WO1998039567A1 - Verfahren und vorrichtung zum bewegen von partikeln sowie verwendung eines derartigen verfahrens bzw. einer derartigen vorrichtung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bewegen von partikeln sowie verwendung eines derartigen verfahrens bzw. einer derartigen vorrichtung Download PDF

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Dietmar Neuhaus
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05H3/00—Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/04—Acceleration by electromagnetic wave pressure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/10—Investigating individual particles
    • G01N15/14—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry
    • G01N15/149—Optical investigation techniques, e.g. flow cytometry specially adapted for sorting particles, e.g. by their size or optical properties

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for moving particles, in particular under reduced gravity and / or in an environment with only low gas pressure, and the use of such a method or such a device.
  • the invention has for its object to provide a method and an apparatus for moving particles which allow the particles to be moved in a targeted manner.
  • the invention proposes a method for moving a particle, in particular under reduced gravity and / or in an environment with only low gas pressure, in which adsorbate atoms and / or molecules are formed on the surface of the particle and by targeted Desorb the introduction of energy within a limited area of the surface of the particle to adsorbate atoms and / or molecules located there, the desorption resulting in an overall impulse for the movement of the particle which acts on the particle.
  • Such a method can be implemented in particular with the aid of a device which, according to the invention, is provided with a chamber for receiving the particle, it being possible for a gas to be introduced into the chamber which forms adsorbate atoms and / or molecules on the surface of the particle, and an energy generating device for generating a particle beam that can be directed onto a locally limited area of the surface of the particle, the particles of which are sufficient to desorb at least some of the adsorbate atoms and / or molecules located in this area of the particle surface Have energy, whereby a total impulse for the movement of the particle is created which acts on the particle.
  • the basic idea of the invention is to carry out the handling of particles by pulse transmission according to the recoil principle.
  • the momentum transfer to the particle takes place through induced desorption of atoms or molecules adsorbed on the particle surface.
  • the desorption of this adsorbate is triggered according to the invention by the targeted introduction of energy onto the particle surface. So that the desorption of the adsorbate leads to a movement of the particle, the total impulse acting on the particle must lead to a movement of the particle in the desired direction.
  • this can be achieved in that the desorption of the adsorbate is triggered only in a partial area of the particle surface. This part of the surface faces away from the desired direction of movement of the particle. By appropriate alignment of the energy striking the surface of the particle, the particle can thus move in a desired direction be awarded. In this way, individual particles can be targeted.
  • Losses of adsorbate atoms or molecules caused by the induced desorption can be compensated for by adsorption from a gas phase surrounding the particle. Induced desorption and thus impulse transmissions can thus be carried out several times in succession (isotropic adsorption and anisotropic desorption).
  • the (desorption) energy for inducing the desorption of adsorbate atoms and / or molecules is introduced by the impact of particles on the surface of the particle.
  • the particles have sufficient energy for the desorption of the adsorbate.
  • the energy is applied by a photon, electron or laser beam.
  • the desorption properties and thus the momentum transfer to the particle depend on the properties of the adsorbate-particle system and the energy that triggers the induced desorption. This can be used to sort and select different particles. By suitable choice of the adsorbates and / or the energies that trigger the desorption, particles can be moved differently according to their mass, their size and / or their surface properties and thus in principle also selected become.
  • particles can be specifically positioned, for example, to assemble them together. Furthermore, particles can be removed from a specified area in a targeted manner. Finally, different particles can be sorted out and selected.
  • the invention is preferably suitable for handling particles under reduced gravity and / or in an environment with only low gas pressure (for example 10 '6 mbar).
  • All of the aforementioned uses of the invention are based on the fact that adsorbate is deliberately detached from the surface of a particle, specifically by means of a desorption induced by the introduction of energy.
  • the desorption of adsorbate from a surface by introducing energy onto the surface is known per se. In the invention, however, the desorption is triggered specifically in a locally limited area of the surface, so that there is a total or net impulse that is not equal to 0 and gives the particle an acceleration and movement in a desired direction.
  • the particles are moved in a targeted manner by pulse transmission, this means the total pulse which is composed of the individual pulses which arise during the desorbing of the adsorbate.
  • the particles are also given an impulse when the energy-charged particles strike to introduce energy.
  • the size of this pulse should, however, be vanishing in comparison to the total pulse resulting from the detachment of the adsorbate, so that, according to the invention, the movement of the particles takes place almost exclusively through the targeted, locally limited, induced desorption.
  • Fig. 1 is a graphical representation of the principle underlying the invention of pulse transmission on a particle through targeted induced desorption of adsorbate on the surface of the particle and
  • Fig. 2 schematically shows a sorting device for sorting a stream of particles of two different types.
  • FIG. 1 shows a particle 10 which is located in a gas atmosphere of low pressure within a chamber 11.
  • the gas molecules 12 adsorb on the surface 14 of the particle 10 and form adsorbate atoms or molecules 16 (hereinafter referred to as adsorbate).
  • Energy is introduced into a locally limited region 18 of the particle surface 14 by means of a photon or particle beam 17. Because of the energy input, the adsorbate 16 detaches in this particle surface area 18; the desorbed adsorbate atoms or molecules are designated by 20 in FIG. 1.
  • the detachment of the adsorbate 16 from the area 18 of the particle surface 14 results in a large number of pulses acting on the particle 10 as a result of the recoil, which lead to an overall pulse.
  • the particle 10 moves in the direction of the arrow 22.
  • energy (specifically, that is) in that area 18 of the particle surface 14 which faces away from the direction of movement 22 through the photon or particle beam 17) emitted by the energy generating device 24, which leads to an induced desorption of the surface adsorbate 16.
  • the principle explained with reference to FIG. 1 can be used, for example, to subdivide a particle stream consisting of two different types of particles into two partial streams of particles of the same type. divide.
  • the sorting device 30 used for this and shown schematically in FIG. 2 has a housing 32 in which a chamber 34 is located. An inlet channel 35 leads into the chamber 34. Two outlet channels 36, 38 also extend from the chamber 34.
  • the particle stream 40 to be sorted enters the chamber 34 via the inlet channel 35.
  • the particle stream 40 has two different types 42, 44 of particles. All of the particles 42, 44 pass through a photon or particle beam 46, the particles of which strike the areas of the particle surfaces facing the photon or particle beam generating device 48.
  • the beam 46 strikes the particles 42, 44 at an angle not equal to zero degrees (in the case shown approximately 90 °) to the direction of flow of the particle stream 40.
  • the subdivision of the particle stream 40 into the two sub-streams 50, 52, which only have particles 42 and 44, takes place, for example, in that the energy of the particles of the jet 46 is sufficient to adsorbate which is on the surface of the particles 42 is to desorb specifically. In contrast, the energy of the particles of the beam 46 is too low to detach the surface adsorbate of the particles 44. As a consequence, only the particles 42 experience a deflection, since only with these particles 42 adsorbate is desorbed and thus particles 42 are deflected. The particles 42 flow out via the first outlet channel 36, while the particles 44 flow out via the second outlet channel 38. This has resulted in a division of the particle stream 40 into the two partial streams 50, 52.

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Abstract

Bei dem Verfahren zum Bewegen eines Partikels wird dieser einer Gasatmosphäre ausgesetzt, in Folge derer es zur Bildung von Adsorbat (16) auf der Partikeloberfläche (14) kommt. Durch gezielte Einbringung von Energie, insbesondere in Form eines Teilchenstrahls (17) innerhalb eines begrenzten Bereichs (18) der Partikeloberfläche (14) desorbiert das sich in diesem Bereich (18) befindende Adsorbat (16). Hierdurch entstehen auf das Partikel (10) wirkende Einzelimpulse nach dem Rückstossprinzip, die zu einem Gesamt- bzw. Nettoimpuls führen, infolgedessen sich das Partikel (10) bewegt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bewegen von. Partikeln sowie Verwendung eines derartigen Verfahrens bzw. einer derartigen Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bewegen 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, insbesondere gezielt bewegen zu können. Mechanische Verfahren scheitern zum einen wegen der lediglich geringen Größe der Partikel und zum anderen auch deshalb, weil die Verweildauer der Partikel in einem Beobachtungsvolumen nur gering ist .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bewegen von Partikeln zu schaffen, die es erlauben, die Partikel gezielt bewegen zu können.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zum Bewegen 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 Zur- hilfenahme 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 Oberfläche des Partikels adsorbiert, und einer Energie-Erzeugungsvorrichtung zur Erzeugung eines auf einen lokal begrenzten Bereich der Ober- fläche des Partikels richtbaren Teilchenstrahls, dessen Teilchen eine zur Desorption mindestens einiger der sich in diesem Bereich der Partikeloberfläche befindenden Adsorbat -Atome und/oder -Moleküle ausreichende Energie aufweisen, wobei ein auf das Parti- kel wirkender Gesamtimpuls zur Bewegung des Partikels entsteht .
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die Handhabung 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 De- sorption 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 Impulsübertragungen können somit mehrfach hintereinander ausgeführt werden (isotrope Adsorption und anisotrope Desorption) .
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, 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 Laserstrahl aufgebracht .
Die Desorptionseigenschaften und damit die Impulsübertragung auf das Partikel sind abhängig von den Eigenschaften des Adsorbat-Partikel -Systems und der die induzierte Desorption auslösenden Energie. Dies kann ausgenutzt werden, um unterschiedliche Partikel zu sortieren und zu selektie- ren. Durch geeignete Wahl der Adsorbate und/oder der die Desorption auslösenden Energien können also Partikel nach ihrer Masse, ihrer Größe und/oder ihrer Oberflächeneigenschaften unterschiedlich bewegt 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 unterschiedliche 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 Erfin- düng 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 Einbringen von Energie auf die Oberfläche ist an sich be- kannt . 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 ver- leiht.
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 Einzel - impulsen zusammensetzt. Selbstverständlich wird den Partikeln beim Auftreffen der energiegeladenen Teilchen zur Einbringung von Energie ebenfalls ein Impuls verliehen. Die Größe dieses Impulses soll aber im Vergleich zu dem sich aus dem Ablösen des Adsorbats ergebenden Gesamtimpuls verschwindend sein, so daß erfindungsgemäß die Bewegung 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 Gasatmos- phäre geringen Drucks innerhalb einer Kammer 11 befindet. Die Gasmoleküle 12 adsorbieren auf der Oberfläche 14 des Partikels 10 und bilden dort Adsorbat-Atome bzw. -Moleküle 16 (nachfolgend Adsorbat genannt) . Mittels eines Photonenoder Teilchen-Strahls 17 wird Energie in einen lokal be- grenzten Bereich 18 der Partikeloberfläche 14 eingebracht. Aufgrund des Energieeintrags löst sich das Adsorbat 16 in diesem Partikeloberflächenbereich 18 ab; die desorbierten Adsorbat-Atome bzw. -Moleküle sind in Fig. 1 mit 20 bezeichnet. Durch das Ablösen des Adsorbats 16 aus dem Be- reich 18 der Partikeloberfläche 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) einge- bracht, die zu einer induzierten Desorption des Ober- flächenadsorbats 16 führt.
Das anhand von Fig. 1 erläuterte Prinzip kann beispielsweise eingesetzt werden, um einen aus zwei unterschied- liehen 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 Kam- mer 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 unterschiedliche Arten 42,44 von Partikeln auf. Sämtliche Partikel 42,44 durchlaufen einen Photonen- oder Teilchen- strahl 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 Teil- ströme 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 Oberflächenad- sorbat 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 Partikel - Stroms 40 in die beiden Teilströme 50,52 gekommen.

Claims

A N S P R U C H E
1. Verfahren zum Bewegen eines Partikels, insbesondere 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 gekennzeichnet , daß die Energie durch einen Photonen-, Elektronen- oder Laserstrahl (17) aufgebracht wird.
4. Vorrichtung zum Bewegen eines Partikels, insbesondere 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 Teilchenstrahls (17,46), dessen Teilchen eine zur Desorption mindestens einiger der sich in diesem Bereich (18) der Partikeloberfläche (14) befindenden Adsorbat-Atome und/oder -Moleküle (16) ausreichende 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 Laserstrahl (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 Energieeinbringung 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 Oberflächeneigenschaften unterschiedlichen Partikeln (10;42;44), wobei die Partikel (10,-42,-44) in einem Partikelstrom (40) strömen und die Energieeinbringung in einer zur Richtung des Partikelstrahls (40) winklig verlaufenden Richtung erfolgt .
PCT/EP1998/000948 1997-03-04 1998-02-19 Verfahren und vorrichtung zum bewegen von partikeln sowie verwendung eines derartigen verfahrens bzw. einer derartigen vorrichtung WO1998039567A1 (de)

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