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Α7 Β7 五、發明説明（1 ) 發明範圍 本發明係有關於一種分光儀光學探針，更特別是有關於 —種強固式構造之光學探針，適用於分光儀之原地測量。 發明背景 不同的分光儀技術可分別用以分析化合物之組成，並可 監視化學反應之進展。所選用之技術，視所需資訊將採用 不同波長之放射線。 紅外線分光儀是利用與被照射物反應之輻射線是介於 〇·77毫米與1〇〇〇毫米間之波長。在紅外線光譜之一區段， —般稱之爲近紅外線分光儀’其利用介於〇77毫米與25毫 米間之輻射波長。紅外線與近紅外線分光儀，一般是利用 輻射線穿過物件時的吸收特性》依據吸收頻率，可提供被 照射物之化學、物理特性或分子結構。 紫外線與可見光分光儀，是利用介於1〇毫微米與350毫 微米間之紫外線波長’以及可見光介於35〇毫微米與7〇0 毫微米間之波長。紫外線以及可見光方法，是測量在輻照 後經由電子變化所吸收之輻射線；該特定吸收波長特性將 因物體分子結構而異，目前正研究中。 喇曼分光儀爲另一種可獲得物質之化學、物理、分子特 性之裝置。入射輻射線與物質交互作用後，發生沿全方向 之散射作用，放射線可能以具彈性或非彈性方式散射。非 彈性散射之輻射線現象，爲一般所稱之喇曼散射器。該輻 射線之波長與密度稱爲味]曼頻譜，可提供被照射物之化學 與結構相關資訊。 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） --------< 裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央梯隼局負工消費合作社印製 293878 A7 B7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 五、發明説明（2 ) 冷光分光儀將量測分子所發射之光子。它包含光子式冷 光，例如螢光現象以及磷光現象，係因吸收輻射線之後由 物體所產生發射現象；以及化學冷光現象，係經由化學反 應所產生。所產生之放射線係依分子結構特性而異。 所有這些分光儀技術，有助於獲得化學物質之定量與定 性資訊。紅外線、近紅外線以及，曼頻譜，可提供最佳分 子結構資訊。 常需在無遮敝環境下，分析化合物之化學成份或監視化 學反應進度。例如需要針對高溫'高壓之反應氣流，或是 在具腐蚀性或強蚀性溶劑下分析。目前是將光子分光儀裝 置’包含攝譜儀以及遠離被分析物之輻射源進行原地分析 ’並且經由光纖導管聯接至分析裝置。光纖以及操作環境 間之介面係經由探針完成，也就是俗稱分光儀探針或光纖 探針。 已有數種分光儀探針正使用中。美國專利第3,906,241號 發明，係應用液體分析並裝有三組光纖通道，其中之一係 由輻射源傳載輻射線至探針偵測頭，第二組由偵測頭迴遞 輻射線，第三組將被散射之喇曼輻射線傳載至感測裝置。 在美國專利第4,573,761號之探針，包含至少一組用以將光 線傳送至被分析物之光纖，至少有二組光纖用以收集由被 分析物反射之輻射線；該收集光纖將以小於45度之角度收 斂至傳送光纖軸。美國專利第4,707,134號之光纖，包含數 個位於外殼内呈收斂之光纖，該外殼在其一端以透明式視 窗所密封。對於複合物使用剩曼分光儀之原地偵測方式， -5- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210Χ297公釐） ---------------ir------( (請先閲讀背面之注意莱項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（3 ) 已揭示於美國專利第4,8G2,761號，其中該收集單元係聯接 至遠距感測裝置之一束光纖。 本發明所欲解決之問題 如前所述之分光儀探針，可由數家供應商獲得。這些現 有炙探針設計極爲ϋ且昂貴；可能另包含將數個光纖校 準之精密儀具、鏡片以及視窗，以及用以將探針部份元件 組裝之襯墊材料與黏著劑。這些探針可能因高溫高壓、 強力化學溶劑而破壞，因此發生洩漏、未對準以及其他破 壞現象’以致影響探針性能。因此，有必要提供容易製造 之強固式設計與構造，使能應用於惡劣環境但不會損及其 性能。本發明之光儀光纖探針可達成上述目標。 發明概述 依據本發明，一種防水式分光儀光學探針包含防水式外 般、具端面之尖部可在外毅之尾端予以封閉；激發光纖之 尾端終止於尖部之端面，沿著外殼内部全長延伸，並由輻 射源處傳送輻射線至被照射之化合物以進行分光儀分析； 光纖接收端終止於尖端之端面，沿外殼内部全長延伸，並 將被照射物件所反射之輻射線傳送至遠離被照射物之偵測 裝置；其中該激發與接收光纖通道，藉由銲接環裹方式， 將每一通道在尖部處完成牢固接合並予以密封住。 組成本發明分光儀光學探針之一種方式，係包含在尖部 之端面處構成一凹穴，在凹穴填入鎔化的金屬銲劑，泠卻 凝固之後成爲一栓柱；以圓形切面之緊密分置孔穿透過尖 部以及栓柱，孔徑之橫切面之大小略大於包含激發與收集 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） (請先閲讀背面之注意寒項再填寫本頁) 裝· 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 2938/8 A7 -- ---B7 - 五、發明説明（4 ) 通道光纖之橫切面大小；將每一光纖之—端插入尖部之孔 並穿過栓柱’光纖之尾端爲尖部端面之連續面一部份；在 桿柱加熱達到某一高溫之後’可造成桿劑在光纖四週流動 ，检柱冷卻至室溫，可將光纖尾端固定在尖部端面之栓柱 ’再經由研磨以及拋光之後成爲尖部端面之連續面—部份 ’由此構成鏡面式之平滑端面》 本發明之功效 本發明提供一種光纖探針，既容易製造又能承受惡劣環 境之使用條件，不但不會被破壞並且能在該條件下提供有 用之分光儀結果。 附圖之簡單説明 圖1爲本發明具體實例局部剖面圖，並特別標示位於探針 尖端部之光纖尾端。 圖2爲圖1所示具體實例之正面剖面圖。 圖3爲圖1所示具體實例之正視圖。 圖4爲具體實例局部剖面圖包含具凹面鏡之反射面尖部。 具體裝置之詳細説明 如圖1、2、3所示爲本發明所使用之具體實例β光纖探針 100包含外殼101，在其尾端爲尖部1〇2所密封。二組光纖 f 103與104,其中之一爲由輻射源提供輻射線至被分析物之 ^激發通道’另一爲由被照射物傳送輻射線至位於遠端處偵 測裝置之收集通道，係由尖端之端面105沿外殼全長所延伸 >'/ 。所展示之具體實例包含單一激發通道以及單一 ^通道 之簡化構造。如美國專利第4,707,134號所揭示，僅使用單 本紙張尺度適用中國國家梯準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） I ^ 裝 訂 ί (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 五、發明説明（5 ) 光纖系統即足以由發光二極體鐳射、或二極體鐳射傳 送光線，該專利爲本發明參考之一。本發明所使用之探針 ，可包含二至六組光纖收集、激發通道或二種兼有之。其 中一種所使用t光纖結構，爲單一激發通道並由六個集成 之束之收集通道所包圍’如美國專利4,573,761號所揭示 ’該專利爲本發明參考之一。 在尖部102之端面1〇5具有—凹穴1〇6，充滿之鎔化的金 屬銲劑，在冷卻之後將構成固化之銲柱1〇7。該銲柱具有 將光纖尾端在探針尾端尖部面予以固定與密封之功能。 本發明之探針構造，具有緊密排列之圓形橫切面孔，該 孔較鑽過尖部與銲柱之光纖橫切面略大。光纖將緊密插入 每一孔，每一光纖尾端構成尖部端面之連續面部份。尖部 背部具有凹穴108，有助於將光纖插入孔内。 ，銲柱被加熱至足夠令銲劑在光纖尾端四週流動。在加熱 過程，需要在銲柱處加入額外銲劑以補充沉澱現象。在將 銲柱冷卻至室溫時，光纖將被密封並固定在尖端尾端面。 '尖部面經由後續之研磨與拋光將具有平滑之鏡面。 在將光纖尾端密封與固定在尖部之端面，必須小心控制 鮮柱之加熱量，以避免將光纖之石英玻璃軟化。當嘗試在 尖部鑽適當大小孔洞，使能配合光纖穿過尖部用以將光纖 固定，在將光纖尾端插入孔洞，塗上銲劑以達到密封效果 時’最有可能破壞到光纖，尖部一般是以不銹鋼所製成。 依據本發明之方法，在尖部之端面鑽孔插入光纖之前若先 完成銲斧’可能對光纖造成之傷害將降低利最低程度。孔 -8- 本紙伕尺度適用中國國家標率（CNS ) A4規格（210X297公釐） 請 先 閲 之· 注 意 事* 項 再 填 f裝 頁 訂 經濟部中央揉準局負工消費合作社印裝 A7 B7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（6 ) 洞之尺寸大小應剛好可插入光纖，將样柱加熱至足夠令鲜 劑在光纖尾端處流動，因此在冷卻時可將尾端固定並密封 住。爲了能更進-步減少密封所需之加熱量，並同時避免 在使用探針時之不均勻膨脹現象，希望能以最小量鲜柱以 完成光纖之固定密封作用。 本發明探針所使用之光纖，爲階躍型多模式光纖，該光 纖可由數家商業公司購得，例如紐澤西州史特靈鎮菲伯垓 公司。其直徑由1毫米至1000毫米不等，較常使用爲200毫 米至400毫米之間。喇曼以及冷光分光儀所使用之光纖大約 在200¾米直徑左右；對於紫外線/可見光以及近紅外線量 測儀具，光纖之直徑大約爲4〇〇毫米。 本發明使用之光纖包含一個石英玻璃蕊丨〇9，被強化石英 110之内層所環裹，再由附加銲劑之薄金屬外層n丨所包圍 ，通常是使用黃金材料。金屬層U1有助於將光纖黏著在銲 柱上，如美國專利第4,〇33,668所揭示，爲本發明參考之一 〇 探針之外殼與尖部可由不同金屬材料所製成，例如銅或 鈥。較常採用之金屬爲線基合金以及不銹鋼。在尖部用以 密封與固定光纖之銲劑，可抵擋住化學腐蝕；其融點應足 夠承受探針在惡劣環境之使用。本發明之具體實例，可在 500 C、壓力高達30,〇〇〇碎/每平方英寸之下使用，而不會受 到破壞》當然’銲劑之融點應能低至可在光纖尾端達到固 定之功能，而不會將玻璃軟化。用以將光纖尾端固定之鮮 劑材料，其融化溫度大約在600X至110(TC，通常爲白銀或 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

T 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央梯隼局員工消費合作社印製 A7 —_________ ____ 五、發明説明ρ ) 黃金鮮劑’其它銲劑也可將尖部之探針固定在外殼β 在組製探針時，會有達全長〇 5 %之一小段裕度，係由尖 部沿著外殼開始延伸。此弛度可防止光纖之應力現象以及 裂痕發生’因爲探針之金屬部份與光纖玻璃在高溫時會有 不同的膨脹率。位於尖部遠端處之光纖尾端與輻射源以及 分光儀是以所知方式聯接，例如S Μ Α接點。 偵測裝置可能是使用紫外線/可見光、近紅外線、以及冷 光或喇曼頻譜儀，其中輻射源可能位於遠端處並藉由光纖 聯接至探針，如美國專利第4,802,761所述，爲本發明參考 之。輕射源之種類視不同分光儀而異，可能使用之種類 有氬 '氘、紫外線/可見光之鎢絲燈、鎳鉻合金線、能思脱 燈、以及近紅外線或紅外線之改良式函素燈，以及鐳射， 特別是用於喇曼以及冷光分光儀之二極體鐳射。 探針可插入管線或反應器中，以防水方式固定，例如螺 絲、銲接或其他可密封之接頭》雖然本發明探針之強固式 構造，有助於在高溫與高壓之惡劣環境下監視化學成份， 但並限制在該條件使用而已。本發明之探針，其外形與尺 寸適用於原地分析使用’例如使用喇曼光譜量測儀具可在 活的有機髏中應用，如美國專利第3,906,241所揭示，爲本 發明參考之一。 本發明之光纖探針特別適用於喇曼分光儀量測儀具，如 Schwab等人所著分析化學Anal· Chem 1984年版第56册第 2199-2204頁所述，爲本發明參考之一。本發明之探針也可 應用於發射/反射頻譜儀’例如紫外線/可見光以及近外線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝. -10-

293878 A7 B7 經濟部中央楳準扃肩工消費合作社印策 五、發明説明（8 ) 量測儀具。如圖4所示，爲圖j所示具體實例之詳圖，另包 含反射面頂蓋201，包含凹面鏡2〇2以及流動通道2〇3。流 動通道有助於化學物流過探針頂端，鏡片之曲面構造，以 及放置於離尖部之適當位置，使能由被照射物獲得最大輻 射線’並爲收集通道所匯集。 本發明所提供之光纖探針，爲設計簡單易於製造，其強 固式構造有助於延長使用壽命，即使在高溫與高壓之惡劣 的環境下使用，仍爲可靠度極高之光譜量測儀具。本發明 探針t絕佳性能與一般商店購得數種探針，在以下之情形 大不相同，即使該探針已註明可承受高達3 〇(rc以及相當 高壓使用。在化學纖維製造程序中，所使用溫度在2〇〇β(：_ 300°C之間，本發明之探針將在其延長使用期間，仍獲得 相當可靠量測性能，但由商店購得之—種探針，包含光纖 條棒、鉍片、以及位於金屬外殼之視窗，當條棒變鬆或歪 斜時會掉落。另一種不同設計之，商用探針，使用環氧樹醋 用以固定住一束光纖，在處理過程之短暫測試時發生碳化 以及分解現象。在其他時段，該探針具保護之視窗密封件 崩壞，造成聚合物洩漏至裝有光纖之容器。最後，在測試 另一種店購探針雖可承受3 〇〇χ以及高壓，其保護用藍保 石視窗掉落至製造氣流中而五無法修復。這些可由商店購 f得之光纖在惡劣的操作環境中重複發生失敗現象，證實了 ^本發明之強固式分光儀光學探針。 以下爲本發明之數項實例。 範例1 -唞曼探對用以監梘批次化學反應 (請先閏讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝.

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發明説明（9 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 如圖i-3所示之光纖探針。二個4〇〇毫米内徑鍍金光纖由 t澤西州史特靈鎮菲伯核店購得，爲採用俄亥俄州辛辛納 提J· W. Hams公司購得之Safety Silva>45銲劑之銀銲，銲接 於0.25英吋直杈316號不銹鋼管徑主體。在冷卻之後，探針 尖端在磨光成鏡面β並以信號測試其性能。用做喇曼分光 儀探針用以視化學反應三小時以i，在此㈣間溫度高 達220°C。獲得絕佳之光譜資料，且探針減號衰減現象。 2 -剩曼探針用以監視劁谱彳思赶 與圖1-3所相似之光纖探針。二個2〇〇毫米内徑鍍金光 纖由紐澤西州史特靈鎮菲伯垓店購得，採用銀銲，銲接於 〇、·25英吋直徑316號不銹鋼管徑主體。在冷卻之後，探針 尖部磨光成鏡面，並以信號測試其性能。探針安裝於製造 之流程中，並聯接至喇曼分析儀。該製程之操作壓力在。 至30磅/每平方英寸之間，溫度在2〇〇。(：至23〇。(：之間。經 由數個月有效之頻譜資料收集，將探針由製程中移去。在 移去探針後觀察探針，發現暴露在製程環境之長度仍可有 效的保存其性能。 探針用以監視製造流葙 如圖4所示，爲近紅外線分光儀所使用 面尖部包含-凹鏡…個4。。毫米内徑艘金：纖= 銲，銲接於0.25英吋直徑3 16號不銹鋼管徑主體。在冷卻 之後，探針尖端磨光成光滑鏡面。反射面包含一凹面鏡， 固定於探針尖部後完成探針組裝。探針安裝於製造流程中 。操作溫度高達3〇〇。(：，壓力在1〇00磅/每平方英寸之上 •12- 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4g ( 210X297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝·

、1T A7 B7 五、發明説明（1〇 。經由二個月有效之頻譜資料收集，將探針由製程中移去 β在移去探針後觀察探針，發現暴露在製程環境之長度仍 可有效的保存其性能。 範例4 -在考—屯體之紫外線/可見光探針用以監視色彩 如圖3所示之光纖探針，插入一個突出體，用以監視鎔化

的聚合物之紫外線/可見光頻譜。氣流之操作溫度高達US °C /壓力高達250磅/每平方英寸。探針在數天測試中 持良好。 本發明並不受前述項目限制其範圍，各相關修改與 皆不應違反本發明之專利範圍或精神。 、 I I , 裝 訂 1' (請先閲讀背面之注意夺項再填寫本頁) 經濟部中央標準局貝工消費合作社印裝 13- 表紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) ( 210X297公釐

Claims (1)

1. 六 、申請專利範圍 1. 一種防水式分光儀光學探針，包含： (a ) —防水外殼； (b) —尖部具有端面，該尖部可密封該外殼之一尾端 * (c) 一光纖激發通道，係終止於該尖部之該端面在沿 該外殼内部全長延伸，該琴發通道由一輻射源傳送輻射 線至一被照射之化學物以供分光儀分析；及 (d) —光纖收集通道，係終止於該尖部之該端面並沿 該外殼内部全長延伸，該收集通道由一被照射之化學物 傳送輻射線至偵測裝置，該偵測裝置係遠離該化學物放 置； 厂其中該光纖激發通道與該收集通道，每一皆使用銲接方 、法環裹住每一通道，固定住並密封於該尖部。 2. 根據申請專利範圍第1項之探針，其中該激發通道以及 該收集通道’每一皆包含一光纖係具有環形切面，該光 纖之直徑爲1毫米至1〇〇〇毫米。 3 ·根據申請專利範圍第1項之探針，另包含一反射面端蓋 ，其係包含一凹面鏡，該端蓋緊鄰該尖部係可將輻射線 由該激發通道反免至該收集通道β 4. 根據申請專利範圍第丨項之探針，其中該偵測方法勺 —分光計。 匕 5. 根據申請專利範圍第4項之探針，其中該分光計係紫 線-可見光分光計（UV/VIS)、近紅外線分光計、县 光計、或冷光分光計。 制曼分 (請先聞讀背而之注意事項存填寫本萸) 装· 經濟部中央榡準局貝工消費合作衽印製 -14- A8 B8 C8 D8 經濟部中央棣準局員工消費合作社印製 #、申請專利範圍 6·根據申請專利範圍第5項之探針，其中該分光計係喇曼 分光計，該輻射源爲鍚射。 7·根據申請專利範圍第6項之探針，其中該鐳射係二極體 錄射。 ί' 種方法用以完成防水式分光儀光學探針，包含一防水 I外殼，以及尖部具有端面，係可密封住該外殼之一尾端 I ’该外殼以及尖部係由金屬所製成；—激發通道由一輻 | 射源傳送輻射線至一被照射之化學物以供分光儀分析； —收集通道，由一被照射之化學物傳送輻射線至偵測裝 置’每一通道包含一光纖係具有圓形切面，每一該光纖 之一端係終止於該尖部之該端面並沿該外殼内部全長延 伸；該方法包含： (a) 形成一凹穴且位於該尖部之該端面； (b) 凹穴内充滿録化之金屬銲劑，該銲劑經冷卻後固 化成銲柱； (c) 以圓形切面之緊密分置孔穿透過該尖部以及該栓 柱，孔徑之橫切面大小略大於該光纖之橫切面大小； (d) 將每一光纖之—端插入該孔係穿透該尖部並進入 該栓柱，因此可充滿位於該尖部之孔以及該检住，該尾 端構成尖部該端面連續面之—部份； (e )將該銲柱加熱達到某一高溫之後，可造成样劑在 該光纖四週流動； (f)銲柱冷卻至室溫，可將位於該尖部該端面之光纖 尾端固定並密封；及 -15- 本紙張尺度適用中國國豕標準（CNS ) A4規格（2丨〇><297公聲） t^— mV —^n ^^^^1 ι^ϋ fl^n na^i n^i ^^^1* I Γ· ,-¾ (請先閱讀背面'之注意Ϋ·項再填寫本頁) A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 (g)再經由研磨以及抛光之後成爲尖部速續面疋一部 伤’由此構成鏡面式之平滑端面。 9 ·根據申請專利範圍第8項之方法，其中每一该光纖直徑 爲200毫米至4〇〇毫米。 10.根據申請專利範圍第8項之方法，其中每一該光纖直徑 包含階躍型多模式之光纖。 請 先 閲 讀 背 冬. 事 項 再 奢 裝 訂 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 -16 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X297公釐）