JP2000509500A - インプロセス分光写真分析のための光ファイバ結合伝送セル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 光伝送ファイバ（８、９）を終端する対称的な複合パラボラ型光コンセントレータ（４、５）とサンプル・セルを定義する隣接ウィンドウ（２、３）とを備えた、インプロセス分光機器のための伝送セル装置である。

Description

【発明の詳細な説明】 インプロセス分光写真分析のための光ファイバ結合伝送セル この出願は、１９９６年４月３０日に米国特許商標庁に出願された出願番号第 ６０／０１６，５５８号の仮出願である「光ファイバ結合伝送セル」に基づく優 先権を主張して、受理官庁である米国特許商標庁に、アメリカ合衆国を１つの指 定国として出願したものである。 発明の分野 本発明の属する分野は、分光学（spectroscopy）、特に、赤外分光学である。 発明の背景 赤外（ＩＲ）分光学は、赤外周波数の範囲の光を伝送してサンプルを通過させ 、その結果として、ある物質によるある周波数成分の吸収を検出し、それによっ て、サンプル中におけるそれらの成分の存在を示すものである。２．５から２５ ミクロンの波長または４０００から４００の波数に対応する「中間的なＩＲ」範 囲の周波数が、オイル、潤滑剤および飲料、特に酪農製品の分析に有用であるこ とがわかっている。 光ファイバを用いた遠隔赤外分光モニタリングは、分光学において有用であり 、このことは、例えば、スティーブンソンの米国再発行特許第３３，７８９号、 ボーンスタインの米国特許第５，０７０，２４３号、スティーブンソンの米国特 許第５，２３９，１７６号、クックの米国特許第４，８５２，９６７号およびス ティーブンソン等の米国特許第５，５８５，６３４号において論じられている。 分析またはモニタされている物質は、気体、液体または固体であり、サンプリン グは、従来型の分光計のサンプル室の外で、容易に行うことができ、従って、そ の場でのリアルタイムの分光学的測定が可能になり、サンプルを分光計の位置ま で移動させることが不要になる。 中間的なＩＲ光を送信しサンプルを含む伝統的な伝送セルを通過させる ためのコンポーネントは高価であり、その例として、サンプルに向けられた光と サンプルから送信された光とをコリメートする高価な反射防止コーティングがな されたゲルマニウム／亜鉛のセレン化物のレンズが含まれる。更に、斯かるコン ポーネントは取り扱いが難かしく、比較的正確な位置合わせが要求され、又、ス クラッチおよび破壊を起こしやすい。 パラボラ型ミラーを用いるなどの他の解決策でも、やはり、比較的正確な位置 合わせが要求され、それにより、中間ＩＲ分光学を広く用いることができる産業 上のプロ七ス環境において、問題が生じる。 分光学では、反射率が高く内部円錐型または複合パラボラ型表面を有する非画 像化集中装置（コンセントレータ）が、ＩＲ光をコリメートするのに、これまで 用いられてきた。例えば、ウルフマン等に１９９３年１０月１９日に与えられた 米国特許第５，２５４，８５８号に、「ＩＲ伝送分光学を実行する非画像化コン セントレータを有するシステム」が開示されている。 発明の概要 本発明は、粘性が変動し圧力が様々であってインプロセスで採取されたサンプ ルの環境に特に適しているが、サンプル・セルを包囲する構造であって、更に、 サンプルの流体が循環するパラレルな赤外線の伝送ウィンドウと、このパラレル な赤外線伝送ウィンドウのそれぞれに、この集中装置の幅の広い側の端部におい て接している対称的な複合型パラボラ集中装置とによって、定義される。光ファ イバ・ケーブルが、光源及び検出器への光接続へのコンセントレータの幅の狭い 方の端部に接続されている。この構造では、投入及び排出のための取付具が与え られており、それによって、サンプル流体の流入及び流出が可能になる。 好適実施例では、１つ又は複数の円周状のチャネルがセル・キャビティに与え られ、より粘性の高いサンプル流体の循環を容易にしている。この構造において は、加熱要素と温度センサとを提供するために、シャフトが設けられている。こ のようにして、本発明は、産業上のプロセスにおいてインプロセスで用いるため の堅固でモジュール式の構造が得られる。 本発明は、伝統的なレンズによるアプローチと比較して著しくコスト面での利 点を有するだけでなく、関連する吸収のピークのパーセンテージ送信の定義に関 して、中間ＩＲ領域では、１０ないし１００倍もパフォーマンスが優れているこ とがわかっている。また、本発明は、レンズ・アプローチで観察される干渉パタ ーン（「ウィグル（wiggles）」として現れる）の問題が生じないこともわかっ ている。 これ以外の効果は、詳細な説明と図面とから明らかになるはずである。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の組み立てられた伝送セルの側断面図。 図２は、セル・アセンブリの半分を示す平面図で、好適実施例の円周チャネル が示す。 図３は、セルを通過する赤外線放射の伝送スペクトルを示す図。 図４は、セルの経路長（pathlength）に存在するオイルの赤外線吸収スペクト ルを示す図。 図面の詳細な説明 図１は、２つのセル・ハウジング・ハーフ１２および１３を含む構造体に組み 立てられた本発明の側断面図を示す。セル・ハウジング・ハーフ１２および１３ は各々ステンレススチールで製造可能で、円筒状のブロックをフライス処理し且 つ又穿孔処理して（組立完成時に両側に位置する）サンプルの投入口と排出口用 の適宜の凹部と開口を形成して成る。ハウジング・ハーフは、例えば、雌型取付 具に係合するボルトを用いて固定することができる。構造全体は、ブラケット１ ９に取り付けられている。 ２つのセル・ハウジング・ハーフは、隙間形成部材１４によって分離されてお り、これには、メンブレンもしくはＯリング、または双方を含む。この隙間は、 セレン化亜鉛、フッ化バリウムまたはダイアモンドで構成され、約４０ないし４ ００ミクロンのオーダーである並列伝送ウィンドウ２および３の間のセル経路長 を画成する。これらのウィンドウは、ハウジング・ハーフの凹部に嵌入する（そ の後接着しても良い）。 カプラ・ハウジング６および７が、それぞれがセル・ハウジング・ハー フ１２および１３において（好ましくは、ネジによって）取り付けられている略 々対称的なコンセントレータ４および５をそれぞれ支持し、コンセントレータ４ および５の幅の広い方の端部を、ウィンドウ２および３に接触させる。コンセン トレータ４および５は、好ましくは、「複合パラボラ型コンセントレータ（comp ound parabolic concentrator）」、すなわち、パラボラ状または回転体の半楕 円状である。カプラ・ハウジング６および７は、また、コンセントレータ４およ び５それぞれの幅の狭い方の端部において終端している光ファイバ８および９を 含む。光ファイバ８および９は、それぞれが、光ファイバ・ケーブル・コネクタ から延長している。 作用を説明すると、ある範囲の周波数を有するＩＲ光が、光源（図示せず）か ら光ファイバ８を介して導かれ、コンセントレータ４においてコリメートされ、 ウィンドウ２を通過してウィンドウ２および３の間のサンプル空間の中に伝送さ れる。サンプルの流体は、開口１６を通して投入され、チャネル１７の補助を得 てサンプル空間内で循環され、開口１５を介して排出される。ウィンドウ２を介 して伝送されたＩＲ光は、サンプル流体を通過して伝送され、この流体が、光の 一部を選択的に吸収する。吸収されなかったＩＲスペクトルは、次に、ウィンド ウ３を通して伝送され、コンセントレータ５において集光され、検出器（不図示 ）に接続された光ファイバ９を通して排出される。この実施例では、サンプル流 体の流れと光の伝送とのどちらか一方、または、その両方の方向を反転させても よい。 図２は、セル・ハウジング・ハーフ１２の平面図を示す。ここでは、円周チャ ネル１７に接続されており、スペーサ１４と伝送ウィンドウ２および３とによっ て更に画成されるアセンブル・セル・ハウジング・ハーフ１２および１３の間の 空間内でサンプル流体を循環させる、サンプル流体のための投入／排出開口１６ が設けられている。尚、必要に応じて、流れを制御するために弁１８を追加して も良い。加熱要素（不図示）と熱電対（図示せず）などの温度センサとを、シャ フト２１によって例が示されているシャフト内に挿入することができる。 図３は、フッ化バリウムのウィンドウを備えた１９ｍｍ（ウィンドウの 直径）のセルを通過する赤外線放射の伝送のプロットを示しており、サンプル室 内のエネルギの約９％が、光ファイバおよびセル構造を通過して伝送されること を示している。 図４は、上述の実現例のセル空間に配置されたオイルの赤外線吸収スペクトル を示している。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成９年１１月２４日（１９９７．１１．２４） 【補正内容】 【図３】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カーティス，ローレンス・イー アメリカ合衆国マサチューセッツ州01742, コンコード，レヴォルーショナリー・ロー ド 23 ピー・オー・ボックス 177

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．サンプルを通過して光を伝送する装置であって、 ａ）前記サンプルが配置される空間を画成する１対の平行なウィンドウをサポ ートするハウジングと、 ｂ）幅の狭い方の端部と幅の広い方の端部とを備えた１対の対称的な光集中手 段であって、前記端部は、（ｉ）前記幅の広い方の端部は、それぞれが、前記サ ンプル空間とは反対側にある前記平行なウィンドウの一方に接し、（ｉｉ）前記 幅の狭い方の端部は、それぞれが、光伝送ファイバを終端するように配置されて いる、１対の対称的な光集中手段と、 を備えていることを特徴とする装置。 ２．請求項１記載の装置において、前記ハウジングは、前記平行なウィンドウ 間の前記空間と流体が連通するための投入および排出ポートを備え、サンプル流 体が前記ポートを介して循環することを特徴とする装置。 ３．請求項２記載の装置において、前記循環を容易にする少なくとも１つの円 周チャネルを更に備えていることを特徴とする装置。 ４．請求項１記載の装置において、加熱要素を更に備えていることを特徴とす る装置。 ５．請求項１記載の装置において、前記対称釣な光集中手段は、複合パラボラ 型集中手段であることを特徴とする装置。 ６．請求項１記載の装置において、前記対称的な光集中手段は、円筒型集中手 段であることを特徴とする装置。 ７．請求項１記載の装置において、前記ウィンドウは、セレン化亜鉛であるこ とを特徴とする装置。 ８．請求項１記載の装置において、前記ウィンドウは、フッ化バリウムである ことを特徴とする装置。 ９．請求項１記載の装置において、前記ウィンドウは、ダイアモンドであるこ とを特徴とする装置。