專利名稱：利用輻射衰減確定物體中材料濃度的方法和設備的制作方法
背景技術：
發明領域本發明涉及利用穿透性輻射的衰減來確定物體中材料濃度的方法和設備。具體地說，本發明涉及利用X射線衰減來確定在用于形成光波導纖維(“光纖”)的微粉體預制棒中摻雜物之濃度的方法和設備。
相關技術的描述光纖一般包括用純石英(SiO2)制成的包層以及用摻氧化鍺(GeO2)的石英制成的纖芯。氧化鍺摻雜物改變了纖芯中石英的折射率。纖芯的各個部分通過含有不同濃度的氧化鍺，致使沿纖芯直徑有不同的折射率。折射率沿纖芯直徑的分布(即，折射率分布曲線)決定了光纖的工作特性。
可以用稱作外部汽相沉積法(“OVD”)的傳統工藝制作光纖。一般地說，OVD工藝包括制作微粉體預制棒制作步驟有燃燒氣體混合物，產生含石英和氧化鍺的微粉體；將各層微粉體相繼沉積在芯棒上，形成微粉體預制棒的纖芯部分；燃燒氣體混合體，產生只含石英的微粉體；并且將各層微粉體相繼沉積在纖芯部分上，形成微粉體預制棒的包層部分。通過燒結熔凝微粉體預制棒，形成玻璃坯棒。從玻璃坯棒拉絲出光纖。氧化鍺在構成纖芯部分各微粉體層中的濃度初步決定了氧化鍺沿成品光纖之纖芯直徑的濃度。
日本專利申請59-106803(授予Hara)和美國專利4,618,975(授予Glantschnig)揭示了用X射線衰減無損傷地估計微粉體預制棒中氧化鍺濃度的技術。兩種方法都在兩個能量上測量X射線衰減。Hara的方案依賴于摻雜物(Ge)與基質(Si)衰減的比值隨X射線光子能量而變化的事實。但是，Hara方案對于微粉體預制棒并不特別敏感，因為所述比值在任何實用的X射線能量范圍內幾乎不變。Glantschnig的方法基于摻雜物衰減(吸收)與密度衰減(散射)的比值隨X射線光子能量變化的事實。與Hara的比值一樣，Glantschnig的比值在微粉體預制棒的實用能量范圍內幾乎不變。因此，Glantschnig的方法混淆了密度隨摻雜物濃度變化而產生變化。
發明內容
如這里實施和一般描述的，本發明包括一種用于確定微粉體中摻雜物濃度的方法，其中微粉體至少構成用來形成光波導的微粉體預制棒的一部分。該方法包括以下步驟測量微粉體預制棒的重量；測量微粉體預制棒的厚度參數；用穿透性輻射照射微粉體；探測穿透性輻射通過被照微粉體后的強度；以及根據測得的重量、測得的厚度參數和穿透性輻射被探測到的強度來確定摻雜物的濃度。
本發明的另一個方面包括一種用于確定第一和第二微粉體分層中摻雜物濃度的方法，其中第一和第二分層至少構成用來形成光波導的微粉體預制棒的一部分。該方法包括以下步驟在對微粉體預制棒沉積了第一微粉體分層之后測量微粉體預制棒的重量；在對微粉體預制棒沉積了第一微粉體分層之后測量微粉體預制棒的厚度參數；在對微粉體預制棒沉積了第二微粉體分層之后測量微粉體預制棒的重量；在對微粉體預制棒沉積了第二微粉體分層之后測量微粉體預制棒的厚度參數；用穿透性輻射照射第二微粉體分層；探測穿透性輻射通過第二微粉體分層后的強度；在對微粉體預制棒沉積了第二微粉體分層之后，根據穿透性輻射通過第二微粉體分層后被探測到的強度以及對微粉體預制棒測量得到的重量和厚度參數，來確定第二微粉體分層中摻雜物的濃度；用穿透性輻射照射第第一和第二微粉體分層；探測穿透性輻射通過第一和第二微粉體分層后的強度；以及在對微粉體預制棒沉積了第一微粉體分層之后，根據穿透性輻射通過第一和第二微粉體分層后被探測到的強度以及對微粉體預制棒測量得到的重量和厚度參數，來確定第一微粉體分層中摻雜物的濃度。
本發明的又一個方面包括一種用于確定微粉體中摻雜物濃度的設備，其中微粉體至少構成用來形成光波導的微粉體預制棒的一部分。該設備包括重量測量裝置，用于測量微粉體預制棒的重量；厚度參數測量裝置，用于測量微粉體預制棒的厚度參數；輻射源，它用穿透性輻射照射微粉體；輻射傳感器，用于探測穿透性輻射通過微粉體后的強度；以及確定裝置，它根據測得的重量和厚度參數以及穿透性輻射被探測到的強度，來確定微粉體中摻雜物的濃度。
在本發明一特定的較佳實施例中，通過依次在微粉體沉積期間測量預制棒的重量和直徑、(在微粉體沉積期間或之后)測量預制棒的X射線衰減，以及通過求解衰減方程計算摻雜物濃度分布，來計算微粉體的密度分布。
應該理解，上述一般描述以及下面的說明都是例舉性和說明性的，它們不限制所要保護的發明。
附圖概述各附圖顯示了本發明的一個實施例，它們與文字部分一起用于說明了本發明的原理。
圖1是一側視圖，示出了依照本發明一實施例的設備，該設備可以確定微粉體預制棒中摻雜物的濃度。
圖2是沿圖1中直線2-2截取得到的截面圖，示出了測量厚度參數的裝置。
圖3是沿圖1中直線3-3截取得到的截面圖，示出了用穿透性輻射照射微粉體預制棒中分層N的輻射源，其中用輻射傳感器探測所述穿透性輻射。
圖4是沿圖1中直線3-3截取得到的截面圖，示出了用穿透性輻射照射微粉體預制棒中分層N和N-1的輻射源，其中用輻射傳感器探測所述穿透性輻射。
較佳實施例的詳細描述現在詳細描述本發明目前較佳的實施例。在任何可能的地方，諸附圖始終用相同的標號表示相同或類似的部件。
一般地說，本發明利用以下手段來確定微粉體預制棒中摻雜物的濃度測量微粉體預制棒的重量；測量微粉體預制棒的厚度參數；用穿透性輻射照射微粉體預制棒；以及測量穿透性輻射通過微粉體預制棒后的強度。本發明利用測量得到的重量、厚度參數和強度，確定微粉體預制棒一微粉體分層中摻雜物的濃度。
圖1-圖4示出了依照本發明一較佳實施例的設備10，該設備用以確定微粉體預制棒12中摻雜物的濃度。設備10包括重量測量裝置20、厚度參數測量裝置60、輻射源30、輻射傳感器40和確定裝置50。
重量測量裝置20測量微粉體預制棒12的重量，并將相應的信號提供給確定裝置50。較佳的重測量裝置20包括一阻力負載元件，該元件與芯棒14的一端相連，這里在芯棒14上將形成微粉體預制棒12。芯棒14的另一端被驅動電動機(未圖示)卡住。
在微粉體沉積期間連續記錄預制棒的重量。對預制棒一周旋轉或者多周次旋轉期間獲得的所有阻力負載元件讀數求平均，以消除因預制棒偏斜產生的變化。使重量獲取與預制棒橫轉位置同步，以適應因預制棒橫轉位置引起的變化。換句話說，盡管重量測量最好是連續的，但是對于每次橫轉，需將一標識符或標志與有關重量測量的起點相關聯，并且每次橫轉的起點都相同。某個給定分層的預制棒重量是這些同步的平均讀數的平均值。一個分層的重量是自前一分層開始觀察到的重量增量。
最好，重量測量裝置20在制備微粉體預制棒12期間多次測量微粉體預制棒的重量。例如，在制備微粉體預制棒12期間，每當沉積了預定層數的微粉體時，重量測量裝置20就測量微粉體預制棒12的重量。
厚度參數測量裝置60測量微粉體預制棒12的厚度參數，諸如半徑或直徑。盡管在圖1中，為便于說明，厚度參數測量裝置60偏右，但它最好是測量微粉體預制棒12的中心部分。如圖2所示，厚度參數測量裝置60可以是一個激光遮蔽測微計，它包括發射光束的源62以及用于探測源62所發光束的探測器64。根據探測到的光束，探測器64向確定裝置50提供一信號。用傳統的數學方法可以由此信息確定微粉體預制棒12的厚度參數，最好是半徑T。市場上可以買到的、能夠實現此項功能的裝置包括Anritsu KL-154A和Keyence LS-5001。
最好，厚度參數測量裝置60在制備微粉體預制棒12期間多次測量微粉體預制棒12的厚度參數。例如，在制備微粉體預制棒12期間，每當沉積了預定層數的微粉體時，厚度參數測量裝置60就測量微粉體預制棒12的厚度參數。更好的是，每當重量測量裝置20測量微粉體預制棒時，便測量厚度參數。
輻射源30用穿透性輻射照射微粉體預制棒12。如這里所使用的，術語“穿透性輻射”是指有能力穿透和穿過長度相對較短的微粉體的輻射。5-100KeV的X射線是較佳類型的穿透性輻射。X射線源可以是X射線管點源，用以產生一扇形光束，并照射在微粉體預制棒12的整個截面上。最好將斑點大小為10-50微米的、微聚焦100KeV X射線管用作輻射源30，諸如由Philips、Kevex或Pantak生產的X射線管。
輻射傳感器40探測穿透性輻射通過微粉體預制棒12后的強度，并且將相應的信號提供給確定裝置50。如圖3和圖4所示，較佳的輻射傳感器40包括諸如4″×4″熒光屏42的象素化探測器，以及用于將來自屏幕42的光脈沖引導到CCD攝像機46的錐形光纖束。
為了便于說明，附圖示出了輻射源30和輻射傳感器40位于重量測量裝置20和厚度參數測量裝置60的附近，即位于微粉體沉積區內。可以將輻射源30和輻射傳感器40放在微粉體沉積區內，以便在制備微粉體預制棒12期間作衰減測量。但是，最好將輻射源30和輻射傳感器40放在微粉體沉積區之外，并且完成制備之后，對微粉體預制棒12的縱向中心部分進行衰減測量。
確定裝置50接收來自重量測量裝置20、厚度參數測量裝置60中的傳感器64，以及輻射傳感器40的信號，并且確定微粉體中摻雜物的濃度。以下將就較佳穿透輻射(即，X射線)的情況詳細說明確定摻雜物濃度的方式。
當X射線穿透物質時，可能會被吸收(Einstein光電效應)、彈性散射(Rayleigh)、非彈性散射(Compton)、或者不受影響地通過。強度隨厚度呈指數衰減dI＝-Iμdt (1)其中I＝照射預制棒的X射線的初始強度；μ＝物質的線性衰減系數，它給出了每單位厚度的衰減量(cm-1)；和t＝X射線通過物質的路徑長度。
對等式(1)積分，得出Lambert定律I/I0＝exp(-μt) (2)其中I＝X射線通過材料后的強度測量結果；I0＝照射預制棒的X射線的初始強度；t＝X射線通過物質的路徑長度(cm)。
線性衰減系數μ是質量衰減系數μ質量(cm2/g)與密度ρ(g/cm3)的積μ質量＝μ/ρ(3)因此，Lambert定律可以重寫成I/I0＝exp(-μ質量ρt) (4)為了便于說明，以后出現的所有μ都指是μ質量。
一種化合物的質量衰減系數是該化合物中每種元素(A，B，…N)所致衰減的質量加權和，即μ(A，B，…N)＝(WAμA)＋(WBμB)＋…(WNμX)(5)其中
W＝元素的加權系數。
因此，例如在石英(SiO2)中，Si和O的質量百分數分別為0.4674和0.5326，其質量衰減系數可以如下確定μSiO2＝0.4674μSi＋0.5326μ0(6)等式(6)很容易求解，因為各種元素的質量衰減系統已經編輯成表，諸如S.M.Seltzer于1993年在《輻射研究》第136卷，第147-170頁上表示了“對光子質量能量傳遞系數和質量能量吸收系數的計算”。
對混合物中各成份(1，2，…N)的質量衰減系數進行質量加權，可以計算出混合物的質量衰減系數μ混合物＝(W1μ1)＋(W2μ2)＋…(WNμN) (7)因此，在包含GeO2和SiO2的混合物中μ混合物＝(WGeO2μGeO2)＋(WSiO2μSiO2) (8)由于WGeO2＋WSiO2＝1，所以等式(8)可以重新寫成μ混合物＝(WGeO2μGeO2)＋((1-WSiO2)μSiO2) (9)將等式(9)代入等式(4)，得到下述等式I/I0＝exp(-((WGeO2μGeO2)+((1-WSiO2)μSiO2))ρt) (10)如果被估算的材料包括多個分層，那么通過微粉體預制棒12的輻射的總原百分數是通過每個分層(1，2，…N)的各百分數的積(I/I0)總＝(I/I0)1(I/I0)1…(I/I0)N(11)(I/I0)總＝exp(-μ(1)ρ(1)t(1))exp(-μ(2)ρ(2)t(2))…exp(-μ(N)ρ(N)t(N)) (12)(I/I0)總＝exp(－((WGeO2μGeO2)＋((1－WSiO2)μSiO2))(1)ρ(1)t(1))exp(-((WGeO2μGeO2)＋((1－WSiO2)μSiO2))(1)ρ(1)t(1))…exp(-((WGeO2μGeO2)＋((1－WSiO2)μSiO2))(1)ρ(1)t(1)) (13)等式(10)和(13)需要用衰減I/I0、密度ρ和路徑長度t來確定摻雜物的濃度WGeO2。設備10所進行的測試提供了確定衰減I/I0、密度ρ和路徑長度t的所有信息。因此，確定裝置50可以利用等式(10)和(13)來確定微粉體預制棒12中摻雜物的濃度WGeO2。
上述處理假設單色的X射線。對多色的X射線源，諸如X射線管，可以通過假設“有效波長”將多色輸出處理為單色，或者考慮特別能量間隔上的衰減(適當選擇質量衰減系數)并通過求和計算總衰減。
作為一個特例，已經制成了圖3和圖4所示的SiO2/GeO2微粉體預制棒12，它包括分層1，2，…N-1。如這里所用的，術語“分層”是指微粉體預制棒12中可以根據設備10測量得到的重量和厚度參數來確定其重量和厚度參數的任何部分。例如，如果可以確定單層微粉體的重量和厚度參數，那么該微粉體層就構成一個分層。當然，多個微粉體層也可以構成一個分層。
在此較佳實施例中，用重量測量裝置20和厚度參數測量裝置60分別測量了微粉體預制棒12的重量和厚度參數。測量頻率至少是對微粉體預制棒12每增加一個分層(1，2，…N)測量一次。可以將單個分層的重量確定為沉積該分層前后微粉體預制棒12之重量的差。同樣，單個分層的厚度參數T可以確定為沉積該分層前后微粉體預制棒12之厚度參數T的差。
設備10開始確定最外分層N中摻雜物的濃度WGeO2(N)。首先，如圖3所示，用來自輻射源30的X射線照射分層N，然后用輻射傳感器40測量X射線通過分層N后的強度，由此確定分層N引起的X射線衰減I/I0。
由于只有單個微粉體分層N產生衰減，所以確定裝置50通過解衰減等式(10)確定摻雜物濃度WGeO2(N)。通過求解等式(10)來確定摻雜物濃度WGeO2(N)除了需要已知衰減I/I0之外，還需要知道分層N的密度ρN以及X射線通過分層N的路徑長度tN。確定裝置50根據分層N的重量、分層N的厚度參數以及微粉體預制棒12的長度(這些可以假設，或者用常規手段測量(未圖示))，用傳統的數學方法確定密度ρN。確定裝置50還可以根據輻射源30、輻射傳感器40和微粉體預制棒12之間的空間關系以及微粉體預制棒12的厚度參數TN，用傳統數學方法確定路徑長度tN。
然后，確定裝置50通過對衰減等式(10)進行迭代求解來確定摻雜物的濃度WGeO2(N)。具體地說，以一個近似的摻雜物濃度WGeO2(N)開始，計算預計的衰減。在將預計衰減與觀察到的衰減比較后，調節對摻雜濃度WGeO2(N)的估算值，并用該估算值計算新的預計衰減。此過程一直繼續到預計衰減與觀察衰減一致。當預計衰減與觀察衰減一致時，確定裝置50就確定了分層N的摻雜物濃度WGeO2(N)。
接下來轉移到分層N-1。如圖4所示，用來自輻射源40的X射線照射分層N和N-1，然后用輻射傳感器40測量X射線通過這些分層后的強度，由此確定衰減I/I0。
由于多個微粉體分層N-1和N會引起衰減，所以確定裝置50通過求解衰減等式(13)來確定摻雜物濃度WGeO2(N-1)。為獲得摻雜物濃度WGeO2(N-1)而求解等式(13)除了需要已知衰減I/I0之外，還需要知道密度ρN-1和ρN、路徑長度tN-1和tN，以及摻雜物濃度WGeO2(N)。用相同于上述單個分層N所用的方式，確定裝置50用傳統的數學方法確定密度ρN-1和ρN以及路徑長度tN-1和tN(路徑長度tN是tN(A)與tN(B)的和)。通過前面執行的確定過程可以知道摻雜物濃度WGeO2(N)。
然后，確定裝置50通過對衰減等式(13)進行迭代求解來確定摻雜物的濃度WGeO2(N-1)。以一個近似的摻雜物濃度WGeO2(N-1)開始，計算預計的衰減。在將預計衰減與觀察到的衰減比較后，調節對摻雜濃度WGeO2(N-1)的估算值，并用該估算值計算一新的預計衰減。此過程一直繼續到預計衰減與觀察衰減一致。當預計衰減與觀察衰減一致時，確定裝置50就確定了分層N-1的摻雜物濃度WGeO2(N-1)。
按相同的過程依次確定剩余分層的摻雜物濃度。
上述本發明提供了被認為可以確定微粉體預制棒中摻雜物濃度的方法和設備，它們比早先已知的非損傷性技術更靈敏。例如，本發明可以將微粉體密度的分布曲線確定在±5％的相對值范圍內，并且可以將摻雜物濃度確定在±5％-10％的相對值范圍內。
對于本領域的熟練技術人員來說，很容易在不脫離本發明精神或范圍的情況下對本發明的方法和設備進行各種變化和改變。作為舉例，可以不在完成微粉體預制棒后確定各分層的摻雜物濃度，而是在將每個分層沉積到微粉體預制棒上之后馬上確定每個分層的摻雜物濃度。
在考慮了這里揭示的本發明規范和實施之后，本發明的其它實施例對于本領域的熟練技術人員來說是顯而易見的。說明和例子只是例示性的。本發明的真實范圍和精神由后面的權利要求書指出。
權利要求
1.一種用于確定微粉體中摻雜物濃度的方法，其中微粉體至少構成用來形成光波導的微粉體預制棒的一部分，其特征在于，所述方法包括以下步驟測量微粉體預制棒的重量；測量微粉體預制棒的厚度參數；用穿透性輻射照射微粉體；探測穿透性輻射通過被照微粉體后的強度；以及根據測得的重量、測得的厚度參數和穿透性輻射被探測到的強度來確定摻雜物的濃度。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，測量微粉體預制棒之重量的步驟包括在制備微粉體預制棒期間多次測量微粉體預制棒的重量。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，穿透性輻射包括X射線。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在制成微粉體預制棒之后執行照射步驟。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在制備微粉體預制棒期間沉積了每個微粉體分層之后執行照射步驟。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，測量微粉體預制棒之厚度參數的步驟包括在制備微粉體預制棒期間多次測量微粉體預制棒的厚度參數。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括確定穿透性輻射通過微粉體預制棒的路徑長度的步驟，并且根據穿透性輻射被探測到的強度、測得的重量以及確定的路徑長度來確定摻雜物的濃度。
8.一種用于確定第一和第二微粉體分層中摻雜物濃度的方法，其中第一和第二分層至少構成用來形成光波導的微粉體預制棒的一部分，其特征在于，所述方法包括以下步驟在對微粉體預制棒沉積了第一微粉體分層之后測量微粉體預制棒的重量；在對微粉體預制棒沉積了第一微粉體分層之后測量微粉體預制棒的厚度參數；在對微粉體預制棒沉積了第二微粉體分層之后測量微粉體預制棒的重量；在對微粉體預制棒沉積了第二微粉體分層之后測量微粉體預制棒的厚度參數；用穿透性輻射照射第二微粉體分層；探測穿透性輻射通過第二微粉體分層后的強度；在對微粉體預制棒沉積了第二微粉體分層之后，根據穿透性輻射通過第二微粉體分層后被探測到的強度以及對微粉體預制棒測量得到的重量和厚度參數，來確定第二微粉體分層中摻雜物的濃度；用穿透性輻射照射第第一和第二微粉體分層；探測穿透性輻射通過第一和第二微粉體分層后的強度；在對微粉體預制棒沉積了第一微粉體分層之后，根據穿透性輻射通過第一和第二微粉體分層后被探測到的強度以及對微粉體預制棒測量得到的重量和厚度參數，來確定第一微粉體分層中摻雜物的濃度。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，穿透性輻射包括X射線。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于，在第一微粉體分層沉積到微粉體預制棒之后，根據穿透性輻射通過第一和第二微粉體分層后探測到的強度、對微粉體預制棒測量得到的重量和厚度參數以及已確定的第二微粉體分層中摻雜物的濃度，來確定第一微粉體分層中摻雜物的濃度。
11.一種用于確定微粉體中摻雜物濃度的設備，其中微粉體至少構成用來形成光波導的微粉體預制棒的一部分，其特征在于，所述設備包括重量測量裝置，用于測量微粉體預制棒的重量；厚度參數測量裝置，用于測量微粉體預制棒的厚度參數；輻射源，它用穿透性輻射照射微粉體；輻射傳感器，用于探測穿透性輻射通過微粉體后的強度；以及確定裝置，它根據測得的重量和厚度參數以及穿透性輻射被探測到的強度，來確定微粉體中摻雜物的濃度。
12.如權利要求1所述的設備，其特征在于，穿透性輻射包括X射線。
全文摘要
一種用于確定微粉體中摻雜物濃度的設備,其中微粉體至少構成用來形成光波導的微粉體預制棒的一部分。該設備包括重量測量裝置、厚度參數測量裝置、輻射源、輻射傳感器和確定裝置。重量測量裝置測量微粉體預制棒的重量。厚度參數測量裝置測量微粉體預制棒的厚度參數。輻射源用穿透性輻射照射微粉體。輻射傳感器探測穿透性輻射通過微粉體后的強度。確定裝置根據探測到的穿透性輻射的強度以及測量得到的重量和厚度參數,來確定微粉體中摻雜物的濃度。
文檔編號G01N23/06GK1338047SQ99816364
公開日2002年2月27日 申請日期1999年9月29日 優先權日1998年11月6日
發明者A·P·奎恩 申請人:康寧股份有限公司
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
