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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messkopfspitze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Messkopf gemäß dem Obergriff des Anspruchs 14 und ein Spektrometer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 18.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Messkopfspitzen für Spektrometer bekannt. Einige dieser Messkopfspitzen sind dafür vorgesehen, auf eine zu untersuchende Probe aufgesetzt zu werden. Andere Messkopfspitzen dienen dazu, ein Messsignal auszusenden, ohne in direkten Kontakt mit der zu untersuchenden Probe zu treten. Problematisch bei aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ist dabei, dass immer dann, wenn ein bestimmtes Messfeld einer Probe untersucht werden soll, eine Relativbewegung zwischen der eingesetzten Messkopfspitze und der zu untersuchende Probe erforderlich ist. Denn nur dann lassen sich voneinander beabstandete Messpunkte auf der zu untersuchenden Probe messen. Eine derartige Relativbewegung ist jedoch mit aufwändigen Justageeinstellungen verbunden, um weiterhin unter optimalen Messbedingungen arbeiten zu können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Messkopfspitze anzugeben, die die beschriebenen Nachteile überwindet und auf einfache und reproduzierbare Art und Weise spektroskopische Untersuchung eines Messfeldes einer zu untersuchenden Probe gestattet.
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Diese Aufgabe wird mit einer Messkopfspitze mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine solche Messkopfspitze weist ein Kontaktierungselement auf, das dafür vorgesehen und eingerichtet ist, mit einer zu messen Probe in Kontakt gebracht zu werden. Ferner weist sie ein Aufnahmeelement zur Aufnahme des Kontaktierungselements auf. Erfindungsgemäß zeichnet sich die Messkopfspitze dadurch aus, dass das Kontaktierungselements in dem Aufnahmeelement beweglich entlang einer Kontaktfläche des Aufnahmeelements gelagert ist.
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Auf diese Art und Weise wird während einer Messung stets ein Kontakt zwischen dem Kontaktierungselement und der zu messenden Probe gewährleistet, auch wenn das Aufnahmeelement der Messkopfspitze bewegt wird. Insbesondere dann, wenn der optische Weg eines Lichtstrahls, der im Rahmen einer spektroskopischen Analyse durch den Messkopf geleitet wird, von der Position des Aufnahmeelements, nicht jedoch von Position des Kontaktierungselements abhängt, kann durch eine Relativbewegung zwischen dem Aufnahmeelement und dem Kontaktierungselement dafür gesorgt werden, dass der Lichtstrahl an unterschiedlichen Bereichen innerhalb eines Messfeldes auf die Probe trifft. Die Größe des Messfelds wird dabei durch die geometrische Ausgestaltung des Kontaktierungselements definiert. Dadurch wird es möglich, ohne Bewegung der gesamten Messkopfspitze ein Messfeld auf der zu untersuchenden Probe auszumessen und gleichzeitig stets einen Kontakt zwischen der Messkopfspitze und der zu untersuchenden Probe aufrecht zu erhalten. Mit anderen Worten ausgedrückt, verbleibt ein Teil der messkopfspitze während der gesamten Messung in Kontakt mit der zu messenden Probe. Dies gewährleistet einerseits sehr reproduzierbare Bedingungen bei der Untersuchung unterschiedlicher Proben. Anderseits wird auf diese Weise vermieden, dass der im Betrieb der Messkopfspitze auf die zu untersuchende Probe gelenkte Lichtstrahl in Abhängigkeit des spezifischen Messpunktes neu fokussiert werden muss. Des weiteren wird durch den festen Kontakt eine optische Abschirmung erreicht, welche die Lasersicherheit des Messverfahrens gewährleistet.
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Eine derartige Messkopfspitze kann für zahlreiche spektroskopische Anwendungen eingesetzt werden. Vorzugsweise wird sie im Rahmen der laserinduzierten Plasmaspektroskopie eingesetzt (dem Fachmann auch als laserinduzierte Emissionsspektroskopie oder unter dem englischen Fachbegriff „Laser-Induced Breakdown Spectroscopy“ beziehungsweise der Abkürzung „LIBS“ bekannt). Bei der laserinduzierten Plasmaspektroskopie wird ein Laserstrahl als Lichtstrahl bereitgestellt, der auf der einer zu untersuchenden Probe ein Plasma erzeugt. Hierzu weist der Laser eine sehr hohe Energiedichte auf, was regelmäßig über kurze Laser-Pulsdauern realisiert wird. Das an der Oberfläche der Probe erzeugte Plasma emittiert wiederum eine Lichtstrahlung. Durch die Detektion dieser Lichtstrahlung erhält man ein Emissionsspektrum der untersuchten Probe. Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie stellt eine Anwendungsform der atomaren beziehungsweise optischen Emissionsspektroskopie dar.
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In einer Variante ist die Kontaktfläche zumindest abschnittsweise im Wesentlichen senkrecht zu einer Lichtausbreitungsrichtung orientiert, wobei die zur Anregung der zu untersuchenden Probe erforderliche Lichtstrahlung entlang der Lichtausbreitungsrichtung während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Messkopfspitze durch die Messkopfspitze auf die zu untersuchende Probe geleitet wird. Bei dieser Lichtstrahlung handelt es sich in dieser Variante, wie auch in den nachfolgend erläuterten Varianten, vorzugsweise um eine Laserlichtstrahlung, die insbesondere zur laserinduzierten Plasmaspektroskopie geeignet ist.
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In einer weiteren Variante ist die Kontaktfläche als gebogene Fläche ausgeführt. Der Krümmungsradius der Kontaktfläche beträgt dabei vorzugsweise 20 bis 100 mm, insbesondere 30 bis 90 mm, insbesondere 40 bis 80 mm und ganz besonders 50 bis 70 mm. Mit einem derartigen, verhältnismäßig geringen Krümmungsradius wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Kriterium erfüllt, dass die Kontaktfläche im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung orientiert ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Kontaktfläche derart geformt, dass der optische Weg, den das Licht im bestimmungsgemäßem Gebrauch der Messkopfspitze in Lichtausbreitungsrichtung zurücklegen muss, um durch die Messkopfspitze auf die zu messenden Probe geleitet zu werden, von der relativen Position zwischen dem Kontaktierungselement und dem Aufnahmeelement im Wesentlichen unabhängig ist. Das heißt, auch bei einer Bewegung des Aufnahmeelements kommt es nicht zu einer wesentlichen Veränderung des optischen Weges, den ein zur Messung eingesetzter Lichtstrahl zurücklegen muss. Dadurch liegt jeder Punkt des Messfelds der zu messenden Probe vorzugsweise im Fokus des Lichtstrahls, so dass stets mit guter Effizienz gemessen werden kann. Insbesondere kann dann, wenn die Messkopfspitze im Rahmen der laserinduzierten Plasmaspektroskopie eingesetzt wird, mit einer derartigen Ausgestaltung an allen Punkten des Messfelds mit gleicher Laserpulsintensität ein Plasma an der zu messenden Probenoberfläche erzeugt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Kontaktfläche an einem beweglichen Element des Aufnahmeelements ausgebildet. Dieses bewegliche Element kann durch eine entsprechende Bewegung von einer Ruheposition in eine Arbeitsposition überführt werden. Vorzugsweise ist das Aufnahmeelement in der Arbeitsposition näher zu der zu messenden Probe hin orientiert als in der Ruheposition. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das bewegliche Element in der Abseitsposition weiter in das Aufnahmeelement zurückgezogen ist, als dies in der Ruheposition der Fall ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das bewegliche Element derart gelagert, dass die Bewegung, die zur Überführung des beweglichen Elements von der Ruheposition in die Arbeitsposition erforderlich ist, im Wesentlichen in der Lichtausbreitungsrichtung erfolgt. Das heißt, eine parallel zur Lichtausbreitungsrichtung erfolgende Verschiebung des beweglichen Elements führt hier zu einem Übergang von der Ruheposition in die Arbeitsposition.
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Auf diese Weise ist es beispielweise möglich, dass durch einen Druck auf das Kontaktierungselement durch eine zu messende Probe beziehungsweise einen Druck eines Benutzers auf die Messkopfspitze in Richtung auf eine zu messende Probe das bewegliche Element von seiner Ruheposition in seine Arbeitsposition überführt wird.
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Das bewegliche Element wird vorzugsweise durch eine Feder derart vorgespannt, dass es ohne Ausübung eines Drucks in der Ruheposition vorliegt. Das heißt, die Ruheposition stellt den ohne Interaktion durch einen Benutzer vorliegenden Zustand des beweglichen Elements dar, während die Arbeitsposition nur dann erreicht wird, wenn ein Druck entgegen der Federkraft auf das bewegliche Element (insbesondere mittelbar über das Aufnahmeelement beziehungsweise das Kontaktierungselement) ausgeübt wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Aufnahmeelement derart geformt, das es eine Bewegung des Kontaktierungselements entlang der Kontaktfläche nur dann zulässt, wenn das bewegliche Element in seiner Arbeitsposition vorliegt, nicht jedoch, wenn das bewegliche Element in seiner Ruheposition vorliegt. Auf diese Weise wird also eine Relativbewegung zwischen dem Kontaktierungselement und dem Aufnahmeelement entlang der Kontaktfläche vermieden, solange das Aufnahmeelement in seiner Ruheposition vorliegt. Zudem sind das Kontaktierungselement und das Aufnahmeelement vorzugsweise derart aufeinander abgestimmt, dass eine Entfernung des Kontaktierungselements aus dem Aufnahmeelement nicht möglich ist.
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In einer weiteren Variante ist in der Messkopfspitze ein Schalter angeordnet, der geschlossen ist, wenn das bewegliche Element in seiner Arbeitsposition vorliegt, und der geöffnet ist, wenn das bewegliche Element in seiner Ruheposition vorliegt. Dieser Schalter kann beispielsweise als Magnetschalter (etwa in Form eines Reedkontakts) ausgestaltet sein. Es ist vorteilhaft, wenn der Schalter an einem unbeweglichen Element des Aufnahmeelements ausgebildet ist und ein entsprechender Magnet zur Auslösung des Schalters an dem beweglichen Element. Denn dann wird der Magnet durch eine Bewegung des beweglichen Elements von der Ruheposition in die Arbeitsposition in seiner relativen Position zum Schalter verändert, so dass eine entsprechende Magnetfeldänderung zum Öffnen beziehungsweise Schließen des Schalters führt.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die Messkopfspitze mit einer Luftzuführung ausgestattet, die dazu dient, während des bestimmungsgemäßen Betriebs der Messkopfspitze einen Luststrom unterhalb eines Fensters der Messkopfspitze zu erzeugen. Durch einen derartigen Luftstrom können Verschmutzungen, die sich an dem Fenster ablagern könnten, effektiv vom Fenster ferngehalten werden.
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Vorzugsweise dient das Fenster dazu, einen offenen Bereich von einem geschlossenen Bereich der Messkopfspitze zu separieren. Dies geschieht vorzugsweise in fluiddichter Weise (gasdicht und/oder flüssigkeitsdicht). Der offene Bereich ist dabei zur Probe hin orientiert und sowohl für Probenmaterial als auch für den entsprechenden Luftstrom ohne weiteres zu passieren. Der geschlossene Bereich hingegen ist von der zu messende Probe weg orientiert und kann vorzugsweise optische Elemente aufnehmen. Auf diese Weise dient das Fenster also dazu, Bereiche der Messkopfspitze, die mit Probenmaterial in Berührung kommen können, von solchen Bereichen zu trennen, die nicht mit Probenmaterial in Berührung kommen sollen. Das Fenster ist dabei vorzugsweise senkrecht oder unter geringem Winkel (beispielsweise kleiner gleich 2°, kleiner gleich 5°, kleiner gleich 10° oder kleiner gleich 15°) zur Senkrechten bezüglich der Lichtausbreitungsrichtung orientiert. Es kann aus beliebigen Materialien, die für die auszusendende und die zu detektierende Lichtstrahlung durchlässig sind, bestehen und mittels Antireflexbeschichtung (AR) bezüglich der Transmissionseigenschaften optimiert sein. Quarzglas ist ein geeignetes Material.
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Der im bestimmungsgemäßen Betrieb der Messkopfspitze erzeugte Luftstrom ist vorzugsweise zumindest in unmittelbarer Umgebung des Fensters ebenfalls im Wesentlichen senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung orientiert. Das heißt, der Luftstrom wird derart erzeugt, dass er das Fenster im Wesentlichen parallel überströmt. Dadurch verhindert er auf besonders effiziente Weise einen Kontakt von Probenpartikeln mit dem Fenster. Dadurch wird Ablagerungen auf dem Fenster entgegengewirkt und die Lebensdauer des Fensters erhöht. Der vorzugsweise im Bereich des Fensters in den offenen Bereich der Messkopfspitze eingeführte Luftstrom verlässt den offenen Bereich der Messkopfspitze vorzugsweise durch das Kontaktierungselement hindurch in Richtung auf die zu messende Probe.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Fenster an dem beweglichen Element angeordnet und kann mit diesem bewegt werden. Vorzugsweise wird das Fenster also mit dem beweglichen Element in das Aufnahmeelement hinein bewegt, wenn das bewegliche Element von seiner Ruheposition in seine Arbeitsposition überführt wird.
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Dabei ist die Luftzuführung vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie unabhängig davon, ob das bewegliche Element in seiner Ruheposition oder in seiner Arbeitsposition vorliegt, für einen Luftstrom unterhalb des Fensters, vorzugsweise entlang des Fensters, sorgen kann.
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In einer alternativen Ausgestaltung wird ein Luftstrom nur dann entlang des Fensters geführt, wenn das bewegliche Element in seiner Arbeitsposition vorliegt. Denn vorzugsweise kann das Fenster überhaupt nur dann in Kontakt mit Probenmaterial kommen, wenn das bewegliche Element in seiner Arbeitsposition vorliegt.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch einen Messkopf für ein Spektrometer, der mit einer Messkopfspitze entsprechend den vorherigen Erläuterungen ausgestattet ist.
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In einer Variante weißt der Messkopf eine Optik auf, die dafür vorgesehen und eingerichtet ist, einen auf eine zu messende Probe zu leitenden Lichtstrahl derart zu fokussieren, dass sein Fokus im Wesentlichen auf der Oberflächen der zu messenden Probe liegt. Diese Optik ist vorzugsweise in einem nicht zur Messkopfspitze gehörenden Bereich des Messkopfs angeordnet, so dass die Messkopfspitze des Messkopfs unabhängig von dessen Optik ausgetauscht werden kann. Das heißt, es ist nicht erforderlich, dass die Messkopfspitze selbst mit optischen Elementen ausgestattet ist. Vielmehr leitet sie lediglich einen bereits optisch aufbereiteten Lichtstrahl auf die zu messende Probe weiter.
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In einer weiteren Variante dient die Optik auch zur Fokussierung eines von der zu messenden Probe ausgesandten Lichtsignals, um dieses dann einer entsprechenden Detektionseinrichtung zuzuführen. Die Optik des Messkopfs hat in dieser Variante also eine zweifache Funktion, nämlich sowohl den auszusendenden Lichtstrahl als auch die zu detektierenden Lichtsignale zu fokussieren und weiterzuleiten. Dadurch ist es nicht mehr erforderlich, eine separate Detektionsoptik, die unabhängig von einem Messkopf eingesetzt wird, zu verwenden. Vielmehr dient der Messkopf in dieser Variante sowohl zur Aussendung eines Lichtstrahls als auch zur Detektion von Lichtsignalen der zu messenden Probe.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Messkopf als Handgerät ausgestaltet. Dieses Handgerät kann beispielsweise ein an einer Decke oder an einem Ständer abgestütztes Handgerät sein. Wenn es von einer Decke oder einem Ständer herabhängt, ist es auf besonders einfache Weise für einen Benutzer zu greifen und kann dann besonders einfach auf eine zu messende Probe aufgesetzt werden. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung ist das Handgerät als Handpistole ausgestaltet. Sowohl die Handpistole als auch das anders ausgestaltete Handgerät können mit einem Auslöser versehen sein, um einen Messvorgang zu starten. Es ist auch möglich, dass ein separater Schalter vorgesehen ist, der betätigt werden muss, damit eine Messung gestartet werden kann. Dieser separate Schalter kann beispielsweise als Fuß- oder Fingerschalter ausgestaltet sein. Der separate Schalter und der weiter oben im Zusammenhang mit einer möglichen Ausgestaltung erwähnte Schalter können in einer Variante in Reihe geschaltet sein. Dann kann eine Messung nur erfolgen, wenn beide Schalter geschlossen sind. Dies erhöht die Sicherheit einer entsprechenden Messvorrichtung und verhindert das unbeabsichtigte Aussenden von zur Messung vorgesehener Lichtstrahlung.
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Die Erfindung betrifft auch ein Spektrometer, das einen Messkopf gemäß den vorhergehenden Erläuterungen aufweist. Ein solches Spektrometer weist zudem einen Detektor auf und kann mit verschiedenen Schaltern entsprechend der obigen Erläuterungen versehen sein. Zudem ist ein solches Spektrometer vorzugsweise mit einem Bildschirm ausgestattet, um das spektroskopische Analyseergebnis vorzugsweise in Echtzeit darstellen zu können.
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In einer Variante ist der Messkopf des Spektrometers mit einer Lichtquelle und einem Detektor über jeweils eine optische Faser (einen Lichtleiter) verbunden. Dies ermöglicht einerseits eine flexible Bewegung des Messkopfs und gewährleitstet anderseits, dass eine von dem Spektrometer bereitgestellt Lichtstrahlung durch den Messkopf und die Messkopfspitze hindurch auf die zu messende Probe geleitet werden kann. Ferner wird dadurch ermöglicht, dass ein von der Probe ausgesandtes Lichtsignal durch die Messkopfspitze und den Messkopf hindurch wieder zum Spektrometer beziehungsweise zu dessen Detektor geleitet werden kann. Auf diese Weise lässt sich eine besonders einfache Gesamtausgestaltung des Spektrometers erreichen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung sollen anhand von Ausführungsbeispielen und entsprechender Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel einer Messkopfspitze in Ruheposition;
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2 eine Schnittansicht durch die Messkopfspitze der 1 in Arbeitsposition;
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3 eine weitere Schnittansicht durch die Messkopfspitze der 1 in Arbeitsposition;
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4 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Messkopfs in Ansicht von vorne;
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5 eine seitliche Ansicht auf den Messkopf der 4 in teilweise geschnittener Darstellung und
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6 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Spektrometers.
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Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Messkopfspitze 1 mit einem Gehäuse 2 als Aufnahmeelement und einem Taumelstück 3 als Kontaktierungselement. Das Taumelstück 3 ist an einer kuppelförmig ausgestalten Kontaktfläche 4 beweglich gelagert. Dabei liegt es mittels eines O-Rings 5 aus Teflon an der Kontaktfläche 4 an. Die Kontaktfläche 4 ist an einem Stößel 6 ausgebildet, der als bewegliches Element dient. Der Stößel 6 wird durch eine Feder 7 zum Taumelstück 3 hin gedrückt.
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Die geometrischen Abmessungen des Gehäuses 2 und des Taumelstücks 3 sind dabei derart gewählt, dass das Taumelstück 3 nicht aus dem Gehäuse 2 herausgedrückt werden kann. Vielmehr drückt eine Außenfläche 30 des Taumelstücks 3 gegen eine Innenseite 20 des Gehäuses 2, wenn der Stößel 6 in seiner durch die Feder 7 vorgegebenen Ruheposition vorliegt.
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In einem oberen Abschnitt des Gehäuses 2 ist ein Reedkontakt 8 angeordnet, der als Schalter dient. Im Innern des Stößels 6 ist ein ringförmig ausgebildeter Magnet 9 angeordnet, der zusammen mit dem Stößel 6 bewegt werden kann. Eine relative Positionsänderung zwischen dem Magneten 9 und dem Reedkontakt 8 führt zu einem Schalten des Reedkontakts 8.
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Der Stößel 6 ist an seiner Oberseite durch ein Quarzglasfenster 10 als Fenster abgedeckt. Dadurch wird ein geschlossener Bereich 11 der Messkontaktspitze 1 von einem offenen Bereich 12 abgetrennt. Probenpartikel, welche durch die Taumelspitze 3 in den offenen Bereich 12 gelangen, werden durch das Quarzglasfenster 10 davon abgehalten, weiter in den geschlossenen Bereich 11 der Messkopfspitze vorzudringen. Damit das Quarzglasfenster 10 möglichst wenig verschmutzt und insbesondere eine Partikelablagerung am Quarzglasfenster 10 verhindert wird, ist ein Lufteinlass 13 vorgesehen, der zwischen dem Gehäuse 2 und dem Stößel 6 ausgebildet ist. Durch eine Öffnung 14 kann Luft aus dem Lufteinlass 13 in den offenen Bereich 12 unterhalb des Quarzglasfensters 10 geführt werden. Dabei bildet sich vorzugsweise ein parallel zur Oberfläche des Quarzglasfensters 10 ausgerichteter Luftstrom aus, der effektiv einem Materialkontakt zwischen im offenen Bereich 12 vorhandenen Probenpartikeln und dem Quarzglasfenster 10 unterbindet.
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Der offene Bereich 12 erstreckt sich von der Unterseite des Quarzglasfensters 10 bis zu einer unteren Öffnung 15 der Taumelspitze 3. Zwischen dem Quarzglasfenster 10 und der unteren Öffnung 15 sind keine optischen Elemente oder andere Gegenstände vorgesehen, die Probenpartikel, welche durch die untere Öffnung 15 in die Taumelspitze 3 und nachfolgend in den offenen Bereich 12 eintreten, aufhalten würden. Lediglich im Bereich des ringförmig ausgebildeten Magneten 9 ist der Querschnitt des offenen Bereichs 12 des Stößels 6 etwas reduziert.
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Die Taumelspitze 3 ist dafür vorgesehen, mit ihrer unteren Öffnung 15 auf eine zu messende Probe 16 aufgesetzt zu werden. Um den Verschleiß der Taumelspitze 3 möglichst gering zu halten, ist ihrem unteren Bereich ein Verschleißring 17 vorgesehen, der einfach ausgetauscht werden kann. Durch einen wiederholten Kontakt der Taumelspitze 3 beziehungsweise des Verschleißrings 17 mit zu messenden Proben 16 kann es zu Materialverschleiß am Verschleißring 17 kommen. Wird ein verschlissener Verschleißring 17 durch einen neuen Verschleißring ausgetauscht, ist die Taumelspitze 3 und damit die gesamte Messkopfspitze 1 jedoch weiterhin ohne Nachteile einsetzbar.
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Die 2 zeigt die Messspitze 1 der 1 in einer Position, in der die Taumelspitze 3 auf die zu messende Probe 16 aufgesetzt ist. Durch einen entsprechenden Druck wird die Taumelspitze 3 zusammen mit dem Stößel 6 in das Gehäuse 2 gedrückt. Der von der zu messenden Probe auf die Taumelspitze 3 ausgeübte Druck führt zu einer Kompression der Feder 7. Diese Position wird auch als Arbeitsposition bezeichnet.
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In der Arbeitsposition ist der Magnet 9 dichter zum Reedkontakt 8 hin orientiert und schließt diesen Reedkontakt 8. Dadurch wird es möglich, dass ein Laserpuls 18 als Lichtstrahl durch die Messspitze 1 hindurch auf die zu messende Probe 16 fokussiert wird. Das Zusammenwirken aus Magnet 9 und Reedkontakt 8 bewirkt also, dass ein Laserstrahl nur dann durch die Messkopfspitze 1 geleitet werden kann, wenn sich die Messkopfspitze 1 beziehungsweise der Stößel 6 in der Arbeitsposition befindet, nicht jedoch, wenn die Messkopfspitze 1 beziehungsweise der Stößel 6 sich in der Ruheposition befindet.
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Wie aus dem schematisch dargestellten Laserstrahl 18 ersichtlich ist, durchstrahlt dieser zunächst den geschlossenen Bereich 11, dann das Quarzglasfenster 10 und anschließend den offenen Bereich 12. Dabei tritt der Laserstrahl 18 durch den ringförmigen Magneten 9, eine in der Kontaktfläche 4 gebildete Öffnung 40 und schließlich durch den offenen Bereich 12 des Taumelstücks 3 hindurch. Der Laserstrahl verlässt schließlich die Messkopfspitze 1 durch das untere Ende 15 der Taumelspitze 3 und trifft auf die zu messende Probe 16.
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Wenn die in den 1 und 2 dargestellte Messkopfspitze eine Messkopfspitze eines Spektrometers für die laserinduzierte Plasmaspektroskopie ist, bildet sich durch das Auftreffen des Laserstrahls 18 auf der zu messenden Probe 16 ein Plasma an der Probe aus. Aus diesem Plasma wird Licht emittiert, dass durch die Messkopfspitze 1 hindurch zu einem angeschlossenen Messkopf gleitet wird.
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In der 2 ist gut zu erkennen, dass der Abstand zwischen der Außenseite 30 der Taumelspitze 3 und der Innenseite 20 des Gehäuses 2 in der Arbeitposition größer ist als in der Ruheposition (vgl. hierzu auch 1). Dadurch ist es der Taumelspitze 3 möglich, sich entlang der Kontaktfläche 4 von einer inneren Seitenwand 20 des Gehäuses 2 zu anderen inneren Seitenwand 20 des Gehäuses 2 zu bewegen. Auf jeder Seite stehen der Taumelspitze hier etwa 2 bis 6 mm Platz zur Bewegung zur Verfügung. Auf diese Weise ist eine Relativbewegung zwischen der Taumelspitze 3 und dem Gehäuse 2 möglich.
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Dies ist in der 3 näher dargestellt. Hier befinden sich die Messkopfspitze 1 beziehungsweise der Stößel 6 wiederum in der Arbeitsposition. Anders als in der 2 ist die Taumelspitze 3 jedoch nicht mittig unterhalb der Kontaktfläche 4 angeordnet, sondern zum linken Rand des Gehäuses 2 hin orientiert. Dadurch trifft der Laserstrahl 18 an einer anderen Stelle auf der zu messenden Probe 16 auf, als dies bei der Orientierung der Taumelspitze 3 in der Darstellung der 2 der Fall ist. Ohne die Taumelspitze 3 von der zu messenden Probe 16 zu entfernen, ist es auf diese Weise also möglich, allein durch die Bewegung des Gehäuses 2 der Messkopfspitze 1 ein Messfeld auf der zu messenden Probe 16 auszumessen. Die maximal mögliche Größe des Messfeldes ergibt sich dabei aus der Größe der unteren Öffnung 15 der Taumelspitze 3. Dabei ist das maximal mögliche Messfeld der in den 1 bis 3 dargestellten Messkopfspitze 1 etwas kleiner als die untere Öffnung 15 der Taumelspitze 3, was durch die geometrische Ausgestaltung der Taumelspitze 3 bedingt ist.
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Der optische Weg, den der Laserstrahl 18 bei einer Orientierung der einzelnen Elemente der Messkopfspitze 1 gemäß der Darstellung der 2 zurücklegen muss, ist im Wesentlichen identisch zu dem optischen Weg, den der Laserstrahl 18 bei einer Orientierung der einzelnen Elemente der Messkopfspitze 1 gemäß der Darstellung der 3 zurücklegen muss. Dadurch ist es nicht erforderlich, den Laserstrahl 18 neu zu fokussieren, wenn das Gehäuse 2 der Messkopfspitze 1 relativ zur Taumelspitze 3 bewegt wird.
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Die 4 zeigt einen Messkopf 100 in einer Ansicht von vorne. An einem unteren Ende des Messkopfs 100 ist eine Messkopfspitze 1 mit einem Gehäuse 2 und einer Taumelspitze 3 angeordnet. Dabei kann es sich beispielsweise um das in den 1 bis 3 dargestellte Ausführungsbeispiel einer Messkopfspitze handeln.
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An einem seitlichen Bereich des Messkopfs 100 sind Griffe 101 vorgesehen, die der leichteren Bedienung des Messkopfs 100 dienen. Ein Benutzer kann den Messkopf durch Greifen eines oder beider Griffe 101 mit der Messkopfspitze 1 auf eine zu messende Probe setzen. Wie oben erläutert, führt dieses Aufsetzen auf eine zu messende Probe zu einer Überführung der Messkopfspitze 1 beziehungsweise deren Elemente von der Ruheposition in die Arbeitsposition. Gleichzeitig ist bei dem in der 4 dargestellten Messkopf 100 vorgesehen, dass erst dann, wenn die Messkopfspitze 1 in der Arbeitsposition vorliegt, ein Lasersignal durch den Messkopf 100 und die Messkopfspitze 1 auf eine zu messende Probe geleitet werden kann.
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Die 5 zeigt den in der 4 dargestellten Messkopf in einer Ansicht von der Seite. Dabei ist der Messkopf 100 in seinem unteren, zur Messkopfspitze 1 hin orientierten Bereich geschnitten dargestellt. Auch die Messkopfspitze 1 ist geschnitten dargestellt.
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Wie in dieser Darstellung zu sehen ist, leiten optische Elemente 102 einen in den Messkopf 100 eingeführten Laserstrahl in fokussierter Weise zum Messkopf 1 weiter, so dass er auf eine zu messende Probe geleitet wird. Die gleichen optischen Elemente 102 sind auch dafür verantwortlich, von einer zu messenden Probe ausgesandte Lichtsignale aufzufangen, zu fokussieren und an einen an den Messkopf 100 anschließbaren Lichtleiter weiterzuleiten.
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Auf diese Weise ist es möglich, dass sämtliche für die Fokussieroptik benötigten optischen Elemente 102 im Messkopf 100 untergebracht sind und nicht in die Messkopfspitze 1 integriert werden müssen.
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Die 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Messapparatur 200. Diese Messapparatur 200 enthält ein Spektrometer, das ein Grundgerät 201 und einen Bildschirm 202 umfasst. Sowohl das Grundgerät 201 als auch Bildschirm 202 sind an einer Decke 203 aufgehängt. Diese Decke 203 eignet sich auch dazu, eine Aufnahme für einen Messkopf 100 bereitzustellen, der ebenfalls Teil des Spektrometers ist. Dabei ist der Messkopf 100 mit der Decke 203 über eine Zugentlastung 204 verbunden. Ferner sind zwischen dem Messkopf 100 und dem Grundgerät 201, in dem sich eine Lichtquelle befindet, Lichtleiter 205 ausgebildet. Mittels dieser Lichtleiter 205 wird Licht aus der Lichtquelle des Grundgeräts 201 zum Messkopf 100 geleitet. Ferner dienen diese Lichtleiter 205 dazu, Lichtsignale von zu messenden Proben 16 an das Grundgerät 201 zu übermitteln. Zur Auswertung dieser Lichtsignale ist im Grundgerät 201 ein Detektor vorgesehen, der die an ihn übermittelten Lichtsignale in ein Spektrum umsetzt. Der Bildschirm 202 dient zur Anzeige der spektroskopisch erhaltenen Daten. Die zu messenden Proben 16 werden auf einem Förderband 206 unterhalb des Messkopfs 100 vorbeigeführt. Der Messkopf 100 kann durch einen Benutzer jeweils auf die zu messenden Proben 16 aufgesetzt werden und entsprechende Messungen auf den Proben 16 vornehmen. Die durch diese Messungen erhaltenen spektroskopischen Daten werden in Echtzeit ausgewertet und auf dem Bildschirm 202 dargestellt.
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Das Spektrometer der Messapparatur 200 ist ein laserinduziertes Plasmaspektrometer. Auf diese Weise ist es möglich, die Zusammensetzung der zu messenden Proben 16 in Echtzeit auf den Monitor 202 dargestellt zu bekommen. Eine solche spektrometrische Anordnung eignet sich beispielsweise zur schnellen Analyse der Zusammensetzung von Beton, Schlacke, anderen Gesteinsproben oder anderen heterogenen Substanzen. Durch eine schnelle Messung eines definierten Messfeldes auf jeder zu messenden Probe 16, ohne dabei den Messkopf 100 beziehungsweise die Messkopfspitze 1 von der zu messenden Probe anzuheben, können sehr verlässliche Daten zu der zu messenden Probe gewonnen werden. Auf diese Weise ist es möglich, auch bei einem hohen Probendurchsatz die Zusammensetzung der zu messenden Proben 16 zuverlässig, mit hoher Genauigkeit und reproduzierbar zu bestimmen. Dies ermöglicht es, heterogen zusammengesetzte Substanzen, wie etwa verschiedene Betonarten, nach ihrer jeweiligen Zusammensetzung zu sortieren und auf diese Weise besser wiederverwertbare Materialpools zu schaffen.
