專利名稱：堅固的光譜光探子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光譜光學(xué)探子，特別是一種結(jié)構(gòu)堅固，很適合用于現(xiàn)場光譜測量的光探子。
各種光譜技術(shù)常用來確定組合物的構(gòu)成，并且監(jiān)控化學(xué)反應(yīng)進程和步驟。對技術(shù)的選擇，包括所使用的輻射線的波長，取決于所要求的信息。
紅外(IR)光譜是基于具有波長在0.77μm和1000μm之間的紅外輻射的化學(xué)物質(zhì)的之間的相互作用而產(chǎn)生的。被稱作近紅外(NIR)光譜的紅外光譜片斷，使用波長在0.77μm和2.5μm之間的輻射波長。當(dāng)射線穿過一個樣本時，IR和NIR光譜一般包括輻射的吸收。這種吸收頻率提供了關(guān)于所照射物質(zhì)的化學(xué)和物理特性或者分子結(jié)構(gòu)的信息。
紫外(UV)和可見光(VIS)光譜法使用具有波長在10nm和350nm之間的波長的UV輻射，以及波長在350nm和770nm之間的可見輻射。UV/VIS技術(shù)測量通過分子的電子遷移放出的輻射的吸收率；被吸收的特殊波長是被測量物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)的特性。
拉曼(Raman)光譜是另一個分析手段，通過這種手段，材料的化學(xué)，物理，以及分子的信息都能被獲得。與材料進行相互作用的入射輻射被散射，這種散射在四面八方發(fā)生；這種輻射可以被彈性地或非彈性地散射。非彈性地散射型輻射被稱作拉曼散射。這種輻射的波長與強度包括能提供關(guān)于被照射的材料的化學(xué)和結(jié)構(gòu)信息的拉曼光譜。
發(fā)光光譜涉及到從分子中光子發(fā)射的測量。它包括光致發(fā)光諸如熒光和磷光，和化學(xué)致發(fā)光，光致發(fā)光是由于輻射吸收使物質(zhì)激發(fā)而導(dǎo)致的物質(zhì)的發(fā)射，在化學(xué)致發(fā)光中噴射是由一個化學(xué)反應(yīng)引起的。所噴射的輻射是分子結(jié)構(gòu)的特性。
所有這些光譜技術(shù)都是用于獲得關(guān)于化學(xué)材料的定性和定量的信息。IR，NIR以及Raman光譜技術(shù)提供了大量的關(guān)于分子結(jié)構(gòu)的信息。
確定組合物的結(jié)構(gòu)或者監(jiān)控化學(xué)反應(yīng)的進展，都經(jīng)常地是針對在惡劣的環(huán)境中的材料進行。例如，可能要求分析在高溫和/或者高壓和/或者腐蝕性的物質(zhì)或者強溶劑的條件之下的工業(yè)生產(chǎn)液流。眾所周知，把光譜光度測量儀器，如攝譜儀和輻射源，放在一個地點，這個地點遠離將在現(xiàn)場被分析的物質(zhì)，并且通過包括光纖在內(nèi)的輻射導(dǎo)管，把儀器與取樣現(xiàn)場相連。這些光纖和處理過程環(huán)境之間的接口通常是由探子連接，經(jīng)常稱作光譜光學(xué)探子或者光纖探子。
有很多光譜探子已經(jīng)被發(fā)明。例如，美國專利號3,906,241就描述了一個用在分析流體時使用的探子，這種探子由三個光纖通道組成，一個通道用于攜帶輻射源到探子檢測頭，第二個用于從檢測頭返回輻射，第三個用于將散射Raman輻射攜帶到檢測設(shè)備。美國專利號4,573,761敘述了一個探子，該探子包括至少一個用于傳輸光線進入樣本的光纖和至少兩個用于從樣本中收集輻射的光纖，收集用光纖與傳輸用光纖的路線交叉的角度應(yīng)小于45度。美國專利號4,707,134描述的探子包括許多放在一個在一端由透明的觀察窗封閉的盒內(nèi)的會聚的光纖。利用Raman光譜的合成現(xiàn)場檢測方法在美國被專利號4,802,761公開，其中的收集單元通過光纖束連接到遠程感測設(shè)備。
正如以上所述，光譜探子在以前的發(fā)明中已經(jīng)有了很多的描述，同時也有若干個這樣的裝置已經(jīng)由很多的賣主供應(yīng)。這些已知的探子總是被設(shè)計得很復(fù)雜，因此制造起來也很昂貴；例如，他們可能包括精心確定的排放的若干條光纖，透鏡和觀察窗，以及填充材料和用于粘合和密封探子各組成部分的粘合劑。在惡劣的處理環(huán)境中，這樣的探子對高溫，高壓和強化學(xué)溶劑造成的破壞敏感，從而導(dǎo)致漏檢，不對準以及其它對探子性能有不良影響的惡化形式。因此，有必要發(fā)明一種更容易制造，且堅固性好，能適應(yīng)于災(zāi)難性環(huán)境而又不會因此降低性能的光譜探子。本發(fā)明的光譜光探子充分滿足了這一需要。
依據(jù)本發(fā)明，一個不滲透的光譜光學(xué)探子包括一個不滲漏外殼，該不滲透的外殼具有一個密封地連到外殼的一個端口的端表面的末端；一條光纖激勵通道終止于末端的端表面，并且在外殼的長度范圍之內(nèi)擴展，從輻射源將輻射傳輸?shù)揭环N組合物，這種組合物擬通過照射而獲得光譜的分析；一條光纖收集通道終止于末端的端表面，并且在外殼的長度范圍之內(nèi)擴展，從輻射源將輻射傳輸?shù)竭h端檢測裝置；其中的光纖激勵和收集通道是被安全地安裝和密封在末端之內(nèi)，密封的方式是在每一個通道周圍通過焊接裝置進行焊接而成。
用于形成本發(fā)明的光譜光學(xué)探子方法包括在末端的端表面形成一個空腔；用熔鑄的金屬焊料填充空腔，它可以在冷卻后固化成為一個插銷；形成具有環(huán)形截面的密排洞，其中的所述洞穿透末端和插銷，而洞的截面略大于構(gòu)成激勵和收集通道的光纖的截面；將每一個光纖的末端插入穿過末端的洞和插銷，而其中的光纖的末端實際上形成一個末端的接口表面的繼續(xù)不斷的接口面；加熱焊料插銷到足夠的溫度以使得焊料在光纖周圍形成流體；使插銷冷卻到環(huán)境的溫度，進而保護和密封光纖末端在位于末端的端表面內(nèi)的插銷中；以及研磨和搽亮基本連續(xù)的末端端表面并形成光潔的端表面。
本發(fā)明提供一個光學(xué)探子，這種光學(xué)探子制造起來容易，而且也能夠經(jīng)受災(zāi)難性的環(huán)境條件而不會造成破壞，并且在這樣的條件下也能產(chǎn)生有用的光譜結(jié)果。


圖1是一最佳實施例的部分是剖視的局部等距圖，它仔細地描述了在探子末端的光纖端部。
圖2是圖1實施例的局部剖視圖。
圖3是圖1的實施例的一個端部分解圖。
圖4是實施例的局部剖視圖，其中實施例包括配備有一面凹鏡的反射器帽。
在圖1，2，3中顯示了本發(fā)明的一個優(yōu)選的實施例。光學(xué)探子100包括外殼101，它在一端由末端102封閉。兩條光纖103和104，一條作為用于從源輸送到擬被分析的組合物的激勵通道，另一條包括作為傳輸從被照射的組合物來的輻射至位于遠處的探測裝置的收集通道，通過容器的長度從末端的端表面105擴展。所描述的實施例包括一個單一激勵通道和一個單一收集通道，這簡化它的構(gòu)造。如美國專利號No.4，707,134所述的，在這里可一并用作參考，單個纖維足以傳輸來自發(fā)光二極管，激光，或者二極管激光器的光。但本發(fā)明的探子可以包含兩至六個光纖收集和/或者激勵通道。在光纖的一種可用的配置中，在一個光纖束之內(nèi)的一個單一激動通道被六個收集通道圍繞，如美國專利號4,573,761所揭示的那樣，在這里可一并用作參考。
在末端102的端表面105上面形成一個空腔106，這個空腔被用熔融的金屬焊料充滿，所用這種焊料在冷卻時被固化成焊料插栓107。這個插銷包括用于在探子末端的端表面上保護和密封光纖的末端的裝置。
在本發(fā)明的探子的構(gòu)造中，穿過末端和焊料插銷鉆出其環(huán)形截面比纖維截面稍微大一些的緊鄰的洞。一條光纖插入在每一個洞中以便裝滿它，在每一條光纖的端部形成一個充分地和末端的端表面基本上連續(xù)的端表面。空腔108可以在末端的后面形成，以便有利于光纖插入洞中。
焊料插銷被加熱到足以造成焊料圍繞光纖端部流動的溫度。在加熱期間；一小部分附加的焊料可能用于加入到插銷中以便彌補由于安裝設(shè)置帶來的損耗。當(dāng)插銷冷卻到環(huán)境溫度時，光纖被密封和固定在末端的終端表面內(nèi)。然后末端表面研磨和打光提供一個光亮光滑的表面。
在密封和保護末端的端表面上光學(xué)端部過程中，焊料的加熱必須細心地加以控制以避免軟化纖維的石英玻璃。如果通過鑿一個很大的，足以通過末端(最好是由不銹鋼制造的)的洞，在洞中插入光纖結(jié)端子，并且用焊料完成密封來固定光纖，對光纖來說破壞的可能性是很高的。依據(jù)本發(fā)明的方法，對光纖的破壞的可能性最大限度地通過在鑿洞以便接收光纖之前將焊料插銷形成在末端的終端面上來減少。洞的直徑應(yīng)該僅僅允許光纖插入到它們中；然后焊料插銷被加熱到剛好能造成焊料圍繞光纖端部流動，因此在端部冷卻時它將得到固定和密封在末端中。為了進一步減少密封要求的熱量，而且也避免在使用期間在探子末端之內(nèi)不平均的膨脹，最好是焊料插銷的尺寸是為確保安全密封光纖所必要的最小尺寸。
用在本發(fā)明的光學(xué)探子中的光纖最好是階躍折射(step-indexed)多模光纖，這種光纖可以從若干個商業(yè)的來源提供，例如，F(xiàn)iberguide，Stirling，NJ。它們的直徑能適宜于從1mμ到1000μm范圍，最適宜的范圍是200μm到400μm。對于Raman和發(fā)光光譜光纖的應(yīng)用最好選用200μm直徑的；對于UV/VIS和NIR測量方法，最好的直徑應(yīng)該是400μm更為理想。
對本發(fā)明來說，更為理想的光纖包括先由攙雜石英的薄內(nèi)襯110、后由一層焊料可粘附的最好是黃金的金屬外層111圍繞的石英玻璃核心109。金屬層111有利于把光纖和焊料插銷粘在一起，象在美國專利號4,033,668所描述的一樣，在這里可一并用作為參考。
探子的外殼和末端都能由各種各樣的金屬材料，例如，銅或者鈦鑄成。用于這個目的的更為理想的金屬包括哈斯特萊合金和不銹鋼。使用于密封和固定在末端中的光纖末端的焊料應(yīng)該是具有防化學(xué)腐蝕性能，且其熔點溫度高到足以經(jīng)受探子在使用期間可能遭受的各種災(zāi)難性條件。這里的最佳實施例采用的焊接材料能經(jīng)受約500℃，而且壓力范圍能達到30,000psi而沒有被破壞。當(dāng)然，焊料的熔點溫度也應(yīng)該充分地低以避免軟化石英玻璃而又能得到對光纖的密封。為了固定光纖末端，熔點在600℃到1100℃的，更為理想的焊接材料是銀或者黃金焊料；其它類型的焊料可以用于連接探子末端與外殼。
構(gòu)造探子的過程中，在光纖的遠離末端穿過外殼的長度上應(yīng)該提供少量的附加長度，可以達到總量的百分之0.5，為了當(dāng)探子的金屬組成部分在高溫條件下以不同于光纖玻璃的膨脹速率膨脹時，防止光纖的應(yīng)力和裂縫，這樣的備用長度是必須的。遠離末端的光纖端部被連接到輻射源和攝譜儀，連接的裝置是以前的工藝中普遍采用的，例如，SMA連接器。
探測器裝置，比如紫外-可見光(UV/VIS)，鄰近于紅外線的光(NIR)，熒光或者Raman分光儀，輻射源可以是放在距離探子較遠的位置，并且經(jīng)光纖與探子連接，象在美國專利號4,802,761所描述一樣，在這里可一并纖用作參考。輻射源的類型取決于特殊的光譜測量法；可用的源包括，例如氬，氫，氘，氙，和鎢燈用于UV/VIS；鎳鉻合金絲，能斯脫燈，和經(jīng)鹵修正過的鎢燈用于NIR/IR；以及激光器，尤其是二極管激光器，用于Raman和熒光光譜測量法。
下列的構(gòu)造中，探子在一個過程中可能被插入在一個線路或者反應(yīng)堆內(nèi)，并且可以用一個液體密封型通過諸如帶螺紋的，被焊接的，或者別的可用的密封連接方式加以保護。雖然本發(fā)明的探子的堅固性構(gòu)造使它尤其對于在以高溫度和壓力為代表的惡劣環(huán)境中監(jiān)控化學(xué)成分特別有用，但它不僅僅限于這樣的應(yīng)用。依據(jù)本發(fā)明的方法，探子可以是被以適合于在遠地現(xiàn)場分析的形狀和尺寸構(gòu)造，例如在活的組織中的Raman光譜測量方法，如美國專利號3,906,241所描述，在這里可一并用作參考。
象本發(fā)明一樣的光纖探子對于Raman光譜測量方法特別有用，象Schwab等在Anal.Chem.，1984，第56卷，第2199-2204頁中所描述那樣，在這里可一并用作參考。本發(fā)明的探子也可以被用于傳導(dǎo)/反射光譜，如UV/VIS和VIS測量方法。圖4描述的是圖1的實施例，進一步包括一個反射器帽201，這樣的反射器帽包括一面凹鏡202而且配有流入口203。該口能夠使化學(xué)成分越過探子末端流動，并且鏡子構(gòu)造成有適當(dāng)?shù)那?，安裝在末端上的適當(dāng)?shù)木嚯x上以使來自被照射合成物的被收集通道收集的輻射量最大。
本發(fā)明提供一個設(shè)計簡單，容易制造的光學(xué)探子，它的堅固性構(gòu)造使得它的用于獲得可靠性光譜測量的使用壽命，即使是在惡劣的高溫度和壓力的環(huán)境也得以延長。在這種條件下，本發(fā)明探子的突出性能與各種商業(yè)賣主處得到的，被廣告宣傳成能夠經(jīng)受高壓力以及象300℃那樣的溫度的幾種探子形成對比。在溫度為200-300℃的聚合物生產(chǎn)過程，本發(fā)明的探子在這樣的條件能在較長的時間中產(chǎn)生可靠的測量，一個包括光棒(rod)，透鏡，以及粘結(jié)在金屬外殼上的觀察口的商業(yè)性探子由于棒變得松動和錯位而迅速失敗。在另一個不同設(shè)計的商業(yè)探子中，環(huán)氧樹脂被用于固定一束光纖，在處理條件下在簡短試驗期間環(huán)氧樹脂被炭化和分解。還有另一個實施例中，探子的保護性窗密封失敗，導(dǎo)致聚合物滲漏到包含光纖的小室內(nèi)。最后，在另一個吹捧說能夠經(jīng)受300℃高溫和高壓力的商業(yè)探子的檢驗期間，它的保護性的蘭寶石觀察窗在工業(yè)生產(chǎn)流中失去而且不能被恢復(fù)。在有限地暴露于惡劣的處理環(huán)境之后，各種各樣的商業(yè)性探子這些重復(fù)失敗，提供了證實本發(fā)明堅固探子的突出優(yōu)點和未預(yù)料到的優(yōu)點的機會。
下列例子進一步說明了本發(fā)明。
例1-用于監(jiān)控分批化學(xué)反應(yīng)的Raman探子一個光纖探子被構(gòu)造成如圖1-3所示形狀。兩個從FiberguideStirling NJ購買的400-μm內(nèi)徑的黃金涂層光纖，是利用從位于俄亥俄州，辛辛拉提的J.W.Harris Co.獲得的Safety Silv 45焊料被銀焊接到0.25英寸直徑316的不銹鋼管體上。在冷卻時，探子末端被研磨達到鏡面光潔程度。對探子的輸出信號的檢驗確認了它的效率。探子通常被用于在長為3小時的一段時間中利用Raman光譜測量監(jiān)控化學(xué)反應(yīng)，在此期間溫度達到220℃。光譜數(shù)據(jù)收集的性能良好，并且探子沒有顯示任何退化的征候。
例2-用于監(jiān)控制造過程的Raman探子一個光纖探子被構(gòu)造成類似于圖1-3所示形狀。兩個從FiberguideStirling NJ購買的400-μm內(nèi)徑的黃金涂層光纖，是利用銀焊接焊接到0.25英寸直徑316的不銹鋼管體上。在冷卻時，探子末端被研磨達到鏡面光潔度，然后檢驗信號容許能力。探子被放置在制造安裝的工業(yè)生產(chǎn)流程中，并且與一個Raman的分析儀器連接。操作過程中的壓力為15到30psi之間，溫度在200℃和230℃之間。在若干個月的成功的譜采集之后，探子被從生產(chǎn)流程中撤走。對撤除的探子檢查后情況顯示了它具有極強的，從處理環(huán)境中極長的照射中的堅固的存活能力。
例3-用于監(jiān)控制造過程的NIR探子用于NIR光譜的光纖探子被設(shè)計和構(gòu)造成具有一面凹鏡的反射器帽，如圖4所示。兩個鍍金的具有400μm內(nèi)徑的光纖，被利用銀焊焊接到一個0.25英寸直徑的316不銹銅管體上。在冷卻時，探子末端被研磨達到鏡面光潔度。在探子末端，包含凹面鏡的反射器被固定形成整個探子組件。這個探子在制造處理操作中被安裝，工作溫度達到300℃，壓力達到1000psi。在光譜測量兩月之后，探子被從流程中撤走。在探子被撤除以后，對探子的檢修確認了探子承受長時間暴露于惡劣的流程環(huán)境的能力。
例4-用于在擠壓機中UV/VIS監(jiān)控顏色的探子例3的光纖探子被插入擠壓機，并且被用于監(jiān)控熔融聚合物的UV/VIS光譜。這個流程的操作條件是溫度達到315℃，而壓力達到250psi。探子在若干天的檢驗期間很好地完成了任務(wù)。
參考最佳實施例對本發(fā)明已經(jīng)進行了詳盡的描述，但應(yīng)當(dāng)了解的是，在本發(fā)明范圍和發(fā)明精神之內(nèi)的變化和修正都是有效的。
權(quán)利要求
1.一個防漏液的光學(xué)探子包括(a)一個防漏液的外殼；(b)有端表面的末端，所說的末端密封地封住所述的外殼的一個端部；(c)一條纖維光學(xué)激勵通道，其終止點在所述的末端的端表面上，而且在所說的外殼的長度之內(nèi)延伸，所述的激勵通道傳輸來自輻射源的輻射，到為了做光譜分析需要被照射的組合物；以及(d)一條纖維光學(xué)收集通道，其終止點在所述的末端的端表面上，而且在所說的外殼的長度之內(nèi)延伸，所述的收集通道傳輸來自被照射的組合物的輻射，到放在遠離所述的組合物的地點的檢測裝置；其中所說的纖維光學(xué)激勵通道和所說的纖維光學(xué)收集通道都是圍繞每一個所說的通道周圍用焊料裝置固定并密封在所說的末端內(nèi)。
2.權(quán)利要求1的探子，其中所說的激勵通道和所說的收集通道都包括一個具有圓截面的光纖，所述的光纖具有1到1000μm的直徑。
3.權(quán)利要求1的探子，進一步包括含有一面凹面鏡的反射器帽，所述的反射器帽的位置極其接近于所說的末端，而且能夠反射從所說的激勵通道來的輻射到所說的收集通道。
4.權(quán)利要求1的探子，其中所說的檢測裝置包括一個分光儀。
5.權(quán)利要求4的探子，其中所說的分光儀是紫外光可見光(UV/VIS)分光儀，近紅外(NIR)分光儀，Raman分光儀，或者熒光分光儀。
6.權(quán)利要求5的探子，其中所說的分光儀是Raman分光儀，并且所說的輻射源是激光器。
7.權(quán)利要求6的探子，其中所說的激光器是二極管激光器。
8.用于形成防漏液的光譜光學(xué)探子的方法，這里的防漏液的光譜光學(xué)探子包括一個防漏液的外殼，以及具有一個末端表面，并且密封地封住所說的外殼的一端的末端，所說的外殼和末端由金屬形成；還包括一個傳輸從輻射源來的輻射到將要被照射的組合物的激勵通道，以及傳輸從被照射的組合物來的輻射到檢測裝置的收集通道，每一個所說的通道包括一個具有圓截面的光纖，每一光纖的一個端部在所說的末端的端表面上截止，并且每一光纖在所說的外殼的長度之內(nèi)延伸；所說的方法包括(a)在所說的末端的所說的端表面上形成一個空腔；(b)用熔融金屬焊料裝滿所說的空腔，然后讓所說的焊料冷卻并固化成一個插銷；(c)穿過所說的末端和所說的插銷形成緊鄰的有圓截面的洞，所說的洞的圓截面比所說的光纖稍微大一點；(d)將每一個所說的光纖的一端經(jīng)所說的末端插入所說的洞以及插到所說的插銷，接著填充所說的末端和插栓中的洞，所說的端部和所說的末端的端表面之間形成基本連續(xù)的表面；(e)加熱所說的焊料插銷到足以造成焊料在所說的光纖末端周圍流動的溫度；(f)冷卻所說的插銷到環(huán)境溫度，進而固定和密封在所說的末端的端表面上的光纖端部；以及(g)研磨和打光所說的末端的所說基本連續(xù)的端表面，進而形成光學(xué)上的光滑的端表面。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所說的每一條光纖有200μm到400μm的直徑。
10.權(quán)利要求8的方法，其中所說的每一條光纖包括一個階躍多模式光纖。
全文摘要
本申請公開了一種采用熔融金屬焊接技術(shù)的牢固的方法制造的光譜探測裝置,用于拉曼、近紅外、熒光、紫外或可見光光譜段。公開的方法和裝置提供的光學(xué)探子易于制造,且能夠經(jīng)受惡劣的環(huán)境條件而不受損壞并得出有用的頻譜結(jié)果。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中,光學(xué)探子(100)包括一個由末端(102)封住一端部的腔體(101)。兩根光纖(103和104),一個作為激勵通道,從光源向待分析的組合物輻射,另一個包括一個會聚通道,從被輻照的組合物向位于遠距離的探測裝置傳遞輻射,它們從末端的端面(105)延伸通過腔體的全長。在末端(102)的端面(105)上形成一個空腔(106),填充以溶融的金屬焊料,冷卻時固化成焊料塞。該塞包括在探子末端的端面加固和密封光纖端部的設(shè)施。
文檔編號G01J3/02GK1191022SQ96195519
公開日1998年8月19日 申請日期1996年5月11日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月25日
發(fā)明者N·L·布查南, D·C·阿爾斯梅耶爾, G·W·內(nèi)爾森, R·D·愛德華, V·A·尼克萊 申請人:伊斯曼化學(xué)公司