DE3613950A1

DE3613950A1 - Bilduebertragungsfaser

Info

Publication number: DE3613950A1
Application number: DE19863613950
Authority: DE
Inventors: Sadao Chiba Chigira; Osamu Sakura Chiba Fukuda; Shotaro Hayashi; Kiyonori Ibaraki Ishii; Kazuo Sanada; Tsugio Sonobe; Takashi Tsumanuma
Original assignee: Fujikura Ltd; Doryokuro Kakunenryo Kaihatsu Jigyodan
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1985-04-27
Filing date: 1986-04-24
Publication date: 1986-11-20
Anticipated expiration: 2006-04-25
Also published as: US4896941A; DE3613950C2; FR2581203B1; FR2581203A1; JPS61250605A

Description

1. DORYOKURO KAKUNENRYO KAIHATSU JIGYODAN, Tokyo / Japan

2. FUJIKURA Ltd.
Tokyo / Japan

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine bildübertragende optische Faser für die Verwendung in einem Fernbedienungssystem für Emissionsspektroskopie-AnaLyse, Fluoreszenzspektroskopie-AnaLyse und Absorptionsspektroskopie-AnaLyse.

Fig. 1 zeigt schematisch ein

Emissionsspektroskopie-AnaLysesystem. Ein PLasmagenerator 10 umfaßt eine positive Elektrode 12 und eine negative Elektrode 13, und eine Probe 14 wird in eine PLasmafLamme 16, die durch die positiven und negativen Elektroden 12 und 13 gebildet wird, eingeführt, so daß die Probe 14 erhitzt und zu einer Emission angeregt wird, wobei der Emissionsteil mit der Ziffer 18, wie dies am besten in Fig. 2 gezeigt wird, bezeichnet wird. Eine bildübertragende Faser 20 erstreckt sich in einem Gehäuse 22 des Plasmagenerators 10 und weist einen Kondensator 24 auf, der an einem Ende in dem Gehäuse 22 befestigt ist und die bildübertragende Faser 20 umfaßt eine Vielzahl von Faserelementen. Das eine Ende der bildübertragenden Faser 20 ist an eine Vorrichtung 26 für die Feineinstellung der optischen Achse der Faser 20 fixiert. Die bildübertragende

Faser 20 erstreckt sich durch ein Spiralloch 28a in einem Block 28, welcher in einer Wand 30 aus Beton befestigt ist. Zunächst wird eine Okkularlinse 32 an das andere Ende der bildübertragenden Faser 20 entfernt von dem Kondensator angebracht und der Kondensator 24 wird mit dem Emissionsteil 18 mittels einer Einstellvorrichtung 26 für die optische Achse ausgerichtet. Dann wird die Okkularlinse 32 von dem anderen Ende der bildübertragenden Faser entfernt und das andere Ende wird an ein Gehäuse 34 einer spektroskopischen Analysevorrichtung 36 befestigt, so daß das Bild des Emissionstei Ls 18 dorthin durch die bildübertragende Faser 20 und einen Schlitz 34a des Gehäuses 34 übertragen wird. Wie dies am besten in Fig. 2 gezeigt wird, ist der Emissionsteil 18 von dem Plasma 12 in der Form eines umgekehrten Y eingeschlossen.

Die bildübertragende Faser 20 dient als ein Bildsensor zum Sichtbarmachen des Emissionsteils 18 und zur übertragung des Bildes davon. Die bildübertragende Faser 20 dient auch zur übertragung der Leuchtkraft des Emissionsteils 18. Da die bildübertragende Faser 20 die Funktion eines Bildsensors ausübt, muß sie eine hohe Auflösung aufweisen. Um diese zu erzielen, ist, es wünschenswert, die Anzahl der Faserelemente in der bildübertragenden Faser 20, die zur übertragung des Bildes des Emissionsteils 18 dienen, zu erhöhen. Es ist jedoch unerwünscht, daß die Bildübertragungsfaser 20 einen zu großen Durchmesser erhält, weil dadurch die Flexibilität der Faser 20 beeinflußt wird. Wenn es deshalb wünschenswert ist, die Anzahl der Faserelemente zu erhöhen und doch den Durchmesser der bildübertragenden Faser 20 zu begrenzen, dann muß jedes der Faserelemente einen kleinen Durchmesser haben, wobei jedes der Faserelemente sich aus einem Kern

und einer HüLLe um den Kern zusammensetzt. ALs Ergebnis wird die Menge der Energie, die in die HüLLe ausLeckt, groß. Im aLLgemeinen wird der Kern eines jeden FasereLementes in einer biLdübertragenden Faser aus reinem SiLiciumdioxid hergesteLLt, während man die UmhüLLung aus einem fLuorgedopten SiLiciumdioxid hersteLLt. Die bei der SpektroskopieanaLyse gemessene WeLLenLänge Liegt zwischen UltravioLett und dem sichtbaren Lichtbereich. Die UmhüLLung aus fLuorgedoptem SiLiciumdioxid ergibt einen größeren VerLust, d.h. schLechte Anfangscharakteristika, insbesonders im Kurzwe L Lenberei ch von 0,24 bis 0,35yM,m. Wenn daher die Energie in die UmhüLLung ausLeckt, wird der übertragungsverLust der Lichtkraft erhebLich groß. Darüber hinaus besitzt die UmhüLLung aus fLuorgedoptem SiLiciumdioxid eine schLechte StrahLungsbeständigkeit im VergLeich zu reinem SiLiciumdioxid. Wenn man daher eine biLdübertragende Faser der hier beschriebenen Art in einer Umgebung anwendet, weLche radioaktiv ist, dann wird der übertragungsverLust zusätzLich vergrößert.

Die Menge des AusLeckens der Energie in die UmhüLLung hängt zu einem großen Maße vom Durchmesser des Kerns des FasereLementes ab. Je größer der Kerndurchmesser wird, umso geringer wird die Menge der ausgeLeckten Energie und dadurch werden die Char akteristika der FasereLemente erhöht. DeshaLb ist es eine einfache Lösung, den Durchmesser des Kerns des FasereLementes zu vergrößern. Diese Maßnahme ist jedoch von NachteiL, denn wenn der Durchmesser des FasereLements größer wird, dann wird auch der Gesamtdurchmesser der biLdübertragenden Faser größer. Eine biLdübertragende Faser mit einem soLchen Durchmesser ist weniger fLexibeL und kann infoLgedessen nicht zu einem kLeinen Radius gebogen und nicht einfach gehandhabt werden.

Um den übertragungsverLust aufgrund der Umhüllung der FasereLemente auf einem annehmbaren Niveau zu halten, ist es erforderlich, daß der Kern des Faserelementes einen Durchmesser von etwa 50 ^m aufweist. Es ist jedoch nicht praktisch, eine Bildübertragungsfaser, die sich aus Faserelementen mit einem solchen Durchmesser aufbaut, herzustellen.

Wie vorher dargelegt, sind die Bildübertragungsfunktionen und die Lichtkraftübertragungsfunktionen des Faserelementes miteinander nicht verträglich und wenn man bestrebt ist, eines davon zu verbessern, dann wird das andere schlechter.

A Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, eine BiLdübertragungsfaser der Art, bei welcher die Lichtkraft wirksam übertragen wird, ohne daß die Bildübertragungsfähigkeit beeinflußt wird, zur Verfügung zu stellen.

Die Erfindung betrifft eine Bildübertragungsfaser für die übertragung eines Bildes eines Gegenstandes von dem einen Ende davon zu dem anderen Ende und umfaßt wenigstens ein erstes Faserelement für die übertragung der Lichtkraft dadurch und eine Vielzahl von zweiten Faser elementen, die sieh um das erste Faserelement und längs desselben erstrecken, wobei die zweiten Faserelemente miteinander zur übertragung des Bildes des Gegenstandes dadurch kooperieren und das erste Faserelement einen größeren Durchmesser hat als jedes der zweiten Faserelemente.

Γ) Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines Emissionsspektroskopie-Analysesystems.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht eines Emissi onsteils in einem Plasmagenerator des Systems.

Fig. 3 ist ein Querschnitt einer BiLdübertragungsfaser gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 4 ist eine Ansicht eines Plasmas, welches durch die Bildübertragungsfaser gesehen wird.

Fig. 5 ist ein Diagramm, in welcher die Beziehung zwischen der übertragung und der Wellenlänge gezeigt wird und

Fig. 6 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem Übertragungsverlust und der Dosis zeigt.

Eine Bildübertragungsfaser 50 umfaßt ein Faserelement 5 2, das als Lichtkraftubertragungstei I dient und eine Vielzahl von Faserelementen 54, die als Bildübertragungsteil 54a dienen und die um das Lichtkraftübertragungsfasere lement 52 herum und längs davon angeordnet sind, eine Ummantelung 26 aus Quarz, die um den Bildübertragungsteil 54a ausgebildet ist, und eine Beschichtung 58 aus einem Kunstharz aufweist, welches um den Mantel 56 ausgebildet ist, wobei sich das Lichtübertragungsfaserelement 52 im Zentrum der Bildübertragungsfaser 50 befindet. Das Lichtkraftübertragungsfaserelement 52 hat einen viel größeren Durchmesser als jedes der
BiIdübertragungsfaserelemente 54.

Das Lichtkraftübertragungsfaserelement 52 setzt sich aus einem Kern 52a aus reinem Siliciumdioxid und einer Umhüllung 52b, die um den Kern 52a ausgebildet ist, zusammen. Die Umhüllung 52b besteht aus fluorgedoptem

SiLiciumdioxid, borgedoptem Si Liciumdioxid oder fluor- und
borgedoptem Siliciumdioxid. Der Kern 52a hat einen
Durchmesser von 600/tfli, während die Umhüllung einen
Durchmesser von 800 ^/tm hat. Die numerische Aperture (N. A.) ist 0,21.

Die Anzahl der Faserelemente 5 4 im Bildübertragungsteil 54a ist 6.000. Jedes dieser Faserelemente.54 setzt sich auch
aus einem Kern und einer um den Kern ausgebildeten
Umhüllung zusammen, wobei der Kern aus reinem
Siliciumdioxid besteht und einen Durchmesser von 10 /Arm hat. Die Ummantelung 56 hat einen Außendurchmesser von 2,0 mm.

Der Kern 52a des Lichtkraftübertragungsfaserelementes 52
hat einen Durchmesser von nicht weniger als 50 /*<m, um das
Auslecken der Energie in die Umhüllung 52b, d.h. den
übertragungsverLust, auf einem annehmbaren Niveau zu
haIten.

Nachfolgend wird ein Verfahren zur Herstellung der
Bildübertragungsfaser 50 beschrieben.

Ein Mutterstab mit einem Außendurchmesser von 15 mm, der
sich aus einem Kernteil aus reinem Siliciumdioxid und einem Umhüllungsteil aus fluorgedoptem Siliciumdioxid um den
Kernteil zusammensetzt, wurde bei einer Temperatur von etwa 2.200 C in einem Erhitzer auf einen Durchmesser von
10 mm verlängert, wodurch man eine Zwischen-optisehe Faser
erhielt. Das Verhältnis des Kernteils zu dem Umhüllungsteil betrug 1,2, der Unterschied im Brechungsindex 1,2 % (^n =
1,2 %) . Diese Zwischen-optisehe Faser wurde hergestellt, um das Lichtkraftübertragungselement 52 zur Verfügung zu
stel len.

Ein anderer Mutterstab mit einem Außendurchmesser von 15 mm aus einem Kernteil aus reinem Si Liciumdioxid und einem UmhüLLungstei L aus fLuorgedoptem Si Liciumdioxid um den KernteiL wurde zu einem Durchmesser von 300 /Um ausgezogen unter Ausbildung einer zweiten Zwischen-optischen Faser, wobei das Verhältnis des Kernteils zu dem Umhüllungsteil 1,4 (Δη = 1,1 %) betrug. Die zweite Zwischen-optisehe Faser wurde hergestellt, um das
Bi Idübertragungsfaserelement 54 zur Verfugung zu stellen.

Ein Quarzrohr mit einem Innendurchmesser von 21 mm und einem Außendurchmesser von 24 mm wurde für die Ummantelung 56 hergestellt. Dann wurde die erste Zwischen-optisehe Faser mit dem größeren Durchmesser in das Quarzrohr eingebracht und so darin fixiert, daß es koaxial mit dem Quarzrohr war und wobei man eine Befestigungsvorrichtung verwendete. Dann wurde eine Zahl der zweiten Zwischenoptischen Fasern mit einem geringeren Durchmesser in den kreisförmigen Raum, der zwischen der äußeren Umfangsoberf lache der ersten Zwischen-optisehen Faser und der inneren Umfangsoberfläche des Quarzrohres ausgebildet war, eingefüllt unter Ausbildung einer optischen Faservorform, wobei die zweiten Zwischen-optisehen Fasern sich längs der Achse der ersten Zwischen-optisehen Faser und dem Quarzrohr erstrecken. Dann wurde die Vorform mit einer Geschwindigkeit von 30 mm/min in ein Ziehwerkzeug in einem Erhitzer eingeführt und bei erhöhten Temperaturen mit 4 m/min unter Ausbildung einer Bildübertragungsfaser ausgezogen. Auf diese Weise wurden die erste und die zweiten Zwischen-optisehen Fasern jeweils in das Lichtkraftübertragungsfaserelement 52 und das BiIdübertragungsfasere lement 54 überführt. Ebenso wurde das Quarzrohr in die Ummantelung 56 umgewandelt. Ein

ULtravioLett(UV)-härtbares Harz wurde auf die UmmanteLung oder das Rohr 56 mittels einer In-Line-Beschichtungsmethode aufgebracht unter AusbiLdung des Überzugs 58 und wobei man die BiLdübertragungsfaser erhieLt. Der Durchmesser der Bi Ldübertragungsfaser 50, bevor der überzug 58 darauf aufgebracht worden war, betrug 1,9 mm und der Durchmesser der BiLdübertragungsfaser mit dem überzug 58 betrug 2,4 mm.

NachfoLgend wird der Betrieb der BiLdübertragungsfaser 50 beschrieben. In einem Fernbedienungssystem für eine Emissionsspektroskopie-AnaLyse, die der in Fig. 1 gezeigten entsprach, wird ein BiLd der zu anaLysierenden Probe mitteLs der BiLdübertragungsfasereLemente 54 der BiLdübertragungsfaser 50 übertragen. Mit anderen Worten heißt dies, daß man die Probe durch die BiLdübertragungsfasereLemente 54 sieht, wobei der BLick, den man durch die BiLdübertragungsfaser 50 erhäLt, in Fig. 4 gezeigt wird, in weLcher die Ziffer 16 ein PLasma und die Ziffer 18 einen EmissionsteiL bedeuten. Die BiLdübertragungsfasereLemente 54, die aLs BiLdsensor dienen, sindähnLich den übLichen aufgebaut und haben deshaLb auch eine ähnLiche Empfindlichkeit. Das übertragungsfasereLement 52, das zur übertragung der Lichtkraft des EmissionsteiLs 18 dient, hat einen derart großen Durchmesser, daß die Energie kaum in die UmhüLLung ausLeckt und dadurch wird der Übertragungsverlust auf einem Minimum gehaLten. Da die Kerne der Faserelemente 52 und 54 aus reinem SiLiciumdioxid, welches gute Bestrahlungsbeständigkeit aufweist, bestehen, kann man die BiLdübertragungsfaser 50 auch für eine Fernbedienungsemissionsspektroskopie-Analyse einer radioaktiven Substanz verwenden.

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Beispiel 1

Eine erfindungsgemäße Bildübertragungsfaser mit dem gleichen Aufbau wie die Bildübertragungsfaser 50 in Fig. 3 wurde nach dem vorher beschriebenen Verfahren hergestellt. Für Vergleichszwecke wurde eine

Vergleichsbildübertraguηgsfaser der üblichen Art hergestellt, die sich von der Bildübertragungsfaser 50 in Fig. 3 darin unterschied, daß das

Lichtübertragungsfaserelement 52 mit einem größeren Durchmesser fortgelassen wurde und daß die BiIdübertragungsfaserelemente 54 vollständig die Umhüllung 56 ausfüllten. Die erfindungsgemäße Bildübertragungsfaser und die VergLeichsbiIdübertragungsfaser wurden bezüglich der übertragung geprüft. Die erzielten Ergebnisse werden in Fig. 5 gezeigt. Aus Fig. 5 geht hervor, daß die Bildübertragungsfaser gemäß der vorliegenden Erfindung eine bessere übertragung ergab als die übliche BiIdübertragungsfaser.

Die erfindungsgemäße Bildübertragungsfaser und die VergIeichsbiIdübertragungsfaser wurden auch hinsichtlich des Übertragungsverlustes in einer radioaktiven Umgebung untersucht. Die Ergebnisse sind in Fig. 6 gezeigt. Aus Fig. 6 geht hervor, daß bei der erfindungsgemäßen Bildübertragungsfaser ein geringerer Übertragungsverlust eintrat als bei der Vergleichsbildübertragungsfaser.

Die vorgenannte übertragung und der vorgenannte Verlust in einer radioaktiven Umgebung bei der erfindungsgemäßen Bildübertragungsfaser waren nahezu so gut wie die bei einer einzelnen optischen Faser, die ungefähr den gleichen Durchmesser hatte wie die Bildübertragungsfaser der

vorliegenden Erfindung. Beispiel. 2

Eine Emissi onsspektroskopie-AnaLyse einer Probe wurde unter Verwendung eines gleichen Systems, wie es in Fig. 1 gezeigt wird, durchgeführt, wobei man eine erfindungsgemäße Bildübertragungsfaser und eine VergleichsbiIdübertragungsfaser, die beide nach dem Verfahren gemäß Beispiel 1 erhalten worden waren, verwendete. Die Analysenergebnisse werden in der nachfolgenden Tabelle gezeigt.

Tabelle

Elemente in der Probe	gemessene Wellenlänge (/«,m)	Nachweisempfind lichkeit (ppm)	*Ver- gleich	**Nachweisempfindlichkeit nach einer Dosis von 10^ r (ppm)	*Vergleich
		*Erfin- dung	2	*Erfin- dung	Nachweis nicht möglich
B	0,24	0,5	0,5	1,5	f I
Si	0,28	0,1	1	1,2	2
Fe	0,3	0,2	1	0,5	2
Ni	0,34	0,2	0,4

"*Erfindung" bedeutet eine Bildübertragungsfaser gemäß der vorliegenden Erfindung und "+Vergleich" bedeutet eine Vergleichsübertragungsfaser.¹ "**" bedeuten die Nachweisempfindlichkeit, nachdem die Bildübertragungsfaser einer Dosis von 10 R ausgesetzt worden war.

Aus der Tabelle geht hervor, daß die NachweisempfindLichkeiten der Bildübertragungsfaser gemäß der Erfindung viel besser waren als die bei einer Vergleichsbildübertragungsfaser.

Wie vorher dargelegt, dient die erfindungsgemäße Bildübertragungsfaser für die befriedigende übertragung eines Bildes und der Lichtkraft.

Zwar wurde die Bildübertragungsfaser hier speziell gezeigt und beschrieben, jedoch ist die Erfindung nicht exakt auf die Zeichnung oder die Beschreibung dazu beschränkt. Obwohl zum BeispieL bei der gezeigten Ausführungsform die Bildübertragungsfaser 50 nur ein

Lichtkraftübertragungsfaserelement 5 2 mit einem größeren Durchmesser aufweist, kann sie auch mehr als eines haben. Ebenso haben zwar die Lichtkraftübertragungsfasere lemente 52 einen kreisförmigen Querschnitt, jedoch können sich auch einen anderen als einen kreisförmigen Querschnitt haben, z.B. eine polygonale Form oder eine ovale Form. Weiterhin ist zwar das Lichtübertragungsfaserelement 52 im Zentrum der Bildübertragungsfaser 50 gezeigt, jedoch kann es auch exzentrisch von der Längsachse der Bildübertragungsfaser angebracht sein.

Claims

1. DORYOKURO KAKUNENRYO KAIHATSU JIGYODAN Tokyo / Japan

2. FUJIKURA Ltd.
Tokyo / Japan

Bi Ldübertragungsfaser Patentansprüche

1« BiLdubertragungsfaser zum übertragen eines BiLdes eines Gegenstandes von dem einen Ende davon zu dem anderen Ende, gekennzeichnet durch wenigstens ein erstes FasereLement (52) zum übertragen der Lichtkraft dadurch und einer VieLzahL von zweiten FasereLementen (54), die sich Längs des ersten FasereLementes (52) und um dieses herum erstrecken, wobei die zweiten FasereLemente (54) miteinander zur übertragung des BiLdes eines Gegenstandes dadurch kooperieren und das erste FasereLement (52) einen größeren Durchmesser hat aLs jedes der zweiten FasereLemente (54) .

2. BiLdubertragungsfaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste FasereLement (52) aus einem Kern (52a) und einer um den Kern (52a) gebUdeten UmhüLLung (52b) ausgebiLdet ist und daß der Kern (52a) des ersten FasereLementes (52) nicht kLeiner aLs 50 um Durchmesser

3. BiLdubertragungsfaser gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (52a) des ersten

Fase reLementes (52) aus reinem Si Liciumdioxid hergestellt worden ist und daß die Umhüllung (52b) des ersten Faserelementes (52) aus fluorgedoptem Siliciumdioxid, borgedoptem Siliciumdioxid oder fluor-bor-gedoptem Siliciumdioxid hergestellt ist.

4. Bildübertragungsfaser gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das erste Faserelement (52) im Zentrum der Bildübertragungsfaser (50) angeordnet ist.

5. Bildübertragungsfaser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin eine Ummantelung aus Quarz umfaßt, die um die zweiten Faserelemente gebildet ist und eine Beschichtung aus einem Kunstharz, welches um die Ummantelung ausgebildet ist.