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Die
Erfindung betrifft einen Plasmagenerator für die spektroskopische Gasanalytik
mit einer miniaturisierten Hohlkathode, welche ein scheibenförmiges Trägersubstrat
aufweist, in welchem ein einen Mikroplasmaraum bildendes zentrales
Loch vorgesehen ist, durch welches das zu analysierende Gas hindurchtritt,
wobei angrenzend an den Lochrand an den beiden axialen Außenseiten
des Trägersubstrates scheibenförmige Elektroden
angeordnet sind, und wobei optische Mittel zur Führung und Auskopplung des vom
Plasma emittierten Lichtes vorgesehen sind.
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Plasmaentladungen,
die mit optischer Spektrometrie oder Massenspektrometrie gekoppelt
sind, sind wichtige analytische Werkzeuge, um molekulare Fragmente
oder Elemente zu detektieren. Sie können als Gleichstromentladungen,
Mikrowellenentladungen, dielektrisch behinderte Entladungen oder Hohlkathoden-Entladungen
realisiert werden. Gegenwärtig
gibt es Bestrebungen, entsprechende Vorrichtungen zu miniaturisieren.
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Mikro-Hohlkathoden-Entladungen
können
in einfacher Weise realisiert werden, indem in ein dünnes (typischerweise
250 μm Dicke)
scheibenförmiges
Isolatorsubstrat, welches beidseitig mit metallischen Elektroden
(z. B. Cu, Ni, Pt oder Mo) beschichtet ist, ein kleines Loch mit
einem Durchmesser von 100 bis 300 μm eingebracht wird. In diesem
Loch lässt
sich mit wenigen 100 V Spannung bei Atmosphärendruck ein Mikroplasma aufrechterhalten,
mit dem dann ein durch das Loch geführter Gasstrom spektrometrisch
in seiner chemischen Zusammensetzung analysiert werden kann. Das
Plasma kann in Luft, Edelgasen oder in Gasmischungen auch bei niedrigen
Drücken
von bis zu 50 mbar betrieben werden. Der Hauptvorteil bei der Verwendung
einer Hohlkathodengeometrie ist die lokale Erhöhung des elektrischen Feldes.
Dadurch werden die freien Elektroden in einem Avalanche-Prozess
verstärkt
und steigern damit die Anregungs- und die Ionisierungseffizienz
verglichen mit einer konventionellen Glimmentladung mit planaren
Elektroden. Zur Verbesserung der Lebensdauer der eingesetzten Strukturen wurden
verschiedene Designs und unterschiedliche Materialien diskutiert
und erprobt. Die besten Resultate ergaben sich mit W- oder Pt-beschichteten
Keramiken.
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Zur
optischen Analyse muss das vom Plasma emittierte Licht einem Spektrometer
zugeführt werden.
Unter dem Gesichtspunkt der Handhabung ist es vorteilhaft, wenn
dies über
einen flexiblen Lichtwellenleiter geschieht, weil dann das Spektrometer und
die Apparaturen zur Plasmaerzeugung völlig frei zueinander positioniert
werden können. Üblicherweise
kommen bei Lichtwellenleiter basierten Zuführungen multimodige Standard-Stufenindex-Glasfasern mit
Standardfaserstrecken zum Einsatz. Auf der Plasmaseite wird üblicherweise
mit Hilfe einer sorgfältig
zu justierenden Linsenoptik ein Teil des von einer der Stirnflächen des
aus dem zylindrischen Mikroplasmaraum ausgehenden Lichtes in den
Kernbereich des Lichtwellenleiters eingekoppelt. Meist findet dabei
eine optische Abbildung der Stirnfläche des Plasmas auf die Stirnfläche des
Lichtwellenleiters statt.
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Die
Lichteinkopplung in einen Lichtwellenleiter ist prinzipiell stark
verlustbehaftet. Das liegt zum einen an dessen begrenzter nummerischer
Apertur (N. A.), was gleichbedeutend ist mit einem relativ schwach
geöffneten
Akzeptanzkegel für
einfallende Strahlen. Zum anderen hängen die Verluste mit der relativ
kleinen Querschnittsfläche
des Kernbereiches kommerziell gebräuchlicher Lichtwellenleiter
(Standarddurchmesser 50 μm
oder 62,5 μm)
zusammen, welche typischwerweise kleiner ist als das von einer Abbildungsoptik
generierte Bild der Stirnfläche
des Plasmazylinders auf der Stirnfläche des Lichtwellenleiters.
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Generell
gilt, dass mit technisch-optischen Systemen die Strahldichte einer
Lichtquelle nicht erhöht
werden kann. Angewandt auf die klassische Lichtwelleneinkopplung
bedeutet dies, dass prinzipiell maximal ein Oberflächenelement
des leuchtenden Plasmazylinders von der Größe der Stirnfläche des Lichtwellenleiterkerns
und davon auch nur der Kegelbereich innerhalb der gesamten Abstrahlkeule
genutzt werden kann. Dies führt
zu Verlusten von um die 99%.
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Für die weitere
Verwendung der vom Lichtwellenleiter übertragenen Strahlung in ein
Spektrometer ist eine zirkulare Querschnittsfläche des Lichtwellenleiterkerns
und damit eine zirkulare virtuelle Lichtquelle am Eingang des Spektrometers
nicht ideal, weil sie mit dessen typischerweise spaltförmiger Geometrie
nicht zusammenpasst. Spaltblenden werden bei Spektrometern bekanntlich
deshalb gewählt, um
gleichzeitig hohe Wellenlängenauflösung (erfordert
möglichst
enge Öffnungen
in der Orientierung, in der der dispersive Effekt erzielt werden
soll) und hohe Empfindlichkeit (erfordert möglichst große Öffnung, die orthogonal zur
Dispersionsrichtung zulässig
ist) zu erzielen. Potentiell problematisch ist bei der Lichtwelleneinkopplung
auch der Umstand, dass das Linsensystem zur optimalen Erfassung
des Nutzlichtes koaxial mit dem Teilchenstrom des zu analysierenden
Gases durch das Loch angeordnet sein muss, so dass sich der Gasstrom
und die Optik gegenseitig störend
beeinflussen können.
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Aus
DE 198 21 244 A1 ist
ein Plasmagenerator für
die elektroskopische Gasanalytik bekannt, bei welchem die optischen
Mittel zur Führung
und Auskopplung des vom Plasma emittierten Lichtes nicht in Längsrichtung
des zylinderförmigen
Mikroplasmaraumes, sondern quer dazu angeordnet sind. Dazu ist ein
Plasmagenerator mit einem recht komplizierten Aufbau vorgesehen.
Dieser Plasmagenerator weist zunächst
ein Substrat mit einer Gaszuführung auf.
Die geometrische Form dieses Substrates ist nicht offenbart. Oberseitig
ist auf dem Substrat unter Zwischenschaltung einer Isolationsschicht
eine eine erste Elektrode bildende Metallschicht angeordnet, welche
abgesehen von der von der Gaszuführung gebildeten Öffnung unterseitig
den Mikroplasmaraum begrenzt. Oberhalb der Elektrode ist ein Dielelektrikum
angeordnet, welches oberseitig eine Gegenelektrode trägt und diese
von der Elektrode elektrisch isoliert. In dieses Dielektrikum ist
wenigstens eine Kombination von optisch transparenten Dielektrika integriert,
die einen Lichtwellenleiter bilden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen vorbeschriebenen Plasmagenerator so
weiter zu entwickeln, dass eine wesentlich bessere und effektivere optische
Analyse der Plasmaemission ermöglicht und
der konstruktive Aufbau vereinfacht wird.
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Diese
Aufgabe wird bei einem Plasmagenerator der eingangs bezeichneten
Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das aus einem lichtdurchlässigen
Material bestehende Trägersubstrat
eine kreisförmige,
parabolische oder elliptische Form aufweist und das den Mikroplasmaraum
bildende Loch in dem wenigstens einen Brennpunkt des Trägersubstrates
angeordnet ist, wobei die optischen Mittel zur Auskopplung des vom
Plasma emittierten Lichtes bei kreisförmiger oder parabolischer Form
des Trägersubstrates
außenseitig
im Bereich der äußeren Mantelfläche des
scheibenförmigen
Trägersubstrates
und bei elliptischer Form des Trägersubstrates
im anderen Brennpunkt angeordnet sind.
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In
Abkehr von bisher bekannten Plasmageneratoren dieser Art wird somit
nicht das axial aus dem Mikroplasmaraum austre tende Licht mit den vorbeschriebenen
Nachteilen analysiert, sondern im Gegensatz dazu wird das von der
Mantelfläche
des zylindrischen Mikroplasmaraumes durch das Trägersubstrat radial nach außen hindurchtretende
Licht benutzt. Dies hat zum einen den Vorteil, dass die Richtung
des Gasstromes und die Ausbreitungsrichtung des Nutzlichtes zueinander
orthogonal sind, was eine gegenseitige Störung ausschließt. Zum
anderen ist die Mantelfläche
des zylindrischen Mikroplasmaraumes (des zentralen Loches) wesentlich größer als
dessen Stirnfläche,
so dass der potentiell nutzbare Anteil der emittierten Gesamtstrahlungsleistung
entsprechend ebenfalls größer ist.
Durch diese Ausbildung wird auch die Handhabung vereinfacht, da
die optischen Mittel nicht im Gasdurchgang, sondern außerhalb
desselben angeordnet sind, was sich konstruktiv wesentlich einfacher
realisieren lässt.
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In
besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die axialen
Stirnseiten des kreisförmigen
Trägersubstrates
mit einer die optischen Mittel zur Führung des vom Plasma emittierten
Lichtes bildenden Verspiegelung versehen sind. Das aus dem Plasma
ins Substrat eingekoppelte Licht bleibt somit dort gefangen (zickzackartige
Ausbreitung) und kann erst über
den radialen Außenrand,
d. h. die Mantelfläche,
des Substrates wieder entweichen.
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Die
optischen Mittel zur Auskopplung des vom Plasma emittierten Lichtes
weisen bevorzugt wenigstens eine optische Faser auf, die mit ihrem
Faserende im Bereich der äußeren Mantelfläche des Trägersubstrates
angeordnet ist. Bevorzugt sind entlang der äußeren Mantelfläche des
kreisförmigen Trägersubstrates
verteilt eine Vielzahl von optischen Fasern angeordnet, um möglichst
das gesamte, aus dem Plasma ins Trägersubstrat eingekoppelte Licht "einfangen" zu können und über die
optischen Fasern einem Spektrometer zuzuführen.
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Dabei
ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die optischen Fasern Bestandteil
eines kohärenten
Faserbündels
sind. Auf diese Weise lässt
sich das Problem der geringen Lichtwellenleitereinkoppeleffizienz
eines einzelnen Lichtwellenleiters in den Griff bekommen. Die mechanische
Flexibilität
des Übertragungssytems
bleibt dabei erhalten, aber die kumulative Querschnittsfläche steigt
linear mit der Anzahl der Fasern und damit auch die maximal mögliche energetische
Systemeffizienz.
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An
den Enden des kohärenten
Bündels
können
die einzelnen Fasern zudem in einer beliebigen Geometrie zueinander
angeordnet und fixiert werden, was ein geometrisches Form-Matching
ermöglicht.
Bei Verwendung eines Standardspektrometers mit dünnem Eingangsspalt ist ganz
besonders bevorzugt vorgesehen, dass das kohärente Faserbündel am
dem Trägersubstrat
abgewandten Ende eine lineare Anordnung der einzelnen Bündel aufweist.
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In
ganz besonders bevorzugter weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen,
dass die äußere Mantelfläche des
kreisförmigen
Trägersubstrates
linsenförmig
ausgebildete Erhebungen aufweist. Auf diese Weise ist es möglich, einen
Mikrohohlkathodenplasmagenerator mit integrierter Kollektoroptik
zu schaffen, die Manteloberfläche
des lichtdurchlässigen
Trägersubstrates
ist dazu geeignet linsenförmig
gestaltet, wobei die optischen Fasern dann jeweils auf eine Linse
ausgerichtet sind. Damit ist es möglich, besonders viel des von
dem Plasma emittierten Lichtes in die verschiedenen Fasern des kohärenten Bündels einzukoppeln,
zusätzliche
optische Elemente entfallen, dies erleichtert die Handhabung erheblich.
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Alternativ
zur vorbeschriebenen Ausführungsform
mit linsenförmigen
Erhebungen kann auch vorgesehen sein, dass angrenzend an die äußere Mantelfläche des
Trägersubstrates
in das Trägersubstrat
GRIN(Gradient-Index)-Linsenbereiche integriert sind. Somit kann
der gewünschte
Konzentrationseffekt auch durch einen den Verhältnissen bei einer GRIN-Linse
nachempfundenen Brechungsindexgradienten im Randbereich des scheibenförmigen Trägersubstrates
erzielt werden. Geeignete Variationen des Brechungsindex können z.
B. durch kontrollierte lokale Ionenaustauschprozesse im Substratmaterial realisiert
werden.
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In
einer bevorzugten alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass
bei parabolischer Form des scheibenförmgen Trägersubstrates die parabolisch
geformte Mantelfläche
mit einer Verspiegelung versehen ist.
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Bei
dieser linear-koplanaren Variante sind die optischen Fasern dann
in einem linearen Feld parallel zu den Oberflächen des Trägersubstrates orientiert, was
den Systemaufbau vereinfacht. Die parabolische Form für das Trägersubstrat
ist dabei vorteilhaft, um den größten Teil
des emittierten Lichtes zunächst
koaxial zu den Fasern zu kollimieren. Dabei sind entsprechend der
Lenkung der Lichtstrahlen durch die verspiegelte parabolische Form
die optischen Fasern im Bereich der Austrittsfläche der Parabolverspiegelung
parallel zueinander angeordnet.
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Auch
bei dieser Ausgestaltung ist bevorzugt vorgesehen, dass die Austrittsfläche des
parabolisch geformten Trägersubstrates
linsenförmige
Erhebungen aufweist. Diese Mikrolinsen an der faserseitigen Grenzfläche des
Trägersubstrates
focussieren das Licht dann auf die Kernregionen der optischen Fasern.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass
bei elliptischer Form des scheibenförmigen Trägersubstrates die äußere Mantelfläche des
Träger substrates
mit einer Verspiegelung versehen ist.
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Bei
dieser orthogonalen Variante erfolgt die Lichteinkopplung in die
bevorzugt wiederum als Faserbündel
ausgebildeten optischen Mittel senkrecht zu den Oberflächen des
transparenten Substrates. Dazu empfiehlt sich in der Draufsicht
gesehen, eine geometrische Form mit zwei konjugierten Fokalregionen,
bevorzugt eine Ellipse mit zwei Brennpunkten. Die elliptische Form
führt dabei
dazu, dass die vom Plasma emittierten Strahlen unabhängig von
ihrer Abstrahlrichtung immer so reflektiert werden, dass sie durch
die zweite Focusregion laufen, so dass dort eine hohe Strahlungsdichte
vorliegt.
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Um
die Strahlen noch effizienter in das senkrecht aufgesetzte Faserbündel einkoppeln
zu können,
werden sie aus ihrer zunächst
primär
tangentialen Orientierung orthogonal und damit koaxial zu den Fasern
abgelenkt, dies geschieht mit Hilfe von Strahldeflektoren, welche
in diffraktiver oder refraktiver Form in die Substratoberflächen integriert
sein können.
Alternativ kann die Ablenkung auch durch schräges Anschleifen der äußeren Substratkanten
erzielt werden.
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Die
Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
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1 einen
Querschnitt durch einen Plasmagenerator nach einer ersten Ausgestaltung,
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2 eine
Draufsicht auf den Plasmagenerator nach 1,
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2a eine
Draufsicht auf den Plasmagenerator nach 1 in einer
alternativen Ausführungsform,
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3 eine
bevorzugte Ausbildung eines optischen Faserbündels zur Einkopplung des vom
Plasma emittierten Lichtes zwecks Zuführung zu einem Spektrometer,
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4 eine
Funktionsskizze zur Wirkung des planparallelen Trägersubstrates
als planarer Wellenleiter,
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5 einen
Plasmagenerator nach einer zweiten Ausgestaltung in Draufsicht,
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6 den
Plasmagenerator nach 5 im Querschnitt,
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7 einen
Plasmagenerator nach einer dritten Ausgestaltung in Draufsicht und
in
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8 einen
Querschnitt durch den Plasmagenerator nach 7.
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Ein
Plasmagenerator, nämlich
ein miniaturisierter Hohlkathoden-Plasmagenerator ist in 1 allgemein
mit 1 bezeichnet. Dieser Plasmagenerator 1 weist
zunächst
ein scheibenförmiges
Trägersubstrat 2 auf,
welches aus einem elektrisch isolierenden, lichtdurchlässigen Material,
beispielsweise Glas, besteht. Dieses Trägersubstrat 2 hat
beispielsweise eine Dicke von 250 μm. Im Inneren des Trägersubstrates 2 ist
ein zentrales Loch 3 vorgesehen, welches typischerweise
einen Durchmesser zwischen 100 bis 300 μm aufweist. Angrenzend an den
Rand dieses Loches 3 sind an den beiden axialen Außenseiten des
Trägersubstrates 2 zwei
scheibenförmige
Elektroden 4, 5 angeordnet. Diese Elektroden bestehen
z. B. aus Cu, Ni, Pt oder Mo. Durch Anlegen von wenigen 100 V Spannung
an diese Elektroden 4, 5 bei atmosphärem Druck
bildet sich im vom Loch 3 gebildeten Mikroplasmaraum ein
Mikroplasma, mit dem ein durch das Loch 3 geführter Gasstrom
spektrometrisch in seiner Zusammensetzung analysiert werden kann.
Das Plasma kann in Luft, Edelgasen oder in Gasmischungen auch bei
niedrigeren Drücken
von bis zu 50 mbar betrieben werden.
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Wesentlich
ist nun, dass, anders als bei bekannten Hohlkathoden-Plasmageneratoren
dieser Art, das Licht nicht parallel zur Gasdurchströmungsrichtung
durch das Loch 3 in optische Mittel eingekoppelt wird,
sondern über
die Mantelfläche 6 des
Mikroplasmaraumes (Loch 3) zur äußeren Mantelfläche 7 des
Trägersubstrates 2.
Dazu ist das transparente Trägersubstrat 2 auf
den beiden axialen Außenseiten,
auf denen auch die Elektroden 4, 5 angeordnet sind,
mit einer Verspiegelung 8 versehen, so dass das aus dem
Plasma ins Trägersubstrat 2 eingekoppelte
Licht dort gefangen bleibt (zickzackartige Ausbreitung) und erst
am äußeren Rand
entweichen kann. Der Strahlengang ist angedeutet und (auch in den
nachfolgenden Figuren) mit S bezeichnet. Zur Einkopplung des emittierten
Lichtes sind im Bereich der Mantelfläche 7 des scheibenförmigen Trägersubstrates 2 optische
Mittel angeordnet, in 1 ist als Beispiel das Ende
einer optischen Faser 9 (Lichtwellenleiter) dargestellt.
Bevorzugt sind am Umfang des Trägersubstrates 2 verteilt
eine Mehrzahl von optischen Fasern 9 angeordnet, wie aus 2 hervorgeht.
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Ganz
besonders bevorzugt weist die Mantelfläche 7 des scheibenförmigen Trägersubstrates 2 linsenförmig ausgebildete
Erhebungen 10 auf. Durch diese Formgebung des Randbereiches
des transparenten Trägersubstrates 2 werden
somit Linsen direkt einstückig
in das Trägersubstrat 2 integriert,
zusätzliche
Linsen oder andere optische Einrichtungen sind nicht erforderlich.
Diese linsenförmigen
Erhebungen 10 bewirken eine Konzentration der von der Mantelfläche 6 des
Mikroplasmaraumes emittierten Strahlung auf die außerhalb
des Trägersubstrates 2 angeordneten
optischen Fasern 9. 2 zeigt
dabei eine spezielle Ausgestaltung, welche jeweils eine optische
Abbildung (mit Abbildungsmaßstab –1) zwischen
der Mantelfläche 6 des
Mikroplasmaraumes und den zugehörigen
Faserstirnflächen
der optischen Fasern 9 realisieren. Die N. A. der Abbildungssysteme
ist dabei der N. A. der Fasern 9 angepasst. Die optischen
Fasern 9 und die zugehörigen
Focussierungsoptiken (linsenförmigen
Erhebungen 10) können
in identischer Form rundherum um das Plasmaloch 3 bzw.
das Trägersubstrat 2 angeordnet
sein, was eine Abdeckung des gesamten 360°-Winkelbereiches ermöglicht.
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In 2a ist
eine alternative Ausführungsform
der Linsengestaltung dargestellt. Dabei sind dieselben Bezugszeichen
wie in 2 mit dem zusätzlichen
Index "'''" verwandt. Alternativ
zu den linsenförmigen
Erhebungen 10 in der Mantelfläche 7 gemäß 2 kann
der gewünschte
Konzentrationseffekt auch durch einen den Verhältnissen bei einer GRIN(Gradient-Index)-Linse
nachempfundenen Brechungsindex-Gradienten im Randbereich des scheibenförmigen Trägersubstrates 2''' angrenzend
an die Mantelfläche 7''' erzielt
werden. Dabei stellen die gekrümmten
Linien 10''' Ortkurven mit gleichem Brechungsindex
dar, dessen Gradient verläuft
somit jeweils orthogonal dazu. Geeignete Variationen des Brechungsindexes
können
z. B. durch kontrollierte lokale Ionenaustauschprozesse im Substratmaterial realisiert
werden. Über
diese Bereiche mit entsprechenden gekrümmten Linien 10''' erfolgt
somit, wie aus 2a zu erkennen, ebenfalls eine
Bündelung der
Lichtstrahlen auf die jeweils zugehörige Faser-Stirnfläche der
optischen Fasern 9'''.
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Wie
aus 3 hervorgeht, sind die optischen Fasern 9 be vorzugt
Bestandteil eines kohärenten
Faserbündels 11.
Damit lässt
sich das Problem der geringen Lichtwellenleitereinkoppeleffizienz in
den Griff bekommen, wobei die mechanische Flexibilität des Übertragungssystemes
zu einem nicht dargestellten Spektrometer erhalten bleibt. Die kumulative
Kernquerschnittsfläche
steigt dabei linear mit der Anzahl der optischen Faser 9 und
damit auch die maximal mögliche
energetische Systemeffizienz.
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An
den im Sinne der 3 links dargestellten Enden
des Faserbündels 11 können die
einzelnen Fasern 9 zudem in einer beliebigen Geometrie zueinander
angeordnet und fixiert werden, was ein geometrisches Formmatching
ermöglicht.
Sie können
also beispielsweise in der in 2 dargestellten Weise
am Umfang des Trägersubstrates 2 verteilt
angeordnet werden. Bei Verwendung eines Standardspektrometers mit
dünnem
Eingangsspalt ist das andere Ende des kohärenten Faserbündels 11 (rechts in 3)
als lineares Feld (Array) angeordnet.
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Zur
einfachen Herstellung des Plasmagenerators nach 1 ist
das Trägersubstrat 2 randseitig in
einem oberen Montagesubstrat 12 und einem unteren Montagesubstrat 13 aufgenommen.
An diesen Montagesubstraten 12, 13 ist auch eine
Fixierung der optischen Fasern 9 vorgesehen. Die beiden
Montagesubstrate sind dabei ebenfalls fluchtend mit den Verspiegelungen 8 des
Trägersubstrates 2 mit
Verspiegelungen 14 versehen. Die beiden Montagesubstrate 12, 13 haben
neben ihrer nachfolgend erläuterten
optischen Funktion die Aufgabe, die optischen Fasern 9 relativ
zum transparenten Trägersubstrat 2 korrekt
zu positionieren und mechanisch zu stabilisieren. Dazu sind geeignete
Justier- und Haltevorrichtungen mit mikrosystemtechnischen Verfahren auf
den Montagesubstraten 12, 13 integriert, was nicht
weiter dargestellt ist.
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In 4 ist
die Wirkung des planparallelen Trägersubstra tes 2 als
planarer Wellenleiter dargestellt. Die Verspiegelung 8 des
transparenten Trägersubstrates 2 und
im Anschluss daran nach außen auch
die Kombination aus den Verspiegelungen 14 des oberen und
unteren Montagesubstrates 12, 13 fungieren als
planare Wellenleiter. Der Querschnitt und das Winkelspektrum des
abgestrahlten Lichtes bleiben deshalb unverändert, so dass am Ende des planaren
Wellenleiters (rechts im Sinne der 4) im Wesentlichen
identische Verhältnisse
herrschen wie am Anfang (links im Sinne der 4). Man
kann dort also eine virtuelle Lichtquelle annehmen, die bezüglich ihrer
Abstrahlung mit der realen Quelle (Plasma) identisch ist.
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Sofern
die Dicke des transparenten Substrates 2 größer oder
gleich dem Kerndurchmesser der optischen Faser 9 ist, ergibt
sich somit eine Äquivalenz
zwischen einer konventionellen Einkoppeloptik und jedem einzelnen
der in 1 und 2 dargestellten "Linsen"-Faser-Einkopplungssysteme.
Da diese Systeme unter den zugrundeliegenden Annahmen jeweils einen
Winkelbereich von 17° um
das Plasmaloch herum abdecken, ist insgesamt für etwa 20 solcher Systeme Platz.
Man kommt also potentiell auf eine Steigerung der energetischen
Effizienz um das 20-fache. Eine weitere Steigerung ist möglich, wenn
man mehrere optische Systeme des Typs nach 1 und 2 übereinanderschichtet.
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In
den 5 und 6 ist eine weitere Ausführungsform
eines Plasmagenerators dargestellt, der nachfolgend als linearkoplanar
bezeichnet wird. Bei dieser Ausführungsform
weist das scheibenförmige
Trägersubstrat 2' eine parabolische
Form auf, wobei das den Mikroplasmaraum bildende Loch 3' im Brennpunkt
angeordnet ist, und wobei die parabolisch geformte Mantelfläche 7' mit einer Verspiegelung 8' versehen ist.
Die Verspiegelung 8' ist
nach außen
vorzugsweise mit einer Isolierschicht 15 versehen. Die
Elektroden 4' bzw. 5' sind in gleicher
Weise angeordnet wie bei der Ausführungsform nach 1 und 2.
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Bei
dieser linear koplanaren Variante sind die optischen Fasern 9' des Faserbündels in
einem linearen Feld parallel zu den Oberflächen des Trägersubstrates 2' orientiert.
Dies vereinfacht den Systemaufbau. Durch die parabolische Form des
Trägersubstrates 2' wird so der
größte Teil
des emittierten Lichtes zunächst
koaxial zu den Fasern kollimiert. Von linsenförmigen Erhebungen 10' des Trägersubstrates 2' gebildete,
entsprechend zur Feldanordnung der optischen Fasern 9 angeordnete
Mikrolinsen an den faserseitigen Grenzflächen des Trägersubstrates focussieren das
Licht auf die Kernregion der optischen Fasern 9'.
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Eine
weitere Ausgestaltung eines Hohlkathoden-Plasmagenerators ist in
den 7 und 8 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform
weist das scheibenförmige
Trägersubstrat 2'' eine Ellipsenform auf, wobei die
Mantelfläche 7'' vollständig mit einer Verspiegelung 8'' versehen ist. Das den Mikroplasmaraum
bildende Loch 2'' ist in einem
Brennpunkt und das Ende der optischen Mittel im anderen Brennpunkt
der Ellipse angeordnet. Dem den Mikroplasmaraum bildenden Loch 3'' sind wiederum entsprechende Elektroden 4'', 5'' zugeordnet.
Die Verspiegelung 8'' des Trägersubstrates 2'' ist außenseitig mit einer Isolierschicht 15'' versehen.
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Bei
dieser orthogonalen Variante des Plasmagenerators erfolgt die Lichteinkopplung
in das kohärente
Faserbündel 11'' senkrecht zu den Oberflächen des
transparenten Trägersubstrates 2''. Die elliptische Form des Trägersubstrates 2'' mit Anordnung des Mikroplasmaraumes
in einem Brennpunkt und der Lichtauskopplung in das Faserbündel 11'' im anderen Brennpunkt führt dazu,
dass die vom Plasma emittierten Strahlen unabhängig von ihrer Abstrahlrichtung
immer so re flektiert werden, dass sie durch die zweite Focusregion
laufen, so dass dort eine hohe Strahlungsdichte vorliegt. Um die
Strahlen auch effizient in das senkrecht aufgesetzte Glasfaserbündel 11'' einkoppeln zu können, werden
sie aus ihrer zunächst
primär
tangentialen Orientierung (in X- und Y-Richtung) orthogonal und
damit koaxial zu den Fasern (in Z-Richtung) abgelenkt. Dies geschieht
mit Hilfe von Strahldeflektoren 16, welche (in diffraktiver oder
refraktiver Form) in die Substratoberflächen integriert sein können. Alternativ
kann die Z-Ablenkung auch durch schräges Anschleifen der äußeren Substratkanten
erzielt werden. Entsprechend der Geometrie der zweiten Focusregion
empfiehlt sich für
die Fasern des senkrecht aufgesetzten Bündels 11'' eine kompakte 2-D-Anordnung, wie
in 3 am linken Ende dargestellt.
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Natürlich ist
die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Grundsätzlich können insbesondere
auch die Ausführungsformen
nach 5 und 6 sowie 7 und 8 durch
andere geometrische Varianten ersetzt werden, welche eine linear
koplanare bzw. eine orthogonale Strahlungsrichtung ermöglichen.
Des Weiteren können
die Plasmageneratoren (in Kombination mit optischen Filtern) auch
als eine Faser-Pigtail konfektionierte Wellenlängen selektive Lichtquelle verwendet
werden.