FI102696B

FI102696B - Kaksoissäteilylähdekokoonpano ja mittausanturi

Info

Publication number: FI102696B
Application number: FI950816A
Authority: FI
Inventors: Boerje Tor Rantala; Pekka Tuomo Merilaeinen; Kurt Peter Weckstroem
Original assignee: Instrumentarium Oy
Priority date: 1995-02-22
Filing date: 1995-02-22
Publication date: 1999-01-29
Also published as: EP0729016A2; FI102696B1; FI950816A; EP0729016B1; US5668376A; FI950816A0; EP0729016A3

Description

102696

Kaksoissäteilylähdekokoonpano ja mittausanturi - Sammansättning av dubbel-strälkälla och mätdetektor 5 Keksintö koskee säteilylähdekokoonpanoa väliaineiden analysoinnissa käytettäviä optisia mittausantureita varten, säteilylähdekokoonpanon käsittäessä: ensimmäisen ja toisen termisen säteilylähteen, joista säteilylähteistä toinen on ensimmäisen säteilylähteen emittoimaa säteilyä oleellisesti läpäisevä ja ensimmäinen säteilylähde on sijoitettu toiseen säteilylähteeseen nähden sellaiseen asemaan, että se emittoi toisen 10 säteilylähteen läpi; optisen kaistanestosuodattimen sijoitettuna ensimmäisen ja toisen säteilylähteen väliin siten, että ensimmäisen säteilylähteen emittoima säteily kulkee sen kautta. Keksintö koskee myös tällaista säteilylähdekokoonpanoa käyttävää ei-dispersiivistä mittausanturia, joka lisäksi käsittää säteilydetektorin sijoitettuna vastaanottamaan ensimmäisen ja toisen säteilylähteen emittoimaa säteilyä. Erityises-15 ti keksintö kohdistuu kaasujen ja kaasuseosten analysointiin, vaikkei sen käyttöalue ole niihin rajoitettu.

Ei-dispersiiviseen infrapuna-absorptioon perustuva kaasujen analysointi, kuten anestesia-ja hengityskaasujen komponenttien tunnistus ja niiden pitoisuuksien määrää-20 minen potilasympäristössä tehdään tällä hetkellä paljon tilaa vaativilla antureilla. Mittausantureita on periaatteessa kahta tyyppiä, potilaan hengityspiirissä päävirta-uksessa suoraan mittaavat (mainstream) ja hengityspiiristä otetussa pienessä sivuvir-tauksessa mittaavat (sidestream).

25 Sivuvirtausanturit sijaitsevat yleensä potilasmonitorin sisällä, johon kaasunäyte viedään ohuella letkulla. Näin ollen mittaus tehdään kaukana potilaasta, mistä on seurauksena aikaviive sekä peräkkäisinä ajankohtina otettujen näytteiden sekoittuminen toisiinsa, mikä myös hidastaa muutosten havaitsemista. Yhtenä etuna on kuitenkin anturin koon pieni merkitys ja koko mittauselektroniikan ja anturin pieni välimatka. 30 Tällöin erilaiset korjaukset anturin signaaliin on helppo tehdä, josta syystä pitoi-suuslukemat yleensä ovat hyvin tarkkoja ja luotettavia, mutta siis viivästyneinä saatuja. Kaasunäytteen kuljettaminen monitoriin asti voi kestää muutaman sekunnin ja myös signaalin nousuaika voi mainitun sekoittumisen takia pidentyä. Lähinnä tästä haittapuolesta johtuen päävirtausanturi on yleistymässä varsinkin sovellutuksissa, 35 joissa nopeus on tärkeää.

Päävirtausanturit taas on kytketty potilaan hengityksen päävirtaukseen erityisellä liitäntäkappaleella. Tällainen päävirtausanturi on kuvattu esim. julkaisussa 2 102696 US-4 914 720. Anturi käsittää päävirtauskanavan osuuden muodostavan mittaus-kammion tai liitäntäputken, jossa on toisiaan vastapäätä kaksi ikkunaa. Ikkunoiden ulkopuolelle sijoitetaan varsinainen anturi siten, että anturiin kuuluva infrapunasä-teilylähde kohdistuu toiseen näistä ikkunoista sen ulkopuolelta ja suuntaa säteilyn 5 päävirtauskanavan läpi toista ikkunaa kohti, jonka ulkopuolelle on sijoitettu ainakin yksi detektori kapeakaistasuodattimineen. Tyypillisesti käytetään kuitenkin kahta detektoria, joista toinen mittaa kapeakaistasuodattimen läpi hiilidioksidia ja toinen toimii toisella aallonpituusalueella olevan kapeakaistasuodattimen läpi mitaten referenssinä korjaamalla esim. säteilyn intensiteetissä esiintyviä häiriöitä. Tästä mit-10 tausanturista sähköiset signaalit johdetaan mittaustuloksen laskevaan laitteeseen sähköjohtoja pitkin. Tämäntyyppisten antureiden huonona puolena on signaalin herkkyys mittauskammion ikkunoihin kerääntyvän veden ja liman aiheuttamalle vir-heabsorptiolle. Mittauskammion ikkunoita lämmittämällä voidaan estää veden kondensoituminen, mutta liman varjostavaa efektiä käytetty menettely ei pysty luotetta-15 vasti kompensoimaan. Tähän on syynä se, että referenssidetektori näkee liman määrän erilaisena kuin varsinainen mittausdetektori, koska referenssidetektorin kapeakaistasuodattimen ja varsinaisen mittausdetektorin kapeakaistasuodattimen kaistat sijaitsevat eri aallonpituusalueilla, jolloin ne päästävät liman läpäissyttä säteilyä eri tavalla lävitse. Lisäksi esimerkiksi rinnakkain sijaitsevien mittaus-ja referenssisä-20 teiden erilainen geometrinen jakautuma mittauskammiossa voi aiheuttaa eroja mittaus- ja referenssisignaaleihin.

Toinen edellä kuvatun päävirtausanturin tapainen päävirtaukseen sijoitettava mittausanturi on kuvattu julkaisussa HEWLETT-PACKARD JOURNAL, September ; 25 1981 sivut 3-5: R.J. Solomon - "A Reliable, Accurate CO2 Analyzer for Medical

Use". Kuvatussa anturikonstruktiossa mittaustarkkuutta parannetaan ja erityisesti mittausarvon ryömintää vähennetään moduloimalla mittauskammion läpäisevää infrapunasäteilyä pyörivällä suodatinkiekolla, jossa suodattimet koostuvat suljetuista kennoista, jotka sisältävät täsmälleen tunnetut kaasuseokset. Yksi kammio sisältää 30 hiilidioksidia, koska anturilla mitataan hiilidioksidia Tällaisessa ratkaisussa mit-j taus- ja referenssipuolen geometria on suunnilleen sama ja optisen kaasusuodatti- men ansiosta myös mittauksen ja referenssin aallonpituuskaistat ovat samat kuten julkaisussa on selitetty. Tällainen anturi on kuitenkin hyvin monimutkainen, kallis ja erittäin herkkä kolhuille ja vastaaville. Lisäksi suodatinkiekon laakerit voivat kulua, ::5 mistä aiheutuu epäluotettavuuden kasvua sekä lisääntyneitä huoltokustannuksia.

Optisen kaasusuodattimen käyttö on tunnettu esim. julkaisusta US-3 745 349. Kyseisessä anturissa on kaksi infrapunalähdettä, joista toinen säteilee toisen läpi, joi- 3 102696 loin molempien infrapunalähteiden säteilyillä on täsmälleen sama optinen reitti. Inf-rapunalähteiden väliin sijoitettu sellainen optinen kaasun absorptioon perustuva suodatin, jolla saadaan hyvin kapea absorptiokaista mitattavan kaasun hieman le-veämmän absortiokaistan keskelle. Infrapunalähteitä käytetään vuorotellen, jolloin 5 detektoriin, joka on sijoitettu infrapunalähteisiin nähden mittauskammion toiselle puolelle, saadaan vuorotellen varsinainen mittaussignaali ja referenssisignaali, jotka nyt ovat siis kulkeneet samaa reittiä ja näkevät veden ja liman likimäärin saman aallonpituusalueen ansiosta likimain samoin. Tämä ehdotettu rakenne eliminoi pääosan edellä käsitellyistä haittapuolista. Julkaisun US-3 745 349 rakenteella on kui-10 tenkin sellaisia haittapuolia, joiden vuoksi ehdotettu rakenne ei ole tullut käyttöön. Jos anturissa käytetään infrapunasäteilylähteinä tavanomaisia kestäviä miniatyyri-hehkulamppuja, joiden paloaika on muutamia tuhansia tai kymmeniä tuhansia tunteja, on niiden hitauden vuoksi mahdollista toteuttaa vain varsin hidasta säteilylähteiden vuorottelua, ts. modulointia. Tällöin anturilla saavutettava mittausnopeus ei ole 15 riittävä. Jos taas hehkulankoja ohennetaan ja pienennetään niin paljon, että riittävän nopea modulointi on mahdollista, palavat hehkulangat poikki hyvin nopeasti, jolloin anturin käyttöarvo on olematon. Virheitä aiheutuu myös siitä, että tällaisten hehku-lankojen pinta-ala säteilyn kulkusuunnassa on suhteellisen iso, jolloin varsinainen mittausäteilylähde varjostaa referenssisäteilylähdettä saaden aikaan säteille erilaiset 20 kulkutiet mittauskammion kohdalla. Lisäksi virhettä saattaa aiheuttaa se, että refe-renssisäteen aallonpituusjakautuma on oleellisesti kapeampi kuin mittauskammion läpäisseen mittaussäteen aallonpituusjakutuma. Lisäksi kuvatulla tavalla toteutettu mittausanturi on niin suurikokoinen, että sitä voidaan käyttää ainoastaan sivuvir-tausanturina. Tämän takia julkaisussa esitetyssä anturissa on kiinteä näytekammio ; 25 eikä se näin sovellu esim. päävirtausanturiksi.

Keksinnön tavoitteena on siten saada aikaan säteilylähdekokoonpano, erityisesti infrapunasäteilyä lähettävä kokoonpano, joka soveltuu käytettäväksi säteilylähteenä mittausanturissa, jolla analysoidaan kaasukomponentteja ei-dispersiivisellä infra-30 puna-absorptiomenetelmällä ja joka koostuu mittaussäteen lähettävästä säteilylähteestä ja referenssisäteen lähettävästä säteilylähteestä. Keksinnön toisena tavoitteena on tällainen säteilylähdekokoonpano, jossa mittaussäteen ja referenssisäteen lähtö-reitit ovat mahdollisimman tarkkaan identtiset, jolloin niiden kulkureitit mittausanturin mittauskammiossa saadaan täsmälleen samoiksi. Keksinnön kolmantena tavoit-35 teenä on tällainen säteilylähdekokoonpano, jossa referenssisäteen aallonpituusjakautuma vastaa mahdollisimman tarkkaan mittaussäteen aallonpituusjakautumaa mittausanturin mittauskammion jälkeen, jolloin mittauskammion mahdollisten epäpuhtauksien vaikutus saadaan eliminoitua niiden laadusta riippumatta. Keksinnön nel- 4 102696 jäntenä tavoitteena on tällainen säteilylähdekokoonpano, jossa molempien säteily-lähteiden terminen aikavakio on niin lyhyt, että säteilylähteitä voidaan vuorotellen käyttää pulssivinralla, ts. moduloida pulssimaisesti, niin suurella taajuudella, että ainakin hengityksen tahdissa muuttuvasta kaasuseoksesta saadaan luotettava ja tarkka 5 mittaustulos. Modulointitaajuuden tulee siis olla vähintään moninkertainen hengi-tystaajuuteen verrattuna. Keksinnön viidentenä tavoitteena on säteilylähdekokoonpano, jonka kestoikä ja siten erityisesti säteilylähteiden kestoikä ja vikaantumisväli ovat erittäin pitkät. Tavoitteena on myös saada aikaan tällaista säteilylähdekokoon-panoa käyttävä mittausanturi, joka on riittävän pieni, jotta sitä voitaisiin käyttää pää-10 virtausanturina, jossa ei ole lainkaan liikkuvia osia ja joka on halpa valmistaa, pitkä ikäinen ja luotettava. Erityisesti tarkoituksena on saada aikaan erittäin pienikokoinen mittausanturi, joka koostuu säteilylähdekokoonpanon ja detektorin yhdistelmästä.

Edellä kuvatut haittapuolet saadaan eliminoitua ja edellä määritellyt tavoitteet toteu-15 tettua keksinnön mukaisella säteilylähdekokoonpanolla, jolle on tunnusomaista se, mitä on määritelty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa, ja keksinnön mukaisella mittausanturilla, jolle on tunnusomaista se, mitä on määritelty patenttivaatimuksen 14 tunnusmerkkiosassa.

20 Tämän keksinnön mukaisen kaksoisinfrapunasäteilylähteen, ts. säteilylähdekokoonpanon, tärkeimpänä etuna on se, että se voidaan tehdä hyvin pieneksi, nopeaksi, pitkäikäiseksi ja luotettavaksi. Tämän saavuttamiseksi on yksittäisen säteilylähteen valmistuksessa käytetty ns. mikromekaniikkaa, jolloin säteilylähteen päämitat voivat olla luokkaa kymmeniä tai satoja pm - muutamia mm ja säteilylähteen termisesti 25 säteilevien osien, ts. mikrohehkulankojen, muut mitat pm-luokkaa tai mahdollisesti allekin. Näin saadulla pienellä termisellä massalla samoin kuin sillä, että mikroheh-kulangat ovat sopivan välimatkan päässä alustastaan, saadaan säteilylähteen aikavakio pieneksi. Mikrohehkulankojen tämän erittäin pienen koon vuoksi on niihin kohdistuvat mekaaniset voimat pieniä, jolloin todennäköisyys kuuman mikrohehku-30 langan katkeamiseen pienenee ratkaisevasti verrattuna tavalliseen suurikokoiseen hehkulankaan. Kestoikää voidaan vielä pidentää keksinnön mukaisella materiaalivalinnalla. Kahden säteilylähteen yhdistelmä tehdään keksinnön mukaan liittämällä tällaiset säteilylähteet optisen kaasusuodattimen muodostavan kaasuonkalon molemmille puolille. Kaasusuodattimessa käytetään keksinnön mukaan absorboivana 35 väliaineena juuri sitä väliainetta, kuten kaasua, jota mittausanturilla on tarkoitus mitata, jolloin saadaan optimaalinen aallonpituusjakautuma referenssisäteelle. Vaikka mitattava kaasu toimii parhaiten väliaineena, on itsestään selvää, että suo- 5 102696 dattimen väliaineena voitaisiin myös käyttää sellaista kiinteää tai nestemäistä ainetta tai muunlaista kaistanestosuodatinta, jolla on mahdollisimman samanlainen absorptio- tai estokaista kuin niitattavalla kaasulla. Estokaista voi olla paitsi absorboivaa tyyppiä myös heijastavaa tyyppiä, kuten yleensä säteilyn interferenssiin perustuvissa 5 suodattimissa. Kun lisäksi säteilylähteiden alustat, tai ainakin mittaussäteen aikaansaavan säteilylähteen alusta, ovat mittauksessa käytettyjä säteilyn aallonpituuksia läpäiseviä, saadaan erittäin kompakti kaksoissäteilylähde, joka tarvittaessa mahtuu hyvin esim. puolijohdeteollisuudesta hyvin tunnettuun TO-5-koteloon tai muuhun vastaavaan koteloon. Kaksoislähde voidaan yhdistää esimerkiksi päävirtausanturiksi 10 lisäämällä säteilylähdekokoonpanon eteen tutkittavalle kaasulle mittaus väli ja säteilylle tutkittavan väliaineen absorptiokaistan aallonpituusjakautumaa vastaavalla ka-peakaistasuodattimella varustettu detektori.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti oheisiin kuvioihin viittaamalla. 15

Kuva IA esittää säteilyn pääasiallisen kulkusuunnan suuntaisessa pitkittäisleikkauksessa keksinnön mukaisen kaksoisinfrapunalähteen yhtä edullista toteutusmuotoa pitkin kuvion IB tasoa I-I.

20 Kuva IB esittää kuvan IA kaksoisinfrapunalähdettä edestä säteilyn lähtösuunnas-ta, ts. kuvan IA suunnasta II nähtynä

Kuvat 2-5 esittävät säteilyn pääasiallisen kulkusuunnan suuntaisessa pitkittäisleikkauksessa keksinnön mukaisen kaksoisinfrapunalähteen toista, kolmatta, neljättä ja 25 vastaavasti viidettä vaihtoehtoista toteutusmuotoa samassa kuvannossa kuin kuva IA.

Kuva 6A esittää säteilyn pääasiallisen kulkusuunnan suuntaisessa pitkittäisleikkauksessa erillisen optisen kaasusuodattimen yhtä toteutusmuotoa samassa kuvan-30 nossa kuin kuvat IA ja 2-5.

Kuva 6B esittää pitkittäisleikkauksessa erillisen optisen kaasusuodattimen toista vaihtoehtoista toteutusmuotoa samassa kuvannossa kuin kuva 6A.

35 Kuvat 7 ja 8 esittävät säteilyn pääasiallisen kulkusuunnan suuntaisessa pitkittäisleikkauksessa keksinnön mukaisen kaksoisinfrapunalähteen kuudetta ja seitsemättä vaihtoehtoista toteutusmuotoa, joissa on käytetty erillistä optista kaasusuodatinta ja sisältäen sähköiset liitännät, samassa kuvannossa kuin kuvat IA ja 2-5.

6 102696

Kuva 9 esittää keksinnön mukaisen mittausanturin yhtä toteutusmuotoa, jossa säteilylähdekokoonpanosta tuleva moduloitu infrapunasäteily läpäisee näytekaasuti-lavuuden kerran ja absorboitunut säteily ilmaistaan kapeakaistasuodattimella varustetulla detektorilla.

5

Kuva 10 esittää keksinnön mukaisen mittausanturin toista toteutusmuotoa, jossa säteilylähdekokoonpano ja kapeakaistasuodattimella varustettu absorboituneen säteilyn ilmaiseva detektori sijaitsevat samalla puolella näytekaasutilavuutta ja moduloitu infrapunasäteily heijastuu peilin kautta kulkien kaksi kertaa näytekaasun läpi.

10

Kuva 11 esittää kuvan 9 mittausanturia näytekaasutila irrotettuna.

Kuva 12 esittää kuvien 9-11 mukaista mittausanturia päältä päin potilaan hengi-tyspiiriin kytkettynä.

15

Kuvat 13 ja 14 esittävät keksinnön mukaisen kaksoisinfrapunalähteen kahdeksatta ja yhdeksättä toteutusmuotoa, jotka muutoin vastaavat kuvion 7 toteutusmuotoa paitsi, että kaasusuodattimen tilalla on kiinteä massasuodatin ja vastaavasti interferenssi-suodatin.

20

Kuva 15 esittää säteilyn pääasiallisen kulkusuunnan suuntaisessa pitkittäisleikkauksessa keksinnön mukaisen kaksoisinfrapunalähteen kuudetta vaihtoehtoista toteutusmuotoa samassa kuvannossa kuin kuvat IA ja 2-5.

25 Kuvista IA ja 2-5 on nähtävissä pitkittäisleikkauksena eräitä keksinnön mukaisen kaksoisinfrapunalähteen, ts. säteilylähdekokoonpanon 100, yksityiskohtaisia rakenteita. Kuva IB esittää kuvan IA lähteen edestä katsottuna siitä suunnasta tarkasteltuna, johon säteilyt 6, 8 kokoonpanosta 100 käyttöä varten poistuvat. Muiden kuvien 2-5 mukaiset säteilylähdekokoonpanot ovat edestä katsottuna likipitäen samanlaisia. 30 Tätä säteilyn pääasiallista suuntaa merkitään viitteellä S ja se on edullisesti kohtisuorassa termisten eli kuumentamisen vaikutuksesta säteilyä emittoivien säteilylähteiden 1 ja 2 tasoja vastaan. Ensimmäinen säteilylähde 1 ja toinen säteilylähde 2 on sijoitettu samalle linjalle siten, että ensimmäisen säteilylähteen 1 emittoima säteily 6 kulkee toisen säteilylähteen 2 läpi, jolloin molemmat emittoidut säteilyt 6 ja 8 yh-35 dessä muodostavat sädekimpun, jonka suunta on mainittu pääasiallinen suunta S ja joka käytetään myöhemmin selostettavassa mittausanturissa hyväksi. Lisäksi säteilylähdekokoonpano 100 käsittää suodatinkammion 10a, 10b, 10c, lOdtai lOetai vaihtoehtoisen tyyppisen suodatinkammion 16a tai 16b, kuten on esitetty kuvissa 7 7 102696 ja 8, tai massasuodattimen 61, kuten on esitetty kuvassa 13, tai interferenssisuodatti-men 62, kuten on esitetty kuvassa 14. Suodatinkammio lOa-e, 16a-b ja vastaavasti suodatin 61 tai 62 on sijoitettu ensimmäisen ja toisen säteilylähteen 1 ja 2 väliin siten, että ensimmäisen säteilylähteen emittoima säteily 6 kulkee suodattimen läpi, 5 jolloin kammiossa olevan kaasun tai muun väliaineen vaikutuksesta tai suodattimen väliaineen tai interferenssipinnoituksen vaikutuksesta tapahtuu haluttu säteilyn absorptio.

Esitetyissä tapauksissa molemmat säteilylähteet 1, 2 on keksinnön mukaisesti valio mistettu ns. piimikrokoneistustekniikalla. Piimikrokoneistustekniikka on viime vuosina yleistynyt ja mahdollistanut erilaisten mikromekaanisten komponenttien valmistuksen, joissa yksityiskohtien mitat ovat mikrometriluokkaa ja päämitat voivat olla millimetriluokkaa. Tekniikka on sukua puolijohteiden valmistuksessa käytettäville menetelmille ja siinä piikiteeseen muokataan erilaisia muotoja suoraan etsaa-15 maila, ts. syövyttämällä, esimerkiksi erilaisten suojaavien maskien avulla tai kasvattamalla piikiteen pinnalle erilaisia ohuita kalvoja höyrystämällä, sputteroimalla, painamalla tai muulla mikropiirien valmistuksesta tunnetulla tekniikalla, ns. ohutkalvo-tekniikalla. Tällä tekniikalla aikaansaatu säteilylähde koostuu tyypillisesti alustasta 3, 11, jossa on päällipinta 51, 52. Tälle päällipinnalle tai siitä jotain sopivaa tekniik-20 kaa käyttäen saadulle ja toisessa kohdassa sijaitsevalle tai toisenmuotoiselle pinnalle on sitten jollain sopivalla päällystystekniikalla kasvatettu tai painettu mikrohehku-langat 4, 5, jotka siten ovat esimerkiksi tasomaisia ja alustan päällipinnan 51, 52 tasossa. Kuvioissa mikrohehkulangat ovat suoria, mutta on selvää, että niille tarvittaessa voidaan antaa muukin tasomainen muoto, kuten aaltomuoto. Mikrohehkulangat 25 voidaan painaa tai kasvattaa suoraan lopulliseen muotoonsa tai ne voidaan etsaa-malla muotoilla muuhun muotoon ensin tehdystä pinnoitteesta. Kuten kuvasta IB näkyy, koostuu yhden säteilylähteen mikrohehkulangasto useista rinnan kytketystä yksittäisistä hehkulangoista, jolloin syntyy tasomainen emittoiva alue, joka säteilee pääasiassa suuntaan S, joka on kohtisuorassa tätä emittoivaa aluetta, ts. mikrohehku-30 lankoja 4, 5, ja siten myös alustojen päällipintoja 51 ja 52 vastaan. Käytännössä . hehkulankoja on yleensä huomattavasti useampia kuin kuvassa esitetyt viisi.

Tavallisesti hehkulangastossa on suuruusluokkaa 20-50 yksittäistä mikrohehkulan-kaa. Alustaan 3, 11 on keksinnnön mukaan mikrohehkulankojen 4, 5 alueelle, ts. säteilyä emittoivalle alueelle, etsattu syvennys 53. Näin mikrohehkulangat ovat etäi-35 syyden H päässä syvennyksen 53 pohjapinnasta 54, mikä mahdollistaa mikrohehku-langoille pienen lämpökapasiteetin ja siten pienen termisen aikavakion. Yksittäisen mikrohehkulangan 4, 5 tilavuus on enintään noin 200 000 pm^, edullisesti enintään noin 50 000 μιη^ ja tyypillisesti suuruusluokkaa 2000 - 20 000 μιη^, jolloin mikro- 8 102696 hehkulangan terminen aikavakio on enintään noin 50 ms, edullisesti enintään noin 10 ms ja tyypillisesti suuruusluokkaa 0,5-5 ms. Tyypillisesti yhden mikrohehkulan-gan paksuus on siten suuruusluokkaa 0,5-5 pm, leveys suuruusluokkaa 5-100 pm ja pituus 50 pm - 3 mm. Syvennyksen 53 pohjan 54 etäisyys H mikrohehkulangoista 4, 5 5 on yleensä alueella 10-1000 pm ja tyypillisesti suuruusluokkaa 50-300 pm. Sopi va etäisyys H edesauttaa hehkulankojen 4, 5 jäähdytystä alustan 3, 11 toimiessa lämmön johteena kuitenkaan hidastamatta hehkulangan kuumenemisen nousuno-peutta. Liian suuri etäisyys H pienentää nousunopeutta, kun taas liian pieni etäisyys H voi johtaa mikrohehkulanka-alueen liian matalaan lämpötilaan, jolloin säteilyläh-10 teestä saatu valomäärä pienenee. Liian pieni etäisyys H voi myös aiheuttaa sen, että hehkulangat tarttuvat syvennyksen 53 pohjaan 54 kiinni. Kuvioiden toteutusmuodoissa mikrohehkulangat ovat siis likipitäen alustan päällipinnan 51, 52 tasossa tai siitä sellaisella etäisyydellä, joka vastaa alustalle mahdollisesti tehdyn sähköä eristävän pinnoitteen ja/tai itse mikrohehkulangan paksuutta, joka etäisyys ei ole kuvi-15 öistä nähtävissä. Mikrohehkulangat voidaan haluttaessa sijoittaa huomattavastikin syvemmälle syvennykseen, kuten kuviossa 15 on esitetty, tai mahdollisesti sijoittaa alustan päällipinnasta 51, 52 ulospäin kuvioissa ei-esitetyllä tavalla, kunhan mikrohehkulangan ja syvennyksen pohjan välimatka H on edellä selostetun suuruinen. Tämä kuitenkin edellyttää alustan pinnanmuodon ja/tai pinnankorkeuden muutta-20 mistä jollain edellä mainitulla ohutkalvoteknisellä mentelmällä, ts. etsaamalla ja/tai pinnoittamalla. Mikrohehkulangoista voidaan tehdä myös esim. etäisyyden H suunnassa aaltoilevaksi tai muun muotoiseksi ja lisäksi samassa säteilylähteessä voidaan eri mikrohehkulangat sijoittaa eri syvyyksille.

25 Erään tällaisen piimikrokoneistustekniikalla valmistetun infrapunalähteen 1, 2 tarkempi valmistustapa selviää julkaisusta FI-931570. Inffapunalähde koostuu piistä tehdystä rungosta tai alustasta 3, 11 ja joukosta ohuita mikrohehkulankoja 4, 5. Nämä langat ovat kyseisen julkaisun mukaan piinitridillä suojattua johtavaksi seostettua monikiteistä piitä, mutta voivat yhtä hyvin olla jotakin muuta ohutkalvoteknii-30 kalle sopivaa materiaalia, kuten metallia, esimerkiksi wolframia kuten artikkelissa "Hot-filament microlamps now feasible" (Laser Focus World, Dec. 1992, sivut 26-31) on kuvattu. Lankojen alta on etsaamalla poistettu piitä niin, että langat jäävät it-sekantaviksi ja päistään kiinni alustan 3, 11 päällipintaan 51, 52. Päällimmäinen toinen infrapunalähde 2 on samalla tavalla rakennettu kuin ensimmäinen infrapuna-35 lähde 1, vaikka se on kuvan esittämällä tavalla käännetty niin, että hehkulangat 5 ovat kohtisuorassa lähteen 1 hehkulankoja 4 vastaan hehkulankojen tasot yhdensuuntaisina. Tämä ei kuitenkaan ole välttämätöntä vaan ideana on saada mahdollisimman suuri osa lähteen 1 säteilystä 6 kulkemaan lähteen 2 hehkulanka-alueen lä- 9 102696 pi. Infrapunalähteen mikrohehkulangat 4, 5 on sähköisesti kytketty metalloituihin elektrodeihin 7a ja 7b, jotka toimivat kytkentäelektrodeina muuhun elektroniikkaan. Jos toisen lähteen 2 hehkulangat 5 ovat piitä ne ovat tiettävästi huoneenlämmössä infrapunasäteilylle läpinäkyviä. Tämä edesauttaa ensimmäisen säteilylähteen emit-5 toiman säteilyn 6 läpikulkua, koska säteilylähteet 1 ja 2 ovat vuorotellen päällekyt-kettynä. Joka tapauksessa toinen säteilylähde 2 saa varjostaa vain suhteellisen pientä osaa ensimmäisen säteilylähteen 1 emittoimasta säteilystä 6, ts. toisen säteilylähteen tulee olla säteilyä 6 selvästi tai oleellisesti läpäisevä riippumatta siitä, ovatko sen hehkulangat itsessään säteilyä läpäiseviä vai eivät. Myöskään toisen säteilylähteen 2 10 alusta ei saa oleellisesti estää ensimmäisen säteilylähteen säteilyn 6 läpimenoa. Heh-kulankamateriaali voi tarpeen vaatiessa olla päällystetty erillisellä hapettumiselta tai höyrystymiseltä suoj aavalla kalvolla tai langan emissiokykyä parantavalla kalvolla tai molemmilla. Tällaisia kalvoja voidaan muodostaa piinitridistä, piikarbidista ja eri metallien oksideista. Tällä tavoin nostamalla mikrohehkulangan emissiokerroin 15 mahdollisimman suureksi voidaan sen lämpötila pitää alhaisena, mikä lisää kestoikää. Kestoikää lisää myös se, että mikrohehkulanka on valmistettu sellaisesta materiaalista tai pinnoitettu sellaisesta materiaalista, jonka höyrynpaine emissioläm-pötilassa on mahdollisimman pieni. Alhainen emissiolämpötila alentaa myös höy-rynpainetta, mikä edelleen lisää käyttöikää. Alusta 3, 11 voi olla valmistettu edulli-20 simmin sentyyppisestä suhteellisen puhtaasta piistä, jota yleisesti käytetään puolijohteiden valmistuksessa, koska se on suhteellisen edullinen materiaali ja niiden etsaus ja muu käsittely on sinänsä tunnettua tekniikkaa ja koska tällainen riittävän puhdas pii on huoneen lämpötilassa infrapunasäteilyä läpäisevää. Tällöin ensimmäisen säteilylähteen 1 emittoima säteily 6 pääsee esteettä kulkemaan toisen säteilyläh-25 teen 2 alustan 11 läpi, erityisesti alustassa 11 olevan syvennyksen 53 alueelta, ilman erityistoimenpiteitä. Tietenkin alustan materiaalina voidaan käyttää myös seostettua piitä tai piiyhdisteitä, mutta tällöin voidaan joutua seostusmäärästä, seosainetyypistä ja yhdistetyypistä riippuen toisenlaiseen jäljempänä kuvattavaan rakenteeseen, johtuen siitä ettei alusta kenties ole riittävästi käytettyä säteilyä läpäisevää. Alustan on 30 oltava joko eriste tai se on pinnoitettava eristeellä, jonka päälle mikrohehkulangat kasvatetaan, jotta alustalle saadaan sopivat sähköiset liitännät, kuten edellä on kuvattu.

Mikäli toisen säteilylähteen 2 alusta 11 on jotakin käytettyä säteilyä, kuten infrapu-35 nasäteilyä, ei-läpäisevää materiaalia, on syvennys 53 korvattava alustan läpi menevällä aukolla, jotta ensimmäisen säteilylähteen emittoiva säteily 6 pääsee kulkemaan toisen säteilylähteen 2 läpi. Tällöin on toisen säteilylähteen alustan 11 ja tarvittaessa myös ensimmäisen säteilylähteen alustan 3 taakse mikrohehkulangoista 4, 5 päin 10 102696 katsottuna sijoitettava pohjan 54 muodostava pohjakappale 63, jonka avulla saadaan näin syntyvän pohjan ja mikrohehkulankojen välimatka H oikeaksi ja siten hehku-lankojen lämpötila ja nousunopeus halutun suuruiseksi edellä kuvatulla tavalla. Kuviossa 15 esitetyn pohjakappaleen 63 materiaalin tulee tietenkin olla käytettyä 5 säteilyä läpäisevää, kuten lasia, safiiria, kvartsia, piinitridiä tai kalsiumfluoridia.

Edullisesti molemmat säteilylähteet 1, 2 on sinänsä järjestetty emittoimaan oleellisesti samalla aallonpituusjakautumalla, ts. mikrohehkulangat 4, 5 on järjestetty hehkumaan samassa lämpötilassa. Samoin on edullista, että molempien säteilylähteiden 10 detektorille päin näkyvät emittoivat pinta-alat ovat ainakin likimain yhtä suuret ja emittoivien mikrohehkulankapintojen 4, 5 emissiokertoimet ovat ainakin likimain yhtä suuret samoilla aallonpituuksilla. Tällaisen säteilylähteen 1 lähettämän säteilyn 6 jakautuma kulkusuunnan S poikkipinnalle on edestä katsottuna oleellisesti sama kuin infrapunalähteen 2 lähettämän säteilyn 8 jakautuma poikkipinnalle, mikä on 15 oleellista erityisesti päävirtausanturissa, jotta mittaustiellä, ts. säteilyn kulkutiellä, oleva mahdollinen lika tai muu este vaikuttaisi molempien lähteiden säteilyyn samalla tavoin. Tällöin signaalivirhe voidaan kompensoida pois, eikä se häiritse mittausta.

20 Kuvassa IA infrapunalähteiden 1 ja 2 väliin on esimerkiksi elektrostaattisella bon-daustekniikalla hermeettisesti kiinnitetty reiällä varustettu lasilevy 17. Reikä on yhtä suuri tai suurempi kuin hehkulankojen 4 tai 5 rajaama ala. Syntynyt kammio 10a on täytetty kaasulla, joka absorboi mahdollisimman tarkkaan samalla aallonpituudella kuin kyseistä säteilylähdekokoonpanoa käyttävällä mittausanturilla analy-: 25 soitava kaasu. Keksinnön mukaan tässä suodatinkammiossa 10a ja tietenkin myös muissa keksinnön toteutusmuodoissa käytettävissä suodatinkammioissa 10b - lOe ja 16a, 16b, on sisällä edullisesti juuri sitä kaasua tai yleisemmin väliainetta, mitä on tarkoitus mittausanturilla mitata. Jos mittausanturilla, johon keksinnön mukainen säteilylähdekokoonpano 100 on sijoitettu, esimerkiksi mitataan hiilidioksidia, niin 30 kammioon suljetaan myös hiilidioksidia. Näin saadaan optinen kaasusuodatin 10, ] 16. Suodatinkammioon lOa-e, 16a-b suljetun kaasun konsentraatio valitaan siten, että mahdollisimman suuri osa mitattavan kaasun absorptiosta ensimmäisen infrapunalähteen 1 säteilyn 6 osalta tapahtuu suodatinkammiossa, jolloin mittauskammios-sa, jossa varsinainen analysoitava kaasu, kaasuseos tai vastaava on, ei tapahdu enää 35 oleellista ensimmäisen säteilyn 6 absorptiota. Läpitullut ensimmäinen säteily 6 ei siten merkittävästi enää reagoi kyseiseen kaasuun, joten ensimmäinen infrapunaläh-: de 1 voi toimia referenssinä. Toisen infrapunalähteen 2 lähettämää säteilyä 8 verra- „ 102696 taan infrapunalähteen 1 lähettämään säteilyyn, jolloin kaikki muu kuin mitattavasta kaasusta johtuva absorptio on tunnetulla tekniikalla helposti kompensoitavissa.

Kuvissa IA ja 2-8 esitettyjen samoin kuin kuvien 9 ja 10 esittämien mittausanturei-5 den sisältämien kaksoisinfrapunalähteiden dimensiot ovat tyypillisesti muutama millimetri. Edullisessa ratkaisussa hehkulankojen 4 tai 5 peittämä ala on noin 0,2 -5 mm2 ja suodatinkammion koko säteilyn pääasiallista kulkusuuntaa vastaan kohti-suorasti on vähintään hehkulankojen peittämän alan suuruinen. Suodatinkammion lOa-e ja 16a-b paksuus T säteilyn kulkusuunnassa S riippuu kaasusta ja sen konsent-10 raatiosta mutta on tyypillisesti 0,5 - 5 mm, edullisesti suuruusluokkaa 1 - 2 mm.

Kuvan IA mukaan molempien infrapunalähteiden 1 ja 2 hehkulangat 4 ja 5 ovat suodatinkammion 10a ulkopuolella, osoittaen siis toisistaan poispäin.

15 Kuva 2 esittää ratkaisua, jossa ensimmäisen säteilylähteen 1 mikrohehkulangat 4 ovat suodatinkammion 10b sisällä, jolloin molempien lähteiden emittoivat osat siis osoittavat samaan säteilyn pääasialliseen kulkusuuntaan S. Ratkaisu on mahdollinen, jos suodatinkammiossa oleva kaasu kestää hehkulangan kuumuuden (noin 500 -800 °C) hajoamatta. Etuna on se, että ensimmäisen säteilyn 6 häviöt pienenevät, 20 kun ensimmäisen säteilylähteen 1 alustan 3 aiheuttamat pintaneijastukset jäävät pois ja lisäksi langat ovat hyvin suojattuina. Jäljellejäävät kuitenkin vielä toisen säteily-lähteen 2 piialustan 11 aiheuttamat pintaheijastukset. Näitä voidaan oleellisesti pienentää pinnoittamalla alustan 11 molemmat puolet, ts. syvennyksen 53 pohja ja sillä kohtaa oleva alustan vastakkainen pintaosuus, interferenssiin perustuvalla sinänsä 25 tunnetulla antiheijastuskalvolla 12, ainakin siltä alueelta, jonka kautta säteily kulkee. Lisäksi voidaan alue ensimmäisen säteilylähteen 1 mikrohehkulankojen 4 alla, ts. syvennyksen 53 pohja 54, päällystää heijastavalla kalvolla 13, esimerkiksi alumiinilla, jolloin osa 14 säteilystä pääsee heijastumalla oikeaan suuntaan S. Näin lähteen 1 suhteellinen osuus koko säteilystä kasvaa, joskin tietysti samalla on mahdol-30 lista, että pieni osa lähteen 2 säteilystä myös heijastuu samasta peilistä 13. Heijastava kalvo 13 voidaan vaihtoehtoisesti tietenkin sijoittaa myös säteilylähteen 1 alustan 3 takapinnalle 60.

Periaatteessa molempien säteilylähteiden 1 ja 2 mikrohehkulangat 4 ja 5 voivat olla 35 suodatinkammion 10c sisällä kuten kuvassa 3. Näin ne ovat hyvin suojassa mekaaniselta vahingolta ja myös ympäröivän ilman hapettavalta vaikutukselta. Tässäkin tapauksessa on kammion 10c samoin kuin edellisissä toteutusmuodoissa kuvattujen kammioiden 10b ja 10a ne kehäseinämät 17, jotka rajaavat sitä säteilyn pääasiallista 12 102696 kulkusuuntaa S vastaan poikittaisessa suunnassa, valmistettu mistä tahansa sopivasta materiaalista, kuten lasista, keramiikasta tai metallista, ja liitetty 56 hermeettisesti molempien säteilylähteiden alustoihin 3, 11. Säteilylähteiden alustat rajaavat kammioita 10a-10c säteilyn kulkusuunnassa ja alustat ovat siten yksinkertaisimmin 5 käytettyä säteilyä läpäisevää materiaalia. Tämä vaatimus on pakollinen kuvan IA toteutusmuodossa, mutta ei kuvien 2 ja 3 toteutusmuodoissa ensimmäisen säteilylähteen 1 osalta, kuten on ymmärrettävää myös edellä selostetun peilipinnoituksen 13 perusteella.

10 Kuvassa 4 on esitetty ratkaisu, jossa suodatinkammio lOd ei ole lasirunkoon tehty, vaan osa infrapunalähteiden 1 ja 2 piialustojen 3 ja 11 takapuolta, mikrohehkulanko-jen puolelta katsottuna, on etsattu riittävän syväksi kuopaksi 15. Kun alustat on sijoitettu toisiaan vasten siten, että hehkulangat 4, 5 osoittavat toisistaan poispäin, rajaavat alustat väliinsä suodatinkammion lOd. Koska pii voidaan myös helposti liittää 15 55 piihin hermeettisesti, saadaan syntyvään kammioon lOd jäämään haluttua kaasua.

Jos etsaus on riittävän syvä riittää suodatinkammion lOe aikaansaamiseksi toiseen runkoon 11 tehty kuoppa 15, kuten kuvassa 5. Silloin on mahdollista kääntää esimerkiksi ensimmäisen säteilylähteen 1 mikrohehkulangat 4 kammion lOe puolelle, jos sisällä oleva kaasu sen sallii. Näissä molemmissa tapauksissa muodostuu kam-20 miota lOd-e sekä säteilyn kulkusuuntaa S vastaan poikittaisessa suunnassa rajaava kehäseinämä 57 että säteilyn kulkusuunnassa rajaavat seinämät säteilylähteiden 1, 2 alustamateriaaleista. Kuvan 4 toteutusmuodossa on lisäksi ensimmäisen säteilylähteen 1 takana, säteilyn pääasiallista kulkusuuntaa S vastaan tarkasteltuna, erillinen peilipinta 59, joka heijastaa ensimmäisen säteilylähteen emittoimaa säteilyä 6 sen 25 pääasialliseen kulkusuuntaan, aivan kuten kuvan 2 toteutusmuodon peilipinnoite 13.

Joskus voi olla edullista sulkea optisen kaasusuodattimen 10, 16 kaasu säteilylähteistä 1, 2 erilliseen säiliöön. Kuvassa 6 on esitetty kaksi tapaa rakentaa säiliö eli suodatinkammio. Kuvassa 6A suodatinkammio 16a muodostuu kahden syvälle etsa-30 tun piilevyn 9a, 9b väliin samaan tapaan kuin kuvassa 4. Piilevyt 9a, 9b rajaavat kammiota sekä säteiden kulkusuunnassa S että sitä vastaan kohtisuorassa suunnassa kehäseinämällä 58. Kuvassa 6B taas suodatinkammio koostuu reiällä varustetusta kehäseinämän 17 muodostavasta runkokappaleesta ja kahdesta infrapunasäteilyä läpäisevästä ikkunasta 18 ja 19. Runkokappale voi olla lasia, keramiikkaa, piitä tai 35 metallia ja ikkunat 18 ja 19 piitä tai jotakin muuta sopivaa infrapunasäteilyä läpäisevää ohutta materiaalia kuten lasia, safiiria, kvartsia, piinitridiä tai kalsiumfluori-dia. Tässä tapauksessa antiheijastuskalvotus saattaa olla tarpeeton ikkunamateriaalin pienemmän taitekertoimen takia. Ikkunat 18 ja 19 voidaan kiinnittää 56 hermeetti- 13 102696 sesti kehäseinämään 17 liimaamalla tai jollakin muulla sopivalla bondausmenetel-mällä.

Käyttämällä irrallista optista kaasusuodatinta 16a, 16b säteilylähteiden 1 ja 2 säh-5 köinen kiinnitys helpottuu ja kaksoisinfrapunalähteen kasaaminen yksinkertaistuu. Kuvassa 7 on esitetty eräs tällainen ratkaisu. Infrapunalähteiden 1 ja 2 alustat 3 ja 11 on kumpikin kiinnitetty elektroniikkapiirilevyyn 20 ja vastaavasti 21 juottamalla tai johtavalla liimalla. Piirilevyssä on reikä 22 ja 23 hehkulanka-alueen kohdalla ja metalloinnit 24 ja 25 sähköistä kiinnitystä varten. Suodatinkammio 10a tai lOd 10 voisi tässäkin tapauksessa olla kuten kuvassa 1 ja 4 bondattuna infrapunalähteiden alustaan 3 ja 11, mutta yhtä hyvin voidaan käyttää erillistä kammiota 16 ja kiinnittää se kuten kuvassa 7 liimaamalla, varsinkin kun kuvan esittämässä tapauksessa liimauksen ei tarvitse olla hermeettinen. Piirilevyssä oleva reikä 22 ja 23 suojaa hehku-lankoja mekaaniselta kosketukselta kun infrapunalähteet on käännetty kuten kuvassa 15 7 esitetään. Kuvan 8 ratkaisussa hehkulangat ovat vielä paremmin suojassa kun piirilevyt 20 ja 21 on käännetty vastakkain. Tällöin infrapunalähteen 1 alustan 3 mahdollisesti aiheuttamia pintaheijastuksia ei ole.

Kaistanestosuodattimena, joka on sijoitettu suodattamaan ensimmäisen säteilyläh-20 teen 1 säteilyä 6 ennen sen kulkua toisen säteilylähteen 2 läpi, voidaan myös käyttää nestemäisellä väliaineella täytettyä edellä kuvatun tyyppistä suodatinkammiota tai kiinteää väliainetta olevaa suodatinkappaletta 61, kuten kuviossa 13, tai säteilyn heijastukseen perustuvaa interferenssisuodatinta 62, kuten kuviossa 14. Olipa kais-tanestosuodatin sitten mitä tyyppiä tahansa, on kuitenkin oleellista, että sen esto-25 kaista vastaa mahdollisimman tarkoin analysoitavan ainekomponentin absorptioja-kautumaa sillä aallonpituusalueella, jota analysoinnissa käytetään.

Kuva 9 esittää infrapuna-analysaattoriksi muodostettua keksinnön mukaista mittausanturia 70, jossa edellä selostetun tyyppinen kaksoisinfrapunalähde 100 on yh-30 tenä osana. Kaksoisinfrapunalähde 100 on tässä kuvassa kuvan 7 mukainen ja : kiinnitetty transistorikotelon 27 pohjalevylle 28 siten, että ensimmäinen säteilylähde 1 on pohjalevyä 28 vasten ja toinen säteilylähde 2 osoittaa pohjalevystä ulospäin. Kytkentämetallointien 24 ja 25 kautta säteilylähdekokoonpano 100 on kytkentälan-kaparien 29 ja 30 avulla kytketty edelleen kuvissa ei-esitettyyn ohjaavaan elektro-35 nilkkaan ja teholähteeseen liitäntäjohdon 31 kautta. Transistorikotelossa 27 voi olla infrapunasäteilyä läpäisevä ikkuna 32, jonka kautta molemmat säteilyt 6 ja 8 tulevat lähes tai täysin identtisesti suunnassa S ulos, mutta ikkuna ei ole, kuten ei myöskään kotelointi, välttämätön toiminnan kannalta. Analysoitava kaasu tai kaasuseos on ti- „ 102696 lassa 33 ja se on normaalisti seinämien 34 ympäröimä ja kahdella infrapunasäteilyä läpäisevällä ikkunalla 35 ja 36 varustettu mittauskammio. Kaasu tilassa 33 voi virrata kuten päävirtausanturissa, jossa seinämät 34 ja ikkunat 35 ja 36 edustavat irrotettavaa hengitysputken liitoskappaletta, mutta toiminnan kannalta on samantekevää 5 virtaako kaasu vai pysyykö se paikallaan. Kaksoisinfrapunalähteestä 100 lähtevä re-ferenssisäteily 6 ja mittaussäteily 8 tulevat vuoroittaisiksi moduloituina suunnassa S ja läpäisevät mittauskammion tilassa 33 olevan kaasun, jolloin kaasu absorboi mit-taussäteestä 8 osapainettaan vastaavan osuuden ja mahdollisesti referenssisäteestä 6 epäoleellisen osan. Jos mitataan hiilidioksidia ja optisessa kaasusuodattimessa 16 10 on hiilidioksidia niin mittaussäteilystä 8 absorboituu enemmän kuin referenssisätei-lystä, koska suurin osa hiilidioksidiabsorptiosta on jo tapahtunut kaasusuodattimessa 16. Suodatinkammion 16 pituudella T tai suodatinkammiossa 16 olevan kaasun hiilidioksidipitoisuudella voidaan jossakin määrin vaikuttaa mitattavan kaasun mittauksen linearisuuteen, vaikka tällä seikalla on vähäisempi merkitys, kun mittaussig-15 naalit kuitenkin käsitellään digitaalisesti.

Ilmaisin 38 on kuvan 9 mukaan mittauskammiossa olevan mitattavan kaasun 33 toisella puolella ja ilmaisee säteilyt 6 ja 8. Infrapunalähteet 1 ja 2 ovat siis vuorotellen päällä joten yksi detektori riittää ilmaisemaan molemmat signaalit. Detektori 38 on 20 edullisesti lyijyselenidi, mutta jokin muu riittävän nopea infrapunadetektori voisi myös olla mahdollinen. Kuvan 9 mukaan detektori 38 on transistorikotelon 39 sisällä ja kotelo on infrapunasäteilyä läpäisevällä ikkunalla 40 varustettu, mutta toiminnan kannalta tämä ei ole välttämätöntä. Detektorin 38 edessä on kapeakaistasuoda-tin 41, joka päästää läpi vain hieman leveämmän aallonpituuskaistan, kuin jossa 25 tutkittavalla kaasulla tai väliaineella on absorptiota (hiilidioksidilla 4,26 μιη).

Kapeakaistasuodattimen läpäisykaista ulottuu sen verran absorptiomaksimista sivuille päin, että referenssisäteilyä saadaan detektoriin riittävästi. Tämä suodatin 41 voisi myös toimia ikiomana ikkunan 40 sijasta. Sekä referenssi- että mittaussäteily 6 ja 8 läpäisevät siis mitattavan kaasun 33 geometrisesti samalla tavalla ja myös sa-30 maila spektrikaistalla, koska ne mitataan saman kapeakaistasuodattimen 41 läpi sa-• maila detektorilla. Tämä on oleellista mittaustarkkuuden kannalta, koska silloin ikkunoiden 35 ja 36 likaantuminen vieläpä eri aallonpituuksilla eri tavoin säteilyä absorboivasta ei vaikuta mittaus- ja referenssisäteilyn suhteeseen. Päävirtausanturin luotettavuus ja hyvä mittaustarkkuus edellyttävät tällaisen ratkaisun käyttöä. Anturi 35 sisältää vielä normaalisti detektorin 38 etuvahvistimen ja ikkunoiden 35 ja 36 huur-teenestolämmituksen, joita ei ole kuvassa esitetty. Kaikki ohjaus- ja mittaussignaalit : kulkevat liitäntäjohdossa 31 kuvissa ei-esitettyyn monitoriin, jossa varsinainen mit- tauselektroniikka, laskenta-algoritmit ja näyttö sijaitsevat.

15 102696

Kuvassa 10 esitetään vaihtoehtoinen ratkaisu infrapuna-analysaattoriksi muodostetulle mittausanturille. Tässä ratkaisussa kaksoisinfrapunalähde 100 ja detektori 38 sekä kapeakaistasuodatin 41 ovat mitattavan kaasun 33 samalla puolella. Kuvan toteutusmuodossa säteilylähdekokoonpano 100 ja detektori 38 ovat säteilyn kulku-5 suuntaan nähden poikittaisessa suunnassa rinnakkain, mutta tämä sijoitustapa ei ole välttämätön. Optisesti musta väliseinä 42 estää säteilyn 6, 8 kulkua suoraan sätei-lylähdekokoonpanosta 100 detektorille 38. Mittaussäteilyn varsinainen kulkutie on ensimmäisestä ja toisesta säteilylähteestä 1, 2 pääasialliseen kulkusuuntaan S mitattavan kaasun 33 läpi ja peilistä 43 heijastumalla takaisin kaasun 33 kautta ja edel-10 leen kapeakaistasuodattimen 41 läpi detektoriin 38. Muutoin mittausanturin rakenne vastaa edellä kuvattua mittausanturia, mutta tässä säteilylähdekokoonpano 100 ja detektori 38 on sijoitettu yhteen ja samaan transistorikoteloon 60. Tämän anturira-kenteen etu on siinä, että kaikki aktiiviset komponentit sijaitsevat samalla puolella mitattavaa kaasua 33 ja siten edustavat kompaktimpaa rakennetta. Koska säteily 15 kulkee edestakaisin mitattavan kaasun 33 kautta, niin lisäksi kaasutilan leveys L2 voi olla vain puolet kuvan 9 esittämän tapauksen kaasutilan leveydestä LI. Tästä saattaa olla hyötyä pediatrisissa sovellutuksissa, joissa kaasumäärät ovat pieniä.

Kuva 11 esittää keksinnön mukaista kuviossa 9 esitettyä mittausanturia 70 näytekaa-20 sutila 33 irrotettuna. Jos anturi on päävirtauskäytössä niin seinämät 34 ja ikkunat 35, 36 ovat potilaan hengityspiiriin kuuluvan, mutta siitä irrotettavan liitäntäkappaleen 71 osia. Liitäntäkappaleen 71 on oltava steriloitavissa tai kertakäyttöinen, mistä syystä irrotettavuus on tärkeä ominaisuus.

25 Kuvassa 12 esitetään potilaan hengityspiiriä käytössä, jolloin mittausanturi 70 ja liitäntäkappale 71 on kytketty potilaan intubointiputken 72 ja hengitystä ylläpitävän laitteen 73 tulo-ja poistoletkuja 74, 75 yhdistävän Y-kappaleen 76 väliin. Liitäntä-johdon 31 avulla on mittausanturi 70 liittimellä 77 yhdistetty potilasmonitoriin 78, jossa signaalia käsitellään niin, että monitorin näyttöön 79 saadaan mitattavan kaa-30 sun pitoisuuden vaihtelut ajan funktiona eli hengityskäyrä tai pitoisuuslukemat si-: sään-jauloshengityksessä.

Näillä keksinnön mukaisilla mittausantureilla ja säteilylähdekokoonpanoilla 100 voidaan toteuttaa mittauksia moduloimalla säteilylähteitä sähköisesti näytteenotto-35 taajuudella, ts. pulssien taajuudella, vähintään noin 5 Hz. Tyypillisesti saavutetaan nopeus, joka mahdollistaa pulssitaajuuden vähintään noin 10 Hz. Tällöin signaalin [ nousunopeus on enintään noin 50 ms, edullisesti enintään noin 20 ms. Säteilylähde- ie 102696 kokoonpanon käyttöikä on vähintään tuhansia tunteja, mahdollisesti kymmeniätuhansia tunteja.

Edellä selostettu infrapuna-analysaattori on lähinnä ajateltu käytettäväksi päävirta-5 uksessa hiilidioksidianturina, mutta samaa periaatetta käyttäen voitaisiin myös mitata muita kaasuja ja säteilyä absorboivia väliaineita kuten nesteitä. Anestesiassa kysymykseen tulisivat lähinnä ilokaasu ja anestesiakaasut. On täysin selvää, että myös muita mitattavia kaasuja ja muita sovellutuksia on olemassa, joihin keksinnön mukaista infrapuna-analysaattoria tai kaksoisinfrapunalähdettä 100 voitaisiin käyttää.

Claims

1. Säteilylähdekokoonpano väliaineiden ainekomponenttien analysoinnissa käytettäviä optisia mittausantureita varten säteilylähdekokoonpanon käsittäessä: 5. ensimmäisen ja toisen termisen säteilylähteen (1,2), joista säteilylähteistä toinen on ensimmäisen säteilylähteen emittoimaa säteilyä oleellisesti läpäisevä ja ensimmäinen säteilylähde (1) on sijoitettu toiseen säteilylähteeseen nähden sellaiseen asemaan, että se emittoi toisen säteilylähteen (2) läpi; - optisen kaistanestosuodattimen (10, 16, 61, 62) sijoitettuna ensimmäisen ja toisen 10 säteilylähteen väliin siten, että ensimmäisen säteilylähteen emittoima säteily (6) kulkee sen kautta, tunnettu siitä, että molemmat termiset säteilylähteet (1,2) koostuvat piitä, piiseosta tai piiyhdistettä olevasta aukottomasta alustasta (3, 11), jossa on sähköisesti eristetty päällipinta (51, 52) ja ainakin yksi alustaan muodostettu syvennys (53) sekä mikrohehkulangoista (4, 5), jotka ovat päistään alustan päällipinnassa kiin-15 ni ja säteilyä (6, 8) emittoivilta osiltaan välimatkan (H) päässä mainitun syvennyksen pohjapinnasta (54), että kaistanestosuodattimen (10, 16, 61, 62) estokaista vastaa oleellisesti mittausanturilla tutkittavassa väliaineessa olevan analysoitavan aine-komponentin absorptiojakautumaa ja että ainakin toinen säteilylähde (2) on syvennyksen (53) alueelta mittausanturissa käytettyä säteilyä läpäisevää kiinteää materiaa-20 lia.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen säteilylähdekokoonpano, tunnettu siitä, että säteilylähteiden (1,2) alustoissa olevat syvennykset (53) on muodostettu alustoihin (3, 11) etsaamalla, että mikrohehkulankojen (4, 5) ja syvennysten pohjapintojen (54) 25 välimatka (H) on joko likimain yhtä suuri kuin syvennysten (53) syvyys tai vaihtoehtoisesti pienempi kuin syvennysten (53) syvyys ja että kaistanestosuodatin koostuu joko suodatinkammiosta (10, 16), joka sisältää mainittua analysoitavaa ainekom-ponenttia tai muuta väliainetta, jonka absorptiokaista vastaa mahdollisimman tarkoin analysoitavan ainekomponentin analysoinnissa käytettävää absorptiokaistaa, tai 30 vaihtoehtoisesti kiinteää materiaalia olevasta suodatinkappaleesta (61) tai interfe- renssisuodattimesta (62), joka estää säteilyn läpimenoa mahdollisimman tarkoin samalla tavoin kuin analysoitavan ainekomponentin analysoinnissa käytettävä absorptiokaista.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen säteilylähdekokoonpano, tunnettu siitä, että molemmat säteilylähteet (1,2) on järjestetty emittoimaan oleellisesti samalla aallonpituusjakautumalla, molempien säteilylähteiden pääasialliseen säteilysuuntaan (S) näkyvät emittoivat pinta-alat ovat ainakin likimain yhtä suuret ja emittoivien 18 102696 pintojen (4, 5) emissiokertoimet ovat ainakin likimain yhtä suuret samoilla aallonpituuksilla, että molempien säteilylähteiden (1,2) alustat (3, 11) ovat käytettyä säteilyä läpäiseviä ja että alustassa olevien syvennysten (53) päällä olevat mikrohehku-langat (4, 5) molemmissa säteilylähteissä (1, 2) on vaihtoehtoisesti joko suunnattu 5 toisiaan kohti, toisistaan poispäin tai siihen suuntaan (S), johon molemmista säteilylähteistä emittoitunut säteily poistuu säteilylähdekokoonpanosta.

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen säteilylähdekokoonpano, tunnettu siitä, että säteilylähteiden (1,2) alustat (3, 11) muodostavat niiden välissä olevan suoda- 10 tinkammion (10a- 1 Oe) vähintään kaksi vastakkaista seinämää, jotka ovat poikittai sia säteilyn pääasialliseen kulkusuuntaan nähden rajaten kammiota säteilyn (6, 8) pääasiallisessa kulkusuunnassa (S).

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen säteilylähdekokoonpano, tunnettu siitä, että 15 mainitun suodatinkammion muut sitä säteilyn pääasiallista kulkusuuntaa (S) vastaan poikittaisessa suunnassa rajaavat kehäseinämät (57) muodostuvat jommankumman tai kummankin säteilylähteen (1,2) alustan (3, 11) materiaalista, jolloin suodatin-kammio (lOd, lOe) on muodostettu edullisesti etsaamalla joko ensimmäisen säteily-lähteen tai toisen säteilylähteen tai molempien alustamateriaaliin (15 tai/ja 16), ja 20 että säteilylähteiden alustat on liitetty (55) hermeettisesti toisiinsa niiden välisen suodatinkammion muodostamiseksi.

6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen säteilylähdekokoonpano, tunnettu siitä, että mainitun suodatinkammion (10a - 10c) muut sitä säteilyn pääasiallista kulkusuuntaa 25 (S) vastaan poikittaisessa suunnassa rajaavat kehäseinämät (17) muodostuvat muusta materiaalista kuin alustamateriaalista, kuten lasista, keraamisesta materiaalista tai metallista, ja on liitetty (56a, b) hermeettisesti molempien säteilylähteiden alustoihin niiden välisen suodatinkammion muodostamiseksi.

7. Patenttivaatimuksen 2 tai 4 mukainen säteilylähdekokoonpano, tunnettu siitä, että mainitun suodatinkammion (16a) seinämät (58) muodostuvat säteilyä läpäisevästä materiaalista, kuten samasta tai samantyyppisestä materiaalista kuin mainitut alustat, johon materiaaliin suodatinkammio (16a) on muodostettu edullisesti etsaamalla, ja jotka seinämät on hermeettisesti liitetty (55) toisiinsa niiden välisen suoda-35 tinkammion muodostamiseksi.

8. Patenttivaatimuksen 2 mukainen säteilylähdekokoonpano, tunnettu siitä, että mainittu suodatinkammio (16b) on muodostettu kahdesta vastakkaisesta seinämästä 19 102696 (18, 19), jotka ovat ainakin säteilyä käytettävällä aallonpituusalueella läpäiseviä ja poikittaisia säteilyn pääasialliseen kulkusuuntaan (S) nähden, jolloin ne rajaavat suodatinkammiota säteilyn pääasiallisessa kulkusuunnassa, sekä kehäseinämästä (17), joka rajaa suodatinkammiota pääasiallisen säteilyä (6, 8) vastaan poikittaisessa 5 suunnassa, ja että nämä vastakkaiset seinämät ja kehäseinämä on liitetty (56) hermeettisesti toisiinsa.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen säteilylähdekokoonpano, tunnettu siitä, että mikrohehkulangat (4, 5) ovat pääasiassa suoria, kalvomaisia ja alustan (3, 11) ylä-10 pinnan (51, 52) tasossa tai siitä enintään eristekerroksen ja/tai mikrohehkulangan paksuutta vastaavan etäisyyden päässä, että hehkulankamateriaali on muodostettu alustan yläpintaan tai vastaavaan höyrystämällä, sputteroimalla, painamalla tai muulla ohutkalvotekniikkaan kuuluvalla menetelmällä ja etsaamalla tämän jälkeen alustaan (3, 11) mainittu syvennys (53) ja että yksittäisen mikrohehkulangan (4, 5) 15 tilavuus on enintään noin 200 000 pm^, edullisesti enintään noin 50 000 pm^ ja tyypillisesti suuruusluokkaa 2000 - 20 000 pm^, jolloin mikrohehkulangan terminen aikavakio on enintään noin 50 ms, edullisesti enintään noin 10 ms ja tyypillisesti suuruusluokkaa 0,5-5 ms.

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen säteilylähdekokoonpano, tunnettu siitä, että alusta (3, 11) on pinnoitettu muualta kuin syvennyksen (53) alueelta piinitridillä, piikarbidilla, metallioksidilla tai muulla sähköä eristävällä ja alustaa syövytykseltä suojaavalla materiaalikalvolla ja että mikrohehkulangat on tarvittaessa myös suojattu piinitridillä, piikarbidilla, metallioksidilla tai muulla niitä syövytykseltä ja/tai hapet-25 tumiselta suojaavalla materiaalikalvolla.

11. Patenttivaatimuksen 3 mukainen säteilylähdekokoonpano, tunnettu siitä, että ensimmäisessä säteilylähteessä (1) on syvennyksen pohja (54) tai alustan (3) takapinta (60) pinnoitettu (13) käytettävää säteilyä heijastavaksi, kun säteilylähteen 30 mikrohehkulangat (4) ovat syvennyksen pohjasta katsottuna toista säteilylähdettä (2) kohti suunnattuna tai vaihtoehtoisesti säteilylähdekokoonpano käsittää erillisen heijastimen (59) ensimmäisen säteilylähteen (1) sillä puolella, joka on poispäin toisesta säteilylähteestä (2).

12. Patenttivaatimuksen 1 tai 3 mukainen säteilylähdekokoonpano, tunnettu siitä, että ainakin alustojen (3 tai/ja 11) ne alueet, kuten syvennysten (53) alueet, joiden läpi ensimmäisen ja/tai toisen säteilylähteen emittoimat säteilyt (6 tai/ja 8) kulkevat „ 102096 käyttöä varten, on pinnoitettu (12) heijastuksia käytetyllä aallonpituusalueella vähentävällä kalvolla.

13. Patenttivaatimuksen 1 mukainen säteilylähdekokoonpano, tunnettu siitä, että 5 mainittuun suodatinkammioon (10, 16) on suljettu sitä väliainetta, tyyppillisesti kaasua, jonka olemassaoloa on tarkoitus havainnoida ja/tai pitoisuutta mitata tätä sätei-lylähdekokoonpanoa (100) käyttävällä mittausanturilla ja että tämän väliaineen kon-sentraatio on jäljestetty sellaiseksi, että se absorboi mahdollisimman suuren osan ensimmäisen säteilylähteen (1) emittoimasta säteilystä (6) kyseisen väliaineen ab-10 sorptiokaistan aallonpituudella, mutta sallii muiden aallonpituuksien, erityisesti mainitun absorptiokaistan lähellä olevien aallonpituuksien, läpikulun mahdollisimman pienillä absorptioilla.

14. Optinen mittausanturi analysoitavan ainekomponentin havaitsemiseksi ja/tai 15 pitoisuuden mittaamiseksi väliaineesta mittausanturin käsittäessä: - säteilylähdekokoonpanon (100), jossa on ensimmäinen ja toinen terminen säteilylähde (1,2), joista säteilylähteistä toinen on ensimmäisen säteilylähteen emittoi-maa säteilyä oleellisesti läpäisevä ja ensimmäinen säteilylähde (1) on sijoitettu toiseen säteilylähteeseen nähden sellaiseen asemaan, että se emittoi toisen säteilyläh- 20 teen (2) läpi, sekä kaistanestosuodattimen (10, 16, 61, 62) sijoitettuna ensimmäisen ja toisen säteilylähteen väliin siten, että ensimmäisen säteilylähteen emittoima säteily (6) kulkee sen kautta; ja - säteilydetektorin (38) sijoitettuna vastaanottamaan ensimmäisen ja toisen säteily-lähteen emittoimaa säteilyä (6, 8), tunnettu siitä, että säteilylähdekokoonpano (100) 25 ja säteilydetektori (38) muodostavat yhden anturikokonaisuuden, jossa säteilylähdekokoonpano on säteilyn kulkusuuntaisen avoimen välimatkan (LI tai 2 L2) päässä säteilydetektorista, jolloin mainitulle avoimelle välimatkalle on asetettavissa analysoitavaa ainekomponenttia (33) sisältävä mittauskammio (34, 35, 36), että kaistanestosuodattimen (10, 16, 61, 62) estokaista vastaa oleellisesti mittausanturilla tutkitta-30 van väliaineessa olevan analysoitavan ainekomponentin absorptiojakautumaa, että säteilylähdekokoonpanon (100) molemmat termiset säteilylähteet (1,2) koostuvat mikrohehkulangoista (4, 5), jotka ovat päistään aukottomien alustojensa (3, 11) päällipinnassa (51, 52) kiinni ja säteilyä (6, 8) emittoivilta osiltaan välimatkan (H) päässä alustoissa olevien syvennysten (53) pohjapinnasta (54), jolloin mittausantu-35 rin sähköinen näytteenottotaajuus on vähintään noin 5 Hz, edullisesti vähintään noin 10 Hz signaalin nousuajan ollessa enintään noin 50 ms, edullisesti enintään noin 20 ms.

15. Patenttivaatimuksen 14 mukainen mittausanturi, tunnettu siitä, että säteilyläh- dekokoonpano (100) ja säteilydetektori (38) sijaitsevat mittausanturissa säteilyn (6, 8. kulkusuuntaan (S) nähden poikittaisessa suunnassa rinnakkain. 21 102696

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen mittausanturi, tunnettu siitä, että säteilyläh- dekokoonpano (100) ja säteilydetektori (38) on sijoitettu yhteen anturikoteloon (60) ja että mittausanturi lisäksi käsittää erillisen tai yhdysrakenteisen peilin (43) sijoitettuna etäisyyden (L2), joka on puolet avoimesta välimatkasta, päähän anturikotelosta ja peilin taso likimain kohtisuorasti säteilyn (6, 8) pääasiallista kulkusuuntaa (S) 10 vastaan.

17. Patenttivaatimuksen 14 mukainen mittausanturi, tunnettu siitä, että säteilyläh-dekokoonpano (100) ja säteilydetektori (38) sijaitsevat mittausanturissa säteilyn (6, 8. kulkusuunnassa avoimen välimatkan (LI) päässä toisistaan toisiaan vastapäätä. 15

17 102696

18. Patenttivaatimuksen 14 mukainen mittausanturi, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää suodattimen (41) säteilydetektorin (38) edessä säteilyn (6, 8) tulosuunnassa katsottuna ja että tämä suodatin on kaistanpäästösuodatin, jonka päästökaistan leveys on hieman suurempi kuin analysoitavan väliaineen absorptiokaistan leveys. 20

19. Patenttivaatimuksen 14 mukainen mittausanturi, tunnettu siitä, että mainittu kaistanestosuodatin koostuu joko suodatinkammiosta (10, 16), joka sisältää mainittua analysoitavaa ainekomponenttia tai muuta väliainetta, jonka absorptiokaista vastaa mahdollisimman tarkoin analysoitavan ainekomponentin analysoinnissa käytet- : 25 tävää absorptiokaistaa, tai vaihtoehtoisesti kiinteää materiaalia olevasta suodatinkap- paleesta (61) tai interferenssisuodattimesta (62), joka estää säteilyn läpimenoa mahdollisimman tarkoin samalla tavoin kuin analysoitavan ainekomponentin analysoinnissa käytettävä absorptiokaista. * 22 102696