178938. lajstromszámú szabadalom • Infravörös színképtartományban működő gázelemű készülék
3 178938 4 mutatójú anyagból a mérési hullámhosszon reflektáló, a nem kívánt hullámhosszakon pedig áteresztő (ún. hideg tükör), vagy szélessávú reflexiómentesítő bevonatok vannak kiképezve. A találmány szerinti készülékekben az ablakok említett anyagainak az infravörös színképtartomány, 1—8 pm közötti szakaszán, melyben a legtöbb gázelemző készülék működik, gyakorlatilag nincsen abszorbciója, de nagy az optikai törésmutatójuk n = 2-4, miáltal a be illetve kilépésnél számottevő R reflexiós veszteség keletkezik. Egy ablak transzmissziója T= l-R^0,4-0,56, azaz a négy ablak transzmissziója T4 = 0,025-0,10 körüli érték. Az ablakok mindkét oldalán kialakított megfelelő vastagságú reflexiómentesítő rétegek esetén a mérési hullámhosszon T4 s 1 érték biztosítható. Mivel a reflexiómentesítő rétegekkel ellátott ablakok transzmissziója csak a kiválasztott hullámhosszra optimális, az eltérő hullámhosszakon az eredő transzmisszió az ablakok számának hatványával csökken, ami igen jelentős mértékben lecsökkenti a detektorra jutó nemkívánatos hullámhosszúságú sugárzás (hősugárzás) mennyiségét, azaz a mérőjel zajszintjét és a készülék felmelegedését. A találmány szerinti gázelemző készülékben legalább négy ablak szükségszerű alkalmazása nyolc reflexiómentesítő réteget igényel, ami az egyes ablakfelületeken eltérő vastagságú ún. „magasabb rendű” reflexiómentesítő rétegek alkalmazási lehetőségét biztosítja. Az első és/vagy a magasabb rendű reflexiómentesítő rétegeknek az optikai sugármenetben egymás után történő elrendezése egyrészt lehetővé teszi a mérési hullámhossz környékére optimalizált transzmissziós sáv leszűkítését, valamint valamely kisérő (zavaró) gáz a mérési hullámhossztól eltérő hullámhosszon fellépő abszorbciója miatt fellépő zavaró hatás csökkentését azáltal, hogy a zavaró sáv abszorbciójának hullámhosszán a transzmissziós érték alacsonyan tartható. A találmány szerinti gázelemző készülék egy példaképpeni kiviteli alakját CO gáz C02 jelenlétében történő mérésére, az ábrákra történő hivatkozásokkal ismertetjük. Az 1. ábrán egy ismert felépítésű gázelemző készülék elvi elrendezési vázlata, az 1 a ábrán a találmány szerint kialakított szelektív detektor (GOLAY cella) elrendezése és a 2. ábrán a készülék találmány szerint kialakított példaképpeni ablakainak transzmissziós értékei láthatók a hullámhossz függvényében. Az 1. ábrán bemutatott infravörös gázelemző 1 infravörös sugárforrásból, 2 forgó fényszaggatóból, 3 M és 3 R mérő és referencia küvettából, CO gázzal töltött 4 szelektív detektorból, hozzákapcsolt 5 villamos erősítőből és 6 kijelzőből áll. Az 1 infravörös sugárforrást, a küvettákat és 4 szelektív detektort 7 optikai ablakok fedik le. Az ismert készülékekben az ablakok általában Ca F2-ből vannak, így a széles hullámhossztartományban sugárzó 1 infravörös sugárforrásból gyakorlatilag minden sugárzás eljut a 2 forgó fényszaggató által váltakozva, a 3 M illetve 3 R mérő illetve referenciaküvettán át, a 4 szelektív detektor CO-val töltött gázterébe. A CO gáz a rá jellemző Xm = 4,7 pm hullámhosszon a rajta áthaladó sugárzás egy részét elnyeli, felmelegszik és kitágul. A 4 szelektív detektorra kevesebb sugárzás fog érkezni akkor, ha a 3 M mérőküvettában CO gáz van, mivel ekkor a sugárzás a 3 M mérőküvettában levő CO gáz mennyiségével arányosan kevesebb lesz a 3 M mérőküvettában levő CO gáz elnyelése miatt. A 4 szelektív detektorban levő 4’ membrán deformációja követi a 3 M mérőküvettában levő CO gáz mennyiségének változását és a kapott jel, megfelelő átalakítás után az 5 villamos erősítőn át a 6 kijelzőn jelenik meg. Az elmondottakból következik, hogy a 4 szelektív detektorba bejutó szélessávú infravörös sugárzásnak a benne levő CO abszorbciója után fennmaradt tekintélyes része a 4 szelektív detektor falára esik és azt melegíti, ami a 4 szelektív detektor testének felmelegedését eredményezi. Ez a fal által elnyelt hősugárzás is melegíti a gázteret, ami nemkívánatos és lassan változó zavaró hatásokat okoz. A találmány szerint kialakított gázelemző l.a ábrán feltüntetett 8 szelektív detektora (mely az 1. ábrán feltüntetett 4 szelektív detektor helyére tehető) úgy van kialakítva, hogy a 8 szelektív detektor falán a belépőablakkal szemben 9 ablakok vannak elrendezve, mely ablakok anyaga (pl. CaF2) az infravörös sugarakat átengedi, amiáltal a detektor nemkívánatos lassú melegedése elkerülhető. Az ismert gázelemző készülékekben a 7 optikai ablakok anyaga általában CaF2. Ezek beszerzési ára viszonylag magas, széles hullámhossztartományban átlátszóak, tehát a gázelemző készülékekben mérőhullámhosszat kiválasztó szűrő pl. interferenciaszűrő vagy szelektív detektor alkalmazását teszik szükségessé, melyek mindegyike növeli a készülék összetettségét, és önköltségét. A találmány szerinti gázelemző készülékekben a 7 optikai ablakok Si vagy Ge lapkák, melyek felületén, célszerűen Si2N4-ből készített, a mérési feladathoz igazodó vastagság(ok)ban reflexiómentesítő rétegek vannak kiképezve. A rétegvastagságok) megfelelő megválasztásával a 7 optikai ablakok transzmissziós maximuma a X m mérési hullámhosszra optimalizálható, jelen példában a CO gáz Xm = 4,7 pm-en levő abszorbciós sávjának hullámhosszára. A Si2N4 törésmutatója a Xm = 4,7 pm hullámhosszon ni = 1,98, amiből az ún. „első rendű” (k = 1) reflexiómentesítő (dj) rétegvastagságra Xo di = K • -----= 0,593 pm adódik. Az optimális 4nj reflexiómentesítő réteg ni törésmutatója ni = v/no • n2, ahol n0 és n2 a réteggel szomszédos közegek törésmutatói, jelen példában n„ = 1 (levegő) és n2 = 4 (Ge), illetve n2 = 3,43 (Si) esetében. Látható, hogy a Si2N4 törésmutatója ehhez a feltételhez jól illeszkedik. A találmány szerinti példaképpeni gázelemző készülékben a négy 7 optikai ablak nyolc felületé-5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
