DE102010034732A1

DE102010034732A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Fragmentierungsenergie von Nanopartikel-Agglomeraten

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Publication number: DE102010034732A1
Application number: DE201010034732
Authority: DE
Inventors: Werner Baumann; Manuela Hauser; Dr. Mätzing Hartmut; Dr. Paur Hanns-Rudolf; Martin Seipenbusch
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2010-08-18
Filing date: 2010-08-18
Publication date: 2012-02-23

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Fragmentierungsenergie von Nanopartikel-Agglomeraten, die einen Agglomeratdurchmesser von 0,01 bis 100 μm besitzen, durch Prallzerkleinerung eines aus den Nanopartikel-Agglomeraten gebildeten, in einem Gasstrom getragenen Partikelstrahls auf einem Target (6). Die Vorrichtung umfasst ein evakuierbares Vakuumgehäuse (1), das mindestens zwei Kammern (2, 3) aufweist, die derart über eine Blende (5) miteinander verbunden sind, dass hierdurch der Partikelstrahl, der durch eine Eintrittsdüse (4) in die erste Kammer (2) geformt wird, auf das Target (6) führbar ist, wobei eine erste Pumpe (7) vorgesehen ist, mit der in der ersten Kammer (2) ein Druck von 0,1 Pa bis 1 Pa einstellbar ist, und eine zweite Pumpe (8) vorgesehen ist, mit der in der zweiten Kammer (3) ein Druck einstellbar ist, dessen Wert den Wert des Drucks in der ersten Kammer (2) unterschreitet. Gemäß dem Verfahren wird der Partikelstrahl durch die Eintrittsdüse (4) in die erste Kammer (2) geformt und anschließend durch die Blende auf das Traget (6) geführt, wodurch auf dem Target (6) diejenigen Nanopartikel-Agglomerate, deren kinetische Energie die Fragmentierungsenergie überschreitet, durch den Prallaufschlag auf das Target (6) zerkleinert und nachgewiesen werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Fragmentierungsenergie von Nanopartikel-Agglomeraten.
Die Festigkeit festkörperartiger Nanopartikeln spielt eine wichtige Rolle bei der Handhabbarkeit und Anwendung der Partikeln. Für eine große Zahl von Anwendungen werden Nanomaterialien in nicht-agglomerierter Form benötigt. Hierbei ist entscheidend, dass die interpartikulären Kräfte diejenigen Kräfte, die in Dispergierprozessen durch Scherung oder Prallbeanspruchung auf die Partikeln aufgebracht werden können, nicht übersteigen. In anderen Fällen, z. B. beim Einsatz nanoskaliger Pulver als Füllmaterialien in Polymeren, sind die elastischen Eigenschaften von Kettenagglomeraten gefordert, so dass hier festere Bindungen zwischen den Partikeln vorteilhaft sind. Zur Unterscheidung harter Aggregate, die durch die Ausbildung von Feststoffbrücken entstehen, von weichen Agglomeraten, bei denen lediglich van-der-Waals-Kräfte oder Wasserstoffbrücken-Bindungen wirksam sind, haben sich die beiden unterschiedlichen Begriffe eingebürgert.
Flammengeneriertes Siliziumdioxid ist bekannt für seine schlechten Dispergiereigenschaften, die sich auf das Entstehen von Aggregaten durch Sintervorgänge bei hoher Temperatur im Syntheseprozess oder durch die Bildung von Agglomeraten durch Wasserstoffbrückenbindungen zurückführen lassen. Dabei handelt es sich um unterschiedliche Bindungsarten, die auf verschiedene Vorgänge zurückgeführt werden können. Eine sowohl qualitative als auch quantitative Aussage, welche Art der Bindung und welche Bindungsstärke vorliegen, ist zwar sehr wichtig als Merkmal der Produktqualität, jedoch mit einfachen Verfahren nicht erzielbar.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen, mit denen sich die Bindungskraft zwischen Partikeln bestimmen lässt, bekannt, die auf Prallzerkleinerung oder Scherbeanspruchung beruhen. Vorrichtungen, die die Prallzerkleinerung zur Bestimmung der Bindungskraft nutzen, bestehen meist aus ein- oder mehrstufigen, evakuierbaren Kammern, in denen Niederdruckbedingungen herrschen. Bei mehrstufigen Anordnungen stehen die Kammern untereinander über eine Lochblende, Kapillare oder sonstige Öffnungen miteinander in Verbindung. Bei einer zweistufigen Kammeranordnung für Niederdruckuntersuchungen befindet sich kurz hinter der zweiten Düse eine Impaktionsfläche, auf der eine Prallzerkleinerung bei ausreichend großer kinetischer Energie der Nanopartikel-Agglomerate stattfindet.
M. Seipenbusch, S. Froeschke, A. P. Weber, G. Kasper, Investigations an the fracturing of nanoparticle agglomerates – first results, J. Proc. Mech. Eng.,. 216, 2002, 219–225 und M. Seipenbusch, S. Rothenbacher, M. Kirchhoff, H. J. Schmid, G. Kasper, A. P. Weber, Interparticle forces in Silica Nanoparticle Agglomerates, J. Nanoparticle Res., Band 12, S. 2037–2045, 2010, beschreiben eine Vorrichtung zur Bestimmung der Bindungskraft von Nanopartikel-Agglomeraten, die auf Grundlage der Prallzerkleinerung in einem Niederdruckimpaktor arbeitet.
Die Vorrichtung besteht aus einem Vakuumgehäuse mit zwei Kammern. Über eine Eintrittsdüse wird ein Gasstrom durch die erste Kammer und über eine Beschleunigungsdüse in die zweite Kammer gesaugt. Die Niederdruckbedingungen werden mit einer Verdrängerpumpe, die an die zweite Kammer angeschlossen ist, erreicht, wobei der Druck in der zweiten Kammer vom Zufluss und der Pumpleistung abhängt.
Der Zufluss steigt linear mit der Querschnittfläche und dem Vordruck p₀ der Einlassöffnung. Der Durchsatz durch eine Öffnung hängt im Wesentlichen vom Öffnungsquerschnitt und dem Vordruck ab. Fällt der Druck über die Hälfte des Vordrucks ab, so wird im engsten Querschnitt der Öffnung die Schallgeschwindigkeit erreicht, die nicht überschritten werden kann und den Zustrom begrenzt. Damit ist selbst durch eine weitere Druckverringerung keine weitere Erhöhung des Zustroms möglich.
Die Eintrittsdüse stellt eine Strömungsbegrenzung dar, mittels der die Pumpe ausgewählt und angepasst werden kann. Der kritische Zustrom über eine 200 μm Lochblende liegt bei ca. 250 ml_N/min. Wird in der zweiten Kammer ein Druck p₂ von 100 Pa gefordert, so lässt sich das Saugvermögen S der Pumpe aus Druck und Volumenstrom berechnen. Das Saugvermögen S kann als Betriebsdurchsatz betrachtet werden und der zuvor genannte Zustrom ist für Normalbedingung angegeben. Das notwendige Saugvermögen S der Pumpe entspricht dem Normzufluss multipliziert. mit dem Druckverhältnis p₀/p₂ = 0,1 MPa/100 Pa 1000, was einem Saugvermögen von 250 l/min bzw. 0,25 m³/min oder 15 m³/h entspricht, das eine kompakte Drehschieberpumpe bereitstellt.
Bei Atmosphärendruck beträgt die mittlere freie Weglänge der Partikel ca. 70 nm. Bei dem in der zweiten Kammer vorhandenen Druck von 100 Pa vergrößert sich die mittlere freie Weglänge auf ca. 70 μm. In diesem Druckbereich, der noch als Kontinuum betrachtet werden kann, Wechselwirken die Nanopartikel-Agglomerate noch so stark mit dem Gas, dass die Eindringtiefe nach der Beschleunigungsdüse nur bei wenigen mm liegt. Somit muss der Abstand zwischen der Beschleunigungsdüse und dem Target kleiner als diese Eindringtiefe sein, damit die Agglomerate das Target erreichen.
Auf der Flugstrecke und insbesondere kurz vor der Beaufschlagung werden die Agglomerate bei einem Druck von 100 Pa abgebremst, so dass eine genaue Bestimmung der Aufprallgeschwindigkeit schwierig ist. Zudem bildet sich direkt vor der Beaufschlagung der Agglomerate ein Staudruckbereich aus, der zu einer Abbremsung der Agglomerate führt. Die Aufprallgeschwindigkeit wird jedoch für die Bestimmung der Bindungsenergie benötigt und durch die geringe Reichweite ist die Erfassung der Agglomeratgeschwindigkeit schwierig.
Weiterhin besitzt der Freistrahl bei einem Druck von 100 Pa keine scharfe Kontur und die darin enthaltenen Partikeln weisen eine inhomogene Geschwindigkeitsverteilung auf. Außerdem liegt die maximal erreichbare Geschwindigkeit der Agglomerate bei ca. 100 m/s, was häufig für eine Fragmentierung nicht ausreicht, insbesondere bei kleinen Strukturgrößen, bei denen die geringe Masse nur eine niedrige kinetische Energien ergibt. Mit dieser Vorrichtung ist eine genaue Bestimmung der Bindungskraft von Nanopartikel-Agglomeraten nicht möglich.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Fragmentierungsenergie von Nanopartikel-Agglomeraten bereitzustellen, die die Nachteile und Einschränkungen des Stands der Technik überwinden.
Insbesondere soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, mit der eine definierte kinetische Energie zur Bestimmung der Bindungsstärke von Nanopartikel-Agglomeraten durch Prallzerkleinerung ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird im Hinblick auf die Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1, im Hinblick auf das Verfahren durch die Schritte des Anspruchs 8 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß enthält eine Vorrichtung zur Bestimmung der Fragmentierungsenergie von Nanopartikel-Agglomeraten, die einen Agglomeratdurchmesser von 0,01 bis 100 μm aufweisen, ein evakuierbares Vakuumgehäuse, das zwei oder mehr Kammern besitzt. Zwei Kammern sind über eine Blende so miteinander verbunden, dass der Partikelstrahl, der durch eine Eintrittsdüse in die erste Kammer geführt wird, bevorzugt in zentraler Strahlposition, auf das Target geführt wird.
Erfindungsgemäß ist weiterhin eine erste Pumpe vorgesehen, mit der in der ersten Kammer ein Druck von 0,1 Pa bis 1 Pa einstellbar ist, sowie eine zweite Pumpe, mit der in der zweiten Kammer ein Druck einstellbar ist, dessen Wert den Wert des Drucks in der ersten Kammer unterschreitet.
Erfindungsgemäß wird ein überkritischer Freistrahl erzeugt, der die beschriebenen Nachteile der bekannten Niederdruckvorrichtungen überwindet. Die beiden Vakuumkammern werden getrennt, in differentiell gepumpten Kammern evakuiert, was nur unter molekularen Bedingungen möglich ist. Während in den bekannten Niederdruckvorrichtungen die Nanopartikel aufgrund ihrer geringen Trägheit der Gasströmung folgen, so dass, wenn man die erste Kammer einer derartigen Vorrichtung getrennt absaugen würde, die Nanopartikel dem abgesaugten Gasstrom folgen und somit nicht in die zweite Kammer gelangen würden, wird erfindungsgemäß in der ersten Kammer ein Druck im Bereich von 0,1 Pa bis 1 Pa und in der zweiten Kammer ein im Vergleich hierzu geringerer Druck eingestellt, wodurch sich in der ersten Kammer ein überkritischer Freistrahl ausbildet, der durch eine Blende, die die beiden Kammern miteinander verbindet, in die zweite Kammer auf das Target geführt wird.
Erfindungsgemäß wird der Druck in der ersten Kammer demnach so niedrig eingestellt, dass direkt hinter der Einlassöffnung molekulare Bedingungen vorliegen, die über die Knudsenzahl Kn definiert sind. Die Knudsenzahl Kn ist das Verhältnis Kn = λ/x der mittleren freien Weglänge λ zu einer charakteristischen Abmessung x. Für Kn >> 10 liegen molekulare Verhältnisse vor, so dass der notwendige Druck in der ersten Kammer von der Größe der charakteristischen Abmessung x abhängt. Bei dieser Betrachtung müssen sowohl gasdynamische Effekte als auch Wechselwirkungen zwischen dem Gas und den Partikeln berücksichtigt werden. Somit wird der Druck in der ersten Kammer von der größten zu berücksichtigenden charakteristischen Abmessung x bestimmt.
Wählt man für die charakteristische Abmessung x den Radius der Agglomerate, so ist die Bedingung Kn >> 10 bei einem Druck von 1 Pa in der ersten Kammer bis zu x ≈ 100 μm erfüllt, so dass man keine strömungsphysikalische Wechselwirkung zwischen den Partikeln und dem Gas erwarten würde. Praktisch hat sich jedoch gezeigt, dass bei einem Druck von 100 Pa noch eine Abbremsung der Nanopartikel-Agglomerate stattfindet. Um dies mit Sicherheit zu unterbinden, muss für die charakteristische Abmessung x eine Größe gewählt werden, die im Bereich von Geräteabmessungen liegt, z. B. der Durchmesser der Einlassdüse für die erste Kammer oder der Durchmesser der Kammer.
Eine überkritische Düse zeichnet sich dadurch aus, dass direkt hinter der Düse molekulare Bedingungen vorliegen. In der Praxis liegen ausreichende molekulare Strömungsbedingungen schon für eine Knudsenzahl Kn > 1 vor, was einem Druck von ca. 1 Pa in der ersten Kammer entspricht.
Die Erzeugung eines derartigen Vakuums ist jedoch nur mit einer großen Pumpleistung möglich. Daher sind die Auswahl geeigneter Pumpen und deren Auslegung entscheidend für die Verwendung der Molekularstrahltechnik zur Bestimmung der Bindungsstärke und damit der Fragmentierungsenergie von Nanopartikel-Agglomeraten.
In einem überkritischen Freistrahl wird im Kernbereich des Freistrahls mehrfache Schallgeschwindigkeit erreicht. Der Kernbereich wird von Stoßwellen begrenzt, in denen das eintretende Gas mit dem Hintergrundgas in Wechselwirkung tritt. Die Molekularstrahltechnik stellt sicher, dass die Reichweite der eintretenden Nanopartikel-Agglomerate nahezu unbegrenzt ist, da im molekularen Bereich keine nennenswerten Wechselwirkungen zwischen Partikeln und Gas auftreten.
Der kritische Volumenstrom durch eine 200 μm Lochblende beträgt bei atmosphärischem Vordruck ca. 250 ml_N/min. Wollte man für den Betriebspunkt p = 1 Pa eine Vorpumpe (Drehschieber-, Roots- oder Membranpumpe) einsetzen, wird eine Pumpe mit einem Saugvermögen S von über 1.500 m³/h (bzw. 420 l/s) benötigt, was technisch sehr aufwändig ist. Entscheidend für die Auslegung eines Molekularstrahls ist es, eine geeignete Pumpe auszuwählen, die gerade die geforderten molekularen Bedingungen schafft. Neben Turbomolekularpumpen eignen sich Öldiffusionspumpen, die jedoch ein großes Bauvolumen besitzen und aufwändiger zu betreiben sind.
Wird eine Turbomolekularpumpe eingesetzt, so ist ein Pumpentyp vorteilhaft, der sich für die Förderung großer Gaslasten eignet. Zur Aufrechterhaltung des Drucks in der ersten Kammer ist eine starke Pumpe mit entsprechendem Saugvermögen notwendig, deren Auslegung die erforderliche Pumpleistung möglichst klein hält. Dabei ist es besonders vorteilhaft, die Pumpe gerade im abknickenden Bereich ihrer Saugvermögenskennlinie zu betreiben.
Die Eintrittsdüse in die erste Kammer ist bevorzugt als Lochblende oder als Kapillare ausgestaltet. Besonders vorteilhaft ist hierbei eine Kapillare, deren Länge variiert werden kann. Auf diese Weise lassen sich die Partikelgeschwindigkeit einstellen und damit systematische Untersuchungen durchführen.
Die Blende ist bevorzugt als Abschäldüse in Form eines Skimmers ausgeführt. Hierdurch wird ermöglicht, dass sich aus dem überkritischen Freistrahl ein Partikelstrahl mit einem definierten Öffnungswinkel herausschält.
Das Target ist bevorzugt so ausgestaltet, dass es sich für den Nachweis von Fragmenten im Nanometerbereich eignet. Hierfür kommen insbesondere ultradünne Transmissionselektronenmikroskopgitter (TEM Grids) in Frage, die mittels einer selbstorganisierten Monolagentechnik (engl. self-assembled monolayer, SAM) hergestellt werden und einen besonders hohen Kontrast der Aufnahmen im Transmissionselektronenmikroskop gewährleisten.
In alternativen Ausgestaltungen erfolgt der Nachweis der Fragmente online mit einem Detektor, der eine strukturierte, kapazitiv empfindliche Sensorfläche aufweist, oder durch Einsatz eines scannenden Mess-Systems, das mit Rasterkraftmikroskopie oder mittels eines Elektronen- oder Lichtstrahls arbeitet.
Zur Bestimmung der Bindungsenergie aus dem Fragmentierungsgrad wird die kinetische Energie der Nanopartikel-Agglomerate benötigt, die sich aus der Partikelmasse und der Partikelgeschwindigkeit ergibt. Die Bestimmung der Partikelgeschwindigkeit erfolgt vorzugsweise über die Flugzeitmessung (engl. time of flight, TOF) mit einer Streulichtapparatur. Für die TOF-Messung kann eine Strahlzerhackung mittels eines mechanischen Choppers hilfreich sein, um eine Erhöhung des Streulichtsignals durch Messung am Kollektiv des zerhackten Partikelstrahls zu erhalten.
Alternativ wird die Partikelgeschwindigkeit durch eine Einzelpartikelzählung beim Durchgang durch einen Licht- bzw. einen Laserstrahl erhalten.
Alternativ wird die Partikelenergie mit einem impulsempfindlichen Detektor, vorzugsweise einem Photomultiplier, der zentral im Partikelstrahl angeordnet ist, ermittelt.
Die Bestimmung der Strahlintensität und der Strahlposition erfolgt vorzugsweise durch massenempfindliche Detektoren in Form von Schwingquarzdetektoren, Oberflächenwellen-Detektoren (SAW-Detektoren), Photonenaufnehmern, Szintillationszählern oder kapazitiven Detektoren. Alternativ wird ein ladungsempfindlicher Detektor eingesetzt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind erste Mittel vorhanden, mit denen der Abstand zwischen der Eintrittsdüse und dem Target einstellbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind zweite Mittel vorhanden, mit denen der Abstand L₁ zwischen der der Eintrittsdüse und der Blende einstellbar ist. Werden Agglomerate mit Durchmessern unterhalb von 50 nm untersucht, wird der Abstand L₁ so gewählt, dass die Blende, die als zweite Düse dient, derart angeordnet ist, dass sie in den überkritischen Freistrahl eintaucht. Damit wird vermieden, dass Wechselwirkungen zwischen den Partikeln und dem Gas im Stoßwellenbereich, in dem eine erhöhte Gasdichte vorliegt, stattfinden. Bei Agglomeraten mit Durchmessern oberhalb von 50 nm bietet diese Ausgestaltung keinen Vorteil mehr, da die kinetische Energie der Agglomerate durch ihre hohe Masse und Geschwindigkeit verhindert, dass eine nennenswerte Wechselwirkung mit dem Restgas stattfindet.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das evakuierbare Vakuumgehäuse eine zusätzliche Kammer, durch die der Gastrom (Aerosolstrom) vor dem Eintritt in die Eintrittsdüse geführt wird.
In einer weiteren Ausgestaltung ist eine der Zuführung der nanopartikel-Agglomerate vorgeschaltete Einrichtung zur Ionisierung der Nanopartikel-Agglomerate im Gasstrom vorgesehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird dazu verwendet, um die Fragmentierungsenergie von Nanopartikel-Agglomeraten mit einem Agglomeratdurchmesser von 0,01 bis 100 μm durch Ermittlung der kinetischen Energie der Nanopartikel-Agglomeraten, die durch Prallzerkleinerung eines hieraus gebildeten, in einem Gasstrom getragenen Partikelstrahls auf einem Target, zu bestimmen. Die Ermittlung des Fragmentierungsgrads erfolgt über eine Auswertung von elektronenmikroskopischen Aufnahmen, auf denen in möglichst zentraler Strahlposition Nanopartikel-Agglomerate beaufschlagt wurden.
Durch einen Vergleich zwischen Aufnahmen von auf dem Target fragmentierten Nanopartikel-Agglomeraten mit Aufnahmen von nicht-fragmentierten Nanopartikel-Agglomeraten wird in einer erweiterten Ausgestaltung der Fragmentierungsgrad ermittelt. Die Aufnahmen der nicht-fragmentierten Nanopartikel-Agglomerate erfolgt vorzugsweise über eine diffusive Abscheidung auf einem weiteren TEM-Grid, das sich vor der Eintrittsdüse in die erste Kammer befindet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und der Figur näher erläutert.
Die Figur zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Fragmentierungsenergie von Nanopartikel-Agglomeraten, die ein Vakuumgehäuse 1 umfasst, das zwei Kammern 2, 3 aufweist, wobei die beiden Kammern über einen Skimmer 5, der als Blende dient, miteinander verbunden sind. Beide Kammern 2, 3 werden jeweils mit einer Pumpe (Turbomolekularpumpe) 7, 8 getrennt evakuiert. Der Durchmesser D₂ der Blende 5 und damit die Form des Partikelstrahls lassen sich variieren. Der Durchmesser D₁ der Einlassdüse 4 kann vernachlässigt werden, da dieser maximal 200 μm beträgt und somit der überkritische Freistrahl als Punktquelle betrachtet werden kann.
Die erste Kammer 2 besitzt eine überkritische Einlassöffnung 4 zur Aufnahme einer Probe. Als Einlassöffnung 4 wurde eine ca. 3 cm lange Kapillare mit einem Durchmesser von 200 μm eingesetzt, die gegenüber einer Lochblende mit gleichem Öffnungsquerschnitt einen zusätzlichen Druckverlust aufweist. Somit lässt sich über die Länge der Kapillare der Probenstrom bzw. die Geschwindigkeit der Agglomerate einstellen. Wird die Vorrichtung dagegen mit einer Lochblende betrieben, die bei 200 μm einen Durchsatz von ca. 250 ml_N/min besitzt, ist zum Erreichen der geforderten molekularen Bedingung, die ab einem Druck, der kleiner 1 Pa beträgt, vorliegt, ein hohes Saugvermögen S nötig.
Das erforderliche Saugvermögen S der Pumpe 7 zur Evakuierung der ersten Kammer 2 entspricht dem Normzufluss multipliziert mit dem Druckverhältnis p₀/p₁ = 0,1 MPa/1 Pa = 100 000, was einem Saugvermögen 1500 m³/h entspricht. Dieses Saugvermögen kann mit Verdrängerpumpen in Bauform einer Drehschieberpumpe oder Wälzkolbenpumpe nicht erbracht werden, da zum einen dieses Saugvermögen zu groß, aber auch der Druckbereich für diesen Pumpentyp ungünstig ist, da deren Pumpenkennlinie bei niedrigem Druck stark abfällt.
In der Vakuumtechnik werden für die Bereitstellung großer Saugvermögen Öldiffusionspumpen oder Turbomolekularpumpen eingesetzt, wobei Turbomolekularpumpen kompakter gebaut und einfacher zu betreiben sind. Bei diesem Pumpentyp wird das Saugvermögen S allgemein in l/s angegeben, wobei für eine 200 μm Lochblende bei einem Kammerdruck von 1 Pa ein Saugvermögen von ca. 400 l/s benötigt wird. Turbomolekularpumpen mit einem derartigen Saugvermögens sind kompakt und benötigen einen Ansaugflansch von nur 100 mm Nennweite.
Die Kennlinie einer Turbomolekularpumpe ist in etwa spiegelbildlich zu der einer Drehschieberpumpe. Allgemein sind Turbomolekularpumpen nicht für den Betrieb bei einem höheren Druck als 0,1 Pa geeignet, da in diesem Bereich das Saugvermögen stark abfällt. Die Abschätzung des notwendigen Saugvermögens erfolgte zuvor mit einem Druck p₁ in der ersten Kammer von 1 Pa. Dieser Druck ist für den Betrieb der Turbomolekularpumpen sehr ungünstig, falls möglich sollte die Pumpe bei einem Druck kleiner als 0,1 Pa betrieben werden, was jedoch einem Saugvermögen von 4.000 l/s entspricht, das nur mit großen und teuren Turbomolekularpumpen erzielt werden kann.
Die Dimension der ersten Kammer 2 wird im Wesentlichen vom Saugquerschnitt der Turbomolekularpumpe bestimmt. Bei der Pumpenauswahl muss darauf geachtet werden, dass ein Typ gewählt wird, der sich für die Förderung großer Gaslast eignet. Um die Förderleistung der Turbomolekularpumpe bei hoher Gaslast optimal auszunutzen, muss diese möglichst am abknickenden Punkt der Pumpenkennlinie für das Saugvermögen S betrieben werden, was eine genaue Auslegung erfordert.
Wird die erste Kammer 2 mit einer leistungsfähigen Pumpe in einen Druckbereich von 1 Pa bis 0,1 Pa evakuiert, so liegt ein überkritischer Freistrahl vor, der sich dadurch auszeichnet, dass das eintretende Gas im Freistrahl adiabtisch expandiert und dabei mehrfache Schallgeschwindigkeit erreichen kann. Der überkritische Freistrahl wird von Stoßwellen begrenzt, in axialer Richtung von der Machscheibe und radial vom Barrel-Shock, in denen das eintretende Gas mit dem Hintergrundgas in Wechselwirkung tritt und dabei seine hohe Geschwindigkeit und seine enge Geschwindigkeitsverteilung verliert.
Die Lage der Machscheibe hängt vom Durchmesser d₁ der Eintrittsdüse 4 und der Wurzel des Expansionsverhältnisses ab und beträgt etwa x_Mach ≈ 0,66·d₁·(p₀/p₁)^1/2, was bei einem Druck p₁ in der ersten Kammer von 1 Pa ca. 40 mm entspricht.
Der Skimmer 5 kann deshalb als Abschäldüse bezeichnet werden, da er aus dem überkritischen Freistrahl einen definierten Strahl herausschält. Hierbei kann die Eintrittsdüse 4 weitgehend als Punktquelle betrachtet werden, da im überkritischen Freistrahl durch die adiabatische Expansion eine enge und gerichtete Geschwindigkeitsverteilung vorliegt. Unter dieser Bedingung lässt sich die Ausdehnung des Partikelstrahls durch geeignete Düsenanordnung, bezüglich Lage und Durchmesser, beeinflussen, was experimentell für Nanopartikel-Agglomerate nachgewiesen wurde.
Der durch den Skimmer 5 extrahierte Partikelstrahl tritt in die zweite Kammer 3 ein, in der mit einer relativ kleinen Turbomolekularpumpe 8 der Druck weiter abgesenkt wird, was nahezu jegliche Wechselwirkungen der Partikeln mit dem Hintergrundgas unterbindet. Der Partikelstrahl besitzt nun einen Öffnungswinkel, der vom Durchmesser und dem Abstand des Skimmers 5 zur Einlassdüse 4 bestimmt wird.
Die Nanopartikel-Agglomerate treffen nach einer unter diesen Druckverhältnissen relativ frei wählbaren Flugstrecke L₂ auf ein Target 6 auf und werden darauf impaktiert. Ist die kinetische Energie der Agglomerate größer als ihre Bindungsenergie, so findet eine Fragmentierung statt. Als Target 6 dient eine Oberfläche wie z. B. ein TEM Grid, über das eine Bestimmung der Fragmente möglich ist. TEM Grids besitzen einen Außendurchmesser von ca. 3 mm, wobei nicht die gesamte Fläche für die elektronenmikroskopische Untersuchung zur Verfügung steht, sondern nur der innere Bereich mit der Gitterstruktur.
Die Vorrichtung ist so gebaut, dass der Strahl justierbar ist, oder das Target 6 in der entsprechenden Strahlposition installiert werden kann. Hierzu wird der Endflansch mit dem Target 6 durch einen Glasflansch ausgetauscht und darauf die Lage der Partikelablagerung bestimmt. Alternativ wird in zentraler Strahlposition eine Schwingquarzmikrowaage eingesetzt, mit der Flächenbelegungen im Nanogramm-Bereich nachweisbar sind.
Die Turbomolekularpumpe 8 der zweiten Kammer 3 benötigt nur ein geringes Saugvermögen, da der Vordruck am Skimmer 5 sehr niedrig ist und somit auch der Gaszufluss. Um die Größe der Vorrichtung gering zu halten und um ein gutes Restgasspektrum in der zweiten Kammer 3 zu erzielen, fördert die Turbomolekularpumpe 8 das Gas in die erste Kammer 2, wo es mit der Turbopumpe 7 abgepumpt wird. Für den Betrieb einer Turbomolekularpumpe ist eine Vorpumpe 9 erforderlich, die bezüglich ihres Saugvermögens angepasst sein muss. Es ist vorteilhaft, diese Komponenten möglichst genau aufeinander abzustimmen, um sowohl apparativ als auch kostenmäßig günstig zu bleiben.
Maßgeblicher Bestandteil der Pumpenauslegung ist die maximale Gaslast der Turbomolekularpumpe 7 für die Evakuierung der ersten Kammer 2. Die Gaslast, die auch als Saugleistung q = dV / dt·p = S·p bezeichnet wird, ist zu unterscheiden vom Saugvermögen S = dV / dt
Die Saugleistung wird allgemein in der Einheit mbar·l/s angegeben, wobei es sich um einen auf 1 mbar = 100 Pa normierten Durchsatz handelt. Da die zweite Turbomolekularpumpe 8 das Gas in die erste Kammer 2 fördert, muss die gesamte Saugleistung q von der Vorpumpe 9 erbracht werden. Wird ein Druck p₁ = 1 Pa in der ersten Kammer 2 mit einer Turbomolekularpumpe mit einem Saugvermögen S = 500 l/s erreicht, so liegt eine Saugleistung q = 5 mbar·l/s vor, die die Vorpumpe 9 fördern können muss.
Weiterhin sind in der Figur die Aerosolquelle 10, die Sammlung nicht-fragmentierter Agglomerate auf einem weiteren Transmissionselektronenmikroskopgitter (TEM Grid) 11 und die optionale zusätzliche Kammer 12 zur Einstellung des Düsenvordrucks p₀ dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Vakuumgehäuse erste Kammer
3: zweite Kammer
4: Eintrittsdüse (Eintrittskapillare)
5: Blende (Skimmer)
6: Target (TEM Grid)
7: erste Turbomolekularpumpe für die erste Kammer 2
8: zweite Turbomolekularpumpe für die zweite Kammer 3
9: Vorpumpe (Drehschieberpumpe)
10: Aerosolquelle für die Nanopartikel-Agglomerate
11: TEM Grid Sammler für nicht-fragmentierte Nanopartikel-Agglomerate
12: optionale Vorkammer zur Variation des Düsenvordrucks p₀
d1: Durchmesser der Eintrittsdüse 4
d2: Durchmesser der Blende 5
L1: Abstand zwischen der Eintrittsdüse 4 und der Blende 5
L2: Abstand zwischen der Blende 5 und dem Target 6

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

M. Seipenbusch, S. Froeschke, A. P. Weber, G. Kasper, Investigations an the fracturing of nanoparticle agglomerates – first results, J. Proc. Mech. Eng.,. 216, 2002, 219–225 [0005]
M. Seipenbusch, S. Rothenbacher, M. Kirchhoff, H. J. Schmid, G. Kasper, A. P. Weber, Interparticle forces in Silica Nanoparticle Agglomerates, J. Nanoparticle Res., Band 12, S. 2037–2045, 2010 [0005]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung der Fragmentierungsenergie von Nanopartikel-Agglomeraten, die einen Agglomeratdurchmesser von 0,01 bis 100 μm besitzen, durch Prallzerkleinerung eines aus den Nanopartikel-Agglomeraten gebildeten, in einem Gasstrom getragenen Partikelstrahls auf einem Target (6), umfassend ein evakuierbares Vakuumgehäuse (1), das mindestens zwei Kammern (2, 3) aufweist, die derart über eine Blende (5) miteinander verbunden sind, dass hierdurch der Partikelstrahl, der durch eine Eintrittsdüse (4) in die erste Kammer (2) aus dem Gasstrom geformt wird, auf das Target (6) führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Pumpe (7) vorgesehen ist, mit der in der ersten Kammer (2) ein Druck von 0,1 Pa bis 1 Pa einstellbar ist, und eine zweite Pumpe (8) vorgesehen ist, mit der in der zweiten Kammer (3) ein Druck einstellbar ist, dessen Wert den Wert des Drucks in der ersten Kammer (2) unterschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Eintrittsdüse (4) als Kapillare oder als Lochblende ausgeführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Blende (5) als Abschäldüse in Form eines Skimmers ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei erste Mittel vorgesehen sind, mit denen der Abstand zwischen der Eintrittsdüse (4) und dem Target (6) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zweite Mittel vorgesehen sind, mit denen der Abstand zwischen der der Eintrittsdüse (4) und der Blende (5) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Blende (5) derart ausgestaltet ist, dass der Öffnungswinkel des Partikelstrahls einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei vor dem Eintritt in die Eintrittsdüse (4) eine zusätzliche Kammer (12) vorgesehen ist.
Verfahren zur Bestimmung der Fragmentierungsenergie von Nanopartikel-Agglomeraten, die einen Agglomeratdurchmesser von 0,01 bis 100 μm besitzen, durch Prallzerkleinerung eines aus den Nanopartikel-Agglomeraten gebildeten, in einem Gasstrom getragenen Partikelstrahls auf einem Target (6), wobei der Partikelstrahl durch eine Eintrittsdüse (4) in eine erste Kammer (2) eines evakuierbaren Vakuumgehäuses (1) geformt und durch eine Blende (5), die die erste Kammer (2) mit einer zweiten Kammer (3), worin sich das Target (6) befindet, verbindet, auf das Traget (6) geführt wird, wodurch auf dem Target (6) diejenigen Nanopartikel-Agglomerate, deren kinetische Energie die Fragmentierungsenergie überschreitet, durch den Prallaufschlag auf das Target (6) zerkleinert und nachgewiesen werden, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Kammer (2) ein Druck im Bereich von 0,1 Pa bis 1 Pa und in der zweiten Kammer (3) ein im Vergleich hierzu geringerer Druck eingestellt wird, wodurch sich in der ersten Kammer (2) ein überkritischer Freistrahl aus den Nanopartikel-Agglomeraten ausbildet, der durch die Blende (5) in die zweite Kammer (3) auf das Target (6) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei für die Blende (5) eine Abschäldüse ausgewählt wird, die derart eingestellt wird, dass sie aus dem überkritischen Freistrahl einen Partikelstrahl mit einem festgelegten Öffnungswinkel herausschält.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Geometrie des Partikelstrahls dadurch eingestellt wird, dass der Abstand zwischen der Eintrittsdüse (4) und der Blende (5) festgelegt wird.