用于光学工具的金刚石光学部件制造技术

一种用于光学探针的部件，该部件包括：管状本体，该管状本体限定出内部通道和开口；安装环，该安装环被安装在所述内部通道内，并被构造用于限定出与所述开口对准的孔；以及窗，该窗横越所述孔布置，并围绕所述孔与所述安装环结合；其中，所述窗是金刚石，其中，所述安装环包括线性热膨胀系数α在20°C时为14.0×10-6K-1或更小并且热传导率在20°C时为60Wm-1K-1或更大的材料；其中，所述管状本体由化学惰性材料制成。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种用于光学工具的金刚石光学部件。某些实施例涉及用于尤其是在苛刻的化学和/或热环境中进行化学分析的光学探针。
技术介绍
已知将金刚石用作光学工具中的光学部件(例如扁平的窗、棱柱或透镜)。例如，JP9028715、JP5095962、US4170997和US6104853公开了将金刚石用作布置在医疗用激光工具的端部中的窗材料。由于金刚石具有低的吸收性，因而它作为窗材料是有用的。金刚石相比于其它可能的窗材料的额外优点在于它在机械上是硬的、惰性的和生物相容性的。例如，金刚石的惰性使得它在其它光学窗材料将不适用的反应性化学环境中的使用是极佳选择。用金刚石作窗材料的一个问题是:例如由于化学和/或热状况，金刚石窗有从其附接的光学工具上脱离结合(de-bond)的趋势。将光学工具设计成在反应性化学环境中使用所要面对的另一个相关问题是如何改善金刚石窗结合，并同时确保光学工具对于用到该光学工具的反应性化学环境来说是化学惰性的。本专利技术的某些实施例的目的在于解决上述问题。具体而言，本专利技术的某些实施例试图提供这样的光学工具，即，该光学工具是稳定的、可靠的、具有延长的使用寿命、并可以制成小尺寸。特定实施例的目的在于提供带有金刚石窗的化学惰性的光学探针，该光学探针尤其是用于插入到苛刻的化学环境中以例如在容装酸性反应剂的化学反应器中进行光谱分析。应用场合包括需要制造者提供包括对其工艺进行化学分析的工艺数据的制药工业。
技术实现思路
本专利技术的第一方面提供了一种用于光学探针的部件，该部件包括:管状本体，该管状本体限定出内部通道和开口 ；安装环，该安装环被安装在所述内部通道内，并且被构造用于限定出与所述开口对准的孔；和窗，该窗横越所述孔布置，并且围绕所述孔与所述安装环结合；其中，所述窗是金刚石；其中，所述安装环包括线性热膨胀系数α在20° C时为14.0X KT6IT1或更小并且热传导率在20° c时为eown^r1或更大的材料；其中，所述管状本体由化学惰性材料制成；并且其中，所述管状本体包括向内渐缩的端部部分，并且所述安装环压配合到所述向内渐缩的端部部分中。根据本专利技术的第二方面，提供了一种光学工具，该光学工具包括:用于传递光的光学纤维；和如以上描述的附接到所述光学纤维的端部的部件。因此，所述部件能够被附接到光学纤维的端部，用于通过金刚石窗传递和/或接收光。所述窗可以是扁平的，或者可以具有某些其它形状，例如棱柱或弯曲透镜。附图说明为了更好地理解本专利技术并展示本专利技术如何可以得以实施，现在将参考附图仅以示例性的方式对本专利技术实施例进行描述，其中:图1示出了根据本专利技术实施例的用于光学工具的金刚石窗部件的透视图；图2示出了根据本专利技术实施例的用于光学工具的金刚石窗部件的侧剖视图；和图3示出了根据本专利技术实施例的用于光学工具的金刚石窗部件的端视图。具体实施例方式本专利技术的专利技术者已查出，在金刚石窗和与其结合的管状本体之间的热力不匹配(thermal mismatch)是导致金刚石窗在管状光学探针中脱离结合的问题所在。已经发现，光学工具的小的端尖部在操作期间变得非常热。已观察到大约200°C的温度。端尖部的小尺寸加剧了这种加热效应，其仅需要相对小的能量就让温度快速地增加。温度的增加导致金刚石窗和管状本体以不同的速度膨胀，从而在金刚石窗和管状本体之间的接合部产生应力。这是因为，金刚石的热膨胀系数远比用来形成管状本体的标准材料(例如不锈钢)低得多。如果应力变得过大，接合部失效，金刚石窗便从管状本体脱离结合。使用时重复的加热和冷却会加剧该问题。此外，在多次使用期间对设备进行高压灭菌给设备消毒也会加剧该问题。如果利用任何热处理步骤的话，类似的问题还会发生在部件的制造期间。例如，如果金刚石窗被焊接(welded)或者硬钎焊(brazed)至管状本体，因热膨胀系数的不匹配而在部件冷却期间产生的应力会导致金刚石窗脱离结合。一种缓解一些上述问题的方式是提供充分冷却系统来防止端尖部加热过快或者变得过热。然而，有效冷却系统的加入会增加装置的尺寸和复杂性，这是不期望的。另一种可能性是在金刚石窗和管状本体之间设置挠性接合。然而，挠性接合(例如聚合物粘合剂)在使用期间易受熔融和燃烧影响，并且不适合高温灭菌。解决上述问题的另一种可能性是用热膨胀系数相比例如标准不锈钢而言与金刚石更加接近的材料来制造管状本体。在这点上，不锈钢在20°C时的线性热膨胀系数α大约为HXKT6ITi (该值随着不锈钢的特定组成而变化)。金刚石在20°C时的线性热膨胀系数α为1.1XlO-6K'因此，期望从例如钛(其在20°C时的线性热膨胀系数α为8.6 X KT6IT1)的材料制造出管状本体来缓解金刚石窗剥离的问题。然而，在实践中，发现这并不能解决问题。本专利技术的专利技术者已查出，与钛管状本体布置相关的问题在于钛的相对差的导热率。钛在20°C时的导热率大约为ZlWnT1K'如果热不能从金刚石窗导走，那么在激光工具的尖部围绕金刚石窗聚集起来的热被加剧。因此，即使钛和金刚石的热膨胀系数匹配度更好，但是这个优点因在使用时钛的导热率差让温度快速大量增加而被抵消。—种解决上述问题的可能方式是对管状本体使用导热率非常高的材料(例如银，其在20°C时的导热率为4291111- -1,或者铜，其在20°C时的导热率为39311^ -1 )。然而，已经发现，即使在金刚石窗周围聚集起来的局部热量可以通过使用这种材料而减少，但是这些材料的热膨胀系数过大(银在20°C时的热膨胀系数为19.5X KT6IT1,铜在20°C时的热膨胀系数为16.6X KT6IT1X因此，温度增加虽然更低并更慢，却仍足以对金刚石窗产生充分的应力以使其从管状本体脱离结合。根据以上，本专利技术的专利技术者已发现，为了解决金刚石窗剥离的问题，与金刚石窗结合的管状本体必须由热膨胀系数相对低且导热率相对高的材料制成。本专利技术的专利技术者发现，管状本体可以由线性热膨胀系数在20° C时为HXKT6ITi或更小且导热率在20° C时为SOWnT1K-1或更大的材料制成。各种材料均落入这些范围内，钥为示例。然而，虽然使用这种管状本体可以解决金刚石窗剥离的问题，例如钥的材料是相对反应性的，并不适合于用在反应性环境例如高酸性环境中。解决该进一步问题的一个可能途径是对管状本体涂覆非反应性涂层，例如金涂层。然而，已经发现这种涂层会容易被剐蹭，从而暴露出下面的材料，而该材料可以与外部化学环境发生反应，使得光学探针质量降低并污染了其中放置有探针的化学环境。该问题可以通过使用化学惰性材料例如镍基合金C-276制造管状本体来加以克服。然而，这种化学惰性材料通常不满足低热膨胀系数和相对高的导热率的双重需要。这样，金刚石窗由于先前描述的原因而将趋向于剥离。为了解决上述问题，本专利技术的专利技术者意识到，要提供带有金刚石窗的化学惰性的光学探针，需要化学惰性的管状本体、以及安装环，该安装环由线性热膨胀系数α在20° C时为14.0xKT6IT1或更小且 导热率在20° c时为eownrl.1或更大的材料制成。安装环被安装在化学惰性的管状本体内，并且金刚石窗与安装环结合。这样一来，化学惰性的管状本体保护安装环不受外部化学环境影响，而安装环又提供了对金刚石窗的可靠结合来防止剥离。如果围绕金刚石窗留有安装环本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·G·M·德维特，G·J·佩尔斯，B·C·M·弗罗利克，
申请(专利权)人：六号元素股份有限公司，
类型：
国别省市：