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Die Erfindung betrifft Vorrichtung zum Detektieren von Fremdkörpern in einem fließfähigen Medium in einem Behälter.
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Eine neuere Entwicklung im Bereich der Sensorik stellen sogenannte Quantensensoren dar, bei welchen unterschiedlichste Quanteneffekte zur Bestimmung verschiedener physikalischer und/oder chemischer Messgrößen ausgenutzt werden. Im Bereich der industriellen Prozessautomatisierung sind solche Ansätze insbesondere mit Hinblick auf ein zunehmendes Bestreben zur Miniaturisierung bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit der jeweiligen Sensoren interessant.
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Quantensensoren basieren darauf, dass bestimmte Quantenzustände einzelner Atome sehr genau kontrolliert und ausgelesen werden können. Auf diese Weise sind beispielsweise präzise und störungsarme Messungen von elektrischen und/oder magnetischen Feldern sowie Gravitationsfeldern mit örtlichen Auflösungen im Nanometerbereich möglich. In diesem Zusammenhang sind verschiedene Spin-basierte Sensoranordnungen bekannt geworden, für welche atomare Übergänge in Kristallkörpern zur Detektion von Änderungen von Bewegungen, elektrischen und/oder magnetischen Feldern oder auch Gravitationsfeldern eingesetzt werden. Darüber hinaus sind auch unterschiedliche auf quantenoptischen Effekten basierende Systeme bekannt geworden, wie beispielsweise Quantengravimeter, NMR Gyroskope oder optisch gepumpte Magnetometer, wobei insbesondere letztere u.a. auf Gaszellen basieren.
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Beispielsweise sind im Bereich Spin-basierter Quantensensoren verschiedene Vorrichtungen bekannt geworden, welche atomare Übergänge, beispielsweise in verschiedenen Kristallkörpern, ausnutzen, um bereits geringe Änderungen von Bewegungen, elektrischen und/oder magnetischen Feldern oder auch Gravitationsfeldern zu erkennen. Typischerweise wird als Kristallkörper Diamant mit zumindest einer Stickstoff-Fehlstelle, Siliziumcarbid mit zumindest einer Silizium-Fehlstelle oder hexagonales Bornitrid mit zumindest einem Fehlstellen-Farbzentrum verwendet. Die Kristallkörper können grundsätzlich eine oder mehrere Fehlstellen aufweisen.
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Aus der
DE 10 2017 205 099 A1 ist eine Sensorvorrichtung mit einem Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle, einer Lichtquelle, einer Hochfrequenzeinrichtung zum Beaufschlagen des Kristallkörpers mit einem Hochfrequenzsignal, und einer Detektionsvorrichtung zur Detektion eines magnetfeldabhängigen Fluoreszenzsignals bekannt geworden. Die Lichtquelle ist auf einem ersten Substrat und die Detektionseinrichtung auf einem zweiten Substrat angeordnet, während die Hochfrequenzeinrichtung und der Kristallkörper auf beiden, miteinander verbundenen Subtraten angeordnet sein können. Als Messgrößen kommen externe Magnetfelder, elektrische Ströme, eine Temperatur, mechanischen Spannung oder ein Druck in Frage. Eine ähnliche Vorrichtung ist aus der
DE 10 2017 205 265 A1 bekannt geworden.
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Die
DE 10 2014 219 550 A1 beschreibt einen Kombinationssensor zur Erfassung von Druck, Temperatur und/oder Magnetfeldern, wobei das Sensorelement eine Diamantstruktur mit zumindest einem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum aufweist.
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Die
DE 10 2018 214 617 A1 offenbart eine Sensoreinrichtung, welche ebenfalls einen Kristallkörper mit einer Anzahl von Farbzentren, bei welcher zur Steigerung der Effektivität und zur Miniaturisierung verschiedene optische Filterelemente verwendet werden.
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Aus der bisher unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
10 2020 123 993.9 ist eine Sensorvorrichtung bekannt geworden, welche anhand eines Fluoreszenzsignals eines Kristallkörper mit zumindest einer Fehlstelle eine Prozessgröße eines Mediums auswertet. Zudem wird anhand einer mit dem Magnetfeld im Zusammenhang stehenden Größe, wie beispielsweise der magnetischen Permeabilität oder magnetischen Suszeptibilität, eine Zustandsüberwachung des jeweiligen Prozesses durchgeführt. Aus der ebenfalls bisher unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
10 2021 100223.0 ist darüber hinaus ein Grenzstandsensor bekannt geworden, bei welchem anhand der Fluoreszenz eine Aussage über einen Grenzstand ermittelt wird.
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Viele aus dem Stand der Technik bekannte Messprinzipien erlauben eine Charakterisierung des jeweiligen Mediums hinsichtlich seiner magnetischen und/oder elektrischen Eigenschaften. In diesem Zusammenhang werden sowohl invasive Messgeräte, bei welchem die jeweilige Sensoreinheit in direkten Kontakt mit dem jeweiligen Medium gebracht wird, als auch nicht-invasive Messgeräte, bei welchem die Prozessgröße außerhalb des Behälters erfasst wird, verwendet. Nicht-invasive Messgeräte bieten grundsätzlich den Vorteil, dass kein Eingriff in den Prozess notwendig ist. Allerdings sind derartige Messgeräte bisher nur begrenzt verfügbar, da hinsichtlich der erreichbaren Messgenauigkeit und möglichen Störeinflüssen, beispielsweise durch die Behälterwandung oder die Umgebung, viele verschiedene Faktoren, insbesondere die Messgenauigkeit betreffend, berücksichtigt werden müssen.
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Ein weiteres Bestreben besteht in der fortlaufenden Miniaturisierung bei gleichzeitiger Steigerung der Leistungsfähigkeit der jeweiligen Sensoren. So sind solche Sensoren wünschenswert, die eine umfassende Charakterisierung des jeweiligen Mediums hinsichtlich vieler unterschiedlicher physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften ermöglichen. Hinsichtlich magnetischer und/oder elektrischer Eigenschaften sind in diesem Zusammenhang präzise Einrichtungen zur Erfassung von Änderungen von magnetischen Feldern, magnetischen Feldern, und je nach Sensortyp ggf. auch Gravitationsfeldern erforderlich. Bisher wurden derartige Sensoren noch nicht für die Detektion von Fremdkörpern in einem fließfähigen Medium eingesetzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Lösung zur Detektion von Fremdkörpern bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtung nach Anspruch 1.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Detektieren von Fremdkörpern in einem fließfähigen Medium in einem Behälter, insbesondere einem Tank, einem Messrohr oder einer Rinne, umfasst:
- - eine erste magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines ersten Magnetfeldes mit einer ersten magnetischen Flussdichte;
- - eine magnetfeldsensitive Vorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, ein mikrowellenfrei (d.h. ohne Beteiligung von Mikrowellen) ermitteltes Messsignal, insbesondere ein Fluoreszenzsignal bereitzustellen, welches mit einer Änderung und/oder einer Stärke eines erzeugten Magnetfelds korreliert,
wobei die magnetfeldsensitive Vorrichtung einen Kristallkörper mit zumindest einem Fehlstellen-Zentrum umfasst,
wobei die magnetfeldsensitive Vorrichtung eine optische Anregungsvorrichtung zur optischen Anregung des Kristallkörpers und eine optische Detektionsvorrichtung zur Detektion des Messsignales, insbesondere des Fluoreszenzsignales aufweist; und - - eine Auswerteschaltung, welche dazu eingerichtet ist, die Anwesenheit eines Fremdkörpers im Medium anhand des von der magnetfeldsensitiven Vorrichtung bereitgestellten Messsignales zu ermitteln.
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Die magnetfeldsensitive Messvorrichtung und die Auswerteschaltung sind dazu eingerichtet, ein Messsignal bereitzustellen, dass mit einer physikalischen Eigenschaft des Mediums korreliert, um abhängig davon die Anwesenheit eines Fremdkörpers im Medium zu bestimmen. Die optische Anregungsvorrichtung ist für das Anregen des Kristallkörpers dazu eingerichtet, ein optisches Anregungssignal, insbesondere Licht mit einer festen Frequenz, zu erzeugen, um das Fehlstellen-Zentrum im Kristallkörper zu polarisieren. Alternativ können auch eine Vielzahl an Fehlstellen-Zentren im Kristallkörper vorhanden sein. Die optische Detektionsvorrichtung ist dazu eingerichtet, dass von dem Kristallkörper emittierte Fluoreszenzsignal zu detektieren und ein Messsignal bereitzustellen, welches die Intensität des Fluoreszenzsignales umfasst. Dafür eignet sich beispielsweise eine Photodiode in Kombination mit einem Lock-In Verstärker als optische Detektionsvorrichtung. Optional können Filter und Spiegel sowie weitere optische Elemente eingesetzte werden, um ein Anregungslicht zum Kristallkörper und/oder das Fluoreszenzsignal hin zur Detektionsvorrichtung zu lenken. Anstelle eines Kristallkörpers kann auch eine Vielzahl an Kristallkörpern in Form einer Kristallkörper-Beschichtung vorgesehen sein.
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Die Vorrichtung zum Detektieren von Fremdkörpern weist keine Mikrowellenquelle auf und ist dazu eingerichtet, die Anwesenheit von Fremdkörpern ausschließlich basierend auf ein mikrowellenfrei, d.h. ein, ohne Beteiligung von Mikrowellen ermitteltes Messsignal zu ermitteln. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Detektieren von Fremdkörpern ist besonders in Anwendungen in denen keine Mikrowellenquellen eingesetzt werden dürfen oder in denen leitfähige Strukturen sind vorteilhaft.
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Vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung umfasst:
- - eine zweite magnetfelderzeugende Vorrichtung zum Erzeugen eines zweiten Magnetfeldes mit einer oszillierenden magnetischen Flussdichte,
wobei das zweite Magnetfeld mit einer ersten Frequenz in seiner Flussdichte oszilliert und mit einem Oszillator moduliert wird.
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Bei der zweiten magnetfelderzeugenden Vorrichtung kann es sich zum Beispiel um eine Spule handeln, die dazu eingerichtet ist, eine geringe Modulation des Magnetfeldes zu erzeugen. Dafür weist die zweite magnetfelderzeugende Vorrichtung eine Stromzufuhr mit einem Oszillator bzw. einen Wechselstromgenerator auf. Somit lässt sich die magnetische Flussdichte um die zu beobachtende erste magnetische Flussdichte scannen.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Kristallkörper einen Diamanten mit zumindest einem Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum umfasst.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste magnetfelderzeugende Vorrichtung mindestens eine Spule umfasst,
wobei eine Betriebsschaltung dazu eingerichtet ist, die mindestens eine Spule mit einem Betriebssignal zu betreiben zum Erzeugen des Magnetfeldes mit mindestens einer ersten magnetischen Flussdichte.
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Die Betriebsschaltung weist eine einstellbare Stromzufuhr auf, mit der die erste magnetische Flussdichte erzeugt wird. Der Spulenstrom kann immer dann angepasst werden, wenn auf Grund durch Störungen von Fremdkörpern die an der magnetfeldsensitiven Messvorrichtung vorliegende magnetische Flussdichte nicht der ersten magnetischen Flussdichte entspricht. Derartige Störungen machen sich im Messsignal beispielsweise dadurch bemerkbar, dass das Minimum bzw. Maximum der Intensität nicht mehr innerhalb des gescannten Magnetfeldbereiches liegt.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung umfasst:
- - eine Reglerschaltung, die dazu eingerichtet ist, das Betriebssignal so zu regeln, dass das Messsignal einen Extremwert, insbesondere ein bevorzugt absolutes, Maximum bzw. Minimum annimmt bzw. aufweist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die erste magnetische Flussdichte aus einem Flussdichtenbereich ausgewählt ist, welcher im Fehlstellen-Zentrum zu Grundzustand Zeeman-Unterniveau Entartung und Vermischung führt.
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Die Ausgestaltung macht sich die Eigenschaften des Anti-Crossing Grundzustands zu Nutze, welcher auch ohne zusätzlich aufgeprägten externen Mikrowellensignal sehr deutlich sichtbar ist und welches sehr sensitiv gegenüber externe Magnetfelder bzw. Magnetfeldänderungen ist.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung umfasst:
- - eine Befestigungsvorrichtung zum Anbringen zumindest der ersten magnetfelderzeugenden Vorrichtung und der magnetfeldsensitiven Vorrichtung an einer Außenfläche des Behälters.
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Da die erste magnetfeldsensitive Messvorrichtung nicht notwendigerweise mediumsberührend sein muss, ergibt sich die Möglichkeit zur Realisierung einer Clamp-On Vorrichtung, die an bestehende Rohrleitungen anbringbar ist. Dies hat den Vorteil, dass die Vorrichtungen an die Messstellen montiert oder Vorrichtungen ausgewechselt werden können, ohne dass bestehende Prozesse unterbrochen werden müssen. Eine mechanische trennbare Verbindung der Vorrichtung am Führungskörper schließt eine stoffschlüssige Verbindung einzelner Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die erste magnetfelderzeugende Vorrichtung und/oder die magnetfeldsensitive Messanordnung über eine lösbare Klemmverbindung mit dem Behälter verbunden. Die zweite magnetfelderzeugende Vorrichtung kann ebenfalls über eine lösbare Klemmverbindung mit dem Behälter verbunden sein.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Vorrichtung umfasst:
- - ein Gehäuse zum mediumsberührenden Anordnen in dem Medium,
wobei zumindest die erste magnetfelderzeugenden Vorrichtung und die magnetfeldsensitive Vorrichtung im Gehäuse angeordnet sind.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
- 1: ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes NV-Zentrum im Diamant;
- 2: einen Längsschnitt durch eine Ausgestaltung der Messanordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Analyse von Fremdkörpern; und
- 3: die Intensität des Fluoreszenzsignales in Abhängigkeit eines vorliegenden Magnetfeldes.
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In 1 ist ein vereinfachtes Energieschema für ein negativ geladenes Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV-Zentrum) in einem Diamanten gezeigt, um die Anregung und die Fluoreszenz einer Fehlstelle in einem Kristallkörper beispielhaft zu erläutern. Die folgenden Überlegungen lassen sich auf andere Kristallkörper mit entsprechenden Fehlstellen übertragen.
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Im Diamant ist typischerweise jedes Kohlenstoffatom mit vier weiteren Kohlenstoffatomen kovalent verbunden. Ein Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum (NV-Zentrum) besteht aus einer Fehlstelle im Diamantgitter, also einem unbesetzten Gitterplatz, und einem Stickstoffatom als einem der vier Nachbaratome. Insbesondere die negativ geladenen NV--Zentren sind für die Anregung und Auswertung von Fluoreszenzsignalen von Bedeutung. Im Energieschema eines negativ geladenen NV-Zentrums findet sich neben einem Triplett-Grundzustand 3A ein angeregter Triplett-Zustand 3E, welche jeweils drei magnetische Unterzustände ms = 0, ±1 aufweisen. Weiterhin befinden sich zwei metastabile Singulett-Zustände 1A und 1E zwischen dem Grundzustand 3A und dem angeregten Zustand 3E. In Abwesenheit eines externen Magnetfelds tritt eine Aufspaltung der beiden Zustände ms = +/-1 von dem Grundzustand ms = 0 auf, welche als Nullfeldaufspaltung Δ bezeichnet wird und welche abhängig von der Temperatur T ist.
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Durch Anregungslicht 1 aus dem grünen Bereich des sichtbaren Spektrums, also z.B. ein Anregungslicht 1 mit einer Wellenlänge von 532 nm, findet eine Anregung eines Elektrons aus dem Grundzustand 3A in einen Vibrationszustand des angeregten Zustand 3E statt, welches unter Aussenden eines Fluoreszenz-Photons 2 mit einer Wellenlänge von 630 nm in den Grundzustand 3A zurückkehrt. Dieses Fluoreszenzsignal ist ein Maß für die Nullfeldaufspaltung Δ und kann zur Bestimmung und/oder Überwachung der Temperatur T herangezogen werden.
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Ein angelegtes Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte B führt zu einer Aufspaltung (Zeeman-Splitting) der magnetischen Unterzustände, so dass der Grundzustand aus drei energetisch separierten Unterzuständen besteht, von denen jeweils eine Anregung erfolgen kann. Die Intensität des Fluoreszenzsignals ist jedoch abhängig von dem jeweiligen magnetischen Unterzustand, von dem aus angeregt wurde, so dass anhand des Abstands der Fluoreszenzminima beispielsweise die magnetische Flussdichte B mithilfe der Zeeman-Formel berechnet werden kann. Die magnetische Flussdichte B wird durch die Kernspins des Mediums 4 modifiziert oder ergibt sich aus diesen. Dieses Prinzip macht man sich in Magnetfeld-Messvorrichtungen mit einer mikrowellenerzeugenden Vorrichtung zu nutze, In dem Fall werden somit die magnetische Flussdichte bzw. geringste Änderungen der magnetischen Flussdichte ermittelt. In der vorliegenden Erfindung macht man sich jedoch die Eigenschaften der ground-state level anti-crossing (GSLAC) zu nutze (siehe Erläuterungen zu 3). Für weitere Details dazu wird auf die Veröffentlichungen „Microwave-free magnetometry with nitrogen-vacancy centers in diamond“ von Wickenbrock et al. und „NV-NV electron-electron spin and NV-NS electron - electron and electron-nuclear spin interaction in diamond“ von Armstrong et al. Bezug genommen.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind weitere Möglichkeiten der Auswertung des Fluoreszenzsignals vorgesehen, wie beispielsweise die Auswertung der Intensität des Fluoreszenzlichts, welche dem angelegten Magnetfeld ebenfalls proportional ist. Eine elektrische Auswertung wiederum kann beispielsweise über eine Photocurrent Detection of Magnetic Resonance (engl. kurz PDMR) erfolgen. Alternativ können wie bereits beschrieben verschiedene Anrege-Abfragesequenzen zur gezielten Kontrolle und Manipulation der Kernspins eingesetzt werden. Neben diesen Beispielen zur Auswertung des Fluoreszenzsignals sind noch weitere Möglichkeiten vorhanden, welche ebenfalls unter die vorliegende Erfindung fallen.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Ausgestaltung einer Messanordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Analyse von Fremdkörpern in einem fließfähigen Medium auf der Basis einer Messung von magnetischen Kernspinresonanzen mit einer detaillierteren Darstellung der magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3. Die Vorrichtung zur Analyse von Fremdkörpern umfasst ein Gehäuse 12, das mediumsberührend in einer Öffnung eines Behälters, in dem Fall eines Messrohres 5, zum Führen eines fließfähigen Mediums angeordnet ist. Alternativ kann auch eine Vorrichtung mit einem Gehäuse 12 vorgesehen sein, das an einer Außenfläche des Messrohres 5 angeordnet ist. Im Gehäuse 12 ist zumindest die magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 angeordnet. In der abgebildeten Ausgestaltung ist ebenfalls die Auswerteschaltung 4, die Betriebsschaltung 9 und die Reglerschaltung 6 in dem Gehäuse 12 untergebracht. Die genannten Schaltungen 4, 6, 9 können sich jedoch auch außerhalb des Gehäuses 12 befinden und mit der magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 über ein Kabel oder kabellos kommunizieren. Die Auswerteschaltung 4 ist dazu eingerichtet, das Vorliegen von Fremdkörpern im Medium in Abhängigkeit von einem bereitgestellten Messsignal oder einem Regelverhalten zu bestimmen. Dafür macht es sich zunutze, dass die Fremdkörper das an der magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 vorliegende Magnetfeld stören und somit das Messsignal beeinflussen bzw. ein Nachregeln notwendig machen. Das Messsignal kann beispielsweise eine Signalstärke in Abhängigkeit des anliegenden Magnetfeldes sein. Die magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 umfasst eine Messvorrichtungskomponente mit einem Kristallkörper 11 - in dem Fall einen Diamanten -, welcher zumindest ein Fehlstellen-Zentrum aufweist. Erfindungsgemäß wird die magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 mikrowellenfrei betrieben. Der Kristallkörper 11 ist zumindest teilweise im Bereich einer Wandung des Behälters 5 angeordnet. Außerdem umfasst die magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 eine optische Anregungsvorrichtung 7, die dazu eingerichtet ist, den Kristallkörper 11 optisch anzuregen und eine optische Detektionsvorrichtung 10, die dazu eingerichtet ist, ein Messsignal bereitzustellen, welches mit einem vom Kristallkörper 11 emittierten Fluoreszenzsignales, insbesondere Licht, korreliert. Bei dem Kristallkörper 11 handelt es sich um einen Diamanten mit zumindest einer Stickstoff-Fehlstelle. Die optische Anregungsvorrichtung 7 und/oder die optische Detektionsvorrichtung 10 können im Bereich der Wandung oder außerhalb des Behälters 5 angeordnet sein. In der abgebildeten Ausgestaltung ragt lediglich die Auswerteschaltung 4 nicht in den Behälter hinein oder schließt mit der Wandung des Behälters ab.
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Die Auswerteschaltung 4 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, Fremdkörper zu detektieren. Befindet sich ein Fremdkörper im Medium so stört dieser Fremdkörper das an der magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3 vorliegende Magnetfeld. Handelt es sich bei dem Fremdkörper um (ferro-/dia-)magnetische Fremdkörper so wird das Magnetfeld in unmittelbarer Nähe zur magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3 gestört und das erste Magnetfeld muss nachgeregelt werden, damit das Minimum bzw. das Maximum im Messsignal detektierbar wird. Handelt es sich bei dem Fremdkörper um einen (para-)magnetischen Fremdkörper so minimiert dessen Anwesenheit im Medium das aus den Wirbelströme erzeugte Magnetfeld. In diesem Fall muss die Reglerschaltung 6 ebenfalls das Magnetfeld so nachregeln, dass das Minimum bzw. das Maximum im Messsignal detektierbar wird bzw. das erste Magnetfeld an der magnetfeldsensitiven Messvorrichtung 3 vorliegt.
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Ebenfalls im Gehäuse 12 angeordnet ist eine Vorrichtung 8 zum Erzeugen eines veränderlichen ersten Magnetfeldes. Die Vorrichtung 8 umfasst in der abgebildeten Ausgestaltung eine Spule, welche dazu eingerichtet ist, ein im Wesentlichen konstantes erstes Magnetfeld im Medium zu erzeugen. Dafür wird sie mit einer Betriebsschaltung 9 betrieben, die eine Stromversorgung umfasst. Die erste magnetische Flussdichte ist aus einem Flussdichtenbereich ausgewählt, welcher - wenn ein Magnetfeld mit entsprechender magnetischen Flussdichte daraus erzeugt werden - im Fehlstellen-Zentrum zu Grundzustand Zeeman-Unterniveau Entartung and Vermischung führt. Der Flussdichtenbereich weist beispielsweise eine untere Grenze auf, die größer als 95 mT, insbesondere größer als 98 mT und bevorzugt größer als 101 mT ist. Ebenfalls weist der Flussdichtenbereich eine obere Grenze auf, die kleiner als 110 mT, insbesondere kleiner als 107 mT und bevorzugt kleiner als 104 mT ist.
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Eine zweite magnetfelderzeugende Vorrichtung 2 zum Erzeugen eines zweiten Magnetfeldes, ist in der abgebildeten Ausgestaltung außerhalb des Gehäuses 12 angeordnet. Jedoch kann sich die zweite magnetfelderzeugende Vorrichtung 2 ebenfalls im Gehäuse 12 befinden. Das erzeugte zweite Magnetfeld oszilliert mit einer ersten Frequenz und wird mit einem Oszillator 13 moduliert.
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Eine Reglerschaltung 6 ist dazu eingerichtet, das Betriebssignal so zu regeln, dass das Messsignal ein, insbesondere absolutes, Maximum bzw. Minimum - abhängig davon ob zum Beispiel die Fluoreszenz-Signalstärke oder ein Absolutbetrag davon betrachtet wird - annimmt bzw. aufweist. In dem Fall liegt an der magnetfeldsensitive Messvorrichtung 3 die erste magnetische Flussdichte plus einen aufmodulierten Beitrag durch die zweite magnetfelderzeugende Vorrichtung vor.
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Alternativ kann die Vorrichtung eine Befestigungsvorrichtung (nicht in 2 abgebildet) zum Anbringen zumindest der ersten magnetfelderzeugenden Vorrichtung 8 und der magnetfeldsensitiven Vorrichtung 3 an einer Außenfläche des Behälters aufweisen.
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3 zeigt die Intensität des Fluoreszenzsignales in Abhängigkeit der mittels der ersten und zweiten magnetfelderzeugenden Vorrichtung erzeugten, magnetischen Flussdichte. Die kontinuierliche Abnahme der Intensität ist der Abnahme des durch nicht-orientierte Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum emittierten Lichtes zuzuschreiben. Das erste lokale Minimum (NV-P1) bei einer niedrigen magnetischen Flussdichte korrespondiert mit Cross-Relaxation Ereignissen zwischen Stickstoff-Fehlstellen-Zentren und Verunreinigungen in Form von Stickstoffatomen im Kristallkörper. Das zweite lokale Minimum bei mittlerer magnetischer Flussdichte ist zurückzuführen auf Cross-Relaxation mit Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-NV) die nicht parallel zu den Feldlinien des Magnetfeldes verlaufen. Bei hohen magnetischen Flussdichten taucht ein weiteres Minimum auf, das Cross-Relaxation Ereignissen mit Kernspins benachbarter Stickstoffverunreinigungen oder 13C Atomen (ground-state level anti-crossing, GSLAC) zuzuordnen sind. Wie aus der 3 eindeutig zu erkennen ist, sind derartige Ereignisse äußerst empfindlich gegenüber Magnetfeldstörungen. Die vorliegende Erfindung macht sich diese Empfindlichkeit zu nutze.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017205099 A1 [0005]
- DE 102017205265 A1 [0005]
- DE 102014219550 A1 [0006]
- DE 102018214617 A1 [0007]
- DE 102020123993 [0008]
- DE 102021100223 [0008]
