DE102006019138A1

DE102006019138A1 - Partikeluntersuchungsgerät mit Vergrößerungsbereich

Info

Publication number: DE102006019138A1
Application number: DE102006019138A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Michel; Eberhard Lange; Wolfgang Mutter
Original assignee: Fritsch GmbH
Current assignee: Fritsch GmbH
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-04-21
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2026-04-22
Also published as: DE102006019138B4

Abstract

Partikeluntersuchungsgerät, umfassend eine Einrichtung (1) zur Erzeugung eines monochromatischen, konvergenten Untersuchungsstrahlenbündels (21), eine Messzelle (3) zur Aufnahme von Probematerial, einen Detektor (5) mit einem Mittelpunkt (57) zu Sensorfeldern (51, 52, 53, 54) zum Auffangen des Beugungsspektrums nach Durchdringen der Messzelle (3) und eine Auswerteeinrichtung zur Errechnung von Partikelgrößenverteilungen. Die Strahlenerzeugungseinrichtung (1) ist hinsichtlich der Konvergenz des konvergenten Strahlenbündels (21) so einstellbar, dass die Strahlenbündelspitze in der Vergrößerungsstellung des Geräts jenseits der Ebene des Detektors (5) zu liegen kommt, und eine Optik (9) im Strahlengang zwischen Messzelle (3) und Detektor (5) bringt die Strahlenbündelspitze wieder in den Mittelpunkt (57) des Detektors (5) zurück.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Partikeluntersuchungsgerät mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines monochromatischen, konvergenten Untersuchungsstrahlenbündels entlang einer optischen Achse, mit einer Messzelle zur Aufnahme von Probematerial, die im konvergenten Untersuchungsstrahlenbündel positioniert werden kann, mit einem Detektor zum Auffangen des Beugungsspektrums des Untersuchungslichtstrahlenbündels nach dem Durchdringen der Messzelle und mit einer Auswerteeinrichtung zum Errechnen von Partikelgrößenverteilungen aufgrund der Lichtintensitätsverteilung des Beugungsspektrums.
Ein derartiges Partikeluntersuchungsgerät ist aus der EP 0 207 176 B1 sowie der DE 102 18 415 A1 bekannt. Die Geräte zeichnen sich dadurch aus, dass die Messzelle sehr nahe an den Detektor herangefahren werden kann, was es ermöglicht, besonders kleine Partikel, die einen großen Streuwinkel erzeugen, zu detektieren und zu messen: Indem die Messzelle vom Detektor weiter entfernt wird, können auch größere Partikel erfasst und optimal gemessen werden, bei denen die Streuwinkel klein sind. Jedoch setzt die Abmessung des Partikeluntersuchungsgeräts in Richtung der optischen Achse eine praktische Grenze für den optimalen Messbereich nach den größeren Partikeln hin.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Partikeluntersuchungsgerät der beschriebenen Art mit einer Erweiterung des Messbereichs nach größeren Partikeln hin zu schaffen, ohne die Abmessung des Geräts in Richtung der optischen Achse vergrößern zu müssen.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein kompaktes Partikeluntersuchungsgerät der eingangs angegebenen Art für einen Messbereich zu schaffen, der auch größere Partikel – 2000 μm oder mehr – umfasst.
Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der Merkmale des Anspruchs 1 bzw. 7 gelöst und durch die weiteren Merkmale der abhängigen Ansprüche ausgestaltet und weiterentwickelt.
Im Einzelnen wird die Einrichtung zur Erzeugung des monochromatischen, konvergenten Strahlenbündels mit der Möglichkeit ausgestattet, die Brennweite des Systems zu verändern und damit die Konvergenz des Untersuchungsstrahlenbündels so einzustellen, dass die Strahlenbündelspitze entweder in der Ebene des Detektors oder jenseits dieser Ebene zu liegen kommt. In der Grundstellung des Geräts erfolgt die Fokussierung auf den Mittelpunkt des Detektors. In der Vergrößerungsstellung des Geräts, d. h. mit Messbereichserweiterung zu den größeren Partikeln hin, liegt der Brennpunkt des Systems jenseits der Ebene des Detektors, und es wird eine Optik in den Untersuchungsstrahlengang zwischen Messzelle und Detektor wirksam gemacht, um die Spitze des Strahlenbündels in die Ebene des Detektors zu legen. Auf diese Weise gelingt es, relativ größere Ablenkwinkel des Streulichts zu erzielen und trotzdem einen passend großen Abstand zwischen Messzelle und Detektorebene beizubehalten. Beugungsspektren mit kleineren Streulichtwinkeln, von größeren Partikeln erzeugt, können so in Vergrößerung auf dem Detektor abgebildet und von den Sensorfeldern des Detektors differenziert nachgewiesen werden.
Bei dem kompakt gebauten Parikeluntersuchungsgerät ist das konvergente Strahlenbündel mit der Spitze auf eine Stelle jenseits der Ebene des Detektors gerichtet, jedoch wird die Strahlenbündelspitze durch die Optik zur Vergrößerung des Winkels des Streulichts in die Ebene des Detektors zurück geholt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
1 eine perspektivische Darstellung wesentlicher Teile eines Partikeluntersuchungsgeräts, und
2 Zusatzoptiken zu dem Partikeluntersuchungsgerät.
Der grundsätzliche Aufbau des erfindungsgemäßen Partikeluntersuchungsgerätes entspricht dem der DE 102 18 415 A1 . Demgemäß gibt es eine Strahlerzeugungseinrichtung 1 zur Erzeugung eines monochromatischen, konvergenten Untersuchungsstrahlenbündels 21, wenigstens eine Messzelle 3 bzw. 3' und einen Detektor 5, die entlang der optischen Achse, definiert durch das richtig ausgerichtete Strahlenbündel 21, und parallel zu einer Präzisionsschiene 4 angeordnet sind. Das dargestellte Gerät enthält noch eine zweite Strahlerzeugungseinrichtung 2 zur Erzeugung eines zweiten monochromatischen Untersuchungslichtstrahlenbündels, was für die vorliegende Erfindung ohne Belang ist. Das Gerät enthält ferner je eine Strahljustiereinrichtung 6a, 6b für das erste und zweite Untersuchungslichtstrahlenbündel. Der Strahlerzeugungseinrichtung 1 ist eine Drehschalteinrichtung 7a für optische Zusatzteile und der Strahlerzeugungseinrichtung 2 eine weitere Drehschalteinrichtung 7b für optische Zusatzteile zugeordnet. Die Messzellen 3, 3' können von einem verfahrbaren Drehtisch 8 in Wirkstellung zum Untersuchungsstrahlenbündel 21 bzw. außer Wirkstellung geschwenkt werden und sind zu diesem Zweck oberhalb einer Tischplatte 81 je an einem Schwenkarm 82 befestigt. Je ein Antrieb 83 dient zum Antrieb des zugeordneten Schwenkarms 82. Der Drehtisch 8 weist einen Rahmen 80 auf, der entlang von Schienen 85 geführt ist und mittels eines Spindelantriebs 86 verstellt werden kann. Dadurch kann der Abstand der aktiven Messzelle 3 von der Detektorebene 5 eingestellt werden, wobei der Abstand einen Vergrößerungsfaktor für das Beugungsspektrum darstellt. Je größer der Abstand der Messzelle 3 vom Detektor 5, um so größer ist der Abstand der Ringe des Beugungsspektrums voneinander auf dem Detektorschirm. Bekanntlich erzeugen große Partikel kleine Streuwinkel und damit kleine Abstände der Beugungsringe voneinander, und kleine Partikel erzeugen größere Streuwinkel des Beugungsspektrums. Wegen der endlichen Größe des Detektorschirms ist es nur möglich, die Beugungsringe niedriger Ordnung des Spektrums aufzufangen; dies gilt vor allem für kleine Partikel. Indem man aber den Abstand zwischen der Messzelle 3 und dem Detektor 5 klein wählt, hat man es in der Hand, einen ausreichend großen Anteil des Beugungsspektrums auch bei kleinen Partikeln aufzufangen. Bei großen Partikeln mit kleinen Streuwinkeln wählt man einen großen Abstand zwischen Messzelle 3 und Detektor 5. Durch Wahl des geeigneten Abstandes zwischen Messzelle und Detektor hat man es somit in der Hand, die Partikel nach Größenklassen optimal zu messen. Das Gerät hat auf diese Weise einen Messbereich zwischen 8 μm und 1000 μm Partikelgröße.
Die zweite Einrichtung 2 zur Erzeugung des zweiten monochromatischen Untersuchungsstrahlenbündels dient zur Erweiterung des Messbereichs nach noch kleineren Partikelgrößen hin, indem die Rückwärtsstreuung von sehr kleinen Partikeln am Detektor 5 aufgefangen wird.
Mitunter will man aber auch größere Partikel optimal messen können. Die Erfindung hat mit dieser Zielrichtung zu tun.
In 1 ist zunächst die Grundstellung des Geräts dargestellt. Wie in DE 102 18 415 A1 im Einzelnen beschrieben, enthält die Strahlerzeugungseinrichtung 1 zur Erzeugung eines monochromatischen, konvergenten Untersuchungsstrahlenbündels 21 einen Laser als monochromatische Lichtquelle und einen Kollimator zur Aufweitung und Fokussierung des Untersuchungsstrahlenbündels auf eine Lochblende 57 des Detektors 5, die den Mittelpunkt zu Sensorfeldern 51, 52, 53 und 54 bildet und hinter der ein Fotosensor angeordnet ist, nämlich im Schaltrad der Drehschalteinrichtung 7b. Wenn eine Messzelle 3 in den Strahlengang eingeschwenkt wird, streuen die Partikel in der Messzelle das Licht unter diversen Winkeln, darunter dem Winkel Θ (2). Dieses Licht wird vom Detektorschirm auf einem Kreis aufgefangen, der die Sensorfelder 51, 52 oder 53, 54 schneidet. Man kann von einer Abbildung auf der Detektorebene sprechen. Indem eine passende Optik 9 in den Strahlengang zwischen Messzelle 3 und Detektor 5 eingebracht wird, wird der Winkel des Streulichts von Θ auf Θ' vergrößert. Dadurch wird aber die Brennweite des Systems verkürzt, was bedeuten würde, dass man den Abstand zwischen Messzelle und Detektor verkleinern müsste, um die Strahlenbündelspitze wiederum in der Lochblende 57 des Detektors zu fangen. Mit der Verkürzung des Abstandes Messzelle – Detektor bliebe daher die Gesamtvergrößerung des Streukreises auf der Detektorebene gering.
Um bei unverändertem Abstand zwischen Messzelle und Detektor trotz eingeschalteter Optik 9 die Strahlenbündelspitze mit der Lochblende 57 aufzufangen, wird die Konvergenz des Untersuchungsstrahlenbündels 21 auf einen kleineren Wert hin verändert. Dies ist gleichbedeutend mit einer Verlängerung der Brennweite des Systems, nämlich um einen Betrag, der der Kürzung der Brennweite durch die Optik 9 entspricht. Damit wird eine deutliche Gesamtvergrößerung der auf der Detektorebene abgebildeten Streukreise erzielt, was deren Auswertung erleichtert. Es sei bemerkt, dass die inverse Fourier-Eigenschaft der Abbildungen erhalten bleibt.
Um das Untersuchungsstrahlenbündel 21 hinsichtlich seiner Konvergenz einstellbar zu machen, kann man die Brennweite des Kollimators in der Strahlerzeugungseinrichtung 1 zur Erzeugung des monochromatischen, konvergenten Untersuchungsstrahlenbündels 21 veränderlich machen. Zur Erleichterung der Handhabung des Geräts wird aber bevorzugt, eine Konkavlinse 95 in den Untersuchungsstrahlengang 21 einzuschalten. Eine solche Konkavlinse 95 wird in einer Aussparung des Filterrades der Drehschalteinrichtung 7a platziert und in der Vergrößerungsstellung des Geräts zur Wirkung gebracht.
Als Optik 9 wird ein Galilei-Teleskop bevorzugt, welches eine Sammellinse 91 und eine Zerstreuungslinse 92 enthält. Die Sammellinse ist benachbart zur Messzelle 3 angeordnet und die Zerstreuungslinse 92 zum Detektor hin gerichtet. Eine Positioniereinrichtung 90 dient dazu, die Optik 9 in und aus dem Strahlengang 21 zu bringen.
Beispiel
Die optische Länge des Geräts beträgt etwa 800 mm. Der Abstand zwischen Messzelle 3 und Detektor 5 wird auf 385 mm fest eingestellt. Der Abstand der Sammellinse 91 von der Messzelle 3 beträgt 20 mm, und der Abstand der beiden Linsen 91, 92 des Galilei-Fernrohrs voneinander beträgt 80 mm, so dass für den Abstand der Zerstreuungslinse 92 zur Detektorebene 285 mm verbleiben. Der Vergrößerungsfaktor des Galilei-Fernrohrs beträgt 2. Dies bedeutet eine Ausweitung des Messbereichs auf 16 μm bis 2000 μm bei einem Messbereich von 8 μm bis 1000 μm in der Grundstellung des Geräts.
Es versteht sich, dass der Vergrößerungsfaktor des Galilei-Fernrohrs von 2 abweichen kann. Ein Bereich von 1,5 bis 3 kann bequem gewählt werden. Mit einer aufwendigeren Optik 9 zur Vergrößerung des Winkels des Streulichts können noch größere Vergrößerungsfaktoren erzielt werden. Es versteht sich, dass in einem solchen Fall die vor der Messzelle angeordnete Konkavlinse 95 entsprechend angepasst sein muss, auch in ihrer Güte.
Das beschriebene Partikeluntersuchungsgerät kann abgewandelt werden. So ist es möglich, statt eines Geräts mit Umschaltung der Messbereiche ein einfaches, kompaktes Gerät zu bauen, dessen Messbereich auch größere Partikel (2000 μm und mehr) umfasst. Dabei wird die Optik zur Vergrößerung des Winkels des Streulichts fest installiert, und die Konvergenz des Untersuchungsstrahlenbündels ist nur so weit veränderbar, als es eine Veränderbarkeit der Brennweite dieser Optik zur Vergrößerung des Winkels des Streulichts gibt, um letztendlich die Strahlenbündelspitze auf den Mittelpunkt des Detektors auftreffen zu lassen.

Claims

Partikeluntersuchungsgerät, umfassend eine Einrichtung (1) zur Erzeugung eines monochromatischen, konvergenten Untersuchungsstrahlenbündels (21) entlang einer optischen Achse; eine Messzelle (3) zur Aufnahme von Probematerial, die im konvergenten Untersuchungsstrahlenbündel (21) positioniert werden kann; ein Detektor (5) mit einem Mittelpunkt (57) zu Sensorfeldern (51, 52, 53, 54) zum Auffangen des Beugungsspektrums des Untersuchungslichtstrahlenbündels (21) nach Durchdringen der Messzelle (3); eine Auswerteeinrichtung zur Errechnung von Partikelgrößenverteilungen aufgrund der Lichtintensitätsverteilung des Beugungsspektrums; dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) zur Erzeugung des monochromatischen, konvergenten Strahlenbündels (21) hinsichtlich der Konvergenz so einstellbar ist, dass die Strahlenbündelspitze in der Grundstellung des Geräts in der Ebene des Detektors (5) oder in der Vergrößerungsstellung des Geräts jenseits der Ebene des Detektors (5) zu liegen kommt, und dass eine Optik (9) zur Vergrößerung des Winkels des Streulichts im Strahlengang zwischen Messzelle (3) und Detektor (5) wirksam gemacht werden kann, um in der Vergrößerungsstellung des Geräts die Strahlenbündelspitze in die Ebene des Detektors (5) zu legen.
Partikeluntersuchungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) zur Erzeugung des monochromatischen, konvergenten Strahlenbündels (21) in der Grundstellung des Geräts mit der Strahlenbündelspitze in der Ebene des Detektors (5) eingestellt ist und eine zusätzliche Konkavlinse (95) aufweist, die in den Strahlengang vor der Messzelle (3) zur Vergrößerungsstellung des Geräts eingeschaltet werden kann.
Partikeluntersuchungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (9) zur Vergrößerung des Winkels des Streulichts ein Galilei-Teleskop (91, 92) umfasst, das in den Strahlengang nach der Messzelle (3) zur Vergrößerungsstellung des Geräts eingeschaltet werden kann.
Partikeluntersuchungsgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (1) zur Erzeugung eines monochromatischen, konvergenten Strahlengangs (21) einen Laser und einen Kollimator aufweist, hinter dem eine Dreh-Schalteinrichtung (7a) zur Einschaltung für Filter sowie für die zusätzliche Konkavlinse (95) vorgesehen ist.
Partikeluntersuchungsgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Positioniereinrichtung (90) für das Galilei-Teleskop (91, 92) am Gerät vorgesehen ist, um das Galilei-Teleskop (91, 92) in und aus dem Strahlengang zu verbringen.
Partikeluntersuchungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Vergrößerungsstellung des Geräts der Abstand zwischen Messzelle (3) und Detektor (5) auf einen festen Wert eingestellt wird.
Partikeluntersuchungsgerät, umfassend eine Einrichtung (1) zur Erzeugung eines monochromatischen, konvergenten Untersuchungsstrahlenbündels (21) entlang einer optischen Achse; eine Messzelle (3) zur Aufnahme von Probematerial, die im konvergenten Untersuchungsstrahlenbündel (21) positioniert werden kann; ein Detektor (5) mit einem Mittelpunkt (57) zu Sensorfeldern (51, 52, 53, 54) zum Auffangen des Beugungsspektrums des Untersuchungslichtstrahlenbündels (21) nach Durchdringen der Messzelle (3); eine Auswerteeinrichtung zur Errechnung von Partikelgrößenverteilungen aufgrund der Lichtintensitätsverteilung des Beugungsspektrums; dadurch gekennzeichnet, dass eine Optik (9) zur Vergrößerung des Winkels des Streulichts im Strahlengang zwischen Messzelle (3) und Detektor (5) angeordnet ist, und dass die Einrichtung (1) zur Erzeugung des monochromatischen, konvergenten Strahlenbündels (21) hinsichtlich der Konvergenz so eingestellt ist, dass die Strahlenbündelspitze in der Ebene des Detektors (5) zu liegen kommt.
Partikeluntersuchungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (9) zur Vergrößerung des Winkels des Streulichts ein Galilei-Teleskop (91, 92) umfasst.