DE19708658A1

DE19708658A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Manipulation von Partikeln sowie Verwendung eines derartigen Verfahrens bzw. einer derartigen Vorrichtung

Info

Publication number: DE19708658A1
Application number: DE19708658A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr Neuhaus
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1997-03-04
Filing date: 1997-03-04
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2017-03-05
Also published as: WO1998039567A1; DE19708658B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Manipulation von Partikeln, insbesondere unter reduzierter Schwerkraft und/oder in einer Umgebung mit lediglich geringem Gasdruck, sowie die Verwendung eines derartigen Verfahrens bzw. einer derartigen Vorrichtung.

Für eine Vielzahl von Experimenten mit Partikeln ist es oftmals wünschenswert, diese gezielt manipulieren, ins besondere gezielt bewegen zu können. Mechanische Verfahren scheitern zum einen wegen der lediglich geringen Größe der Partikel und zum anderen auch deshalb, weil die Verweil dauer der Partikel in einem Beobachtungsvolumen nur gering ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Manipulation von Partikeln zu schaffen, die es erlauben, die Partikel gezielt bewegen zu können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Ver fahren zum Manipulieren eines Partikels, insbesondere unter reduzierter Schwerkraft und/oder in einer Umgebung mit lediglich geringem Gasdruck vorgeschlagen, bei dem

- auf der Oberfläche des Partikels Adsorbat-Atome und/oder -Moleküle entstehen und
- durch gezielte Einbringung von Energie innerhalb eines begrenzten Bereichs der Oberfläche des Partikels sich dort befindende Adsorbat-Atome und/oder -Moleküle desorbieren, wobei durch die Desorption ein auf das Partikel wirkender Gesamtimpuls zur Bewegung des Partikels entsteht.

Ein derartiges Verfahren läßt sich insbesondere unter Zurhilfenahme einer Vorrichtung realisieren, die erfindungsgemäß versehen ist mit

- einer Kammer zur Aufnahme des Partikels, wobei in die Kammer ein Gas einleitbar ist, das unter Entstehung von Adsorbat-Atomen und/oder -Molekülen auf der Ober fläche des Partikels adsorbiert, und
- einer Energie-Erzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines auf einen lokal begrenzten Bereich der Oberfläche des Partikels richtbaren Teilchenstrahls, dessen Teilchen eine zur Desorption mindestens einiger der sich in diesem Bereich der Partikeloberfläche befindenden Adsorbat-Atome und/oder -Moleküle aus reichende Energie aufweisen, wobei ein auf das Partikel wirkender Gesamtimpuls zur Bewegung des Partikels entsteht.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Hand habung von Partikeln durch Impulsübertragung nach dem Rückstoßprinzip durchzuführen. Erfindungsgemäß erfolgt die Impulsübertragung auf das Partikel durch induzierte Desorption von an der Partikeloberfläche adsorbierten Atomen oder Molekülen. Die Desorption dieses Adsorbats wird erfindungsgemäß durch gezieltes Einbringen von Energie auf die Partikeloberfläche ausgelöst. Damit die Desorption des Adsorbats zu einer Bewegung des Partikels führt, muß der auf das Partikel wirkende Gesamtimpuls zu einer Bewegung des Partikels in der gewünschten Richtung führen. Dies läßt sich erfindungsgemäß dadurch erreichen, daß die Desorption des Adsorbats nur in einem Teilbereich der Partikeloberfläche ausgelöst wird. Dieser Teilbereich der Oberfläche ist der gewünschten Bewegungsrichtung des Partikels abgewandt. Durch entsprechende Ausrichtung der auf die Oberfläche des Partikels auftreffenden Energie kann somit dem Partikel eine Bewegung in einer gewünschten Richtung verliehen werden. Auf diese Weise lassen sich einzelne Partikel gezielt ansprechen.

Durch die induzierte Desorption verursachte Verluste an Adsorbat-Atomen bzw. -Molekülen können durch Adsorption aus einer das Partikel umgebenden Gasphase ausgeglichen werden. Induzierte Desorption und somit Impuls übertragungen können somit mehrfach hintereinander aus geführt werden (isotrope Adsorption und anisotrope Desorption).

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vor gesehen, die (Desorptions-)Energie zur Induzierung der Desorption von Adsorbat-Atomen und/oder -Molekülen durch Auftreffen von Teilchen auf die Oberfläche des Partikels einzubringen. Die Teilchen weisen eine für die Desorption des Adsorbats ausreichende Energie auf. Insbesondere wird die Energie durch einen Photonen-, Elektronen- oder Laser strahl aufgebracht.

Die Desorptionseigenschaften und damit die Impuls übertragung auf das Partikel sind abhängig von den Eigen schaften des Adsorbat-Partikel-Systems und der die induzierte Desorption auslösenden Energie. Dies kann aus genutzt werden, um unterschiedliche Partikel zu sortieren und zu selektieren. Durch geeignete Wahl der Adsorbate und/oder der die Desorption aus lösenden Energien können also Partikel nach ihrer Masse, ihrer Größe und/oder ihrer Oberflächeneigenschaften unterschiedlich manipuliert und somit prinzipiell auch selektiert werden.

Mit der Erfindung lassen sich also Partikel beispielsweise gezielt positionieren, um sie z. B. zusammenzulagern. Ferner können Partikel gezielt aus einem vorgegebenen Bereich entfernt werden. Schließlich lassen sich unter schiedliche Partikel aussortieren und selektieren. Die Erfindung ist vorzugsweise geeignet zur Handhabung von Partikeln unter reduzierter Schwerkraft und/oder in einer Umgebung mit lediglich geringem Gasdruck (beispielsweise 10^-6 mbar).

All die vorgenannten Verwendungsmöglichkeiten der Erfindung basieren darauf, daß Adsorbat von der Oberfläche eines Partikels gezielt abgelöst wird, und zwar durch eine durch Einbringung von Energie induzierte Desorption. Die Desorption von Adsorbat von einer Oberfläche durch Ein bringen von Energie auf die Oberfläche ist an sich bekannt. Bei der Erfindung jedoch wird die Desorption gezielt in einem lokal begrenzten Bereich der Oberfläche ausgelöst, so daß es zu einem Gesamt- bzw. Nettoimpuls kommt, der ungleich 0 ist und dem Partikel eine Beschleunigung und Bewegung in einer gewünschten Richtung verleiht.

Sofern im Rahmen dieser Erfindung davon die Rede ist, daß die Partikel durch Impulsübertragung gezielt bewegt werden, so ist damit der Gesamtimpuls gemeint, der sich aus den beim Desorbieren des Adsorbats entstehenden Einzelimpulsen zusammensetzt. Selbstverständlich wird den Partikeln beim Auftreffen der energiegeladenen Teilchen zur Einbringung von Energie ebenfalls ein Impuls ver liehen. Die Größe dieses Impulses soll aber im Vergleich zu dem sich aus dem Ablösen des Adsorbats ergebenden Gesamtimpuls verschwindend sein, so daß erfindungsgemäß die Manipulation der Partikel nahezu ausschließlich durch die gezielte, örtlich begrenzte, induzierte Desorption erfolgt.

Nachfolgend werden anhand der Figuren die Grundlagen der Erfindung nochmals verdeutlicht und als ein Beispiel für eine Anwendung der Erfindung eine Sortiervorrichtung erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine zeichnerische Darstellung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips der Impulsübertragung auf ein Partikel durch gezielte induzierte Desorption von Adsorbat auf der Oberfläche des Partikels und

Fig. 2 schematisch eine Sortiervorrichtung zum Sortieren eines Stroms von Partikeln zweier unterschiedlicher Arten.

Fig. 1 zeigt ein Partikel 10, das sich in einer Gas atmosphäre geringen Drucks innerhalb einer Kammer 11 befindet. Die Gasmoleküle 12 adsorbieren auf der Ober fläche 14 des Partikels 10 und bilden dort Adsorbat-Atome bzw. -Moleküle 16 (nachfolgend Adsorbat genannt). Mittels eines Photonen- oder Teilchen-Strahls 17 wird Energie in einen lokal begrenzten Bereich 18 der Partikel oberfläche 14 eingebracht. Aufgrund des Energieeintrags löst sich das Adsorbat 16 in diesem Partikeloberflächen bereich 18 ab; die desorbierten Adsorbat-Atome bzw. -Moleküle sind in Fig. 1 mit 20 bezeichnet. Durch das Ablösen des Adsorbats 16 aus dem Bereich 18 der Partikel oberfläche 14 kommt es in Folge des Rückstoßes zu einer Vielzahl von auf das Partikel 10 wirkenden Impulsen, die zu einem Gesamtimpuls führen. Aufgrund dieses Gesamtimpuls bewegt sich das Partikel 10 in Richtung des Pfeils 22. Damit es also zu einer Bewegung des Partikels in Richtung des Pfeils 22 kommt, wird in demjenigen Bereich 18 der Partikeloberfläche 14, der der Bewegungsrichtung 22 abgewandt ist, gezielt Energie (und zwar durch den von der Energieerzeugungsvorrichtung 24 ausgesandten Photonen- oder Teilchen-Strahls 17) eingebracht, die zu einer induzierten Desorption des Oberflächenadsorbats 16 führt.

Das anhand von Fig. 1 erläuterte Prinzip kann beispiels weise eingesetzt werden, um einen aus zwei unterschied lichen Arten von Partikeln bestehenden Partikelstrom in zwei Teilströme jeweils gleichartiger Partikel zu unter teilen. Die hierfür verwendete und in Fig. 2 schematisch gezeigte Sortiervorrichtung 30 weist ein Gehäuse 32 auf, in dem sich eine Kammer 34 befindet. In die Kammer 34 führt ein Einlaßkanal 35 hinein. Ferner gehen von der Kammer 34 zwei Auslaßkanäle 36, 38 ab. Der zu sortierende Partikelstrom 40 gelangt über den Einlaßkanal 35 in die Kammer 34 hinein. Der Partikelstrom 40 weist zwei unter schiedliche Arten 42, 44 von Partikeln auf. Sämtliche Partikel 42, 44 durchlaufen einen Photonen- oder Teilchenstrahl 46, dessen Teilchen auf die der Photonen- oder Teilchenstrahl-Erzeugungsvorrichtung 48 zugewandten Bereiche der Partikeloberflächen auftreffen. Der Strahl 46 trifft in einem Winkel ungleich Null Grad (im gezeigten Fall etwa 90°) zur Strömungsrichtung des Partikelstroms 40 auf die Partikel 42, 44 auf.

Die Unterteilung des Partikelstroms 40 in die beiden Teilströme 50, 52, die ausschließlich Partikel 42 bzw. 44 aufweisen, erfolgt beispielsweise dadurch, daß die Energie der Teilchen des Strahls 46 ausreichend ist, um Adsorbat, welches sich auf der Oberfläche der Partikel 42 befindet, gezielt zu desorbieren. Demgegenüber ist die Energie der Teilchen des Strahls 46 zu gering, um das Oberflächen adsorbat der Partikel 44 abzulösen. Als Folge davon wiederum erfahren lediglich die Partikel 42 eine Ablenkung, da lediglich bei diesen Partikeln 42 Adsorbat desorbiert und es damit zu die Partikel 42 auslenkenden Impulsen kommt. Die Partikel 42 strömen über den ersten Auslaßkanal 36 ab, während die Partikel 44 über den zweiten Auslaßkanal 38 abströmen. Damit ist es zu einer Aufteilung des Partikelstroms 40 in die beiden Teil ströme 50, 52 gekommen.

Claims

1. Verfahren zum Manipulieren eines Partikels, ins besondere unter reduzierter Schwerkraft und/oder in einer Umgebung mit geringem Gasdruck, bei dem

- auf der Oberfläche (14) des Partikels (10) Adsorbat-Atome und/oder -Moleküle (16) entstehen und
- durch gezielte Einbringung von Energie innerhalb eines begrenzten Bereichs (18) der Oberfläche (14) des Partikels (10) sich dort befindende Adsorbat- Atome und/oder -Moleküle (16) desorbieren, wobei durch die Desorption ein auf das Partikel (10) wirkender Gesamtimpuls zur Bewegung des Partikels (10) entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbringung der Energie durch Auftreffen von Teilchen mit einer für die Desorption der Adsorbat- Atome und/oder -Moleküle (16) geeigneten Energie erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Energie durch einen Photonen-, Elektronen- oder Laserstrahl (17) aufgebracht wird.

4. Vorrichtung zum Manipulieren eines Partikels, ins besondere unter reduzierter Schwerkraft und/oder in einer Umgebung mit geringem Gasdruck, mit

- einer Kammer (11; 34) zur Aufnahme des Partikels (10; 42; 44), wobei in die Kammer (11; 34) ein Gas (12) einleitbar ist, das unter Entstehung von Adsorbat-Atomen und/oder -Molekülen (16) auf der Oberfläche (14) des Partikels (10; 42; 44) adsorbiert, und
- einer Energie-Erzeugungsvorrichtung (24; 48) zur Erzeugung eines auf einen lokal begrenzten Bereich (18) der Oberfläche (14) des Partikels (10; 42; 44) richtbaren Teilchen strahls (17, 46), dessen Teilchen eine zur Desorption mindestens einiger der sich in diesem Bereich (18) der Partikeloberfläche (14) befinden den Adsorbat-Atome und/oder -Moleküle (16) aus reichende Energie aufweisen, wobei ein auf das Partikel (10; 42; 44) wirkender Gesamtimpuls zur Bewegung des Partikels (10; 42; 44) entsteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie-Erzeugungsvorrichtung (24; 48) einen Photonen-, einen Elektronen- oder einen Laser strahl (17; 46) erzeugt.

6. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder der Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 zum gezielten Positionieren von Partikeln (10; 42; 44) zwecks Ansammlung derselben, indem die Energie einbringung auf ausgewählte der Partikel (10; 42; 44) erfolgt.

7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder der Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 zum Sortieren und/oder Selektieren von bezüglich ihrer Masse, ihrer Größe und/oder ihrer Oberflächen eigenschaften unterschiedlichen Partikeln (10; 42; 44), wobei die Partikel (10; 42; 44) in einem Partikel strom (40) strömen und die Energieeinbringung in einer zur Richtung des Partikelstrahls (40) winklig ver laufenden Richtung erfolgt.