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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Partikeln bestimmter
Partikelgröße in einem
Aerosol, wobei das Aerosol mit einem ersten und mit einem zweiten
Laserlicht bestrahlt und der jeweils am Aerosol gestreute Streuanteil
des ersten und des zweiten Laserlichts beobachtet wird. Die Erfindung
betrifft weiter eine Vorrichtung zur Detektion von Partikeln einer
bestimmten Partikelgröße in einem
Aerosol, welche eine Laserquelle zur Bestrahlung des Aerosols mit
einem ersten und mit einem zweiten Laserlicht, eine Detektionseinrichtung
zur Beobachtung eines jeweils am Aerosol gestreuten Streuanteils
des ersten und des zweiten Laserlichts und eine an die Detektionseinrichtung
angeschlossene Auswerteeinheit zur Auswertung der beobachteten Streuanteile
umfasst.
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Ein
derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind beispielsweise
zur Durchführung des
so genannten „Differential
Absorption LIDAR” einsetzbar.
Der Begriff „LIDAR” (Light
Detection And Ranging) bezeichnet dabei generell ein Verfahren zur Entfernungs-
und/oder Geschwindigkeitsmessung von Objekten sowie zur Fernmessung
atmosphärischer
Parameter ähnlich
dem RADAR. Statt Funkwellen wie beim RADAR wird jedoch beim LIDAR
Laserlicht verwendet. Über
eine Analyse des generell an Objekten und insbesondere an Wolken
oder Partikeln gestreuten Streuanteils des emittierten Laserlichts
können
Rückschlüsse auf
die Entfernung, die Geschwindigkeit oder auf die Zusammensetzung
des beobachteten Objekts bzw. des beobachteten Gebiets gezogen werden.
Die Entfernungs- und/oder die Geschwindigkeitsmessung beruht insbesondere auf
einer Laufzeitmessung von emittierten Laserlichtpulsen, die von
den beobachteten Objekten zurückgestreut
werden.
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Gemäß dem „Differential
Absorption LIDAR” werden
die zu untersuchenden Objekte, Wolken oder Gase mit Laserlicht bei
zwei benachbarten Wellenlängen
beleuchtet und die jeweiligen Rückstreukoeffizienten
gemessen. Aus unterschiedli chen Rückstreukoeffizienten kann ein
Rückschluss
auf die Konzentration eines zu untersuchenden Stoffes gezogen werden.
Die beiden Wellenlängen
werden dabei so gewählt,
dass eine der beiden Strahlungskomponenten von dem nachzuweisenden
Stoff absorbiert wird, während
die andere weitgehend unbeeinflusst bleibt. Aus der Differenz der
Messsignale kann dann die Konzentration des untersuchten Stoffes
bestimmt werden.
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Aus
dem Zeitschriftenartikel „LIDAR
measurements of atmospheric constituents” (Claus Weitkamp; Proc. SPIE,
Vol. 3052, 72 (1996), S. 72–84) und
der
WO 2006/083349
A2 sind Verfahren bekannt, bei welchen ein Aerosol mit
Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen bestrahlt und das Streulicht
beobachtet wird, um dessen Zusammensetzung bzw. Art zu ermitteln.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich prinzipiell mit dem Problem der Detektion von Partikeln bestimmter
Partikelgröße in einem
Aerosol. Ein Aerosol enthält
dabei als Partikel flüssige
oder feste Teilchen, die sich durch ein besonderes Verhältnis von
Oberfläche
zu Gewicht auszeichnen. Dieses Verhältnis führt zu einer besonders geringen
Sinkgeschwindigkeit, weswegen diese Teilchen sehr lange in der Luft
verbleiben können.
Die Größe von Aerosol-Partikeln
erstreckt sich von wenigen Nanometern bis hin zu einigen 100 Mikrometern.
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Von
besonderem Interesse sind solche Aerosole, die Partikel mit einer
Partikelgröße kleiner
als ca. 5 μm
aufweisen. Derartige Partikel werden vom Atmungssystem des Menschen
nicht mehr zurückgehalten
und können
daher bis in die Lunge vordringen. Diese Lungengängigkeit ist insbesondere dann
kritisch, wenn die Aerosole gesundheitsschädlich wirken. Diese Gesundheitsschädigung kann
auf einer kanzerogenen Wirkung, z. B. im Falle von Dieselruß oder Feinstaub,
auf einer Toxizität
oder auf einer infektiösen
Wirkung beruhen. Insbesondere die letzten beiden angegebenen Wirkungen
werden bei der Anwendung von chemischen oder biologischen Kampfstoffen
berücksichtigt.
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Beschreibungen
zu bekannten Messverfahren für
Aerosole finden sich beispielsweise auf der Internetseite des Paul
Scherrer Institutes unter http://aerosolforschunq.web.psi.ch/. Nachteiligerweise
erfordern die etablierten Messverfahren jedoch einen direkten Kontakt
der Messapparatur zu dem jeweiligen Aerosol.
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Die
eingangs beschriebene Methode des „Differential Absorption Lidar” eignet
sich zwar grundsätzlich
zu einer Fernerkundung, jedoch ist die Erzeugung von Laserlicht
bei genau definierten Wellenlängen
aufwändig.
Zudem ist die Selektivität
dieser Methode auf nur einen einzelnen Stoff oder auf nur eine einzelne
Stoffgruppe, beispielsweise Ozon bzw. Kohlenwasserstoffe, nachteilig.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Detektion von Partikeln bestimmter Partikelgröße in einem Aerosol anzugeben, die
sich insbesondere zur Untersuchung aus größerer Entfernung eignen. Insbesondere
sollen sich die Vorrichtung und das Verfahren zur Unterscheidung von
gesundheitsgefährdenden
Aerosolen gegenüber ungefährlichen
Aerosolen eignen.
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Die
erstgenannte Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zur Detektion von Partikeln bestimmter Partikelgröße in einem
Aerosol, wobei das Aerosol mit einem ersten und mit einem zweiten
Laserlicht bestrahlt und der jeweils am Aerosol gestreute Streuanteil
des ersten und des zweiten Laserlichts beobachtet wird, wobei
- a) das erste Laserlicht eine erste Wellenlänge aufweist,
die kleiner als die bestimmte Partikelgröße ist,
- b) das zweite Laserlicht eine zweite Wellenlänge aufweist, die größer als
die bestimmte Partikelgröße ist,
und
- c) bei Signalunterschieden zwischen den beobachteten Streuanteilen
auf das Vorhandensein von Partikeln der Partikelgröße im Bereich
zwischen den beiden Wellenlängen
geschlossen wird, wobei als Signalunterschied
- i. ein Unterschied in den Streuintensitäten ausgewertet wird
und/oder
- ii. bei jeweils gepulster Aussendung des ersten und zweiten
Laserlichts ein Unterschied in dem zeitlichen Verlauf der beobachteten
Streuanteile ausgewertet wird.
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Die
Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt abweichend von der üblichen
Praxis des Standes der Technik von der Überlegung aus, nicht eine Absorptionscharakteristik
der zu untersuchenden Objekte oder Partikel für eine Identifikation heranzuziehen,
sondern Unterschiede in der Streucharakteristik zu berücksichtigen.
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In
einem zweiten Schritt geht die Erfindung von der Überlegung
aus, dass sich die Streucharakteristik von Licht an einem Partikel,
welches eine Partikelgröße größer oder
annähernd
gleich der Wellenlänge
des Lichts aufweist, deutlich von einer Streucharakteristik von
Licht an einem Partikel, dessen Partikelgröße kleiner als die Wellenlänge ist,
unterscheidet. Ist die Partikelgröße nämlich kleiner als die Wellenlänge des
an ihm gestreuten Lichts, so spricht man von der so genannten Rayleigh-Streuung,
wobei eine symmetrische Streucharakteristik bezüglich der Vorwärts- und
der Rückwärtsstreuung
vorliegt. Wird von der Rayleigh-Streuung
zu einer Partikelstreuung übergegangen,
wobei die Partikelgröße größer oder gleich
als die Wellenlänge
des Lichts ist, nämlich
die so genannte Mie-Streuung,
so tritt zusehends der Anteil der Vorwärtsstreuung in den Vordergrund.
Der rückgestreute
Anteil verringert sich zugunsten des vorwärts gestreuten Anteils.
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In
einem dritten Schritt erkennt die Erfindung schließlich, dass
sich die unterschiedlichen Streucharakteristiken der Rayleigh- und
der Mie-Streuung zur Detektion von Partikeln einer bestimmten Partikelgröße eignen.
Wird nämlich
die Wellenlänge
eines ersten Lichtstrahls, in der technischen Realisierung ein Laserlichtstrahl,
kleiner als die bestimmte Partikelgröße, und die Wellenlänge eines
zweiten Lichtstrahls größer als
die bestimmte Partikelgröße gewählt, so
unterscheiden sich die Streucharakteristika des ersten und des zweiten
Lichtstrahls an den untersuchten Partikel signifikant, nämlich gerade
wie die einer Mie-Streuung von einer Rayleigh-Streuung. Werden insofern
die an den Partikeln bzw. an dem die Partikel enthaltenden Aerosol
gestreuten Streuanteile in Relation zueinander gesetzt, so kann
bei Vorhandensein von Unterschieden in den Signalen auf das Vorhandensein
von Partikeln mit einer Partikelgröße zwischen den Wellenlängen der
beiden Lichtstrahlen geschlossen werden. Unterscheiden sich die
Signale der Streuanteile nicht, so liegen entweder Partikel mit
einer Partikelgröße vor,
die kleiner als die des ersten Lichtstrahls oder größer als
die des zweiten Lichtstrahls ist. Folglich folgen beide Streuanteile
der Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge einheitlich entweder einer
Mie- oder einer Rayleigh-Streuung.
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Die
beschriebenen Effekte treten unabhängig davon auf, ob an den Partikeln
Licht im Allgemeinen oder kohärentes
Laserlicht gestreut wird. Insbesondere ist bekanntermaßen die
Rayleigh-Streuung für
das Zustandekommen des blauen Himmels verantwortlich. Zu einer technischen
Realisation wird jedoch Laserlicht aufgrund seiner Kohärenz, seiner heraus
folgenden guten Fokussierbarkeit und somit seiner erzielbaren Reichweite
eingesetzt werden. Im Sinne der vorliegenden Schrift stellt jedoch
Licht im Allgemeinen ein Äquivalent
zu Laserlicht dar. Denn die Unterschiede zwischen der Mie-Streuung
und der Rayleigh-Streuung lassen sich grundsätzlich auch mit gewöhnlichem
Licht beobachten.
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Zur
Detektion von Partikeln bestimmter Partikelgröße kann als Signalunterschied
ein Unterschied in den Streuintensitäten ausgewertet werden. Unterscheiden
sich die Signalstärken
der gestreuten Lichtsignale bzw. des ersten und des zweiten Laserlichts
voneinander, so kann auf das Vorliegen der Partikel der bestimmten
Partikelgröße geschlossen werden.
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Alternativ
oder zusätzlich
wird das erste und das zweite Laserlicht jeweils gepulst ausgesendet und
zur Detektion von Partikeln als Signalunterschied ein Unterschied
in dem zeitlichen Verlauf der beobachteten Streuanteile ausgewertet.
Da ein rückgestreuter
Anteil der Strahlungsenergie für
die Vorwärtsausbreitung
nicht mehr zur Verfügung
steht, dringt das Laserlicht bei Vorliegen einer Rayleigh-Streuung weniger
weit in das untersuchte Aerosol ein als bei Vorliegen einer Mie-Streuung. Infolge dessen
weist der zeitliche Verlauf des Streuanteils bei einer Rayleigh-Streuung
eine höhere
Flankensteilheit auf als der zeitliche Verlauf des Streuanteils einer
Mie-Streuung. Liegt ein Unterschied in der Flankensteilheit der
beobachteten Streuanteile vor, so kann hieraus zusätzlich oder
separat auf das Vorhandensein von Partikeln der bestimmten Partikelgröße in dem
untersuchten Aerosol geschlossen werden.
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Durch
den Einsatz gepulsten Laserlichts sind zusätzlich Entfernung und Geschwindigkeit
der untersuchten Partikel bzw. des untersuchten Aerosols feststellbar.
Auf die Entfernung und auf die Geschwindigkeit kann mittels einer
Laufzeitmessung der ausgesendeten und an den Partikeln gestreuten Lichtimpulse
geschlossen werden.
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Zur
Feststellung der unterschiedlichen Streucharakteristika der Lichtstrahlen
bzw. des ersten und des zweiten Laserlichts kann der Streuanteil grundsätzlich in
jeder Streurichtung beobachtet werden, in der messbare Unterschiede
der Streucharakteristika zwischen Mie- und Rayleigh-Streuung auftreten.
Eine Fernuntersuchung ist dabei beispielsweise mit zwei unabhängig operierenden
Geräten
möglich,
wobei das eine Gerät
als Sender und das andere Gerät
als Empfänger
operiert. Für
eine einfache Messung bietet es sich jedoch an, den Streuanteil
jeweils in Rückstreurichtung
zu beobachten. In diesem Fall ist nämlich sowohl die Laserquelle
zum Aussenden des Laserlichts als auch eine entsprechend ausgestaltete
Detektionseinrichtung am gleichen Ort anbringbar. Es handelt sich
somit um ein einzelnes Untersuchungsgerät, welches zur Untersuchung
einer entfernten Aerosolwolke auf diese ausgerichtet wird, dorthin
Laserlicht emittiert und von dort rückgestreutes Laserlicht detektiert.
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Mit
dem angegebenen Verfahren können
Aerosole mit großen,
nicht lungengängigen
Partikeln wie Pollen (typische Partikelgröße: 50 bis 200 μm) oder auch
Nebel (typische Partikelgröße der Wassertröpfchen:
5 bis 15 μm)
von Aerosolen mit mittelgroßen
Partikeln, wie Sporen oder Bakterien (typische Partikelgröße: 1 bis
5 μm) und
mit sehr kleinen Partikeln, wie Ruß oder Feinstaub, (typische
Partikelgröße < 1 μm) unterschieden
werden. Es sind dabei ohne Vorkenntnis über weitere chemische oder
physikalische Eigenschaften der Partikel lediglich die Wellenlängen der
beiden Lichtstrahlen bzw. des ersten und des zweiten Laserlichts
entsprechend einzustellen, so dass zwischen den Wellenlängen des
ersten und des zweiten Laserlichts der Übergang zwischen der Rayleigh-
und der Mie-Streuung auftritt.
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Speziell
das Vorhandensein der mittelgroßen Partikel
in Luft kann dabei als ein starkes Indiz für das Ausbringen biologischer
oder chemischer Kampfstoffe gelten. Denn diese Stoffe benötigen zum
einen für ihren
Wirkmechanismus eine gewisse Mindestgröße. Zum anderen wird ihre Maximalgröße dadurch
begrenzt, dass für
die Aerosole mit großen
Partikeln effektive Filtermechanismen existieren. Des Weiteren unterscheidet
sich die Partikelgröße gefährlicher
Aerosole mit einer Größe von typischerweise
1 bis 5 μm von
der Partikelgröße sehr
vieler natürlicher
und künstlicher
Aerosole, wie beispielsweise Nebel, Pollen oder Ruß. Zweckmäßigerweise
wird daher zur Detektion von lungengängigen Partikeln einer Partikelgröße zwischen
1 und 5 μm
ein erstes Laserlicht mit einer ersten Wellenlänge im infraroten Spektralbereich,
insbesondere zwischen 3 und 5 μm,
und ein zweites Laserlicht mit einer zweiten Wellenlänge im sichtbaren
Spektralbereich, insbesondere zwischen 0,4 und 0,7 μm, eingesetzt.
Beispielsweise können auf
diese Weise die Sporen des biologischen Kampfstoffes Anthrax leicht
detektiert werden, die typischerweise eine Partikelgröße zwischen
1 und 2 μm besitzen.
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Das
angegebene Verfahren nutzt aus, dass die Mie-Streuung sich von der
Rayleigh-Streuung stark in ihrer Streucharakteristik unterscheidet.
Diese Unterschiede können
verwendet werden, um Partikel mit einer bestimmten Partikelgröße zu detektieren, wobei
ein erstes Laserlicht mit einer Wellenlänge kleiner und ein zweites
Laserlicht mit einer Wellenlänge
größer als
die bestimmte Partikelgröße eingesetzt
und Unterschiede in der Streucharakteristik beobachtet werden. Die
beobachteten Unterschiede entweder in der Intensität oder im
zeitlichen Verlauf sind dabei unabhängig von dem absoluten Rückstreuverhalten
des beobachteten Aerosols und somit auch weitgehend unabhängig von
Störungen.
Ausgewertet werden die Unterschiede im Streuverhalten der Lichtstrahlen
unterschiedlicher Wellenlängen. Die
Wellenlängen
des ersten und des zweiten Laserlichts können dabei so gewählt werden,
dass sie möglichst
gut auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst sind.
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Die
zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch
eine Vorrichtung zur Detektion von Partikeln bestimmter Partikelgröße in einem
Aerosol, mit
- a) einer Laserquelle zur Bestrahlung
des Aerosols mit einem ersten und mit einem zweiten Laserlicht,
wobei die Laserquelle ausgebildet ist zur Aussendung des ersten
Laserlichts mit einer ersten Wellenlänge, die kleiner als die bestimmte Partikelgröße ist,
und zur Aussendung des zweiten Laserlichts mit einer zweiten Wellenlänge, die größer als
die bestimmte Partikelgröße ist,
ausgebildet ist,
- b) einer Detektionseinrichtung zur Beobachtung eines jeweils
am Aerosol gestreuten Streuanteils des ersten und des zweiten Laserlichts,
und
- c) einer an die Detektionseinrichtung angeschlossenen Auswerteeinheit
zur Auswertung der beobachteten Streuanteile, die ausgebildet ist,
bei Signalunterschieden zwischen den beobachteten Streuanteilen
auf das Vorhandensein von Partikeln der Partikelgröße im Bereich
zwischen den beiden Wellenlängen
zu schließen,
wobei
- i. die Detektionseinrichtung zur Ermittlung der Streuintensitäten eingerichtet
ist und die Auswerteeinheit ausgebildet ist, als Signalunterschied
einen Unterschied in den Streuintensitäten auszuwerten und/oder wobei
- ii. die Laserquelle zu einem Pulsbetrieb ausgebildet ist und
die Auswerteeinheit ausgebildet ist, als Signalunterschied einen
Unterschied in dem zeitlichen Verlauf der beobachteten Streuanteile
auszuwerten.
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Die
für das
Verfahren genannten Vorteile können
hierbei sinngemäß auf die
Vorrichtung übertragen
werden. Vorteilhafterweise ist die Detektionseinrichtung in der
Nähe der
Laserquelle angeordnet und zur Beobachtung der Streuanteile in Rückstreurichtung
ausgebildet. Mit einer derartigen Vorrichtung ist somit mittels
einer einzelnen Geräteeinheit
eine Fernuntersuchung eines Aerosols möglich. Hierbei emittiert die
Laserquelle das Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen in
Richtung des zu untersuchenden Aerosols, wobei die Detektionseinrichtung
die zurückgestreuten
Streuanteile detektiert, die von der Auswerteeinheit entsprechend
ausgewertet werden.
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Weitere
Vorteile finden sich in den entsprechend auf die Vorrichtung rückbezogenen
Unteransprüche.
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Prinzipiell
ist es möglich,
die Laserquelle breitbandig auszugestalten und die Streuanteile
unterschiedlicher Wellenlängen
des ausgesendeten Laserlichts zu detektieren. Beispielsweise ist
dies bei Kurzpuls-Lasern möglich,
wobei das emittierte Laserlicht einen weiten Spektralbereich umfasst.
Auch kann aus einem „einfarbigen” Laserlicht
einer einzigen Laserquelle mittels nichtlinearer optischer Methoden
wie beispielsweise der Erzeugung von Harmonischen etc. Laserlicht
mit von der ersten Wellenlänge
verschiedener Wellenlänge
erzeugt und als zwei tes Laserlicht eingesetzt werden. In einer technisch
einfacheren und damit kostengünstigeren
Lösung
werden jedoch zwei separate Laserquellen verwendet, wobei jeweils
eine Laserquelle zur Aussendung des ersten und jeweils eine Laserquelle
zur Aussendung des zweiten Laserlichts vorgesehen ist.
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Mittels
einer Multispektralanalyse wäre
es grundsätzlich
auch möglich,
bei einem Laserlicht einer gewissen spektralen Bandbreite die unterschiedlichen
Streucharakteristika unterschiedlicher Wellenlängen zu detektieren. In einer
praktikablen Ausgestaltung ist jedoch vorgesehen, dass die Detektionseinrichtung
zwei getrennte Detektoren zur Erfassung des jeweiligen Streuanteils
erfasst. Dabei kann die Trennung des Streuanteils des ersten von
dem Streuanteil des zweiten Laserlichts insbesondere mittels eines
geeigneten Strahlteilers erfolgen, der beispielsweise das erste
Laserlicht hindurchlässt
und das zweite Laserlicht reflektiert. Dies kann durch geeignete
Beschichtung einer entsprechenden Strahlteilerplatte geschehen.
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Zur
Ausgestaltung der Vorrichtung sind zweckmäßigerweise Ausrichtmittel zur
Fokussierung des jeweiligen Laserlichts auf das Aerosol, Fokussiermittel
zur Fokussierung der Streuanteile auf die Detektionseinrichtung,
Strahlteilmittel zur wellenlängenabhängigen Auftrennung
der Streuanteile und der Detektionseinrichtung, insbesondere den
Detektoren, vorgeschaltete, den Wellenlängen angepasste Filtermittel
vorgesehen.
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Die
Ausrichtmittel zur Fokussierung des jeweiligen Laserlichts auf das
Aerosol können
beispielsweise durch eine geeignete Optik der Laserquelle oder durch
die Ausgestaltung dieser selbst, z. B. durch die Ausgestaltung des
Austrittsspiegels des Resonators, ausgebildet sein. Zur Fokussierung
der Streuanteile auf die Detektionseinrichtung kann eine einstufige
oder eine mehrstufige Optik verwendet werden. Insbesondere bietet
sich eine Cassegrain-Optik an, wobei mit einem konkaven Fangspiegel
die Streuanteile auf einen Zentralspiegel abgelenkt und von dort
durch ein Loch im Fangspiegel auf die Detektionseinrichtung fokussiert
werden. Eine solche Cassegrain-Optik ist durch ihre Faltung relativ Platz
sparend.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 schematisch
einen Grundaufbau für das
angegebene Verfahren,
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2 schematisch
einen Aufbau für
eine Vorrichtung zur Detektion von Partikeln einer bestimmten Partikelgröße in einem
Aerosol, und
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3 die
unterschiedlichen Streucharakteristika einer Rayleigh- und einer
Mie-Streuung.
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Aus 1 wird
das Grundprinzip des angegebenen Verfahrens zur Detektion von Partikeln
einer bestimmten Partikelgröße in einem
Aerosol ersichtlich. Man erkennt auf der linken Seite der Zeichnung
die Vorrichtung 1, die zur Aussendung von Laserlicht zweier
unterschiedlicher Wellenlängen
und zur Beobachtung von Unterschieden in den Streuanteilen ausgebildet
ist. Die Vorrichtung 1 ist zur Detektion von Partikeln 2 bestimmter
Partikelgröße auf ein Aerosol 3 ausgerichtet.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst eine Laserquelle 5, die
Laserlicht 7 zweier unterschiedlicher Wellenlängen auf
das Aerosol 3 richtet. Die Laserquelle 5 kann
hierzu beispielsweise aus zwei separaten Laserquellen aufgebaut
sein, die jeweils Laserlicht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren.
Vorstellbar ist aber auch, die Laserquelle 5 derart auszubilden, dass
ein Laserlicht 7 geeigneter Bandbreite auf das zu untersuchende
Aerosol 3 gerichtet wird.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst weiter eine nur schematisch dargestellte
Optik 9, die sowohl eine Einrichtung zur Fokussierung des
Laserlichts 7 auf das Aerosol 3 als auch eine
Einrichtung zur Fokussierung des zurückgestreuten Streuanteils auf
eine Detektionseinrichtung 11 umfasst. Mittels eines Strahlteilmittels 12 werden
die von den Partikeln 2 bzw. dem Aerosol 3 zurückgestreuten
Streuanteile des Laserlichts 7 wellenlängenabhängig aufgetrennt und auf eine
Detektionseinrichtung 11 reflektiert. Hierzu kann das Strahlteilmittel 12 beispielsweise zweistufige
ausgebildet sein oder die Streuanteile der verschiedenen Wellenlängen in
verschiedene Raumrichtungen reflektieren. Die ebenfalls lediglich schematisch
dargestellte Detektionseinrichtung 11 wertet wellenlängenabhängig Unterschiede
in den zurückgestreuten
Streuanteilen aus.
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Die
Wellenlängen
des Laserlichts 7 bzw. die erste Wellenlänge des
ersten Laserlichts und die zweite Wellenlänge des zweiten Laserlichts
sind so ausgewählt,
dass die zu detektierenden Partikel 2 eine Partikelgröße im Bereich
zwischen den beiden Wellenlängen
aufweisen. Liegen Unterschiede in den Intensitäten oder in den zeitlichen
Verläufen
der zurückgestreuten
Streuanteile der Lichtstrahlen beider Wellenlängen vor, so kann auf das Vorhandensein der
Partikel 2 der bestimmten Partikelgröße geschlossen werden. In diesem
Fall wird nämlich
das Laserlicht der einen Wellenlänge
gerade gemäß einer
Mie- und das Laserlicht der anderen Wellenlänge mit einer Rayleigh-Streuung
gestreut, woraus die detektierbaren Unterschiede folgern.
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In 2 ist
schematisch eine konkrete Ausgestaltung einer Vorrichtung 1' zur Detektion
von Partikel 2 einer bestimmten Partikelgröße in einem Aerosol 3 dargestellt.
Die Vorrichtung 1' umfasst
hierbei eine erste Laserquelle 5a und eine zweite Laserquelle 5b,
die über
Spiegelelemente 14 bis 17 ein erstes Laserlicht 21 mit
einer ersten Wellenlänge bzw.
ein zweites Laserlicht 22 mit einer zweiten Wellenlänge emittieren.
Die erste Wellenlänge
des ersten Laserlichts 21 ist dabei kleiner und die zweite Wellenlänge des
zweiten Laserlichts 22 größer als die zu bestimmende
Partikelgröße. Über ein
Ausrichtmittel 24, welches vorliegend als ein Prismenelement
ausgebildet ist, werden das erste Laserlicht 21 und das
zweite Laserlicht 22 in Richtung auf das zu untersuchende
Aerosol 3 gemäß 1 gerichtet.
Sowohl die Spiegelelemente 14 bis 17, als auch
eine gegebenenfalls in den Laserquellen 5a und 5b vorhandene
entsprechende Optik können
zur Fokussierung des jeweils ausgesendeten Laserlichts 21 bzw. 22 ausgebildet
sein.
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Der
jeweils von den Partikeln 2 bzw. dem Aerosol 3 gemäß 1 zurückgestreute
Streuanteil 26 des ersten Laserlichts 21 und der
Streuanteil 27 des zweiten Laserlichts 22 wird
mittels eines Fokussiermittels 30, welches als eine Cassegrain-Optik
ausgebildet ist, zunächst
auf ein Strahlteilmittel 12 gerichtet. Das Strahlteilmittel 12 ist
dabei so ausgestaltet, dass es den Streuanteil 26 des ersten
Laserlichts 21 passieren lässt, so dass dieser den ersten
Detektor 34 erreicht, und den zweiten Streuanteil 27 des
zweiten Laserlichts 22 reflektiert und auf den zweiten
Detektor 35 ablenkt. Mit den Detektoren 43 und 35 ist eine
Auswerteinheit 36 zur Auswertung der von den Detektoren
erhaltenen Messwerte verbunden. Vor dem ersten Detektor 34 und
vor dem zweiten Detektor 35 sind dabei im Strahlengang
Filterelemente 38 bzw. 39 angeordnet, die als
Bandpassfilter mittels geeigneter Beschichtung ausgebildet sind,
und nur Licht mit der Wellenlänge
des ersten Laserlichts 21 bzw. mit der Wellenlänge des
zweiten Laserlichts 22 passieren lassen.
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Über die
Detektoren 34 und 35 können nun Intensitätsunterschiede
in den beobachteten Streuanteilen 26 und 27 registriert
werden. Hierzu werden beispielsweise mittels der Auswerteinheit 36 die Messwerte
für den
Fall normiert, dass keine Partikel 2 der bestimmten Partikelgröße vorhanden
sind. In diesem Fall können
z. B. die Intensitäten
bzw. die aufgenommenen Signale der Detektoren 34 und 35 jeweils
auf den Wert 1 normiert werden, so dass bei einer Differenzbildung
der aufgenommenen Werte in der Auswerteeinheit 36 kein
Unterschied auftritt, bzw. sich ein Ausgangssignal von Null ergibt.
Sind in dem untersuchten Aerosol 3 nun Partikel 2 mit
einer bestimmten Partikelgröße vorhanden,
die im Bereich zwischen den Wellenlängen des ersten Laserlichts 21 und
des zweiten Laserlichts 22 liegen, so erfährt das
erste Laserlicht 21 mit der kleineren Wellenlänge eine
Mie- und das zweite Laserlicht 22 mit der größeren Wellenlänge eine
Rayleigh-Streuung. Aufgrund der unterschiedlichen Streuungscharakteristika
weichen nun die in Rückstreurichtung
beobachteten Intensitäten
der beiden Streuanteile 26 und 27 bzw. die Messsignale
der beiden Detektoren 34 und 35 deutlich voneinander
ab. In diesem Fall wird die Auswerteeinheit 36 also darauf
schließen,
dass die Partikel 2 mit der bestimmten Partikelgröße in dem
untersuchten Aerosol 3 vorhanden sind.
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In
einer Abwandlung der Vorrichtung 1' sind die Laserquellen 5a und 5b zu
einem Pulsbetrieb ausgebildet. In diesem Fall kann zusätzlich zu
den Intensitäten
der Streuanteile 26 und 27 durch die entsprechend
ausgestaltete Auswerteeinheit 36 noch deren zeitlicher
Verlauf beobachtet werden. Liegen die Partikel 2 mit der
bestimmten Partikelgröße vor, so
zeigt das Messsignal des Streuanteils 27 des zweiten Laserlichts 22 gegenüber dem
Streuanteil 26 des ersten Laserlichts 21 im zeitlichen
Verlauf eine erhöhte
Flankensteilheit. Das zweite Laserlicht 22 mit einer größeren Wellenlänge wird
dann nämlich
gemäß der Rayleigh-Streuung
gestreut, weist somit eine höhere
Rückstreuintensität auf und
dringt somit weniger tief in das Aerosol 3 ein.
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Aus 3 werden
die unterschiedlichen Streucharakteristika zwischen Rayleigh- und Mie-Streuung
ersichtlich. Hierzu sind drei Diagramme 41, 42 und 43 gezeigt,
die die Streuintensitäten eines
Lichtstrahls bzw. Laserlichts angeben, welches in Strahlrichtung 40 an
einem am Koordinatenpunkt 0.0; 0.0 befindlichen Partikels gestreut
wird. Der relative Anteil der Streuintensitäten ist dabei jeweils in die unterschiedlichen
Raumrichtungen, ausgehend von dem Partikel an dem Koordinatenpunkt
0.0; 0.0 dargestellt.
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In
dem Diagramm 41 ist die Streucharakteristik einer Rayleigh-Streuung
dargestellt, wie sie typischerweise bei der Streuung eines Lichtstrahls
mit einer Wellenlänge
größer als
die Partikelgröße auftritt.
Man erkennt eine gleichmäßige, be züglich des Streuorts
in Vorwärts-
und in Rückwärtsrichtung
symmetrische Streucharakteristik. Mit anderen Worten wird ein etwa
gleich großer
Anteil in Vorwärts- und ein gleich großer Anteil
in Rückwärtsrichtung
gestreut.
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In
dem Diagramm 43 ist nun eine typische Streucharakteristik
gemäß einer
Mie-Streuung dargestellt.
Hierbei ist die Wellenlänge
klein gegenüber der
Partikelgroße.
Man erkennt nun eine deutliche Vorwärtsausrichtung der Streuintensitäten. In
Rückwärtsrichtung
wird ein geringer Anteil gestreut.
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Das
Diagramm 42 zeigt den Übergang
der Rayleigh-Streuung gemäß Diagramm 41 auf
die Mie-Streuung gemäß dem Diagramm 43.
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- 1,
1'
- Vorrichtung
zur Detektion von Partikeln
- 2
- Partikel
- 3
- Aerosol
- 5
- Laserquelle
- 5A
- Laserquelle
- 5B
- Laserquelle
- 7
- Laserlicht
- 9
- Optik
- 11
- Detektionseinrichtung
- 12
- Strahlteilmittel
- 14–17
- Spiegelelemente
- 21
- erste
Laserlicht
- 22
- zweites
Laserlicht
- 24
- Ausrichtmittel
- 26
- Streuanteil
erstes Laserlicht
- 27
- Streuanteil
zweites Laserlicht
- 30
- Fokussiermittel
(Cassegrain-Optik)
- 34
- erster
Detektor
- 35
- zweiter
Detektor
- 36
- Auswerteeinheit
- 38
- erstes
Filterelement
- 39
- zweites
Filterelement
- 40
- Einfallsrichtung
- 41
- erstes
Diagramm
- 42
- zweites
Diagramm
- 43
- drittes
Diagramm