Quarzglas für analytische Instrumente

Optische Laborgeräte

Viele analytische Instrumente beruhen auf optischen Detektionsverfahren. Die optische Laborausstattung selbst ist jedoch ein sehr vielfältiges Gebiet. Je nach den verwendeten Analysemethoden werden unterschiedliche optische Geräte und entsprechende optische Elemente mit unterschiedlichen Leistungsstufen benötigt. Da das Gerätedesign vom jeweiligen Hersteller abhängt, gehen wir im Folgenden auf einige grundlegende Komponenten optischer Laborgeräte und Ersatzteile oder Zusatzgeräte ein, die einen Unterschied in der Leistung machen können.

Die Leistung optischer Komponenten aus Quarzglas wie Sichtfenster oder Linsen hängt in erster Linie von der optischen Verarbeitung sowie gegebenenfalls von der Beschichtung ab. Aber auch die Wahl des richtigen Quarzglases kann einen Unterschied machen. Absorption im ppm/cm-Bereich kann für empfindliche Messungen von Bedeutung sein.

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Optische Messtechnik

Optische Messtechnik bezeichnet Messtechnologien mithilfe von Licht. Bei den Eigenschaften kann es sich sowohl um Abmessungen und Form als auch um Temperaturen oder andere Eigenschaften handeln, die mit Licht bestimmt werden können. Dimensionsmessungen mit Licht sind berührungslos und oft sehr genau, da sie meist nur durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts begrenzt sind.

Industrielle Messtechnik

Halbleiter Messtechnik

Medizinische Messtechnik

Industrielle Messtechnik

In vielen industriellen Prozessen wird Licht zur Messung des Produktionsfortschritts eingesetzt. Die Positionierung auf einem Förderband wird typischerweise mit einfachen Kameras durchgeführt. Die Kühlung von erhitzten Teilen, die UV-Kontrolle der Sauberkeit oder die laserbasierte Positionierung sind einige Beispiele für die optische Messtechnik in industriellen Anwendungen.

So zahlreich die Anwendungen sind, so zahlreich sind auch die Herausforderungen. Optische Komponenten aus Quarzglas können helfen, diese Herausforderungen zu meistern:

Empfindlichkeit (geringere Absorption des Glases, hohe Transmission)
Genauigkeit (geringe Wellenfrontdeformation, die zu einer hohen optischen Homogenität führt, hervorragende Oberflächenbeschaffenheit und Beschichtung, geringe Absorption)
Lebensdauer (auch in rauer Umgebung, geringe bis keine Alterung unter UV-Bestrahlung)
Verwendbar über einen breiten Wellenlängenbereich (UV bis NIR)

Halbleiter Messtechnik

In der Chipproduktion ist die optische Messtechnik eine sehr verbreitete Technologie. Die Positionierung des Wafers im Prozess sowie die Lithografieschritte werden durch optische Systeme überwacht. Da die Strukturgrößen auf Computerchips immer kleiner werden, muss folglich die Präzision der Messtechnik verbessert werden. Hierfür ist Quarzglas aufgrund des breiten Transmissionsfensters, der sehr geringen Wärmeausdehnung und der sehr guten optischen Homogenität des Brechungsindexes das Material der Wahl.

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Medizinische Messtechnik

Die medizinische Messtechnik ist heute der Schlüssel für eine effiziente Behandlung von Krankheiten. Die Gewebeanalyse vor einer Krebsbehandlung, die optische Ferndiagnose und Analyse von Nieren- oder Blasensteinen oder von Verkalkungen in den Arterien ist ein entscheidender Faktor für die Wahl der richtigen chirurgischen Methode sowie der passenden Laserquelle für die Behandlung.

Optische Fasern werden verwendet, um das Licht von der Laserquelle zum Einsatzort und zurück zur Auswerteeinheit zu leiten. Ein Glasfaserbündel kann beispielsweise dazu dienen, ein Bild an den Chirurgen zu übertragen, und gleichzeitig als Strahlteiler zu fungieren, um einen Teil des Lichts aus dem zu untersuchenden Gewebe zu einem Analysegerät zu leiten.

Synthetisches Quarzglas hat einen breiten Spektralbereich für die Übertragung von Licht. Dennoch gibt es je nach Wellenlänge Unterschiede in der Übertragungsleistung und damit in der Empfindlichkeit. Heraeus bietet maßgeschneiderte Materialien für alle Wellenlängenbereiche von Ultraviolett über sichtbarem Licht bis Infrarot.

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Spektroskopie

Eine weitere wichtige optische Analysemethode ist die Spektroskopie. Die Spektroskopie ist ein weites Feld der optischen Analytik, das sich mit der Untersuchung von Materie mittels elektromagnetischer (EM) Strahlung beschäftigt.

Quarzglasoptiken und Glasfaserbündel werden in einem Wellenlängenbereich von UV-VIS-NIR (von 180nm bis 3500nm) verwendet. Dabei kann es sich um den direkten Nachweis von Absorptionsbanden oder um indirekte Nachweismethoden handeln, wie den Nachweis von Kernteilchen anhand des blau emittierten Cherenkov-Lichts oder den Nachweis von Emissionen die durch Bestrahlung anderer elektromagnetischer Quellen von szintillierenden oder fluoreszierenden Materialien abgegeben werden.

Für die in der Spektroskopie verwendeten Optiken und optischen Fasern gelten dieselben Designüberlegungen wie für kommerzielle optische Komponenten (Spiegel, Fenster, Linsen und Substrate), wobei besonders darauf geachtet wird, dass keine Fluoreszenz und nur minimale Absorption auftreten. Da sehr schwierig zu unterscheiden ist, ob die Absorption durch das Messgerät oder die untersuchte Substanz verursacht wird, würde das Vorhandensein von beidem die Messung erschweren oder sogar unmöglich machen.

Wenn zum Beispiel bestimmte Bereiche des elektromagnetischen Spektrums von der Optik absorbiert werden, ist es schwierig oder unmöglich, eine mögliche Absorption durch die untersuchte Substanz zu beobachten. Ein ähnlicher Effekt tritt auf, wenn das optische Material Fluoreszenz zeigt. In diesem Fall kann die Optik die Absorption der untersuchten Substanz überdecken oder kompensieren.

Trotz seiner guten chemischen Stabilität kann Quarzglas unter ungünstigen Bedingungen altern und sich in der Leistung verschlechtern. Einige Quarzglasmaterialien sind dabei besser oder widerstandsfähiger gegen diese Bedingungen als andere.

Aus den oben genannten Gründen ist es wichtig, das Substrat, die optische Faser oder die Küvette für spektroskopische Untersuchungen mit Sorgfalt auszuwählen.

Küvetten

Spektroskopie Lampen

Faseroptikbündel für die Fernanalyse

Küvetten

Für die Analyse von Flüssigkeiten in der optischen Spektroskopie sollte die verwendete Küvette chemisch stabil sein und möglichst wenig absorbieren. Quarzglas ist für diese Art von Anwendung ideal. Ein sehr breites Transmissionsspektrum von UV bis IR führt dazu, dass ein großer Teil des optischen Spektrums mit derselben Küvette untersucht werden kann. Um eine Überstrahlung des Messignals durch Rückstreuung zu reduzieren, kann ein hoch absorbierendes Quarzglas ( Nerasil® ) verwendet werden. Einige Küvetten können teilweise aus Diffusormaterial bestehen, um die Ausleuchtung der Probe zu optimieren.

Spektroskopie Lampen

Die Analyse und Messung von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen sollte so präzise wie möglich sein, um genaue Ergebnisse zu erhalten. Typische Analyseverfahren sind zum Beispiel Absorption, Reflexion, Transmission, Fluoreszenz und Ionisation.

Bei hochwertigen Analysegeräten für diese Verfahren müssen die Lichtquellen an das Gerät und den gemessenen Teil des optischen Spektrums entsprechend hochwertig sein. Für die große Bandbreite an Spektroskopielampen sind verschiedene Speziallampen im Einsatz. Eins gilt jedoch für alle Anwendungen in der Analytik: das Quarzglas für die Lampe muss von höchster Reinheit, homogen und optisch einwandfrei sein. Das Heraeus-Lampenrohrverfahren ist prädestiniert für die geforderte hohe Qualität, unabhängig vom Schmelzverfahren oder der Materialqualität. Wellenlänge und Intensität bestimmen, ob ein natürliches Quarzglas wie HLQ200 oder ein vollsynthetisches Material wie Suprasil 130 die beste Wahl ist.

Faseroptikbündel für die Fernanalyse

Wenn das zu untersuchende Material aufgrund seiner Größe oder Form nicht im Spektrometer platziert werden kann, oder wenn Materialien in rauen Umgebungen prozessbegleitend kontrolliert werden müssen, ermöglichen optische Faserbündel eine flexible optische Fernanalyse von Materialien. Sie können als Strahlteiler oder Strahlkombinierer fungieren oder sogar das Licht in einem Faserbündel zur Probe hin und das Signal wieder zurück zum Sensor führen. Die optischen Fasern innerhalb eines Glasfaserbündels können auch dazu verwendet werden, den Strahlquerschnitt zu verändern, beispielsweise von einem Linienprofil in einen runden Punkt.

Synthetisches Quarzglas ist von höchster Reinheit und Fasern daraus weisen die beste Übertragungsleistung in der optischen Spektroskopie auf. Dennoch gibt es Unterschiede in den Materialqualitäten. Leistungsstarkes UV-Licht kann das Material schädigen und zur Bildung von Farbzentren führen, wodurch die Leistung mit der Zeit abnimmt. Ein ähnlicher Effekt kann durch nukleare Strahlung in Kraftwerken verursacht werden. Andererseits können diese Effekte genutzt werden, um Strahlung über größere Entfernungen und einen längeren Zeitraum zu erkennen.

Materialien mit einer höheren Beständigkeit gegen UV-Strahlung können eine schwächere Leistung im Infrarotbereich aufweisen, was bei der Auswahl des Materials für eine optische Faser berücksichtigt werden sollte. Weitere Faktoren, die die Leistung beeinflussen, sind neben der Materialqualität auch die Größe und Geometrie des Faserkerns und des Mantelmaterials. Heraeus verfügt über ein breites Produktportfolio mit maßgeschneiderten Lösungen für alle Wellenlängenbereiche und kann Sie dabei unterstützen, das beste Design für Ihre Anwendung zu finden.

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Datenblatt: Vorformen für Spezialfasern

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