SE448186B - Fiberoptisk givare - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 448 186 2 tidskonstant, blir den optiska konstruktionen för detektorarrangemanget be- tydligt enklare och därmed billigare än detektorer av våglängdsförskjutningar.

I ovannämnda patentansökningar har beskrivits givare för ett antal storheter.

Föreliggande uppfinning avser att precisera utformning och sammansättning på sensormaterial med ett välbestämt temperaturberoende för den optiska tids- konstanten. Denna materialklass blir då särskilt användbar i fiberoptiska temperaturgivare.

Uppfinningen kännetecknas därav, att sensormaterialet är kristallint och inne- håller luminiscerande joner, samt att dessa joner är så placerade i kristall- gittret, att varje närmast angränsande anjon väsentligen uppvisar inversions- symmetri gentemot den luminiscerande jonen och att detta material är avsett för temperaturmätning.

Uppfinningen är närmare exemplifierad i bifogade figurer, av vilka figur 1 visar ett exempel på strukturell uppbyggnad hos ett sensormaterial, figur 2 2a, b exemplifierar de strukturella egenskaper, som kännetecknar sensormate- rialet med lämpliga egenskaper, figur 3a-c ger utförandeexempel på sensormate- rialets geometriska utformning och den optiska kopplingen mellan sensormate- ríalet och den optiska fibern.

I figur 1 visas kristallstrukturen för Cs2NaNdCl6, enligt BC Tofield och HP Weber, Phys. Rev B lg (197U) H560-U567. Detta material innehåller lumini- scerande neodymjoner, vars atomärt lokaliserade luminisoens sker vid ett fler- tal våglängdsband, varav den starkaste är vid våglängden 1.06)mL Neodym- jonerna är i figuren avbildade som ofyllda cirklar 1. Övriga ingående joner är Cs+ avbildade som streckade cirklar 2, Na* fyllda cirklar 3 samt Cl- av- bildade som kryss H. Av figur 1 framgår att de luminiscerande Nd3+-jonerna som närmast angränsande joner har Cl--joner arrangerade som en oktaeder med Nd-jonen i centrum. Denna symmetriska omgivning kring Nd3+-jonerna medför att den optiska tidskonstanten för materialet blir lång, enligt en teori publicerad av HYP Hong och SR Chinn i Mat. Res. Bull. ll (1976) H61-H68.

Detta beror på en minskad sannolikhet för den luminiscerande energiövergången, vilken i sin tur orsakas av kristallsymmetrin. Avvikelser från symmetri kan orsakas av statistiska fluktuationer i jonernas lägen, dvs temperaturrörelser.

Dessa ökar vid ökande temperatur, vilket alltså motsvaras av en minskning av den optiska tidskonstanten med ökande temperatur. Experimentellt har detta beroende verifierats. Den optiska tidskonstanten har vid rumstemperatur för ovannämnda materialsammansättning uppmätts till 1000lps med ett temperatur- beroende av ca -3 Ps/OC. Denna känslighet är tillräcklig för att i ett komplett mätsystem få noggrannheter som uppfyller industriella applikationskrav. 10 15 20 25 30 35 . . _. .V...,. .'-. .tagga-n 3 448 186 I kristallstrukturen enligt fig 1 kan givetvis de ingående alkalimetall- jonerna och kloridjonerna ersättas med andra alkalimetaller resp halogener.

Vidare kan neodymjonerna delvis substitueras med någon annan, optisk inaktiv, sällsynt jordartsmetall, t ex lantan, gadolinium eller lutetium. Fördelen med det senare arrangemanget är att man därvid undviker ett fenomen, "concentration quenching", innebärande avtagande luminiscenseffektivitet vid höga neodym-halter. En mer allmän beskrivning av kristallstrukturen enligt figur 1 blir då Aa2AbNdxR1 ler, R en (optiskt inaktiv) sällsynt jordartsmetall, Ha en halogen och x betecknar neodymkoncentrationen uttryckt som molbråk. _xHa6 där Aa och Ab betecknar alkalimetal- Som andra materialexempel kan nämnas yttrium, skandium, gallium, tallium eller indium.

Figur 2 ger ytterligare illustration åt symmetrikraven på sensormaterialet i temperaturgivare. Figur 2a visar Nd-jonernas 1 omedelbara omgivning i Nd2Sn2O7 där omgivande Oaïjoner 5 bildar en polyeder som uppvisar s k inver- I sionssymmetri. Denna symmetriegenskap innebär att varje omgivande Ozïjon kan tillordnas en annan Ozïjon på samma avstånd från Nd3+-jonen, men i rakt mot- satt riktning. Figur 2b visar strukturen hos NdAl3(B03 207 en extremt lång optisk tidskonstant, medan NdAl3(BO3)u har en kort, i stort sett helt temperatur- )u, som helt saknar denna inversionssymmetri. Sålunda uppvisar Nd2Sn oberoende, tidskonstant.

Kristaller med olika grader av inversionssymmetri kan klassificeras t ex enligt nomenklatur given av Hermann-Mauguin (se t ex "Crystallography and its applications" av LS Dent Glasser, Wiley, New York, 1977). Inversions- symmetri uppvisas av följande s k punktgrupper: lg 2/m, mmm, 4/m, 4/mmm, É, šm, 6/m, 6/mmm, m3, m3m. För punktgrupperna 1, 2, m, 222, mm2, H, Ü; H22, 11mm, ízm, 3m, 6, 622, sm, Ena, 23, í3m och 1:32 kan avvikelser från inver- sionssymmetri vara liten.

Material tillhörande dessa punktgrupper kan alltså vara lämpliga sensor- I material.

Ett ytterligare konkret exempel på ett lämpligt sensormaterial är Ba(R Nd Ta 0,5* x 0,5)O3 med en tidskonstant av ca 1100 Ps vid rumstemperatur.

Av betydelse för sensormaterialets lämplighet i temperaturmättillämpningar är även sannolikheten för icke-strålande energiövergångar, t ex p g a fonon- växelverkan. För att dessa icke önskade energiövergångar skall ha lägst 10 20 25 30 448 186 , sannolikhet, krävs så låg maximal fononenergi som möjligt (se C Kittel, “Introduction to Solid State Physics", 3rd Ed. Wiley, New York, 1968), vilket uppnås om de i materialet ingående elementen har realtivt högt atomnummer. Lättare atomer än litium med atomnummer 3, anses därför inte lämpade att ingå i sensormaterialet.

En viss fördel uppnås om sensormaterialet föreligger i enkristallin form, eftersom förluster på grund av ljusspridning i korngränser, undvikes.

Pig 3 visar olika geometriska utformningar av temperaturgivarelementet enligt uppfinningen. Fig 3a visar den anslutande optiska fibern 6 innehåll- ande kärna 7 resp mantel 8 enligt känd teknik samt sensormaterialet 9 i form av en skiva anbringad mot fiberänden. Denna utförandeform är lämplig för sensormateríal med hög koncentration av luminiscerande joner, tex neodymjoner, vilket innebär kort absorptionsstrâcka för infallande excita- tionsljus. På grund av den koniska utbredningen av ljuset från fiberänden bör nämligen i denna utförandeform absorptionen ske inom ett avstånd från fiberändytan som ungefärligen motsvarar en fiberdiameter.

Fig 2b visar en lämplig utförandeform för sensormaterial med längre absorp- tionssträcka (lägre koncentration luminiscerande joner). För att undvika ljusförluster på grund av den koniska utbredningsformen är sensormaterialet 9 utformat som en cylindrisk ljusledare, t ex bestående av en kärna 10 och en mantel 11 med lägre brytningsindex än kärnans 10 på känt sätt.

I fig 30 har därutöver två linselement 12, 13 tillförts sensorn. Därigenom kan en större rymdvinkel av det luminiscerande ljuset kopplas in i fibern 6 med bättre signal till brusförhållande vid detektionen som följd. I samtliga utförandeformer 3a-c kan kapslingselementet IH, t ex ett i ena änden tillslu- tet rör, ingå för att skydda sensormaterialet 9 från påverkan av yttre miljö- faktorer, såsom fukt, korrosiva ångor, vätskor etc. Rörets 14 fastsättning mot fibern 6 kan ske med ett flertal alternativa metoder, såsom krympning, svetsning, limning etc. Materialet i röret 1Å kan också variera i olika tillämpningar. Krav på diffusionstäthet utesluter dock vanligen polymera, organiska material, varför i de flesta fall metaller, glas eller keramiska material föredrages.

Uppfinningen kan varieras på mångahanda sätt inom ramen för nedanstående patentkrav.

Claims (11)

5 448 186 PATENTKRAV

1. Fiberoptisk givare, bestående av ett sensormaterial (9) optiskt anslu- tet till minst en optisk fiber (6), k ä n n e t e c k n a d därav, att sensormaterialet (9) är kristallint och innehåller luminiscerande joner (1), samt att dessa joner (1) är så placerade i kristallgittret, att varje när- mast angränsande anjon (N) väsentligen uppvisar inversionssymmetri gentemot den luminiscerande jonen (1) och att detta material är avsett för temperatur- mätning.

2. Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att samtliga i sensormaterialet (9) ingående element har atomnummer, större än eller lika med tre.

3. Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att de luminiscerande metalljonerna (1) utgöres av sällsynta jordarts- I metaller, t ex neodym. U.

4. Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k n a d därav, att sensormaterialet (9) innehåller metalljoner, som ej luminiscerar, t ex joner av lantan, gadolinium, lutetium, yttrium, skandium, gallium, tallíum eller indium.

5. Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att sensormaterialet (9) utgöres av en enkristall.

6. Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att sensormateríalet (9) är anbringat mot ändytan på en optisk fiber (6) med en utsträckning i fiberns längsriktning, som ej avsevärt överstiger fi berns diameter.

7. Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att sensormaterialet (9) har formen av en cylíndrisk ljusledare (10, 11) med ett omgivande material (11) av lägre brytningsindex.

8. Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att de luminiscerande jonernas (1) placering i kristallgittret motsva- ras av någon av följande punktgrupper enligt nomenklatur given av Hermann- Mauguin: T, 2/m, mmm, 4/m, H/mmm, É, šm, 6/m, 6/mmm, m3, m3m, 1, 2, m, 222, mm2, 11, 5. 422. 14mm. ïêm, 3m, 6, 622, ómm, šmz, 23, ï3m samt 1132. 448 186 6

9. Fíberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 3, k ä n n e t e c k - n a d därav, att sensormaterialet har en stökiometrisk sammansättning enligt någonav formlerna Aa2AbNdxR11_xHa6, Aa5NdxR1_xAb2Ha1Û, BaRO,5_xNdxTa0,503, Nd Sn O 2 2 7 där förutom vedertagna elementbeteckningar, Aa, Ab betecknar alkali- metaller, R betecknar en sällsynt jordartsmetall, Ha en halogenidjon samt x < betecknar koncentrationen neodym angiven som molbrâk, varvid gäller att 0 < x í 1.

10. k ä n n e t e c k - n a d därav, att givaren innehåller minst ett ljussamlande element, t ex en lins (12, 13). Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 1,

11. k ä n n e t e c k - n a d därav, att givaren innehåller minst ett kapslingselement (1ü), t ex Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 1, ett i ena änden tillslutet rör.