JP3631221B2

JP3631221B2 - ファイバ分光検出器及びその製造方法

Info

Publication number: JP3631221B2
Application number: JP2002143671A
Authority: JP
Inventors: 文人北谷
Original assignee: 核燃料サイクル開発機構
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: JP2003337103A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを利用したＡＴＲ法（減衰全反射法）による分光検出器及びその製造方法に関するものである。このファイバ分光検出器は、特に限定されるものではないが、溶融塩や溶融金属等を測定対象とする高温域での分光分析に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
赤外線吸収スペクトルを測定する方法の一つに、全反射を利用するＡＴＲ法がある。この方法では、高い屈折率を持つＡＴＲプリズムを試料に密着させ、該ＡＴＲプリズムを通して赤外光を試料に照射し、そのＡＴＲプリズムからの出射光を分光分析する。このようなＡＴＲ法は、試料及び測定装置の取り扱いが簡便なため、透過法に代わり使用されている。
【０００３】
しかし内部反射エレメントとしてＡＴＲプリズムを用いる構成は、内部反射回数も少なく、感度もあまり高くない。そこで最近、内部反射エレメントとして光ファイバを用いる技術が提案されている。これは、光ファイバのクラッドの一部を、化学的あるいは物理的手段により除去してコアのみとしたクラッド欠損部を設ける方法である。光ファイバを用いることにより内部反射回数が増大し感度の向上を図ることができ、別途に集中光学系を必要とせず、そのため小型化できる等の利点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来の光ファイバを用いた分光検出器は、光ファイバのクラッドを全周取り去って作製するため、石英クラッド／石英コア構造の光ファイバでの製作は困難である。そのため、従来技術では主に、高分子クラッド／石英コア構造の光ファイバを用いて高分子クラッドを熱もしくは刃物を用いて取り除いている。しかし、このような方法は、コアの折損が生じ易く、検出器の製造の歩留まりが非常に悪いという問題があった。
【０００５】
また、クラッドが高分子材料であるため、分光検出器の使用可能温度が高分子材料の耐熱性で決定され、高温域での使用が不可能であった。更に、作製した分光検出器は、極細の光ファイバのコアからなるため、物理的に脆弱でハンドリングが困難な上、振動などの影響を受け易く、実用には問題が多かった。
【０００６】
本発明の目的は、堅牢な構造で、そのためハンドリングが容易であり、粘性の高い試料にも挿入でき、安定した測定が可能となるファイバ分光検出器を提供することである。本発明の他の目的は、高温環境や化学的に活性な環境など劣悪な環境下でも使用可能なファイバ分光検出器を提供することである。本発明の更に他の目的は、堅牢な構造にでき、必要な大きさの検出面を容易に形成できるファイバ分光検出器の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、四角柱状のサポート部材の一主面の長手方向に溝が形成されると共に該溝に平行に貫通穴が形成され、前記溝内に検出ファイバが収容されてファイバ固定充填材で固着され、前記貫通穴内に参照ファイバが挿通されて固定されており、それによって検出ファイバと参照ファイバがサポート部材と一体化され、前記検出ファイバのクラッドの一部が除去されコアの一部が露出することで検出面が形成されていることを特徴とするファイバ分光検出器である。このファイバ分光検出器は、光ファイバのクラッドを除去することによって、コアを伝播する光の全反射で生じるエバネッセント波と外部媒質との相互作用による吸光度を測定するものである。
【０００８】
特に、サポート部材及び固定充填材を共に耐熱性材料で構成し、検出ファイバに石英クラッド／石英コア構造の光ファイバを用いると、高温対応型のファイバ分光検出器が得られる。
【０００９】
例えば、検出ファイバ及び参照ファイバを、先端を丸めたサポート部材に沿って曲げ返し、その戻り部分はファイバ固定充填材で覆われるようにしてサポート部材に固着する。ファイバの戻り部分の位置ずれを防ぐためには、サポート部材に別途溝を設けて、その溝にファイバを収容する構成も有効である。
【００１０】
また本発明は、上記のような構造のファイバ分光検出器を製造する方法である。先端が丸味を帯びたサポート部材の細長状の一主面に縦方向にＶ溝を形成すると共に該Ｖ溝と平行に貫通穴を形成し、該サポート部材の表面にファイバ固定充填材を塗布し、前記Ｖ溝内に検出ファイバを押し込んで半埋設状態とすると共にサポート部材の先端で曲げ返し、前記貫通穴内に参照ファイバを挿入すると共にサポート部材の先端で曲げ返し、前記検出ファイバ上に更にファイバ固定充填材を塗布して前記検出ファイバを覆い、加熱固化した後、ファイバ固定充填材ごとファイバを平面研磨してクラッドを除去し、コアを露出させて検出面を形成する。
【００１１】
【実施例】
図１は本発明に係るファイバ分光検出器の一実施例を示す説明図であり、Ａは縦断面を、Ｂは正面を、Ｃは底面を、それぞれ表している。また図２はそのｘ−ｘ断面図である。ファイバ分光検出器１０は、四角柱状のサポート部材１２の細長状の一主面に縦方向に形成したＶ溝１４内に、検出ファイバ１６が収容されファイバ固定充填材１８で固着されており、該検出ファイバ１８のクラッド２０の一部が除去されコア２２の一部が露出することで検出面２４が形成されている。サポート部材１２の先端は丸味を帯びており、それに沿って曲げ返された検出ファイバの戻り部分１６ａは、サポート部材１２の前記検出面２４とは反対側の主面（裏面）にてファイバ固定充填材２６中に埋設固着されている。クラッドの除去は、ファイバ固定充填材ごとファイバを平面研磨することによって行う。これによってコアの一部も研磨される。
【００１２】
ここで参照ファイバ３０は、検出ファイバ１６と並置される。そのため、サポート部材１２の長手方向に前記Ｖ溝１４と平行に貫通穴３２が形成され、該貫通穴３２内に参照ファイバ３０が挿通されファイバ固定充填材３４で固着されている。サポート部材１２の先端で曲げ返された参照ファイバの戻り部分３０ａは、検出ファイバの戻り部分１６ａと平行に配置され、ファイバ固定充填材２６中に埋設固着されている。参照ファイバ３０を貫通穴３２内に収容することで、検出ファイバの研磨時に参照ファイバが研磨されないようにしている。このようにして、検出ファイバ１６と参照ファイバ３０とが極力同じ位置を経由して、サポート部材１２と一体化したファイバ分光検出器１０が得られる。なお、検出ファイバと参照ファイバの戻り部分１６ａ，３０ａの位置決めを容易にするためには、図示しないが、サポート部材の裏面にも２本の平行溝を形成して、それぞれに検出ファイバと参照ファイバの戻り部分を収容するようにしてもよい。
【００１３】
高温環境下で使用する場合には、サポート部材１２として化学的に安定で耐熱性の高いアルミナ系セラミックスを用い、ファイバ固定充填材１８，２６，３４には高温用アルミナ系の接着剤を用いる。検出ファイバ１６及び参照ファイバ３０には、石英クラッド／石英コア構造の光ファイバを用いる。この構成により、１０００℃以上の高温域で使用可能なファイバ分光検出器が製作できる。また、この構成は、石英を侵すフッ酸系以外の強酸強塩基環境においても安定に使用できるファイバ分光検出器となる。なお使用光の波長は、光ファイバを効率よく透過できる波長であることから、石英ファイバであれば波長数μｍの近赤外光から波長数百ｎｍの紫外光となる。
【００１４】
本発明のファイバ分光検出器１０は、脆弱なファイバ検出部がサポート部材１２に固着されているため、屈曲等の外乱による損失変化の影響を受け難く安定した測定が可能となる。また、このように製作したファイバ分光検出器１０では、検出面以外の光伝播部はクラッド／コア構造が残っているために、低損失で外乱の影響を受けずに入出力光が伝播する。被測定物（試料）は、主にファイバ分光検出器周辺の液体もしくは気体である。しかし、ファイバ検出部はサポート部材によって支えられ機械的強度が高くなっているので、検出面を試料に圧接する方法による固体表面の測定も可能である。
【００１５】
脆弱なファイバ検出部がサポート部材に固着され堅牢な構造となっているために、ハンドリングが容易であり、高温環境（例えば溶融塩や溶融金属等）や化学的に活性な環境（例えば強酸強塩基）で必要なロボットアーム等による遠隔操作が行い易い。また、粘性の高い試料や多数の粒子が存在する試料等でも本ファイバ分光検出器を容易に挿入可能であるため、測定対象が広がる。更に、本発明に係るファイバ分光検出器では、検出面に対する物理的な接触が容易であるため、検出面の洗浄が容易に行える。そのため、繰り返し測定に用いることが可能であり、その際、試料の汚染を低く抑えることができる。
【００１６】
図３は、ファイバ分光測定系の一例を示す説明図である。ファイバ分光検出器１０は試料４０中に浸漬する。ここでは試料４０は、容器４２に入れられ、ヒータ４４で熱せられた高温溶融物である。光源４６からの光をコリメータレンズ４８により平行光とし、ビームスプリッタ５０で２分割する。そして信号光導光ファイバ５２及び参照光導光ファイバ５４によってファイバ分光検出器１０の検出ファイバ１６に検出光を、参照ファイバ３０に参照光をそれぞれ導き、出力光をレンズ５６，５７で集光する。そして、それぞれを検出部５８，５９で検出して電気信号に変換し、信号処理系へ伝達する。これにより得られる信号（入射光強度と出射光強度の比）が吸光度になる。測定原理は吸光分光測定を同様なので、得られる情報は吸光分光測定の場合と同様となる。主な測定は、被測定物の濃度やイオンの状態変化等である。また、参照ファイバを設ける構成であるので、光源の出力変動やファイバの劣化の補正が可能となり、測定精度が向上する。信号処理としては、信号変化が微弱になれば、入射光に変調をかけたロックイン計測によりＳ／Ｎを向上させることができる。
【００１７】
図４に使用状態の一例を示す。容器４２に収容されている被測定物（試料）４０中にファイバ分光検出器１０を挿入する。ここで直線状のファイバ検出部の長さを変えれば（必要に応じてＡのように短くしたり、Ｂのように長くすれば）、ファイバ分光検出器の長さに応じた挿入方向の積分情報を得ることができる。
【００１８】
図５に使用状態の他の例を示す。Ａは複数のファイバ分光検出器１０を被測定物４０中に並列に挿入した例である。このようにファイバ分光検出器を２次元的に分散配置すると、被測定物中の測定値分布を把握することが可能となる。Ｂは複数のファイバ分光検出器１０を被測定物４０中に直列に接続して挿入した例である。このようにファイバ分光検出器を配列すると、容易にファイバ検出部長さ（吸収長さ）を延長できるので、希薄物質などの低吸収物質の測定にも容易に対応できる。
【００１９】
サポート部材の一例を図６に示し、それを用いたファイバ分光検出器の製造手順の一例を図７に示す。ここでは検出面の製造工程のみを示し、光ファイバの曲げ返し構造や参照ファイバの挿入用の貫通穴など、あるいはそれへの取り付けなどについては説明を省略する。まず図６に示すように、サポート部材１２は、四角柱体の一主面（細長表面の一表面）にファイバ取り付け用のＶ溝１４を形成したものとする。Ｖ溝１４は、サポート部材１２の表面に一端から他端に至るまで同じ断面形状で形成する。
【００２０】
Ｖ溝１４を図７のＡに示す。このＶ溝１４の最大幅は光ファイバの直径（クラッド外径）より若干大きいものとし、Ｖ溝１４の深さは光ファイバの半径より若干深いものとする。即ち、光ファイバをＶ溝内に収容したとき、コア中心位置がサポート部材表面レベルと同じかそれよりもやや下方（溝内）に位置するような関係とするのがよい。
【００２１】
Ｂに示すように、サポート部材１２のＶ溝１４の内外部分に予めファイバ固定充填材５０を塗布しておく。次にＣに示すように、前記Ｖ溝１４内に検出ファイバ（被覆を取り去った光ファイバ、即ちコア／クラッドの状態）５２を押し込んで半埋設状態とする。そしてＤに示すように、該検出ファイバ５２上に更にファイバ固定充填材５４を塗布して前記検出ファイバ５２を覆う。その状態で加熱固化させる。その後、Ｅに示すように、ファイバ固定充填材ごとファイバを研磨してクラッドを除去し、コア２２を露出させて検出面２４を形成する。
【００２２】
ファイバの研磨は、結晶研磨を行うような平削研磨盤で行う。当然、散乱光によるロスを無くすために光学精度で仕上げる。作製の際、ファイバ光を導通させつつ研磨を行い出力光の強度をモニタすると、クラッドの除去状況を把握できるために検出面の形成が容易となる。クラッドが除去されるに従ってエバネッセント波のロスが多くなり出力光が減少していく。エバネッセント波のロス分が測定に関わる光の量にほぼ比例しており、出力光が０になるのは断線状態を意味することから、２０〜４０％までの出力減が研磨完了の目安となる。
【００２３】
このようにサポート部材の面全体を研磨することで検出面を形成する。ファイバ分光検出器の大きさは、光学精度の研磨を行うことを考慮すれば、最長２００ｍｍ程度となる。長さ２００ｍｍ程度では吸光度を十分に測定できないような希薄媒質の場合には、前記図５のＢに示す実施例のように、複数のファイバ分光検出器を直列に接続することで対応可能である。従って、取り扱いや製作の容易さを考慮して、１００ｍｍ程度の長さのファイバ分光検出器を標準品として用意すれば十分である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は上記のように、サポート部材の溝内に検出ファイバが収容されファイバ固定充填材で固着されており、クラッドの一部が除去されコアの一部が露出することで検出面が形成されているファイバ分光検出器であるので、堅牢な構造であり、そのためハンドリングが容易で、粘性の高い被測定物等にも挿入でき、安定した測定が可能となる。また本発明によれば、石英クラッド／石英コア構造の光ファイバでも作製が容易であるため、高温環境や化学的に活性な環境など劣悪な環境での使用も可能となり、測定可能な範囲が広がる。更に、ファイバ分光検出器がユニット単位で取り扱えるので、種々のアレンジ（並列配置による２次元分布の計測、直列接続による光路長の変更など）が容易に行える。
【００２５】
また本発明は、サポート部材の溝に保護被覆を取り去った光ファイバをファイバ固定充填材にて固着し、これを研磨することにより検出面を形成する方法であるので、堅牢な構造のファイバ分光検出器を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るファイバ分光検出器の一実施例を示す説明図。
【図２】そのｘ−ｘ断面図。
【図３】ファイバ分光検出器を用いた測定系の一例を示す説明図。
【図４】ファイバ分光検出器の使用状態の例を示す説明図。
【図５】ファイバ分光検出器の使用状態の他の例を示す説明図。
【図６】本発明で用いるサポート部材の例を示す説明図。
【図７】本発明に係る製造方法の一例を示す工程説明図。
【符号の説明】
１０ファイバ分光検出器
１２サポート部材
１４Ｖ溝
１６検出ファイバ
１８ファイバ固定充填材
２０クラッド
２２コア
２４検出面
２６ファイバ固定充填材
３０参照ファイバ
３２貫通穴
３４ファイバ固定充填材

Claims

四角柱状のサポート部材の一主面の長手方向に溝が形成されると共に該溝に平行に貫通穴が形成され、前記溝内に検出ファイバが収容されてファイバ固定充填材で固着され、前記貫通穴内に参照ファイバが挿通されて固定されており、それによって検出ファイバと参照ファイバがサポート部材と一体化され、前記検出ファイバのクラッドの一部が除去されコアの一部が露出することで検出面が形成されていることを特徴とするファイバ分光検出器。
サポート部材及びファイバ固定充填材が共に耐熱性材料からなり、検出ファイバに石英クラッド／石英コア構造の光ファイバを用いて高温対応型とした請求項１記載のファイバ分光検出器。
請求項１又は２記載のファイバ分光検出器を製造する方法であって、先端が丸味を帯びたサポート部材の細長状の一主面に縦方向にＶ溝を形成すると共に該Ｖ溝と平行に貫通穴を形成し、該サポート部材の表面にファイバ固定充填材を塗布し、前記Ｖ溝内に検出ファイバを押し込んで半埋設状態とすると共にサポート部材の先端で曲げ返し、前記貫通穴内に参照ファイバを挿入すると共にサポート部材の先端で曲げ返し、前記検出ファイバ上に更にファイバ固定充填材を塗布して前記検出ファイバを覆い、加熱固化した後、ファイバ固定充填材ごとファイバを平面研磨してクラッドを除去し、コアを露出させて検出面を形成するファイバ分光検出器の製造方法。