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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Nachweis von atmosphärischer Frischluft. Unter atmosphärischer
Frischluft ist im Folgenden ein Gemisch verschiedener permanenter
Gase zu verstehen, unter denen Stickstoff (N2;
Volumen-% 78,3; Gewichts-% 75,47), Sauerstoff (O2;
20,99%; 23,2%), Argon (Ar; 0,933%; 1,286%) und Kohlendioxid (CO2; 0,03%; 0,046%) überwiegen.
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Stand der Technik
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Es
ist bekannt, dass atmosphärische Frischluft mittels verschiedener
Methoden messtechnisch analysiert und detektiert werden kann. Als
Analysevorrichtungen kommen beispielsweise Massenspektrometer, Partikelspektrometer,
Absorbationsspektrometer oder Gaschroatographen zum Einsatz. Diese Messgeräte
ermöglichen eine chemische Analyse der Luftzusammensetzung,
so dass die in der Luftprobe enthaltenen gasförmigen chemischen
Elemente, Aerosole, Spurengase, Kleinionen und Wasserdampfanteile
quantitativ bestimmt werden können.
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Für
gewisse Applikationen, wie z. B. bei der Lecksuche, oder bei Warnvorrichtungen
gegenüber eindringender atmosphärischer Frischluft
in einer Anlage oder in einem System ist es erforderlich, auch eine
Aussage über die Herkunft bzw. über den Ursprung
der analysierten Luftprobe zu machen. Bei gewissen Prozessen muss
unterschieden werden, ob Raumluft oder atmosphärische Frischluft
in einem System eindringt bzw. darin auftritt oder vorhanden ist.
Bei Methoden, bei denen die Undichtigkeitsbestimmung an Hand von
Sekundäreffekten erfolgt, lässt sich zwar das
Vorhandensein von Undichtigkeiten bestimmen, Leckagen können
aber nicht lokalisiert werden.
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Die
Lokalisierung einer Leckage kann mit Hilfe eines Wärmeleitungsvakuummeters
erfolgen. Ein Wärmeleitungsvakuummeter nutzt als Messprinzip die
Druckabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit
von Gasen. Wird die Leckstelle mit einem Gas abgesprüht,
welches einen anderen Wärmeleitungskoeffizienten als Luft
hat, so lässt sich diese mit einem entsprechenden Vakuummeter
detektieren. Ein Nachteil dieser Methode ist die relative Unempfindlichkeit,
so dass nur große Leckagen gefunden werden können. Außerdem
machen sich bei diesem Verfahren Umwelt- und Systemparameter negativ
auf die Genauigkeit bemerkbar.
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Bei
der Lokalisierung von Undichtigkeiten mit Ultraschall macht man
sich den Umstand zu nutze, dass die in ein Leck einströmende
atmosphärische Luft Schallwellen im Bereich von Ultraschall
erzeugt. Diese akustischen Wellen können mit Hilfe eines Schallsensors
detektiert werden. Schwierig wird die Anwendung dieser Methode bei
einem hohen Schalluntergrund. Ebenso hat das Ultraschallverfahren
den Nachteil einer sehr geringen Nachweisgrenze.
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Die
Tracergas-Leckortung mit Helium ermöglicht eine Lecksuche
ohne Unterbrechung oder Beeinträchtigung des Versorgungsbetriebs.
Diese Art der Helium-Lecksuche ist für alle wasserführenden Leitungen
und Systeme wie z. B. Fernwärme-, Kälte-, Kühlwasser-
und Trinkwassernetze einsetzbar. Helium ist ein inertes Edelgas,
dessen Verwendung keine negativen Einflüsse auf die Umwelt
hat. Als weitere Vorteile von Helium als Tracergas sind zu erwähnen, dass
es nicht brennbar ist und in der atmosphärischen Luft nur
einen Anteil hat von 5 ppm. Der Hauptnachteil der Ermittlung des
Luftwechsels über Tracergas-Messungen besteht allerdings
darin, dass die Messergebnisse sehr stark von sich verändernden und
nicht vorausberechenbaren Randbedingungen abhängen, wie
u. a. der Windgeschwindigkeit und -richtung, den Innenraum- und
Umgebungstemperaturen – und auch den Temperaturen in benachbarten Räumen.
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Darstellung der Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Differenzierung zwischen
atmosphärischer Frischluft einerseits und Raumluft, oder einem
anderen gasförmigen Medien (z. B. O2,
N2, etc.) anderseits ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird
die voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche
1 und 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens und der Vorrichtung sind in den jeweiligen Unteransprüchen
angegeben.
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Gemäß Anspruch
1 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet,
dass der Nachweis von atmosphärischer Frischluft mittels der
Erfassung und Auswertung eines Lumineszenzsignals im UV-VIS Bereich
innerhalb eines lichtundurchlässigen Messraums erfolgt.
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Die
im Anspruch 2 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung
besteht im Wesentlichen aus einem lichtundurchlässigen
Gehäuse, welches einen Messraum bildet, in dem sich ein
gasförmiges Medium befindet bzw. in dem ein gasförmiges
Medium eingeleitet bzw. durchgeleitet werden kann.
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Der
Messraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist
vorzugsweise aus Metall- oder einer Metallverbindung gefertigt,
z. B. aus Edelstahl oder Aluminium, oder aus einem technischen Silikat,
z. B. aus Glas. Der Messraum kann quaderförmig (kubisch), hohlkugelförmig
oder reflektorartig ausgestaltet sein, aber auch jedwede andere
denkbare Form annehmen.
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Außerhalb
oder innerhalb des Messraums der Vorrichtung ist ferner zumindest
ein Lumineszenzdetektor angeordnet. Als Lumineszenzdetektoren können
Sekundärelektronen-Vervielfacher (SEV) bzw. Photomultiplier
Tube (PMT) oder Digitalkameras, z. B. CCD-, Thermoelectric Cooled CCD-,
EBCCD-, EMCCD-, ICCD-Camera, eingesetzt werden. Darüber
hinaus kann der Lumineszenzdetektor auch als großflächiges
Detektor-Array ausgestaltet sein. Detektorseitig ist jedoch darauf
zu achten, dass eine möglichst große Detektoroberfläche
zur Verfügung steht.
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Der
Messraum kann in einer weiteren Ausführung auch derart
ausgestaltet sein, dass ein Leitungssystem oder zumindest ein oder
mehrere Abschnitte eines Leitungssystems selbst, bspw. eine Rohrleitung,
den Messraum bilden. Hierbei sind grundsätzlich zwei Ausführungsformen
denkbar. In einer ersten Ausführung sind in der Leitung,
die insgesamt ein lichtundurchlässiges Gehäuse
umfasst, Lumineszenzdetektoren beabstandet voneinander angeordnet.
In einer zweiten Ausführung sind in dem Leitungssystem
zahlreiche nebeneinander liegende oder beabstandete lichtundurchlässige
Messraumabschnitte vorgesehen, in dem ein oder auch mehrere Lumineszenzdetektoren
angeordnet sind. Letztlich ist es aber auch möglich, in
dem Leitungssystem zahlreiche kompakte erfindungsgemäße
Vorrichtungen beabstandet voneinander anzuordnen. Aufgrund der Möglichkeit,
die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr kompakt
auszugestalten, dürfte sich diese Ausführung in
der Praxis wohl als am einfachsten zu realisierende und kostengünstigste,
insbesondere bei einer Nachrüstung vorhandener Systeme, durchsetzen.
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Bei
der Zufuhr von atmosphärischer Frischluft zum Messraum
der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Lumineszenzphänomen
innerhalb des Messraums nachweisbar, das technisch genutzt werden
kann. Dieses Lumineszenzphänomen ist dann am intensivsten,
wenn reine atmosphärische Frischluft in den Messraum eingeleitet
wird. Bei Zufuhr von Raumluft, ohne Frischluftanteile, ist die Intensität
des Lumineszenzsignals deutlich geringer oder fehlt vollständig.
Bei Zufuhr von gasförmigen Elementen (z. B. O2 oder
N2) zum Messraum ist das Lumineszenzsignal überhaupt
nicht nachweisbar.
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Das
im Messraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung
auftretende Lumineszenzphänomen tritt gesetzmäßig
auf. Aufgrund der bisher gewonnenen Erkenntnisse ist die Intensität
dieses Lumineszenzphänomens primär von der Konzentration
der atmosphärischen Frischluft am gasförmigen
Medium, das in dem Messraum eingeleitet wird bzw. darin vorhanden
ist, abhängig.
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Das
Lumineszenzphänomen, das durch die atmosphärische
Frischluft bewirkt wird, wurde anfänglich an Funktionsmodellen
registriert, deren Messraumwände aus Edelstahl ausgestaltet
waren. In einem weiteren Entwicklungsschritt wurde der Messraum
aus Edelstahl mit einem geometrisch vergleichbaren Messraum aus
Glas ersetzt. In einem solchen Messraum aus Glas war bei Zufuhr
von atmosphärischer Frischluft das gemessene Lumineszenzsignal
signifikant intensiver. Es drängte sich der Schluss auf,
dass das Lumineszenzphänomen auch vom Material des Messraums
bzw. vom Material der Messraumwände abhängig ist.
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Wurde
im Zuge eines weiteren Entwicklungsschritts in einem Messraum aus
Edelstahl eine Festkörperprobe aus Glas, aus gesteinsbildenden
Mineralien (z. B. Quarz, Feldspat), aus Tiefengestein (z. B. Granit,
Granodiorit), aus Ergussgestein (z. B. Dolerit, Rhyolith), aus Metamorphiten
(z. B. Gneis, Quarzit), oder aus Holz (z. B. Kernholz, Sperrholz
oder Kork) eingesetzt, so wurde bei Zufuhr von atmosphärischer Frischluft
zum Messraum ein intensiveres Lumineszenzsignal registriert als
im leeren Messraum. Der Schluss lag nahe, dass die oben genannten
Festkörperproben zusätzlich zum Material der Messraumwände
wirkten und das Lumineszenzphänomen verstärken.
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Ein
ursächlich vergleichbares Lumineszenzphänomen
tritt stets dann auf, wenn zwar keine atmosphärische Frischluft
dem Messraum zugeführt wird, jedoch stattdessen ausgewählte
Festkörperproben für einen Zeitraum in der Erdatmosphäre
bzw. in der atmosphärischen Frischluft gelagert und anschließend
in den Messraum der Erfindung temporär eingesetzt werden.
Wird beispielsweise eine Festkörperprobe aus den o. g.
Materialien in der Erdatmosphäre für bspw. 3:00
h gelagert und nach deren Reinigung in den Messraum eingesetzt,
in dem sich Raumluft ohne Anteile an atmosphärischer Frischluft befindet,
so tritt ebenfalls ein Lumineszenzphänomen auf. In diesem
Fall besitzt das Lumineszenzphänomen einen charakteristischen
Emissionsverlauf mit einer Lebensdauer von Stunden bis Tage. Wird hingegen
eine Festkörperprobe für bspw. 3:00 h in einem
gasförmigen O2- oder N2-Medium
ohne Anteile an atmosphärischer Frischluft eingesetzt und
unmittelbar danach im Messraum eingeführt, so tritt das Lumineszenzphänomen
nicht auf.
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Nun
ist es bekannt, dass insbesondere die Mineralen Quarz und Feldspäten
die Fähigkeit besitzen, Energie, die durch ionisierende
Strahlung appliziert wird, zu speichern. Diese Strahlung wird verursacht
durch den Zerfall natürlich vorkommender Radioisotope der
Elemente Uran, Kalium und Thorium sowie durch die kosmische Strahlung.
Bei dem Phänomen der Thermolumineszenz bei den Mineralien wie
Quarz und Feldspat werden die im Kristallgitter in den sog. ”traps” vorhandenen
Ladungsträger, die aus ionisierender Strahlung stammen,
thermisch freigesetzt. Es entsteht dabei ein einmaliges und kurzzeitiges
(binnen Sekunden abklingendes) Lumineszenzphänomen. Die
Ladungsträger in den ”traps” des Kristallgitters
werden allerdings durch das Tageslicht (UV-Strahlung) entleert,
daher erfolgt die Probeentnahme zur Thermolumineszenz-Datierung
grundsätzlich in abgedunkelten Verhältnissen oder
bei Nacht. Dagegen befinden sich die bei dem vorliegenden Verfahren
verwendeten Proben aus Quarz, Granit, Granodiorit, Gneis, etc. seit
Jahren im Einsatz bei Tageslicht. Unter diesen Umständen
sollte zu erwarten sein, dass die Ladungsträger aus den
Kristallgittern restlos geleert bzw. die benutzten Proben optisch
gebleicht sind. Dennoch zeigen die Proben das beschriebene Lumineszenzphänomen.
Eine schrittweise Reduzierung des Lumineszenzsignals, was auf eine
optische Gleichung hindeuten würde, ist nicht zu registrieren.
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Aufgrund
der experimentellen Befunde, gewonnen an verschiedener Funktionsmodellen,
drängt sich der Schluss auf, dass das Lumineszenzphänomen
im Messraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung
außer von der Konzentration der atmosphärischer
Frischluft am zugeführten gasförmigen Medium,
auch vom Material der Messraumwände und vom Material der
im Messraum evtl. vorhandenen Festkörperproben abhängig
ist.
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Durch
mehrjährige Erfahrung mit Funktionsmodellen erhärtet
sich zudem die Wahrscheinlichkeit, dass das detektierbare Lumineszenzphänomen
im Messraum von einer besonderen energetischen Eigenschaft der Erdatmosphäre,
oder von einer in der Erdatmosphäre vorhandenen besonderen
Energieform oder Teilchenart verursacht wird (siehe dazu die Theorie
zur Flyby Anomalie von Stephen L. Adler, Institute for Advanced
Study, Princeton, USA, veröffentlicht in Physical Review
D, volume 79, 023505(2009), am 8. Jan. 2009).
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Aufgrund
der extrem langen Lebensdauer des Lumineszenzphänomens
in der Größenordnung von Stunden bis Tage, die
nach der Lagerung von ausgewählten Festkörperproben
in der atmosphärischen Frischluft gefolgt von deren Einsetzung
in den Messraum registriert wird, drängt sich ferner die Schlussfolgerung
auf, dass die besondere energetische Eigenschaft der Erdatmosphäre
oder möglicherweise eine in der Erdatmosphäre
vorhandene besondere Energieform oder Teilchenart in verschiedenen
Festkörperproben gespeichert werden kann. Die Speicherung
dieser besonderen energetischen Eigenschaft der Erdatmosphäre
bzw. der atmosphärischen Frischluft in gewissen Festkörpern
führt anschließend zu dem beschriebenen Lumineszenzphänomen.
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Mineralien,
technische Silikate, Tiefengesteine, Ergussgesteine, Metamorphite
oder Holz, speichern nach bisherigen Erkenntnissen in einem gewissen
materialspezifischen Umfang diese besondere energetische Eigenschaft
der Erdatmosphäre oder möglicherweise die besondere
Energieform oder Teilchenart in der Erdatmosphäre. Auch
Metalle und Metallverbindungen (z. B. Edelstahl oder Aluminium) zeigen
nach bisherigen Erkenntnissen diese Speichereigenschaften auf, wenngleich
bezogen auf deren Festkörpervolumen- und Oberfläche
in einem erheblich geringeren Umfang. Die Speicherung der besonderen
energetischen Eigenschaft der Erdatmosphäre in den o. g.
Festkörpern erfolgt nach den bisherigen Erkenntnissen in
etwa vergleichbar mit der Speicherung von elektrischer Energie in
einem Akkumulator.
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Die
besondere energetische Eigenschaft der Erdatmosphäre oder
die in der Erdatmosphäre vorhandene besondere Energieform
oder Teilchenart kann nach bisherigen Erkenntnissen ähnlich
einem elektrischen Kraftfeld, einem magnetischen Kraftfeld oder
der elektromagnetischen Strahlung ein Anregungsphänomen
gefolgt von einer Lumineszenzemission im UV-VIS-Bereich bewirken.
Diese besondere energetische Eigenschaft der Erdatmosphäre ist
nach den bisherigen Erkenntnissen orts-, tageszeit- und jahreszeitunabhängig
in der Erdatmosphäre bzw. in der atmosphärischen
Frischluft vorhanden.
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Aufgrund
der unmittelbaren Nutzung der in der atmosphärischen Frischluft
vorhandenen besonderen energetischen Eigenschaft, Lumineszenz zu bewirken,
einerseits und aufgrund der Nutzung der Speichereigenschaft von
Festkörpern bzgl. dieser besonderen energetischen Eigenschaft
der Erdatmosphäre anderseits, sind prinzipiell zwei verschiedenartige
Ausgestaltungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
realisierbar:
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Bei
der ersten Ausgestaltungsform der Vorrichtung wird atmosphärische
Frischluft unmittelbar einem geeigneten, lichtdicht abgeschlossenen
Messraum zugeführt, welcher leer ist, oder in dem eine
geeignete Festkörperprobe, z. B. eine Holz-, Mineral- Glas-
oder Gesteinsprobe enthalten und vorzugsweise fest verbaut ist.
Im Messraum dieser Ausgestaltungsform der Vorrichtung ist unter
geeigneten konstruktiven Bedingungen bei Zufuhr von atmosphärischer
Frischluft ein Lumineszenzsignal im UV-VIS-Bereich messbar, welches
messtechnisch ausgewertet werden kann. Diese Ausgestaltungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung nutzt unmittelbar
die in der atmosphärischen Frischluft vorhandene besondere
energetische Eigenschaft Lumineszenz zu bewirken, um ein technisch
nutzbares Lumineszenzphänomen zu erzeugen.
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Bei
der zweiten Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird eine Holz-, Mineral-, Glas- oder Gesteinsprobe
in der atmosphärischen Frischluft für einen Zeitraum
gelagert, anschließend gereinigt und danach manuell oder
mechanisch, z. B. mittels eines Schubladensystems oder eines Drehtellersystems,
in einem geeigneten lichtdicht abgeschlossenen Messraum eingeführt.
Im Messraum dieser Version der Vorrichtung ist ebenfalls ein Lumineszenzsignal
im UV-VIS-Bereich messbar. Diese Version der erfindungsgemäßen
Vorrichtung nutzt die Speichereigenschaft von ausgewählten
Festkörpern bzgl. der besonderen energetischen Eigenschaft
der atmosphärischen Frischluft Lumineszenz zu bewirken,
um im Messraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ein technisch nutzbares Lumineszenzphänomen zu erzeugen.
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Im
Messraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet
sich im passiven, inaktiven Zustand, ein Gas, ein Gasgemisch oder
Raumluft unter Normalbedingungen (17,0°–27,0°C,
1013 hPa). Die mittlere kinetische Energie der Luftmoleküle
von Raumluft liegt bei i 0,04 eV für 27,0°C (300
K). Außer der kinetischen Energie der Luftmoleküle
und der besonderen energetischen Eigenschaft der atmosphärischen
Frischluft Lumineszenz zu bewirken, ist bei Zufuhr von atmosphärischer
Frischluft zum Messraum keine zusätzliche Energiequelle
bzw. Anregungsquelle im Messraum vorhanden.
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Auf
Meereshöhe bzw. in der Troposphäre ist bei Zufuhr
von atmosphärischer Frischluft zum Messraum ein Lumineszenzsignal
im UV-VIS-Bereich bei 160–630 nm zu registrieren. Die im
Messraum detektierbare Emission besitzt somit Partikelenergien hv ≈ 2,0–7,8
eV. Das detektierbare Energieniveau im Messraum ist somit signifikant
höher als das durch das kinetischen Gasgesetz vorgegebenen
Energieniveau der Luftmoleküle, Luftionen, Aerosolen und Spurengasen
in der atmosphärischen Frischluft, welches im IR-Bereich
liegt.
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Die
Intensität des nachweisbaren Lumineszenzsignals steigt
proportional zur Größe bzw. zur Oberfläche
und zum Volumen der im Messraum eingesetzten Festkörperprobe.
In der oben dargestellten zweiten Ausführungsform ist bereits
eine kreisrunde plattenförmige Ausgestaltung aus natürlichem
kristallinem Quarz (hydrothermaler Quarz) mit den Abmessungen 18,0 × 4,0
cm (Durchmesser × Stärke) dazu geeignet, das technisch
nutzbare Lumineszenzsignal zu bewirken, wenn diese Ausgestaltung
aus natürlichen kristallinem Quarz in der atmosphärischen Frischluft
für bspw. 3:00 h gelagert wurde und nach Reinigung manuell
oder mittels eines Schubladesystems oder Drehtellersystems in den
Messraum der neuen Messvorrichtung eingeführt wurde. Die
Lumineszenzemission zeigt dabei einen spezifischen Emissionsverlauf
mit einer Lumineszenzlebensdauer in der Größenordnung
von Stunden bis mehreren Tagen, für die Dauer des Vorhandenseins
der Materialprobe aus natürlichem kristallinem Quarz im
Messraum.
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Ein
Photonenzählwerk (Photon Counting Modul) bestehend aus
einem Photomultiplier Tube (Photovervielfacher; PMT) mit einer Bialkali-Photokathode
und einem Quarzglasfenster, einer Empfindlichkeit (spectral response)
im UV-VIS-Bereich (ca. 160–630 nm) und einer Detektoroberfläche
von 4,9 cm2 ist z. B. bereits optimal dazu
geeignet, das technisch nutzbare Lumineszenzsignal, induziert durch die
Materialprobe aus natürlichem kristallinem Quarz im Messraum
zu detektieren.
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Das
Fenster des Lumineszenzdetektors kann in die Wand der Vorrichtung
oder in deren Innenraum hineinragend montiert werden. Das Messsignal
des Detektors kann mittels eines Frequenzzählers oder eines
anderen geeigneten Messgerätes erfasst und ausgewertet
werden.
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Mittels
des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Differenzierung
zwischen atmosphärischer Frischluft einerseits und anderen
Gasgemischen (z. B. Raumluft, O2, N2, etc.) anderseits, vorgenommen werden.
Die Differenzierung zwischen atmosphärischer Frischluft
einerseits und einem gasförmigen Medium (Raumluft, O2, N2, etc.) anderseits
erfolgt aufgrund der Messung und Auswertung eines physikalischen
Effektes, hervorgerufen durch eine physikalische bzw. energetische
Eigenschaft der Erdatmosphäre bzw. der atmosphärischen
Frischluft. Eine chemische Analyse des Gasgemisches ist nicht erforderlich.
Das gasförmige Medium wird in dessen chemischen und physikalischen
Beschaffenheit durch die Funktionsweise der Vorrichtung nicht beeinträchtigt.
Diese ist robust, für den Dauerbetrieb gut geeignet und
kann kostengünstig hergestellt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist erfindungsgemäß grundsätzlich
in zwei verschiedenen Ausführungen ausgestaltet:
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In
der sog. Flow-Version (Durchfluss-Version) wird das zu untersuchende
gasförmige Medium durch den Messraum der erfindungsgemäßen
Vorrichtung durchgeleitet. Die besondere energetische Eigenschaft
der Erdatmosphäre, Lumineszenz zu erzeugen, wirkt im Falle
der Zufuhr von atmosphärischer Frischluft zum Messraum
direkt auf den Messraum und der darin evtl. befindlichen Festkörperprobe
ein. Der Messraum kann in der Flow-Version aus Metall oder aus einer
Metallverbindung, vorzugsweise aus Aluminium oder Edelstahl, gefertigt
sein. Der Messraum kann leer, oder eine geeignete Festkörperprobe,
z. B. eine Holz-, Mineral-, Glas- oder Gesteinsprobe, enthalten.
Die Flow-Version ist gut geeignet, ein gasförmiges Medium
hinsichtlich der darin enthaltenen atmosphärischen Frischluftanteile
zu überwachen.
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In
der sog. Loading-Version (Ladungs-Version) wird eine geeignete Festkörperprobe,
z. B. eine Holz-, Mineral-, Glas- oder Gesteinsprobe, nach deren
Exponierung in der atmosphärischen Frischluft gefolgt von
Reinigung, auf manueller oder automatischer Weise, z. B. mittels
eines Schubladensystems oder eines Drehtellersystems, in den Messraum
der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingeführt
bzw. darin geladen. Die besondere energetische Eigenschaft der Erdatmosphäre,
Lumineszenz zu erzeugen, wirkt in der Loading-Version indirekt durch
deren Speicherung in der Festkörperprobe auf den Messraum
ein. Da in der Loading-Version der Messraum nicht unmittelbar der
atmosphärischen Frischluft ausgesetzt ist, kann dieser
sowohl aus Metall oder aus einer Metallverbindung, vorzugsweise
aus Aluminium oder Edelstahl, als auch aus Glas, z. B. als verspiegelter
Glasreflektor, gefertigt sein. Die Loading-Version ist gut geeignet
den jeweiligen Ist-Zustand des zu untersuchenden gasförmigen
Mediums hinsichtlich der darin enthaltenen atmosphärischen
Frischluft zu prüfen. Sie dient damit vorrangig dem Sampling
bzw. der Probenahme im Sinne einer temporären, abschnittsweisen
Prüfung eines gasförmigen Mediums auf dessen atmosphärischen
Frischluftanteilen. Die Loading-Version ist gut geeignet, die besondere
energetische Eigenschaft der Erdatmosphäre, Lumineszenz zu
erzeugen, nachzuweisen und zu erforschen. Die materialspezifischen
Speichereigenschaften verschiedener Festkörperproben bzgl.
der besonderen energetischen Eigenschaft der atmosphärischen Frischluft
können mittels der Loading-Version optimal erforscht werden.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sieht weiterhin vor, dass in der Flow-Version statt
einer Festkörperprobe mehrere Festkörperproben
innerhalb des Messraums angeordnet werden. Dabei kommen mehrere
räumlich getrennt angeordnete Festkörperproben
zum Einsatz. Diese vorteilhafte Ausgestaltung erhöht das verfügbare
und verwertbare Lumineszenzsignal im Messraum.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass in
der Flow-Version mehrere Festkörperproben-Teile zu einer
einheitlichen Festkörperprobe zusammengefügt sind.
Diese Ausgestaltung erhöht ebenfalls das verfügbare
und verwertbare Lumineszenzsignal.
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n
einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind im bzw. am Messraum
mehrere Lumineszenzdetektoren zur Detektierung des Lumineszenzsignals
vorgesehen, deren gemeinsames Messsignal ausgewertet wird. Dies
kann durch mehrere räumlich getrennt angeordnete Detektoren
oder durch ein einheitliches großflächiges Detektor-Array
realisiert werden, bestehend aus mehreren Einzeldetektoren. Diese
vorteilhafte Ausgestaltung dient der Vergrößerung der
Detektoroberfläche. Dadurch wird die Intensität des
auswertbaren Lumineszenzsignals erhöht.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sieht vor, dass der Lumineszenzdetektor außerhalb
des Messraumes angeordnet ist und mit dem Messraum mittels eines Lichtwellenleiters
verbunden ist. Eine solche Anordnung ist bei gewissen Applikationen
vorteilhaft.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der
erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder
bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger
Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von
der Zusammenfassung in einzelnen Ansprüchen oder deren
Rückbeziehung.
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In
den Zeichnungen zeigen
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1 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 in der Flow-Version;
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2–4 mehrere
vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 in der Flow-Version.
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5 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 in der Logding-Version.
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6 schematisch
die energetischen Bedingungen im Messraum 2 der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 bei Zufuhr von atmosphärischer Frischluft zum
Messraum 2;
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7 tabellarisch
die Einflussfaktoren auf die Höhe des Emissionsniveaus
im Messraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1;
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8 die
Messwerte von zwei Langzeitversuchen der Flow-Version;
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9 die
Messwerte von drei Langzeitversuchen der Loading-Version.
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Ausführung der Erfindung
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Die
in 1 dargestellte Vorrichtung 1 beinhaltet
einen lichtdicht abgeschlossenen und reflektorartig ausgestalteten
Messraum 2. Im Messraum 2
ist ein Fenster 4 eines
geeigneten Lumineszenzdetektors 3 vorgesehen, der zentral
in einem Detektorträger 5 angeordnet ist. Der
Detektorträger 5 ist aus Metall oder einer Metalllegierung,
z. B. aus Edelstahl oder aus Aluminium, gefertigt. Das Fenster 4 des
Detektors 3 befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel im
Fokusbereich des reflektorartig ausgestalteten Messraums 2.
In dem Messraum 2 ist gemäß der dargestellten
Ausführung eine geeignete Festkörperprobe, z.
B. eine Holz-, Mineral-, Glas- oder Gesteinsprobe 6, vorgesehen.
Die Festkörperprobe 6 wird auf einem Probentisch 7 positioniert.
Dieser ist aus Stabilitätsgründen aus einem festen
Material, vorzugsweise aus Metall oder aus einer Metalllegierung,
z. B. Stahl, Edelstahl oder Aluminium, gefertigt. Durch die symmetrische
Anordnung des Detektors 3 und der Festkörperprobe 6 entlang
der senkrechten Symmetrieachse des reflektorartig ausgestalteten
Messraums 2 wird das im Messraum 2 induzierte
Lumineszenzsignal optimal verwertet. Der Messraum 2 ist
in einer geeigneten Haltevorrichtung 8 eingefügt,
die der Stabilität des Messraums 2 und der darin
enthaltenen Festkörperprobe 6 dient.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in der Flow-Version
besitzt zumindest einen Einlass (Einlassstutzen) 11 und
zumindest einen Auslass (Auslassstutzen) 12 für
ein gasförmiges Medium. Die Einlas- und Auslassstutzen 11, 12 können
an zwei räumlich getrennten Stellen angeordnet sein (siehe 1),
oder innerhalb einer baulichen Einheit ausgestaltet sein.
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In 2 ist
eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 in der Flow-Version dargestellt. Die Festkörperprobe
besteht hier vorteilhafterweise aus mehreren Teilen 9, 10,
die zu einer funktionellen Einheit zusammengefügt sind.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 1 mit
einem kubischen, quaderförmigen Messraum 2 ausgestaltet.
Die Einlas- und Auslassstutzen 11, 12 des gasförmigen
Mediums befinden sich in diesen Ausführungsbeispiel auf
zwei gegenüberlegenden Seitenwänden des quaderförmig
ausgestalteten Messraumes 2.
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In 3 ist
eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 in der Flow-Version dargestellt. In diesem
Ausführungsbeispiel ist der Lumineszenzdetektor als Detektor-Array 13 ausgestaltet.
Dies dient der Vergrößerung der verfügbaren
Detektoroberfläche.
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In 4 ist
eine dritte vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 in der Flow-Version dargestellt. Das Fenster 4 des
Lumineszenzdetektors 3 ist mittels eines Lichtwellenleiters 14 mit
der Wand des Messraums 2 verbunden. Der Lumineszenzdetektor 3 ist
bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung außerhalb der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 angeordnet.
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In 5 ist
die Vorrichtung 1 in der Loading-Version schematisch dargestellt.
Die 5 zeigt eine Schnittdarstellung durch diese Version
der Vorrichtung 1. Diese beinhaltet einen lichtdicht abgeschlossenen
Messraum 2, der in einer kubischen, quaderförmigen
Form ausgestaltetet ist. Im Messraum 2 befindet sich das
Fenster 4 eines geeigneten Lumineszenzdetektors 3.
Die Festkörperprobe 6 wird in diesem Ausführungsbeispiel
durch einen Drehteller 15 in den Messraum 2 befördert,
der eine oder mehrere geeignete Aussparungen 16 zur Aufnahme der
Festkörperprobe 6 aufweist. Der Drehteller 15 ist aus
einem Metall oder einer Metalllegierung, z. B. Aluminium oder Edelstahl,
gefertigt. Ein Einlass oder Auslass für ein gasförmiges
Medium ist in der Loading-Version nicht erforderlich.
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In 6 sind
die energetischen Bedingungen und das Energieniveau der detektierbaren
Emission im Messraum 2 der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 bei Zufuhr von atmosphärischer Frischluft
in der Troposphäre für die Flow-Version dargestellt;
sie gelten analog für die Loading-Version.
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Bei
Zufuhr von atmosphärischer Frischluft zum Messraum 2 ist
gemäß der kinetischen Gastheorie und der Maxwell-Boltzmann
Verteilung der Molekülgeschwindigkeiten der Luftmoleküle,
Luftionen, Aerosole und Spuren-Gasen (z. B. CO2,
O3) kein Lumineszenzsignal im UV-VIS-Bereich
zu erwarten.
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Das
Soll-Energieniveau der Partikelenergien bei Zufuhr von atmosphärischer
Frischluft in der Troposphäre zum Messraum 2 der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist gegeben
durch die folgenden energetischen Eckwerte
- mittlere Ekin = 3/2 kT = 0,04 eV bei 27°C
(300 K) – Kinetische Gastheorie. Spezifische Wärmekapazität der
Luft bei konstantem Volumen Cv Luft = 715 J/kg·K → mittlere
Geschwindigkeit der Luftmoleküle Vm = 510 m/s bei 27°C
(300 K).
- maximale Ekin bei 27°C (300
K) gemäß der die Maxwell-Boltzmann-Verteilung
der Molekülgeschwindigkeiten: < 1 Molekül/Mol (24,8 Liter
Luft bei 27°C/1013 mbar) besitzt V > 3.060 m/s (bzw. Ekin > 1,40 eV). Messraumvolumen ≈ 10,0
Liter Luft.
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Die
Partikelenergien der Luftmoleküle, Luftionen, Aerosole
und Spurengasen liegen bei 0,04 eV bis 1,40 eV und somit im infraroten
Spektralbereich (IR-Bereich). Dieses Soll-Energieniveau der gasförmigen
Partikel im Messraum 2 reicht für einen Anregungsprozess,
gefolgt von Emission im UV-VIS-Bereich nicht aus. Um ein detektierbares
Lumineszenzsignal im UV-VIS-Bereich zu bewirken, müsste
die kinetische Energie der gasförmigen Partikel im Messraum 2 viel
höher bzw. zumindest im Bereich der UV-Strahlung liegen.
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Bei
Zufuhr von atmosphärischer Frischluft zum Messraum 2 der
erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist unter
geeigneten konstruktiven Bedingungen innerhalb der erfindungsgemäßen
Vorrichtung 1 ein Lumineszenzsignal im UV-VIS-Bereich (160 nm–630
nm) bzw. ein wiederholbares, gesetzmäßig ablaufendes
Anregungsphänomen detektierbar, dass zur Photonenemission
im UV-VIS-Bereich führt, welches technisch genutzt wird.
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Das
detektierbare Ist-Energieniveau der Partikel im Messraum 2 ist
erheblich höher als das durch die kinetische Gastheorie
vorgegebene Soll-Energieniveau der Luftmoleküle, Luftionen,
Aerosole und Spuren-Gase in der atmosphärischen Frischluft.
Das detektierbare Lumineszenzsignal im UV-VIS-Bereich ist nicht
konsistent mit den gegenwärtig vorhandenen theoretischen
Modellen zur Beschaffenheit und zur Zusammensetzung der atmosphärischen
Frischluft in der Troposphäre, als Gasgemisch bestehend
aus Luftmolekülen, Luftionen, Aerosole und Spuren-Gasen.
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In 7 sind
die Einflussfaktoren, die sich auf das Emissionsniveau im Messraum
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 auswirken,
tabellarisch dargestellt. Als wichtigster Einfluss erscheint die Sonne
bzw. die Sonneneinstrahlung. Eine Festkörperprobe aus Quarz,
Granit oder Granodiorit, die vor deren Einsetzung in den Messraum
der Sonneneinstrahlung ausgesetzt wurde, induziert im Messraum eine
signifikant höhere Anfangsemission als ohne vorangegangener
Exponierung an der Sonneneinstrahlung.
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Die
Erdatmosphäre hat den zweitwichtigsten Einfluss auf das
Emissionsniveau. Dieser Einfluss begründet das erfindungsgemäße
Verfahren zum Nachweis der atmosphärischen Frischluft.
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Das
Material der Festkörperprobe hat den drittwichtigsten Einfluss
auf das Emissionsniveau. Das Emissionsniveau ist stark materialabhängig.
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Ein
weiterer Einflussfaktor ist der Tagesgang. Das Anfangsemissionsniveau
nach Einsetzung einer Probe in den Messraum ist signifikant höher,
wenn die Probe tagsüber in der Erdatmosphäre exponiert
wurde, verglichen mit dem Exponieren der gleichen Probe bei Nacht.
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Die
experimentellen Ergebnisse – gewonnen mit verschiedenartigen
Funktionsmodellen der Erfindung – deuten auch auf die Existenz
eines Jahresgongs hin. In Frühling und im Sommer wurden
signifikant höhere Emissionswerte gemessen als im Winter.
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Das
Wettergeschehen und die Temperatur besitzen ebenfalls einen Einfluss
auf das Emissionsniveau.
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Die
Sonneneinstrahlung wirkt allem Anschein nach sowohl direkt, als
auch indirekt auf das Emissionsniveau im Messraum ein. Direkt wirkt
die Sonneneinstrahlung auf die ausgewählten Festkörperproben
ein und induziert ein signifikant höheres Emissionsniveau
im Messraum als ohne vorangegangene solare Exponierung. Indirekt
wirkt die Sonneneinstrahlung im Sinne des festgestellten Tagesgangs,
des Jahresgongs und der Witterungsabhängigkeit.
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Aufgrund
der experimentellen Ergebnisse mit verschiedenartigen Funktionsmodellen
drängt sich die Schlussfolgerung auf, dass die Sonneneinstrahlung
ein neuartiges Anregungsphänomen bewirkt. Die diesem Anregungsphänomen
zugrunde liegende Anregungsquelle wird von der Sonne emittiert und
ist in der Erdatmosphäre und in ausgewählten Festkörperproben
speicherbar.
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Die
Speichereigenschaft der Erdatmosphäre bezüglich
dieser Anregungsquelle ist wesentlich geringer als die entsprechende
Speichereigenschaft der ausgewählten Festkörper.
Diese Speichereigenschaft der Erdatmosphäre und der ausgewählten Festkörper
bewirken das Lumineszenzphänomen, dass dem erfindungsgemäßen
Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zugrunde
liegt.
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8 zeigt
die Messwerte von zwei Langzeitversuchen der Flow-Version. Im ersten
Versuch wurde Frischluft in den leeren Messraum 2 (ohne Quarzprobe)
zugeführt. Der Messraum 2 bestand aus Edelstahl
(Edelstahlreflektor, wie in 1 dargestellt).
Im zweiten Versuch wurde Frischluft im Messraum 2 mit eingelegter
runden Quarzprobe zugeführt. Der gleiche Messraum 2 aus
Edelstahl wurde verwendet.
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Beim
ersten Versuch ohne Quarzprobe im Messraum (unterer Graph) lag das
Emissionsniveau im Messraum vor Start der Frischluftzufuhr bei 25
cps (counts per second). Nach Start der Frischluftzufuhr steigt
das detektierbare Emissionsniveau binnen Sekunden auf ca. 60 cps
und bleibt im Bereich 50–120 cps für die Dauer
der Frischluftzufuhr (22 Stunden). Nach Ende der Frischluftzufuhr
fällt das Emissionsniveau von etwa 70 cps binnen Sekunden
auf das Ausgangsniveau (Referenzniveau), vor Beginn der Frischluftzufuhr,
von 25 cps zurück.
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Beim
zweiten Versuch mit eingelegter Quarzprobe im Messraum (oberer Graph)
lag das Emissionsniveau im Messraum vor Start der Frischluftzufuhr
bei 40 cps. Nach Start der Frischluftzufuhr steigt das detektierbare
Emissionsniveau binnen Sekunden auf ca. 230 cps und verbleibt im
Bereich 50–300 cps für die Dauer der Frischluftzufuhr
(27 Stunden). Nach Ende der Frischluftzufuhr fällt das Emissionsniveau
von etwa 50 cps binnen Sekunden auf das Ausgangsniveau (Referenzniveau),
vor Beginn der Frischluftzufuhr, von 40 cps zurück.
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9 zeigt
die Messwerte von drei Langzeitversuchen der Loading-Version. Die
drei Versuche wurden im gleichen Messraum aus Glas, verspiegelte
Glasschüssel, durchgeführt.
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Der
untere Graph zeigt das detektierte Emissionsniveau im leeren Messraum
von 18 cps (+/–3 cps). Dies ist das Referenzemissionsniveau
für die anschließend durchgeführten Versuche
mit der runden Quarzprobe. Der mittlere Graph zeigt das detektierte
Emissionsniveau im Messraum nach Einsetzung der runden Quarzprobe,
die vorher nachts für die Dauer von 2:00 h in der atmosphärischen
Frischluft exponiert wurde. Das Anfangsemissionsniveau beträgt
58 cps. Auch nach 2:00 h (7200 Sekunden) hat das Emissionsniveau
nicht das Referenzemissionsniveau von 18 cps (+/–3 cps)
erreicht. Der obere Graph zeigt das detektierte Emissionsniveau
im Messraum nach Einsetzung der runden Quarzprobe, die vorher tagsüber
für die Dauer von 2:00 h in der atmosphärischen
Frischluft, ohne Kontakt zu direkter oder reflektierter Sonnenstrahlung,
exponiert wurde. Das Anfangsemissionsniveau beträgt 175
cps. Auch nach 2:00 h (7200 Sekunden) Versuchszeit hat das Emissionsniveau
nicht das Referenzemissionsniveau von 18 cps (+/–3 cps)
erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Messraum
- 3
- Lumineszenzdetektor
- 4
- Fenster
- 5
- Detektorträger
- 6
- Festkörperprobe
- 7
- Probentisch
- 8
- Haltevorrichtung
- 9
- Teil
von 6
- 10
- Teil
von 6
- 11
- Einlass
(Einlassstutzen)
- 12
- Auslass
(Auslassstutzen)
- 13
- Detektor-Array
- 14
- Lichtwellenleiter
- 15
- Drehteller
- 16
- Aussparungen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Theorie zur
Flyby Anomalie von Stephen L. Adler, Institute for Advanced Study,
Princeton, USA, veröffentlicht in Physical Review D, volume
79, 023505(2009), am 8. Jan. 2009 [0021]