DE102022123349A1

DE102022123349A1 - Partikelsensor und Verfahren zum Detektieren von Partikeln

Info

Publication number: DE102022123349A1
Application number: DE102022123349.9A
Authority: DE
Inventors: Helge Hattermann
Original assignee: QAnt GmbH
Current assignee: QAnt GmbH
Priority date: 2022-09-13
Filing date: 2022-09-13
Publication date: 2024-03-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Partikelsensor (1), umfassend: eine Lichtbereitstellungseinrichtung (2), die zur Erzeugung und zur Führung eines ersten Lichtstrahls (5a) und eines zweiten Lichtstrahls (5b) in ein für Partikel (P) zugängliches Messvolumen (4) ausgebildet ist, eine Detektoreinrichtung (3), die einen ersten Photodetektor (10a) zur Detektion eines Intensitätssignals (I1) des ersten Lichtstrahls (5a) nach dem Durchlaufen des Messvolumens (4) sowie einen zweiten Photodetektor (10b) zur Detektion eines Intensitätssignals (I2) des zweiten Lichtstrahls (5b) nach dem Durchlaufen des Messvolumens (4) aufweist, wobei der Partikelsensor (1) ausgebildet ist, anhand eines aus dem Intensitätssignal (I1) des ersten Lichtstrahls (5a) und dem Intensitätssignal (I2) des zweiten Lichtstrahls (5b) gebildeten Differenzsignals (ΔI) Partikel (P) in dem Messvolumen (4) zu detektieren, insbesondere zu charakterisieren. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Detektieren, insbesondere zum Charakterisieren, von Partikeln (P).

Description

Die Erfindung betrifft einen (optischen) Partikelsensor sowie ein Verfahren zum Detektieren, insbesondere zum Charakterisieren, von Partikeln.
Partikelsensoren dienen zur Detektion, insbesondere zur Charakterisierung, von Partikeln. Im Sinne dieser Anmeldung wird unter der Charakterisierung von Partikeln die Bestimmung von Eigenschaften der Partikel verstanden, die über die bloße Detektion des Vorhandenseins eines oder mehrerer Partikel in einem Messvolumen hinausgeht. Die Charakterisierung der Partikel kann beispielsweise die Bestimmung einer Partikelposition, einer Partikelgeschwindigkeit, einer Partikelbeschleunigung, einer Partikeltrajektorie und/oder einer Partikelgröße umfassen. Die Charakterisierung von Partikeln ist für viele Branchen, wie Chemie-, Pharma- oder Halbleiterindustrie von hoher Relevanz. Für manche Anwendungen ist es jedoch ausreichend, wenn lediglich eine Detektion der Partikel erfolgt, beispielsweise wenn geprüft werden soll, ob bzw. in welchem Maß ein Gas mit Partikeln kontaminiert ist.
Aus der EP0094374 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Masse von Aerosolteilchen in gasförmigen Proben bekannt geworden. Bei dem Verfahren werden eine gasförmige Probe sowie ein Vergleichsvolumen mit elektromagnetischer Strahlung durchstrahlt und die von der Probe verursachte Absorption wird als Differenz der Strahlungsintensitäten nach Durchgang durch die Probe bzw. durch das Vergleichsvolumen gemessen. Bei der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens führt ein Strahlteiler die Strahlung einer gemeinsamen Strahlungsquelle der Probe und dem Vergleichsvolumen zu. In einem Ausführungsbeispiel ist im Strahlengang nach dem Prüf- bzw. Vergleichsvolumen je ein eigener Detektor angeordnet. Die beiden Detektoren stehen mit einer vorzugsweise nur die Differenz der Signale der beiden Detektoren registrierenden Auswerteschaltung in Verbindung.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Partikelsensor und ein Verfahren bereitzustellen, die eine verbesserte Detektion, insbesondere Charakterisierung, von Partikeln ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Partikelsensor, umfassend: eine Lichtbereitstellungseinrichtung, die zur Erzeugung und zur Führung eines ersten Lichtstrahls und eines zweiten Lichtstrahls in ein für Partikel zugängliches Messvolumen ausgebildet ist, eine Detektoreinrichtung zur Detektion eines jeweiligen Intensitätssignals der beiden Lichtstrahlen nach dem Durchlaufen des Messvolumens, wobei der Partikelsensor ausgebildet ist, anhand eines aus dem Intensitätssignal des ersten Lichtstrahls und dem Intensitätssignal des zweiten Lichtstrahls gebildeten Differenzsignals Partikel in dem Messvolumen zu detektieren, insbesondere zu charakterisieren, beispielsweise indem eine Partikelposition und/oder eine Partikelgröße der Partikel bestimmt wird.
Grundsätzlich können das Intensitätssignal des ersten Lichtstrahls und das Intensitätssignal des zweiten Lichtstrahls von ein- und demselben Photodetektor detektiert werden, der die beiden Intensitätssignale an unterschiedlichen Positionen, d.h. räumlich getrennt, erfasst.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Detektionseinrichtung einen ersten Photodetektor zur Detektion des Intensitätssignals des ersten Lichtstrahls nach dem Durchlaufen des Messvolumens und einen zweiten Photodetektor zur Detektion des Intensitätssignals des zweiten Lichtstrahls nach dem Durchlaufen des Messvolumens.
Wenn ein Partikel durch einen Lichtstrahl fliegt, der mit einer vorgegebenen Intensitätsverteilung einen Messvolumen durchläuft, das für Partikel zugänglich ist, streut, reflektiert und/oder absorbiert der Partikel einen Teil der Intensität des Lichtstrahls. Bei einem Partikelsensor, der auf Lichtextinktion beruht, wird die verbleibende Intensität des Lichtstrahls, nachdem dieser das Messvolumen durchlaufen hat, von einem Photodetektor erfasst. Beim hier beschriebenen Partikelsensor dient die Lichtbereitstellungseinrichtung dazu, zwei Lichtstrahlen zu erzeugen und dem Messvolumen zuzuführen, deren Intensitätssignale getrennt voneinander von jeweils einem Photodetektor detektiert werden.
Bei dem hier beschriebenen Partikelsensor wird aus den beiden Intensitätssignalen ein Differenzsignal gebildet, das für die Detektion bzw. für die Charakterisierung der Partikel verwendet wird. Bei dem Differenzsignal handelt es sich typischerweise um ein Differenzsignal aus einem ersten elektrischen Signal, das dem Intensitätssignal entspricht, das von dem ersten Photodetektor detektiert wird, und einem zweiten elektrischen Signal, das dem Intensitätssignal entspricht, das von dem zweiten Photodetektor detektiert wird. Die Bildung des Differenzsignals kann mittels Analogtechnik erfolgen oder nach einer Analog-zu-Digital-Konversion des ersten und des zweiten elektronischen Signals mit Hilfe von Digitaltechnik. Für den Fall, dass der erste und zweite Lichtstrahl aus einem gemeinsamen Primärlichtstrahl erzeugt werden (s.u.), kann durch die Bildung des Differenzsignals der Einfluss von Fluktuationen der Intensität der Primärlichtquelle bei der Detektion eliminiert und das Signal-zu-Rauschverhältnis erhöht werden, was insbesondere bei der Detektion kleiner Teilchen vorteilhaft ist.
Anders als in der Vorrichtung, die in der EP0094374 A1 beschrieben ist, durchlaufen bei dem hier beschriebenen Partikelsensor beide Lichtstrahlen ein- und dasselbe Messvolumen. Dies ermöglicht die Charakterisierung bestimmter Eigenschaften der Partikel, beispielsweise der Partikelposition beim Durchtritt durch das Messvolumen, sowie eine verbesserte Bestimmung der (mittleren) Partikelgröße. Der hier beschriebene Partikelsensor ist insbesondere dazu geeignet, schnell propagierende Partikel mit Geschwindigkeiten von mehr als 100 m/s zu detektieren. Das Messvolumen kann vergleichsweise groß gewählt werden, um auch geringe Partikelkonzentrationen detektieren zu können. Wie weiter oben beschrieben wurde, können die Photodetektoren hierbei auch an einem jeweiligen Partikel gestreute Strahlung detektieren.
In dem Partikelsensor können unterschiedliche Arten von Photodetektoren verwendet werden. Bei den Photodetektoren kann es sich beispielsweise um Photodioden handeln. Zwei in Serie geschaltete Photodioden bilden eine differentielle Photodiode, die ein analoges Differenzsignal der Photoströme erzeugt, das z.B. mittels eines Transimpedanz-Verstärkers in eine Ausgangsspannung umgewandelt werden kann, die proportional zur Differenz zwischen den beiden Intensitätssignalen ist. Alternativ können die Signale der Photodetektoren nach der Umwandlung in elektrische Signale einem Differenzverstärker zugeführt werden, um das Differenzsignal zu erzeugen.
Bei einer Ausführungsform ist die Lichtbereitstellungseinrichtung ausgebildet, den ersten Lichtstrahl und den zweiten Lichtstrahl entlang einer gemeinsamen Strahlausbreitungsrichtung und mit einem lateralen Versatz, bevorzugt von weniger als 1000 µm, besonders bevorzugt von weniger als 500 µm, quer zur Strahlausbreitungsrichtung in das Messvolumen zu führen. Die beiden Lichtstrahlen werden typischerweise parallel versetzt entlang einer gemeinsamen Strahlausbreitungsrichtung in das Messvolumen geführt. Die Richtung des lateralen Versatzes zwischen den beiden Lichtstrahlen kann der Flugrichtung des zu detektierenden Partikels in dem Messvolumen entsprechen, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Die Flugrichtung bzw. eine mittlere Flugrichtung des bzw. der Partikel durch das Messvolumen kann vorgegeben sein, beispielsweise weil die Partikel in einem Gasstrom enthalten sind, der eine vorgegebene Strömungsrichtung aufweist. Ein Partikel, der eine Flugrichtung aufweist, die in Wesentlichen in Richtung des lateralen Versatzes zwischen den Lichtstrahlen verläuft, kreuzt die beiden Lichtstrahlen zu zwei zeitlich kurz aufeinanderfolgenden Zeitpunkten und erzeugt hierbei jeweils eine Abschwächung des Intensitätssignals an dem jeweiligen Photodetektor, was in einer Intensitätsspitze im zeitlichen Verlauf des Differenzsignals resultiert, da das jeweils andere Intensitätssignal nicht abgeschwächt wird.
Ein geringer lateraler Versatz zwischen den beiden Lichtstrahlen erleichtert es, die Abschwächung der Intensitätssignale einem jeweiligen die Lichtstrahlen kreuzenden Partikel zuzuordnen, da der zeitliche Versatz zwischen den Intensitätsspitzen in diesem Fall ebenfalls sehr klein ist. Zudem unterscheiden sich die Partikelpositionen, an denen der Partikel durch den ersten und zweiten Lichtstrahl hindurchtritt, aufgrund des geringen lateralen Versatzes nur geringfügig. Dies erleichtert bzw. ermöglicht die Bestimmung einer (mittleren) Partikelposition anhand der Intensitätsspitzen des Differenzsignals wie dies weiter unten näher beschrieben ist. Der laterale Versatz sollte nicht zu klein gewählt werden und liegt in der Regel bei mindestens 200 µm.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform weist die Detektoreinrichtung eine Separationseinrichtung zur Separation der beiden lateral versetzten Lichtstrahlen aufweist, um den ersten Lichtstrahl dem ersten Photodetektor und den zweiten Lichtstrahl dem zweiten Photodetektor zuzuführen.
Für den Fall, dass die beiden Lichtstrahlen einen geringen lateralen Versatz von weniger als 1000 µm zueinander aufweisen, beispielsweise einen lateralen Versatz bzw. einen Abstand zwischen 200 µm und 500 µm, ist es in der Regel nicht möglich, die beiden Photodetektoren so nebeneinander zu platzieren, dass die beiden Intensitätssignale unabhängig voneinander von dem ersten und dem zweiten Photodetektor detektiert werden. In diesem Fall ist es günstig, die beiden Lichtstrahlen mit Hilfe einer Separationseinrichtung räumlich zu separieren, bevor diese dem jeweiligen Photodetektor zugeführt werden. Die Separation der beiden Lichtstrahlen kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.
Bei einer Weiterbildung ist die Separationseinrichtung als Polarisationsstrahlteiler oder als dichroitischer Spiegel ausgebildet. In diesem Fall unterscheiden sich die beiden Lichtstrahlen durch eine optische Eigenschaft (Polarisationszustand bzw. Wellenlänge), was die Trennung mit Hilfe eines Polarisationsstrahlteilers bzw. eines dichroitischen Spiegels ermöglicht. Es versteht sich, dass die Lichtstrahlen sich auch in anderen Eigenschaften voneinander unterscheiden können, die eine Separation ermöglichen.
Bei einer alternativen Weiterbildung ist die Separationseinrichtung zur geometrischen Separation des ersten Lichtstrahls und des zweiten Lichtstrahls ausgebildet, bevorzugt als Umlenkeinrichtung, insbesondere als Umlenkspielgel, zur Umlenkung eines der beiden Lichtstrahlen. Die geometrische Separation ermöglicht eine Trennung der beiden Lichtstrahlen unabhängig davon, ob die beiden Lichtstrahlen sich in einer oder mehrerer ihrer Eigenschaften voneinander unterscheiden. Für die geometrische Separation kann beispielsweise ein Umlenkspiegel verwendet werden, dessen Kante zwischen den beiden Lichtstrahlen positioniert ist, sodass einer der beiden Lichtstrahlen an dem Umlenkspiegel zu einem der beiden Photodetektoren reflektiert wird und der andere der beiden Lichtstrahlen nicht abgelenkt wird und auf den anderen Photodetektor trifft.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Lichtbereitstellungseinrichtung eine Strahlteilereinrichtung zur Aufteilung eines Primärlichtstrahls einer Primärlichtquelle auf den ersten Lichtstrahl und den zweiten Lichtstrahl auf. Für den Fall, dass der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl von einer gemeinsamen Primärlichtquelle erzeugt werden, kann durch die differentielle Detektion bzw. durch die Bildung des Differenzsignals der Einfluss von Schwankungen der Intensität der Primärlichtquelle eliminiert und das Signal-zu-Rauschverhältnis erhöht werden.
Die Strahlteilereinrichtung zur Aufteilung des Primärlichtstrahls auf die beiden Lichtstrahlen kann auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein. Beispielsweise kann es sich um einen Polarisationsstrahlteiler handeln, der den Primärlichtstrahl in zwei senkrecht zueinander polarisierte Lichtstrahlen aufteilt. Die Strahlteilereinrichtung kann auch einen oder mehrere teildurchlässige Spiegel aufweisen, um den Primärlichtstrahl auf die beiden Lichtstrahlen aufzuteilen. Auch die Aufteilung mit Hilfe eines akusto-optischen Deflektors oder eines räumlichen Modulators für Licht („Spatial Light Modulator“, SLM) in Kombination mit einer Strahlformungs-Optik ist möglich. Bei der Primärlichtquelle kann es sich beispielsweise um eine LED, eine Superlumineszenzdiode (SLED), eine Laserquelle, etc. handeln.
Bei einer Weiterbildung dieser Ausführungsform sind eine optische Weglänge des ersten Lichtstrahls von der Strahlteilereinrichtung zum ersten Photodetektor und eine optische Weglänge des zweiten Lichtstrahls von der Strahlteilereinrichtung zum zweiten Photodetektor gleich groß. Auf diese Weise korrespondieren die Intensitätssignale der beiden Photodetektoren zu einem jeweiligen Zeitpunkt mit der Intensität und somit mit den Intensitätsfluktuationen des Primärlichtstrahls zu ein- und demselben Zeitpunkt, was das Signal-zu-Rauschverhältnis verbessert.
Generell ist es günstig, wenn das Intensitätssignal des ersten Lichtstrahls, das von dem ersten Photodetektor detektiert wird, und das Intensitätssignal des zweiten Lichtstrahls, das von dem zweiten Photodetektor detektiert wird, gleich groß sind, wenn sich keine Partikel in dem Messvolumen befinden bzw. wenn kein Partikel die beiden Lichtstrahlen kreuzt. Um dies zu gewährleisten, erfolgt typischerweise die Aufteilung der Leistung des Primärlichtstrahls auf die beiden Lichtstrahlen zu gleichen Leistungsanteilen (50 : 50), dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Erforderlichenfalls können optische Attenuatoren in der Lichtbereitstellungseinrichtung oder in der Detektoreinrichtung angeordnet werden, um die Intensitäten der beiden Lichtstrahlen, die auf die Photodetektoren treffen, aneinander anzugleichen.
Bei einer alternativen Ausführungsform weist die Lichtbereitstellungseinrichtung eine erste Laserquelle zur Erzeugung des ersten Lichtstrahls mit einer ersten Wellenlänge und eine zweite Laserquelle zur Erzeugung des zweiten Lichtstrahls mit einer zweiten, von der ersten verschiedenen Wellenlänge auf. In diesem Fall kann auf das Vorsehen einer Separationseinrichtung in der Lichtbereitstellungseinrichtung verzichtet werden. Die beiden Lichtstrahlen werden von der Lichtbereitstellungseinrichtung parallel zueinander ausgerichtet zu dem Messvolumen geführt bzw. in dieses eingestrahlt. In diesem Fall können die beiden Lichtstrahlen in der Detektoreinrichtung z.B. aufgrund ihrer unterschiedlichen Wellenlänge voneinander separiert werden, wozu beispielsweise der weiter oben beschriebene dichroitische Spiegel verwendet werden kann.
In der Regel werden die beiden Lichtstrahlen mittels einer Fokussiereinrichtung bzw. einer Fokussieroptik der Lichtbereitstellungseinrichtung in einer gemeinsamen Fokusebene in dem Messvolumen fokussiert, dies ist aber nicht zwingend erforderlich.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Lichtbereitstellungseinrichtung ausgebildet, die beiden Lichtstrahlen in dem Messvolumen zu fokussieren, wobei der Partikelsensor ausgebildet ist, anhand des Differenzsignals, bevorzugt anhand einer Breite mindestens einer Intensitätsspitze des Differenzsignals, eine Partikelposition in Strahlausbreitungsrichtung der beiden Lichtstrahlen zu bestimmen.
Der Strahlradius w in Abhängigkeit von der Position in Strahlausbreitungsrichtung z der Lichtstrahlen in der Nähe der Fokusebene (z = 0) ist gegeben durch: w(z) = w₀ Sqrt(1 + z² / z_R ²), wobei für z_R (die Rayleighlänge) gilt: z_R = π w₀ ² / λ, wobei λ die Wellenlänge des Lichtstrahls und w₀ den Strahlradius in der Fokusebene (z = 0) bezeichnen. Werden die beiden Lichtstrahlen mittels der Fokussiereinrichtung genau in die Fokusebene in dem Messvolumen fokussiert, nimmt der Strahldurchmesser w(z) seinen minimalen Wert w₀ an. Die Breite einer jeweiligen Intensitätsspitze des Differenzsignals, die beim Durchtritt eines Partikels durch einen jeweiligen Lichtstrahl entsteht, ist ebenfalls minimal, wenn der Partikel in der Fokusebene (z= 0) durch den Lichtstrahl hindurchtritt. Für den Fall, dass der Lichtstrahl in Strahlausbreitungsrichtung zur Fokusebene versetzt durch den Lichtstrahl hindurchtritt, nimmt der Strahldurchmesser w(z) gemäß der obigen Formel und entsprechend auch die Breite der Intensitätsspitze zu. Daher kann anhand der Breite der Intensitätsspitze auf die Position in Strahlausbreitungsrichtung geschlossen werden, an welcher das Partikel die Lichtstrahlen kreuzt.
Die Breite der Intensitätsspitze ist neben der Position in Strahlausbreitungsrichtung auch von der Partikelgeschwindigkeit abhängig. Ist die Geschwindigkeit der Partikel nicht bekannt, kann das Verhältnis aus der (zeitlichen) Breite der Intensitätsspitze des Differenzsignals zum (zeitlichen) Abstand der beiden Intensitätsspitzen in dem Differenzsignal genutzt werden, um die Position in Strahlausbreitungsrichtung zu bestimmen, da der geometrische Abstand bzw. die Größe des lateralen Versatzes zwischen den beiden Lichtstrahlen bekannt ist. Äquivalent kann der (zeitliche) Abstand der beiden Intensitätsspitzen in dem Differenzsignal dazu verwendet werden, um die Partikelgeschwindigkeit zu bestimmen und die Breite der Intensitätsspitzen kann dann dazu genutzt werden, um die Partikelposition in Strahlausbreitungsrichtung zu bestimmen.
Als Maß für die Breite der Intensitätsspitze kann die Halbwertsbreite der Intensitätsspitze verwendet werden, es ist aber auch möglich, ein anderes Maß für die Breite der Intensitätsspitze zu verwenden. Für den Fall, dass der Partikel an zwei (geringfügig) unterschiedlichen Partikelpositionen in Strahlausbreitungsrichtung durch die Lichtstrahlen hindurchtritt, können die Partikelpositionen beim Durchtritt durch die beiden Lichtstrahlen anhand der beiden Intensitätsspitzen bestimmt und durch Mittelwertbildung kann die (gemittelte) Partikelposition in Strahlausbreitungsrichtung der beiden Lichtstrahlen bestimmt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Lichtbereitstellungseinrichtung ausgebildet, längliche Strahlformen den ersten Lichtstrahls und des zweiten Lichtstrahls zu formen, deren Längsrichtungen bevorzugt senkrecht zur Richtung des lateralen Versatzes zwischen den beiden Lichtstrahlen ausgerichtet sind. Unter einer länglichen Strahlform wird verstanden, dass der jeweilige Lichtstrahl eine von einer kreisförmigen Geometrie abweichende Strahlform aufweist, die eine lange Achse und eine kurze Achse aufweist. Bei der länglichen Strahlform kann es sich beispielsweise um eine elliptische oder ovale Strahlform handeln, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. In der Regel ist die lange Achse mindestens um einen Faktor 5, typischerweise mindestens um einen Faktor 10 größer als die kurze Achse. Die Längen der jeweiligen Achsen können über ein gemeinsames Maß für die Intensität bzw. für den Intensitätsabfall des jeweiligen Strahlprofils bzw. der Intensitätsverteilung des Lichtstrahls innerhalb der Strahlform definiert werden, beispielsweise über deren Halbwertsbreite. Bei dem Intensitätsprofil der Lichtstrahlen handelt es sich in der Regel um ein Gauß-förmiges Intensitätsprofil. Die längliche Strahlform dient dazu, in Längsrichtung eine Lichtwand zu erzeugen, die es ermöglicht, Partikel zu detektieren, die an unterschiedlichen Partikelpositionen in Längsrichtung der länglichen Strahlformen den jeweiligen Lichtstrahl kreuzen. Zur Erzeugung der länglichen Strahlform kann die Lichtbereitstellungseinrichtung eine Strahlformungseinrichtung aufweisen, die beispielsweise eine oder mehrere Zylinderlinsen aufweisen kann.
Bei einer Weiterbildung ist die Lichtbereitstellungseinrichtung ausgebildet, die länglichen Strahlformen der beiden Lichtstrahlen in deren Längsrichtung zueinander zu versetzen und der Partikelsensor ist ausgebildet, anhand des Differenzsignals, bevorzugt anhand eines Verhältnisses von zwei Intensitätsmaximalwerten des Differenzsignals, eine Partikelposition in Längsrichtung der länglichen Strahlformen zu bestimmen. Wie weiter oben beschrieben wurde, handelt es sich beim Intensitätsprofil der beiden Lichtstrahlen typischerweise nicht um ein TopHat-Intensitätsprofil, sondern typischerweise um ein Gauß-förmiges Intensitätsprofil oder ein anderes Intensitätsprofil, bei dem die Intensität von einem Maximalwert kontinuierlich abnimmt.
Werden die beiden länglichen Strahlformen nicht entlang von deren Längsrichtung zueinander versetzt, weisen diese an einer jeweiligen Position in Längsrichtung dieselbe Intensität auf. Da der Wert des von den beiden Photodetektoren detektierten Intensitätssignal beim Durchtritt des Partikels auch von der Partikelgröße abhängig ist, kann in diesem Fall nicht festgestellt werden, an welcher Position in Längsrichtung der länglichen Strahlformen der Partikel die Lichtstrahlen durchläuft.
Für den Fall, das die beiden länglichen Strahlformen in Längsrichtung zueinander versetzt sind, weisen die beiden (identischen) Intensitätsprofile an einer jeweiligen Position in Längsrichtung einen jeweils unterschiedlichen Intensitätswert auf. Daher ist es möglich, anhand des Verhältnisses zwischen den beiden Intensitätsmaximalwerten der beiden Intensitätsspitzen des Differenzsignals auf die Position des Partikels in Längsrichtung der beiden länglichen Strahlprofile zu schließen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Partikelsensor ausgebildet, beim Charakterisieren der Partikel aus dem Differenzsignal eine Partikelgröße zu bestimmen, wobei der Partikelsensor bevorzugt ausgebildet ist, bei der Bestimmung der Partikelgröße die Partikelposition in Strahlausbreitungsrichtung und/oder die Partikelposition in Längsrichtung der länglichen Strahlformen zu berücksichtigen.
Die Detektoreinrichtung weist typischerweise eine Auswerteeinheit auf, die ausgebildet ist, anhand des Differenzsignals einen jeweiligen Partikel zu detektieren. Die Signalhöhe bzw. der Intensitätsmaximalwert des Differenzsignals folgt den Gesetzen der Mie-Streuung und ist - eine geeignete Kalibrierung vorausgesetzt - näherungsweise proportional zum Partikelgröße d² des detektierten Partikels, wobei d den (gemittelten) Partikeldurchmesser bezeichnet. Für den Fall, dass der Partikel das Messvolumen in Strahlausbreitungsrichtung versetzt zur Fokusebene durchläuft, nimmt wie weiter oben beschrieben wurde der Intensitätsmaximalwert des Differenzsignals ab und die Halbwertsbreite zu, woraus die Position des Partikels in Strahlausbreitungsrichtung bestimmt werden kann. Ist diese (d.h. die z-Position) bekannt, kann dies bei der Bestimmung der Partikelgröße berücksichtigt werden, indem die Partikelgröße d² wie folgt korrigiert wird: d² (w₀ / w(z)), wobei w₀ und w(z) wie weiter oben beschrieben den Strahldurchmesser in Strahlausbreitungsrichtung der beiden Lichtstrahlen bezeichnen. Entsprechend kann die Partikelgröße auch in Abhängigkeit von der Partikelposition in Längsrichtung der länglichen Strahlformen korrigiert werden, die auf die weiter oben beschriebene Weise bestimmt werden kann. Voraussetzung hierfür ist, dass die Intensitätsverteilung in Längsrichtung der länglichen Strahlformen bekannt ist, was typischerweise der Fall ist oder erforderlichenfalls durch Vermessen des jeweiligen Intensitätsprofils der länglichen Strahlformen bestimmt werden kann.
Das Messvolumen des Partikelsensors kann sich in einer Messkammer befinden, die (gasdicht) gegenüber der Umgebung abgedichtet ist, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Die gasdichte Abdichtung kann beispielsweise erforderlich sein, wenn in der Messkammer ein Vakuum oder ein hoher Druck herrscht, dass in der Messkammer hohe oder niedrige Temperaturen herrschen oder wenn es sich bei der Messkammer um eine Prozesskammer mit chemisch aggressiven Medien handelt. Grundsätzlich kann die Strahlführung der Lichtstrahlern des Partikelsensors in Freistrahlpropagation erfolgen, es ist aber auch möglich, die Lichtstrahlen außerhalb des Messvolumens ganz oder teilweise in optischen Fasern zu führen. Die Lichtstrahlen können mit Hilfe von Faserdurchführungen in bzw. aus der Messkammer geführt werden. Es ist auch möglich, dass Teile der Strahlführung innerhalb der Messkammer angeordnet sind, beispielsweise strahlformende optische Elemente oder dergleichen, die Bestandteile der Strahlbereitstellungseinrichtung bzw. der Detektoreinrichtung bilden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Detektieren, insbesondere zum Charakterisieren, von Partikeln, umfassend: Erzeugen und Führen eines ersten Lichtstrahls und eines zweiten Lichtstrahls in ein für Partikel zugängliches Messvolumen, Detektieren eines Intensitätssignals des ersten Lichtstrahls nach dem Durchlaufen des Messvolumens, Detektieren eines Intensitätssignals des zweiten Lichtstrahls nach dem Durchlaufen des Messvolumens, sowie Detektieren, insbesondere Charakterisieren, von Partikeln in dem Messvolumen anhand eines aus dem Intensitätssignal des ersten Lichtstrahls und dem Intensitätssignal des zweiten Lichtstrahls gebildeten Differenzsignals. Für die Vorteile des hier beschriebenen Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen in Zusammenhang mit dem Partikelsensor verwiesen.
Bei einer Variante werden die beiden Lichtstrahlen in dem Messvolumen fokussiert und anhand des Differenzsignals, bevorzugt anhand einer Breite mindestens einer Intensitätsspitze des Differenzsignals, wird eine Partikelposition in Strahlausbreitungsrichtung der beiden Lichtstrahlen bestimmt. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann ein Versatz der Partikelposition aus der Fokusebene anhand des Differenzsignals bestimmt werden.
Bei einer weiteren Variante werden der erste Lichtstrahl und der zweite Lichtstrahl jeweils zu einer länglichen Strahlform geformt, die in deren Längsrichtung zueinander versetzt sind, und anhand des Differenzsignals, bevorzugt anhand eines Verhältnisses von zwei Intensitätsmaximalwerten des Differenzsignals, wird eine Partikelposition in Längsrichtung der länglichen Strahlformen bestimmt. Wie weiter oben beschrieben wurde, ermöglicht der Versatz der beiden länglichen Strahlformen in deren Längsrichtung die Bestimmung der Partikelposition in Längsrichtung der länglichen Strahlformen.
Bei einer weiteren Variante wird beim Charakterisieren der Partikel aus dem Differenzsignal eine Partikelgröße bestimmt, wobei bevorzugt bei der Bestimmung der Partikelgröße eine Partikelposition in Strahlausbreitungsrichtung der beiden Lichtstrahlen und/oder eine Partikelposition in Längsrichtung der länglichen Strahlformen der beiden Lichtstrahlen berücksichtigt wird. Wie weiter oben in Zusammenhang mit dem Partikelsensor beschrieben wurde, kann für eine korrekte Bestimmung der Partikelgröße die Partikelposition in Strahlausbreitungsrichtung bzw. in Längsrichtung der länglichen Strahlformen berücksichtigt werden.
Es versteht sich, dass beim Charakterisieren der Partikel anhand des Differenzsignals auch andere Eigenschaften der Partikel bestimmt werden können. Beispielsweise kann die Partikelgeschwindigkeit anhand des zeitlichen Abstands zwischen den Intensitätsmaximalwerten von zwei Intensitätsspitzen des Differenzsignals bestimmt werden, wenn der Wert des lateralen Versatzes zwischen den beiden Lichtstrahlen bekannt ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1a eine schematische Darstellung eines Partikelsensors, der eine Lichtbereitstellungseinrichtung zur Erzeugung und Führung von zwei Lichtstrahlen in ein Messvolumen sowie eine Detektoreinrichtung aufweist,
1b eine schematische Darstellung eines Partikelsensors analog zu 1a, der eine Lichtbereitstellungseinrichtung mit zwei Laserquellen zur Erzeugung der beiden Lichtstrahlen aufweist,
2 eine schematische Darstellung von zwei länglichen Strahlformen der Lichtstrahlen, die mittels einer Strahlformungseinheit der Lichtbereitstellungseinrichtung geformt werden,
3a-c schematische Darstellungen eines Intensitätssignals des ersten Lichtstrahls und eines Intensitätssignals des zweiten Lichtstrahls nach dem Durchlaufen des Messvolumens sowie eines aus den beiden Intensitätssignalen gebildeten Differenzsignals,
4 schematische Darstellungen des Strahlprofils der beiden Lichtstrahlen in Strahlausbreitungsrichtung sowie von zwei Partikeln, welche die beiden Lichtstrahlen an zwei unterschiedlichen Positionen in Strahlausbreitungsrichtung kreuzen,
5 eine schematische Darstellung des Differenzsignals, das bei der Detektion der beiden Partikel von 4 gebildet wird,
6 eine schematische Darstellung des Differenzsignals, das bei der in 2 gezeigten Anordnung der länglichen Strahlformen bei der Detektion von zwei Partikeln gebildet wird, welche die beiden Lichtstrahlen an zwei unterschiedlichen Positionen in Längsrichtung der länglichen Strahlformen kreuzen,
7 eine Darstellung analog zu 2, bei der die beiden länglichen Strahlformen in Längsrichtung versetzt sind,
8 eine schematische Darstellung des Differenzsignals, das bei dem in 7 gezeigten Versatz der länglichen Strahlformen bei der Detektion von drei Partikeln gebildet wird, welche die beiden Lichtstrahlen an drei unterschiedlichen Positionen in Längsrichtung der länglichen Strahlformen kreuzen, sowie
9 eine schematische Darstellung eines Verhältnisses von zwei Intensitätsspitzenwerten des in 8 gezeigten Differenzsignals in Abhängigkeit von der Position in Längsrichtung, an welcher ein Partikel die beiden Lichtstrahlen kreuzt.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1a,b zeigen einen Partikelsensor 1, der eine Lichtbereitstellungseinrichtung 2 und eine Detektoreinrichtung 3 aufweist, um Partikel P zu detektieren, die in einem Messvolumen 4 enthalten sind bzw. durch dieses hindurchtreten. Die Lichtbereitstellungseinrichtung 2 ist ausgebildet, einen ersten Lichtstrahl 5a und einen zweiten Lichtstrahl 5b zu erzeugen und in das Messvolumen 4 zu führen. Die Lichtbereitstellungseinrichtung 2 ist ausgebildet, den ersten Lichtstrahl 5a und den zweiten Lichtstrahl 5b entlang einer gemeinsamen Strahlausbreitungsrichtung z parallel auszurichten. Wie in 1b zu erkennen ist, weisen der erste Lichtstrahl 5a und der zweite Lichtstrahl 5b in einer Richtung y quer zur Strahlausbreitungsrichtung z (vgl. das xyz-Koordinatensystem von 1b) einen lateralen Versatz ΔL zueinander auf. Es ist günstig, wenn der laterale Versatz ΔL bzw. der Abstand zwischen den beiden Lichtstrahlen 5a, 5b bei weniger als 1000 µm oder bei weniger als 500 µm liegt. Der laterale Versatz ΔL sollte auch nicht zu klein gewählt werden und ist in der Regel größer als ca. 200 µm. Der laterale Versatz ΔL wird zwischen den jeweiligen Maximalwerten der Intensitätsverteilungen der Lichtstrahlen 5a, 5b in y-Richtung gemessen.
Bei dem in 1a gezeigten Partikelsensor 1 weist die Lichtbereitstellungseinrichtung 2 eine Primärlichtquelle 6 auf, die im gezeigten Beispiel als LED ausgebildet ist, aber z.B. auch als Superlumineszenzdiode oder als Laserquelle ausgebildet sein kann. Ein von der Primärlichtquelle 6 erzeugter Primärlichtstrahl 5 wird an einer Strahlteilereinrichtung 7 der Lichtbereitstellungseinrichtung 2 auf den ersten Lichtstrahl 5a und den zweiten Lichtstrahl 5b aufgeteilt. Die Strahlteilereinrichtung 7 ist im gezeigten Beispiel als Polarisationsstrahlteiler, genauer gesagt als Polarisationsstrahlteilerwürfel, ausgebildet und teilt den Primärlichtstrahl 5 auf die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b auf, die nach dem Durchlaufen des Polarisationsstrahlteilers linear polarisiert sind und zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Polarisationsrichtungen aufweisen. Bei der Aufteilung mittels des Polarisationsstrahlteilers 7 wird die Leistung des Primärlichtstrahls 5 zu gleichen Teilen auf die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b aufgeteilt. Der zweite Lichtstrahl 5b durchläuft den Polarisationsstrahlteiler 7 ohne Ablenkung, der erste Lichtstrahl 5a wird um 90° in y-Richtung, d.h. in Richtung des lateralen Versatzes ΔL, umgelenkt. Ein nicht bildlich dargestellter Umlenkspielgel der Lichtbereitstellungseinrichtung 2 lenkt den ersten Lichtstrahl 5a zusätzlich um 90° in z-Richtung um, sodass beide Lichtstrahlen 5a, 5b die Lichtbereitstellungseinrichtung 2 in Richtung auf das Messvolumen 4 parallel ausgerichtet verlassen. Die Aufteilung des Primärlichtstrahls 6 auf die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b kann auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise kann die Strahlteilereinrichtung 7 zu diesem Zweck einen oder mehrere teildurchlässige Spiegel, einen akusto-optischen Deflektor oder einen räumlichen Modulator für Licht („Spatial Light Modulator“, SLM) ggf. in Kombination mit einer Strahlformungs-Optik aufweisen.
Die in 1a gezeigte Lichtbereitstellungseinrichtung 2 weist eine Strahlformungseinrichtung 8 auf, die im gezeigten Beispiel ein Strahlformungselement in Form einer Zylinderlinse aufweist, die den Primärlichtstrahl 5 in x-Richtung aufweitet. Durch die Strahlformung weisen die beiden Lichtstrahlen 5a,b, die nach der Aufteilung des Primärlichtstrahls 5 in der Separationseinrichtung 7 erzeugt werden, eine in 2 gezeigte längliche Strahlform S₁, S₂ auf, die entlang ihrer Längsrichtung x eine deutlich größere Ausdehnung als in Querrichtung y aufweist. Bei dem in 2 gezeigten Beispiel handelt es sich aufgrund der Strahlformung mittels der Zylinderlinse bei der länglichen Strahlform S₁, S₂ um eine elliptische Strahlform, es versteht sich aber, dass die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b eine andere, z.B. ovale, rechteckige, ... Strahlform aufweisen können, die von einer kreisförmigen Strahlform abweicht. Die längliche Strahlform S₁, S₂ ermöglicht es, Partikel P, P' zu detektieren, die an unterschiedlichen Positionen in x-Richtung, d.h. quer zur Richtung y des lateralen Versatzes (y-Richtung), durch das Messvolumen 4 hindurchtreten.
Bei dem in 1a gezeigten Beispiel werden die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b von einer Fokussieroptik 9 der Lichtbereitstellungseinrichtung 2 in einer Fokusebene F innerhalb des Messvolumens 4 fokussiert. Anders als dies in 1a dargestellt ist, kann die Strahlformungseinrichtung 8 auch einen Teil der Fokussiereinrichtung 9 bilden, beispielsweise wenn die Strahlformungseinrichtung 8 wie weiter oben beschrieben in Form einer Zylinderlinse ausgebildet ist, die neben der Erzeugung der elliptischen Strahlform auch eine Fokussierung des Primärstrahls 5 bewirkt. Eine Fokussierung der beiden Lichtstrahlen 5a, 5b innerhalb des Messvolumens 4 ist günstig, aber nicht zwingend erforderlich, um die Partikel P, P', ... zu detektieren.
Das Messvolumen 4 kann sich in einer (nicht bildlich dargestellten) Messkammer befinden, die gegen die Umgebung gasdicht abgedichtet ist, dies ist aber nicht zwingend notwendig. Das Messvolumen 4 kann sich auch in einem Rohr oder dergleichen befinden, das von einem Gas durchströmt wird. In beiden Fällen können Strahldurchführungen oder Fenster vorgesehen sein, um die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b in das Messvolumen 4 eintreten und wieder aus dem Messvolumen 4 austreten zu lassen.
Die Lichtbereitstellungseinrichtung 2 des in 1b gezeigten Photodetektors 1 unterscheidet sich von der Lichtbereitstellungseinrichtung 2 des in 1a gezeigten Photodetektors 1 dadurch, dass an Stelle einer Primärlichtquelle 6 zwei Laserquellen 6a, 6b vorhanden sind, die zwei Lichtstrahlen 5a, 5b in Form von Laserstrahlen erzeugen. Der erste Laserstrahl 5a weist eine erste Wellenlänge λ₁ auf, der zweite Laserstrahl 5b weist eine zweite Wellenlänge λ₂ auf, die sich von der ersten Wellenlänge λ₁ unterscheidet. Wie die in 1a gezeigte Lichtbereitstellungseinrichtung 2 weist auch die in 1b gezeigte Lichtbereitstellungseinrichtung 2 jeweils eine Strahlformungseinrichtung 8a, 8b und eine Fokussieroptik 9a, 9b für den jeweiligen Laserstrahl 5a, 5b auf. Abhängig davon, wie groß der Unterschied zwischen den Wellenlängen λ₁, λ₂ ist, kann eine gemeinsame Strahlformungseinrichtung und eine gemeinsame Fokussieroptik für die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b verwendet werden. Wie bei dem in 1a gezeigten Beispiel werden auch bei dem in 1b gezeigten Beispiel die beiden Laserstrahlen 5a,b in der Lichtbereitstellungseinrichtung 2 parallel zueinander ausgerichtet und durchlaufen das Messvolumen 4 mit einem lateralen Versatz ΔL.
Die Detektoreinrichtung 3 der beiden in 1a,b gezeigten Partikelsensoren 1 weist einen ersten Photodetektor 10a zur Detektion eines Intensitätssignals I₁ des ersten Lichtstrahls 5a nach dem Durchlaufen des Messvolumens 4 sowie einen zweiten Photodetektor 10b zur Detektion eines Intensitätssignals I₂ des zweiten Lichtstrahls 5b nach dem Durchlaufen des Messvolumens 4 auf. Aufgrund der Tatsache, dass der laterale Versatz ΔL zwischen den beiden Lichtstrahlen 5a, 5b beim Durchlaufen des Messvolumens 4 sehr gering ist, weist die Detektoreinrichtung 3 eine Separationseinrichtung 11, 11' zur Trennung der beiden Lichtstrahlen 5a, 5b auf.
Bei dem in 1a gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Separationseinrichtung 11 um einen Polarisationsstrahlteiler, auf den beide Lichtstrahlen 5a, 5b auftreffen. Aufgrund der unterschiedlichen Polarisationsrichtungen wird der erste Lichtstrahl 5a von der Separationseinrichtung 11 um 90° zu dem ersten Photodetektor 10a umgelenkt, während der zweite Lichtstrahl 5b nicht abgelenkt wird und auf den zweiten Photodetektor 10b trifft.
Bei dem in 1b gezeigten Beispiel dient die Separationseinrichtung 11' zur geometrischen Trennung der beiden Lichtstrahlen 5a, 5b und ist als Umlenkeinrichtung, genauer gesagt als Umlenkspiegel, zur Umlenkung des ersten Laserstrahls 5a ausgebildet. Die Kante des Umlenkspiegels 11' ist hierbei in y-Richtung zwischen den beiden Lichtstrahlen 5a, 5b positioniert, sodass der erste Lichtstrahl 5a um 90° umgelenkt wird und der zweite Lichtstrahl 5b nicht auf den Umlenkspiegel 11' trifft. Es versteht sich, dass die in 1b gezeigte Separationseinrichtung in Form des Umlenkspiegels 11' auch bei der in 1a gezeigten Detektoreinrichtung 3 verwendet werden kann. Alternativ zu dem in 1b gezeigten Umlenkspiegel 11' kann bei dem in 1b gezeigten Photodetektor 1 ein dichroitischer Spiegel als Separationseinrichtung dienen, auf den beide Lichtstrahlen 5a, 5b auftreffen und an dem die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b aufgrund ihrer unterschiedlichen Wellenlängen λ₁, λ₂ separiert werden.
Die Detektoreinrichtung 3 der beiden in 1a,b gezeigten Partikelsensoren 1 weist einen Differenzverstärker 12 auf, der zur Erzeugung eines Differenzsignals ΔI = I₁ - I₂ (oder umgekehrt) aus dem von dem ersten Photodetektor 10a detektierten Intensitätssignal I₁ (nach der Umwandlung in ein elektrisches Signal) und dem von dem zweiten Photodetektor 10b detektierten Intensitätssignal I₂ (nach der Umwandlung in ein elektrisches Signal) ausgebildet ist. Das von dem Differenzverstärker 12 erzeugte Differenzsignal ΔI wird einer Auswerteeinrichtung 13 der Detektoreinrichtung 3 zugeführt, die anhand des Differenzsignals ΔI Partikel P in dem Messvolumen 4 detektiert und charakterisiert, wie nachfolgend beschrieben ist.
3a-c zeigen die beiden Intensitätssignale I₁, I₂ sowie das Differenzsignal ΔI beim Durchtritt des in 1a,b und in 2 dargestellten Partikels P durch die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b. Wie in 3a zu erkennen ist, nimmt das erste Intensitätssignal I₁ beim Durchtritt des Partikels P, dessen Flugrichtung in y-Richtung verläuft, durch den ersten Lichtstrahl 5a ab. Mit einem geringen zeitlichen Versatz tritt der Partikel P durch den zweiten Lichtstrahl 5b hindurch, wobei das zweite Intensitätssignal I₂ entsprechend abnimmt. Wie in 3c zu erkennen ist, weist das resultierende Differenzsignal ΔI zwei Intensitätsspitzen ΔI_P,1, ΔI_P,2 mit umgekehrtem Vorzeichen auf, die jeweils dem Durchtritt des Partikels P durch einen der beiden Lichtstrahlen 5a, 5b entsprechen. Anhand der beiden zeitlich kurz aufeinanderfolgenden Intensitätsspitzen ΔI_P,1, ΔI_P,2 kann auf das Vorhandensein bzw. auf den Durchtritt des Partikels P durch die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b geschlossen werden.
Für den Fall, dass kein Partikel P durch die beiden Lichtstahlen 5a, 5b hindurchtritt, verschwindet das Differenzsignal ΔI bzw. schwankt geringfügig um seinen Nullpunkt. Um beim Nichtvorhandensein von Partikeln P in dem Messvolumen 4 ein verschwindendes Differenzsignal ΔI zu erhalten, müssen die beiden Intensitätssignale I₁, I₂ gleich groß sein. Dies kann dadurch erreicht werden, dass bei dem in 1a gezeigten Partikelsensor 1 die Leistung des Primärlichtstrahls 5 zu gleichen Teilen auf die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b aufgeteilt wird. Alternativ oder zusätzlich können optische Attenuatoren verwendet werden, um die Intensitätssignale I₁, I₂ der beiden Lichtstrahlen 5a, 5b, die auf die Photodetektoren 10a, 10b treffen, aneinander anzugleichen, wenn keine Partikel P durch die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b hindurchtreten bzw. diese kreuzen. Bei dem in 1b gezeigten Partikelsensor 1 kann zusätzlich oder alternativ die Leistung der beiden Laserquellen 6a, 6b geeignet angepasst bzw. festgelegt werden, um zu erreichen, dass die Intensitätssignale I₁, I₂, die von den beiden Photodetektoren 10a, 10b detektiert werden, gleich groß sind, wenn keine Partikel P detektiert werden.
Für den Fall, dass kleine Partikel P die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b kreuzen, ist die Schwankung des Differenzsignals ΔI vergleichsweise klein, d.h. die beiden Intensitätsspitzen ΔI_P,1, ΔI_P,2 sind nicht sehr ausgeprägt, weshalb ggf. der Durchtritt eines Partikels P nicht vom Rauschen unterschieden werden kann, das u.a. auf Intensitätsschwankungen der Primärlichtquelle 6 bzw. der Laserquellen 6a,b zurückzuführen ist. Um das Signal-zu-Rauschverhältnis zu verbessern, ist es bei dem in 1a gezeigten Partikelsensor 1 günstig, wenn eine optische Weglänge L_a des ersten Lichtstrahls 5a von der Strahlteilereinrichtung 7 zu dem ersten Photodetektor 10a und eine optische Weglänge L_b des zweiten Lichtstrahls 5b von der Strahlteilereinrichtung 7 zu dem zweiten Photodetektor 10b gleich groß sind. Auf diese Weise korrespondiert das jeweilige Intensitätssignal I₁, I₂ an einem gegebenen Zeitpunkt mit ein- und demselben Zeitpunkt, an dem der Primärlichtstrahl 5 von der Primärlichtquelle 6 erzeugt wurde. Schwankungen in der Intensität der Primärlichtquelle 6 können daher in dem Differenzsignal ΔI eliminiert werden. Um gleiche optische Weglängen L_a, L_b zu erzeugen, können Verzögerungsstrecken verwendet werden, die in der Lichtbereitstellungseinrichtung 2 und/oder in der Detektoreinrichtung 3 angeordnet sind. Als Verzögerungsstrecken können beispielsweise optische Fasern oder dergleichen dienen.
Bei der weiter oben beschriebenen Detektion der Partikel P, P' wurde davon ausgegangen, dass diese das Messvolumen 4 in der Fokusebene F durchlaufen, in welcher der Strahldurchmesser 2 w der beiden Lichtstrahlen 5a, 5b einen minimalen Wert 2 w₀ aufweist. 4 zeigt die Strahlquerschnitte der beiden Lichtstrahlen 5a, 5b in der yz-Ebene, die von zwei Partikeln P, P' mit einer Flugrichtung entlang der y-Richtung und mit unterschiedlichen Partikelpositionen in Strahlausbreitungsrichtung z durchlaufen werden. Der erste Partikel P durchläuft die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b in der Fokusebene F, der zweite Partikel P' um 3 mm in Strahlausbreitungsrichtung z zur Fokusebene F versetzt. Geht man davon aus, dass die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b sich in den Nähe der Fokusebene F wie Gauß-Strahlen verhalten, kann der Strahlradius in Strahlausbreitungsrichtung z durch folgende Formel beschrieben werden: $w (z) = w_{0} \sqrt{1 + \frac{z^{2}}{z_{R}^{2}}},$
wobei für die Rayleighlänge gilt: z_R = π w₀ ² / λ, wobei λ die Wellenlänge der Lichtstrahlen 5a, 5b bezeichnet und w₀ den Stahlradius in der Fokusebene (z =0). Für den Fall, dass es sich bei den Lichtstrahlen 5a, 5b nicht um Laserstrahlen handelt, bezeichnet λ den arithmetischen Mittelwert des Wellenlängenspektrums der Lichtstrahlen 5a, 5b.
5 zeigt das Differenzsignal ΔI beim Durchtritt des ersten Partikels P durch die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b in Form einer durchgezogenen Linie und beim Durchtritt des zweiten Partikels P' in Form einer gestrichelten Linie. Wie in 5 zu erkennen ist nimmt die Halbwertsbreite ΔI_FWHM,1, ΔI_FWHM,2 der beiden Intensitätsspitzen ΔI_P,1, ΔI_P,2 des Differenzsignals ΔI mit zunehmendem Abstand der jeweiligen Partikeltrajektorie P, P', ... von der Fokusebene F zu. Da die Zunahme der Halbwertsbreite ΔI_FWHM,1 ΔI_FWHM,2 mit der Zunahme des Strahlradius w(z) in Strahlausbreitungsrichtung z gemäß der oben angegebenen Formel korreliert, kann anhand der Halbwertsbreite ΔI_FWHM,1 der ersten Intensitätsspitze ΔI_P,1 auf die Partikelposition z_P in Strahlausbreitungsrichtung z geschlossen werden, an welcher der jeweilige Partikel P, P' die Lichtstrahlen 5a, 5b kreuzt. Hierbei ist zu beachten, dass die Halbwertsbreiten ΔI_FWHM,1 ΔI_FWHM,2 der beiden Intensitätsspitzen ΔI_P,1, ΔI_P,2 des Differenzsignals ΔI nicht nur vor der Partikelposition z_P in Strahlausbreitungsrichtung z abhängig sind, sondern auch von der Geschwindigkeit der Partikel P, P' in Strahlausbreitungsrichtung z. Ist die Geschwindigkeit der Partikel P, P' nicht bekannt, kann das Verhältnis aus der (zeitlichen) Halbwertsbreiten ΔI_FWHM,1 ΔI_FWHM,2 der Intensitätsspitzen ΔI_P,1, ΔI_P,2 des Differenzsignals ΔI zum (zeitlichen) Abstand der beiden Intensitätsspitzen ΔI_P,1, ΔI_P,2 des Differenzsignals ΔI, genauer gesagt von deren Intensitätsspitzenwerten ΔI_max,1, ΔI_max,2, dazu verwendet werden, um die Partikelposition z_P in Strahlausbreitungsrichtung z zu bestimmen. Äquivalent dazu kann der (zeitliche) Abstand der beiden Intensitätsspitzen ΔI_P,1, ΔI_P,2 in dem Differenzsignal ΔI dazu verwendet werden, um die Partikelgeschwindigkeit zu bestimmen und die (zeitliche) Halbwertsbreite ΔI_FWHM,1 ΔI_FWHM,2 der Intensitätsspitzen ΔI_P,1, ΔI_P,2 des Differenzsignals ΔI kann dazu genutzt werden, um die Partikelposition z_P in Strahlausbreitungsrichtung z zu bestimmen.
Es versteht sich, dass die Partikelposition z_P in Strahlausbreitungsrichtung z auf analoge Weise auch mit Hilfe der zweiten Intensitätsspitze ΔI_P,2, genauer gesagt mit Hilfe von deren Halbwertsbreite ΔI_FWHM,2 bestimmt werden kann. Für den Fall, dass der Partikel P, P' eine von der y-Richtung abweichende Flugrichtung aufweist, kann als Partikelposition z_P der Mittelwert der Partikelpositionen beim Durchlaufen der beiden Lichtstrahlen 5a, 5b verwendet werden.
Bei der Darstellung von 5 ist auf der Ordinate nicht die Zeit, sondern die y-Position aufgetragen, da der Wert des lateralen Versatzes ΔL zwischen den beiden Lichtstrahlen 5a, 5b bekannt ist und dem Abstand zwischen den beiden Intensitätsspitzenwerten ΔI_max,1, ΔI_max,2 der beiden Intensitätsspitzen ΔI_P,1, ΔI_P,2 des Differenzsignals ΔI entspricht, wie dies in 5 gepunktet angedeutet ist.
Zusätzlich zur Detektion der Partikel P, P', ... kann auch eine Charakterisierung von Eigenschaften der Partikel P, P', ... erfolgen, bei welcher beispielsweise die Partikelgröße der Partikel P, P', ... bestimmt wird, die proportional zum Quadrat d² des Partikeldurchmessers d ist. Die Partikelgröße d² kann anhand des Intensitätsspitzenwerts ΔI_max,1, ΔI_max,2 der beiden Intensitätsspitzen ΔI_P,1, ΔI_P,2 des Differenzsignals ΔI bestimmt werden, wobei gilt: ΔI_max,1 bzw. ΔI_max,2 ~ d². Der Proportionalitätsfaktor kann mittels einer Kalibrierung festgelegt werden, bei der Partikel P, P', ... mit bekannter Partikelgröße d² das Messvolumen 4 durchlaufen. Eine solche Kalibrierung wird für Partikel P, P', ... durchgeführt, die das Messvolumen 4 in der Fokusebene F durchlaufen.
Für den Fall, dass die Partikelposition z_P in Strahlausbreitungsrichtung z von der Fokusebene F abweicht, nimmt der Intensitätsspitzenwert ΔI_max,1, ΔI_max,2 ab, wie dies in 5 zu erkennen ist, d.h. es kommt zu einem Fehler bei der Bestimmung der Partikelgröße d². Um auch in diesem Fall anhand des Intensitätsspitzenwerts ΔI_max,1, ΔI_max,2 die korrekte Partikelgröße d² zu bestimmen, wird die Partikelgröße wie folgt bestimmt d²(z_P) = d² w₀ / w(z_P), wobei w(z_P) den Wert der obigen Formel bei der jeweiligen Partikelposition z_P bezeichnet, die wie in Zusammenhang mit 5 bestimmt wurde.
Die Bestimmung der Partikelposition x_P in Längsrichtung x der beiden in 2 gezeigten Strahlformen S₁, S₂, bei denen die durch Graustufen dargestellten Intensitätsverteilungen ihr jeweiliges Maximum bei der Position x = 0 aufweisen, ist anhand des Differenzsignals ΔI nicht ohne weiteres möglich: Wie in 6 zu erkennen ist, nehmen die Intensitätsspitzenwerte ΔI_max,1, ΔI_max,2 der beiden Intensitätsspitzen ΔI_P,1, ΔI_P,2 ab, wenn ein Partikel P, P' nicht an der Partikelposition x_P = 0 (Partikel P), sondern an der Partikelposition x_P = 0,3 mm (Partikel P') in Längsrichtung x der länglichen Strahlformen S₁, S₂ die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b kreuzt. Da der Intensitätsspitzenwert ΔI_max,1, ΔI_max,2 proportional zur Partikelgröße d² ist, kann ohne die Kenntnis der Partikelgröße d² nicht auf die Partikelposition x_P in Längsrichtung x der beiden länglichen Strahlformen S₁, S₂ geschlossen werden, und umgekehrt.
7 zeigt die beiden länglichen Strahlformen S₁, S₂ der beiden Lichtstrahlen 5a, 5b in einer zu 2 analogen Darstellung. Im Gegensatz zu 2 sind die beiden länglichen Strahlformen S₁, S₂ in 7 in Längsrichtung x um -0,3 mm bzw. um + 0,3 mm zum Nullpunkt x = 0 lateral versetzt. Aufgrund der Tatsache, dass die Intensität innerhalb der beiden länglichen Strahlformen S₁, S₂ in der Art einer Gaußverteilung abnimmt, unterscheiden sich die jeweiligen Intensitätsspitzenwerte ΔI_max,1, ΔI_max,2 der beiden Intensitätsspitzen ΔI_P,1, ΔI_P,2 des Differenzsignals ΔI voneinander, wenn Partikel P, P', P'' am Nullpunkt x_P = 0 oder an vom Nullpunkt x_P = 0 verschiedenen Partikelpositionen x_P = 0,3 mm bzw. x_P = - 0,3 mm durch die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b hindurchtreten, wie dies in 8 anhand einer durchgezogenen, einer gestrichelten und einer strichpunktierten Kurve zu erkennen ist.
9 zeigt das Verhältnis ΔI_max,1 / ΔI_max,2 der beiden Intensitätsmaximalwerte ΔI_max,1, ΔI_max,2 des Differenzsignals ΔI in Abhängigkeit von der x-Position bzw. von der Partikelposition x_P in Längsrichtung x der länglichen Strahlformen S₁, S₂. Wie anhand von 9 zu erkennen ist, kann aus dem Verhältnis ΔI_max,1 / ΔI_max,2 die Partikelposition x_P in Längsrichtung x der länglichen Strahlformen S₁, S₂ bestimt werden. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel wurde von einem minimalen Strahlradius w₀ der beiden Lichtstrahlen 5a, 5b von 700 µm und von einem lateralen Versatz Δx der beiden länglichen Strahlformen S₁, S₂ von 500 µm ausgegangen.
Ist die Partikelposition x_P in x-Richtung bekannt, kann anhand des als bekannt vorausgesetzten Intensitätsverlaufs (vgl. 7) der beiden länglichen Strahlformen S₁, S₂ der beiden Lichtstrahlen 5a, 5b die Berechnung der Partikelgröße d²(x_P) in analoger Weise korrigiert werden wie dies weiter oben in Bezug auf die Korrektur der Partikelgröße d²(z_P) in Abhängigkeit von der Partikelposition z_P in Strahlausbreitungsrichtung z beschrieben wurde.
Bei den weiter oben beschriebenen Beispielen wurde davon ausgegangen, dass die Partikel P, P', P'' in y-Richtung, d.h. entlang des Richtung des lateralen Versatzes ΔL, durch das Messvolumen 4 propagieren. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Partikel P, P', P'' in einem Gasstrom mitgeführt werden, dessen Strömungsrichtung der y-Richtung entspricht. Auch für den Fall, dass ein Partikel P, P', P'' unter einem Winkel zur y-Richtung durch den Messbereich 4 tritt, weichen aufgrund des geringen Abstands bzw. lateralen Versatzes ΔL zwischen den beiden Lichtstrahlen 5a, 5b die Partikelpositionen in x- und z-Richtung, an den der Partikel P die beiden Lichtstrahlen 5a, 5b kreuzt, nur geringfügig voneinander ab, sodass die weiter oben beschriebene Propagation des Partikels P entlang der y-Richtung eine gute Näherung darstellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0094374 A1 [0003, 0010]

Claims

Partikelsensor (1), umfassend: eine Lichtbereitstellungseinrichtung (2), die zur Erzeugung und zur Führung eines ersten Lichtstrahls (5a) und eines zweiten Lichtstrahls (5b) in ein für Partikel (P, P', P'') zugängliches Messvolumen (4) ausgebildet ist, eine Detektoreinrichtung (3) zur Detektion eines jeweiligen Intensitätssignals (I₁, I₂) der beiden Lichtstrahlen (5a, 5b) nach dem Durchlaufen des Messvolumens (4), wobei der Partikelsensor (1) ausgebildet ist, anhand eines aus dem Intensitätssignal (I₁) des ersten Lichtstrahls (5a) und dem Intensitätssignal (I₂) des zweiten Lichtstrahls (5b) gebildeten Differenzsignals (ΔI) Partikel (P) in dem Messvolumen (4) zu detektieren, insbesondere zu charakterisieren.
Partikelsensor nach Anspruch 1, bei dem die Detektoreinrichtung (3) einen ersten Photodetektor (10a) zur Detektion des Intensitätssignals (I₁) des ersten Lichtstrahls (5a) nach dem Durchlaufen des Messvolumens (4) sowie einen zweiten Photodetektor (10b) zur Detektion des Intensitätssignals (I₂) des zweiten Lichtstrahls (5b) nach dem Durchlaufen des Messvolumens (4) aufweist.
Partikelsensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Lichtbereitstellungseinrichtung (2) ausgebildet ist, den ersten Lichtstrahl (5a) und den zweiten Lichtstrahl (5b) entlang einer gemeinsamen Strahlausbreitungsrichtung (z) und mit einem lateralen Versatz (ΔL), bevorzugt von weniger als 1000 µm, besonders bevorzugt von weniger als 500 µm, quer zur Strahlausbreitungsrichtung (z) in das Messvolumen (4) zu führen.
Partikelsensor nach Anspruch 3, bei dem die Detektoreinrichtung (3) eine Separationseinrichtung (11, 11') zur Separation der beiden lateral versetzten Lichtstrahlen (5a, 5b) aufweist, um den ersten Lichtstrahl (5a) dem ersten Photodetektor (10a) und den zweiten Lichtstrahl (5b) dem zweiten Photodetektor (10b) zuzuführen.
Partikelsensor nach Anspruch 4, bei dem die Separationseinrichtung als Polarisationsstrahlteiler (11) oder als dichroitischer Spiegel ausgebildet ist.
Partikelsensor nach Anspruch 4, bei dem die Separationseinrichtung zur geometrischen Separation des ersten Lichtstrahls (5a) und des zweiten Lichtstrahls (5b) ausgebildet ist, bevorzugt als Umlenkeinrichtung, insbesondere als Umlenkspielgel (11'), zur Umlenkung eines der beiden Lichtstrahlen (5a).
Partikelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtbereitstellungseinrichtung (2) eine Strahlteilereinrichtung (7) zur Aufteilung eines Primärlichtstrahls (5) einer Primärlichtquelle (6) auf den ersten Lichtstrahl (5a) und den zweiten Lichtstrahl (5b) aufweist.
Partikelsensor nach Anspruch 7, bei dem eine optische Weglänge (L_a) des ersten Lichtstrahls (5a) von der Strahlteilereinrichtung (7) zum ersten Photodetektor (10a) und eine optische Weglänge (L_b) des zweiten Lichtstrahls (5b) von der Strahlteilereinrichtung (7) zum zweiten Photodetektor (10b) gleich groß sind.
Partikelsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Lichtbereitstellungseinrichtung (2) eine erste Laserquelle (6a) zur Erzeugung des ersten Lichtstrahls (5a) mit einer ersten Wellenlänge (λ₁) und eine zweite Laserquelle (6b) zur Erzeugung des zweiten Lichtstrahls (5b) mit einer zweiten, von der ersten verschiedenen Wellenlänge (λ₂) aufweist.
Partikelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtbereitstellungseinrichtung (2) ausgebildet ist, die beiden Lichtstrahlen (5a, 5b) in dem Messvolumen (4) zu fokussieren, wobei der Partikelsensor (1) ausgebildet ist, anhand des Differenzsignals (ΔI), bevorzugt anhand einer Breite (ΔI_FWHM,1, (ΔI_FWHM,2) mindestens einer Intensitätsspitze (ΔI_P,1, ΔI_P,2) des Differenzsignals (ΔI), eine Partikelposition (z_P) in Strahlausbreitungsrichtung (z) der beiden Lichtstrahlen (5a, 5b) zu bestimmen.
Partikelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtbereitstellungseinrichtung (2) ausgebildet ist, längliche Strahlformen (S₁, S₂) des ersten Lichtstrahls (5a) und des zweiten Lichtstrahls (5b) zu formen, deren Längsrichtungen (x) bevorzugt senkrecht zur Richtung (y) des lateralen Versatzes (ΔL) zwischen den beiden Lichtstrahlen (5a, 5b) ausgerichtet sind.
Partikelsensor nach Anspruch 11, bei dem die Lichtbereitstellungseinrichtung (2) ausgebildet ist, die länglichen Strahlformen (S₁, S₂) der beiden Lichtstrahlen (5a, 5b) in deren Längsrichtung (x) zueinander zu versetzen und bei dem der Partikelsensor (1) ausgebildet ist, anhand des Differenzsignals (ΔI), bevorzugt anhand eines Verhältnisses (ΔI_max,1 / ΔI_max,2) von zwei Intensitätsmaximalwerten (ΔI_max,1, ΔI_max,2) des Differenzsignals (ΔI), eine Partikelposition (x_P) in Längsrichtung (x) der länglichen Strahlformen (S₁, S₂) zu bestimmen.
Partikelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ausgebildet ist, beim Charakterisieren der Partikel (P, P', P'') aus dem Differenzsignal (ΔI) eine Partikelgröße (d²) zu bestimmen, wobei der Partikelsensor (1) bevorzugt ausgebildet ist, bei der Bestimmung der Partikelgröße (d²) die Partikelposition (z_p) in Strahlausbreitungsrichtung (z) und/oder die Partikelposition (x_P) in Längsrichtung (x) der länglichen Strahlformen (S₁, S₂) zu berücksichtigen.
Verfahren zum Detektieren, insbesondere zum Charakterisieren, von Partikeln (P, P', P''), umfassend: Erzeugen und Führen eines ersten Lichtstrahls (5a) und eines zweiten Lichtstrahls (5b) in ein für Partikel (P, P', P'') zugängliches Messvolumen (4), Detektieren eines Intensitätssignals (I₁) des ersten Lichtstrahls (5a) nach dem Durchlaufen des Messvolumens (4), Detektieren eines Intensitätssignals (I₂) des zweiten Lichtstrahls (5b) nach dem Durchlaufen des Messvolumens (4), Detektieren, insbesondere Charakterisieren, von Partikeln (P, P', P'') in dem Messvolumen (4) anhand eines aus dem Intensitätssignal (I₁) des ersten Lichtstrahls (5a) und dem Intensitätssignal (I₂) des zweiten Lichtstrahls (5b) gebildeten Differenzsignals (ΔI).
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die beiden Lichtstrahlen (5a, 5b) in dem Messvolumen (4) fokussiert werden und bei dem anhand des Differenzsignals (ΔI), bevorzugt anhand einer Breite (ΔI_FWHM,1, ΔI_FWHM,2) mindestens einer Intensitätsspitze (ΔI_p,1 ΔI_p,2) des Differenzsignals (ΔI), eine Partikelposition (z_p) in Strahlausbreitungsrichtung (z) der beiden Lichtstrahlen (5a, 5b) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem der erste Lichtstrahl (5a) und der zweite Lichtstrahl (5b) jeweils zu einer länglichen Strahlform (S₁, S₂) geformt werden, die entlang von deren Längsrichtung (x) zueinander zu versetzt sind, und bei dem anhand des Differenzsignals (ΔI), bevorzugt anhand eines Verhältnisses (ΔI_max,1/ΔI_max,2) von zwei Intensitätsmaximalwerten (ΔI_max,1, ΔI_max,2) des Differenzsignals (ΔI), eine Partikelposition (x_P) in Längsrichtung (x) der länglichen Strahlformen (S₁, S₂) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem beim Charakterisieren der Partikel (P, P, P'') aus dem Differenzsignal (ΔI) eine Partikelgröße (d²) bestimmt wird, wobei bevorzugt bei der Bestimmung der Partikelgröße (d²) eine Partikelposition (z_p) in Strahlausbreitungsrichtung (z) der beiden Lichtstrahlen (5a, 5b) und/oder eine Partikelposition (x_P) in Längsrichtung (x) der länglichen Strahlformen (S₁, S₂) der beiden Lichtstrahlen (5a, 5b) berücksichtigt wird.