PL249055B1 - Kaseta reakcyjna do włókien optycznych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest kaseta reakcyjna do włókien optycznych, przeznaczona zwłaszcza do stosowania w technologii wytwarzania czujników światłowodowych. Kaseta ta ma dwudzielną obudowę, która w dolnej części (1) ma uchwyt o dwóch ramionach (6), między którymi znajduje się obniżony w stosunku do tych ramion zbiorniczek (5). Uchwyt umieszczony jest między występami (3) dolnej części obudowy (1) i opiera się na nóżkach (4) podtrzymujących od dołu ramiona (6). Ponadto w krawędziach krótszych ścianek dolnej części obudowy oraz na całej długości ramion (6) uchwytu znajdują się równoległe kanaliki (9) nachylone w kierunku zbiorniczka (5), pod kątem 0,1 – 60, a każdy z nich zaopatrzony jest w element blokujący włókno optyczne.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest kaseta reakcyjna do włókien optycznych, przeznaczona zwłaszcza do stosowania w technologii wytwarzania czujników światłowodowych podczas prowadzenia procesów modyfikacji ich powierzchni w środowisku ciekłym lub gazowym oraz podczas prowadzenia analizy ich właściwości optycznych na poszczególnych etapach wytwarzania. Kaseta umożliwia unieruchomienie włókien optycznych w trakcie osadzania na nich powłok funkcjonalnych z fazy gazowej oraz podczas prowadzenia analizy właściwości transmisyjnych włókien optycznych na kolejnych etapach ich modyfikacji.

Czujniki światłowodowe (ang. optical fiber/fibre sensors, OFSs; fiber/fibre optic sensors, OFSs) są wykonywane w oparciu o odpowiednio spreparowane włókna światłowodowe. Jeden ze sposobów wytwarzania czujnikowych włókien światłowodowych polega na przetwarzaniu wyjściowego włókna światłowodowego w taki sposób by uzyskało ono zaplanowane właściwości czujnikowe. Przetwarzanie włókna światłowodowego często polega no usunięciu lub pocienieniu płaszcza światłowodowego na pewnym odcinku włókna, na całym jego obwodzie lub też na jego części, a następnie na modyfikowaniu powierzchni włókna w tym obszarze. Przy czym kluczowe jest to aby modyfikacji uległa powierzchnia właśnie tego fragmentu włókna, który został pozbawiony płaszcza, lub płaszcz na nim został pocieniony, gdyż właśnie na tym odcinku włókna wytworzony zostaje obszar czujnikowy światłowodu, Inna metoda przetworzenia włókna przed etapem modyfikacji powierzchni polega na wykonaniu przewężenia na włóknie, zmniejszającego zarówno średnicę całego włókna jak i jego rdzenia. Jeszcze inna metoda wytwarzania czujnikowych włókien światłowodowych polega na wytworzeniu wyjściowego włókna j uż w golowej postaci np. z pocienionym płaszczem światłowodowym i na wspawaniu fragmentów tego włókna w tor optyczny oparły na włóknie światłowodowym niepocienionym. Również i w tym przypadku kluczowe jest aby wykonywana po tym modyfikacja powierzchni włókna dotyczyła fragmentu z pocienionym płaszczem. W każdym z powyższych przypadków dalsza modyfikacja powierzchni włókna polega zasadniczo na wytworzeniu sekwencji warstw/powłok nieorganicznych lub organicznych o odpowiednio dobranych właściwościach fizycznych lub chemicznych. Modyfikacja powierzchni uwzględnia także dodatkowe procesy pomocnicze, mające na celu odpowiednie przygotowanie powierzchni światłowodu przed osadzaniem kolejnych warstw, takie jak np. mycie w celu usunięcia zanieczyszczeń organicznych lub pyłów lub plazmowanie w celu wygenerowania odpowiedniej gęstości chemicznych grup funkcyjnych (co zapewnia odpowiednią reaktywność chemiczną powierzchni). Wytwarzanie sekwencji warstw rozpoczyna się z reguły przez pokrycie powierzchni włókna cienką warstwą materiału nieorganicznego o odpowiednio dobranym zespolonym współczynniku załamania i o odpowiednio kontrolowanej grubości. Warstwa pokrywająca powinna być szczelna i jednorodna, przy czym w zależności od geometrii wytwarzanej powierzchni czujnikowej stosuje się różne metody osadzania. Np. do osadzania warstw nieorganicznych na powierzchniach innych niż płaskie predestynowane są różne metody osadzania z fazy gazowej, jak np. (plasma-enhanced) Chemical vapour deposition (PE/CVD). a zwłaszcza atomic-layer deposition (ALD), ze względu na jej zdolność do tworzenia idealnie szczelnych, jednorodnych i gęstych warstw pokrywających rozbudowane powierzchnie obiektów trójwymiarowych o złożonych kształtach. Do osadzania warstw nieorganicznych na płaskich powierzchniach czujnikowych może być stosowana także np. metoda rozpylania magnetronowego. Metoda ta nadaje się w pewnym stopniu także i do osadzania na powierzchniach niepłaskich. np. cylindrycznych, pod warunkiem zastosowania odpowiedniego obracania włókna w reaktorze, umożliwiającego jednorodność osadzania powłoki. Na warstwie nieorganicznej często wytwarzana jest dodatkowo warstwa organiczna. Np. w przypadku wytwarzania bioczujników konieczne jest dodatkowo przeprowadzenie procesu unieruchamiania (immobilizacji) receptorów na powierzchni czujnikowej, których zadaniem jest spec yficzne oddziaływanie z analitem wykrywanym przez bioczujnik, będące warunkiem poprawnej detekcji analitu. Proces (lub sekwencja procesów) prowadzący do unieruchomienia receptorów bezpośrednio poprzedzony jest chemiczną funkcjonalizacją powierzchni, zmieniającą w sposób korzystny właściwości tej powierzchni pod względem reaktywności chemicznej i umożliwiający unieruchomienie receptorów. Dodatkowo, już po unieruchomieniu receptorów powierzchnię czujnikową blokuje się (pasywuje) co uniemożliwia jej niespecyficzne (niekontrolowane) oddziaływanie z reagentami nie będącymi analitem, typowo poprzez przeprowadzenie procesu z zastosowaniem surowiczej albuminy wołowej (bovine serum albumin. BSA). Co najmniej część etapów związanych z wytwarzaniem warstwy organicznej wykonywanych jest po umieszczeniu modyfikowanej powierzchni w środowisku ciekłym, a jedynie część ich bywa przeprowadzana w fazie gazowej.

Na etapie opracowywania technologii wytwarzania czujników lub w przypadku wytwarzania czujników w niewielkiej skali, prowadzone prace często wymagają indywidualnego podejścia, a prowadzone procesy technologiczne wymagają dokładności precyzji/powtarzalności możliwie nie niniejszej niż w przypadku zautomatyzowanej produkcji wielkoskalowej. Oznacza to, że proces wytwarzania czujników spersonalizowanych jest trudny do zautomatyzowania ponieważ większość procesów technologicznych wykonywana jest w indywidualnych urządzeniach technologicznych a uzyskiwane efekty są kontroIowane/anaIizowane w indywidualnych urządzeniach charakteryzujących, które wymagają ręcznego przenoszenia włókien światłowodowych pomiędzy kolejnymi stanowiskami technologicznymi i pomiarowymi (te ostatnie występują najpóźniej na etapie charakteryzacji właściwości gotowych czujników, ale w szczególnych przypadkach mogą brać udział nawet po każdym etapie technologicznym).

W przypadku czujników światłowodowych z obszarami czujnikowymi zbudowanymi z opisanych powyżej włókien delikatne przenoszenie włókien stanowi poważny problem. Włókna są mechanicznie nietrwałe, łatwo pękają zwłaszcza w obszarach pocienionych lub na spawach - będących, miejscami łączenia wybranych, niektórych obszarów czujnikowych z resztą światłowodu w lorze optycznym. Nietrwałość mechaniczna czujników światłowodowych w ich wrażliwych na uszkodzenia obszarach czujnikowych jest powodem małego uzysku procesu wytwarzania czujników, a w skrajnym przypadku uniemożliwia uzyskanie niezbędnych informacji nt. działania przyrządów i wyciągnięcie wniosków podczas opracowywania ich technologii.

Zazwyczaj do przenoszenia włókien czujnikowych stosowane są różnego rodzaju pęsety, które w lepszym lub gorszym stopniu umożliwiają przeprowadzenie takich operacji. Znane są także różnego rodzaju uchwyty, w których mocuje się włókna światłowodowe podczas procesów technologicznych lub analiz (np. V-groove Fiber holder ze strony https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup id=1173, lub ze strony https://www.elliotscientific.com/178-Fibre-Holders, lub fibre splice holder ze strony https://www.fiberopticlink.com/product/legacy-products/legacymiscellaneous/fiber-splice-holger- legacy/). Żaden jednak ze znanych uchwytów nie pozwala na uzyskanie trwałej stabilizacji mechanicznej obszarów czujnikowych włókna światłowodowego na wszystkich etapach ich wytwarzania i charakteryzacji oraz podczas transportu włókna pomiędzy stanowiskami technologicznymi i charakteryzacyjnymi.

Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji kasety umożliwiającej stabilizację wielu włókien światłowodowych na poszczególnych etapach modyfikacji powierzchni włókien zarówno w środowisku gazowym jak i ciekłym, czyli podczas procesów technologicznych prowadzonych w urządzeniach technologicznych oraz na poszczególnych etapach charakteryzacji włókien, czyli podczas analiz włókien na stanowiskach pomiarowych, a także podczas transportu/przenoszenia tych włókien pomiędzy urządzeniami technologicznymi i stanowiskami pomiarowymi.

Kaseta reakcyjna według wynalazku ma dwudzielną obudowę składającą się z przykrywki oraz z dolnej części obudowy, w której znajduje sic uchwyt. Uchwyt posiada dwa ramiona, między którymi znajduje się obniżony w stosunku do tych ramion zbiorniczek. Uchwyt ten umieszczony jest między występami dolnej części obudowy i opiera się na nóżkach podtrzymujących od dołu ramiona uch wytu. Natomiast w górnych krawędziach krótszych ścianek dolnej części obudowy oraz na całej długość ramion uchwytu znajdują się równolegle względem siebie i symetryczne względem zbiorniczka kanaliki nachylone w kierunku zbiorniczka pod kalem 0,1-60° a każdy z nich zaopatrzony jest w element blokujący włókno. Korzystnie jest gdy element blokujący włókno jest kątownikiem, którego jedna część wchodzi w kanalik ramienia uchwytu a druga część połączona jest z powierzchnią międzykanalikową ramienia uchwytu za pomocą wkrętu.

Zaletą kasety według wynalazku jest jej uniwersalność. Konstrukcja kasety zapewnia stabilizację włókna światłowodowego taką, że obszary podlegające procesom technologicznym są rozpięte w sposób minimalizujący uszkodzenia mechaniczne będące rezultatem, np. naprężenia lub skręcenia włókna. Ponadto kaseta umożliwia prowadzenie procesów modyfikujących powierzchnię obszarów czujnikowych w reaktorach do osadzania powłok z fazy gazowej oraz prowadzenie modyfikacji powierzchni w cieczach. Umożliwia również prowadzenie pomiarów właściwości włókien zanurzonych w cieczach, gdzie po nalaniu odpowiedniej cieczy do zbiorniczka zintegrowanego z uchwytem obszary czujnikowe mogą zostać zanurzone, a zamknięcie przykrywki obudowy kasety gwarantuje zachowanie stałego poziomu cieczy i jej składu nie dopuszczając do zmian spowodowanych parowaniem. Ponadto kształt uchwytu minimalizuje niebezpieczeństwo zaistnienia przepływu nielaminarnego/turbulentnego w reak torach do osadzania cienkich warstw z fazy gazowej, a tym samym wystąpienie niejednorodności powłok (ich grubości i innych istotnych właściwości) oraz ułatwia kontrolę właściwości obszaru pokrytego powłoką.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku, gdzie Fig. 1 przedstawia przekrój kasety wzdłuż włókna światłowodowego, Fig. 2 pokazuje widok uchwytu z góry. a Fig. 3 widok uchwytu od strony dłuższego boku.

Przykładowa kaseta składa się z dwuczęściowej, prostopadłościennej obudowy, oraz z umieszczanego w lej obudowie uchwytu. Obudowa ma część dolną 1 oraz z część górną przykrywkę 2. Dolna część 1 obudowy ma kształt prostokątnego korytka, którego krótsze boki zaopatrzone są w występy 3. Występy te umożliwiają stabilne posadowienie w tej części obudowy uchwytu. Uchwyt wykonany jest w postaci dwóch ramion 6 między którymi znajduje się obniżony w stosunku do tych ramion otwarty zbiorniczek 5. Cały uchwyt wpasowuje się w obudowę tak aby znalazł się pomiędzy występami 3 dolnej części. W ściankach krótszych boków dolnej części 1 obudowy znajdują się wycięcia 7, prowadzące od górnych krawędzi ścianek obudowy aż do zakończenia występów 3. Przedłużeniem tych wycięć są kanaliki 9 w ramionach uchwytu. Kanaliki są równoległe względem siebie i symetryczne względem zbiorniczka 5. W przykładowym rozwiązaniu na jednym ramieniu jest pięć kanalików i każdy z nich ma swój odpowiednik na drugim ramieniu. Kanaliki te są nachylone w kierunku zbiorniczka 5 pod kątem 10° (tzn. że ich głębokość w kierunku zbiorniczka 5 zwiększa się). Głębokość kanalików jest tak dobrana by po umieszczeniu w nich włókien światłowodowych 8 obszary czujnikowe 8a były zawieszone równolegle nad dnem zbiorniczka 5 uchwytu i zanurzone w cieczy reakcyjnej (na czas wybranych etapów modyfikacji powierzchni w środowisko ciekłym) bądź po nalaniu do zbiorniczka cieczy, które są niezbędne podczas charakteryzacji właściwości czujników na różnych etapach ich wytwarzania, bądź też cieczy analizowanych z użyciem gotowych czujników pod kątem zawartości analitu. Ponadto każdy kanalik 9 zaopatrzony jest w element blokujący, który zabezpiecza włókno światłowodowe 8 przed wypadnięciem z ramienia uchwytu. Kanaliki 9 mają szerokość podobną lub większą niż średnica umieszczanych w nich włókien światłowodowych 8. Każcie z włókien światłowodowych po umieszczeniu w kanaliku znajdującym się na jednym ramieniu uchwytu jest prowadzone ponad dnem zbiorniczka 5 i pozycjonowane w odpowiedniku tego kanalika znajdującym się na drugim/przeciwległym ramieniu uchwytu. Następnie włókna 8 są zabezpieczane przed wypadnięciem za pomocą elementu blokującego, w przykładzie za pomocą podkładek 10 - w postaci kątowników i wkrętów 11. Elementy blokujące mocowane są na powierzchni międzykanalikowej przy każdym kanaliku 9 w ram tonach 6. Jedno ramię podkładki wprowadzane jest do kanalika dociskając umieszczone w kanaliku włókno światłowodowe 8 a drugie ramię jest za pomocą wkrętów 11 przykręcone jest do ramienia uchwytu obok kanalika. Takie zamocowanie, po dokręceniu wkrętów 11 zapewnia stabilne pozycjonowanie obszarów czujnikowych 8a włókien 8. Głębokość kanalików 9 i ich wyprofilowanie, gwarantuje, że ciecz ze zbiorniczka 5 nie wylewa się przez kanaliki 9 poza uchwyt, a obszary czujnikowe 8a włókien światłowodowych pozostają przez czas trwania operacji technologicznej zanurzone w cieczy. Na rogach, od spodniej strony uchwyt zaopatrzony jest w nóżki 4 pozwalające na stabilne posadowienie go na przykład na płaskiej powierzchni urządzenia technologicznego, po wyjęciu z obudowy ale również zapewnia przepływ gazów (gazu nośnego i zawartych w nim prekursorów chemicznych) pod ramionami uchwytu w- reaktorach do osadzania powłok z fazy gazowej.

Uniwersalność kasety według wynalazku polega więc na tym, że w przypadku, kiedy wewnątrz, obudowy znajduje się uchwyt, obudowa pełni oprócz funkcji stabilizującej także funkcję naczynia reakcyjnego lub pomiarowego. Podczas prowadzenia procesów technologicznych modyfikacji powierzchni włókien optycznych zamknięta przykrywką obudowa zapobiega parowaniu cieczy znajdującej się w zbiorniczku uchwytu i obniżaniu się jej poziomu, a zarazem zmianom stężeń cieczy/substancji (w przypadku roztworów), podczas prowadzenia procesów w środowisku ciekłym oraz podczas analiz właściwości włókien w roztworach. Natomiast uchwyt wyjęty z obudowy może być przenoszony do różnych stanowisk technologicznych czy pomiarowych, a jego kształt został tak dobrany, by minimalizował możliwość pojawienia się przepływu turbulentnego w reaktorach służących do osadzania na powierzchni włókien światłowodowych cienkich warstw z fazy gazowej.

Oznaczenia

1 2 3 4 5 6 7 8, 8a 9

- dolna cz. obudowy - przykrywka - występy w 1 - nóżki - zbiorniczek - ramiona uchwytu - wycięcie w 1 - włókna - kanaliki

- podkładka blokady

Claims (2)

1. Kaseta reakcyjna do włókien optycznych, znamienna tym, że ma dwudzielną obudowę składającą się z przykrywki (2) oraz z dolnej części obudowy (1), w której znajduje się uchwyt posiadający dwa ramiona (6), między którymi znajduje się obniżony w stosunku do tych ramion zbiorniczek (5), uchwyt ten umieszczony jest między występami (3) dolnej części obudowy (1) i opiera się na nóżkach (4) podtrzymujących od dołu ramiona (6) uchwytu, natomiast w górnych krawędziach krótszych ścianek dolnej części obudowy oraz na całej długość ramion (6) uchwytu znajdują się równolegle względem siebie i symetryczne względem zbiorniczka (5) kanaliki (9) nachylone w kierunku zbiorniczka (5) pod kątem 0,1-60°, a każdy z nich zaopatrzony jest w element blokujący włókno optyczne.

2. Kaseta według zastrz. 1 znamienna tym, że element blokujący włókno jest kątownikiem (10), którego jedna część wchodzi w kanalik (9) ramienia uchwytu a druga część połączona jest z powierzchnią międzykanalikową ramienia (6) uchwytu za pomocą wkrętu (11).