light introduced from the light source (4) into the optical fiber (2) and reflected or transmitted by the fiber Bragg grating (3), the cryogenic temperature being a temperature is below 77 K. Verwendung nach Anspruch 12, wobei das kryogen temperaturempfindliche optische Material ein Fluoridglas, insbesondere InF3, ZrF4, ZBLAN oder AlF3, oder ein Chalkogenidglas, insbesondere ein Selenidglas, ganz insbesondere As2Se3 oder GeSe, oder ein Telluridglas, ganz insbesondere Na2O.ZnO.TeO2, TeO2.BaO.SrO.Nb2O5.WO3 oder TeO2.BaO.SrO.Nb2O5, ist.use after claim 12 , wherein the cryogenically temperature-sensitive optical material is a fluoride glass, in particular InF 3 , ZrF 4 , ZBLAN or AlF 3 , or a chalcogenide glass, in particular a selenide glass, in particular As 2 Se 3 or GeSe, or a telluride glass, in particular Na 2 O.ZnO .TeO 2 , TeO 2 .BaO.SrO.Nb 2 O 5 .WO 3 or TeO 2 .BaO.SrO.Nb2O 5 .
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