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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration
von metastabil angeregten Atomen oder Molekülen, nach dem Oberbegriff des
Anspruches 1.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Umwandlung der
in metastabil angeregten Spezies gespeicherten Energie in das emittierte Licht,
deren Intensität
die Information über
die Konzentration der metastabil angeregten Spezies beinhaltet.
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Hintergrund
der Erfindung
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Eine
grosse Zahl von Atomen und Molekülen weist
metastabil angeregte Zustände
mit langen radiativen Lebenszeiten auf. Dabei handelt sich in vielen Fällen um
mehrere Stunden. Nach dem Beitrag „Metastable atoms and molecules" von E. E. Muschlitz
in Science 159 (1968) auf Seiten 599–604 gehören zu dieser Gruppe Atome
einiger Edelgase wie Helium, Neon und Argon und Atome, Moleküle einiger
molekularen Gasen, wie Stickstoff, Wasserstoff oder Sauerstoff und
einige organische Moleküle.
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Die
metastabil angeregten Partikel spielen eine wesentliche Rolle bei
vielen technischen Anwendungen. Sie stellen die Grundlage der gaschromatografischen
Verfahren der chemischen Analyse [Michlewicz, K. G., J. J. Urh,
and J. W. Carnahan (1985). A microwave induced plasma system for
the maintenance of moderate power plasmas of helium, argon, nitrogen
and air, Spectrochimica Acta 40B, pp. 493–499]. Sie dienen zur Speicherung
der Energie in den Gasentladungs-Lasers [J.-L. Delcroix, C. M. Ferreira,
and A. Ricard, Metastables atoms and molecules in ionized gases,
in Principles of Laser Plasma ed. By G. Bekefi, John Wiley&So. 1976.]
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Die
in metastabil angeregten Partikeln gespeicherte Energie wird technologisch
z.B. zur Reinigung von Oberflächen
in einer großen
Entfernung von dem Ort der Entstehung der metastabil angeregten
Partikel benutzt [
US 5 147 465 ].
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Die
Fähigkeit
der metastabil angeregten Partikel eine große Energiemenge pro Masse zu
speichern wurde bei Awendung als hochenergetischer Treibstoff ausgenutzt
[G. Sänger,
G. Hietkamp, W. Peschka, US Patent 4,631,096].
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Die
metastabil angeregten Partikel spielen auch eine kritische Rolle
bei der Aufrechterhaltung von nicht thermischen Atmosphärendruckglimmendladungen
(APG – atmospheric
pressure glow). Es sind zahlreiche Methoden zur Erzeugung der APG bekannt.
Wegen des hohen technologischen Potentials von APGs war die Bestimmung
der Konzentration der metastabil angeregten Partikeln in den Remote-Plasmen
solcher Entladungen die unmittelbare Motivation dieser Erfindung.
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Beim
Eintreffen eines metastabil angeregten Partikels an unterschiedeliche
Oberflächen
kommt es zur Abregung des Partikels mit gleichzeitiger Aussendung
eines Sekundärelektrons
[H. D. Hagstrum, Phys. Rev. 104 (1956) 317]. Die Energie dieses
Elektrons entspricht ca. der im metastabil angeregtem Partikel gespeicherten
Energie, minus die zweifache Austrittsarbeit des Materials, auf
das die Partikel auftrifft.
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Dieser
Effekt wird in zahlreichen Vorrichtungen zur Bestimmung des Flusses
von metastabil angeregten Partikel unter Vakuumbedingugnen verwendet.
Dabei wird typischerweise der Strom der Sekundärelektronen gemessen. Diese
Methode lässt sich
in viellen der oben genannten Fälle
aus zwei Gründen
nicht einsetzen: (i) zur Bestimmung des Stromess ist eine aus elektrisch
leitenden Materialien gefertigte Vorrichtung notwendig, die in der
Regel die Mechanismen der Erzeugung von metastabil angeregten Partikel
beeinflusst. (ii) In Folge einer sehr kleinen freien Weglänge der
Elektronen bei einem Druck von ca. 1 bar ist die unverfälschte Strommessung
des Elektronenstromes sehr kompliziert.
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Andere,
z.B. auf Laser-Techniken basierte Verfahren sind sehr unflexiebel,
aufwändig
und teuer.
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Beschreibung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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Die
Versuche mit dem Anbringen der Sonden zur Bestimmung der Konzentration
von metastabil angeregten Spezies in einem aus einer APG strömendem Gas
haben gezeigt, dass die Anwesenheit von elektrisch leitenden Komponenten
in dem Sondenaufbau zum Aufbau einer Entladung zwischen dieser leitenden
Komponente und der Anregungselektroden der APG führen. In Folge der kapazitiven Kopplung
zwischen der elektrisch leitenden Komponente und der Umgebung, passiert
dies auch, wenn die leitende Komponente floatend bleibt. Die mit
einer derartigen Sonde bestimmten Konzentrationen der metastabil
angeregten Spezies beziehen sich also nicht auf die zu untersuchende
Gasströmung,
sondern auf eine durch den Sondenaufbau wesentlich verstärkte Entladung.
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In
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird dieser Nachteil durch die Anwendung von im wesentlichen nicht
leitenden Materialien zum Aufbau einer Sonde überwunden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
wird nachstehend anhand von Abbildungen erläutert. Es zeigen:
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1 Schema
der Bestimmung von Konzentration der metastabil angeregten Partikeln
in einem Gas,
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2 die
optische Sonde zur Bestimmung der Konzentration von metastabil angeregten
Spezies auf der Basis von Lichtemission der Sekundärentladung,
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3 die
optische Sonde zur Bestimmung der Konzentration von metastabil angeregten
Spezies auf der Basis von Lichtemission der Sekundärentladung
im Volumen eines porösen,
mindestens teilweise durchsichtigen Materials,
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4 Die
optische Sonde zur Bestimmung der Konzentration von metastabil angeregten
Spezies auf der Basis von Lumineszenz.
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In 1 ist
eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Die aus einem Gas bzw. einer Gasströmung 2 stammenden metastabil
angeregten Partikel 1 erreichen die Oberfläche 3a einer
Elektrode 3. Die Wechselwirkung der metastabil angeregten
Spezies mit Bestandteilen der Elektrode 3 führt zur
Abreagierung der metastabil angeregten Partikel, die von Emission
von Sekundärelektronen 4 begleitet
wird. In einem weiteren physikalischen Vorgang wird die kinetische
Energie der Elektronen 4 in einem elektronenempfindlichen
Medium 5 in das Licht 6 umgewandelt. Mit Hilfe
eines lichtführenden
Systems 7 wird das Licht 6 einem Lichtintensität-Sensor 8 zugefügt. Durch
die physikalischen Zusammenhänge
zwischen dem Fluss der metastabil angeregten Partikel 1a und
dem Fluss der Sekundärelektronen 4a sowie
dem Fluss der Sekundärelektronen 4a und
der Lichtintensität 6a ist
es möglich die
Konzentration der metastabil angeregten Partikel im Gas bzw. Gasströmung 2 zu
ermitteln.
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Da
die Elektrode 3 nicht leitend bzw. floatend ist, würde die
andauernde Elektronenemission zur elektrostatischen Aufladung und
demzufolge zur Unterbrechung der Emission führen. Dies geschieht nicht,
weil die emittierten Elektronen nach Abgabe der hohen Energie als
niederenergetische Elektronen 9 zurück an die Elektrodenfläche 3a zurückkehren.
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Dieses
allgemeine Funktionsprinzip kann technisch auf verschiedenen Wegen
realisiert werden. Im Weiteren werden drei Ausführungsbeispiele anhand der 2 bis 4 geschildert.
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Ausführungsbeispiel 1
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In 2 ist
die Struktur einer optischen Sonde zur Bestimmung der Konzentration
der metastabil angeregten Spezies dargestellt. Die aus der Gasströmung 12 stammenden
metastabil angeregten Partikel 11 treten in Kontakt mit
einer optisch mindestens teildurchlässigen Schicht 13,
die gleichzeitig die Abreagierung der metastabil angeregten Spezies
verursacht. Die dabei freigesetzten, hochenergetischen Elektronen 14 verursachen
eine Sekundärentladung 15,
die das Licht 16 aussendet. Das Licht 16 wird
mit Hilfe eines Lichtwellenleiters 17 von dem Ort der Lichterzeugung 15a zum
Ort der Lichtintensitätsbestimmung 18a geführt. Dort
wird die Lichtintensität mit
Hilfe eines Sensors 18 bestimmt.
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Da
die freie Weglänge
der Elektronen bei Atmosphärendruck
in Größenordnung
von Mikrometer liegt, ist die Sekundärentladung 15 nur
in unmittelbarer Nähe
der Schicht 13 zu erwarten. Durch das Ableiten des dort
entstehenden Lichtes 16 mit einem Lichtwellenleiter (z.B.
einer Glasfaser) wird die Absorption dieses Lichtes in dem mit metastabil
angeregten Partikeln angeregten Gas 2 vermieden.
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Ausführungsbeispiel 2
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In 3 ist
eine andere Struktur der optischen Sonde zur Bestimmung der Konzentration
der metastabil angeregten Spezies dargestellt. Das Funktionsprinzip
dieser Vorrichtung entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel
2. Der wesentliche Unterschied besteht daran, dass die aus der Gasströmung 22 stammenden
metastabil angeregten Partikel 21 in Kontakt mit einem
porösen,
teildurchsichtigen und die Abreagierung der metastabil angeregten
Partikel verursachenden Materialblock 23 treten. Die dabei
freigesetzten, hochenergetischen Elektronen 24 verursachen
Sekundärentladungen 25 in
den Poren 29 des Materialblockes 23, die das Licht 26 aussendet.
Das Licht 26 wird mit Hilfe eines Lichtwellenleiters 27 dem
Lichtintensitäts-Sensor 28 zugeführt.
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Wesentlich
bei diesem Ausführungsbeispiel ist
die Wahl des Materials und der Struktur des porösen Materialblockes 23.
Es handelt sich hier um, im wesentlichen, elektrisch nicht leitenden
Material mit hohem Koeffizienten der Sekundärelektronenemission. Die Dimensionen
der Poren des Materials entsprechen ca. der freien Weglänge für Elektronen.
Der Materialblock durch die optischen Eigenschaften des verwendeten
Materials oder durch die Eigenschaften dessen Struktur mindestens
teildurchsichtig für
das in der Sekundärentladung
erzeugte Licht.
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Diesem
Ausführungsbeispiel
genügt
auch ein Material des Materialblockes 23, das nicht durch hohen
Koeffizienten der Sekundärelektronenemission
sondern durch das Quenching der metastabil angeregten Partikel verursachenden
Beimischungen bzw. Ausgasungen zur Abreagierung der metastabil angeregten
Partikel und in Konsequenz, zur Entstehung der Sekundärentladungen 25 in
den Poren 29 führen.
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Ausführungsbeispiel 3
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Ein
Nachteil der Vorrichtungen nach Ausführungsbeispiel 1 und 2 ist,
dass die Intensität
des aus einer Sekundärentladung
emittierten Lichtes auf zwei Wegen von der Konzentration der metastabil
angeregten Partikel abhängt.
Erstens, besteht der bereits erwähnte
Zusammenhang zwischen der Konzentration der Partikel und dem Fluss
der Sekundärelektronen.
Zweitens, die Konzentration der metastabil angeregten Partikel beeinflusst
die Intensität
der Sekundärentladung.
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Um
diesen komplizierten Zusammenhang zu vermeiden, basiert die in 4 dargestellte
Vorrichtung nicht auf der Sekundärentladung,
sondern auf der Lumineszenz eines auf den Elektronenbeschuss empfindlichen
Leuchtstoffes 35. Die aus der Gasströmung 32 stammenden
metastabil angeregten Partikel 31 treten in Kontakt mit
einer die Abreagierung der metastabil angeregten Partikel verursachenden Fläche 33.
Die dabei freigesetzten, hochenergetischen Elektronen 34 schlagen
auf die Fläche
des Leuchtstoffes 35, das das Licht 36 aussendet. Ähnlich wie
in Ausführungsbeispielen
1 und 2 wird das Licht 36 mit Hilfe eines Lichtwellenleiters 37 dem Lichtintensitäts-Sensor 38 zugeführt.
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Als
Materialien zur Abreaktion der metastabilen Teilchen in den Ausführungsbeispielen
1 bis 3 eignen sich zum einen alle Metalle, welche eine besonders
niedrige Austrittsarbeit für
das Elektron besitzen (Stoffe 3, 13, 23, 33),
wie z.B. Zirkon.
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Als
Leuchtmittel (Stoffe 5, 15a, 35) in den Ausführungsbeispielen
1 bis 3 eignen sich alle Stoffe, die auf Sekundärelektronen mit Energien schon
ab 4 eV mit Lichtemission reagieren. Diese können Zinksulfide, Yttriumoxidsulfide,
Indiumsulfide Kupfer, Aluminium oder Silber enthalten. Beispielsweise:
ZnS:
Ag; ZnS: Ag. In2O3
ZnS: Cu, Al; ZnS, Cu, Al. In2O3; Y2O2S:
Tb;
Y2O2S: Eu; Y2O2S: Eu. In2O3;
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Dies
sind nur Beispiele, da die Literatur zu derartigen "Phosphors" für niedrige
Energien ziemlich umfangreich ist. Durch vermischen dieser lichtemittierenden
Materialien mit metallischen Nanopartikels lässt sich das erwünschte Effekt
erzielen. Wesentlich ist, dass der Abstand zwischen den elektronenempfindlichen
Partikeln und den zur Abreagierung der Metastabilen notwendigen
Metallpartikel soll unter einer freien Weglänge für die Elektronen sein. Für Atmosphärendruck
bedeutet es die Körnung
unter 1 Mikrometer.
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- 1
- Fluss
der metastabil angeregten Partikel
- 2
- Ein
die metastabil angeregten Partikel beinhaltendes
-
- Gas
- 3
- ein
die Abreagierung der metastabil angeregten
-
- Partikel
bewirkendes Material und
- 3a
- seine
Oberfläche
- 4
- die
Sekundärelektronen
und
- 4a
- deren
Fluss
- 5
- ein
Medium, in dem die Energie der Elektronen in die
-
- Lichtstrahlung
umgewandelt wird
- 6
- das
Licht und
- 6a
- dessen
Intensität
- 7
- das
Licht führendes
System
- 8
- ein
Sensor der Lichtintensität
- 11
- Fluss
der metastabil angeregten Partikel
- 12
- Ein
die metastabil angeregten Partikel beinhaltendes
-
- Gas
- 13
- ein
die Abreagierung der metastabil angeregten
-
- Partikel
bewirkendes Material
- 14
- die
Sekundärelektronen
- 15
- eine
Sekundärentladung
- 15a
- das
Ort der Lichtemission
- 16
- das
Licht und
- 17
- das
Licht führendes
System
- 18
- ein
Sensor der Lichtintensität
- 18a
- ein
Ort der Lichtintensität
-Bestimmung
- 21
- Fluss
der metastabil angeregten Partikel
- 22
- Ein
die metastabil angeregten Partikel beinhaltendes
-
- Gas
- 23
- ein
Block aus porösem,
teildurchsichtigem, die
-
- Abreagierung
der metastabil angeregten
-
- Partikel
bewirkendem Material
- 24
- die
Sekundärelektronen
- 25
- eine
Sekundärentladung
- 26
- das
Licht
- 27
- das
Licht führendes
System
- 28
- ein
Sensor der Lichtintensität
- 29
- eine
Pore des Materialblockes 23
- 31
- Fluss
der metastabil angeregten Partikel
- 32
- Ein
die metastabil angeregten Partikel beinhaltendes Gas
- 33
- ein
die Abreagierung der metastabil angeregten Partikel bewirkendes
Material
- 34
- die
Sekundärelektronen
- 35
- eine
Leuchtstoffschicht
- 36
- das
Licht
- 37
- das
ein Licht führendes
System
- 38
- Sensor
der Lichtintensität