SE449666B - Fiberoptisk temperatursensor - Google Patents

Description

'G1 15 20 25 30 35 449 666 2 har minst en tillåten mellanliggande energinivå mellan sitt vilotillstånd och det exciterade tillståndet, samt att de därvid uppkomna energigapen korre- sponderar med den maximalt tillåtna fononenergin i sensormaerialet så att energirelaxation via fluorescens respektive fononemission i det aktuella temperaturområdet har jämförbar sannolikhet. Lösningen enligt ovan möjlig- görs genom att en hittills i sammanhanget outnyttjad fysikalisk mekanism användes, vilken i sin tur medger en betydligt bredare bas vid sökande efter sensormaterial med lämpliga egenskaper. Energiövergångarna enligt ovan krä- ver medverkan av fononer, vilket orsakar en kraftigt temperaturberoende övergångssannolikhet. Där blir ocksådet experimentellt observerbara avkling- ningsförloppet hos fluorescensen temperaturberoende.

Ett material med ovan nämnda önskvärda egenskaper är yttrium-litium-fluorid dopad med erbiumjoner. Detta material uppvisar dessutom andra goda egen- skaper av betydelse, t ex god resistens mot mekaniska och kemiska angrepp, hög smältpunkt, goda optiska egenskaper.

Uppfinningen är närmare exemplífierad i bifogade figurer, av vilka figur 1a visar ett energínivådiagram, figur lb en utförandeform av temperatursensorn enligt uppfinningen. Figur 1c visar ett energi-nivådiagram. Figur 2a visar en utförandeform, där sensormaterialet utgöres av en tunn skiva, och figur 2b visar ytterligare en utförandeform, där sensormaterialet finfördelats i pul- verform.

Den utnyttjade fysikaliska mekanismen illustreras lämpligen i form av ett energinivådiagram, se figur 1a. Sensormaterialet befinner sig normalt i ett energetiskt grundtillstånd, nivån 7_i figur 1a. Vid absorption av optisk energi eller fotoner 3 exciteras sensormaterialet till ett högre energitillstånd 8. Övergången från grundtillståndet 7 till det exciterade tillståndet 8 kan antingen ske direkt eller i flera steg, varigenom andra tillåtna energitillstånd temporärt besättes. Genom olika slag av energi- överförande processer kan materialet ändå hamna i det metastabila excite- rade tillståndet 8.

De figur 1a inritade pilarna avser elektronrörelse från olika energitill- stånd. I elektriskt isolerande material är energitillstånden lokala, dvs elektronernas, och därmed energin, är lokaliserad på atomär'nívå. L ledande och halvledande material däremot, kan energinivåerna utsträckas över makro- ' skopiska avstånd; u 20 f\) uu 449 666 Det kännetecknande för det fluorescerande materialet är att energiövergångar från det exciterade tillståndet 8 till grundtíllståndet 7 (eller annat till- stånd med lägre energi än nivån 8) kan äga rum under utsändande av optisk energi, fotoner H. Sannolikheten för en sådan övergång bestäms av ofta rela- tivt komplicerade kvantmekaniska samband. Dessa bestäms bl a av de i sensor- materialet ingående atomernas eller jonernas egenskaper, de atomära bind- ningarnas natur samt kristallsymmetrin.

Utöver den fluorescerande energiövergången mellan tíllstånden 8 och 7 kan även icke-strålande processer äga rum. Energin överföres då till termisk energi i form av vibrationstillstånd i kristallgittret. Liksom optisk energi är kvantiserad i fotoner är vibrationsenergin kvantiserad is k fononer. En introduktion till fononteorin återfinns t ex i C. Kittel "Introduction to Solid State Physics", 3rd ed., Wiley, New York 1968, sid 131 f. Av denna framgår att det i varje material finns en maximalt tillåten fononenergi, som bestäms bl a av de i materialet ingående atomernas masstal. I allmänhet är denna maximalenergi betydligt lägre än de optiska energier som utnyttjas 1 fiberoptiska sensorer. För en direkt övergång från tillståndet 8 till till- ståndet 7 måste energin sålunda uppdelas i ett antal delkvanta. Enligt teo- rin för dessa energiövergångar minskar sannolikheten för en potensfunktion, där potensen ges av antalet delkvanta. I realiteten innebär detta att di- rekta övergångar från tillståndet 8 till 7 med fononemission är synnerligen osannolika.

Situationen förändras emellertid, om det finns ett eller flera tillåtna energitillstånd 5, 6, belägna mellan grundtillståndet 7 och det exciterade tillståndet 8. Då kan fononemissionen delas upp i mindre steg 9, 10, 11, med färre antal inblandade fononer per steg. Därigenom blir processens sannolikhet större.

Sannolikheten för att en viss energiövergång äger rum under en viss tid är omvänt proportionellt mot energiövergångens s k livstid. I fluoresce- rande material är den totala livstiden för det exciterade tillståndet 8 lätt att experimentellt observera genom att studera fluorescensens avkling- ningsförlopp. Med de ovan beskrivna två processerna får vi_ 1/1 + 1/I tot = 1/Tfoton fonon 30 35 449 see _ H 1/:tot är den experimentellt observerbara livstiden, 1/tfoton är övergangs- sannolikheten för den fotonemitterande (fluorescerande) processen och 1/1 övergångssannolikheten för den fononemitterande processen. fonon Eftersom kristallvibrationer (fononer) även_är ett uttryck för termisk J) energi i en kristall, kommer kristalltemperaturen att ha inflytande på fononprocessens sannolikhet, dvs 1 Om 1 och är av samma fonon' foton Tfonon storleksordning, blir den observerade livstiden rtot då temperaturberoende.

'Ir I den ovan beskrivna principiella mekanismen saknar koncentrationen av den fluorescerande jonen betydelse för förloppet. Vid höga koncentrationer eller närvaro av andra joner med energinivåer i eller kring det aktuella energi- intervallet kan temperaturens inverkan på livstiden styras av andra faktorer.

I figur 1c visas ett energínivådiagram, där en exciterad jon (figurens vänstra del) överför energi till en grannjon (figurens högra del) via ett fenomen, som brukar kallas "cross-relaxation". Jonerna har i detta fall även en ovanför liggande energinivå 21, till vilken elektroner kan excite- ras via optisk absorption 3 till excitationsnivån 8 och termisk excitation 22, vilket kräver medverkan av gittervibrationer (fononer). Om energiavstån- det mellan nivån 21 och grundtillståndet 7 delas i tvâ relativt lika stora energigap av en mellanliggande nivå 5, kan energiurladdning ske genom att den exciterade jonen deexciteras till nivån 5 samtidigt som grannjonen exci- teras till denna nivå. Ätergång sker därefter till grundtillståndet 7 i båda jonerna. Sannolikheten för det ovan beskrivna förloppet är beroende dels av energiavståndet mellan nivåerna 8 och 21, temperaturen, eller annorlunda ut- tryckt, tillgången på fononer av tillräcklig energi för övergången 22, samt jonkoncentrationen.

Det finns en mångfald fluorescerande material och kombinationer av material som kan ges det principiella energidiagrammet enligt figur Ia och 10. Den fluorescerande övergången och de mellanliggande nivåerna 5, 6 behöver inte härröra från samma delkomponent i materialet. Man kan sålunda dopa en värd- kristall dels med en fluorescerande jon, dels med en eller flera joner eller komplex, som bildar de mellanliggande nivåerna.

Den ovan beskrivna, grundläggande mekanismen ger stor frihet i val av senscrmaterial. Värdkristallen kan väljas utifrån krav på god mekanisk, 19 termisk och kemisk beständighet samt formbarhet. De erforderliga fluore- scensegenskaperna tillhandahålls genom dopning med måttliga koncentratio- ner av joner av sällsynta jordartsmetaller, vilka har väl dokumenterade energidiagram. En lämplig materialkombination har visat sig vara yttrium- litíum-fluorid med erbium som fluorescerande jon.

Claims (8)

g 10 15 20 449 666 Figur 1b visar en utförandeform av temperatursensorn enligt uppfinningen. Infallande ljusstrålar 19 leds genom totalreflexion på känt sätt i den optiska fibern 2 fram till sensormaterialet 1, som placerats intill fiber- ändytan. Sensormaterialet har polerats så att totalreflexion 13 även äger rum i dess yta och håller kvar den optiska energin i materialet 1 till dess att absorption sker och återemission av det fluorescerande ljuset 20 tillbaka in i fiber 1 för mottagning och signalbehandling i fiberns 1 andra ände. Ett fästelement, t ex ett glasrör 12, användes för fixering av sensormaterialet 1 mot fibern 2. Svetsning eller limning är föredragna fixeringsmetoder. Alternativa utförandeformer är avbildade i figur 2 a och b. Figur 2a visar en utförandeform, där sensormaterialet utgöres av en tunn skiva, som via fästelement 15 anbringats mot fiberändytan. För att tillräckliga absorp- tionssträckor skall uppnås, har skivan belagts med reflekterande belägg- ningar 14, varigenom ljuset även i detta fall hålls kvar i materialet tills absorption äger rum. Typiska värden på absorptionssträckor är 2-3 mm, medan fiberns kärndiameter endast är 0,1 mm. Den reflekterande beläggningen 14 har alltså som uppgift att minska de optiska förlusterna till omgivningen. Figur 2b visar ytterligare en utförandeform, där sensormaterialet 1 finför- delats i pulverform 17 och införts i en sluten cylindrisk kapsel 16 med reflekterande beläggning 18 för att medge lång absorptionssträcka. Uppfinningen kan varieras på mångahanda sätt inom ramen för nedanstående patentkrav. PATENTKRAV

1. Fiberoptisk temperatursensor för optisk avkänning av ett temperatur- mätvärde, innehållande minst ett fluorescerande sensormaterínl (1), vars fluorescensavklíngning på ett förutsägbart sätt beror av temperaturen, samt minst en optisk fiber (2) för transmission av dels exciterande optisk energi (3) till det fluorescerande sensormaterialet (1), dels fluorescens- ljus (H) från sensormaterialet (1), k ä n n e t e c k n a d därav, att sensormaterialet (1) har minst en tillåten mellanliggande energinivå (5, 6) mellan sitt vilotillstånd (7) och det exciterade tillståndet (8), samt att de därvid uppkomna energígapen (6-7, 6-5, 5-8) korresponderar mot den maxi- malt tillåtna fononenergin i sensormaterialet (1) så att energirelaxation via fluorescens (H) respektive fononemission (9, 10, 11) i det aktuella temperaturområdet har jämförbar sannolikhet. 449 666

2. Fiberoptisk temperatursensor enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d därav, att sensormaterialet (1) är placerat i optisk förbindelse med den optiska fiberns (2) ena ändyta, samt att minst två ytor av sensor- materialet (1) är blankpolerade eller på annat sätt behandlade för att ge totalreflexion (13) av strålar inom ett visst vinkelintervall.

3. Fiberoptisk temperatursensor enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d därav, att sensormaterialet (1) försetts med en reflekterande be- 'u läggning (14) på huvuddelen av sin mot omgivningen riktade yta. Ä.

4. Fiberoptisk temperatursensor enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d därav, att sensormaterialet (1) Föreligger i pulverform (17), och att det inneslutits i en rörformad kapsel (16), vilken är försedd med minst en reflekterande beläggning (18).

5. Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d därav, att sensormaterialet (1) innehåller identifierbara delkompo- nenter, ur vilka uppkomsten av fluorescens (H) och fononemission (9, 10, 11) via mellanliggande tillstånd (5, 6) kan härledas ur delkomponenternas atomära egenskaper.

6. Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k - n a d därav, att delkomponenterna utgöres av joner av övergångsmetaller_ eller sällsynta jordartsmetaller, t ex nickel, krom, järn, vanadin, neodym, erbium, holmíum, ytterbium, europium.

7. Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k - n a d därav, att sensormaterialet utgöres av erbiumdopad yttrium-litium- fluorid.

8. Fiberoptisk temperaturgivare enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k - n a d därav, att sensormaterialet (1) via termisk excitation (22) från det optiskt exciterade tillståndet (8) är anordnat att uppnå ett ytterligare förhöjt excitationstillstånd (21), varifrån deexcitation till grundtillstån- det sker via växelverkan mellan närliggande joner i sensormaterialet (1). i