KR20080066825A

KR20080066825A - 내온도성 ｉｒ-계측 프로브

Info

Publication number: KR20080066825A
Application number: KR1020087012809A
Authority: KR
Inventors: 루카스 쿠퍼
Original assignee: 루카스 쿠퍼
Priority date: 2005-10-30
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2008-07-16
Also published as: WO2007051445A1; DE102005052223B3; US20080292238A1; CN101300477A; EP1943501A1; DE112006003624A5; JP2009513956A

Abstract

본 발명은 내온도성을 가진 광섬유 결합형 IR-계측 프로브 및 이를 포함하는 FTIR 계측 시스템에 관한 것이다. 온도 안정성은 광섬유부들(13, 14)이 템퍼링(tempering)된 프로브 헤드 하우징(12)에서 특정한 고정점 없이 배치됨으로써 가능해진다. 광섬유들은 광섬유 축들(22, 23)을 따라서 프로브 부재의 방향으로 작용하는 복원력을 이용하여 패킹(packing)된다. 온도가 변경되면, 광섬유들은 프로브 헤드 하우징내에서 팽창된다. 프로브 헤드 하우징의 크기는, 한편으로는 광섬유의 손상 없는 팽창을 보장하면서 다른 한편으로는 광섬유 말단들(15, 16)이 프로브 부재(11)앞에서 복원력에 의해 배치되도록 결정된다. 이는 프로브 헤드 하우징 내에서 광섬유의 소성 휨에 의해 달성되는데, 이 때 광섬유는 소성 휨과 가요적인 광섬유부 사이에서 부분적으로 프로브 헤드 하우징과 고정 결합된다.

광섬유, IR-계측 프로브, 프로브 부재, 소성 변형, 탄성력

Description

내온도성 ＩＲ-계측 프로브{TEMPERATURE-RESISTANT IR-MEASURMENT PROBE}

본 발명은 감쇠 전반사(attenuated total reflectance, ATR) 원리를 이용하는 광섬유 결합형 계측 프로브(measurement probe) 및 적외선 분광기(infrared spectroscope)에 의한 공정 감시를 위해 광섬유 결합형 ATR-계측 프로브를 포함하는 계측 시스템에 관한 것이다.

화학 산업의 분석 실험을 위한 종래 기술의 적외선 분광기는, 근 적외선 및 가시광선 스펙트럼 영역에서는 일반적으로 반응 추적을 위해 사용되고, 중 적외선 스펙트럼 영역에서는 공정 감시만을 위해 사용되어 왔다.

현재, 사용되는 계측 기술은 다양하다.

특히, 다이아몬드-ATR-계측 기술(Diamond-ATR-measurement technology)은 화학적, 기계적으로 내구성이 우수한(extrem robust) 계측 방법으로 발전해왔다. 내구적인 다이아몬드-ATR-계측 헤드들(measurement heads) 및 도파관-광선 투과 광학계(waveguide-ray transfer optics) 또는 광섬유 광학계(optical fibre optics)로 구성되는 침지 프로브들(immersion probes)은 온라인(online) 공정 제어용으로 수년간 시판되어 왔다. 상기 프로브들을 이용하면, 근 적외선-프로브 기술을 이용할 때에 비해, 반응의 진행을 실질적으로 더 선택적이며 증명 가능하게 추적할 수 있 다.

그러나, 도파관을 기반으로 한 MIR-침지 프로브는, 크고 견고한 구조를 가지며, 조정에 대한 민감도가 매우 높다는 단점이 있다. 한편, 광섬유가 결합된 침지 프로브도 사용될 수 있는데, 상기 프로브는 매우 가요적이고 쉽게 조정될 수 있으나, 사용되는 광섬유에 따라 온도에 매우 민감하다.

미국 특허 US 5923808에는 내온도성을 가진 광섬유 결합형 ATR-침지 프로브가 기재되었는데, 상기 침지 프로브는 활성 냉각에 의해 일정한 온도 레벨을 유지한다. 상기 냉각은 질소 퍼지(nitrogen purge)에 의해 수행된다. 또한, 적외선 투명성 및 적합한 온도 범위에서 안정성을 가지는 광학 부재에 의해, 프로브 부재와 광 섬유 간의 온도가 서로 결합되지 않는다(uncoupled). 사용된 광섬유들은 칼코겐(chalcogens) 화합물을 기반으로 한다.

독일 특허 DE 10123254에는, ATR-다이아몬드 부재와 실버 핼라이드(silver halide) 광섬유 광학계로 구성되는 IR-계측 프로브가 기재되었다. 광섬유로부터 방출되는 적외선 광은 미세 광학계(micro-optics)를 지나 프로브 부재에 입력된다.

미국 특허 US 5,185,834에는, 두 개의 내부 반사(internal reflections)를 위한 프로브 몸체(probe body)를 포함하는 적외선 분광기용 ATR-계측 프로브가 기재되었다. 바람직하게는, 상기 프로브 몸체는 ZnSe로 구성되고, 상기 몸체의 일 측면에 렌즈가 형성된다. 광 전달 및 광 검출 기능을 가진 광섬유는 조정 가능한 지지부(support) 내에서 프로브 몸체와 일정한 간격으로 고정된다.

미국 특허 US 5,585,634에는, 광섬유부를 포함하는 광섬유형 IR-계측 프로브 가 ATR-프로브 부재로서 개시되었다. 상기 광섬유부는 에폭시 수지에 매립되어 있고, 상기 광섬유부의 평평한 부분은 감지 센서면으로 작용한다.

종래 기술에서, 도파관을 기반으로 한 침지 프로브들(예컨대 악시옴(Axiom)사 및 메틀러-톨레도(Mettler-Toledo)사의 제품)은, -100℃ 내지 300℃의 온도 범위에서 사용될 수 있다. 이러한 프로브들에서, 적외선 광은 거울 광학계(mirror optics)에 의해 프로브 부재로 안내되고, 그 위치에서 다시 검출기로 안내된다. 프로브 헤드의 영역에서 사용되는 물질들은 소정의 온도 범위에서 거의 동일한 팽창 계수들을 가지는 물질들로 선택된다. 대안적으로, 결합되어야 할 구성 요소들은 패킹링 시스템에 의해 결합된다.

종래 기술에 기재된 모든 광섬유 결합형 IR-계측 프로브들은 몇 가지 단점들을 가진다.

견고한 거울 부품 체계(mirror arm systems)로 구성되는 IR-계측 프로브들은 온도 안정성을 포함하나, 비가요적이며 조정에 민감할 뿐만 아니라, 도달 거리도 매우 짧다.

이에 반해, 광섬유를 기반으로 하는 IR-계측 프로브들은 가요적이며 콤팩트(compact)하고, 도달 거리도 현저하게 더 크다. 그러나 종래 기술에 기재된 IR-계측 프로브들은 활성 냉각 없이 매우 좁은 온도 범위에서만 사용될 수 있다.

일반적으로, 종래의 프로브들은 프로브 부재(probe element), 조사용(illuminating) 광섬유 및 검출용 광섬유로 구성되고, 상기 두 개의 광섬유들은 프로브 부재와 고정 결합되거나, 상기 프로브 부재 앞에서 프로브 헤드 하우 징(probe head housing)에 고정된다. 프로브 헤드가 활성으로 냉각되는 경우에, 상술한 바와 같이, 광섬유들을 프로브 헤드 하우징 또는 프로브 부재에 고정하는 것은, 좁은 온도 범위를 이용하지 않을 때 적합해진다. 그 이유는, 프로브 부재, 주변(surrounding) 프로브 헤드 하우징 및 광섬유들 사이의 팽창 계수의 차가 매우 심하기 때문이다. 계측 헤드의 영역에서 소정의 온도를 조정하는 것은 활성 냉각으로 인해 고 비용이 필요할 뿐만 아니라, 주변 상황에 따라 계측 결과의 오차도 발생된다.

예컨대 AgCl-AgBr과 같은 다결정(polycrystalline) 실버 핼라이드 화합물들은 팽창 계수가 35×10＾-6인 것이 일반적인 반면, 예컨대 근 적외선 스펙트럼 영역에서 사용되는 SiO2-계 유리 광섬유는 약 두 자릿수(orders of magnitude)만큼 더 작은 팽창 계수를 가진다. 유리 광섬유를 기반으로 하는 계측 프로브들은 다결정 실버 핼라이드 물질로 구성된 광섬유와는 완전히 다른 패킹(packing) 기술을 필요로 한다. 시판중인 유리 광섬유 프로브들은 180℃까지의 온도 범위에서 사용되며, 예컨대 에폭시 수지계의 고온 접착제를 이용하면 프로브 부재 앞에 지속적으로 견고하게 고정될 수 있다.

예컨대 칼코겐-유리 광섬유와 같이 광섬유 물질로 사용될 수 있는 적외선-투명성 물질과 달리, 실버 핼라이드는 -150℃ 내지 250℃의 온도에서도 지속적으로 안정성을 가지므로, 이러한 온도 범위에서의 패킹 시에 적합하다.

본 발명의 과제는 IR-계측 프로브 및 이를 포함한 계측 시스템을 제공하는 것에 있어서, 예컨대 가요성, 콤팩트성, 간편한 사용성 및 다목적성(multiplexability)과 같은 광섬유 렌즈의 장점을 가지면서 넓은 온도 범위에서도 사용될 수 있는 IR-계측 프로브 및 이를 포함한 계측 시스템을 제공하는 것에 있다.

상기 과제는 특허 청구 범위 1항에 따른 광섬유 IR-계측 프로브 및 특허 청구 범위 10항에 따른 계측 시스템을 통해 해결된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 제공된다.

본 발명에 따르면, 프로브 부재를 향한 조사용- 및 검출용 광섬유 말단은, 프로브 헤드 하우징의 가열 및 냉각에 대해 탄성적으로(elastic) 즉 소성 변형(plastic deformation) 없이 연장 및 축소될 수 있도록 배치된다. 예컨대, 프로브 헤드 하우징이 소정의 부피를 포함하면, 광섬유는 자체의 탄성적 편향에 의해 측면에서 파괴 없이 연장될 수 있다. 상기 편향을 위한 부피가 충분히 크게 형성되면, 광섬유의 소성 변형이 방지될 수 있다. 광섬유의 소성 변형은 광섬유의 투과 특성을 감소시킬 수 있다.

따라서, 광섬유는 넓은 온도 범위 위에서, 프로브 부재와 측 방향(lateral) 및 축 방향(axial)으로 소정의 간격을 유지한다. 실험 반응의 추적이 진행되는 동안, 프로브 부재와 관련한 광섬유 말단의 위치가 변경되지 않으면 계측 결과는 반복될(reproducable) 수 있다. 광섬유 축을 따라 작용하는 복원력(restoring force)를 이용하면 광섬유 말단의 위치가 변경되지 않는다.

프로브 부재로는, 감쇠 전반사(ATR) 부재, 투과- 및 반사 부재가 바람직하다. 일반적으로, ATR-부재는 프로브 헤드 온도 조건이 높을 경우 사용되어야 한다. 활성 냉각은 온도에 민감한 광섬유 뿐만 아니라 프로브 부재 및 계측 환경까지 냉각시킨다. ATR-계측은 ATR-부재를 중심으로 수 마이크로미터 두께를 가진 층에서만 시작하므로, 상기 계측은 활성 냉각시 잘못된 계측 결과를 제공할 수 있다. 온도가 더 증가되거나 감소되었을 때, ATR-계측은 활성 냉각이 없는 경우에만 유효하다. 본 발명에 따른 IR-계측 프로브는 활성 냉각 없이 -150℃ 내지 250℃의 온도 범위에서 오차 없는 계측 데이터를 제공한다.

바람직한 실시예에 따르면, 코어-클래딩 구조(core-cladding structure)를 포함한 다결정 실버 핼라이드-광섬유가 사용된다. 상기 광섬유는 충분히 가요적이며, -150℃ 내지 250℃의 온도 범위에서 지속적으로 사용될 수 있다.

직사각형의 단면을 포함한 광섬유는 프로브 부재의 단면에 더욱 양호하게 맞춰질 수 있고, 상호 간에 평면적인 접촉 및 고정이 이루어질 수 있기 때문에 매우 바람직하다. 평면으로 고정되는 것은 계측 데이터의 반복성(reproducibility)을 더욱 양호하게 한다.

순수한 코어 구조를 포함한 광섬유, 소위 코어 광섬유는 더 많은 개구수(numeric aperture)를 포함하므로, 기본적으로 코어-클래딩-광섬유보다 광 투과량(throughput)이 더 많다. 특히, 강성이거나 거의 강성이면서 짧게 형성된 IR-계측 프로브가 필요한 지점에서, 코어 광섬유는 2 ㎛ 내지 8 ㎛의 파장을 가진 스펙트럼 영역에서 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio)가 현저히 개선된 계측 결과를 제공한다.

적어도 프로브 헤드의 템퍼링(tempering)된 영역에서 단결정 광섬유부를 이용하면, IR-계측 프로브는 350℃까지의 온도 범위에서 사용할 수 있다.

바람직하게는, 두 개의 광섬유 말단들은 광학적 갭(optimal gap) 없이 프로브 부재와 고정 결합된다. 따라서, 프레넬-광 손실이 발생하지 않으므로, 최대의 광 투과량이 달성된다. 상기와 같이 갭이 없이 결합되는 것은 프로브 부재의 굴절률과 광섬유의 굴절률 사이 값의 굴절률을 가지는 층에 의해 구현될 수 있다.

또한, 광섬유는, 프로브 부재의 영역 내에 고정되는 것 외에 다른 방법을 이용하여서도 상기 프로브 부재와 결합될 수 있다. 이러한 변형예는, 광섬유의 교체가 매우 용이해진다는 장점이 있다. 따라서, 이러한 변형예는, 서로 다른 스펙트럼 영역에서 프로브가 사용되는 경우에 매우 바람직하다.

프로브 부재 앞에서, 조사용- 및 검출용 광섬유들이 프로브 헤드 하우징과 결합되는 대신, 상호 간에 고정 결합되면, 두 개의 광섬유들 사이의 상대적 이동이 발생하지 않으므로, 광섬유와 프로브 부재 사이의 광 결합이 더욱 양호하게 반복될 수 있다.

조사용- 및 검출용 광섬유들은 복원력에 의해 프로브 부재 앞의 소정 위치에 배치된다. 상기 복원력이 작용할 수 있으려면, 광섬유는 프로브 헤드 하우징에서도 팽창 영역의 외부 및 상기 복원력이 발생하는 부재의 뒤에 있는 지점에 고정되어야 한다.

다른 바람직한 실시예에서, 조사용- 및/또는 검출용 광섬유는 상기 광섬유의 전체 길이에서 입력- 내지 출력 말단과 프로브 부재 사이에 위치한 한 지점에서만 주변 덮개(surrounding cover)와 결합하는데, 여기서 상기 주변 덮개는 프로브 헤드 하우징, 가요적인 광섬유 보호 덮개 또는 광섬유 플러그일 수 있다. 특히, 매우 짧은 길이를 포함하는 IR-계측 프로브, 예컨대 거의 내지는 완전히 고정되어 있는 광섬유부를 사용하는 경우에는 1 m보다 작은 길이를 포함하는 IR-계측 프로브에 있어서, 두 개 이상의 지점에서 고정하는 것은 단점이 될 수 있다.

바람직하게는, 강성의 프로브 헤드 하우징 내에서 조사용- 및 검출용 광섬유의 탄성적 휨(elastic bending)에 의해 복원력이 발생한다. 이를 위해, 프로브 헤드 하우징은, 온도 팽창에 따른 광섬유의 또 다른 탄성적 변형을 위한 충분한 공간을 최대 가능 온도까지 제공할 수 있도록 형성된다.

사용되는 프로브 몸체 부피가 매우 작게 유지되어야 하는 경우, 복원력은 알맞은 소성 휨(plastic bending)에 의해 구현되는 것이 바람직하다. 알맞은 휨이란 곡률 반경(bending radius)이 30 ㎜가 넘는 것으로 이해할 수 있다. 예컨대, 강성의 광 투과 광학계를 포함하는 IR-계측 프로브가 사용되는 경우에, 프로브 몸체는 매우 작게 하는 것이 바람직하다. 상기와 같은 IR-계측 프로브는 일체형으로 형성된 강성의 하우징 내에서 패킹되는 것이 바람직하다.

프로브 몸체가 매우 가늘고 길게 연장된 형태, 예컨대 원통 형태로 형성되고, 특히 상기 프로브 몸체의 직경대 길이비가 25 이상인 경우, 탄성력은 축 방향으로 작용하는 것이 바람직하다. 길게 연장된 프로브 몸체 뒤에서 광섬유가 가요적인 보호 튜브 내부로 연장된다면, 광섬유의 팽창 부피는 가느다란 프로브 몸체의 외부 직경을 초과하지 않아야 한다. 상기 보호 튜브는 상기 광섬유 직경보다 2배 이상 되는 내부 직경 및 최소 0.3 m의 길이를 가진다. 또한, 바람직하게는, 상기와 같은 IR-계측 프로브는 일체형으로 형성된 강성의 파이프 내에서 패킹될 수 있다.

특히 화학적 및 생체과학적 응용에서, 반응 온도는 -150℃ 내지 250℃의 범위에서 가능하다. 사용되는 IR-계측 프로브는 이러한 온도 범위에서 내구성을 가지면서도, 반복 가능한 계측 데이터를 제공해야 한다. 이러한 온도 범위에서, 실버 핼라이드-광섬유(팽창 계수: 40×10＾-6)의 길이는 20㎝ 마다 약 3.5 ㎜의 범위 내에서 변경된다. 즉, 프로브 몸체 내에서의 팽창 부피는 이에 상응하여 설정되어야 한다.

광섬유가 프로브 헤드의 영역에서 진공- 또는 기체 밀폐(vacuum- or gastight) 방식으로 패킹되는 경우에, 250℃보다 높은 온도에서도 안정성을 가질 수 있다.

IR-계측 프로브의 신호대 잡음비는, IR-광이 마이크로 렌즈를 지나 프로브 부재에 입력 내지 출력되는 경우 현저히 개선된다. 상기 마이크로 렌즈는 입력 광섬유 및/또는 검출 광섬유의 말단에 형성된다. 적어도 입력 광섬유 말단에 하나의 렌즈가 구비되고, 상기 렌즈의 초첨 거리가 입력 광섬유 말단과 검출 광섬유 말단 사이의 광의 경로의 0.3 배보다 더 큰 경우에, 광 투과량은 매우 높게 달성된다.

종래 기술에 따른 IR-계측 프로브와 달리, 본 발명에 따른 IR-계측 프로브는 기존의 IR-광학계를 이용하면서도 임의의 FTIR-분광계(FTIR-spectrometer), 분산성 IR-분광계, IR-필터 분광계 또는 IR-레이저 광원에 매우 간단하게 연결될 수 있다. 상기 광섬유에 있어서, 개구수나 광섬유 직경과 같은 광학적 특성 및 높은 광 투과량을 기구별로 맞춰줄 필요는 없다.

본 발명에 따른 IR-계측 프로브는 추가적인 결합 광학계(coupling optics) 없이도 IR-검출 부재나, 레이저 광원 또는 여과된(filtered) 광원에 연결될 수 있다. 이를 통해, 광 투과량이 더욱 개선된다. 또한, 상기 IR-계측 프로브는 광학적 구성 요소를 적어도 하나는 생략함으로써, 조정에 따른 소모도 줄이고, 전체 비용을 줄일 수도 있다.

고 민감성 IR-검출 부재는 액화 질소 온도에서 냉각된다. 검출용 광섬유가 검출 부재 앞에서 소정의 팽창 부피를 포함하는 경우, 상기 검출용 광섬유의 직접적인 연결이 손실 없이 이루어진다.

이어서, 본 발명의 두 개의 실시예들이 도면을 이용하여 더욱 상세하게 기재된다.

도 1a는 실내 온도에서, 본 발명에 따른 IR-계측 프로브의 프로브 헤드에 대한 단면도를 도시한다.

도 1b는 250℃의 최대 온도에서, 본 발명에 따른 IR-계측 프로브의 프로브 헤드에 대한 단면도를 도시한다.

도 2a는 바람직한 실시예에 따른 프로브 헤드 상단의 상세 단면도를 도시한다.

도 2b는 방향 A를 따른 프로브 헤드 상단의 측면도를 도시한다.

도 3은 질소 냉각된 IR-검출기와 고정 연결되는, 본 발명에 따른 IR-계측 프 로브의 단면도를 도시한다.

도 1은 본 발명에 따른 IR-계측 프로브의 프로브 헤드 하우징(12)의 단면을 도시하는데, 도 1a는 실내 온도일 때의 광섬유의 진행을 도시하고, 도 1b는 250℃ 일 때의 광섬유의 진행을 도시한다. 사용된 광섬유는 0.9 ㎜의 코어 직경과 1 ㎜의 클래딩 직경을 가진 실버 핼라이드 광섬유를 의미한다. 조사용 광섬유(13)와 검출용 광섬유(14)는 프로브 헤드 하우징(probe head housing)(12) 내에 구비되고, 프로브 부재(11)는 상기 하우징의 일 말단에 포함된다. 상기 프로브 부재는 직사각형 단면을 포함한 90˚다이아몬드 ATR-프리즘이다. 실내 온도(T=20℃)일 때, 조사용 광섬유(13)와 검출용 광섬유(14)는 40 ㎜의 곡률 반경과 약간의 사전 압력(prestressing)을 포함하는 소성 휨(24)을 통해 프로브 헤드 하우징(12)의 광섬유 출력부(outlet of optical fiber)(18)에 접착된다. 사전 압력의 강도는, 조사용 광섬유(13)와 검출용 광섬유(14)의 말단면들(15 및 16)이 -150℃의 온도에서도 다이아몬드 프리즘(11)위에서 압축될 수 있는 것으로 선택한다.

프로브 헤드 하우징(12)의 뒤에서, 조사용 광섬유(20)와 검출용 광섬유(21)가요적 보호 튜브(19) 내에 배치된다.

프로브 부재의 영역에서 온도가 상승한 경우(T=250℃), 조사용 광섬유(13)와 검출용 광섬유(14)는 약 2.5㎜ 만큼 팽창되어, 프로브 헤드 하우징의 팽창 부피(17)로 편향된다. 이와 동시에, 광섬유 축을 따라 작용하는 복원력에 의해, 프로브 부재 앞에서의 상기 인접면들(abutting faces)(15 및 16)의 위치는 유지된다.

도 2는 상기 프로브 부재(11) 앞에 구비된 위치 보정면들(28) 및 광섬유 말단면들(26, 27)의 바람직한 실시예를 도시한다. IR-광은 조사용 광섬유 말단(26)에 위치한 렌즈에 의해 프로브 부재에 포커싱(focusing)되면서 입력되고, 검출용 광섬유 말단(27)에 위치한 렌즈에 의해 집광된다. 광은 입력 렌즈(26)에 의해 다이아몬드 프리즘의 중앙 부근에 포커싱되고, 따라서 전체의 광은 검출용 광섬유에 전달될 수 있다. 검출용 광섬유의 렌즈는 입사되는 광을 저-모드의 광으로 변환시키는데, 이러한 저-모드 광은 검출용 광섬유 내에서 매우 효율적으로 이동될 수 있다.

4개의 원뿔꼴 모양의 위치 보정면들(28)의 역할은, 조사용- 및 검출용 광섬유 말단이 자체 조정되면서 배치되되, 광섬유 축(22)에 대해 수직인 면에서 소정 위치를 가지며, 진동이나 그 외의 기계적 떨림이 있을 때 측 방향(lateral)으로 편향되지 않도록 하는 것에 있다.

도 3은 IR-계측 프로브에 대한 다른 바람직한 실시예를 도시한다. 실내 온도일 때(T=20℃), 조사용 광섬유(13)와 검출용 광섬유(14)는 100 ㎜의 곡률 반경을 포함한 탄성적 휨(32)에 의해, 프로브 헤드 하우징(38)의 반원형 부분(33)의 말단에 접착된다. 프로브 헤드 하우징의 휘어지지 않은 부분에 열을 가하면, 광섬유는 프로브 헤드 하우징의 휘어진 부분으로 탄성적으로 팽창된다.

휘어진 부분의 내부 직경은 3 ㎜ 이고 길이는 50 ㎝이다. 상기 부분은 소성 변형 가능한 파이프 부분으로 구성되고, 상기 파이프 부분은 100 ㎜(반원형)와 무한값(직선형) 사이의 곡률 반경을 가지고 변형될 수 있다. 즉 프로브 헤드 하우징의 직선형 부분은 위로는 수직 방향과 아래로는 수평 및 수직 방향 사이의 위치에 포함될 수 있다. 직선형 프로브 몸체 부분(33)의 외부 직경은 3 ㎜이고 길이는 200 ㎜이다. 탄성적으로 휘어지며 접착된 검출용 광섬유 부분 뒤에서, 검출용 광섬유 말단(36)은 90˚파이프 플랜지(pipe flange)(35)를 지나 소성 휨을 하면서 액화 질소 냉각된 IR-검출 부재(37)에 연결된다. 입력 광섬유는 섬유 플러그에 맞물리기 전에, 접착지점(38) 뒤에서 1 m의 가요적 길이를 포함하고, 상기 플러그에 의해 IR-계측 프로브는 IR-광원 내지 IR-분광계에 연결될 수 있다.

Claims

조사용 광섬유 또는 조사용 광섬유 클러스터(cluster);

검출용 광섬유 또는 검출용 광섬유 클러스터;

프로브 헤드 하우징; 및

상기 프로브 헤드 하우징 내에 고정되는 프로브 부재로 구성되며, 상기 조사용 광섬유 또는 조사용 광섬유 클러스터 및 상기 검출용 광섬유 또는 검출용 광섬유 클러스터는 상기 프로브 헤드 하우징과 IR-분광계 사이에서 가요적인 광섬유부 내에 배치되고, 상기 광섬유들은 상기 프로브 헤드 하우징 내에서 상기 프로브 헤드 하우징의 온도와 상관없이 넓은 온도 범위에서 상기 프로브 부재와 관련된 소정의 위치를 가지며, 상기 위치는 광섬유 축을 따라 작용하는 복원력에 의해 구현되는 IR-분광기(IR-spectroscope)용 광섬유 IR-계측 프로브에 있어서,

상기 프로브 부재를 향한 상기 조사용- 및 검출용 광섬유부는, 상기 프로브 헤드 하우징의 가열 및 냉각 시 탄성적으로 즉 소성 변형 없이 연장 및 축소될 수 있도록 배치되는 것을 특징으로 하는 IR-분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
청구항 1에 있어서,

상기 프로브 부재는 ATR-부재, 투과- 또는 반사 셀(cell)인 것을 특징으로 하는 IR-분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
청구항 1에 있어서,

상기 조사용- 및 검출용 광섬유는 코어-클래딩 구조(core-cladding structure)를 포함한 실버 헬라이드(silver halide) 화합물로 구성되는 것을 특징으로 하는 IR-분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
청구항 1에 있어서,

상기 조사용- 및/또는 검출용 광섬유는 직사각형 단면을 포함하는 것을 특징으로 하는 IR-분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
청구항 1에 있어서,

상기 조사용- 및/또는 검출용 광섬유는 고정된 클래딩을 포함하지 않는 것을 IR-분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
청구항 1에 있어서,

적어도 상기 조사용 광섬유부 및/또는 검출용 광섬유부는 상기 프로브 몸체의 템퍼링(tempering)된 영역에서 단결정 실버 헬라이드 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 IR-분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
청구항 1에 있어서,

상기 조사용- 및 검출용 광섬유는 상기 프로브 부재 앞에 고정되지 않는 것 을 특징으로 하는 IR-분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
청구항 1에 있어서,

조사용- 및/또는 검출용 광섬유 말단은 상기 프로브 부재와 갭(gap) 없이 결합되는 것을 특징으로 하는 IR-분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
청구항 1에 있어서,

상기 조사용- 및 검출용 광섬유는 서로 고정 결합되는 것을 특징으로 하는 IR-분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
청구항 1에 있어서,

상기 조사용- 및 검출용 광섬유는 상기 프로브 헤드 하우징이 상기 가요적인 광섬유부들과 접합하고 있는 지점에서 상기 프로브 헤드 하우징 및/또는 가요적인 광섬유 클래딩과 고정 결합되는 것을 특징으로 하는 IR-분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
청구항 1에 있어서,

상기 조사용- 및 검출용 광섬유는 입력- 또는 출력 말단과 상기 프로브 부재 사이에 있는 소정의 한 점에서만 주변의 덮개와 결합되는 것을 특징으로 하는 IR-분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
청구항 1에 있어서,

상기 조사용- 및/또는 검출용 광섬유는 상기 프로브 부재와 상기 가요적인 광섬유부 사이에서 적어도 탄성적 휨(elastic bending)을 일으키는 것을 특징으로 하는 IR-분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
청구항 6에 있어서,

상기 조사용- 및/또는 검출용 광섬유는 상기 프로브 부재와 상기 가요적인 광섬유부 사이에서 적어도 소성 휨(plastic bending)을 일으키는 것을 특징으로 하는 IR-분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
청구항 1에 있어서,

상기 조사용- 및 검출용 광섬유와 상기 프로브 부재 사이의 소정의 간격은 광섬유 축을 따라 작용하는 탄성력에 의해 조정되는 것을 특징으로 하는 IR-분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
청구항 1에 있어서,

상기 조사용- 및 검출용 광섬유는 상기 프로브 헤드 하우징 내에서 소성 변형 없이 4 ㎜까지만큼 연장되거나 축소될 수 있도록 배치되는 것을 특징으로 하는 IR-분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
청구항 1에 있어서,

상기 조사용- 및 검출용 광섬유는 진공- 또는 비활성 기체 분위기(vacuum- or inertgas atmosphere)에서 상기 프로브 헤드 하우징 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 IR-분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
청구항 1에 있어서,

상기 프로브 부재 앞에서 상기 조사용- 및/또는 검출용 광섬유 말단에는 마이크로 렌즈가 형성되는 것을 특징으로 하는 분광기용 광섬유 IR-계측 프로브.
광섬유 결합 광학계를 포함하는 IR-분광계(IR-spectrometer) 및 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 따라 형성된 광섬유 계측 프로브로 구성되는 계측 시스템.
광섬유 결합 광학계를 포함하는 IR-분광계 및 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 따라 형성된 광섬유 계측 프로브로 구성되며, 상기 광섬유 계측 프로브의 검출용 광섬유는 추가적인 결합 광학계 없이도 질소 냉각된 IR-검출 부재와 결합됨으로써, 검출 부재의 냉각시 탄성적으로 즉 소성 변형 없이 축소될 수 있는 계측 시스템.