DE4433305A1 - Faseroptische Sonde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sonde zur Messung der Fluoreszenz, der Streuung und des Ramaneffektes gemäß den in den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bis 8 ge­ nannten Art, die sich durch eine gesteigerte Meßgenauigkeit und -empfindlichkeit auszeichnet.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Fluoreszenz-, Streustrahlungs- und Ramansonde zu entwickeln, die sich durch ein hohes Signal/Rausch-Verhältnis (störende Reflexe werden im weiteren definitionsgemäß dem Rauschen zugeord­ net) einerseits und durch eine gute Beständigkeit gegenüber aggressiven chemi­ schen Substanzen sowie extremen Reaktionsbedingungen (Druck, Temperatur) an­ dererseits auszeichnet. Darüber hinaus ist eine Kompaktheit des Aufbaues gefor­ dert, die es gestattet, die Sonde in 12 mm-Durchführungen (Durchmesser), wie sie in vielen chemischen Apparaten und Anlagen vorhanden sind, einzubauen.

Bekannte Lösungen, bei denen die optischen Fasern nicht durch eine Hülle, bein­ haltend ein Ein- und Austrittsfenster für die Strahlung (in weiteren Fenster), ge­ schützt sind (z. B. EP 0 335 725, US 5 013 150), d. h. bei denen die Faserenden di­ rekt mit der zu untersuchenden Substanz (in weiteren Proband) in Kontakt kom­ men, besitzen den wesentlichen Nachteil, daß die optischen Fasern direkt dem Probanden ausgesetzt sind. Dadurch ist eine Beeinflussung oder Zerstörung der Fasern an ihren probandenseitigen Ende möglich, bei aggressiven Probanden so­ gar wahrscheinlich. Weiterhin sind dauerhafte Einlagerungen von Bestandteilen der bzw. des Probanden in der Faser und ein damit verbundener "Gedächtnisef­ fekt" möglich.

Andere Lösungen (z. B. EP 0 047 094) bevorzugen Glasstäbe anstelle eines Fen­ sters zur Durchführung der Strahlung durch eine vorhandene Schutzhülle. Das setzt aber voraus, daß diese Stäbe an ihrer Oberfläche oder in ihrem Inneren (ähn­ lich der Fasern) die Strahlung reflektieren, wozu ein Brechzahlprofil zur Totalrefle­ xion oder eine Oberflächenverspiegelung erforderlich ist. Damit sind diese Lösun­ gen zwar, verglichen mit den Faserenden, unempfindlicher gegenüber Probanden, aber sie sind immer noch empfindlich genug, um aggressiven Probanden nicht stand halten zu können. Außerdem lassen diese oft auf Grund ihrer Kompliziertheit einen kompakten Aufbau nicht zu.

Werden herkömmliche Fenster, meist als Planplatten aufgeführt, verwendet, entste­ hen Reflexe an der Fensteroberfläche. Diese könnte man durch eine transmissions­ steigernde Beschichtung unterdrücken, was an der Außenseite des Fensters wie­ derum zu einer verringerten chemischen Resistenz führt.

Durch eine Anordnung der Fasern direkt an der Innenseite des Fensters kann ver­ hindert werden, daß an dessen Innenseite reflektierte Strahlung der bestrahlenden Faser(n) in die strahlunsdetektierende(n) Faser(n) gelangt, da dann die Detektions­ faser(n) außerhalb des (der) Aperturkegel(s) der Bestrahlungsfaser(n) liegt. Diese Möglichkeiten sind z. B. in den Schriften EP 0 047 049 und EP 0230679 ange­ wandt worden. Um aber zu verhindern, daß an der Außenseite des Fensters reflek­ tiertes Licht der bestrahlenden Faser in die strahlungsdetektierende Faser gelangt, müssen die Fenster entweder für aus- und eintretende Strahlung getrennt (z. B. EP 0 047 049, Fig. 4) oder sehr dünn (EP 0230679) ausgeführt werden. Die getrennte Ausführung bedingt einen technologischen Mehraufwand und verhindert eine kom­ pakte Baugröße, die sehr dünne Ausführung des Fensters führt zu Stabilitätspro­ blemen, die insbesondere bei unter extremen Bedingungen (Druck, Temperatur) zu untersuchenden Probanden problematisch sind.

Darüber hinaus ist bei Lösungen, deren Fasern unter einem von Null verschiede­ nen Winkel (nicht parallel) angeordnet sind, das sich aus der geometrischen Über­ schneidung der Aperturkegel der bestrahlenden und detektierenden Fasern erge­ bende aktive Wechselwirkungsvolumen (bei Streustrahlungsmessungen an Festkör­ pern deren Durchschnitt mit der streuenden Oberfläche) beschränkt. Als Beispiel für eine solche Ausführung steht EP 0 335 725. Daraus resultiert eine verminderte Empfindlichkeit verglichen mit faserparallelen Anordnungen.

Unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ist es möglich, trotz eines genügend dicken, einteiligen Fensters zu verhindern, daß Fenster-Reflexe der Strahlung die Messungen beeinträchtigen. Grundlage dafür (Bild 1) bilden eine spezielle zentral­ symmetrische Anordnung der Fasern (1 und 2) und die Ausführung des Fensters der Schutzhülle (3) als konzentrischer Meniskus (4). Dadurch werden alle reflektier­ ten Teile der innerhalb der Aperturkegels (5) der bestrahlenden Faser (1) liegen­ den Strahlung in diese zurückgeworfen.

Der Verlauf der Reflexe läßt sich durch eine optische Abbildung (Bild 2) beschrei­ ben. Das Objekt (6) charakterisiert den Radius der im Zentrum 10 der zentralsym­ metrischen Faseranordnung liegenden, bestrahlenden Faser (1). Der Punkt 10 be­ zeichnet gleichzeitig den Krümmungsmittelpunkt des konzentrischen Meniskus (4). Das Objekt wird nun unter Zuhilfenahme des Brennpunktes (8) der inneren Menis­ kusfläche und der Brennpunktes (9) der äußeren Meniskusfläche von beiden Flä­ chen identisch zum Bild 7 des Objektes (6) abgebildet. Bild und Objekt sind gleich groß und besitzen den gleichen Abstand zum Meniskus. Die bestrahlende Faser wird also auf sich selbst abgebildet. Dadurch ist verhindert, daß Strahlung per Oberflächenreflex am Meniskus in die detektierenden Fasern (2) gelangt. Aus der Umkehrbarkeit der Lichtwege und aus der Symmetrie der Anordnung folgt, daß bei Vertauschung der Rolle der bestrahlenden und detektierenden Fasern (1 und 2) die Enden der Fasern (2) auf die gegenüberliegenden Enden der Fasern (2) abgebildet werden. Die Anordnung ist also gegen die Vertauschung der Faserfunktion invariant.

Zur Realisierung eines maximalen Überdeckungsbereichs der Aperturkegel der Fa­ sern (1 und 2) und damit zur Steigerung der Empfindlichkeit ist es sinnvoll, die An­ ordnung nicht nur auf die Ebene zu beschränken. Es empfiehlt sich daher auf zum Punkt 10 in der Ebene der Faserenden liegende zentralsymmetrische Anordnungen über zu gehen. Zentralsymmetrisch bedeutet hierbei die Symmetrie bei Umkehrung der Vorzeichen der Objektkoordinaten in der Ebene der Faserende.

Ausführungen möglicher Anordnungen zeigen die Bilder 3 und 4, wobei die zentra­ le, bestrahlende Faser (1, Bild 3) auch durch ein Bündel (1, Bild 4) ersetzt werden kann. Ebenfalls möglich (Bild 5) ist eine "ringweise" oder jede andere zentralsym­ metrische Durchmischung der Fasern 1 und 2. Zur weiteren Maximierung des Überdeckungsbereichs der Aperturkegel werden alle Fasern parallel angeordnet. Nur so ist ein auseinanderlaufen der Aperturkegel zu verhindern.

Die Größe und Anzahl der anzuordneten Fasern ist, bedingt durch die Symmetrie der Anordnung, nur durch die Größe der Schutzhülle beschränkt. Geometrisch opti­ sche Abbildungsfehler auf Grund nichtparaxialer Abbildungen spielen eine zu ver­ nachlässigende Rolle, da die Apertur der Fasern begrenzend wirkt. Ebenso ver­ nachlässigbar ist die Kohärenz und die zeitliche Verteilung der Strahlungsenergie. Hierbei wirkt lediglich die Faser beschränkend.

Die Ausführung der Schutzhülle aus Stahl, Keramik oder aus ähnlich chemisch re­ sistenten Stoffen erweist sich als vorteilhaft. Bei manchen Einsatzbedingungen kann es dabei erforderlich sein, diese Schutzhülle gasdicht auszuführen und even­ tuell mit Schutzgas zu befüllen.

Claims (7)

1. Faseroptische Sonde zur Messung der Fluoreszenz, der diffusen Reflexion oder des Ramaneffekts von festen, pulverförmigen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen beinhaltend ein oder mehrere optische Fasern zur Bestrahlung der Meßsubstanz mit elektromagnetischer Strahlung aus dem Bereich zwischen 200 nm und 5 µm, ein oder mehrere optische Fasern zur Detektion der diffus reflektierten bzw. fluores­ zierten elektromagnetischen Strahlung, eine intransparente Schutzhülle und ein transparentes Fenster für die elektromagnetische Strahlung, dadurch gekennzeich­ net, daß das transparente Fenster ein konzentrischer Meniskus ist.

2. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle sondenseitigen Fa­ serenden gruppenweise zentral symmetrisch zur durch den Mittelpunkt der Menis­ kenflächen verlaufenden Formachse des konzentrischen Meniskus angeordnet sind, d. h. daß zu allen bestrahlenden (detektierenden) Fasern zentralsymmetrisch ebenfalls bestrahlende (detektierende) Fasern angeordnet sind.

3. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bestrahlende und detek­ tierende Fasern ihre Funktionen tauschen können.

4. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie sich zur Verwendung mit kontinuierlicher als auch gepulster und kohärenter, teilkohärenter als auch inko­ härenter elektromagnetischer Strahlung eignet.

5. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die intransparente Schutzhülle aus Metall oder Keramik besteht.

6. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konzentrische Menis­ kus aus Glas, Saphir, Carbiden, Aluminaten, Fluoriden, Phosphiden, Sulfiden, Ar­ seniden, Telluriden, Chloriden, Bromiden, Germanium, Silizium oder Diamant besteht.

7. Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die intransparente Schutzhülle allseitig gasdicht ausgeführt und/oder mit Schutzgas befüllt sein kann ist.