DE3513035C2

DE3513035C2 -

Info

Publication number: DE3513035C2
Application number: DE3513035A
Authority: DE
Inventors: Susumu Hachioji Tokio/Tokyo Jp Saito; Michio Hino Tokio/Tokyo Jp Suzuki; Kyo Hachioji Tokio/Tokyo Jp Suda; Yasuo Odawara Kanagawa Jp Yatsugake; Kazuya Kanagawa Jp Tsukada
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Electronics Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd Tokio/tokyo Jp Hitachi Electronics
Priority date: 1984-04-11
Filing date: 1985-04-11
Publication date: 1988-01-21
Also published as: US4685802A; DE3513035A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Nachweis kleiner Teilchen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. In ihm findet ein Streulicht-Verfahren Anwendung, bei dem in der Luft schwebende kleine Teilchen durch Messung des an ihnen gestreuten Lichts erfaßt werden. Die Technik für die Messung von in einem Probe-Luftstrom enthaltenen kleinen Teilchen durch Anlegen eines Lichtstrahls an den Probe-Luftstrom zur Erfassung des daran gestreuten Lichts ist allgemein bekannt. Die Nachweis-Charakteristika derartiger Verfahren lassen sich wirkungsvoll verbessern, indem die Intensität des verwendeten Lichtstrahls erhöht wird. Dementsprechend wird als Lichtquelle statt einer Lampe ein Laser-Oszillator verwendet. Derartige Systeme sind beispielsweise auf Seite 78 in der Ausgabe vom Dezember 1982 der Zeitschrift "O+E" dargestellt. Zur weiteren Erhöhung der Intensität des Lichtstrahls wird eine Laser-Einrichtung mit hoher Ausgangsleistung oder ein System verwendet, indem Probe-Aerosol durch den Laser-Resonator geführt wird. Die erstgenannte Ausführungsform führt zu einer Vergrößerung der Abmessungen des Nachweissystems und zu einer Erhöhung des Pegels der elektrischen Eingangsleistung. In der zweiten Ausführungsform wird der Durchmesser eines Laserstrahls vom Laser-Resonator in Abhängigkeit von den Laser-Schwingbedingungen festgesetzt, wobei der Strahldurchmesser an der Position einer Nachweiszelle für die Messung des Streulichts nicht unbedingt einen optimalen Wert hat. Zusätzlich ist der Freiheitsgrad für die Anordnung der Nachweiszelle eingeschränkt.

Ein System, in dem ein Probe-Luftstrom in einen Laser-Resonator eingeführt und darin bestrahlt wird, um den Laserstrahl wirkungsvoll auszunutzen, ist in der Zeitschrift "The Review of Scientific Instruments", Band 39, Nr. 12, Seite 1916, oder Band 44, Nr. 9, Seite 1193, beschrieben. In diesem System kann selbst in einer Laser-Einrichtung mit vergleichsweise geringen Abmessungen ein Laserstrahl hoher Intensität ausgenutzt werden. Die Beziehung zwischen dem Laser-Oszillator und dem Bereich zur Untersuchung des Probe- Luftstroms in diesem System ist in den Fig. 1(a) und 1(b) dargestellt. In den Zeichnungen ist mit Bezugsziffer 1 eine Laser-Entladungsröhre, mit Bezugsziffer 2 ein Laserstrahl im Resonator, mit Bezugsziffer 3 ein quer zum Laserstrahl eingeführter Probe-Luftstrom, und mit Bezugsziffer 4 das an den im Luftstrom enthaltenen kleinen Teilchen gestreute Licht bezeichnet. Im System nach Fig. 1(a) ist an einem Ende des Laser-Resonators ein sphärischer Spiegel 5, und im Meßbereich am anderen Ende des Resonators ein planarer Spiegel 6 angeordnet, um den Strahldurchmesser zu verringern. Im System nach Fig. 1(b) werden auf beiden Seiten des Resonators als reflektierende Spiegel 7, 8 planare Spiegel oder sphärische Spiegel mit einem relativ großen Krümmungsradius verwendet, so daß der Strahldurchmesser im Resonator annähernd konstant ist. In beiden Systemen ist der Durchmesser des Laserstrahls im Untersuchungsbereich groß, und der Laserstrahl kann damit nicht wirkungsvoll bezüglich seiner Energiedichte ausgenutzt werden. Da der Durchmesser des Laserstrahls im Untersuchungsbereich groß ist, wird auch der Streulicht-Bereich groß, so daß der Wert der Rayleigh-Streustrahlung von den Gasmolekülen, wie z. B. N₂ oder O₂, in diesem Bereich zunimmt. Damit läßt sich bei der Messung kleiner Teilchen mit einer niedrigen Dichte und einem Durchmesser von nicht mehr als etwa 0,1 µm kein hinreichendes Signal-Rausch-Verhältnis erzielen. Im System nach Fig. 1(a) kann der Strahldurchmesser auf der Oberfläche des Spiegels 6 minimal gemacht werden. Es ist jedoch in der Praxis nicht möglich, einen Nachweisbereich unmittelbar vor dem Spiegel 6 vorzusehen.

In einem System mit einem auf die Spiegeloberfläche fokussierten Laserstrahl tritt leicht eine Beeinträchtigung der Spiegeloberfläche auf. Die Spiegeloberfläche wird durch eine lokale Verschmutzung beeinflußt, so daß oft Schwankungen der Intensität des auf eine derartige Oberfläche auftreffenden Laserstrahls auftreten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, eine Anordnung zum Nachweis kleiner Teilchen anzugeben, bei dem eine stabile Arbeitsweise und eine stark verbesserte Leistungsfähigkeit erreicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Mitteln. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Auführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Laser-Resonators, wie er bisher für den Nachweis kleiner Teilchen verwendet wurde;

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung von der Seite und von oben;

Fig. 3 und 4 schematische Schnittansichten weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispieles.

In vorliegender Erfindung ist ein Laser-Oszillator, ein mit dem Laserstrahl dieses Oszillators in Resonanz stehender externer optischer Resonator und eine in diesem optischen Resonator angeordnete Nachweiszelle vorgesehen. Die Nachweiszelle umfaßt Düsen für das Ansaugen und Abgeben einer Aerosol-Probe, ein optisches System zum Kondensieren des an der Aerosol-Probe gestreuten Lichts und ein Licht erfassendes Element für die fotoelektrische Umwandlung des kondensierten Streulichts. Eine Kombination der Nachweiszelle, des Laser-Oszillators und des externen optischen Resonators bildet ein Nachweissystem für kleine Teilchen, das nach dem Streulichtverfahren arbeitet. In diesem System kreuzen sich im optischen Resonator der optische Weg und der Weg des Aerosols.

Aufgrund dieses Aufbaus wid die Lichtintensität im externen optischen Resonator im wesentlichen gleich der in einem Laser-Resonator. Darüberhinaus kann der Durchmesser des einen Aerosol-Strom kreuzenden Laserstrahls beliebig verändert werden, so daß das Nachweissystem insgesamt optimiert werden kann. Da der Laser-Oszillator vollkommen abgeschlossen werden kann, besteht keine Verschmutzungsgefahr auf einem Spiegel des Laser-Oszillators und auf den Anschlußflächen des Laser-Mediums, so daß die Ausgabe des Lasers zu jedem Zeitpunkt stabil ist. Der externe Resonator ist ein Fabry-P´rot-Resonator mit zwei einander gegenüber angeordneten Spiegeln. Einer dieser Spiegel hat bezüglich des Laserstrahls ein hohes und im wesentlichen vollkommenes Reflexionsvermögen. Als der andere Spiegel dient ein teilweise durchlässiger Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen, durch den ein Teil des Laserstrahls hindurchtritt. Es ist auch möglich, einen Spiegel auf der Ausgabeseite des Laserstrahls statt des teilweise durchlässigen Spiegels zu verwenden, demgegenüber ein Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen angeordnet ist. In einer derartigen Anordnung kann der externe Resonator unabhängig von den Schwingbedingungen des Lasers ausgebildet werden. Die Krümmung des Spiegels im externen Resonator kann wahlweise auf einen geeigneten Wert festgesetzt werden, um die Intensität des Streulichts zu erhöhen. Weiterhin kann im Resonator eine Linse für die Fokussierung des Laserstrahls angeordnet werden. Damit läßt sich die Intensitätsverteilung des Lichts im Resonator verändern, so daß eine wirkungsvollere Messung durchgeführt werden kann.

In dem Laser-Resonator mit externen Spiegeln, der einen Laser-Oszillator aufbaut, ist eine Nachweiszelle vorgesehen.

Die Nachweiszelle umfaßt Düsen für das Ansaugen und Abgeben von Luftproben, ein optisches System zum Kondensieren des an der Luftprobe gestreuten Lichts und ein Licht-Detektorelement für die fotoelektrische Umwandlung des kondensierten Streulichts.

Der Resonator ist so ausgebildet, daß in seinem Inneren der Querschnittsbereich eines Laserstrahls minimal wird. Die Nachweiszelle ist so angeordnet, daß der Strom der Luftprobe und der Laserstrahl einander an der Position kreuzen, an der der Druchmesser des Laserstrahls minimal wird.

Entsprechend Fig. 5 wird der minimale Durchmesser (2Wo) des Strahls im Laser-Resonator mit der Länge d des optischen Resonators, den Krümmungsradien R 1, R 2 der Spiegel an beiden Enden und der Schwingungswellenlänge λ des Lasers nach folgender Formel bestimmt (aus H. Kogelnik, T. Li: Applied Optics 5, 1550, 1966):

Wenn mit t 1 und t 2 der jeweilige Abstand zwischen der Position des minimalen Strahlendurchmessers und den Spiegeln R 1 bzw. R 2 an beiden Enden bezeichnet wird, ergeben sich folgende Gleichungen:

t 1+t 2 = d (3)

Für die Anordnung der Spiegel lassen sich folgende Laser- Schwingbedingungen aufstellen:

(1)d<R 1<R 2 und (2)d<R 1<R 2 und R 1+R 2<d.

Bei allen diesen Kombinationen liegt eine Positon, bei der der Strahldurchmesser minimal wird, in einem Bereich, der sich bezüglich der Resonatormitte auf Seite des Spiegels R 2 befindet. Die Nachweiszelle ist an dieser Position plaziert, und der Probe-Luftstrom sowie der Laserstrahl werden so abgegeben, daß sie einander an dieser Position kreuzen. Zum Nachweis kleiner Teilchen wird an dieser Position die Intensität des Streulichts gemessen. Wenn die Querschnittsfläche des Laserstrahls im Resonator entsprechend einer im allgemeinen erhaltenen TEMoo-Mode (Gauss'sche Verteilung) festgesetzt wird, ist der Durchmesser des Laserstrahls an einem Punkt definiert, an dem die Intensität des Laserstrahls auf e ^-2 der Intensität in der Mitte abgenommen hat. Der Durchmesser des Strahls einer Luftprobe wird durch den Durchmesser der Düsen bestimmt, die in der Nachweiszelle vorgesehen sind.

Wenn der Durchmesser und die Dichte der Teilchen gering sind, ist das Streulicht-Signal im Randbereich eines Gauss'schen Strahls sehr schwach, wodurch ein Nachweisfehler hervorgerufen werden kann. Aus diesem Grund ist es notwendig, den Durchmesser des Laserstrahls größer zu wählen als den des Strahls der Luftprobe. Im Idealfall wird der Durchmesser des Strahls der Luftprobe nicht größer als ein Wert eingestellt, der durch eine volle Breite des halben Maximalwertes der Laserstrahl-Intensität bestimmt ist (in diesem Fall beträgt das Verhältnis des Durchmessers des Laserstrahls zu dem des Luftstrahls nicht mehr als 1,7). Wenn der Durchmesser des Luftstrahls jedoch nicht größer als der des Laserstrahls ist, treten auch unter extremen Meßbedingungen in der Praxis keine Probleme auf.

Da das Nachweissystem entsprechend obiger Beschreibung aufgebaut ist, kann die Intensität des Laserstrahls im Laser- Resonator optimal genutzt, und der Streulicht-Bereich minimiert werden. Dementsprechend läßt sich das Signal-Rausch- Verhältnis verbessern, und der Nachweis kleiner Teilchen mit hoher Empfindlichkeit ausführen. Da der Durchmesser des Probe-Luftstrahls bezüglich dem des Laserstrahls auf einen optimalen Wert festgelegt ist, kann der Nachweis der Teilchen mit hoher Genauigkeit erfolgen. Da daneben die Intensität des Laserstrahls auf der Resonatoraberfläche abnimmt, kann die Beinträchtigung der Spiegeloberfläche verhindert und der Einfluß aufgrund ihrer Verschmutzung minimiert werden. Damit läßt sich ein sehr zuverlässiges System zum Nachweis kleiner Teilchen aufbauen.

Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dabei zeigt Fig. 2(a) eine Seitenansicht und Fig. 2(b) eine Draufsicht. Die Ausgabe 26 eines Laser-Oszillators 1′ wird in einen optischen Fabry-P´rot-Resonator eingeführt, der aus den einander gegenüberstehenden Spiegeln 22, 22′ aufgebaut ist. Der Spiegel 22 ist teilweise durchlässig, so daß der ausgegebene Laserstahl 26 durchtritt und das Licht vom Spiegel 22′ reflektiert wird. Der in den Resonator eintretende Laserstrahl 28 wird an den Spiegeln 22, 22′ wiederholt reflektiert. Dabei ist die Lichtintensität in dem mit dem Laserstrahl in Resonanz stehenden optischen Resonator im wesentlichen gleich der im Laser- Oszillator, wenn die optischen Verluste an den Spiegeln vernachlässigt werden. Im optischen Resonator ist eine Nachweiszelle 23 vorgesehen, in die von einer Einlaßdüse 24 eine Aerosol-Probe 27 so eingeführt wird, daß sie den Laserstrahl kreuzt. Die Aerosol-Probe 27 wird mit einer Auslaßdüse 25 aus der Nachweiszelle abgezogen. Während dieser Zeit streuen die im Aerosol enthaltenen kleinen Teilchen das Laserlicht. Das gestreute Licht wird von einem aus Kondensorlinsen bestehenden optischen System 9 kondensiert und anschließend mit einem optischen Detektor 10 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Ein Spalt 11 ist so vorgesehen, daß unerwünschtes Streulicht eliminiert wird, wodurch sich eine Verbesserung des S/N-Verhältnisses ergibt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 3 gezeigt. Nach diesem Ausführungsbeispiel ist ein optischer Resonator aus einem im Ausgangsbereich eines Laser-Oszillators 1′′ vorgesehenen Spiegel 12 und einem weiteren Spiegel 22′ aufgebaut. In diesem Resonator ist eine Nachweiszelle angeordnet. Dieser Aufbau ermöglicht eine Vereinfachung des Nachweissystems. Auf eine detaillierte Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels wird hier verzichtet, da es im wesentlichen mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 übereinstimmt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Der von einer Laser-Quelle ausgegebene Lichtstrahl 26 wird von einer Linse 13 so fokussiert, daß ein Aerosol-Strom 27 den Lichtstrahl 14 im optimalen Durchmesserbereich kreuzt. Der verwendete optische Resonator besteht aus einem Spiegel 12 im Oszillator 1′′ und einem weiteren Spiegel 22. Mit einer derart aufgebauten Zelle läßt sich die Nachweisgenauigkeit steigern. Die Linsen können auch mit dem optischen Resonator des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 kombiniert werden.

Nach diesem Ausführungsbeispiel wird die Nachweisempfindlichkeit erhöht, die genau so hoch wie die des Systems ist, in dem eine Nachweiszelle in einem Laser-Resonator angeordnet ist, und es besteht eine größere Freiheit für die Anordnung der Nachweiszelle. Darüberhinaus kann der Durchmesser des Laserstrahls eingestellt werden, ohne die Schwingbedingungen für den Laser-Oszillator zu verändern. Dementsprechend wird die Laser-Ausgabe stabil, und es läßt sich ein Nachweissystem mit einem hohen praktischen Nutzwert erzielen.

Entsprechend der Ergebnisse der Gleichungen (1) bis (3) kann der Resonator verschiedenartig modifiziert werden. Neben einem He-Cd-Laser können beispielsweise auch Ne-, Ar- und Kr-Gas-Laser oder verschiedene Festkörper-Laser und Farbstoff-Laser Anwendung finden.

In den obigen Ausführungsbeispielen wurde der Nachweis kleiner Teilchen in einem Gas beschrieben. Daneben kann die vorliegende Erfindung ebenso auf den Nachweis kleiner Teilchen in einer Flüssigkeit angewandt werden.

Nach dem unter Bezugnahme auf Fig. 4, 5 beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Intensität eines Laserstrahls im Laser-Resonator auf den höchstmöglichen Wert erhöht werden, so daß der Laserstrahl ausgenutzt werden kann. Ebenso können die Abmessungen des Streulicht-Bereichs auf einen gewünschten minimalen Wert begrenzt und das Signal-Rausch-Verhältnis gesteigert werden. Dadurch wird mit dem beschriebenen System der Nachweis kleiner Teilchen mit hoher Empfindlichkeit möglich.

Da die Durchmesser des Laserstrahls und des Probe-Luftstrahls auf optimale Werte eingestellt sind, können die kleinen Teilchen mit hoher Genauigkeit nachgewiesen werden. Das ermöglicht die Herstellung eines Nachweissystems, das für eine sehr genaue Erfassung kleiner Teilchen mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 0,1 µm und einer geringen Dichte ausgelegt ist. Darüberhinaus läßt sich die Beschädigung der Laser-Spiegel und der Einfluß ihrer Verschmutzung verhindern, so daß das Nachweissystem eine sehr hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Claims

1. Anordnung zum Nachweis kleiner Teilchen mit einem Laser-Oszillator (1′, 1′′), einer Nachweiszelle (23), durch die ein Probe-Sol- Strom oder (27) geführt wird, und mit einem optischen Detektor-Element (9, 10), das das an dem Probe-Strom (27) gestreute Licht in ein elektrisches Signal verwandelt, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein externer optischer Resonator (12, 22; 22′) vorgesehen ist, der mit dem Ausgangs-Laserstrahl (26) des Laser-Oszillators in Resonanz steht, und daß
b) die Nachweiszelle in dem externen Resonator angeordnet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der den externen optischen Resonator aufbauenden Spiegel (12) gleichzeitig als ein Spiegel zum Aufbau des Laser-Oszillators (1′′) dient.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem externen optischen Resonator (12, 22) eine Linse (13) für die Veränderung des Durchmessers des Laserstrahls (14) vorgesehen ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Probe-Sol-Stroms oder des Probe-Aerosol- Stroms (27) nicht größer als der minimale Durchmesser des Laserstrahls ist.