DE4014374A1 - Proben-aufnehmer oder proben-analysator zur optischen analyse einer probe - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Proben-Analysator oder einen Proben-Aufnehmer für eine Probe, die in einer unter hohem Druck und hoher Temperatur stehenden Fluid- oder Reaktions-Kammer angeordnet ist, wobei dieser Proben-Analysator ein mehrfach im Inneren reflektierendes Reflexions-Element (MIR-Element) verwendet, das einen zylindrischen Körper mit einem reflektierenden Ende und einem gekrümmten Ende aufweist. Das reflektierende Ende und ein angrenzender aktiver Bereich des Proben-Körpers sind gegen oder in der Probe angeordnet. Der Proben-Analysator kann leicht aus seiner genauen Anordnung in der Fluid- oder Reaktions-Kammer entnommen werden.

Die Erfindung betrifft allgemein eine die Probe nicht zerstörende Proben-Analyse, die vorzugsweise die Infrarot-Spektroskopie einsetzt. Die vorliegende Erfindung benutzt ein optisches System, das dazu benutzt wird, im Inneren einer Reflexions-Anordnung Infrarot-Strahlung mehrfach an den Flächen eines MIR-Elementes, das mit dem Fluid oder der Probe, die zu analysieren, ist in Verbindung steht, zu reflektieren, um denn die verblei­ bende Strahlung (wie sie durch die Infrarot-Absorptions- Charakteristik des Fluids oder der Probe sich geändert hat) an einen Detektor zur Analyse des Fluids oder der Probe abzugeben. Insbesondere ist die Erfindung bevorzugt auf ein optisches System gerichtet, das eine Probe aufweist, die sich in die Reaktions-Kammer zur infrarot-spektroskopischen Analyse oder Anzeige der Reaktionen, die durchgeführt wurden, oder Fluids, die hohen Drücken und/oder Temperaturen, ausgesetzt werden, hineinerstreckt.

In dem Infrarot-Bereich weisen im Grunde alle organischen (und einige anorganischen) Moleküle charakteristische Spektren auf, mit denen sie sicher identifiziert werden können. In einem solchen Nachweisverfahren wird die Infrarot-Strahlung oder -Energie über die Länge eines Kristalls durch das physikalische Phänomen der totalen inneren Reflexion entlang reflektiert. Eine Fluid-Probe oder ein Reaktions-Gemisch, das in Kontakt mit dem Kristall angeordnet ist, absorbiert selektiv verschiedene Frequenzen der Infrarot-Energie von dem Kristall. Die Strahlungs-Energie, die nicht absorbiert wird, verläßt das Kristall und wird auf einen Detektor gerichtet, der die Verteilung der in dem Fluid oder dem Reaktions-Gemisch verteilten Energie bestimmt, um so seine Infrarot-Spektren zu erhalten und anzuzeigen. In der US-PS 45 95 833 (Sting), der US-PS 47 30 882 (Messerschmidt) und der US-PS 36 69 545 (Gilbey) werden verschiedene Systeme beschrieben, die ein MIR-Kristall verwenden, um ein Fluid oder einen Feststoff, die mit diesem Kontakt stehen, zu analysieren.

In der US-PS 45 95 833 werden Reflexions-Optiken angegeben, um die Infrarot-Strahlung von einer Strahlen-Quelle in das kegelförmig ausgebildete Einkoppel­ ende eines zylindrisch geformten MIR-Kristalls einzukop­ peln. Die nicht absorbierte Strahlungs-Energie verläßt das kegelförmig geformte ausgangsseitige Ende des MIR-Kristalls und wird über zusätzliche Reflexions-Optiken auf einen Detektor übertragen. Das zylindrisch geformte MIR-Element ist in einem röhrenförmigen Teil gedichtet, um so eine Probenkammer oder Zelle für das Fluid oder die fluidisierte Probe, die analysiert werden soll, zu erhalten.

In der US-PS 47 30 882 ist ein langgestrecktes, flaches MIR-Kristall beschrieben, das eine erste Oberfläche und eine geringfügig längere zweite Oberfläche und abge­ schrägte Eingangs- und Ausgangs-Endflächen, die diese Teile verbinden, aufweisen. Die Strahlungs-Energie tritt unter rechten Winkeln durch die zweite Oberfläche ein, wird an der abgeschrägten Eingangs-Oberfläche reflektiert, reflektiert dann zwischen der zweiten und der ersten Oberfläche in Form von Mehrfach-Reflexionen über die Länge des Kristalls und wird dann aus der abgeschrägten Ausgangs-Endfläche durch die zweite Fläche hindurch, auf einen Detektor reflektiert.

Das runde MIR-Kristall nach der US-PS 45 95 833 und das flache, abgeschrägt endende MIR-Kristall nach der US-PS 47 30 882 haben sich gut bewährt und werden in Proben-Analysatoren eingesetzt, um Fluide oder Festkörper zu analysieren. Diese MIR-Kristall-Elemente erfordern besondere Montagen, Demontagen und Wartungsarbeiten inner­ halb der Analysen-Kammer. Diese MIR-Kristalle, wie sie derzeit befestigt sind, sind nicht für unter hohem Druck und/oder Temperaturen stehende Fluide geeignet, da die Möglichkeit besteht, daß das MIR-Kristall bricht. Zusätz­ lich sind die Kristalle, wie sie derzeit befestigt sind, in der Kammer angeordnet und verursachen Störungen im Hinblick eines Vermischens oder gleichmäßigen Fluid- Flusses.

Die US-PS 36 69 545 zeigt eine Kristall-MIR-Probe (im Rahmen des dort beschriebenen Standes der Technik) sowie Kristall-MIR-Proben, die in diesem Patent offenbart werden. Die zum Stand der Technik gehörende MIR-Kristall- Probe ist dort in Fig. 1 gezeigt und weist einen recht­ eckigen Körper auf, der ein 90°-"Dach" an seinem einen Ende und eine flache Oberfläche an seinem anderen Ende besitzt. Das 90°-dachförmige Ende bildet (a) eine winklige, flache Eingangsfläche, um Infrarot-Energie oder -Strahlung für die mehrfache Reflexion im Inneren entlang des MIR-Kristalls einzulassen und (b) eine entgegengesetzte, gewinkelte flache Ausgangsfläche, um die Infrarot-Energie, die zurückreflektiert wurde, austreten zu lassen. Folglich gibt des MIR-Kristall, das gemäß dem Stand der Technik nach Gilbey angegeben ist, einen Eingang und einen Ausgang für die Infrarot-Energie an gegenüber­ liegenden flachen Seiten oder des "Daches" an dem gleichen Ende des rechtwinkligen Kristalls an.

Die Formen des MIR-Kristalls, wie es durch Gilbey vorgeschlagen ist, umfaßt einen rechteckigen Körper, der abgeschrägte oder abgewinkelte Enden aufweist. Die Infrarot-Energie tritt an einer Seite des Körpers ein und wird dann an dem abgeschrägten Ende des Körpers fluchtend mit diesem über mehrfache Reflexionen im Inneren entlang des Körpers zurückreflektiert. Die Strahlungs-Energie wird an dem anderen Kristall-Ende zurückreflektiert und dann mehrfach in die entgegengesetzte Richtung reflektiert, um aus der gleichen, abgewinkelten Fläche auszutreten. Alle Ausführungsformen nach Gilbey zeigen eine Art von Kristallen, bei denen eine Fläche gleichzeitig dazu dient, die in das Kristall eintretende Energie totel zu reflek­ tieren und die aus dem Kristall austretende Energie zu übertragen.

Alle rechteckigen MIR-Kristall-Körper, die in dem Gilbey-Patent angegeben sind, sind sehr schwierig abzudichten, insbesondere in Anwendungen, in denen ein hoher Druck und/oder eine hohe Temperatur auftritt. Die Öffnung durch die Halterung muß gezapft oder eine mehrfach unterteilte Halterung sein. Zusätzlich sind die recht­ eckigen Kristall-Körper nicht einfach in der Reaktions-Kammer zu befestigen oder können nicht einfach aus dieser ausgebaut werden und der Wiederzusammenbau erfordert sowohl eine genaue Positionierung als auch eine Orientierung des Kristalls für genaue spektroskopische Messungen.

Die eigentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine MIR-Kristall-Probe anzugeben, die dazu geeignet ist, Fluide- oder Reaktions-Gemische ganz allgemein und insbesondere diese Fluide- oder Reaktions- Gemische unter hohem Druck und/oder hoher Temperatur stehend zu analysieren.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine MIR-Probe verwendet wird, die einen zylindrischen Körper aufweist, ein reflektierendes Ende und ein gekrümmtes Ende. Das Reflexions-Ende und ein unmittelber daran angrenzender aktiver Bereich des Kristallkörpers steht mit einer Probe oder eingebettet in dieser Probe, bevorzugt einem Fluid- oder einem Reaktions-Gemisch, in Kontakt. Das MIR-Element ist vorzugsweise ein Kristall, das eine flache Oberfläche an seinem Reflexions-Ende und eine konische Oberfläche an seinem gekrümmten Ende aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine zylindrische MIR-Kristall-Anordnung anzugeben, die kurzzeitig für Wertungsarbeiten herausgenommen und wieder eingesetzt werden kann und/oder die in einfacher Weise und exakt durch ein anderes Kristall ersetzt werden kann, um die optische Weglänge zu verändern. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das MIR-Kristall-Element in einer Halte-Anordnung schraubbar in einer Wand der Flüssigkeits- oder Reaktions-Kammer eingesetzt und heraus­ genommen werden kann. Die Halte-Anordnung weist vorzugsweise eine Fassung und eine damit zusammenwirkende Aufname-Mutter (Nippel) auf. Die Fassung hat eine durch­ gehende Öffnung, in der ein Bereich des Kristalls befestigt und abgedichtet ist. Die Aufnahme-Mutter besitzt ebenfalls eine durchgehende Bohrung, die herausnehmbar die Fassung hält. Die Aufnahme-Mutter weist Außen-Gewinde auf, die mit einer Gewinde-Hülse in der Wand der Fluid-Kammer zusammenwirkt, wobei die Halteanordnung in ihre eingebaute Stellung eingeschraubt werden kann. Eine abgeschrägte Nockenfläche an der Aufnahme-Mutter greift an eine sich radial nach außen erstreckenden Schulter an der Fassung an, um diesen in einen dichtenden Eingriff mit der Wand der Fluid-Kammer zu drücken.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine flüssigkeitsdichte Dichtung des MIR-Kristalls in der Halte-Anordnung zu schaffen, wobei die Übertragung in Form von Reflexionen der Strahlungs-Energie entlang des Kristall-Elementes zu dem aktiven Bereich hin und von dem aktiven Bereich des Kristalls, das innerhalb der Probe angeordnet ist, zu optimieren. Hierzu ist eine Fläche entweder des Befestigungs-Bereiches des Kristalls oder der Aufnahme-Bohrung in der Halte-Anordnung entweder verspiegelt oder mit einem nicht-absorbierendem Material beschichtet. Der Befestigungs-Bereich des Kristalls kann in der Halte-Anordnung mit Klebemitteln, einer Lötung oder einem vorgespannten Paßsitz befestigt und gedichtet werden. Schließlich liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Optiken zu schaffen, um die Strahlungs- Energie von einer Strahlen-Quelle auf das gekrümmte Ende des Kristalls für die anschließende mehrfache Reflexion im Inneren des Kristalls bis zu dem reflektierenden Ende und von dort wieder zurück entlang des Elementes und durch das gekrümmte Ende des Kristalls zurück zu einem Detektor zu richten. Die Optiken weisen entweder reflektierende oder brechende Strahlteiler auf, die mit Reflexions-Optiken, Objektiv-Linsen, zusammenwirkenden konkaven Spiegelpaaren oder spärischen oder asphärischen Optiken kombiniert sind.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Proben-Analysators gemäß der vorliegenden Erfindung mit den Optiken und einer Reaktions-Kammer, die im Querschnitt dargestellt ist,

Fig. 2 eine Darstellung ähnlich Fig. 1, die eine weitere Ausführungsform eines MIR-Kristalls und des optischen Systems zeigt,

Fig. 3 eine weitere Darstellung ähnlich Fig. 1, die eine weitere Ausführungsform des MIR-Kristalls und des optischen Systems zeigt,

Fig. 4 eine Draufsicht in Richtung der Sichtebene 4-4 in Fig. 1, die die in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten, Schutz-Stifte um den aktiven Bereich des zylindrischen MIR-Kristalls zeigt, und

Fig. 5 eine weitere Darstellung ähnlich Fig. 1, die eine weitere Ausführungsform des MIR-Kristalls und des optischen Systems zeigt, mit einem MIR-Kristall, das in einer Halteanordnung befestigt und abgedichtet ist, zur Analyse eines unter Niederdruck und/oder geringer Temperatur stehenden Fluids aufweist.

Wie die Fig. 1 zeigt, weist ein Flüssigkeits- oder Reaktions-Kammer-Gehäuse, mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet, eine zylindrische Seitenwand 2 und eine Basiswand 3 auf. Obwohl es nicht näher dargestellt ist, besitzt das Kammer-Gehäuse 1 entweder eine integrierte oder eine abnehmbare obere Wand, die mit der zylindrischen Seitenwand 2 und der Basiswand 3 einen geschlossen Hohl­ raum 4 bildet. Der Hohlraum bildet eine abgedichtete Fluid-Kammer, in der Fluide oder Reaktions-Gemische (Reaktionen) 5 enthalten und kontinuierlich analysiert werden können.

Für den letztgenannten Zweck ist ein MIR-Körper, mit 7 bezeichnet, in der Flüssigkeits- oder Reaktions-Kammer angeordnet und erstreckt sich durch eine Wand hindurch. Der MIR-Körper 7 ist, wie dargestellt, in der Grundplatte oder Basiswand 3 befestigt und erstreckt sich durch diese hindurch; alternativ hierzu könnte sie auch in einer Seitenwand oder der oberen Wand angeordnet sein und sich durch diese hindurch erstrecken. Der MIR-Körper 7 weist ein langgestrecktes Reflexions-Element 8 (multiple internal reflection - MIR) auf. Obwohl ein Kristall-Stab als MIR-Element bevorzugt wird, können gemäß der Erfindung auch andere MIR-Elemente, wie beispielsweise Lichtleiter- Stäbe, eingesetzt werden. Das MIR-Kristall 8 weist einen zylindrischen Körper 9 auf, der ein Reflexions-Ende 11 und ein gekrümmtes Ende 12 besitzt. Das Reflexions-Ende 11 des MIR-Kristells 8 ist bevorzugt eine flache Oberfläche, wie in Fig. 1 gezeigt, obwohl auch mit Aluminium bedampfte oder mit Gold beschichtete flache oder gekrümmte Flächen verwendet werden können, um die erforderliche MIR-Reflexion zu erhalten. Das Reflexions-Ende 11 und ein daran angrenzender, aktiver Bereich 13 des MIR-Kristalls 9 sind in der Probe angeordnet oder in die Probe 5, bevorzugt ein Flüssigkeits- oder Reaktions-Gemisch, einge­ taucht.

Der aktive Bereich 13 des MIR-Kristalls 8 wird durch eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandete Schutz-Stifte 14 umgeben. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, können drei dieser Schutz-Stifte 14, jeweils um 120° in Umfangsrichtung zueinander versetzt, vorgesehen werden. Diese Stifte begrenzen den Zugang zu dem aktiven Bereich 13 des MIR-Kristalls 8 und schützen somit diesen gegen Bruch oder unsachgemäße Handhabung.

Der aktive Bereich 13 des Kristalls wird in seiner Anordnung in der Probe 5 durch einen Befestigungs-Bereich 16 des MIR-Kristalls B gehalten, das in einer Halte- Anordnung 17 befestigt und abgedichtet ist. Die Halte- Anordnung 17 weist eine Fassung 18 mit dem zylindrischen Abschnitt 19, einer radial sich nach außen ersteckenden konischen oder kegelförmigen Schulter 20 und einem oberen Dichtungsabschnitt 22, der sich kegelförmig radial nach innen von seiner Basis zu seiner Spitze, wie Fig. 1 zeigt, erstreckt, auf. Die Fassung 18, vorzugsweise aus einem hochfestem Matarial mit guten chemischen Widerstandseigenschaften, beispielsweise Edelstahl, weist eine zylindrische Bohrung 23 auf, die sich koaxial zur Achse der Halte-Fassung 18 hindurch erstreckt. Der Befestigungs-Bereich 16 des MIR-Kristalls 8 ist in der zylindrischen Bohrung befestigt und gedichtet derart, daß die optische Effektivität erhöht und die gedichtete Einheit des Hohlraumes der Flüssigkeits- oder Reaktions-Kammer erhalten bleibt.

Verschiedene unterschiedliche konstruktive und funktionelle Möglichkeiten sind gegeben, um die abgedichtete Befestigung zu erzielen, um so die gestellten Anforderungen zu erfüllen. Beispielsweise kann eine Oberfläche entweder des Befestigungs-Bereiches 16 des Kristall-Körpers oder die Bohrung 23 durch die Fassung 18 verspiegelt werden, um die Effizienz der mehrfach im Inneren auftretenden Reflexionen durch den befestigten Bereich des Kristalls 8 zu erhöhen. Mit einer so verspie­ gelten Fläche ist der Befestigungs-Bereich 16 des MIR-Kristalls 8 in der Fassung 18 durch Klebemittel, Lötung oder einer vorgespannten Klemmfassung befestigt und gedichtet. lm Hinblick auf das Letztere sind der äußere Durchmesser des Kristall-Befestigungs-Bereiches und der innere Durchmesser der Fassung maschinell im Rahmen von engen Fertigungstoleranzen hergestellt, wobei das Kristall eingesetzt wird, nachdem die Fassung erhitzt wurde, um eine geringe Aufweitung zu erhalten. Mit der Abkühlung umfasst die Fassung den Befestigungsbereich des Kristalls dicht und reibschlüssig, um einen gedichteten, vorgespannten reibschlüssigen Paßsitz zu bilden.

Alternativ hierzu kann eine Oberfläche entweder des Befestigungs-Bereiches des Kristalls oder die Bohrung der Fassung mit einer dünnen Schicht von nicht absorbierendem Material, das einen geringeren Brechungsindex als das Kristall aufweist, beschichtet sein. Beispielsweise kann diese dünne Schicht oder Beschichtung ein KBr-Material sein. Mit einer Oberfläche, die derart beschichtet ist, würde der Befestigungs-Bereich 16 des Kristalls 8 im Innenraum der Fassung durch Klebemittel (bevorzugt ein Epoxyd-Kleber), durch Lötung oder durch einen reibschlüs­ sigen, vorgespannten Paßsitz, wie vorstehend beschrieben, befestigt werden.

Die Länge des MIR-Kristalls wird entsprechend den Parametern, die für die zu ananlysierende Probe oder des Reaktions-Gemisches erforderlich sind, ausgewählt. Die Länge des MIR-Kristalls hängt daher von der Länge des Befestigungs-Bereiches 16, die für eine stabile Halterung erforderlich ist, und der Länge des aktiven Bereiches 13, der zur Analyse gefordert wird, ab. Die Fassung mit dem darin befestigten und abgedichteten Kristall-Stab (wie für die entsprechende Anwendung erforderlich) kann dann in einer Aufnahme-Mutter 26 der Halte-Anordnung 17 eingesetzt werden.

Die Aufnahme-Mutter 26 oder Nippel weist einen oberen Schaft 27 mit einem Außen-Gewinde 29 auf. Diese Gewindegänge 29 greifen im Innen-Gewinde 31 am Innen-Umfang der üblicherweise zylindrischen Hülse 32 in der Basis-Wand 3 ein. Eine solche Basis-Wand hat einen konischen, ringförmigen Sitz 33, der durch eine Bohrung darin gebildet ist, die sich von dem Sitz 33 zu dem Hohlraum 4 hin erstreckt. Der ringförmige Sitz 33 ist konisch ausgebildet, radial nach innen von dem Boden zu dem oberen Ende, wie in den Fig. 1 oder 2 gezeigt. Die Dichtungsfläche 33 ist in festem Eingriff durch die komplementär konisch ausgebildete äußere Fläche des Dichtungs-Abschnittes 22 der Fassung 18, um so eine flüssigkeitsdichte Dichtung zwischen diesen Teilen zu bilden.

Für diese Zwecke weist der obere Schaft 27 der Aufnahme-Mutter 26 eine durchgehende Bohrung 36 auf. An ihrem oberen Ende ist ein ringförmiges Klemmteil oder eine sich radial nach außen erstreckende kegelförmige Nockenfläche 37 angeordnet. Im Zusammenbau ist die Fassung 18 mit dem darin befestigten MIR-Kristall 8 lösbar in der Bohrung 36 der Aufnahme-Mutter 26 angeordnet, wobei die Schulter 20 an der Fassung 18 mit der Nockenfläche 37 an der Aufnahme-Mutter 26 in Eingriff ist.

Die Aufnahme-Mutter wird dann in die zylindrische Hülse 32 der Basis-Wand 3 der Flüssigkeits- oder Reaktions-Kammer 1 eingeschraubt, um den Dichtungsabschnitt 22 der Fassung in flächigem Eingriff mit der ringförmigen Dichtungsfläche 33 der Basis-Wand 3 zu bringen. Die Aufnahme-Mutter 26 wird weitergedreht, bis das Ende des Schaftes 27 an das Ende der Hülse 32 anschlägt und/oder sich ein Flansch 39 an der Aufnahme-Mutter an den Boden der Basis-Wand 3 anlegt. In einer solchen Stellung wird eine fluiddichte Dichtung zwischen der Fassung 18 und der Basis-Wand der Reaktions-Kammer 1 gebildet.

Es ist als vorteilhaft hervorzuheben, daß die Aufnahme-Mutter 26 in Verbindung mit einer Vielzahl von verschiedenen MIR-Kristallen verwendet werden kann, die in der identisch aufgebauten Fassung 18 befestigt werden. Das Kristall kann in einfacher Weise aus der Flüssigkeits- oder Reaktions-Kammer durch das Aufschrauben der Aufnahme-Mutter herausgenommen werden. Der aktive Bereich des Kristalls kann gereinigt oder poliert werden und anschließend wieder in die Reaktions-Kammer eingesetzt werden, indem die Halte-Anordnung in die zylindrische Gewinde-Hülse wieder eingeschraubt wird. Alternativ hierzu kann ein anderes Kristall, das unterschiedliche optische Eigenschaften aufweist, in die Kammer eingesetzt werden, indem die Fassung und das mit der Aufnahme-Mutter verwendete Kristall gewechselt werden. Mit dem Einschrauben der Aufnahme-Mutter (Nippel) dichtet die ausgewählte Fassung und das Kristall gegenüber der Kammerwand für die optische Analyse des Fluids oder Reaktions-Gemisches 5 ab. Für diesen Zweck können verschiedene optische Systeme verwendet werden, wobei hierfür mögliche, repräsentative Ausführungsformen in den Fig. 1 bis 3 und 5 gezeigt sind.

In der Ausführung nach Fig. 1 weist des optische System eine Quelle 41 für Strahlungs-Energie, vorzugsweise Infrarot-Strahlung, auf. Die Keule der Strahlungs-Energie 42, die im Hinblick auf eine vereinfachte Darstellung nur durch die Mittellinie der Keule dargestellt ist, wird durch einen Umlenk-Spiegel 43 in Richtung des Pfeiles 44 umgelenkt. Zusätzliche Übertragungsoptiken, die einen oder mehrere Spiegel, Linsen oder Spiegel-Linsen-Kombinationen aufweisen, wie sie symbolisch durch den Doppelpfeil 46 angedeutet sind, fokussieren die Strahlungs-Energie auf eine erste Bildebene 47. Eine Hälfte des divergierenden Strahles der zugehörigen Strahlungs-Energie wird von der ersten Bildebene 47 von einem Auffang-Umlenk-Spiegel 48, der in einer Öffnungs-/Bildebene angeordnet ist, umgelenkt. Die Strahlungs-Energie oder das Strahlenbündel 49, das von dem Auffang-Umlenk-Spiegel 48 reflektiert wird, wird auf eine konkave Spiegelfläche 51 gerichtet, die einen Teil der integralen Optik bildet, die allgemein mit 52 bezeichnet ist. Das von der Spiegelfläche reflektierte Strahlenbündel wird zu einer gegenüberliegenden konkaven Spiegelfläche 51 hin gerichtet, die Teil der integralen Optik 52 bildet. Die von der Spiegelfäche 51 reflektierte Strahlung wird zu der gegenüberliegenden konkaven Spiegelfläche 53 der integralen Optik gerichtet und dort reflektiert. Das entsprechende, reflektierte Strahlenbündel 54 tritt dann in des konische Einkoppel-Ende 12 des MIR-Kristalls 8 ein.

Die Infrarot-Strahlung, die in den zylindrischen Körper des MIR-Kristalls eintritt, wird mehrfach an den Innenwänden nach oben entlang des Kristalls 8 reflektiert, bis es an dem flachen Ende oder Reflexions-Ende 11 zurückreflektiert wird. Die Infrarot-Strahlung wird dann mehrfach im Innern nach unten durch das MIR-Kristall reflektiert, bis es aus dem gekrümmten, konischen Ende 12 des Kristalls 8 austritt.

Verschiedene Frequenzen oder Frequenz-Bänder der Strahlungs- Energie werden durch das Reaktions-Gemisch oder Fluid 5 ab­ sorbiert, wenn das Energie-Strahlenbündel in dem aktiven Bereich 13 des damit in konktakt stehenden Kristalls reflek­ tiert wird.

Der verbleibende Anteil der Strahlungs-Energie, der das gekrümmte, konische Ende 12 erreicht, wird entlang des Strahlungsgangs 57 zu einer konkaven Spiegelfläche 58 hin gerichtet, die hierzu ausgerichtet ist. Das weitergeleitete Strahlenbündel bzw. die Strahlungs-Energie 59 wird durch den Spiegel 58 reflektiert und anschließend zu einer gegenüberliegenden konkaven Spiegelfläche 61 hin gerichtet. Die von der konkaven Spiegelfläche reflektierte Strahlungs-Energie (Strahlenbündel) 62 führt an dem Umlenk-Spiegel 48 vorbei und wird auf einen Detektor 63 gerichtet.

Von den Frequenzen oder dem Frequenzband der Strahlungs-Energie, die in dem das Kristall verlassenden Strahlenbündel verbleiben, bestimmt der Detektor 63 die Verteilung der Frequenzen oder der Energiebänder der Infrarot-Energie, die durch die Probe 5 in der Kammer 4 absorbiert wurde, um eine spektrale Darstellung (Linienspektren) oder eine Identität (Nachweis) der Komponenten der Probe zu erhalten. Diese Bestimmung kann über ein Infrarot-Spektrum angezeigt werden, die Gemische oder Fluide, die analysiert werden, können fortlaufend, falls erforderlich, angezeigt werden, und zwar mit den Infrarot-Spektren, die nacheinander angezeigt werden oder den Informationen, die nacheinander aufgezeichnet und ananlysiert werden. Die Genauigkeit der erreichbaren optischen Analyse wird durch das in Fig. 1 dargestellte System vergrößert. Insbesondere durch die Verwendung einer Halte-Anordnung kann der aktive Bereich des Kristalls genau und wiederholt in dem Hohlraum 4 der Reaktions-Kammer 1 angeordnet werden, da die Halte-Anordnung an dem Körper der Reaktions-Kammer über eine Verschraubung befestigt ist und durch die genaue Anordnung der einzelnen Teile zueinander. Zusätzlich werden durch die Eingangs- und Ausgangs-Optik als integraler Teil in Form einer Erweiterung der Aufnahme-Mutter 26 (wie in Fig. 1 gezeigt) die Optiken sehr genau relativ zu dem gekrümmten Ende des Kristalls angeordnet, insbesondere auch durch den integralen Aufbau und die Schraub-Verbindung.

In den weiteren Ausführungsformen, wie sie in den Fig. 2, 3 und 5 gezeigt sind, werden gleiche Bauteile mit den entsprechend in der Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen bezeichnet. In der Ausführungsform nach Fig. 2 weist die Aufnahme-Mutter 26 keine daran anschließende, eine körperliche Einheit bildende Erweiterung in Form einer integralen Optik auf. Anstelle hierfür besitzt die Aufnahme-Mutter einen sich radial nach außen richtenden Flansch 39 A, der gegen die Bodenfläche der Basis-Wand 3 anliegt, wenn dieser vollständig in die Basis-Wand hineingeschraubt ist. Entsprechend der ersten Ausführungsform positioniert die Aufnahme-Mutter 26 bzw. der Flansch 39 A die Fassung 1 B des MIR-Kristalls exakt relativ zu dem Hohlraum 4, um die Effizienz der eingesetzten Optiken zu erhöhen. In dieser Ausführungsform wird die Strahlungs-Energie der Strahlen-Quelle 41 an einem zugeordneten Spiegel 66 eines Strahl-Teilers 67 reflektiert. Das entsprechende reflektierte Strahlenbündel bzw. die Strahlungs-Energie 68 tritt durch eine zentrale Öffnung 69 eines ersten Spiegels 70 einer Objektiv-Linse 72 hindurch. Das Strahlenbündel 68 wird an einem konvexen zweiten Spiegel 73 der Objektiv-Linse 72 zurück auf den ersten Spiegel 70, wie durch den Strahl 74 angedeutet, reflektiert. Der entsprechend von dem ersten Spiegel 70 reflektierte Strahl 76 tritt in das hemisphärisch (halbkugelig) gekrümmte Ende 77 des MIR-Kristalls 8 ein.

Entsprechend der Ausführung nach Fig. 1 wird die eintretende Strahlung mehrfach im Inneren nach oben entlang des Kristalls 8 reflektiert, wie schematisch durch den Pfeil 78 angedeutet ist. Die nicht-absorbierte, verbleibende Strahlungs-Energie, die an dem flachen Ende des Kristalls reflektiert wird, wird mehrfach an den Innenwänden nach unten reflektiert, wie durch den Pfeil 79 angedeutet ist. Die verbleibende Strahlungs-Energie 81 tritt durch das halbkugelige Ende 77 des Kristalls 8 aus. Diese verbleibende Strahlungs-Energie 81 wird nacheinander an dem ersten Spiegel 70, dem zweiten Spiegel 73 und einem Ausgangs-Spiegel 82 des Strahl-Teilers 67 reflektiert. Die verbleibende Strahlungs-Energie, die an dem Ausgangs-Spiegel 82 reflektiert wird, wird auf einen Detektor 63 für die Fluid- oder Reaktions-Gemisch-Analyse, wie vorstehend beschrieben, gerichtet.

In der Ausführung nach Fig. 3 wird ein Strahl der Strahlungs-Energie 83 der Strahlen-Quelle 41 an einem ersten, asphärischen Spiegel 84 reflektiert. Der entsprechende, an dem ersten Spiegel 84 reflektierte Strahl 85 wird auf einen Reflexions-Konus, Kegel oder zweiten Spiegel 87 einer Reflexions-Optik 88 reflektiert. Die an dem zweiten Spiegel reflektierte Strahlungs-Energie 89 wird zu einem ringförmigen, torroidalen Spiegel 91, der den ersten Spiegel der Reflexions-Optik bildet, reflektiert. Der entsprechende Strahlungs-Energie-Strahl 92 vom ersten Spiegel 91 tritt in das konvexe, torriodal gekrümmte Ende 93 des MIR-Kristall-Elements 8 ein.

Nach mehreren inneren Reflexionen aufwärts und abwärts entlang des Kristall-Elements (wie bereits vorstehend beschrieben) tritt die zurückkehrende Strahlungs-Energie aus dem Kristall-Element 8 durch das torroidal gekrümmte Ende 93 des Kristalls 8 aus. Die verbleibende Strahlungs-Energie 94 wird nacheinander an dem ersten, torroidalen Spiegel 91, dem zweiten Spiegel 87 und einem zweiten asphärisch gekrümmten Spiegel 95 reflektiert. Die ersten und zweiten asphärisch gekrümmten Spiegel 84 und 95 sind entsprechend relativ zueinander und relativ zu der optischen Achse des zweiten konisch gekrümmten Spiegels 87 angeordnet, um als Strahl-Teiler zu arbeiten. Die zurückkehrende Strahlungs-Energie wird von dem zweiten asphärischen Spiegel 95 auf einen Detektor 93 hin zur Anzeige und Analayse des Fluids- oder des Reaktions-Gemisches 5, wie vorstehend beschrieben, reflektiert.

Wie die Ausführungsform nach Fig. 5 zeigt, ist die dargestellte MIR-Probe prinzipiell dazu ausgelegt und aufgebaut, um Proben unter Niederdruck (Unterdruck) und/oder niedrigen Temperatur darzustellen. Für diese Anwendung ist das langgestreckte MIR-Kristall-Element 8 in einer Fassung 18 A befestigt und gedichtet, die einen geringfügig unterschiedlichen Aufbau aufweist, als die Fassung, wie sie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist.

In dieser Ausführung weist die Fassung 18 A eine Bohrung 23 A auf, die zentrisch hindurchgeführt ist. Die Bohrung 23 A weist zwei vertikal voneinander beabstandete, ringförmige Vertiefungen 97 und 98 auf. In diesen Vertiefungen 97 und 98 sind jeweils O-Ring-Dichtungen 99 und 100 eingesetzt. Diese O-Ring-Dichtungen umschließen fest den Befestigungs-Bereich des MIR-Kristalls, um diesen Kristall in der Fassung 18 A sicher zu befestigen und um vertikal beabstandete, fluid-dichte Dichtungen dazwischen zu schaffen.

Die äußere Seitenwand der Fassung 18 A besitzt einen Boden-Gewinde-Abschnitt 102 und einen kegelförmigen oberen Dichtungs-Abschnitt 103. Der Gewinde-Abschnitt 102 der Fassung wirkt mit dem Gewinde 31 der Gewinde-Hülse 32 in der Basis-Wand 3 der Flüssigkeits- oder Reaktions-Kammer 1 zusammen. Wird die Fassung 18 A völlig in die Gewinde-Hülse 32 hineingeschraubt, so ist dessen kegelförmige Dichtungs-Fläche 103 in flächigem Eingriff mit der Dichtungsfläche 33 an der Basis-Wand 3, um dazwischen eine fluid-dichte Dichtung zu schaffen. Diese geschraubte und gedichtete Verbindung für ein Reaktions-Gemisch oder Fluid unter Niederdruck und/oder niedriger Temperatur positioniert das MIR-Kristall 8 exakt relativ zu der dazugehörigen Optik.

In dieser Ausführungsform weist die Optik eine Strahlungs-Quelle 41 auf, die einen Strahl der Strahlungs-Energie in Richtung auf einen Brechungs-Strahl-Teiler 105 richtet. Etwa 50% der auftreffenden Strahlungs-Energie tritt durch den halbdurchlässigen Strahl-Teiler 105 durch, wie durch den Pfeil 106 angedeutet ist. Der verbleibende Anteil des Strahlungs-Energie-Strahles wird an dem Strahl-Teiler 105, wie durch die Pfeile 106 angedeutet ist, reflektiert. Die dazugehörende Strahlungs-Energie wird an einem ringförmigen, asphärischen Spiegel 107 zu dem gekrümmten Ende des MIR-Kristells hin reflektiert.

In dieser Ausführungsform ist das gekrümmte Ende des MIR-Kristalls als ein konkaver, kegelstumpfförmiger Torroid 108 dargestellt. Die entsprechende Strahlungs-Energie tritt durch die gekrümmte Fläche 108 hindurch, wird mehrfach durch das Innere des Kristalls 8 nach oben reflektiert und wird dann an dem flachen oder mit einer Reflexions-Schicht versehenen Kristall-Ende 11 zurück reflektiert. Die Strahlungs-Energie, die nicht durch die Probe 5 von dem aktiven Bereich des Kristalls 8 absorbiert wird, wird dann mehrfach im Inneren nach unten durch das Kristall 8 reflektiert. Die verbleibende, reflektierte Strahlungs-Energie tritt durch das ganze kegelstumpfförmige, torroidale Ende 108 hindurch. Diese austretende Strahlungs-Energie wird dann an dem ringförmigen, asphärischen Spiegel 107 reflektiert und tritt denn durch den Brechungs-Strahl-Teiler 105, wie durch den Pfeil 109 angedeutet, hindurch. Diese Strahlungs-Energie wird dann auf einen Detektor 63 zur fortlaufenden Anzeige und/oder Analyse der Probe, wie vorstehend beschrieben, gerichtet.

Aus den vorstehenden Ausführungen ist ersichtlich, daß Änderungen in der Konstruktion und dem Aufbau vorgenommen werden können, ohne dadurch den allgemeinen Erfindungsgedanken außer Acht zu lassen. Beispielsweise können geeignete optische Systeme, wie beispielsweise anhand der Fig. 1 bis 3 und 5 bezeichnet, mit irgendeinem geeignet gekrümmten Ende eines MIR-Kristalls, das irgendeine ausgewählte Länge oder ausgewählten Durchmesser aufweist, wie in den entsprechenden Figuren gezeigt, verwendet werden. Zusätzlich kann das ausgewählte MIR-Kristall in einer Fassung oder einer Halte-Anordnung befestigt werden und kann hierbei in irgendeiner geeigneten Art und Weise befestigt und gedichtet werden, wie dies beispielsweise vorstehend beschrieben wurde.

Proben-Analysator für die optische Analyse einer Probe, der ein MIR-Element aufweist, das einen zylindrischen Körper mit einem flachen, ebenen und einem gekrümmten Ende aufweist. Das flache Ende und der daran angrenzende aktive Bereich des Körpers ist gegen die Probe gerichtet angeordnet, und das gekrümmte Ende dient dazu, Strahlungs-Energie aufzunehmen und abzugeben, die im Inneren mehrfach entlang des Elementes in beiden Richtungen reflektiert wurde, um die Probe auf optischem Wege zu analysieren. Für Anwendungen bei hohem Druck oder hoher Tamperatur handelt es sich bei dem MIR-Element vorzugsweise um ein Kristall, das teilweise in einer Halte-Anordnung befestigt und gedichtet ist, die wechselweise in einer Wand eine Fluid- oder Reaktions-Kammer befestigt und gedichtet ist. Das Kristall oder eine daran angrenzende Oberfläche des Halters ist beschichtet oder verspiegelt, um die optischen Eigenschaften zu erhöhen, und das Kristall ist in der Halte-Anordnung durch Lötung, Verklebung oder einem klemmenden Paß-Sitz befestigt und gedichtet. Der Proben-Analysator weist ein optisches System auf, das einen Strahlungs-Teiler, Eingangs- und Ausgangs-Optiken, eine Objektiv-Linse, einander zugeordnete Spiegelpaare oder sphärische oder asphärische Optiken aufweist.

Claims (16)

1. Proben-Analysator zur optischen Analyse einer Probe mit folgenden Merkmalen.
eine Quelle zur Strahlungs-Energie,
ein optisches MIR-Element, das einen zylindrischen Körper aufweist mit einem flachen Ende und einem gekrümmten Ende, wobei des flache Ende und ein deren angrenzener aktiver Bereich des zylindrischen Körpers gegen die Probe gerichtet angeordnet ist und
optische Teile, die die Strahlungs-Energie von der Quelle zu dem gekrümmten Ende richten, wo sie dann unter Mehrfach-Reflexionen im Inneren entlang des Elementes zu dem flachen Ende hin gerichtet wird und dann entlang des Elementes zurück durch das gekrümmte Ende auf einen Detektor gerichtet wird.

2. Proben-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine unter hohem Druck und/oder hoher Temperatur stehende Reaktions-Kammer aufweist, die die Probe einschließt, und wobei das optische MIR-Element zum Teil in einer Öffnung in Halte-Teilen befestigt und abgedichtet ist, des wiederum in einer Wand der Reaktions-Kammer befestigt und gegen diese Wand gedichtet ist.

3. Proben-Analysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halte-Anordnungen eine Fassung und eine Aufnahme-Mutter (Nippel) aufweisen, wobei die das MIR-Element aufnehmende Öffnung oder Bohrung eine Bohrung durch die Fassung hindurch ist.

4. Proben-Analysator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme-Mutter sowohl einen äußeren Gewinde-Bereich aufweist, der in ein Gewinde in der Wand der Reaktions-Kammer eingreift, und eine Öffnung oder Bohrung, die teilweise die Fassung aufnimmt, wobei die Bohrung eine abgeschrägte Nockenfläche aufweist, die an eine sich radial nach außen erstreckenden Schulter an der Fassung angreift, um die Fassung in eine gedichtete Anordnung mit der Aufnahme-Wand drücken, wenn die Aufnahme-Mutter in die Aufnahme-Wand hineingeschraubt wird.

5. Proben-Analysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche entweder der Öffnung oder des Befestigungs-Bereiches des MIR-Elementes verspiegelt ist und daß das MIR-Element an dem Halter durch Verklebung, einen klemmenden, vorgespannten Paßsitz oder Lötung befestigt ist.

6. Proben-Analysator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche entweder der Öffnung oder des MIR-Elementes mit einer dünnen Schicht von nicht-absorbierendem Material, das einen niedrigeren Brechungsindex aufweist als das Kristall, beschichtet ist, und daß das MIR-Element an dem Körper durch eine Verklebung, einen klemmenden, vorgespannten Paßsitz oder einer Lötung befestigt ist.

7. Proben-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das MIR-Element ein Kristall ist und das gekrümmte Ende eine konkav oder konvex gekrümmte Form aufweist, die aus einer Gruppe von Formen ausgewählt ist, die einen Kegel, eine Halbkugel (Hemisphäre), einen Torroiden oder Teilkörpern von diesen umfassen.

8. Proben-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Halte-Anordnung den aktiven Bereich des MIR-Elementes umgebende und schützende Schutz-Stifte mit Abstand zueinander angeordnet sind.

9. Proben-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß optische Einrichtungen einen Strahl-Teiler und Strahlungs-Energie-Einlaß- und -Auslaß-Teile, die aus Reflexions-Optiken ausgewählt sind, eine Objektiv-Linse, miteinander zusammenwirkende Spiegelpaare oder sphärische oder asphärische Optiken aufweisen.

10. Proben-Analysator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das MIR-Element ein Kristall ist, das teilweise in einer Bohrung des Halters befestigt und gedichtet ist, und wobei die Einkoppel- und Auskoppel-Einrichtungen Spiegel aufweisen, die einen geformten, in die Halte-Anordnung integrierten Teil bilden.

11. Proben-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische MIR-Element ein optischer Faserstab ist.

12. Proben-Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halte-Anordnung eine Fassung aufweist, die in eine Wand der Reaktions-Kammer, die die Probe enthält, eingeschraubt ist, und daß das optische MIR-Element teilweise in einer durch die Fassung hindurchführenden Bohrung mittels voneinander beabstandetan O-Ring-Dichtungen, die in der Fassung angeordnet sind, befestigt und gedichtet ist.

13. Proben-Analysator zur optischen Analyse einer Probe, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
eine Quelle für Strahlungs-Energie,
eine Reaktions-Kammer, die die Probe aufnimmt,
ein optisches MIR-Element, das einen zylindrischen Körper, ein reflektierendes Ende und ein gekrümmtes Ende aufweist, wobei das reflektierende Ende und ein deren angrenzender aktiver Bereich zur Probe hin gerichtet angeordnet ist,
eine Halte-Anordnung für das MIR-Element, das eine teilweise herausnehmbare, gedichtete Befestigung des MIR-Elementes in der Reaktions-Kammer bildet, und optische Einrichtungen, um die Strahlungs-Energie von der Strahlen-Quelle in das gekrümmte Ende des optischen MIR-Elementes für eine sich deren anschließende mehrfache innere Reflexion entlang des Elementes zu dem Reflexions-Ende hin einkoppelt und dann entlang des Elementes zu dem gekrümmten Ende und einem Detektor hin zurückreflektiert.

14. Proben-Analysator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Ende eben ausgebildet ist und die Halte-Anordnung (a) eine Fassung aufweist, die eine durchgehende Bohrung besitzt, in der ein Befestigungs-Bereich des MIR-Elementes befestigt und gedichtet ist, und (b) eine Aufnahme-Mutter (Nippel), die zum Teil die Aufnahme-Mutter aufnimmt und die teilweise vorsteht, um eine Dichtung zwischen der Halte-Anordnung und der Reaktions-Kammer zu bilden.

15. Proben-Analysator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierende Ende beschichtet ist und die Halte-Anordnung eine Fassung und eine Aufnahme-Mutter aufweist.

16. Proben-Analysator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Einrichtungen als Teil der Aufnahme-Mutter ausgebildet sind.