JP2004085433A - 高温高圧試料用atrプローブおよび高温高圧試料用セル - Google Patents
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Abstract
【課題】高温高圧高腐食性の超臨界流体中の物質の赤外線吸収を、透過法以外の方法で測定するためのプローブおよびセルを提供する。
【解決手段】高温高圧において安定な素材でできたATR結晶と、光ファイバーからの測定光をATR結晶に伝えるとともに、ATR結晶からの反射光を光ファイバーに伝える光の伝搬部材としての役割と、ATR結晶からの熱を光ファイバーに対して遮断する断熱部材としての役割とを合わせ持ち、一端がATR結晶に光学的に接続された光学ロッドとを備えた。
【選択図】 図1
【解決手段】高温高圧において安定な素材でできたATR結晶と、光ファイバーからの測定光をATR結晶に伝えるとともに、ATR結晶からの反射光を光ファイバーに伝える光の伝搬部材としての役割と、ATR結晶からの熱を光ファイバーに対して遮断する断熱部材としての役割とを合わせ持ち、一端がATR結晶に光学的に接続された光学ロッドとを備えた。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フーリエ変換赤外分光装置のATR(Attenuated Total Reflection)プローブおよびセルに係り、特に、高温高圧の超臨界流体中の物質を測定するためのフーリエ変換赤外分光装置のATRプローブおよびセルに関する。
【0002】
【従来の技術】
物質は、ある所定の臨界温度以下では、温度、圧力を変化させることにより、固体、液体、気体のいずれかの相を取り得る。しかしながら、臨界温度以上になると、いくら加圧しても、もはや液体にはなり得ない。このような状態にある流体を超臨界流体と呼ぶ。超臨界流体は、一般の気体、液体には見られない特徴的な物性を持っている。
【0003】
例えば、超臨界流体の密度は、気体の数百倍で、液体に近い値を示すにもかかわらず、粘性は、ほぼ気体と同等である。また、拡散係数は、気体の1/100程度であるが、液体に比べて数百倍大きい。
【0004】
その結果、超臨界流体を用いれば、物質の移動や分配、その他の物理化学的現象の過程が、液体中よりも速く進行し、超臨界流体を抽出溶媒或いは移動相溶媒として用いることにより、効率的な抽出・分離等を行なうことができる。例えば、二酸化炭素の超臨界流体を用いることにより、試料から特定成分のみを穏やかに抽出して、得られた抽出成分を含んだ超臨界流体を透過型セルに導いて、その赤外透過吸収スペクトルを得ることが実際に行なわれている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
近年、前記二酸化炭素に代えて、さらに反応性の高い超臨界水により、試料の分解等の反応を振動分光レベルで観察することが注目されている。例えば、超臨界水により有機高分子化合物等の試料を分解しても、有害物質を出さないこと等を実験レベルで確認することが期待されている。これにより、将来的に、大きな工場プラント等を建設することも可能となる。
【0006】
また、反応が非常に難しい物質同士であっても、超臨界水を用いれば、それらの間の反応がスムーズに進行することも考えられる。これにより、新しい反応系のモデルを作り出すことも期待されている。しかしながら、その反応の具体的な分析方法については、未だ確立されていない。従来、例えば、透過型セルを用いて、透過法で赤外線測定することが考えられてきたが、このような透過型セル、透過法を用いたのでは、水による赤外線吸収が強すぎて、満足のゆく分析結果を得ることができない。
【0007】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、高温高圧高腐食性の超臨界流体中の物質の赤外線吸収を、透過法以外の方法で測定するためのプローブおよびセルを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明にかかる高温高圧試料用ATRプローブは、高温高圧において安定な素材でできたATR結晶と、
分光計からの測定光をATR結晶に伝えるとともに、ATR結晶からの反射光を分光計に伝える光の伝搬部材としての役割と、ATR結晶からの熱を分光計に対して遮断する断熱部材としての役割とを合わせ持ち、一端がATR結晶に光学的に接続された光学ロッドと
を備えたことを特徴としている。
【0009】
また、前記ATR結晶は、ダイヤモンド製であることを特徴としている。
【0010】
また、前記ATR結晶は、角錐型をしていることを特徴としている。
【0011】
また、ATR結晶に熔着され、ATR結晶を高温高圧試料用セルへ取り付ける際に用いられる座金を備えたことを特徴としている。
【0012】
また、前記座金は、モリブデン製であることを特徴としている。
【0013】
また、ATR結晶の周囲を、金製または白金製のシール部材でシールすることを特徴としている。
【0014】
また、前記光学ロッドは、ZnSe製またはZnS製であることを特徴としている。
【0015】
また、ATR結晶からの熱を遮断するために、光学ロッドを冷却する冷却機構を備えたことを特徴としている。
【0016】
また、前記冷却機構は、光学ロッドの近傍に冷却ガスを流す機構であることを特徴としている。
【0017】
また、本発明にかかる高温高圧試料用セルは、
耐圧容器と蓋部の嵌め合いによって構成された試料溜と、
試料溜を加熱するために耐圧容器に埋め込まれた加熱手段と、
耐圧容器と蓋部を外側から取り囲む真空部と、
高温高圧試料用ATRプローブと嵌合し、高温高圧試料用ATRプローブを取り付けるために蓋部に設けられた開口部と
を備えたことを特徴としている。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明にかかる高温高圧試料用ATRプローブおよび高温高圧試料用セルの一実施例を示したものである。
【0019】
図中、1は、フーリエ変換赤外分光装置(FT−IR)である。フーリエ変換赤外分光装置1には、図示しない光源からの赤外光の光束を絞るための入射レンズを含む第1のインターフェイス2が設けられている。この第1のインターフェイス2から、第1の光ファイバー3を介して、図示しない光源の光が、高温高圧試料用ATRプローブ4に伝えられる。
【0020】
高温高圧試料用ATRプローブ4の先端部には、耐熱性、耐圧性、耐食性に優れた素材であるダイヤモンドで作られたATR結晶5が設置されており、このATR結晶5は、耐圧容器6の内側の試料溜7に満たされた高温高圧(例えば、500℃、40MPa)の試料、すなわち、超臨界流体などを含んだ高温高圧高腐食性の試料中に挿入されている。そして、ATR結晶5からの熱が、光ファイバー3と高温高圧試料用ATRプローブ4との接続部に伝わらないようにするために、本実施例では、高温高圧試料用ATRプローブ4を冷やすための冷却器8が設けられている。
【0021】
耐圧容器6には、温度・圧力コントローラー9が接続されている。温度・圧力コントローラー9は、図示しない圧力センサーおよび温度センサーで試料溜7内の圧力と温度をモニターする。そして、モニターされた結果は、試料溜7と連通して設置された図示しない加圧ポンプ、および、耐圧容器6の器壁内に埋め込まれた図示しないヒーターなどの加熱手段にフィードバックされ、試料溜7内の圧力と温度が所定の値を維持するように制御される。尚、耐圧容器6の外側は、断熱のためと、試料漏れなどに対する安全のために、真空ジャケット10で完全に覆われている。このような真空ジャケット10により、安全対策が可能である理由には、本発明の試料溜7の容積自体が十分に小さいことが挙げられる。
【0022】
ATR結晶5からの反射光は、高温高圧試料用ATRプローブ4に接続された第2の光ファイバー11を介して、フーリエ変換赤外分光装置1に設けられた第2のインターフェイス12に導かれる。第2のインターフェイス12には、第2の光ファイバー11を伝わってきたATR結晶5からの反射光を平行光にするための出射レンズが含まれている。第2のインターフェイス12から出射された光は、移動鏡13を介して、検出器14に送られ、インターフェログラムとして検出される。このインターフェログラムをフーリエ変換することにより、高温高圧高腐食性試料の赤外分光スペクトルが得られる。
【0023】
図2は、高温高圧試料用ATRプローブ4の近傍を拡大したものである。図中、6は、耐圧容器(右下がり斜線部)である。耐熱容器6と嵌め合いの形で、耐熱容器6の蓋部15(右上がり斜線部)が設けられ、耐熱容器6と蓋部15の接触面には、金線や白金線などのリング、あるいは金や白金などのパッキンでできた金属シールシート16によるシールが施されている。これにより、試料溜7からの圧力漏れおよび試料漏れを防止することができる。
【0024】
試料は、図示しない加圧ポンプから送られてくる。そして、高圧試料注入口17から試料溜7に注入され、高圧試料注出口18を通って試料溜7から取り出される。
【0025】
耐圧容器6の壁には、熱電対などの温度センサー19とともに、ヒーターなどの加熱手段20が埋め込まれている。そして、温度センサー19によって試料溜7内の試料温度を検出し、加熱手段20にフィードバックさせることにより、試料溜7内の試料温度を所定の温度に維持している。また、耐圧容器6と蓋部15の外側は、断熱のためと、試料漏れなどに対する安全のために、真空ジャケット10で完全に覆われている。
【0026】
蓋部15の中央部には、高温高圧試料用ATRプローブ4を挿入するために、試料溜7と外界とを連通する所定の口径の穴21が開けられている。穴21には、外界から試料溜7に向けて、ATR結晶用の座金22の穴を介して一端にダイヤモンド製のATR結晶5が光学的に接続された耐熱性の光学ロッド23が挿入されている。この光学ロッド23は、赤外領域に吸収帯を持たないZnSe、あるいはZnSで作られている。そして、光学ロッド23の先端のダイヤモンド製ATR結晶5は、袋ナット24により、蓋部15に対して堅く固定されている。
【0027】
一端がATR結晶に光学的に接続された光学ロッド23の他端は、2本の光ファイバー3、11を介して、外部のフーリエ変換赤外分光装置と光学的に接続されている。2本の光ファイバー3、11の先端部は、図示しないマイクロレンズを介して、光学ロッド23の端面と接している。これらの光ファイバー3、11は、外部の図示しないフーリエ変換赤外分光装置から赤外光を導入するとともに、ATR結晶からの反射光を外部の図示しないフーリエ変換赤外分光装置に導出する役割を担っている。
【0028】
また、光ファイバー3、11の周囲に設けられたガス流路25、26には、図示しない冷却器から送られてくる冷却ガスが、常時流されている。そして、光学ロッド23の近傍において、光学ロッド23と冷却ガスとの間で熱交換を行なわせることにより、光学ロッド21の温度を下げ、光学ロッド23を冷却する働きをしている。
【0029】
したがって、光学ロッド23は、外部のフーリエ変換赤外分光装置1から光ファイバー3を介して送られてくる測定光を、平行光として、ATR結晶5に伝えるとともに、ATR結晶5からの反射光を、平行光として、光ファイバー11を介して外部のフーリエ変換赤外分光装置1に伝える、言わば光の伝搬部材としての役割と、ATR結晶の高熱が光ファイバー3、11に直接伝わることを防止するための断熱部材としての役割とを合わせ持っていると言える。
【0030】
また、27は、光学ロッド21を蓋部15へ挿入する際に、光学ロッド21の中心軸と、穴19の中心軸とを軸合わせするためのスペーサ、28は、高温高圧試料用ATRプローブを蓋部15に取り付けるための鍔部である。
【0031】
図3は、本発明の高温高圧試料用ATRプローブに使用されるダイヤモンド製ATR結晶の一実施例を示したものである。本ATR結晶は、頂角が90゜で、16面カットの角錐部を有し、直径が4mm、高さが2.75mmである。この角錐部側を高温高圧高腐食性試料に向けて接触させるとともに、底部側の平面部を光学ロッドに向けて光学的に接続させることにより、高温高圧高腐食性試料の全反射測定を行なうことができる。
【0032】
図4は、ATR結晶の耐圧シール方法の一実施例を示したものである。図中5は、ダイヤモンド製のATR結晶である。ATR結晶5の側面と底面は、熔着法により、モリブデン製の座金22(斜線部)に堅く熔着固定されている。そして、モリブデン座金22と熔着部29の耐食性を高めるため、座金と熔着部の表面は、すべて金コート30でコーティングされている。
【0033】
座金22の中央部には、光学ロッド23とATR結晶5との間を光学的に接続可能にするために、光学ロッド23の外径よりもわずかに大きな口径の穴31が開けられている。また、座金22の底部は平面ではなく、山形の凸部32が座金のふちに沿って周回している。この凸部32は、金や白金などでできた金属シールシート33を挟んで蓋部15と座金22との間を締め付ける際に、金属シールシート33への喰い込みを良くし、蓋部15と座金22との間のシール性を向上させる目的で設けられているものである。この部分の締め付けは、袋ナット24により行なわれる。
【0034】
このようなシール構造を採用することにより、高温高圧の腐食性試料に対して、極めて優れたシール性を獲得することができる。
【0035】
図5は、ATR結晶の耐圧シール方法の別の実施例を示したものである。図中5は、ダイヤモンド製のATR結晶である。ATR結晶5の角錐側のふちに近い場所には、白金製の金属リング、または金製の金属シールシートから成る第1のシール部材34が置かれ、カラー35を介して、袋ナット24で締め付ける構造になっている。また、ATR結晶5の底面と蓋部15との間には、金製のCリング、または金製のパッキンから成る第2のシール部材36が置かれ、ATR結晶5と蓋部15との間を袋ナット24で締め付ける構造になっている。これらのシール方法は、高圧パイプの接続に使用される配管継ぎ手、例えば、くさび状のシール面を有するスウェージ・ロック(Swage lock)やボール状のシール面を有するVCRなどと似た方法であり、極めて有効である。
【0036】
このようなシール構造を採用することによっても、第1の実施例と同様に、高温高圧の腐食性試料に対して、極めて優れたシール性を獲得することができる。
【0037】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明の高温高圧試料用ATRプローブによれば、高温高圧において安定な素材でできたATR結晶と、光ファイバーからの測定光をATR結晶に伝えるとともに、ATR結晶からの反射光を光ファイバーに伝える光の伝搬部材としての役割と、ATR結晶からの熱を光ファイバーに対して遮断する断熱部材としての役割とを合わせ持ち、一端がATR結晶に光学的に接続された光学ロッドとを備えたので、高温高圧高腐食性の超臨界流体中の物質の赤外線吸収を全反射法で測定することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる高温高圧試料用ATRプローブおよび高温高圧試料用セルの一実施例を示す図である。
【図2】本発明にかかる高温高圧試料用ATRプローブおよび高温高圧試料用セルの一実施例を拡大した図である。
【図3】本発明の高温高圧試料用ATRプローブに使用されるダイヤモンド製ATR結晶の一実施例を示す図である。
【図4】本発明にかかるATR結晶の耐圧シール方法の一実施例を示す図である。
【図5】本発明にかかるATR結晶の耐圧シール方法の別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
1・・・フーリエ変換赤外分光装置(FT−IR)、2・・・第1のインターフェイス、3・・・第1の光ファイバー、4・・・高温高圧試料用ATRプローブ、5・・・ATR結晶、6・・・耐圧容器、7・・・試料溜、8・・・冷却器、9・・・温度・圧力コントローラー、10・・・真空ジャケット、11・・・第2の光ファイバー、12・・・第2のインターフェイス、13・・・移動鏡、14・・・検出器、15・・・蓋部、16・・・金属シールシート、17・・・高圧試料注入口、18・・・高圧試料注出口、19・・・温度センサー、20・・・加熱手段、21・・・穴、22・・・座金、23・・・光学ロッド、24・・・袋ナット、25・・・ガス流路、26・・・ガス流路、27・・・スペーサ、28・・・鍔部、29・・・熔着部、30・・・金コート、31・・・穴、32・・・凸部、33・・・金属シールシート、34・・・第1のシール部材、35・・・カラー、36・・・第2のシール部材。
【発明の属する技術分野】
本発明は、フーリエ変換赤外分光装置のATR(Attenuated Total Reflection)プローブおよびセルに係り、特に、高温高圧の超臨界流体中の物質を測定するためのフーリエ変換赤外分光装置のATRプローブおよびセルに関する。
【0002】
【従来の技術】
物質は、ある所定の臨界温度以下では、温度、圧力を変化させることにより、固体、液体、気体のいずれかの相を取り得る。しかしながら、臨界温度以上になると、いくら加圧しても、もはや液体にはなり得ない。このような状態にある流体を超臨界流体と呼ぶ。超臨界流体は、一般の気体、液体には見られない特徴的な物性を持っている。
【0003】
例えば、超臨界流体の密度は、気体の数百倍で、液体に近い値を示すにもかかわらず、粘性は、ほぼ気体と同等である。また、拡散係数は、気体の1/100程度であるが、液体に比べて数百倍大きい。
【0004】
その結果、超臨界流体を用いれば、物質の移動や分配、その他の物理化学的現象の過程が、液体中よりも速く進行し、超臨界流体を抽出溶媒或いは移動相溶媒として用いることにより、効率的な抽出・分離等を行なうことができる。例えば、二酸化炭素の超臨界流体を用いることにより、試料から特定成分のみを穏やかに抽出して、得られた抽出成分を含んだ超臨界流体を透過型セルに導いて、その赤外透過吸収スペクトルを得ることが実際に行なわれている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
近年、前記二酸化炭素に代えて、さらに反応性の高い超臨界水により、試料の分解等の反応を振動分光レベルで観察することが注目されている。例えば、超臨界水により有機高分子化合物等の試料を分解しても、有害物質を出さないこと等を実験レベルで確認することが期待されている。これにより、将来的に、大きな工場プラント等を建設することも可能となる。
【0006】
また、反応が非常に難しい物質同士であっても、超臨界水を用いれば、それらの間の反応がスムーズに進行することも考えられる。これにより、新しい反応系のモデルを作り出すことも期待されている。しかしながら、その反応の具体的な分析方法については、未だ確立されていない。従来、例えば、透過型セルを用いて、透過法で赤外線測定することが考えられてきたが、このような透過型セル、透過法を用いたのでは、水による赤外線吸収が強すぎて、満足のゆく分析結果を得ることができない。
【0007】
本発明の目的は、上述した点に鑑み、高温高圧高腐食性の超臨界流体中の物質の赤外線吸収を、透過法以外の方法で測定するためのプローブおよびセルを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明にかかる高温高圧試料用ATRプローブは、高温高圧において安定な素材でできたATR結晶と、
分光計からの測定光をATR結晶に伝えるとともに、ATR結晶からの反射光を分光計に伝える光の伝搬部材としての役割と、ATR結晶からの熱を分光計に対して遮断する断熱部材としての役割とを合わせ持ち、一端がATR結晶に光学的に接続された光学ロッドと
を備えたことを特徴としている。
【0009】
また、前記ATR結晶は、ダイヤモンド製であることを特徴としている。
【0010】
また、前記ATR結晶は、角錐型をしていることを特徴としている。
【0011】
また、ATR結晶に熔着され、ATR結晶を高温高圧試料用セルへ取り付ける際に用いられる座金を備えたことを特徴としている。
【0012】
また、前記座金は、モリブデン製であることを特徴としている。
【0013】
また、ATR結晶の周囲を、金製または白金製のシール部材でシールすることを特徴としている。
【0014】
また、前記光学ロッドは、ZnSe製またはZnS製であることを特徴としている。
【0015】
また、ATR結晶からの熱を遮断するために、光学ロッドを冷却する冷却機構を備えたことを特徴としている。
【0016】
また、前記冷却機構は、光学ロッドの近傍に冷却ガスを流す機構であることを特徴としている。
【0017】
また、本発明にかかる高温高圧試料用セルは、
耐圧容器と蓋部の嵌め合いによって構成された試料溜と、
試料溜を加熱するために耐圧容器に埋め込まれた加熱手段と、
耐圧容器と蓋部を外側から取り囲む真空部と、
高温高圧試料用ATRプローブと嵌合し、高温高圧試料用ATRプローブを取り付けるために蓋部に設けられた開口部と
を備えたことを特徴としている。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明にかかる高温高圧試料用ATRプローブおよび高温高圧試料用セルの一実施例を示したものである。
【0019】
図中、1は、フーリエ変換赤外分光装置(FT−IR)である。フーリエ変換赤外分光装置1には、図示しない光源からの赤外光の光束を絞るための入射レンズを含む第1のインターフェイス2が設けられている。この第1のインターフェイス2から、第1の光ファイバー3を介して、図示しない光源の光が、高温高圧試料用ATRプローブ4に伝えられる。
【0020】
高温高圧試料用ATRプローブ4の先端部には、耐熱性、耐圧性、耐食性に優れた素材であるダイヤモンドで作られたATR結晶5が設置されており、このATR結晶5は、耐圧容器6の内側の試料溜7に満たされた高温高圧(例えば、500℃、40MPa)の試料、すなわち、超臨界流体などを含んだ高温高圧高腐食性の試料中に挿入されている。そして、ATR結晶5からの熱が、光ファイバー3と高温高圧試料用ATRプローブ4との接続部に伝わらないようにするために、本実施例では、高温高圧試料用ATRプローブ4を冷やすための冷却器8が設けられている。
【0021】
耐圧容器6には、温度・圧力コントローラー9が接続されている。温度・圧力コントローラー9は、図示しない圧力センサーおよび温度センサーで試料溜7内の圧力と温度をモニターする。そして、モニターされた結果は、試料溜7と連通して設置された図示しない加圧ポンプ、および、耐圧容器6の器壁内に埋め込まれた図示しないヒーターなどの加熱手段にフィードバックされ、試料溜7内の圧力と温度が所定の値を維持するように制御される。尚、耐圧容器6の外側は、断熱のためと、試料漏れなどに対する安全のために、真空ジャケット10で完全に覆われている。このような真空ジャケット10により、安全対策が可能である理由には、本発明の試料溜7の容積自体が十分に小さいことが挙げられる。
【0022】
ATR結晶5からの反射光は、高温高圧試料用ATRプローブ4に接続された第2の光ファイバー11を介して、フーリエ変換赤外分光装置1に設けられた第2のインターフェイス12に導かれる。第2のインターフェイス12には、第2の光ファイバー11を伝わってきたATR結晶5からの反射光を平行光にするための出射レンズが含まれている。第2のインターフェイス12から出射された光は、移動鏡13を介して、検出器14に送られ、インターフェログラムとして検出される。このインターフェログラムをフーリエ変換することにより、高温高圧高腐食性試料の赤外分光スペクトルが得られる。
【0023】
図2は、高温高圧試料用ATRプローブ4の近傍を拡大したものである。図中、6は、耐圧容器(右下がり斜線部)である。耐熱容器6と嵌め合いの形で、耐熱容器6の蓋部15(右上がり斜線部)が設けられ、耐熱容器6と蓋部15の接触面には、金線や白金線などのリング、あるいは金や白金などのパッキンでできた金属シールシート16によるシールが施されている。これにより、試料溜7からの圧力漏れおよび試料漏れを防止することができる。
【0024】
試料は、図示しない加圧ポンプから送られてくる。そして、高圧試料注入口17から試料溜7に注入され、高圧試料注出口18を通って試料溜7から取り出される。
【0025】
耐圧容器6の壁には、熱電対などの温度センサー19とともに、ヒーターなどの加熱手段20が埋め込まれている。そして、温度センサー19によって試料溜7内の試料温度を検出し、加熱手段20にフィードバックさせることにより、試料溜7内の試料温度を所定の温度に維持している。また、耐圧容器6と蓋部15の外側は、断熱のためと、試料漏れなどに対する安全のために、真空ジャケット10で完全に覆われている。
【0026】
蓋部15の中央部には、高温高圧試料用ATRプローブ4を挿入するために、試料溜7と外界とを連通する所定の口径の穴21が開けられている。穴21には、外界から試料溜7に向けて、ATR結晶用の座金22の穴を介して一端にダイヤモンド製のATR結晶5が光学的に接続された耐熱性の光学ロッド23が挿入されている。この光学ロッド23は、赤外領域に吸収帯を持たないZnSe、あるいはZnSで作られている。そして、光学ロッド23の先端のダイヤモンド製ATR結晶5は、袋ナット24により、蓋部15に対して堅く固定されている。
【0027】
一端がATR結晶に光学的に接続された光学ロッド23の他端は、2本の光ファイバー3、11を介して、外部のフーリエ変換赤外分光装置と光学的に接続されている。2本の光ファイバー3、11の先端部は、図示しないマイクロレンズを介して、光学ロッド23の端面と接している。これらの光ファイバー3、11は、外部の図示しないフーリエ変換赤外分光装置から赤外光を導入するとともに、ATR結晶からの反射光を外部の図示しないフーリエ変換赤外分光装置に導出する役割を担っている。
【0028】
また、光ファイバー3、11の周囲に設けられたガス流路25、26には、図示しない冷却器から送られてくる冷却ガスが、常時流されている。そして、光学ロッド23の近傍において、光学ロッド23と冷却ガスとの間で熱交換を行なわせることにより、光学ロッド21の温度を下げ、光学ロッド23を冷却する働きをしている。
【0029】
したがって、光学ロッド23は、外部のフーリエ変換赤外分光装置1から光ファイバー3を介して送られてくる測定光を、平行光として、ATR結晶5に伝えるとともに、ATR結晶5からの反射光を、平行光として、光ファイバー11を介して外部のフーリエ変換赤外分光装置1に伝える、言わば光の伝搬部材としての役割と、ATR結晶の高熱が光ファイバー3、11に直接伝わることを防止するための断熱部材としての役割とを合わせ持っていると言える。
【0030】
また、27は、光学ロッド21を蓋部15へ挿入する際に、光学ロッド21の中心軸と、穴19の中心軸とを軸合わせするためのスペーサ、28は、高温高圧試料用ATRプローブを蓋部15に取り付けるための鍔部である。
【0031】
図3は、本発明の高温高圧試料用ATRプローブに使用されるダイヤモンド製ATR結晶の一実施例を示したものである。本ATR結晶は、頂角が90゜で、16面カットの角錐部を有し、直径が4mm、高さが2.75mmである。この角錐部側を高温高圧高腐食性試料に向けて接触させるとともに、底部側の平面部を光学ロッドに向けて光学的に接続させることにより、高温高圧高腐食性試料の全反射測定を行なうことができる。
【0032】
図4は、ATR結晶の耐圧シール方法の一実施例を示したものである。図中5は、ダイヤモンド製のATR結晶である。ATR結晶5の側面と底面は、熔着法により、モリブデン製の座金22(斜線部)に堅く熔着固定されている。そして、モリブデン座金22と熔着部29の耐食性を高めるため、座金と熔着部の表面は、すべて金コート30でコーティングされている。
【0033】
座金22の中央部には、光学ロッド23とATR結晶5との間を光学的に接続可能にするために、光学ロッド23の外径よりもわずかに大きな口径の穴31が開けられている。また、座金22の底部は平面ではなく、山形の凸部32が座金のふちに沿って周回している。この凸部32は、金や白金などでできた金属シールシート33を挟んで蓋部15と座金22との間を締め付ける際に、金属シールシート33への喰い込みを良くし、蓋部15と座金22との間のシール性を向上させる目的で設けられているものである。この部分の締め付けは、袋ナット24により行なわれる。
【0034】
このようなシール構造を採用することにより、高温高圧の腐食性試料に対して、極めて優れたシール性を獲得することができる。
【0035】
図5は、ATR結晶の耐圧シール方法の別の実施例を示したものである。図中5は、ダイヤモンド製のATR結晶である。ATR結晶5の角錐側のふちに近い場所には、白金製の金属リング、または金製の金属シールシートから成る第1のシール部材34が置かれ、カラー35を介して、袋ナット24で締め付ける構造になっている。また、ATR結晶5の底面と蓋部15との間には、金製のCリング、または金製のパッキンから成る第2のシール部材36が置かれ、ATR結晶5と蓋部15との間を袋ナット24で締め付ける構造になっている。これらのシール方法は、高圧パイプの接続に使用される配管継ぎ手、例えば、くさび状のシール面を有するスウェージ・ロック(Swage lock)やボール状のシール面を有するVCRなどと似た方法であり、極めて有効である。
【0036】
このようなシール構造を採用することによっても、第1の実施例と同様に、高温高圧の腐食性試料に対して、極めて優れたシール性を獲得することができる。
【0037】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明の高温高圧試料用ATRプローブによれば、高温高圧において安定な素材でできたATR結晶と、光ファイバーからの測定光をATR結晶に伝えるとともに、ATR結晶からの反射光を光ファイバーに伝える光の伝搬部材としての役割と、ATR結晶からの熱を光ファイバーに対して遮断する断熱部材としての役割とを合わせ持ち、一端がATR結晶に光学的に接続された光学ロッドとを備えたので、高温高圧高腐食性の超臨界流体中の物質の赤外線吸収を全反射法で測定することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる高温高圧試料用ATRプローブおよび高温高圧試料用セルの一実施例を示す図である。
【図2】本発明にかかる高温高圧試料用ATRプローブおよび高温高圧試料用セルの一実施例を拡大した図である。
【図3】本発明の高温高圧試料用ATRプローブに使用されるダイヤモンド製ATR結晶の一実施例を示す図である。
【図4】本発明にかかるATR結晶の耐圧シール方法の一実施例を示す図である。
【図5】本発明にかかるATR結晶の耐圧シール方法の別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
1・・・フーリエ変換赤外分光装置(FT−IR)、2・・・第1のインターフェイス、3・・・第1の光ファイバー、4・・・高温高圧試料用ATRプローブ、5・・・ATR結晶、6・・・耐圧容器、7・・・試料溜、8・・・冷却器、9・・・温度・圧力コントローラー、10・・・真空ジャケット、11・・・第2の光ファイバー、12・・・第2のインターフェイス、13・・・移動鏡、14・・・検出器、15・・・蓋部、16・・・金属シールシート、17・・・高圧試料注入口、18・・・高圧試料注出口、19・・・温度センサー、20・・・加熱手段、21・・・穴、22・・・座金、23・・・光学ロッド、24・・・袋ナット、25・・・ガス流路、26・・・ガス流路、27・・・スペーサ、28・・・鍔部、29・・・熔着部、30・・・金コート、31・・・穴、32・・・凸部、33・・・金属シールシート、34・・・第1のシール部材、35・・・カラー、36・・・第2のシール部材。
Claims (10)
- 高温高圧において安定な素材でできたATR結晶と、
光ファイバーからの測定光をATR結晶に伝えるとともに、ATR結晶からの反射光を光ファイバーに伝える光の伝搬部材としての役割と、ATR結晶からの熱を光ファイバーに対して遮断する断熱部材としての役割とを合わせ持ち、一端がATR結晶に光学的に接続された光学ロッドと
を備えたことを特徴とする高温高圧試料用ATRプローブ。 - 前記ATR結晶は、ダイヤモンド製であることを特徴とする請求項1記載の高温高圧試料用ATRプローブ。
- 前記ATR結晶は、角錐型をしていることを特徴とする請求項2記載の高温高圧試料用ATRプローブ。
- ATR結晶に熔着され、ATR結晶を高温高圧試料用セルへ取り付ける際に用いられる座金を備えたことを特徴とする請求項1記載の高温高圧試料用ATRプローブ。
- 前記座金は、モリブデン製であることを特徴とする請求項4記載の高温高圧試料用ATRプローブ。
- ATR結晶の周囲を、金製または白金製のシール部材でシールすることを特徴とする請求項1記載の高温高圧試料用ATRプローブ。
- 前記光学ロッドは、ZnSe製またはZnS製であることを特徴とする請求項1記載の高温高圧試料用ATRプローブ。
- ATR結晶からの熱を遮断するために、光学ロッドを冷却する冷却機構を備えたことを特徴とする請求項1記載の高温高圧試料用ATRプローブ。
- 前記冷却機構は、光学ロッドの近傍に冷却ガスを流す機構であることを特徴とする請求項8記載の高温高圧試料用ATRプローブ。
- 耐圧容器と蓋部の嵌め合いによって構成され、内部に高圧の試料を収容する試料溜と、
試料溜を加熱するために耐圧容器に埋め込まれた加熱手段と、
耐圧容器と蓋部を外側から取り囲む真空部と、
高温高圧試料用ATRプローブと嵌合し、高温高圧試料用ATRプローブの先端が前記試料溜内の試料に接するように高温高圧試料用ATRプローブを取り付けるために蓋部に設けられた開口部と
を備えたことを特徴とする高温高圧試料用セル。
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