DE102023122667A1

DE102023122667A1 - Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes

Info

Publication number: DE102023122667A1
Application number: DE102023122667.3A
Authority: DE
Inventors: Lutz Langguth
Original assignee: Quantum Technologies GmbH
Current assignee: Quantum Technologies GmbH
Priority date: 2022-08-24
Filing date: 2023-08-24
Publication date: 2024-02-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes (SK), das mit dem Bereitstellen (140) eines Lichtwellenleiters (LWL) und dem Bereitstellen (145) eines flüssigen und mittels elektromagnetischer Strahlung einer Aushärtewellenlänge (λH) härtbaren Trägermaterials (TM) beginnt. Das Trägermaterial (TM) weist eine Vielzahl von Diamanten (DM) mit NV-Zentren (NVZ) auf. Die NV-Zentren (NVZ) emittieren bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) eine Fluoreszenzstrahlung (FL). Das Verfahren umfasst den Schritt des Benetzens (150) eines ersten Endes (ELWL1) des Lichtwellenleiters (TM) auf eine Benetzungslänge (LB) mit dem Trägermaterial (TM) und des Einspeisens (155) elektromagnetischer Strahlung der Aushärtewellenlänge (λH) in das zweite Ende (ELWL2) des Lichtwellenleiters (LWL), sodass das Trägermaterial (TM) am ersten Ende (ELWL1) des Lichtwellenleiters (LWL) aushärtet und sich in einen Festkörper wandelt und das Sensorelement (NV) ausbildet. Das Verfahren umfasst das Entfernen (160) des nicht ausgehärteten Trägermaterials (TM), wobei der verbleibende Film des Trägermaterials (TM) am ersten Ende (ELWL1) des Lichtwellenleiters (LWL) das Sensorelement (NV) bildet. Es folgen der Einbau (170) des Lichtwellenleiters (LWL) mit dem neu gebildeten Sensorelement (NV) in einen Kanal (KN) des Sensorkopfgehäuses (GH) und der Einbau einer Erregungsquelle für eine magnetische Erregung (H) in das Sensorkopfgehäuses (GH). Dann folgt die Verwendung (180) des Sensorkopfes (SK) zur ortsaufgelösten Vermessung der magnetischen Eigenschaften des Materials eines Werkstücks in der Nähe der Oberfläche (OF) des Werkstücks.

Description

Feld der Erfindung
Die Erfindung richtet sich auf Sensorkopf zur hoch ortsaufgelösten Messung von magnetischen Materialeigenschaften an der Oberfläche eines Werkstücks, wobei der Sensorkopf ein Sensorelement mit einer Vielzahl von Diamanten unterschiedlicher Orientierung zueinander und zum Sensorkopfgehäuse aufweist und wobei Diamanten dieser Diamanten NV-Zentren oder andere paramagnetische Zentren umfassen.
Allgemeine Einleitung
Ein immer wieder auftauchendes Problem ist die Erkennung von Rissen und anderen Störungen in Oberflächen von ferromagnetischen Werkstücken. Im Stand der Technik sind zwar entsprechende Messmethoden bekannt. Diese zeigen aber nur eine unzureichende Ortsauflösung um kleine Risse detektieren zu können.
Das hier vorgelegte Dokument gibt nur kurze Stichpunkte zur Prinzip für zerstörungsfreie Werkstoffprüfung hinsichtlich des Stands der Technik.
Für die Vermessung von Werkstücken mittels Magnetfeldmessung ergeben sich bei der Verwendung von Hallsensoren / -spulen zur Messung von magnetischen Streufeldern / Wirbelstromfeldern die Probleme, dass diese Messmethoden ein großes Messvolumen bei einem limitierter Abstand zum Werkstück und einen großen Messquerschnitt aufweisen. Die entsprechenden Vorrichtungen sind nicht Diamagnetisch und verändern daher das Messobjekt, das Magnetfeld.
Dem soll das hier vorgestellte Verfahren und die hier vorgestellte Vorrichtung abhelfen.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2019 120 076 A1 , der DE 11 2020 003 569 A5 , der DE 11 2020 004 650 A5 , der DE 10 2021 101 565 A1 und der EP 3 874 343 A2 sind bereits leitungsfreie Vorrichtungen zur Erfassung von Magnetfeldern bekannt.
Aus der DE 10 2020 109 477 A1 sind Methoden zur Produktion von NV-Zentren bekannt.
Weitere Eigenschaften sind aus der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2021 114 589.9 bekannt.
Aus der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2022 121 444.3 ist die Kommutierung eines Elektromotors mittels einer leitungslosen Magnetfeldmessung bekannt.
Aus der noch unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung DE 10 2022 122 505.7 ist die Herstellung eines geeigneten Lichtwellenleiters bekannt.
Aus der Schrift WO 2022 096 891 A1 ist ein Sensor bekannt, der einen Magneten umfasst. Gemäß der technischen Lehre der WO 2022 096 891 A1 ist der Magnet so angeordnet, dass er ein inhomogenes Magnetfeld an ein bestimmtes Volumen anlegt. Der Sensor der WO 2022 096 891 A1 umfasst drüber hinaus ein Magnetometer mit einem aktiven Element zum Erfassen des Magnetfelds in einem Volumen, das das bestimmte Volumen umfasst.
Aus der Schrift CN 114 994 006 A ist ein Detektionssystem für orthogonale Risse auf der Basis der NV-Farbzentrumserfassungstechnologie bekannt. Das Detektionssystem der CN 1 14 994 006 A umfasst ein Erregungsende, ein Sammelende und ein Magnetisierungserfassungsvorderende. Die technische Lehre der CN 1 14 994 006 A verwendet das Anregungsende zur Erzeugung von Anregungslicht, wobei das Anregungslicht auf das vordere Ende des Magnetisierungssensors wirkt. Das vordere Ende des Magnetisierungssensors umfasst einen Magnetisierungsteil und einen Erfassungsteil, wobei der Magnetisierungsteil zum Magnetisieren eines zu erfassenden ferromagnetischen Gegenstands verwendet wird. Der Magnetisierungsteil der Vorrichtung der CN 114 994 006 A umfasst ein Magnetisierungsintervall. Wenn ein Riss auf dem zu erfassenden ferromagnetischen Gegenstand in dem Magnetisierungsintervall positioniert ist, kann die Vorrichtung der CN 114 994 006 A ein magnetisches Streufeld an dem Riss erzeugen. Der Erfassungsteil der Vorrichtung der CN 114 994 006 A erzeugt eine Spannungsfluoreszenz unter der Wirkung des Anregungslichts und des magnetischen Streufelds. Der der Erfassungsteil der Vorrichtung der CN 114 994 006 A dient zum Empfangen der Spannungsfluoreszenz und zum Analysieren und Verarbeiten der Spannungsfluoreszenz. Der Magnetisierungsteil der
CN 114 994 006 A umfasst zwei Gruppen von Elektromagneten. Die Magnetisierungsrichtungen der beiden Gruppen von Elektromagneten der Vorrichtung der CN 1 14 994 006 A sind orthogonal zueinander. Der Sensorteil der Vorrichtung der CN 1 14 994 006 A umfasst eine optische Sensorfaser, ein Endteil der optischen Sensorfaser ist ein Erfassungsende, und diamantförmige NV-Farbmittelteilchen, die an dem Faserkern befestigt sind, sind an der Endfläche des Erfassungsendes angeordnet.
Aus der Schrift CN 1 12 146 782 A ist ein Verfahren zur Herstellung einer faseroptischen Quantensonde mit kontrollierbarer Diamantpartikeldotierung bekannt. Das Verfahren der CN 1 12 146 782 A umfasst die folgenden Schritte:

Schritt 1) Mischen der Lösung mit einer wässrigen Nano-Diamantpartikel-Lösung, die NV-Farbzentren enthält;
Schritt 2) Auflösen der hergestellten Lösung, die mit den Nano-Diamantpartikeln, die die NV-Farbzentren enthalten, dotiert ist, mit Ultraschall durch ein Sol-Gel-Verfahren, Versiegeln und Stehenlassen der Lösung und vollständiges Hydrolysieren der Lösung, um Sol-Gel zu bilden; und 3) gleichmäßiges Auftragen des in Schritt 2) hergestellten Sol-Gels auf die Endfläche der optischen Faser, Halten der optischen Faser durch einen Schrittmotor, Kontaktieren der Endfläche der optischen Faser mit dem Sol-Gel, Ziehen der Endfläche der optischen Faser mit einer bestimmten Geschwindigkeit nach einer Zeitspanne, um einen halbkugelförmigen Gelfilm mit einer bestimmten Dicke und einer bestimmten Krümmung zu bilden, und Aushärten, um die hergestellte Quantensonde der optischen Faser zu erhalten. Laut der technischen Lehre der CN 1 12 146 782 A kann die Dotierungskonzentration der Nanodiamantteilchen, die NV-Farbzentren enthalten, gesteuert werden. Laut der technischen Lehre der CN 1 12 146 782 A sind die Nanodiamantteilchen gleichmäßig gemischt. Die Schrift CN 1 12 146 782 A gibt an, dass der Herstellungsprozess der Sonde einfach ist, seine Wiederholbarkeit ist hoch ist und dass eine Massenproduktion realisiert werden kann.

Aus der Schrift CN 1 14 720 553 A ist eine Vorrichtung zur Erkennung des Streuflusses in einer Pipeline bekannt. Die Vorrichtung der CN 1 14 720 553 A basiert auf einer optischen Faser, die ein Diamant-Stickstoff-Vakanz-Farbzentrum ankoppelt.
Aufgabe
Dem Vorschlag liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen die die obigen Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist.
Diese Aufgabe wird durch den ersten Anspruch und die ebenläufigen Ansprüche gelöst.
Lösung der Aufgabe
Bei einem Sensorkopf der vorgeschlagenen Art wird die Aufgabe vorschlagsgemäß dadurch gelöst, dass

• dass der Sensorkopf NV-reichen Diamantstaub als Magnetfeldsensor verwendet und
• dass Permanentmagnete oder -spulen (AC oder DC Magnetfelder) des Sensorkopfes ein magnetisches Prüffeld erzeugen, das in die Oberfläche des Werkstücks eindringt, und
• dass das Diamantmaterial des Diamantstubs an einem ersten Faserende eines Lichtwellenleiters das Sensorelement bildet und
• dass der Sensorkopf eine rein optische Vermessung des Magnetfelds und damit der magnetischen Eigenschaften der Oberfläche des Werkstücks über den Lichtwellenleiter ermöglicht.

Die hier vorgelegte Schrift schlägt eine Vorrichtung zur Erfassung der magnetischen Flussdichte B in der Nähe einer Störung einer ferromagnetischen Oberfläche vor.
Der Sensorkopf SK weist ein Sensorelement NV mit einem Trägermittel TM auf. In das Trägermittel TM sind vorzugsweise eine Vielzahl von Diamanten DM eingebettet. Bevorzugt umfasst das Trägermaterial TM Glas und/oder einen ausgehärteten Kunststoff. Das Trägermaterial TM fixiert die Diamanten DM und verhindert eine Repositionierung der Diamanten DM. Bevorzugt ist das Trägermaterial TM nach der Verfestigung im Herstellungsprozess für die Pumpwellenlänge λ_pmp der Pumpstrahlung LB und für die Fluoreszenzstrahlung FL der NV-Zentren in den Diamanten DM transparent. Einer oder mehrere oder alle Diamanten DM dieser Diamanten DM weisen typischerweise NV-Zentren NVZ auf. Die magnetische Flussdichte B wirkt auf die NV-Zentren NVZ des Sensorelements NV ein. Typischerweise bewirkt die magnetische Flussdichte B eine Reduktion der Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL. Für den Zutritt von Pumpstrahlung LB einer Pumpstrahlungsquelle PL zu dem Sensorelement NV verfügt der Sensorkopf SK bevorzugt über einen Lichtwellenleiter LWL. Die Pumpstrahlung LB besitzt bevorzugt eine Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp in einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm Wellenlänge und/oder besser 450 nm bis 650 nm und/oder besser 500 nm bis 550 nm und/oder besser 515 nm bis 540 nm aufweisen. Bevorzugt ist dabei eindeutig eine Wellenlänge von 532 nm als Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp. Im Falle von NV-Zentren in Diamant oder in Diamanten ist eine Laser-Diode der Fa. Osram vom Typ PLT5 520B beispielsweise als Pumpstrahlungsquelle PL1 mit 520nm Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp geeignet. Die NV-Zentren NVZ des Sensorelements NV emittieren typischerweise bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung LB der oben beschriebenen Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp eine Fluoreszenzstrahlung FL mit einer typischen Fluoreszenzwellenlänge λ_fl, von ca. 637nm bei NV-Zentren. Andere Wellenlängen können durch plasmonische Kopplung mit metallischen Nanokristallen in dem Trägermaterial TM erreicht werden. Die optischen Eigenschaften der NV-Zentren können durch Kombination der Nanodiamanten bzw. Diamanten DM im Trägermaterial TM mit metallischen Nanopartikeln modifiziert werden. Der Lichtwellenleiter LWL transportiert bevorzugt die Fluoreszenzstrahlung FL des Sensorelements NV zu einem Fotodetektor PD hin. Die vorgeschlagene Vorrichtung weist darüber hinaus eine Teilvorrichtung, insbesondere einen dichroitischen Spiegel F1, auf, um die Fluoreszenzstrahlung FL von der Pumpstrahlung LB zu trennen, sodass im Wesentlichen nur Fluoreszenzstrahlung FL und möglichst keine Pumpstrahlung LB auf den Fotodetektor PD fällt. Diese Teilvorrichtung in Form eines Filters F1 oder dichroitischen Spiegel lässt die Passage von Strahlung mit der Fluoreszenzwellenlänge λ_fl der Fluoreszenzstrahlung FL - z.B. 637nm bei NV-Zentren NVZ mit einem Phononenseitenband von 637nm bis 850 nm - in Richtung des Fotodetektors PD passieren, während es die Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp der Pumpstrahlung LB der Pumpstrahlungsquelle PL und somit die modulierte Pumpstrahlung LB nicht passieren lässt oder so führt, dass sie den Fotodetektor PD nicht trifft oder beeinflusst. Der Fotodetektor PD wandelt das Intensitätssignal der Fluoreszenzstrahlung FL in ein Empfängerausgangsignal S0. Die Vorrichtung wertet das Empfängerausgangssignal S0 aus, um Informationen über die Verzerrung des Magnetfelds B eines Permanentmagneten PM durch Risse RI und/oder Vertiefungen in der Oberfläche eines ferromagnetischen Materials FM.
Die vorgeschlagene Vorrichtung hat den Vorteil, dass das Magnetfeld der Risse RI und/oder Vertiefungen in der Oberfläche eines ferromagnetischen Materials FM durch Zuleitungen wie z.B. bei der Magnetfeldmessung mit Hall-Sensoren nicht gestört wird. Des Weiteren ist das Sensorelement NV vollkommen diamagnetisch. Eine Rückwirkung der Magnetfelder und/oder von Störfeldern auf die Auswertelektronik des Sensorsystems über das Sensorelement NV und den Lichtwellenleiter LWL ist wegen der galvanischen Trennung sehr unwahrscheinlich. Dadurch kann das System auch in Hochspannungssystemen mit Vorrichtungsteilen, die mit sehr hohen Spannungen angetrieben werden, eingesetzt werden. Systeme aus dem Stand der Technik zeigen dies nicht.
In einer Variante sind die Diamanten DM im Trägermaterial TM im Wesentlichen zueinander unterschiedlich mit einer jeweils im Wesentlichen unterschiedlichen Orientierung orientiert. Dies hat den Fertigungstechnischen Vorteil, dass eine Ausrichtung der Diamanten DM nicht mehr notwendig ist und die das Herstellverfahren zur Herstellung des Sensorelements NV beispielsweise Diamantpulver mit einer sehr großen Anzahl sehr kleiner Diamanten DM verwenden kann. Ein Sensorelement NV mit einer solchen ungeordneten Vielzahl von Diamanten DM hat den Vorteil, dass die Messung der magnetischen Flussdichte B isotrop ist. Das bedeutet, dass das Sensorelement NV nur den Betrag der magnetischen Flussdichte B erfasst, nicht jedoch die Richtung. Dies hat den Vorteil, dass eine Ausrichtung des Sensorelements NV und des Lichtwellenleiters LWL und des Sensorkopfes SK nicht mehr notwendig ist. Die Montage eines solchen Sensorelements NV können Hilfskräfte oder wenig präzise maschinelle Vorrichtungen übernehmen, die das Sensorelement NV mit dem Lichtwellenleiter LWL nur in den Kanal KN des Sensorkopfes SK stecken müssen. Hierdurch sinken die Fertigungskosten für einen solche Sensorkopf SK drastisch. Um die räumliche Isotropie zu erreichen, ist es daher vorteilhaft, wenn die Orientierung der Diamanten DM stochastisch im Wesentlichen gleichverteilt ist.
Im Zuge der Ausarbeitung der technischen lehre dieses Dokuments hat die Anmelderin erkannt, dass es entsprechend den vorausgehenden Ausführungen auch vorteilhaft ist, wenn das Sensorelement NV sich im Streufeld BSTR des Magnetfelds des Permanentmagneten PM befindet. Statt eines Permanentmagneten sind andere Feldanregungen denkbar. Diese sind im Sinne des hier vorgelegten Dokuments von der Beschreibung „Permanentmagnet PM“ umfasst.
Um die Anzahl der Lichtwellenleiter LWL zu minimieren und die Modifikationen am Sensorkopf SK gering zu halten, ist es vorteilhaft einen einzigen Lichtwellenleiter LWL für die Zuführung der Pumpstrahlung LB der Pumpstrahlungsquelle PL zum Sensorelement NV und für die Rückführung der Fluoreszenzstrahlung FL vom Sensorelement NV zum Fotodetektor PD zu benutzen. In dem Fall ist nur ein einziger Kanal KN für die Montage des Lichtwellenleiters LWL notwendig, sodass dann der erste Kanal KN mit dem zweiten Kanal KN identisch ist. Der folgende Text bezeichnet dann einen solchen Kanal KN als gemeinsamen Kanal KN.
Somit umfasst der vorschlagsgemäße Sensorkopf SK bevorzugt ein Sensorelement NV mit einer Vielzahl von Diamanten DM mit NV-Zentren NVZ in einem Trägermaterial TM und einen ersten Lichtwellenleiter LWL, an dem das Sensorelement NV befestigt ist, wobei der Lichtwellenleiter LWL die Pumpstrahlung LB der Pumpstrahlungsquelle PL zu dem Sensorelement NV transportiert, sodass die Pumpstrahlung LB das Sensorelement NV bestrahlt und die NV-Zentren NVZ Fluoreszenzstrahlung FL abgeben, die der Lichtwellenleiter LWL erfasst und in Richtung auf den Fotodetektor PD zurücktransportiert.
Der Lichtwellenleiter LWL kann dabei parallel zur Auflagefläche AF des Sensorkopfes SK eingebracht werden, wobei sich dann das Sensorelement NV bevorzugt im Streufeld der Risse RI und/oder Vertiefungen in der Oberfläche eines ferromagnetischen Materials FM befindet. Der Lichtwellenleiter LWL kann aber auch senkrecht zur Auflagefläche AF des Sensorkopfes SK mittels eines senkrechten Kanals in den Sensorkopf eingebracht werden und in die Nähe der Auflagefläche AF vorgeschoben werden, sodass das Sensorelement NV dann die magnetische Flussdichte B im Streufeld der Risse RI und/oder Vertiefungen in der Oberfläche des ferromagnetischen Materials FM erfasst. Das Sensorelement NV kann auch bis zur unmittelbaren Nähe der Auflagefläche AF des Sensorkopfes SK vorgeschoben werden, wobei dann aber das Problem auftaucht, dass die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung im Messbetrieb des Sensorkopfes SK durch eine Bewegung längs der Auflagefläche AF des Sensorkopfes SK steigt.
Sofern die Rückführung der Fluoreszenzstrahlung FL vom Sensorelement NV zum Fotodetektor PD separat von der Hinführung der Pumpstrahlung LB zum Sensorelement NV erfolgen soll, umfasst in diesem Fall der Sensorkopf SK bevorzugt einen zweiten Lichtwellenleiter LWL, der Fluoreszenzstrahlung FL des Sensorelements NV erfasst, und die Fluoreszenzstrahlung FL in Richtung des Fotodetektors PD transportiert.
Wie oben ausgeführt, ist jedoch bevorzugt der erste Lichtwellenleiter LWL mit dem zweiten Lichtwellenleiter LWL identisch. Das hier vorgelegte Dokument bezeichnet im Folgenden einen solchen Lichtwellenleiter LWL als gemeinsamen Lichtwellenleiter LWL. Ein solche gemeinsamer Lichtwellenleiter LWL spart Kalibrationsaufwand und reduziert die Montagekomplexität und spart Material und ist daher vorteilhaft. Insbesondere werden die notwendigen Modifikationen am Sensorkopf SK selbst reduziert.
Der erste Lichtwellenleiter LWL weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Der zweite Lichtwellenleiter LWL weist ebenfalls ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Der gemeinsame Lichtwellenleiter LWL weist ebenso ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Das hier vorgelegte Dokument schlägt nun vor, das Sensorelement NV an dem ersten Ende des ersten Lichtwellenleiters LWL und/oder zweiten Lichtwellenleiters LWL oder des gemeinsamen Lichtwellenleiters LWL zu befestigen, um die optische Kopplung zwischen Lichtwellenleiter LWL und Sensorelement NV zu stabilisieren.
Wenn nun das erste Ende des ersten und/oder der zweiten oder des gemeinsamen Lichtwellenleiters LWL von dem Trägermaterial TM des Sensorelements NV umhüllt ist, ergibt sich eine besonders gute Stabilisierung dieser optischen Kopplung.
Bevorzugt bildet dabei eine Endfläche EF des ersten Endes des ersten und/oder der zweiten oder des gemeinsamen Lichtwellenleiters LWL eine ebene Endfläche EF senkrecht zur Mittenlinie ML des Lichtwellenleiters LWL. Die Mittelline ML entspricht typischerweise der optischen Achse des Lichtwellenleiters LWL. Eine solche ebene Endfläche EF ermöglicht eine verbesserte Auskopplung der elektromagnetischen Pumpstrahlung LB aus dem Lichtwellenleiter LWL und eine verbesserte optische Einkopplung der Fluoreszenzstrahlung FL in den Lichtwellenleiter LWL. Bevorzugt ist der Abstand eines oder bevorzugt mehrerer Diamanten DM von dieser ebenen Endfläche EF kleiner als die Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp und/oder besser kleiner als ½ der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, und/oder besser kleiner als 1/4 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, und/oder besser kleiner als 1/8 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, und/oder besser kleiner als 1/10 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, und/oder besser kleiner als 1/20 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, und/oder besser kleiner als 1/50 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, und/oder besser kleiner als 1/100 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, , und/oder besser kleiner als 1/200 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, und/oder besser kleiner als 1/500 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, und/oder besser kleiner als 1/1000 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp.
Die Mittenlinie ML, die eine gedachte Hilfskonstruktion zur Verdeutlichung des Sachverhalts ist, durchstößt die Endfläche EF an einem Mittelpunkt MP der Endfläche EF. Die Dicke dl des Trägermaterials TM ist bevorzugt an diesem Mittelpunkt MP dicker ist als die Dicke dr an anderen Punkten der Endfläche EF des ersten Endes des ersten und/oder der zweiten oder des gemeinsamen Lichtwellenleiters LWL. Dies hat den Vorteil, dass Licht durch die Grenzfläche Trägermaterial TM/ Luft in den Lichtwellenleiter LWL zurückgespiegelt wird und dass dann die Effizienz und der Wirkungsgrad steigt.
Bevorzugt formt daher das Trägermaterial TM am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL eine Linse LWLL aus. Der Durchmesser DLWLL der Linse LWLL ist typischerweise kleiner als der Durchmesser DLWL des Lichtwellenleiters LWL. Der Durchmesser DLWLL der Linse LWLL kann aber auch so groß wie der der Durchmesser DLWL des Lichtwellenleiters LWL sein, was aber nach den Erfahrungen bei der Ausarbeitung der technischen Lehre dieses Dokuments nicht optimal ist.
Bevorzugt ist der der erste Lichtwellenleiter LWL im Bereich des Sensorkopfes SK und/oder innerhalb des Sensorkopfes SK ganz oder teilweise durch eine mechanische Hülle MH umhüllt. Bevorzugt ist der der zweite Lichtwellenleiter LWL im Bereich des Sensorkopfes SK und/oder innerhalb des Sensorkopfes SK ganz oder teilweise ebenfalls durch eine mechanische Hülle MH umhüllt. Bevorzugt ist der der gemeinsame Lichtwellenleiter LWL im Bereich des Sensorkopfes SK und/oder innerhalb des Sensorkopfes SK ganz oder teilweise in gleicher Weise durch eine mechanische Hülle MH umhüllt. Die mechanische Hülle MH stützt und schützt den jeweiligen Lichtwellenleiter LWL gegen die rauen Bedingungen innerhalb und außerhalb des Sensorkopfes SK. Die mechanische Hülle MH innerhalb des Sensorkopfes SK muss in der Regel besondere Anforderungen hinsichtlich thermischer und chemischer Stabilität gegen Hitze und Betriebsflüssigkeiten erfüllen. Die mechanische Hülle MH ist daher bevorzugt aus Glas oder Keramik oder dergleichen gefertigt. Ganz besonders bevorzugt umfasst die mechanische Hülle ein mechanisch flexibles Material, beispielsweise ein Gewebe, beispielsweise ein Glasgewebe.
Die mechanische Hülle MH weist daher bevorzugt einen Keramikwerkstoff oder ein anderes nicht magnetisierbares und/oder elektrisch nichtleitendes Material und/oder ein bei Temperaturen oberhalb von 100°C stabiles Material und/oder ein bei Temperaturen oberhalb von 140°C stabiles Material und/oder ein bei Temperaturen oberhalb von 170°C stabiles Material und/oder ein bei Temperaturen oberhalb von 200°C stabiles Material und/oder ein bei Temperaturen oberhalb von 250°C stabiles Material oder umfasst diese oder besteht aus diesen im Extremfall. Hierdurch kann der Sensorkopf auch bei hohen Temperaturen des ferromagnetischen Materials FM eingesetzt werden. Die mechanische Hülle MH kann also aus einem Keramikwerkstoff oder aus einem anderen nicht magnetisierbaren und/oder elektrisch nichtleitendes Material und/oder aus einem bei Temperaturen oberhalb von 100°C stabilen Material und/oder aus einem bei Temperaturen oberhalb von 140°C stabilen Material und/oder aus einem bei Temperaturen oberhalb von 170°C stabilen Material und/oder aus einem bei Temperaturen oberhalb von 200°C stabilen Material und/oder aus einem bei Temperaturen oberhalb von 250°C stabilen Material gefertigt sein.
Bevorzugt ist die mechanische Hülle MH zumindest abschnittweise ein Rohr oder Röhrchen oder eine Kapillare oder eine Kanüle, in die der jeweilige Lichtwellenleiter LWL beispielsweise hineingeschoben sein kann. Dies vereinfacht die Fertigung des Systems aus Lichtwellenleiter LWL, Sensorelement NV und mechanischer Hülle MH. Der Innendurchmesser Dro eines solchen Rohrs oder eines solchen Röhrchens oder einer solchen Kapillare oder einer solchen Kanüle ist bevorzugt nur ein Wenig größer als der Durchmesser der Lichtwellenleiterlinse LWLL und der Durchmesser DLWL des Lichtwellenleiters LWL.
Um den Zutritt von Fremdlicht im Betrieb zum Sensorelement NV zu minimieren, ist es sinnvoll, wenn der erste Spalt zwischen dem Rand des Kanals KN und dem ersten Lichtwellenleiter LWL mit einer optisch intransparenten Füllmasse FM ganz oder teilweise verschlossen ist. Aus dem gleichen Grund ist es sinnvoll, wenn der zweite Spalt zwischen dem Rand des zweiten Kanals KN und dem zweiten Lichtwellenleiter LWL mit einer optisch intransparenten Füllmasse FM ganz oder teilweise verschlossen ist und/oder wenn der gemeinsame Spalt zwischen dem Rand des Kanals KN und dem gemeinsamen Lichtwellenleiter LWL mit einer optisch im Wesentlichen nicht transparenten Füllmasse FM ganz oder teilweise verschlossen ist. Die gemeinsame Füllmasse FM kann den jeweiligen Lichtwellenleiter am Gehäuse des Sensorkopfes SK befestigen.
Bevorzugt ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, den zeitlichen Werteverlauf der Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL, insbesondere in Form eines Empfängerausgangssignals S0 zu ermitteln.
Des Weiteren ist die Vorrichtung vorzugsweise dazu eingerichtet, den zeitlichen Verlauf des Amplitudenwerts des zeitlichen Werteverlaufs der Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL aus dem zeitlichen Werteverlauf der Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL, insbesondere aus dem Empfängerausgangssignal S0 und insbesondere mittels eines Lock-In-Verstärkers LIV oder einer funktionsäquivalenten Teilvorrichtung, zu ermitteln. Schließlich ist die Vorrichtung vorzugsweise dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit von dem ermittelten zeitlichen Verlauf des Amplitudenwerts des zeitlichen Werteverlaufs der Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL eine Anzeige oder eine andere Signalisierung vorzunehmen.
Vorzugsweise ist die vorschlagsgemäße Vorrichtung dazu eingerichtet, insbesondere mittels eines Hochpassfilters oder eines funktionsäquivalenten Filters, aus dem zeitlichen Verlauf des Amplitudenwerts des zeitlichen Werteverlaufs der Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL einen Wechselanteil und/oder Gleichanteil des zeitlichen Verlaufs des Amplitudenwerts des zeitlichen Werteverlaufs der Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL zu ermitteln.
Bevorzugt ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, insbesondere mittels eines zweiten Tiefpasses TP2, einen niederfrequenten Gleichanteil im zeitlichen Verlauf des Amplitudenwerts des zeitlichen Werteverlaufs der Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL zu ermitteln. Dieser Gleichanteil kann die Vorrichtung zur Überwachung des Sensorelements NV und der optischen Strecke nutzen und Abweichungen von Erwartungswerten feststellen. Hierzu vergleicht die Vorrichtung den Wert des Gleichanteils mit einem Erwartungswertintervall. Liegt der Wert des Gleichanteils außerhalb des Erwartungswertintervalls, so schließt die Vorrichtung bevorzugt auf einen Fehler und löst entsprechende Maßnahmen aus. Eine solche Maßnahme kann beispielsweise sein, dass die Halbbrückensteuerung CTR über einen externen Datenbus EXTDB eine Signalisierung an ein übergeordnetes Rechnersystem übermittelt, das dann alles Weitere veranlasst.
Bevorzugt ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, diesen niederfrequenten Gleichanteil im zeitlichen Verlauf des Amplitudenwerts des zeitlichen Werteverlaufs der Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL von dem zeitlichen Verlauf des Amplitudenwerts des zeitlichen Werteverlaufs der Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL abzutrennen und so den Wechselanteil des zeitlichen Verlaufs des Amplitudenwerts des zeitlichen Werteverlaufs der Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL zu ermitteln.
Eine beispielhafte Anwendung des vorschlagsgemäßen Lichtwellenleiters LWL ist die Vermessung eines Magnetfelds eines ferromagnetischen Materials FM. Die Verwendungen des vorschlagsgemäßen Lichtwellenleiters LWL und des Sensorkopfes SK sind hierauf aber nicht beschränkt. Das hier vorgelegte Dokument schlägt für solche und andere Anwendungen mit ähnlichen Messaufgaben einen Lichtwellenleiter LWL mit dem Sensorelement NV vor. Dabei weist das Sensorelement NV ein Trägermaterial TM auf, in dem eine Vielzahl von Diamanten DM eingebettet sind. Ein oder mehrere oder alle Diamanten DM dieser Diamanten DM weisen dabei ein oder mehrere NV-Zentren NVZ und/oder ein oder mehrere andere paramagnetischen Zentren auf. Die NV-Zentren NVZ des Sensorelements NV und/oder die anderen paramagnetischen Zentren des Sensorelements NV emittieren bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung LB zumindest eine Fluoreszenzstrahlung FL. Das Besondere des in dem hier vorgelegten Dokument vorgeschlagenen Lichtwellenleiter LWL ist, dass das Trägermaterial TM bevorzugt ein mittels elektromagnetischer Strahlung ausgehärtetes Trägermaterial TM ist und dass das Trägermaterial TM nach dem Aushärten für Strahlung mit einer Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp der Pumpstrahlung LB, mit der die NV-Zentren NVZ und/oder die anderen paramagnetischen Zentren gepumpt werden, im Wesentlichen transparent ist. Im Wesentlichen bedeutet dabei, dass die unzweifelhaft auftretenden Verluste immer noch so gering sind, dass die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung der betreffenden Anwendung immer noch gegeben ist. In gleicherweise sollte das Trägermaterial TM für Strahlung mit einer Fluoreszenzwellenlänge λ_fl der Fluoreszenzstrahlung LB der NV-Zentren NVZ bzw. paramagnetischer Zentren im Wesentlichen transparent sein. Im Wesentlichen bedeutet dabei wiederum, dass die unzweifelhaft auftretenden Verluste immer noch so gering sind, dass die Funktionsfähigkeit der Vorrichtung der betreffenden Anwendung immer noch gegeben ist. Durch die Aushärtung eines zuvor flüssigen Trägermittels TM ist die Fertigung eines solchen Lichtwellenleiters LWL besonders einfach und prozesssicher mit einem hohen C_pk-Wert zu fertigen.
Die hier vorgelegte Schrift schlägt als Anwendungsbeispiel eine Vorrichtung zur Erfassung der magnetischen Flussdichte B in einem Kanal KN eines Sensorkopfes SK und/oder im Streufeld BSTR eines Permanentmagneten PM des Sensorkopfes SK vor. Der Sensorkopf SK weist bevorzugt ein Sensorelement NV mit einem Trägermittel TM auf. In das Trägermittel TM sind vorzugsweise eine Vielzahl von Diamanten bzw. Nanodiamanten DM eingebettet. Bevorzugt umfasst das Trägermaterial TM Glas und/oder einen ausgehärteten Kunststoff. Das Trägermaterial TM fixiert die Diamanten DM gegenüber dem ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL und verhindert eine Repositionierung der Diamanten DM. Bevorzugt ist das Trägermaterial TM nach der Verfestigung im Herstellungsprozess für Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp der Pumpstrahlung LB und für Strahlung mir der Fluoreszenzwellenlänge λ_fl der Fluoreszenzstrahlung FL der NV-Zentren NVZ bzw. paramagnetischen Zentren in den Diamanten DM bzw. Nanodiamanten transparent. Einer oder mehrere oder alle Diamanten bzw. Nanodiamanten DM dieser Diamanten bzw. Nanodiamanten DM weisen typischerweise NV-Zentren NVZ auf. Die magnetische Flussdichte B im Streufeld BSTR des Magnetfelds des Permanentmagneten PM wirkt auf die NV-Zentren NVZ bzw. die paramagnetischen Zentren im Sensorelement NV des Sensorkopfes SK ein. Typischerweise bewirkt die magnetische Flussdichte B eine Reduktion der Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL der NV-Zentren NVZ bzw. paramagnetischen Zentren im Sensorelement NV. Das Sensorkopfgehäuse GH besitzt vorzugsweis einen ersten Kanal KN für die Zuführung von Pumpstrahlung LB der Pumpstrahlungsquelle PL zu dem Sensorelement NV über einen Lichtwellenleiter LWL oder über dergleichen optischen System. Die Pumpstrahlung LB besitzt im Falle von NV-zentren als paramagnetischen Zentren bevorzugt eine Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp in einem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm Wellenlänge und/oder besser 450 nm bis 650 nm und/oder besser 500 nm bis 550 nm und/oder besser 515 nm bis 540 nm aufweisen. Bevorzugt ist dabei eindeutig eine Wellenlänge von 532 nm als Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp. Im Falle von NV-Zentren in Diamant oder in Diamanten ist eine Laser-Diode der Fa. Osram vom Typ PLT5 520B beispielsweise als Pumpstrahlungsquelle PL mit 520nm Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp geeignet. Die NV-Zentren NVZ des Sensorelements NV emittieren typischerweise bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung LB der oben beschriebenen Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp eine Fluoreszenzstrahlung FL mit einer typischen Fluoreszenzwellenlänge λ_fl von ca. 637nm bei NV-Zentren NVZ. Andere Wellenlängen können durch plasmonische Kopplung mit metallischen Nanokristallen in dem Trägermaterial TM erreicht werden. Die optischen Eigenschaften der NV-Zentren NVZ bzw. paramagnetischen Zentren im Sensorelement NV können durch Kombination der Nanodiamanten bzw. Diamanten DM im Trägermaterial TM des Sensorelements NV mit metallischen Nanopartikeln modifiziert werden. Das Sensorkopfgehäuse GH weist bevorzugt einen zweiten Kanal KN für den Austritt von Fluoreszenzstrahlung FL des Sensorelements NV zu einem Fotodetektor PD hin auf. Die vorgeschlagene Vorrichtung weist darüber hinaus eine Teilvorrichtung, insbesondere einen dichroitischen Spiegel F1, auf, um die Fluoreszenzstrahlung FL von der Pumpstrahlung LB zu trennen, sodass im Wesentlichen nur Fluoreszenzstrahlung FL und möglichst keine Pumpstrahlung LB auf den Fotodetektor PD fällt. Diese Teilvorrichtung in Form eines Filters F1 oder dichroitischen Spiegel lässt bevorzugt die Passage von Strahlung mit der Fluoreszenzwellenlänge λ_fl der Fluoreszenzstrahlung FL - z.B. 637nm bei NV-Zentren NVZ mit einem Phononenseitenband von 637nm bis 850 nm - in Richtung des Fotodetektors PD passieren, während es die Strahlung mit der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp der Pumpstrahlung LB der Pumpstrahlungsquelle PL und somit die modulierte Pumpstrahlung LB nicht passieren lässt oder so führt, dass sie den Fotodetektor PD nicht trifft oder beeinflusst. Der Fotodetektor PD wandelt das Intensitätssignal der Fluoreszenzstrahlung FL in ein Empfängerausgangsignal S0. Die Vorrichtung wertet das Empfängerausgangssignal S0 aus, um Informationen über die Werte magnetischer Materialparameter des Materials an der Oberfläche OF eines Werkstücks zu erlangen oder Informationen zu erlangen, die diese Information umfassen. Vorzugsweise umfasst das Material des Werkstücks in der Nähe der Oberfläche OF ein ferromagnetisches Material FM.
Die vorgeschlagene Vorrichtung hat den Vorteil, dass das Magnetfeld des Permanentmagnete PM und des ferromagnetischen Materials FM des Werkstücks durch Zuleitungen wie z.B. bei der Magnetfeldmessung mit Hall-Sensoren nicht gestört wird. Des Weiteren ist das Sensorelement NV vollkommen diamagnetisch. Eine Rückwirkung von Feldern des Werkstücks auf die Auswertelektronik des Sensorsystems über das Sensorelement NV und den Sensorkopf SK und den Lichtwellenleiter LWL ist wegen der galvanischen Trennung sehr unwahrscheinlich. Dadurch kann das System auch in Hochspannungssystemen mit Werkstücken, die auf sehr hohen elektrischem Potenzial liegen, eingesetzt werden. Auch ist es denkbar, dass das Werkstück sehr heiß oder sehr kalt ist. Ein Temperaturbereich von 0°C bis 80°C ist möglich. Bei entsprechender Ausgestaltung des Sensorkopfes, des Lichtwellenleiters LWL, der mechanischen Hülle MH, des Trägermaterials TM und des Materials des Sensorkopfgehäuses GH sind Temperaturen bis 700°C und bis zum absoluten Nullpunkt für das Werkstück und das ferromagnetische Material FM denkbar. Systeme aus dem Stand der Technik zeigen dies nicht
Bevorzugt befinden sich NV-Zentren NVZ bzw. die paramagnetischen Zentren des Sensorelements NV nicht im Streufeld BSTR des Permanentmagneten PM.
Bevorzugt sind die Diamanten bzw. Nanodiamanten DM im Trägermaterial TM im Wesentlichen zueinander unterschiedlich mit einer jeweils im Wesentlichen unterschiedlichen Orientierung orientiert. Dies hat den fertigungstechnischen Vorteil, dass eine Ausrichtung der Diamanten bzw. Nanodiamanten DM nicht mehr notwendig ist und die das Herstellverfahren zur Herstellung des Sensorelements beispielsweise Diamantpulver mit einer sehr großen Anzahl sehr kleiner Diamanten bzw. Nanodiamanten DM verwenden kann. Ein Sensorelement NV mit einer solchen ungeordneten Vielzahl von Diamanten bzw. Nanodiamanten DM hat den Vorteil, dass die Messung der magnetischen Flussdichte B isotrop ist. Das bedeutet, dass das Sensorelement NV nur den Betrag der magnetischen Flussdichte B erfasst, nicht jedoch die Richtung. Dies hat den Vorteil, dass eine Ausrichtung des Sensorelements NV und des Lichtwellenleiters LWL im Sensorkopf SK nicht mehr notwendig ist. Die Montage eines solchen Sensorelements NV können Hilfskräfte oder wenig präzise maschinelle Vorrichtungen übernehmen, die das Sensorelement NV mit dem Lichtwellenleiter LWL nur in einen dafür vorgesehenen Kanal KN im Sensorkopfgehäuse GH stecken und dort beispielsweise mittels Klebung oder Verschraubung befestigen müssen. Hierdurch sinken die Fertigungskosten für einen solchen Sensorkopf SK drastisch. Um die räumliche Isotropie zu erreichen, ist es daher vorteilhaft, wenn die Orientierung der Diamanten bzw. Nanodiamanten DM stochastisch im Sensorelement NV im Wesentlichen gleichverteilt ist.
Im Zuge der Ausarbeitung der technischen Lehre dieses Dokuments hat die Anmelderin erkennt, dass es entsprechend den vorausgehenden Ausführungen auch vorteilhaft ist, wenn das Sensorelement NV sich im Streufeld BSTR des Permanentmagneten PM befindet.
Um die Anzahl der Lichtwellenleiter LWL zu minimieren und die Modifikationen am Sensorkopf SK gering zu halten, ist es vorteilhaft einen einzigen Lichtwellenleiter LWL für die Zuführung der Pumpstrahlung LB der Pumpstrahlungsquelle PL zum Sensorelement NV und für die Rückführung der Fluoreszenzstrahlung FL vom Sensorelement NV zum Fotodetektor PD zu benutzen. In dem Fall ist nur ein einziger Kanal KN für die Montage des Lichtwellenleiters LWL im Sensorkopfgehäuse GH notwendig, sodass dann der erste Kanal KN mit dem zweiten Kanal KN e identisch ist. Der folgende Text bezeichnet dann einen solchen Kanal KN als gemeinsamen Kanal KN.
Somit umfasst der vorschlagsgemäße Sensorkopf SK ein Sensorelement NV mit einer Vielzahl von Diamanten bzw. Nanodiamanten DM mit NV-Zentren NVZ und/oder anderen paramagnetischen Zentren in einem Trägermaterial TM und einen ersten Lichtwellenleiter LWL, an dem das Sensorelement NV befestigt ist, wobei der Lichtwellenleiter LWL die Pumpstrahlung LB der Pumpstrahlungsquelle PL zu dem Sensorelement NV transportiert, sodass die Pumpstrahlung LB das Sensorelement NV bestrahlt und die NV-Zentren NVZ bzw. die paramagnetischen Zentren des Sensorelements NV Fluoreszenzstrahlung FL abgeben, die der Lichtwellenleiter LWL erfasst und in Richtung auf den Fotodetektor PD zurücktransportiert.
Der Lichtwellenleiter LWL kann dabei parallel oder senkrecht zur Achse AX des Permanentmagneten PM im Sensorkopf SK eingebracht werden, wobei sich dann das Sensorelement NV bevorzugt im Streufeld BSTR des Permanentmagneten PM befindet.
Sofern die Rückführung der Fluoreszenzstrahlung FL vom Sensorelement NV zum Fotodetektor PD separat von der Hinführung der Pumpstrahlung LB zum Sensorelement NV erfolgen soll, umfasst in diesem Fall der Sensorkopf SK bevorzugt einen zweiten Lichtwellenleiter LWL, der Fluoreszenzstrahlung FL des Sensorelements NV erfasst, und die Fluoreszenzstrahlung FL in Richtung des Fotodetektors PD transportiert.
Wie oben ausgeführt, ist jedoch bevorzugt der erste Lichtwellenleiter LWL mit dem zweiten Lichtwellenleiter LWL identisch. Das hier vorgelegte Dokument bezeichnet im Folgenden einen solchen Lichtwellenleiter LWL als gemeinsamen Lichtwellenleiter LWL. Ein solche gemeinsamer Lichtwellenleiter LWL spart Kalibrationsaufwand und reduziert die Montagekomplexität und spart Material und ist daher vorteilhaft. Insbesondere werden die notwendigen Modifikationen am Sensorkopf SK selbst reduziert.
Der erste Lichtwellenleiter LWL weist ein erstes Ende ELWL1 und ein zweites Ende ELWL2 auf. Der zweite Lichtwellenleiter LWL weist ebenfalls ein erstes Ende ELWL1 und ein zweites Ende ELWL2 auf. Der gemeinsame Lichtwellenleiter LWL weist ebenso ein erstes Ende ELWL1 und ein zweites Ende ELWL2 auf. Das hier vorgelegte Dokument schlägt nun vor, das Sensorelement NV an dem ersten Ende ELWL1 des ersten Lichtwellenleiters LWL und/oder zweiten Lichtwellenleiters LWL oder des gemeinsamen Lichtwellenleiters LWL zu befestigen, um die optische Kopplung zwischen Lichtwellenleiter LWL und Sensorelement NV zu stabilisieren.
Wenn nun das erste Ende ELWL1 des ersten und/oder der zweiten oder des gemeinsamen Lichtwellenleiters LWL von dem Trägermaterial TM des Sensorelements NV umhüllt ist, ergibt sich eine besonders gute Stabilisierung dieser optischen Kopplung.
Bevorzugt bildet dabei eine Endfläche EF des ersten Endes ELWL1 des ersten und/oder der zweiten oder des gemeinsamen Lichtwellenleiters LWL eine ebene Endfläche EF senkrecht zur Mittenlinie ML des Lichtwellenleiters LWL. Die Mittelline ML entspricht typischerweise der optischen Achse des Lichtwellenleiters LWL. Eine solche ebene Endfläche EF ermöglicht eine verbesserte Auskopplung der elektromagnetischen Pumpstrahlung LB aus dem Lichtwellenleiter LWL und eine verbesserte optische Einkopplung der Fluoreszenzstrahlung FL in den Lichtwellenleiter LWL. Bevorzugt ist der Abstand eines oder bevorzugt mehrerer Diamanten bzw. Nanodiamanten DM von dieser ebenen Endfläche EF kleiner als die Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp und/oder besser kleiner als ½ der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, und/oder besser kleiner als 1/4 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, und/oder besser kleiner als 1/8 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, und/oder besser kleiner als 1/10 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, und/oder besser kleiner als 1/20 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, und/oder besser kleiner als 1/50 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, und/oder besser kleiner als 1/100 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, , und/oder besser kleiner als 1/200 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, und/oder besser kleiner als 1/500 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp, und/oder besser kleiner als 1/1000 der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp.
Die Mittenlinie ML, die eine gedachte Hilfskonstruktion zur Verdeutlichung des Sachverhalts ist, durchstößt die Endfläche EF an einem Mittelpunkt MP der Endfläche EF. Die Dicke d_l des Trägermaterials TM ist bevorzugt an diesem Mittelpunkt MP dicker ist als die Dicke d_r an anderen Punkten der Endfläche EF des ersten Endes des ersten und/oder der zweiten oder des gemeinsamen Lichtwellenleiters LWL. Dies hat den Vorteil, dass Licht durch die Grenzfläche Trägermaterial TM/ Luft in den Lichtwellenleiter LWL zurückgespiegelt wird und dass dann die Effizienz und der Wirkungsgrad steigt.
Bevorzugt formt daher das Trägermaterial TM am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL eine Linse LWLL aus. Der Durchmesser D_LWLL der Linse LWLL ist typischerweise kleiner als der Durchmesser D_LWL des Lichtwellenleiters LWL. Der Durchmesser D_LWLL der Linse LWLL kann aber auch so groß wie der der Durchmesser D_LWL des Lichtwellenleiters LWL sein, was aber nach den Erfahrungen bei der Ausarbeitung der technischen Lehre dieses Dokuments nicht optimal ist.
Bevorzugt ist der der erste Lichtwellenleiter LWL im Bereich des Sensorkopfes SK und/oder innerhalb des Sensorkopfes SK ganz oder teilweise durch eine mechanische Hülle MH umhüllt. Bevorzugt ist der der zweite Lichtwellenleiter LWL im Bereich des Sensorkopfes SK und/oder innerhalb des Sensorkopfes SK ganz oder teilweise ebenfalls durch eine mechanische Hülle MH umhüllt. Bevorzugt ist der der gemeinsame Lichtwellenleiter LWL im Bereich des Sensorkopfes SK und/oder innerhalb des Sensorkopfes SK ganz oder teilweise in gleicher Weise durch eine mechanische Hülle MH umhüllt. Die mechanische Hülle MH stützt und schützt den jeweiligen Lichtwellenleiter LWL gegen die rauen Bedingungen der jeweiligen Messsituation. Die mechanische Hülle MH innerhalb des Sensorkopfes SK muss den jeweiligen besondere Anforderungen hinsichtlich thermischer und chemischer Stabilität gegen Hitze und Betriebsflüssigkeiten erfüllen. Die mechanische Hülle MH ist daher bevorzugt aus Glasgewebe oder Keramik oder Kunststoff oder dergleichen gefertigt.
Die mechanische Hülle MH weist daher bevorzugt einen Keramikwerkstoff oder ein anderes nicht magnetisierbares und/oder elektrisch nichtleitendes Material und/oder ein bei Temperaturen oberhalb von 100°C stabiles Material und/oder ein bei Temperaturen oberhalb von 140°C stabiles Material und/oder ein bei Temperaturen oberhalb von 170°C stabiles Material und/oder ein bei Temperaturen oberhalb von 200°C stabiles Material und/oder ein bei Temperaturen oberhalb von 250°C stabiles Material oder umfasst diese oder besteht aus diesen im Extremfall. Die mechanische Hülle MH kann also aus einem Keramikwerkstoff oder aus einem anderen nicht magnetisierbaren und/oder elektrisch nichtleitendes Material und/oder aus einem bei Temperaturen oberhalb von 100°C stabilen Material und/oder aus einem bei Temperaturen oberhalb von 140°C stabilen Material und/oder aus einem bei Temperaturen oberhalb von 170°C stabilen Material und/oder aus einem bei Temperaturen oberhalb von 200°C stabilen Material und/oder aus einem bei Temperaturen oberhalb von 250°C stabilen Material gefertigt sein oder dieses umfassen.
Bevorzugt ist die mechanische Hülle MH zumindest abschnittweise ein Rohr oder Röhrchen oder eine Kapillare oder eine Kanüle oder ein Schlauch, in die der jeweilige Lichtwellenleiter LWL hineingeschoben ist. Dies vereinfacht die Fertigung des Systems aus Lichtwellenleiter LWL, Sensorelement NV und mechanischer Hülle MH. Der Innendurchmesser D_ro eines solchen Rohrs oder eines solchen Röhrchens oder einer solchen Kapillare oder einer solchen Kanüle oder eines solchen Schlauches ist bevorzugt nur ein Wenig größer als der Durchmesser der Lichtwellenleiterlinse LWLL und der Durchmesser DLWL des Lichtwellenleiters LWL.
Um den Zutritt von Fremdlicht im Betrieb zum Sensorelement NV zu minimieren, ist es sinnvoll, wenn der erste Spalt zwischen dem Rand des ersten Kanals KN und dem ersten Lichtwellenleiter LWL mit einer optisch intransparenten Füllmasse ganz oder teilweise oder abschnittsweise verschlossen ist. Aus dem gleichen Grund ist es sinnvoll, wenn der zweite Spalt zwischen dem Rand des zweiten Kanals KN und dem zweiten Lichtwellenleiter LWL mit einer optisch intransparenten Füllmasse ganz oder teilweise verschlossen oder abschnittsweise ist und/oder wenn der gemeinsame Spalt zwischen dem Rand des gemeinsamen Kanals KN und dem gemeinsamen Lichtwellenleiter LWL mit einer optisch im Wesentlichen nicht transparenten Füllmasse ganz oder teilweise oder abschnittsweise verschlossen ist. Die gemeinsame Füllmasse kann den jeweiligen Lichtwellenleiter LWL im jeweiligen Kanal KN des Sensorkopfgehäuses GH befestigen.
Bevorzugt ist die Vorrichtung dazu eingerichtet, den zeitlichen Werteverlauf der Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL, insbesondere in Form eines Empfängerausgangssignals S0 zu ermitteln. Des Weiteren ist die Vorrichtung vorzugsweise dazu eingerichtet, den zeitlichen Verlauf des Amplitudenwerts des zeitlichen Werteverlaufs der Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL aus dem zeitlichen Werteverlauf der Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL, insbesondere aus dem Empfängerausgangssignal S0 und insbesondere mittels eines Lock-In-Verstärkers LIV oder einer funktionsäquivalenten Teilvorrichtung, zu ermitteln.
Das hier vorgelegte Dokument schlägt für solche und andere Anwendungen mit ähnlichen Messaufgaben einen Lichtwellenleiter LWL mit einem Sensorelement NV vor. Dabei weist das Sensorelement NV ein Trägermaterial TM auf, in dem eine Vielzahl von Diamanten bzw. Nanodiamanten DM eingebettet sind. Ein oder mehrere oder alle Diamanten bzw. Nanodiamanten DM dieser Diamanten DM weisen dabei ein oder mehrere NV-Zentren NVZ und/oder ein oder mehrere andere paramagnetischen Zentren auf. Die NV-Zentren NVZ des Sensorelements NV und/oder die anderen paramagnetischen Zentren des Sensorelements NV emittieren bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung LB zumindest eine Fluoreszenzstrahlung FL. Das Besondere des in dem hier vorgelegten Dokument vorgeschlagenen Lichtwellenleiter LWL ist, dass das Trägermaterial TM bevorzugt ein mittels elektromagnetischer Strahlung ausgehärtetes Trägermaterial TM ist und dass das Trägermaterial TM nach dem Aushärten für Strahlung mit einer Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp der Pumpstrahlung LB, mit der die NV-Zentren NVZ und/oder die anderen paramagnetischen Zentren gepumpt werden, im Wesentlichen transparent ist. Im Wesentlichen bedeutet dabei, dass die unzweifelhaft auftretenden Verluste immer noch so gering sind, dass die Funktionsfähigkeit der betreffenden Anwendung immer noch gegeben ist. In gleicherweise sollte das Trägermaterial TM für Strahlung mit einer Fluoreszenzwellenlänge λ_fl der Fluoreszenzstrahlung LB der NV-Zentren bzw. der paramagnetischen Zentren im Wesentlichen transparent sein. Im Wesentlichen bedeutet dabei wiederum, dass die unzweifelhaft auftretenden Verluste immer noch so gering sind, dass die Funktionsfähigkeit der betreffenden Anwendung immer noch gegeben ist. Durch die Aushärtung eines zuvor flüssigen Trägermittels TM ist die Fertigung eines solchen Lichtwellenleiters LWL besonders einfach und prozesssicher mit einem hohen C_pk-Wert zu fertigen.
In einer Variante des Lichtwellenleiters sind die Diamanten bzw. Nanodiamanten DM im Trägermaterial TM im Wesentlichen zueinander unterschiedlich mit einer jeweils im Wesentlichen unterschiedlichen Orientierung orientiert sind. Dies hat den Vorteil, dass sich das Sensorelement isotrop verhält und keine Vorzugsrichtung zeigt. Die Mischung verschiedenster Diamantkristalle homogenisiert die Messergebnisse und verbessert den C_pk-Wert.
Aus dem gleichen Grund ist es vorteilhaft, wenn im Trägermaterial TM die Orientierung der Diamanten bzw. Nanodiamanten DM stochastisch im Wesentlichen gleichverteilt ist.
Bevorzugt ist der Lichtwellenleiter LWL dazu eingerichtet oder bestimmt ist, Pumpstrahlung LB der Pumpstrahlungsquelle PL zu dem Sensorelement NV zu transportieren, sodass die Pumpstrahlung LB das Sensorelement NV mit Strahlung der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp bestrahlt.
Der Lichtwellenleiter LWL ist bevorzugt ebenfalls dazu eingerichtet oder bestimmt, Fluoreszenzstrahlung FL des Sensorelements NV zu erfassen, und die Fluoreszenzstrahlung FL in Richtung eines Fotodetektors PD zu transportieren.
Der vorgeschlagene Lichtwellenleiter LWL weist wieder bevorzugt ein erstes Ende ELWL1 und ein zweites Ende ELWL2 auf. Das Trägermaterial TM bildet bevorzugt das Sensorelement NV und befestigt dieses Sensorelement NV an dem ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL.
Bevorzugt umhüllt das Trägermaterial TM des Sensorelements NV das erste Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL. Dies verbessert die mechanische Verbindung zwischen Lichtwellenleiter LWL und Sensorelement NV.
Bevorzugt bildet eine Endfläche EF des ersten Endes ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL eine ebene Endfläche EF senkrecht zur Mittenlinie ML des Lichtwellenleiters LWL. Dies verbessert die Auskopplung elektromagnetischer Strahlung aus dem Kern LWLC des Lichtwellenleiters LWL in das Sensorelement NV und umgekehrt.
Die gedachte virtuelle Mittenlinie ML des Lichtwellenleiters LWL durchstößt die Endfläche EF des Lichtwellenleiters LWL am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL an einem Mittelpunkt MP der Endfläche EF des Lichtwellenleiters LWL. Bevorzugt ist Dicke d_l des Trägermaterials TM an diesem Mittelpunkt MP dicker als die Dicke d_r an anderen Punkten der Endfläche EF des ersten Endes ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL. Hierdurch formt sich ein optisches Funktionselement am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL aus. Dies verbessert die Auskopplung elektromagnetischer Strahlung aus dem Kern LWLC des Lichtwellenleiters LWL in das Sensorelement NV und umgekehrt.
Bevorzugt formt daher das Trägermaterial TM am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL eine Linse LWLL aus, deren Durchmesser D_LWLL vorzugsweise kleiner als der Durchmesser D_LWL des Lichtwellenleiters LWL oder so groß wie der der Durchmesser D_LWL des Lichtwellenleiters LWL ist. Dies verringert das Messvolumen des Sensorelements und steigert damit die Ortsauflösung magnetischer Messungen. Somit kann dann das hier vorgestellte Verfahren mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung besonders kleine Risse RI in der Oberfläche OF des Materials des Werkstücks entdecken.
Bevorzugt ist der erste Lichtwellenleiter LWL ganz oder teilweise durch eine erste mechanische Hülle MH umhüllt. Bevorzugt umfasst die mechanische Hülle MH einen Keramikwerkstoff oder ein anderes nicht magnetisierbares und/oder elektrisch nichtleitendes Material und/oder ein bei Temperaturen oberhalb von 100°C stabiles Material und/oder ein bei Temperaturen oberhalb von 140°C stabiles Material und/oder ein bei Temperaturen oberhalb von 170°C stabiles Material und/oder ein bei Temperaturen oberhalb von 200°C stabiles Material und/oder ein bei Temperaturen oberhalb von 250°C stabiles Material oder weist ein solches Material auf. Dies schützt das Sensorelement NV und den Lichtwellenleiter LWL vor Beschädigung. Bevorzugt ist die mechanische Hülle MH aus einem Keramikwerkstoff oder aus einem anderen nicht magnetisierbaren und/oder elektrisch nichtleitendes Material und/oder aus einem bei Temperaturen oberhalb von 100°C stabilen Material und/oder aus einem bei Temperaturen oberhalb von 140°C stabilen Material und/oder aus einem bei Temperaturen oberhalb von 170°C stabilen Material und/oder aus einem bei Temperaturen oberhalb von 200°C stabilen Material und/oder aus einem bei Temperaturen oberhalb von 250°C stabilen Material gefertigt.
Zur besseren Verarbeitung und Montage umfasst die mechanische Hülle MH bevorzugt zumindest abschnittweise ein Rohr oder Röhrchen oder eine Kapillare oder eine Kanüle oder einen Schlauch, insbesondere einen Gewebeschlauch.
Die Fluoreszenzstrahlung der NV-Zentren NVZ und/oder der anderen paramagnetischen Zentren in den Diamanten bzw. den Nanodiamanten DM des Trägermaterials TM und insbesondere die Fluoreszenzwellenlänge λ_fl derer Fluoreszenzstrahlung FL kann beispielsweise mittels plasmonischer Kopplung durch metallische Nanopartikel, die dem Trägermaterial TM ebenfalls beigemischt werden, modifiziert werden. In dem Fall kann dann beispielsweise das Trägermaterial TM metallische Nanopartikel mit einem Durchmesser kleiner 200nm und/oder kleiner 100nm und/oder kleiner 50nm und/oder kleiner 20nm und/oder kleiner 10nm und/oder kleiner 5nm aufweisen, die später dann in dem verfestigten Trägermaterial TM eingelagert sind. Dies verbessert die Anwendbarkeit in speziellen Anwendungsfällen.
Die metallischen Nanopartikel wechselwirken dann typischerweise plasmonisch mit Diamanten bzw. Nanodiamanten DM in dem Trägermaterial TM und beeinflussen dann so die Fluoreszenzstrahlung FL dieser Diamanten DM.
Diese metallischen Nanopartikel weisen typischerweise Gold und/oder Platin und/oder Palladium und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder Chrom und/oder Silizium und/oder Germanium und/oder Zinn und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Tellur und/oder Magnesium und/oder Kalzium und/oder Strontium und/oder Barium und/oder Titan und/oder Zirkon und/oder Hafnium und/oder Chrom und/oder Molybdän und/oder Wolfram und/oder Eisen und/oder Ruthenium und/oder Osmium und/oder Nickel und/oder Zinn und/oder Kadmium und/oder Quecksilber und/oder Cerium und/oder Neodym und/oder Samarium und/oder Gadolinium und/oder Dysprosium und/oder Erbium und/oder Ytterbium und/oder Thorium und/oder Proactinium und/oder Uran und/oder Plutonium auf. Wobei erstere besonders bevorzugt sind.
Die Atome des Metalls der Nanopartikel umfassen eines oder mehrerer Elemente des Periodensystems. Jedes dieser Elemente tritt in verschiedenen Isotopen in der Natur mit einem jeweiligen natürlichen Isotopenmischungsverhältnis auf. Jedes Isotop eines Elements weist dabei einen natürlichen Anteil entsprechend dem natürlichen Isotopenmischungsverhältnis dieses Elements auf. Hinsichtlich der dieser Anteile und der Werte verweist das hier vorgelegte Dokument auf die deutsche Patentanmeldung DE 10 2020 125 178 A1 der Anmelderin. Diese Isotope weisen jeweils ein magnetisches Kernmoment µ auf oder nichtaufweisen je nach Isotop. Bevorzugt weisen die metallischen Nanopartikel bei zumindest einem Element, das die metallischen Nanopartikel aufweisen, einen erhöhten Anteil im Isotopenmischungsverhältnis gegenüber dem natürlichen Anteil des Isotopenmischungsverhältnisses für zumindest eines der folgenden Isotope auf:¹²C, ¹⁴C, ²⁸Si, ³⁰Si, ⁷⁰Ge, ⁷²Ge, ⁷⁴Ge, ⁷⁶Ge,¹¹²Zn, ¹¹⁴Zn, ¹¹⁶Zn, ¹¹⁸Zn, ¹²⁰Zn, ¹²²Zn, ¹²⁴Zn ¹⁶0, ¹⁸0, ³²S, ³⁴S, ³⁶S, ⁷⁴Se, ⁷⁶Se, ⁷⁸Se, ⁸⁰Se, ⁸²Se, ¹²⁰Te, ¹²²Te, ¹²⁴Te, ¹²⁶Te, ¹²⁸Te, ¹³⁰Te, ²⁴Mg, ²⁶Mg, ⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca, ⁴⁸Ca, ⁸⁴Sr, ⁸⁶Sr, ⁸⁸Sr, ¹³⁰Ba, ¹³²Ba, ¹³⁴Ba, ¹³⁶Ba, ¹³⁸Ba, ⁴⁶Ti, ⁴⁸Ti, ⁵⁰Ti, ⁹⁰Zr, ⁹⁰Zr, ⁹²Zr, ⁹⁴Zr, ⁹⁶Zr, ¹⁷⁴Hf, ¹⁷⁶Hf, ¹⁷⁸Hf, ⁵⁰Cr, ⁵²Cr, ⁵³Cr, ⁹²Mo, ⁹⁴Mo, ⁹⁶Mo, ⁹⁸Mo, ¹⁰⁰Mo, ¹⁸⁰W, ¹⁸²W, ¹⁸⁴W, ¹⁸⁶W, ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁸Fe, ⁹⁶Ru, ⁹⁸Ru, ¹⁰⁰Ru, ¹⁰²Ru, ¹⁰⁴Ru, ¹⁸⁴Os, ¹⁸⁶Os, ¹⁸⁸Os, ¹⁹⁰Os, ¹⁹²Os ⁵⁸Ni, ⁶⁰ Ni, ⁶²Ni, ⁶⁴Ni, ¹⁰²Pd, ¹⁰²Pd, ¹⁰⁴Pd, ¹⁰⁶Pd, ¹⁰⁸Pd, ¹¹⁰Pd, ¹⁹⁰Pt, ¹⁹²Pt, ¹⁹⁴Pt, ¹⁹⁶Pt, ¹⁹⁸Pt ⁶⁴Zn, ⁶⁶Zn, ⁶⁸Zn, ⁷⁰Zn, ¹⁰⁶Cd, ¹⁰⁸Cd, ¹¹⁰Cd, ¹¹²Cd, ¹¹⁴Cd, ¹¹⁶Cd, ¹⁹⁶Hg, ¹⁹⁸Hg, ²⁰⁰Hg, ²⁰²Hg, ²⁰⁴Hg ¹³⁶Ce, ¹³⁸Ce, ¹⁴⁰Ce, ¹⁴²Ce, ¹⁴²Nd, ¹⁴⁴Nd, ¹⁴⁶Nd, ¹⁴⁸Nd, ¹⁵⁰Nd, ¹⁴⁴Sm, ¹⁴⁶Sm, ¹⁴⁸Sm, ¹⁵⁰Sm, ¹⁵²Sm, ¹⁵⁴Sm, ¹⁵²Gd, ¹⁵⁴Gd, ¹⁵⁶Gd, ¹⁵⁸Gd, ¹⁶⁰Gd, ^15SDy, ¹⁵⁸Dy, ¹⁶⁰Dy, ¹⁶²Dy, ¹⁶⁴Dy, ¹⁶²Er, ¹⁶⁴Er, ¹⁶⁶Er, ¹⁶⁸Er, ¹⁷⁰Er, ¹⁶⁸Yb, ¹⁷⁰Yb, ¹⁷²Yb, ¹⁷⁴Yb, ¹⁷⁶Yb, ²³²Th, ²³⁴Pa, ²³⁴U, ²³⁸U, ²⁴⁴Pu.
Der Lichtwellenleiter LWL weist typischerweise einen Lichtwellenleiterkern LWLC auf. In dem Trägermaterial TM formt das Trägermaterial TM bevorzugt ein optisches Funktionselement am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL aus. Dies verbessert wieder die besagte optische Kopplung zwischen Lichtwellenleiter LWL und Trägermaterial TM. Das optische Funktionselement wirkt dann so mit dem Lichtwellenleiterkern LWLC des Lichtwellenleiters LWL am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL optisch zusammen.
Bevorzugt weist das optische Funktionselement eine Lichtwellenleiterlinse LWLL, insbesondere in Form einer Verdickung des Trägermaterials TM im Bereich des optischen Funktionselements, auf.
Das Wesentliche des hier vorgelegten Dokuments ist nun, dass es auch ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtwellenleiters LWL, wie er zuvor beschrieben und verwendet wurde, beschreibt und offenlegt. Das vorgeschlagene Verfahren umfasst die Schritte:

• Bereitstellen 140 eines Lichtwellenleiters LWL, wobei der Lichtwellenleiter LWL ein erstes Ende ELWL1 und ein zweites Ende ELWL2 aufweist;
• Bereitstellen 142 eines flüssigen und mittels elektromagnetischer Strahlung einer Aushärtewellenlänge λ_H härtbaren Trägermaterials TM, wobei in das Trägermaterial TM eine Vielzahl von Diamanten DM, vorzugsweise Nanodiamanten, eingebettet sind und wobei einer oder mehrere oder alle Diamanten DM dieser Diamanten DM NV-Zentren NVZ und/oder andere paramagnetischen Zentren aufweisen und wobei die NV-Zentren NVZ der Diamanten DM des Trägermaterials TM und/oder die anderen paramagnetischen Zentren der Diamanten DM des Trägermaterials TM bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung LB zumindest eine Fluoreszenzstrahlung FL emittieren;
• Benetzen 145 des ersten Endes des Lichtwellenleiters TM auf eine Benetzungslänge L_B mit dem Trägermaterial TM, das die Vielzahl eingebetteter Diamanten DM aufweist;
• Einspeisen 150 elektromagnetischer Strahlung in das zweite Ende ELWL2 des Lichtwellenleiters LWL, wobei die Wellenlänge dieser elektromagnetischen Strahlung, die Aushärtewellenlänge λ_H, so gewählt ist, dass das Trägermaterial TM am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL aushärtet und sich in einen Festkörper wandelt.
• Entfernen 160 des nicht ausgehärteten Trägermaterials TM insbesondere mittels eines Lösungsmittels, wobei der verbleibende Film des Trägermaterials TM am ersten Ende des Lichtwellenleiters LWL das Sensorelement NV bildet.

Typischerweise härtet das Trägermaterial TM nur teilweise aus, was die Bildung des optischen Funktionselements ermöglicht.
Die elektromagnetischen Strahlung mit der Aushärtewellenlänge λ_H weist eine Eindringtiefe in das Trägermaterial TM auf, so dass das Trägermaterial TM nur bis zu einer Dicke d_l des Trägermaterials aushärtet und so das optische Funktionselement bildet, was im Rahmen der Ausarbeitung der technischen Lehre dieser Schrift erst als überraschendes und vorteilhaftes Vorgehen erkannt wurde.
Die Strahlung der am zweiten Ende ELWL2 des Lichtwellenleiters LWL zur Aushärtung eingespeisten Strahlung ist bevorzugt UV-Strahlung. Ganz besonders bevorzugt ist eine Strahlung zur Aushärtung mit einer Aushärtewellenlänge λ_H zwischen 320-380nm.
In bestimmten Anwendungsfällen können dem Trägermaterial TM Nanopartikel mit einem Durchmesser kleiner 200nm und/oder kleiner 100nm und/oder kleiner 50nm und/oder kleiner 20nm und/oder kleiner 10nm und/oder kleiner 5nm vor dem Bereitstellen beigemischt werden, sodass diese in dem Trägermaterial TM nach dem Aushärten eingelagert sind. Bevorzugt handelt es sich um metallische Nanopartikel.
Solche metallischen Nanopartikel wechselwirken mit Diamanten bzw. Nanodiamanten DM in dem Trägermaterial TM und können beispielsweise die Fluoreszenzstrahlung FL dieser Diamanten bzw. Nanodiamanten DM beeinflussen.
Die metallischen Nanopartikel umfassen beispielsweise Gold und/oder Platin und/oder Palladium und/oder Graphit und/oder Graphen und/oder Chrom und/oder Silizium und/oder Germanium und/oder Zinn und/oder Schwefel und/oder Selen und/oder Tellur und/oder Magnesium und/oder Kalzium und/oder Strontium und/oder Barium und/oder Titan und/oder Zirkon und/oder Hafnium und/oder Chrom und/oder Molybdän und/oder Wolfram und/oder Eisen und/oder Ruthenium und/oder Osmium und/oder Nickel und/oder Zinn und/oder Kadmium und/oder Quecksilber und/oder Cerium und/oder Neodym und/oder Samarium und/oder Gadolinium und/oder Dysprosium und/oder Erbium und/oder Ytterbium und/oder Thorium und/oder Proactinium und/oder Uran und/oder Plutonium und/oder Mischungen derselben.
Die Atome des Metalls der Nanopartikel umfassten naturgemäß eines oder mehrerer Elemente des Periodensystems der Elemente. Jedes dieser Elemente tritt in verschiedenen Isotopen in der Natur mit einem jeweiligen natürlichen Isotopenmischungsverhältnis auf. Jedes Isotop weit in der Natur dabei einen natürlichen Anteil entsprechend dem natürlichen Isotopenmischungsverhältnis auf. Diese Isotope können ein magnetisches Kernmoment µ aufweisen oder nichtaufweisen je nach Isotop. Die metallischen Nanopartikel weisen bei zumindest einem Element, das die metallischen Nanopartikel aufweisen, einen erhöhten Anteil im Isotopenmischungsverhältnis gegenüber dem natürlichen Anteil des Isotopenmischungsverhältnisses für zumindest eines der folgenden Isotope auf: ¹²C, ¹⁴C, ²⁸Si, ³⁰Si, ⁷⁰Ge, ⁷²Ge, ⁷⁴Ge, ⁷⁶Ge,¹¹²Zn, ¹¹⁴Zn, ¹¹⁶Zn, ¹¹⁸Zn, ¹²⁰Zn, ¹²²Zn, ¹²⁴Zn ¹⁶O, ¹⁸O, ³²S, ³⁴S, ³⁶S, ⁷⁴Se, ⁷⁶Se, ⁷⁸Se, ⁸⁰Se, ⁸²Se, ¹²⁰Te, ¹²²Te, ¹²⁴Te, ¹²⁶Te, ¹²⁸Te, ¹³⁰Te, ²⁴Mg, ²⁶Mg, ⁴⁰Ca, ⁴²Ca, ⁴⁴Ca, ⁴⁶Ca, ⁴⁸Ca, ⁸⁴Sr, ⁸⁶Sr, ⁸⁸Sr, ¹³⁰Ba, ¹³²Ba, ¹³⁴Ba, ¹³⁶Ba, ¹³⁸Ba, ⁴⁶Ti, ⁴⁸Ti, ⁵⁰Ti, ⁹⁰Zr, ⁹⁰Zr, ⁹²Zr, ⁹⁴Zr, ⁹⁶Zr, ¹⁷⁴Hf, ¹⁷⁶Hf, ¹⁷⁸Hf, ⁵⁰Cr, ⁵²Cr, ⁵³Cr, ⁹²Mo, ⁹⁴Mo, ⁹⁶Mo, ⁹⁸Mo, ¹⁰⁰Mo, ¹⁸⁰W, ¹⁸²W, ¹⁸⁴W, ¹⁸⁶W, ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁸Fe, ⁹⁶Ru, ⁹⁸Ru, ¹⁰⁰Ru, ¹⁰²Ru, ¹⁰⁴ Ru, ¹⁸⁴Os, ¹⁸⁶Os, ¹⁸⁸Os, ¹⁹⁰Os, ¹⁹²Os ⁵⁸Ni, ⁶⁰Ni, ⁶²Ni, ⁶⁴Ni, ¹⁰²Pd, ¹⁰²Pd, ¹⁰⁴Pd, ¹⁰⁶Pd, ¹⁰⁸Pd, ¹¹⁰Pd, ¹⁹⁰Pt, ¹⁹²Pt, ¹⁹⁴Pt, ¹⁹⁶Pt, ¹⁹⁸Pt ⁶⁴Zn, ⁶⁶Zn, ⁶⁸Zn, ⁷⁰Zn, ¹⁰⁶Cd, ¹⁰⁸Cd, ¹¹⁰Cd, ¹¹²Cd, ¹¹⁴Cd, ¹¹⁶Cd, ¹⁹⁶Hg, ¹⁹⁸Hg, ²⁰⁰Hg, ²⁰²Hg, ²⁰⁴Hg ¹³⁶Ce, ¹³⁸Ce, ¹⁴⁰Ce, ¹⁴²Ce, ¹⁴²Nd, ¹⁴⁴Nd, ¹⁴⁶Nd, ¹⁴⁸Nd, ¹⁵⁰Nd, ¹⁴⁴Sm, ¹⁴⁶Sm, ¹⁴⁸Sm, ¹⁵⁰Sm, ¹⁵²Sm, ¹⁵⁴Sm, ¹⁵²Gd, ¹⁵⁴Gd, ¹⁵⁶Gd, ¹⁵⁸Gd, ¹⁶⁰Gd, ¹⁵⁶Dy, ¹⁵⁸Dy, ¹⁶⁰Dy, ¹⁶²Dy, ¹⁶⁴Dy, ¹⁶²Er, ¹⁶⁴Er, ¹⁶⁶Er, ¹⁶⁸Er, ¹⁷⁰Er, ¹⁶⁸Yb, ¹⁷⁰Yb, ¹⁷²Yb, ¹⁷⁴Yb, ¹⁷⁶Yb, ²³²Th , ²³⁴Pa, ²³⁴U, ²³⁸U, ²⁴⁴Pu. „Erhöht“ bedeutet dabei im Sinne dieses Dokuments, dass der Anteil im Isotopenmischverhältnis der vorstehenden Isotope um 50% oder mehr erhöht ist.
Der Lichtwellenleiter LWL weist einen Lichtwellenleiterkern LWLC auf. Das vorgeschlagene Verfahren formt bevorzugt in dem Trägermaterial TM beim Aushärten mit Strahlung der Aushärtewellenlänge λ_H ein optisches Funktionselement LWLL am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL aus, wobei die Strahlung der Aushärtewellenlänge λ_H über das zweite Ende ELWL2 des Lichtwellenleiters LWL eingespeist und dem Trägermaterial TM zugeführt wird.
Das dann so ausgeformte optische Funktionselement LWL kann dann mit dem Lichtwellenleiterkern LWLC am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL optisch zusammenwirken, wenn am zweiten Ende ELWL2 des Lichtwellenleiters LWL optische Strahlung, insbesondere Pumpstrahlung LB mit der Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp eingespeist wird.
Das optische Funktionselement weist dann eine Lichtwellenleiterlinse LWLL, insbesondere in Form einer Verdickung des Trägermaterials TM aufweist.
Das hier vorgestellte Dokument schlägt als Trägermaterial TM beispielsweise ein klares, farbloses, flüssiges Fotopolymer, beispielsweise den optischen Norland Klebstoff 61 vor. Weitere Informationen sind zum Zeitpunkt der Anmeldung des hier vorgelegten Dokuments unter https://www.norlandprod.com/adhesives/noa%2061.html verfügbar.
Norland Optical Adhesive 61 („NOA 61“) ist ein klares, farbloses, flüssiges Fotopolymer, das unter ultraviolettem Licht aushärtet. Da es sich um ein Einkomponentensystem mit 100 % Feststoffanteil handelt, bietet es viele Vorteile bei Verklebungen, bei denen der Klebstoff UV-Licht ausgesetzt werden kann. Durch die Verwendung von NOA 61 entfällt das Vormischen, Trocknen oder Aushärten durch Wärme, wie es bei anderen Klebstoffsystemen üblich ist. Die Aushärtezeit ist kurz und hängt von der aufgetragenen Dicke und der verfügbaren UV-Lichtenergie ab. Es ist besonders sinnvoll, wenn das Trägermittel TM Federal Specification MIL-A-3920 für optische Klebstoffe erfüllt. NOA 61 erfüllt die Federal Specification MIL-A-3920 für optische Klebstoffe. Das Trägermaterial TM soll eine bestmögliche optische Verbindung zu Glasoberflächen, Metallen, Glasfasern und glasgefüllten Kunststoffen herstellen. NOA61 erfüllt diese Voraussetzung. Besonders günstig ist die Verwendung eines Trägermaterials TM, das für die Verklebung von Linsen, Prismen und Spiegeln für militärische, luft- und raumfahrttechnische und kommerzielle Optiken sowie für den Abschluss und das Spleißen von Glasfasern empfohlen ist. NOA61 erfüllt diese Voraussetzungen.
Das Trägermaterial TM soll sich außerdem durch hervorragende Klarheit, geringe Schrumpfung und Lichtflexibilität auszeichnen. Diese Eigenschaften sind wichtig, damit der Anwender qualitativ hochwertige Sensorelemente NV herstellen und eine langfristige Leistung unter wechselnden aggressiven Umgebungsbedingungen erzielen kann.
NOA 61 härtet, wie für das Trägermaterial TM gewünscht, mit ultraviolettem Licht aus, wobei die maximale Absorption im Bereich von 320-380 Nanometern für die Aushärtewellenlänge λ_H liegt und die höchste Empfindlichkeit bei 365 nm erreicht wird. Die empfohlene Energie für die vollständige Aushärtung beträgt 3 Joule/cm² bei diesen Wellenlängen. Die Aushärtung wird durch Sauerstoff nicht gehemmt, so dass alle Bereiche, die mit Luft in Berührung kommen, zu einem nicht klebrigen Zustand aushärten, wenn sie ultraviolettem Licht ausgesetzt werden.
Bei den meisten optischen Anwendungen erfolgt die Aushärtung in zwei Schritten. Zunächst erfolgt eine kurze, gleichmäßige Belichtung, die sogenannte Vorhärtung. Die Aushärtungszeit ist ausreichend lang, um die Verbindung zu verfestigen und zu ermöglichen, dass sie bewegt werden kann, ohne die Ausrichtung zu stören. Danach folgt eine längere Aushärtung unter UV-Licht, um eine vollständige Vernetzung und Lösungsmittelbeständigkeit des Klebstoffs zu erreichen. Die Aushärtung kann in 10 Sekunden mit einer 100-Watt-Quecksilberlampe bei 6" erfolgen. Wenn für die Ausrichtung eine längere Zeit erforderlich ist, kann sie mit einer Lichtquelle sehr geringer Intensität auf einige Minuten verlängert werden. Die endgültige Aushärtung kann mit der 100-Watt-Quecksilberlampe in 5 bis 10 Minuten erreicht werden.
Die Vorhärtung ermöglicht es dem Anwender, den Lichtwellenleiter LWL bei Bedarf schnell auszurichten und zu fixieren, und minimiert die Anzahl der erforderlichen Haltevorrichtungen. Nach der Vorfixierung kann überschüssiger Klebstoff mit einem mit Alkohol oder Aceton als beispielhaftes Lösungsmittel angefeuchteten Tuch abgewischt werden. Die Lichtwellenleiter LWL sollten zu diesem Zeitpunkt geprüft und Ausschuss in Methylenchlorid separiert werden. Der beschichtete Bereich der Sensorelemente NV muss in dem Lösungsmittel eingeweicht werden und löst sich normalerweise über Nacht. Die Zeit, die benötigt wird, um das Trägermaterial TM zu lösen, hängt vom Ausmaß der Aushärtung und der Größe der Beschichtung ab.
Nach der Aushärtung weist NOA 61 eine sehr gute Haftung und Lösungsmittelbeständigkeit auf, aber es hat noch nicht seine optimale Haftung auf Glas erreicht. Diese wird durch eine Alterung über einen Zeitraum von etwa 1 Woche erreicht, in der sich eine chemische Verbindung zwischen Glas und Klebstoff bildet. Diese optimale Haftung kann auch durch eine Alterung bei 50° C für 12 Stunden in einem Temperaturschrank erreicht werden.
NOA 61 hält vor der Alterung Temperaturen von -15°C bis 60° C stand, wenn es zum Beschichten des Lichtwellenleiters LWL verwendet wird. Nach der Alterung hält es Temperaturen von -150°C bis 125°C stand. Als Beschichtung auf der Oberfläche des Lichtwellenleiters hält NOA 61 drei Stunden lang 260°C und beim Reflow-Löten stand. Hierdurch kann das Sensorelement NV bis zu diesen Temperaturen für die Messung der magnetischen Flussdichte B verwendet werden. Das hier vorgelegte Dokument schlägt daher die Verwendung eines vorschlagsgemäßen Lichtwellenleiters LWL bei Temperaturen oberhalb von 100°C und/oder sogar oberhalb von 110°C und/oder sogar oberhalb von 120°C und/oder sogar oberhalb von 130°C und/oder sogar oberhalb von 140°C und/oder sogar oberhalb von 150°C und/oder sogar oberhalb von 160°C und/oder sogar oberhalb von 170°C und/oder sogar oberhalb von 180°C und/oder sogar oberhalb von 190°C und/oder sogar oberhalb von 200°C und/oder sogar oberhalb von 210°C und/oder sogar oberhalb von 220°C und/oder sogar oberhalb von 230°C und/oder sogar oberhalb von 240°C und/oder sogar oberhalb von 250°C und/oder sogar oberhalb von 260°C vor.
Typische Eigenschaften eines Trägermittel sind ein Feststoffgehalt mehr als 80%%, eine Viskosität bei 25°C von mehr als 250 cps, ein Brechungsindex des gehärteten Trägermaterials TM von mehr als 1,2 eine Dehnung bei Bruch von weniger als 50% oder mehr als 25% je nach Anwendung, ein Elastizitätsmodul von weniger als (psi) 200.000, eine Zugfestigkeit von mehr als (psi) 3.000 und eine Härte von mehr als Shore D 60.
Typische Eigenschaften von NOA 61 als beispielhaftes Trägermittel sind ein Feststoffgehalt von 100%, eine Viskosität bei 25°C von 300 cps, en Brechungsindex des gehärteten Polymers von 1,56, eine Dehnung bei Bruch von 38%, ein Elastizitätsmodul von (psi) 150.000, eine Zugfestigkeit von (psi) 3.000 und eine Härte von Shore D 85.
Vorteil
Die Vorteile sind hierauf aber nicht beschränkt.

• Sensor ist galvanisch getrennt
• Diamagnetischer Messkopf (Sensor beeinflusst Messung nicht)
• Unanfällig gegenüber elektrostatischen Störungen
• Kleines Messvolumen (Fibercore- Durchmesser 9µm bis 1000µm), Dicke des Materials an der Spitze variabel
• Messfrequenz DC bis zu MHz Bereich
• Gleicher Sensor für DC / AC Magnetfeldanregung

Merkmale des Vorschlags
Die Liste der Merkmale Beschreibt lediglich bevorzugte Abhängigkeiten. Die technische Lehre dieses Dokuments ist hierauf nicht beschränkt. Auch Untermerkmale können mit anderen Merkmalen und Teilen der Beschreibung kombiniert werden. Solche Kombinationen sind ausdrücklicher Teil der Offenbarung des hier vorgelegten Dokuments
Merkmal 1: Sensorkopf SK,

mit einem Sensorelement NV,
wobei das Sensorelement NV eine Vielzahl von Diamanten DM und/oder Nanodiamanten mit NV-Zentren NVZ und/oder paramagnetischen Zentren umfasst und
wobei das Sensorelement NV sich an einem ersten Ende ELWL1 eines Lichtwellenleiters LWL befindet und
wobei der Sensorkopf SK Funktionselemente eines magnetischen Kreises umfasst und wobei die Funktionselemente des magnetischen Kreises zumindest eine Quelle magnetischer Erregung H umfassen und
wobei der Sensorkopf SK ein Sensorkopfgehäuse GH mit einer Auflagefläche AF aufweist und
wobei der Lichtwellenleiter LWL mit dem Sensorelement NV in dem Sensorkopfgehäuse GH in einen Winkel α zur Auflagefläche AF des Sensorkopfes SK zwischen 10° und 70° eingebaut ist und
wobei das Sensorelement NV sich in einem Abstand von der Auflagefläche AF befindet, der kleiner als der Durchmesser des Lichtwellenleiter LWL inclusive einer ggf. vorhanden mechanischen Hülle MH des Lichtwellenleiters LWL ist und
wobei der Lichtwellenleiter LWL in einem Winke β zur Senkrechten AFS zur Auflagefläche AF des Sensorkopfes SK Auflagefläche AF von 45° bis 135° und/oder von 70° bis 110° und/oder von 80° bis 100° und/oder von 85° bis 95°' und/oder von 87° bis 93°aus dem Sensorkopfgehäuse GH austritt.

Merkmal 2: Sensorkopf SK,

mit einem Sensorelement NV,
wobei das Sensorelement NV eine Vielzahl von Diamanten DM und/oder Nanodiamanten mit NV-Zentren NVZ und/oder paramagnetischen Zentren umfasst und
wobei das Sensorelement NV sich an einem ersten Ende ELWL1 eines Lichtwellenleiters LWL befindet und
wobei der Sensorkopf SK Funktionselemente eines magnetischen Kreises umfasst und
wobei die Funktionselemente des magnetischen Kreises zumindest eine Quelle magnetischer Erregung H umfassen und
wobei die Funktionselemente eines magnetischen Kreises einen Permanentmagneten PM und/oder eine elektrische Spule als Quelle magnetischer Erregung H umfassen und
wobei der Permanentmagnet PM und/oder die elektrische Spule röhrenförmig mit einer Achse AX ausgebildet ist und
wobei der Permanentmagnet PM parallel zur Achse AX magnetisiert ist und/oder wobei die elektrische Spule ihr magnetisches Feld parallel zur Achse AX bei Bestromung ausbildet und
wobei der Sensorkopf SK ein Sensorkopfgehäuse GH mit einer Auflagefläche AF aufweist und
wobei der Lichtwellenleiter LWL mit dem Sensorelement NV in dem Sensorkopfgehäuse GH eingebaut ist und
wobei das Sensorelement NV sich in einem Abstand von der Auflagefläche AF befindet, der kleiner als der Durchmesser D_LWLMH des ummantelten Lichtwellenleiters LWL ist und
wobei das Sensorelement NV sich auf oder zumindest in der Nähe der Verlängerung der Achse AX befindet.

Merkmal 3: Sensorkopf SK nach Merkmal 2,

wobei der Sensorkopf SK eine ferromagnetische Stütze ST oder ein anderes ferromagnetisches Vorrichtungselement des Sensorkopfes SK umfasst, die von dem Permanentmagneten PM und/oder der elektrischen Spule verschieden sind.

Merkmal 4: Sensorkopf SK nach Merkmal 3,

wobei die ferromagnetische Stütze ST mit dem Permanentmagneten PM und/oder der elektrischen Spule Vorrichtungsteile eines magnetischen Kreises sind und
wobei die magnetische Erregung H einen magnetischen Fluss B im magnetischen Kreis verursacht und
wobei dieser magnetische Fluss B das Sensorelement NV und die Oberfläche OF eines Materials des Werkstücks, eines ferromagnetischen Materials FM des Werkstücks, durchflutet und
wobei räumliche Fluktuationen der magnetischen Eigenschaften des Materials des Werkstücks in der Nähe der Oberfläche OF die Intensität einer Fluoreszenzstrahlung FL des Sensorelements NV beeinflussen.

Merkmal 5: Sensorkopf SK nach Merkmal 3 oder 4,

wobei die ferromagnetische Stütze ST röhrenförmig mit einer zweiten Achse ausgeführt ist.

Merkmal 6: Sensorkopf SK nach Merkmal 5,

wobei die zweite Achse der ferromagnetische Stütze ST im Wesentlichen parallel zur Achse AX des Permanentmagneten PM ist.

Merkmal 7: Sensorkopf SK nach einem der Merkmale 3 bis 6,

wobei die ferromagnetische Stütze ST eine Öffnung OE für den Lichtwellenleiter LWL in der ferromagnetischen Stütze ST aufweist;

Merkmal 8: Sensorkopf SK nach Merkmal 7,

wobei die Öffnung OE Teil eines Kanals KN innerhalb des Sensorkopfes SK ist, in dem der Lichtwellenleiter LWL montiert ist.

Merkmal 9: Sensorkopf SK nach einem der Merkmale 3 bis 8,

wobei die ferromagnetische Stütze ST mit zumindest einem Füllmaterial eines Kerns KE der Stütze ST und/oder des Permanentmagneten PM gefüllt ist.

Merkmal 10: Sensorkopf SK nach einem der Merkmale 3 bis 9,

wobei der Permanentmagnet PM mit zumindest einem Füllmaterial eines Kerns KE der Stütze ST und/oder des Permanentmagneten PM gefüllt ist.

Merkmal 11: Sensorkopf SK nach einem der Merkmale 2 bis 10,

wobei das Sensorelement NV eine Lichtwellenleiterlinse LWLL umfasst und
wobei die Lichtwellenleiterlinse LWLL eine Vielzahl von Diamanten DM und/oder Nanodiamanten mit NV-Zentren NVZ und/oder paramagnetischen Zentren umfasst und
wobei die Lichtwellenleiterlinse LWLL sich an einem ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL befindet und
wobei die Lichtwellenleiterlinse LWLL einen Durchmesser D_LWLL der Lichtwellenleiterlinse LWLL aufweist, der kleiner als der Durchmesser D_LWL des Lichtwellenleiters LWL ist.

Merkmal 12: Sensorkopf SK,

mit einem Sensorelement NV,
wobei das Sensorelement NV eine Vielzahl von Diamanten DM und/oder Nanodiamanten mit NV-Zentren NVZ und/oder paramagnetischen Zentren umfasst und
wobei das Sensorelement NV sich an einem ersten Ende ELWL1 eines Lichtwellenleiters LWL befindet und
wobei der Sensorkopf SK Funktionselemente eines magnetischen Kreises umfasst und wobei die Funktionselemente des magnetischen Kreises zumindest eine Quelle magnetischer Erregung H umfassen und
wobei die Funktionselemente eines magnetischen Kreises einen Permanentmagneten PM und/oder eine elektrische Spule als Quelle magnetischer Erregung H umfassen und
wobei das Sensorelement NV eine Lichtwellenleiterlinse LWLL umfasst und
wobei die Lichtwellenleiterlinse LWLL eine Vielzahl von Diamanten DM und/oder Nanodiamanten mit NV-Zentren NVZ und/oder paramagnetischen Zentren umfasst und
wobei die Lichtwellenleiterlinse LWLL sich an einem ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL befindet und
wobei die Lichtwellenleiterlinse LWLL einen Durchmesser D_LWLL der Lichtwellenleiterlinse LWLL aufweist, der kleiner als der Durchmesser D_LWL des Lichtwellenleiters LWL ist.

Merkmal 13: Sensorkopf SK nach Merkmal 12,

wobei der Permanentmagnet PM und/oder die elektrische Spule röhrenförmig mit einer Achse AX ausgebildet ist und
wobei der Permanentmagnet PM parallel zur Achse AX magnetisiert ist und/oder wobei die elektrische Spule ihr magnetisches Feld parallel zur Achse AX bei Bestromung ausbildet.

Merkmal 14: Sensorkopf SK nach Merkmal 12 oder Merkmal 13,

wobei der Sensorkopf SK ein Sensorkopfgehäuse GH mit einer Auflagefläche AF aufweist und
wobei der Lichtwellenleiter LWL mit dem Sensorelement NV in dem Sensorkopfgehäuse GH eingebaut ist und
wobei das Sensorelement NV sich in einem Abstand von der Auflagefläche AF befindet, der kleiner als der Durchmesser D_LWLMH des ummantelten Lichtwellenleiters LWL ist und
wobei das Sensorelement NV sich auf oder zumindest in der Nähe der Verlängerung der Achse AX befindet.

Merkmal 15: Sensorkopf SK nach einem der Merkmale 12 bis 14,

Merkmal 16: Sensorkopf SK nach Merkmal 15,

Merkmal 17: Sensorkopf SK nach Merkmal 15 oder 16,

wobei die ferromagnetische Stütze ST röhrenförmig mit einer zweiten Achse ausgeführt ist. Merkmal 18: Sensorkopf SK nach Merkmal 17,
wobei die zweite Achse der ferromagnetische Stütze ST im Wesentlichen parallel zur Achse AX des Permanentmagneten PM ist.

Merkmal 19: Sensorkopf SK nach einem der Merkmale 15 bis 18,

Merkmal 20: Sensorkopf SK nach Merkmal 19,

Merkmal 21: Sensorkopf SK nach einem der Merkmale 15 bis 20,

Merkmal 22: Sensorkopf SK nach einem der Merkmale 15 bis 21,

Merkmal 23: Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes SK mit den Schritten:

Bereitstellen 140 eines Lichtwellenleiters LWL,
- - wobei der Lichtwellenleiter LWL ein erstes Ende ELWL1 und ein zweites Ende ELWL2 aufweist;
Bereitstellen 145 eines flüssigen und mittels elektromagnetischer Strahlung einer Aushärtewellenlänge λ_H härtbaren Trägermaterials TM,
- - wobei das Trägermaterial TM eine Vielzahl von Diamanten DM aufweist und
- - wobei einer oder mehrere oder alle Diamanten DM dieser Diamanten DM NV-Zentren NVZ und/oder andere paramagnetischen Zentren aufweisen und
- - wobei die NV-Zentren NVZ der Diamanten DM des Trägermaterials TM und/oder die anderen paramagnetischen Zentren der Diamanten DM des Trägermaterials TM bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung LB zumindest eine Fluoreszenzstrahlung FL emittieren;
Benetzen 150 des ersten Endes ELWL1 des Lichtwellenleiters TM auf eine Benetzungslänge L_B mit dem Trägermaterial TM;
Einspeisen 155 elektromagnetischer Strahlung in das zweite Ende ELWL2 des Lichtwellenleiters LWL,
- - wobei die Wellenlänge dieser elektromagnetischen Strahlung, der Aushärtewellenlänge λ_H entspricht,
- - sodass das Trägermaterial TM am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL aushärtet und
- - sodass das Trägermaterial TM am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL sich in einen Festkörper wandelt und
- - wobei das ausgehärtete Trägermaterial TM dann somit das Sensorelement NV ausbildet und
- - wobei dann das Sensorelement NV Diamanten DM mit NV-Zentren NVZ der Diamanten DM und/oder mit anderen paramagnetischen Zentren der Diamanten DM umfasst, die bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung LB zumindest eine Fluoreszenzstrahlung FL emittieren;
Entfernen 160 des nicht ausgehärteten Trägermaterials TM, insbesondere mittels eines Lösungsmittels, wobei der verbleibende Film des Trägermaterials TM am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL das Sensorelement NV bildet;
Bereitstellen 165 eines Sensorkopfgehäuses GH des Sensorkopfes SK mit einem Kanal KN und einer Erregungsquelle für eine magnetische Erregung H, insbesondere eines Permanentmagneten PM;
Einbau 170 des Lichtwellenleiters LWL mit dem neu gebildeten Sensorelement NV in den Kanal KN des Sensorkopfgehäuses GH des Sensorkopfes SK und Einbau der Erregungsquelle für eine magnetische Erregung H in das Sensorkopfgehäuses GH des Sensorkopfes SK; Verwendung 180 des Sensorkopfes SK zur ortsaufgelösten Vermessung der magnetischen Eigenschaften des Materials eines Werkstücks in der Nähe der Oberfläche OF des Werkstücks,
wobei der Abstand zwischen dem Mittelpunkt MP der Endfläche EF des ersten Endes ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL und der Oberfläche OF des Werkstücks
- - kleiner als der fünffache Durchmesser D_LWLMH des ummantelten Lichtwellenleiters LWL und/oder
- - kleiner als der doppelte Durchmesser D_LWLMH des ummantelten Lichtwellenleiters LWL und/oder
- - kleiner als der Durchmesser D_LWLMH des ummantelten Lichtwellenleiters LWL und/oder
- - kleiner als der halbe Durchmesser D_LWLMH des ummantelten Lichtwellenleiters LWL ist.

Merkmal 24: Verfahren nach Merkmal 23

wobei die Ortsauflösung besser als 500µm und/oder besser als 200µm und/oder besser als 100µm und/oder besser als 50µm und/oder besser als 20µm und/oder besser als 10µm ist und
wobei „Auflösung“ die Möglichkeit ist zwei beieinanderliegende Störungen der magnetischen Eigenschaften einer Oberfläche OF eines Werkstücks noch durch ein Extremum von 5% der Signalamplitude eines Flussdichtemesssignals S4 zu können, wenn diese entsprechend der Auflösung voneinander beabstandet sind und
wobei insbesondere solche Störungen beispielsweise Risse, Lunker, Materialinhomogenitäten etc. sein können.

Merkmal 25: Verfahren zur Detektion von Störungen, insbesondere Rissen RI oder Lunkern oder Öffnungen oder Vertiefungen oder Materialparameterschwankungen, in der Oberfläche OF eines magnetisch wirksamen, insbesondere ferromagnetischen Materials FM eines Werkstücks mit den Schritten

Aufsetzen eines Sensorkopfes SK, insbesondere nach einem oder mehreren der Merkmale 1 bis 22, mit einer Auflagefläche AF des Sensorkopfes SK auf die Oberfläche OF des Werkstücks;
Verschieben des Sensorkopfes SK auf der Oberfläche OF des Werkstücks parallel zur Oberfläche OF des Werkstücks längs eines Weges x und gleichzeitiges Erfassen der Werte eines Flussdichtemesssignals S4, das von der Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL von NV-Zentren NVZ und/oder paramagnetischen Zentren in Diamanten eines Sensorelements NV des Sensorkopfes SK abhängt;
Schließen auf eine Störung, wenn der Wert des Flussdichtemesssignals S4 lokal begrenzt um mehr als 25% und/oder mehr als 10% und/oder mehr als 5% und/oder mehr als 1% vom erfassten Mittelwert abweicht.

Merkmal 26: Verfahren nach Merkmal 25,

wobei das Verschieben des Sensorkopfes SK auf der Oberfläche OF des Werkstücks parallel zur Oberfläche OF des Werkstücks längs eines Weges x und das gleichzeitige Erfassen der Werte des Flussdichtemesssignals S4 ein gleichzeitiges Erfassen und/oder Schätzen einer oder mehrerer Koordinaten des Orts des Sensorkopfes SK oder eines äquivalenten Werts zum Zeitpunkt der Erfassung eines Werts des Flussdichtemesssignals S4 umfassen.

Merkmal 27: Verfahren nach Merkmal 26,

Darstellen der Werte des Flussdichtemesssignals S4 in Abhängigkeit von der jeweils erfassten Koordinaten auf einem Bildschirm und/oder Bereitstellung von Daten für eine solche Darstellung.

Sonstiges
Die obige Beschreibung erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit und beschränkt diese Offenbarung nicht auf die gezeigten Beispiele. Andere Variationen zu den offengelegten Beispielen können von denjenigen, die über gewöhnliche Fachkenntnisse auf dem Gebiet verfügen, anhand der Zeichnungen, der Offenbarung und der Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. Die unbestimmten Artikel „ein“ oder „eine“ und dessen Flexionen schließen eine Vielzahl nicht aus, während die Erwähnung einer bestimmten Anzahl von Elementen nicht die Möglichkeit ausschließt, dass mehr oder weniger Elemente vorhanden sind. Eine einzige Einheit kann die Funktionen mehrerer in der Offenbarung genannter Elemente erfüllen, und umgekehrt können mehrere Elemente die Funktion einer Einheit erfüllen. Zahlreiche Alternativen, Äquivalente, Variationen und Kombinationen sind möglich, ohne dass der Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung verlassen wird.
Soweit nichts anders angegeben ist, können sämtliche Merkmale der vorliegenden Erfindung frei miteinander kombiniert werden. Dies betrifft die gesamte hier vorgelegte Schrift. Auch die in der Figurenbeschreibung beschriebenen Merkmale können, soweit nichts anderes angegeben ist, als Merkmale der Erfindung frei mit den übrigen Merkmalen kombiniert werden. Eine Beschränkung einzelner Merkmale der Ausführungsbeispiele auf die Kombination mit anderen Merkmalen der Ausführungsbeispiele ist dabei ausdrücklich nicht vorgesehen. Außerdem können gegenständliche Merkmale der Vorrichtung umformuliert auch als Verfahrensmerkmale Verwendung finden und Verfahrensmerkmale umformuliert als gegenständliche Merkmale der Vorrichtung. Eine solche Umformulierung ist somit automatisch mit offenbart.
In der vorausgehenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen. Die Beispiele in der Beschreibung und den Zeichnungen sollten als illustrativ betrachtet werden und sind nicht als einschränkend für das beschriebene spezifische Beispiel oder Element zu betrachten. Aus der vorausgehenden Beschreibung und/oder den Zeichnungen und/oder den Ansprüchen können durch Abänderung, Kombination oder Variation bestimmter Elemente mehrere Beispiele abgeleitet werden. Darüber hinaus können Beispiele oder Elemente, die nicht wörtlich beschrieben sind, von einer fachkundigen Person aus der Beschreibung und/oder den Zeichnungen abgeleitet werden.
Liste der Figuren

1 zeigt beispielhaft und schematisch vereinfacht ein beispielhaftes, vorschlagsgemäßes Materialmesssystem mit einem vorschlagsgemäßen Sensorkopf SK.
2 zeigt einen Lichtwellenleiter LWL mit einem Sensorelement NV direkt auf dem Zentrum MP des Kerns des Lichtwellenleiters LWL.
3 zeigt einen Querschnitt durch das beispielhafte erste Ende ELWL1 eines vorschlagsgemäßen Lichtwellenleiters LWL.
4 zeigt einen Sensorkopf SK mit der mechanischen Hülle des Lichtwellenleiters LWL, der durch die mechanische Hülle MH verdeckt ist.
5 zeigt den Sensorkopf SK der 4 in der Aufsicht (5a) und in der Seitenansicht (5b) als Schnittbild.
6 zeigt die Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines vorschlagsgemäßen Sensorkopfes SK und dessen Verwendung.
7a zeigt ein beispielhaftes Werkstück aus einem ferromagnetischen Material FM in der Aufsicht.
7b zweigt einen beispielhaften Werteverlauf des erhaltenen Messignals S4 in Abhängigkeit von der Position x des Sensorkopfes SK auf der Oberfläche OF des Werkstücks der 7a dargestellt.

Beschreibung der Figuren
Die Figuren erläutern den Vorschlag schematisch und vereinfacht. Die Offenlegung der hier vorgelegten Schrift ist nicht auf die Figuren begrenzt und umfasst auch andere Kombinationen.
Figur 1
1 zeigt beispielhaft und schematisch vereinfacht ein beispielhaftes, vorschlagsgemäßes Materialmesssystem mit einem vorschlagsgemäßen Sensorkopf SK. Der Sensorkopf SK umfasst das Sensorkopfgehäuse GH. Das Sensorkopfgehäuse GH umfasst bevorzugt einen Permanentmagneten PM. Bevorzugt ist der Permanentmagnet PM röhrenförmig ausgeführt. Bevorzugt weist der Permanentmagnet PM eine Permanentmagnetsymmetrieachse AX auf. Bevorzugt ist der Permanentmagnet PM parallel zur Permanentmagnetsymmetrieachse AX magnetisiert. Der bevorzugt röhrenförmige Permanentmagnet PM weist typischerweise ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Das zweite Ende des Permanentmagneten PM weist einen Permanentmagnetabstand d_pm von der Auflagefläche AF des Sensorkopfes SK auf. Da der Durchmesser des Lichtwellenleiters LWL weniger als 1mm beträgt ist der Permanentmagnetabstand d_pm kleiner als 1mm, besser kleiner als 0,5mm, besser kleiner als 200µm, besser kleiner als 100µm, besser kleiner als 20µm. Der der Permanentmagnetabstand d_pm ist bevorzugt im Bereich des Sensorelements NV bevorzugt etwas größer als der Durchmesser des Lichtwellenleiters LWL.. Der der Permanentmagnetabstand d_pm ist im Bereich des Sensorelements NV bevorzugt weniger als 200% größer als der Durchmesser des Lichtwellenleiters LWL, besser weniger als 100% größer als der Durchmesser des Lichtwellenleiters LWL, , besser weniger als 50% größer als der Durchmesser des Lichtwellenleiters LWL, , besser weniger als 25% größer als der Durchmesser des Lichtwellenleiters LWL, , besser weniger als 10% größer als der Durchmesser des Lichtwellenleiters LWL, , besser weniger als 5% größer als der Durchmesser des Lichtwellenleiters LWL. Bevorzugt ist das Material des Gehäuses GH des Sensorkopfes SK nicht magnetisch und/oder nicht magnetisierbar. Im Sinne des hier vorgelegten Dokuments gilt ein Material als nicht magnetisch, wenn für die magnetische Permeabilität µ_T dieses Materials µ_T<1 gilt. Das hier vorgelegte Dokument empfiehlt die Verwendung von Materialien mit möglichst geringer magnetischer Permeabilität µ_T als Material des Sensorkopfgehäuses GH. Bevorzugt befindet sich das Sensorelement NV auf der verlängerten Symmetrieachse, der Permanentmagnetsymmetrieachse AX des Permanentmagneten PM.
Für die Messung bringen der Bediener oder ein mechanischer Aktor den Sensorkopf SK mit der Auflagefläche AF in Kontakt mit der Oberfläche OF des zu vermessenden Werkstücks. Bevorzugt umfasst die Oberfläche OF des zu vermessenden Werkstücks ein ferromagnetisches Material FM.
West nun das zu vermessende Werkstück an seiner Oberfläche OF eine Störung auf, die die magnetische Flussdichte B beeinflusst, so ändert sich die magnetische Flussdichte B, die das Sensorelement NV durchflutet, wenn diese Störung in die Nähe der Permanentmagnetsymmetrieachse AX des Permanentmagneten PM und damit in die Nähe des Sensorelements NV kommt. Bei einer solchen Störung kann es sich beispielsweise um einen Riss Ri oder eine Bohrung oder eine Vertiefung oder einen sonstigen Defekt des Materials des Werkstücks in der Nähe der Oberfläche OF des Werkstücks handeln.
Der Generator G erzeugt das Sendevorsignal S5w. Bevorzugt ist das Sendevorsignal S5w pulsmoduliert mit einer Pulsfrequenz. Besonders bevorzugt handelt es sich um ein Rechtecksignal mit einem Duty-Cycle von bevorzugt 50%. Andere Duty-Cycles sind denkbar. Die Offset-Addition OFF1 addiert bevorzugt einen Offset zu dem Wert des Sendevorsignals, um die Pumpstrahlungsquelle PL nutzen zu können. Bevorzugt weist das resultierende Sendesignal S5 keine negativen Signalanteile auf. Die Pumpstrahlungsquelle PL erzeugt in Abhängigkeit von dem Sendesignal S5 eine modulierte Pumpstrahlung LB. In dem Beispiel der 1 transmittiert die Pumpstrahlungsquelle die Pumpstrahlung LB durch einen dichroitischer Spiegel F1 und strahlt Pumpstrahlung LB in den Lichtwellenleiter LWL ein. Das Sensorkopfgehäuse GH weist zumindest einen Kanal KN auf, durch den der Lichtwellenleiter LWL in das Sensorkopfgehäuse GH eingeführt ist. Am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL befindet sich bevorzugt das Sensorelement NV. Das Sensorelement NV umfasst bevorzugt eine Vielzahl von Nanodiamanten bzw. Diamanten DM, die bevorzugt eine statistisch geleichverteilte unterschiedliche Kristallorientierung aufweisen und die in ein Matrixmaterialeingebettet sind. Typischerweise verbindet das Matrixmaterial aus einem Trägermaterial TM diese Nano-Diamanten ND mechanisch mit dem ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL. Bevorzugt hat der eigentliche Lichtwellenleiter LWL einen Lichtwellenleiterdurchmesser D_LWL von ca. 100µm. Bevorzugt sind kleinere Lichtwellenleiterdurchmesser D_LWL. Größere Lichtwellenleiterdurchmesser D_LWL sind aber möglich. Hinzukommt typischerweise ein Knickschutz des Lichtwellenleiters LWL. Bevorzugt ist der Knickschutz als mechanische Hülle MH ausgeführt. Die Pumpstrahlung LB der Pumpstrahlungsquelle PL trifft am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL auf die Nanodiamanten bzw. Diamanten DM im Sensorelement NV. Bevorzugt umfasst das Sensorelement NV Diamanten mit NV-Zentren. Typischerweise regt die Pumpstrahlung LB die Nanodiamanten bzw. Diamanten DM zur Emission einer Fluoreszenzstrahlung FL mit einer Fluoreszenzwellenlänge λ_fl an. Bevorzugt befindet sich das Sensorelement NV am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL. Bevorzugt hat das Sensorelement einen Durchmesser, der kleiner als der Durchmesser D_LWL des Lichtwellenleiters LWL ist. Typischerweise strahlen die NV-Zentren NVZ des Sensorelements NV die Fluoreszenzstrahlung FL wieder in den Lichtwellenleiter LWL über das erste Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL ein. Die Fluoreszenzstrahlung FL tritt am anderen, zweiten Ende ELWL2 des Lichtwellenleiters LWL aus dem Lichtwellenleiter LWL wieder aus und bestrahlt, beispielsweise umgelenkt durch den dichroitischen Spiegel F1, vorzugsweise den Fotodetektor PD. Der dichroitische Spiegel F1 lenkt die gestreute Pumpstrahlung LB in dem Beispiel der 1 nicht in Richtung des Fotodetektors PD. Hierdurch empfängt der Fotodetektor PD im Wesentlichen nur Fluoreszenzstrahlung FL. Im Wesentlichen bedeutet hierbei, dass die Pumpstrahlung LB und die sonstige Strahlung, die den Fotodetektor PD trotzdem treffen im Wesentlichen für den technischen Zweck der Vorrichtung unbedeutend sind. Um dies zu erreichen, schlägt das hier vorgestellte Dokument die Verwendung eines lichtdichten Gehäuses für die lichtempfindlichen Vorrichtungsteile und die Verwendung von Blenden vor, um den Zutritt unerwünschter Strahlung und unerwünschte Effekte durch Streustrahlung zu vermeiden. Der Fotodetektor PD wandelt bevorzugt die Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL in einen zeitlichen Werteverlauf eines Empfangssignals S0. Ein beispielhafter Verstärker V1 verstärkt und filtert ggf. das Empfängerausgangssignal S0 in dem Beispiel der 1 zum verstärkten Empfängerausgangssignal S1. In dem Beispiel der 1 multipliziert ein beispielhafter Multiplizierer M1 das verstärkte Empfängerausgangssignal S1 mit dem Sendevorsignal S5w zum Filtereingangssignal S3. Ein Tiefpassfilter TP entfernt typischerweise die Frequenzanteile mit den addierten Frequenzen des Sendevorsignals S5w und des verstärkten Empfängerausgangssignals S1 aus dem Spektrum. Der Tiefpassfilter TP filtert so das Empfängereingangssignal zum Flussdichtemesssignal S4. Die Kombination aus dem ersten Multiplizierer M1 und dem Tiefpassfilter TP bildet ein Skalarprodukt zwischen dem Signalvektor des verstärkten Empfängerausgangssignal S1 und dem Sendevorsignal S5w. Es handelt sich um einen einfachen beispielhaften Synchrondemodulator. Der Synchrondemodulator erzeugt ein Signal S4, dass die Korrelation zwischen dem verstärkten Empfängerausgangssignal S1 und dem Sendevorsignal S5w symbolisiert. Dieses Signal S4 ist das Flussdichtemesssignal S4. Die Verwendung anderer Korrelatoren an Stelle eines Synchrondemodulators, beispielsweise die Verwendung von Optimalfiltern, Kalmann-Filtern und/oder Matched-Filtern ist denkbar. Das Besondere an dem Messverfahren der 1 ist, dass der Lichtwellenleiter LWL zusammen mit dem Sensorelement NV und den anderen Vorrichtungsteilen des Sensorkopfes SK typischerweise keine ferromagnetischen und/oder elektrisch leitenden Materialien umfasst und damit das magnetische Feld des Werkstücks, bzw. des ferromagnetischen Materials FM und des Permanentmagneten PM im Wesentlichen nicht beeinflusst.
Die Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL der Diamanten DM bzw. Nanodiamanten des Sensorelements NV hängt von der magnetischen Flussdichte B am Ort der NV-Zentren NVZ des Sensorelements NV ab. Da der Wert des Flussdichtemesssignals S4 angibt, wieviel von dem Sendevorsignal S5w in dem verstärkten Empfängerausgangssignal S1 enthalten ist, ist dieses Flussdichtemesssignals S4 ein Maß für die Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL. Damit ist das Flussdichtemesssignal S4 ein Maß für die magnetische Flussdichte B am Ort der NV-Zentren NVZ im Sensorelement NV.
In dem Beispiel der 1 ist das Sensorelement NV im Streufeld BSTR des Permanentmagneten PM platziert. Das ferromagnetische Material FM des Werkstücks beeinflusst dieses Streufeld BSTR. Wenn nun ein Bediener oder ein Aktor das Werkstück und damit das ferromagnetische Material FM an der Oberfläche OF des Werkstücks an der Auflagefläche AF entlangschiebt, so ändert sich eine Beeinflussung des magnetischen Streufelds BSTR nur dann, wenn diese Translationsbewegung mit der Geschwindigkeit v den das magnetische Streufeld BSTR beeinflussenden Bereich des ferromagnetischen Materials in seiner Verteilung physikalischer Parameter beeinflusst. Eine solcher Beeinflussung kann eine Ungleichverteilung physikalischer Parameter im ferromagnetischen Material FM hervorrufen, die das magnetische Streufeld BSTR beeinflusst. Bevorzugt ist die Vorschubgeschwindigkeit v des Sensorkopfes SK gegenüber dem Werkstück mit dem ferromagnetischen Material FM konstant. Bevorzugt führt ein Bediener manuell den Vorschub des Sensorkopfes SK gegenüber dem Werkstück mit der Vorschubgeschwindigkeit v durch. Das hier vorgelegte Dokument schlägt vor, für Produktionsprüfungen einen Aktor vorzusehen, der der den Sensorkopf SK mit der Auflagefläche AF auf der Oberfläche OF des Werkstücks oder dicht an der der Oberfläche OF des Werkstücks platziert und dann parallel zur Oberfläche OF des Werkstücks längs einer zu untersuchenden Linie zu verschieben. Bevorzugt erfasst ein Rechnersystem dabei mittels eines Koordinatensensorsystems die Position des Sensorkopfes SK und damit des Sensorelements NV relativ zum Werkstück und damit dem ferromagnetischen Material FM. Bevorzugt erfasst das Rechnersystem den Wert des Flussdichtemesssignals S4 zusammen mit den Koordinaten der Position des Sensorkopfes SK und damit der Position des Sensorelements NV. Bevorzugt speichert das Rechnersystem diese Paare aus Koordinaten des Messpunkts und Messwert des Flussdichtemesssignals S4 in einem Speicher des Rechnersystems. Das Rechnersystem kann diese Daten beispielsweise zu einem zwei oder dreidimensionalen Model der Verteilung der Magnetisierbarkeit weiterverarbeiten. Beispielsweise kann das Rechnersystem eine zweidimensionale Verteilung der Werte des Flussdichtemesssignals S4 auf der Oberfläche OF des Werkstücks und damit des ferromagnetischen Materials FM ermitteln und auf einem Bildschirm darstellen oder beispielsweise als JPEG-Bild oder funktionsäquivalenter Form bereithalten. Die Vorschubgeschwindigkeit v kann für eine Punktmessung 0m/s sein. der Eine mechanische Hülle MH umfassend Keramik oder ein Gewebe oder einen robusten Kunststoff schützt den gemeinsamen Lichtwellenleiter LWL. Der Lichtwellenleiter LWL kann mittels einer Schraube SCHR im Kanal KN des Sensorkopfgehäuses GH befestigt sein. Ein externer Datenbus EXTDB ermöglicht der Halbbrückensteuerung CTR die Kommunikation mit einem übergeordneten Steuerungssystem. Der Externe Datenbus kann eine drahtgebundene oder drahtlose Datenverbindung sein. Mehrere parallele Datenverbindungen, die unterschiedliche realisiert sein können, sind denkbar.
Figur 2
Die 2 zeigt einen Lichtwellenleiter LWL mit einem Sensorelement NV direkt auf dem Zentrum MP des Kerns des Lichtwellenleiters LWL. Auf einem Teil der Endfläche EF des Lichtwellenleiters LWL ist das Sensorelement NV als Lichtwellenleiterlinse LWLL ausgeführt.
Figur 3
3 zeigt einen Querschnitt durch das beispielhafte erste Ende ELWL1 eines vorschlagsgemäßen Lichtwellenleiters LWL. Der Lichtwellenleiter LWL weist einen Lichtwellenleiterkern LWLC auf. Es kann sich bei dem Lichtwellenleiter LWL um einen Monomodelichtwellenleiter oder einen Multimodelichtwellenleiter handeln. Der Lichtwellenleiter LWL kann ein Gradientenlichtwellenleiter oder ein Step-Index-Wellenleiter oder dergleichen sein, bei dem der Lichtwellenleiterkern LWLC fließend in den Außenbereich des Lichtwellenleiters LWL hinsichtlich des Brechungsindex übergeht. Die mechanische Hülle MH schützt den Lichtwellenleiter LWL und lässt das erste Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL bevorzugt frei. Das Trägermaterial TM des Sensorelements NV umgibt das erste Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL. Das Trägermaterial TM des Lichtwellenleiters LWL ist bevorzugt transparent für die Pumpstrahlungswellenlänge λ_pmp und die Fluoreszenzwellenlänge λ_fl. Die Transparenz bezieht sich hierbei auf die Dimensionen des Lichtwellenleiters LWL der einen Durchmesser D_LWL durchaus kleiner als 100µm aufweisen kann. Die Endfläche EF des Lichtwellenleiters LWL ist bevorzugt senkrecht zur optischen Achse des Lichtwellenleiters LWL, die hier als Mittenlinie ML beispielhaft gezeichnet ist. Am Durchstoßpunkt der optischen Achse, also der Mittenlinie ML, durch die Endfläche EF ist in dem Trägermaterial TM eine Lichtwellenleiterlinse LWLL als Verdickung des Trägermaterials TM gefertigt. Dort ist die Dicke d_l des Trägermaterials TM typischerweise am dicksten. In den übrigen Bereichen des Sensorelements NV ist der Lichtwellenleiter LWL ggf. nur dünn mit einer kleineren Dicke d_r mit dem Trägermaterial TM beschichtet. Die Dicke d_r kann auch Dm betragen. Der Durchmesser D_LWLL der Lichtwellenleiter Linse LWLL ist typischerweise kleiner als der Durchmesser D_LWL des Lichtwellenleiters LWL. Zur Verdeutlichung ist das erste Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL mit der Endfläche EF und der Lichtwellenleiterlinse LWLL links noch einmal herausvergrößert. Die kleinen stochastisch gleichverteilten Diamanten bzw. Nanodiamanten DM im Material des Trägermaterials TM sind zur Verdeutlichung angedeutet. bevorzugt sind die Diamanten DM Nanodiamanten mit einer Größe kleiner 500µm, besser kleiner 200µm, besser kleiner 100µm, besser kleiner 50µm, besser kleiner 20µm, besser kleiner 10µm, besser kleiner 5µm, besser kleiner 2µm, besser kleiner 1µm, besser kleiner 0,5µm, besser kleiner 0,2µm, besser, kleiner 0,1µm, kleiner 50nm, kleiner 20nm, , kleiner 10nm. Besonders bevorzugt sind Größen über 100nm, da Größen kleiner 100nm spezielle Oberflächeneffekte zwischen NV-Zentrum NVZ und Diamantoberfläche des betreffenden Diamanten DM hervorrufen können. Bevorzugt umfassen eine Vielzahl dieser Diamanten bzw. Nanodiamanten DM ein oder mehrere NV-Zentren NVZ und/oder ein oder mehrere paramagnetische Zentren, die dann die bei Bestrahlung mit geeigneter Pumpstrahlung LB Fluoreszenzstrahlung FL erzeugen.
Figur 4
4 zeigt einen Sensorkopf SK mit der mechanischen Hülle des Lichtwellenleiters LWL, der durch die mechanische Hülle MH verdeckt ist. Die Zeichnung zeigt den Permanentmagneten PM. Die Auflagefläche AF ist unten und verdeckt.
Figur 5
5 zeigt den Sensorkopf der 4 in der Aufsicht (5a) und in der Seitenansicht (5b) als Schnittbild.
Die mechanische Hülle MH des Lichtwellenleiters LWL ist mit dem Lichtwellenleiter LWL im Kanal KN des Sensorkopfgehäuses GH des Sensorkopfes SK mittels einer Schraube SCHR fixiert. Es ist denkbar, die mechanische Hülle MH des Lichtwellenleiters LWL mit dem Lichtwellenleiter LWL im Kanal KN des Sensorkopfgehäuses GH des Sensorkopfes SK mittels einer Klebung zu fixieren. Der Permanentmagnet PM ist beispielhaft als Zylinder ausgeführt. Das untere Ende des Permanentmagneten PM hat einen Abstand d_pm zur Auflagefläche AF. Die Auflagefläche AF liegt in dem Beispiel der 5 auf der Oberfläche OF des beispielhaft ferromagnetischen Materials FM des Werkstücks auf. In dem ferromagnetischen Material FM soll sich beispielhaft ein Riss RI befinden. Dieser Riss RI beeinflusst das Streufeld BSTR des Permanentmagneten PM. Das Sensorelement NV befindet sich am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL. Bevorzugt befindet sich das Sensorelement NV in der Nähe der Verlängerung der Achse AX des zylindrischen Permanentmagneten PM. Der Riss RI beeinflusst das Streufeld BSTR des Permanentmagneten PM im Bereich des Sensorelements NV. Daher beeinflusst der Riss RI die Intensität der Fluoreszenzstrahlung FL der NV-Zentren NVZ bzw. paramagnetischen Zentren im Sensorelement NV.
Der beispielhafte Sensorkopf SK hat die Höhe d_SK1. Der beispielhafte Sensorkopf SK hat die Länge d_SK2. Der beispielhafte Sensorkopf SK hat die Breite d_SK3.
An der Oberseite entgegengesetzt zur Auflagefläche AF weist der Sensorkopf SK eine Vertiefung VT mit der Tiefe d_SK4 bezogen auf die Oberseite des Sensorkopfes SK auf. Sofern der Sensorkopf SK für eine manuelle Positionierung auf der Oberfläche OF des Werkstücks vorgesehen ist, hat die Vertiefung VT bevorzugt eine Tiefe d_SK4 zwischen 3mm und 1,5cm, wobei 5mm bis 8mm bevorzugt sind. Dies verbessert die Handhabbarkeit.
In dem Beispiel der 5 weist der Kanal KN einen Knick KI um einen Winkel auf. Dies hat zum ersten den positiven Effekt einer gewissen mechanischen Klemmung des Lichtwellenleiters LWL im Kanal KN und zum zweiten den Effekt, dass der Lichtwellenleiter LWL parallel zur Auflagefläche AF aus dem Sensorkopf SK austreten kann. Dies hat den Vorteil, dass der Lichtwellenleiter LWL aufgrund seiner Flexibilität in geringerem Abstand vom Sensorkopf SK beispielsweise auf einer Arbeitsplatte zum Liegen kommt als ohne diesen Knick KI. Hierdurch verringert sich das Drehmoment, das der Lichtwellenleiter LWL auf den Sensorkopf SK ausübt. Zum Dritten kann das Sensorelement NV hierdurch näher zur Auflagefläche AF des Sensorkopfes SK positioniert werden. Bevorzugt bildet daher der Lichtwellenleiter LWL mit der Auflagefläche AF in unmittelbarer Nähe des Sensorelements NV einen Winkel α, der von 90° und 0° verschieden ist. Typischerweise liegt der Winkel α zwischen 15° und 65°, bzw. besser 25° und 55°. Winkel α von 30° und 45° sind derzeit in Benutzung.
in der 5 ist eine ferromagnetische Stütze ST vorgesehen, die die magnetische Erregung H des Permanentmagneten PM zum Material des Werkstücks, hier dem ferromagnetischen Material FM, leitet. In dem Beispiel der 5 handelt es sich bei der ferromagnetische Stütze ST um ein beispielhaftes ferromagnetisches Rohr. Die ferromagnetische Stütze ST hat in dem Beispiel der 5 beispielhaft in etwa den gleichen Durchmesser wie der Permanentmagnet PM. In dem Beispiel der 5 weist die ferromagnetische Stütze ST eine Öffnung OE im unteren Bereich auf. Durch diese Öffnung OE gelangt der Lichtwellenleiter LWL in das Innere der ferromagnetischen Stütze ST. Diese Öffnung OE ist somit Teil des Kanals KN im Sensorkopfgehäuse GH. Die ferromagnetische Stütze ST ist mit einem Füllmaterial eines Kerns KE der Stütze ST und des Permanentmagneten PM gefüllt. Der Kanal KN setzt sich aus dem Material des übrigen Sensorkopfgehäuses GH durch die Öffnung OE in diesen Kern KE hinein fort. In dem Beispiel der 5 stimmt die Rotationssymmetrieachse AX des Permanentmagneten PM mit der Rotationssymmetrieachse der ferromagnetischen Stütze ST beispielhaft überein. Bevorzugt ist der Kanal KN im Kern KE daher so ausgeführt, dass nach dem Einbringen des Lichtwellenleiters LWL das Sensorelement NV sich in der Nähe der Verlängerung dieser Symmetrieachse AX befindet.
Bevorzugt umfasst der Sensorkopf SK also zumindest ein Mittel zur Erzeugung einer magnetischen Erregung, nämlich den Permanentmagneten PM, und ein Sensorelement NV, dass über zumindest einen Lichtwellenleiter LWL. Der Lichtwellenleiter LWL ist dazu eingerichtet mit einer Ansteuer- und Auswertevorrichtung (siehe 1) verbunden zu werden oder ist mit dieser verbunden. Der Sensorkopf umfasst des Weiteren ein Sensorkopfgehäuse GH aus einem nicht ferromagnetischen Material (µ_t<1). Bevorzugt umfasst der Sensorkopf SK weitere Funktionselemente eines oder mehrerer magnetischer Kreise. Ein solches weiteres Funktionselement eines oder mehrerer magnetischer Kreise kann beispielsweise die ferromagnetische Stütze ST sein. Bevorzugt ist der Sensorkopf SK dazu ausgelegt, dass der Permanentmagnet PM und die weiteren Funktionselemente eines oder mehrerer magnetischer Kreise des Sensorkopfes SK über eine Auflagefläche AF mit einem Bereich der Oberfläche OF eines Werkstücks zumindest einen gemeinsamen magnetischen Kreis bilden, wenn der Sensorkopf SK mit der Auflagefläche AF auf der Oberfläche OF des Werkstücks platziert wird.
Figur 6
6 zeigt die Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines vorschlagsgemäßen Sensorkopfes SK und dessen Verwendung. Das Verfahren umfasst die Schritte:

• Bereitstellen 140 eines Lichtwellenleiters LWL, wobei der Lichtwellenleiter LWL ein erstes Ende ELWL1 und ein zweites Ende ELWL2 aufweist;
• Bereitstellen 145 eines flüssigen und mittels elektromagnetischer Strahlung einer Aushärtewellenlänge λ_H härtbaren Trägermaterials TM, wobei in das Trägermaterial (TM) eine Vielzahl von Diamanten DM bzw. Nanodiamanten eingebettet sind und wobei einer oder mehrere oder alle Diamanten DM bzw. Nanodiamanten dieser Diamanten DM NV-Zentren NVZ und/oder andere paramagnetischen Zentren aufweisen und wobei die NV-Zentren NVZ des Trägermaterials TM und/oder die anderen paramagnetischen Zentren des Trägermaterials TM bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung LB zumindest eine Fluoreszenzstrahlung FL emittieren;
• Benetzen 150 des ersten Endes des Lichtwellenleiters TM auf eine Benetzungslänge L_B mit dem Trägermaterial TM, das die Vielzahl eingebetteter Diamanten DM bzw. Nanodiamanten aufweist;
• Einspeisen 155 elektromagnetischer Strahlung in das zweite Ende ELWL2 des Lichtwellenleiters LWL, wobei die Wellenlänge dieser elektromagnetischen Strahlung, die Aushärtewellenlänge λ_H so gewählt ist, dass das Trägermaterial TM am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL aushärtet und sich in einen Festkörper wandelt, wobei das ausgehärtete Trägermaterial TM das Sensorelement NV ausbildet;
• Entfernen 160 des nicht ausgehärteten Trägermaterials TM insbesondere mittels eines Lösungsmittels, wobei der verbleibende Film des Trägermaterials TM am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL das Sensorelement NV bildet;
• Bereitstellen 165 eines Sensorkopfgehäuses GH des Sensorkopfes SK und einer Erregungsquelle für eine magnetische Erregung H, insbesondere eines Permanentmagneten PM;
• Einbau 170 des Lichtwellenleiters LWL mit dem neu gebildeten Sensorelement NV in den Kanal KN des Sensorkopfgehäuses GH des Sensorkopfes SK und Einbau der einer Erregungsquelle für eine magnetische Erregung H in das Sensorkopfgehäuses GH des Sensorkopfes SK;
• Verwendung 180 des Sensorkopfes SK zur ortsaufgelösten Vermessung der magnetischen Eigenschaften des Materials eines Werkstücks in der Nähe der Oberfläche OF des Werkstücks, wobei die Ortsauflösung besser als 500µm und/oder besser als 200µm und/oder besser als 100µm und/oder besser als 50µm und/oder besser als 20µm und/oder besser als 10µm ist. Dabei ist Auflösung die Möglichkeit zwei beieinanderliegende Störungen der magnetischen Eigenschaften einer Oberfläche OF eines Werkstücks noch durch ein Extremum von 5% der Signalamplitude zu können, wenn diese entsprechend der Auflösung voneinander beabstandet sind. Solche Störungen können beispielsweise Risse, Lunker, Materialinhomogenitäten etc. sein.

Figur 7
7a zeigt ein beispielhaftes Werkstück aus einem ferromagnetischen Material FM in der Aufsicht. In die Oberfläche des Werkstücks sind verschiedene Bohrungen L1 bis L3 als Simulation eines Risses RI eingebracht. Die erste Bohrung L1 soll beispielsweise einen beispielhaften Durchmesser von 4mm aufweisen. Die zweite Bohrung L2 soll beispielsweise einen beispielhaften Durchmesser von 3mm aufweisen. Die dritte Bohrung L3 soll beispielsweise einen beispielhaften Durchmesser von 2mm aufweisen.
Für die Erstellung der 7b wurde ein Sensorkopf SK, wie in den 4 und 5 dargestellt über die Oberfläche OF des Werkstücks längs des mit x bezeichneten Weges verschoben, wobei der Kontakt zwischen der Auflagefläche AF und der Oberfläche OF des Werkstücks beibehalten wurde.
Der Werteverlauf des so erhaltenen Messignals S4 ist in der 7b in Abhängigkeit von der Position x des Sensorkopfes SK auf der Oberfläche OF dargestellt. Aufgrund der geringen Größe D_LWL des Sensorelements NV ist die Ortsauflösung erheblich, was aus dem Stand der Technik unbekannt ist.
Bezugszeichenliste

140: Bereitstellen 140 eines Lichtwellenleiters LWL, wobei der Lichtwellenleiter LWL ein erstes Ende ELWL1 und ein zweites Ende ELWL2 aufweist;
142: Bereitstellen 142 eines flüssigen und mittels elektromagnetischer Strahlung einer Aushärtewellenlänge λ_H härtbaren Trägermaterials TM, wobei in das Trägermaterial TM eine Vielzahl von Diamanten DM, vorzugsweise Nanodiamanten, eingebettet sind und wobei einer oder mehrere oder alle Diamanten DM dieser Diamanten DM NV-Zentren NVZ und/oder andere paramagnetischen Zentren aufweisen und wobei die NV-Zentren NVZ der Diamanten DM des Trägermaterials TM und/oder die anderen paramagnetischen Zentren der Diamanten DM des Trägermaterials TM bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung LB zumindest eine Fluoreszenzstrahlung FL emittieren;
145: Bereitstellen 145 eines flüssigen und mittels elektromagnetischer Strahlung einer Aushärtewellenlänge λ_H härtbaren Trägermaterials TM, wobei in das Trägermaterial (TM) eine Vielzahl von Diamanten DM bzw. Nanodiamanten eingebettet sind und wobei einer oder mehrere oder alle Diamanten DM bzw. Nanodiamanten dieser Diamanten DM NV-Zentren NVZ und/oder andere paramagnetischen Zentren aufweisen und wobei die NV-Zentren NVZ des Trägermaterials TM und/oder die anderen paramagnetischen Zentren des Trägermaterials TM bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung LB zumindest eine Fluoreszenzstrahlung FL emittieren;
150: Benetzen 150 des ersten Endes des Lichtwellenleiters TM auf eine Benetzungslänge L_B mit dem Trägermaterial TM, das die Vielzahl eingebetteter Diamanten DM bzw. Nanodiamanten aufweist;
155: Einspeisen 155 elektromagnetischer Strahlung in das zweite Ende ELWL2 des Lichtwellenleiters LWL, wobei die Wellenlänge dieser elektromagnetischen Strahlung, die Aushärtewellenlänge λ_H so gewählt ist, dass das Trägermaterial TM am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL aushärtet und sich in einen Festkörper wandelt, wobei das ausgehärtete Trägermaterial TM das Sensorelement NV ausbildet;
160: Entfernen 160 des nicht ausgehärteten Trägermaterials TM insbesondere mittels eines Lösungsmittels, wobei der verbleibende Film des Trägermaterials TM am ersten Ende ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL das Sensorelement NV bildet;
165: Bereitstellen eines Sensorkopfgehäuses GH des Sensorkopfes SK und einer Erregungsquelle für eine magnetische Erregung H, insbesondere eines Permanentmagneten PM;
170: Einbau des Lichtwellenleiters LWL mit dem neu gebildeten Sensorelement NV in den Kanal KN des Sensorkopfgehäuses GH des Sensorkopfes SK und Einbau der einer Erregungsquelle für eine magnetische Erregung H in das Sensorkopfgehäuses GH des Sensorkopfes SK;
180: Verwendung des Sensorkopfes SK zur ortsaufgelösten Vermessung der magnetischen Eigenschaften des Materials eines Werkstücks in der Nähe der Oberfläche OF des Werkstücks, wobei die Ortsauflösung besser als 500µm und/oder besser als 200µm und/oder besser als 100µm und/oder besser als 50µm und/oder besser als 20µm und/oder besser als 10µm ist. Dabei ist Auflösung die Möglichkeit zwei beieinanderliegende Störungen der magnetischen Eigenschaften einer Oberfläche OF eines Werkstücks noch durch ein Extremum von 5% der Signalamplitude zu können, wenn diese entsprechend der Auflösung voneinander beabstandet sind. Solche Störungen können beispielsweise Risse, Lunker, Materialinhomogenitäten etc. sein.
α: Winkel, den der Lichtwellenleiter LWL mit der Auflagefläche AF in unmittelbarer Nähe des Sensorelements NV bildet;
β: Winkel zwischen der virtuellen Senkrechten AFS zur Auflagefläche AF des Sensorkopfes SK einerseits und dem Lichtwellenleiter LWL beim Austritt aus dem Sensorkopfgehäuse GH des Sensorkopfes SK. Bevorzugt beträgt der Winkel β 90°. Dies hat den Vorteil, dass ein solcher Winkel β das Drehmoment, das der Lichtwellenleiter LWL zusammen mit seiner mechanischen Hülle MH auf den Sensorkopf SK ausübt, minimiert, da der Lichtwellenleiter LWL dann in relativ geringer Entfernung vom Sensorkopf SK auf der Oberfläche des Werkstücks oder einer Oberfläche, auf der das Werkstück aufliegt zum Liegen kommt. Bevorzugt liegt der Wert von β zwischen 45° und 135°, besser zwischen 70° und 110°, besser zwischen 80° und 100°, besser zwischen 85° und 95°, besser zwischen 87° und 93°;
AX: Permanentmagnetsymmetrieachse;
AF: Auflagefläche des Sensorkopfes SK;
AFS: virtuelle Senkrechte zur Auflagefläche AF des Sensorkopfes SK;
B: magnetische Flussdichte;
BSTR: magnetisches Streufeld der magnetischen Flussdichte des Permanentmagneten PM;
dl: Dicke des Trägermaterials TM am Mittelpunkt MP der Endfläche EF am ersten Ende ELWL1 des ersten und/oder der zweiten oder des gemeinsamen Lichtwellenleiters LWL;
dpm: Abstand d_pm des unteren Endes des Permanentmagneten PM zur Auflagefläche AF;
dr: Dicke an anderen Punkten der Endfläche EF des ersten Endes ELWL1 des ersten und/oder der zweiten oder des gemeinsamen Lichtwellenleiters LWL;
dSK1: Höhe des Sensorkopfes SK;
dSK2: Länge des Sensorkopfes SK;
dSK3: Breite des Sensorkopfes SK;
dSK4: Tiefe der Vertiefung VT des Sensorkopfes SK;
DLWL: Durchmesser des Lichtwellenleiters LWL;
DLWLL: Durchmesser der Lichtwellenleiterlinse LWLL;
DLWLMH: Durchmesser des ummantelten Lichtwellenleiters LWL umfassend den Durchmesser des Lichtwellenleiters LWL mit der mechanischen Hülle MH;
DM: Diamanten DM. Die Diamanten haben vorzugsweise eine Größe kleiner 5mm, besser kleiner 2mm, besser kleiner 1mm, besser kleiner 0,5mm, besser kleiner 0,2mm, besser kleiner 0,1mm, besser kleiner 50µm, besser kleiner 20µm, besser kleiner 10µm, besser kleiner 5µm, besser kleiner 2mm, besser kleiner 1µm, besser kleiner 0,5µm, besser kleiner 0,2µm, besser kleiner 0,1µm, besser kleiner 50nm, besser kleiner 20nm, besser kleiner 10nm;
EF: Endfläche des ersten Endes ELWL1 des ersten und/oder der zweiten oder des gemeinsamen Lichtwellenleiters LWL;
ELWL1: erstes Ende des Lichtwellenleiters LWL;
ELWL2: zweites Ende des Lichtwellenleiters LWL;
F1: dichroitischer Spiegel;
FL: Fluoreszenzstrahlung;
FM: ferromagnetisches Material;
G: Signalgenerator;
GH: Sensorkopfgehäuse. Das Sensorkopfgehäuse kann beispielsweise mittels 3D-Druck, beispielsweise mittels FDM oder SLS-Druck hergestellt werden. Bevorzugt ist das Material des Sensorkopfgehäuses zumindest in der Nähe des Sensorelements NV nicht ferromagnetisch (µ_t<1). Bevorzugt ist das Material des Sensorkopfgehäuses diamagnetisch;
GND: Bezugspotenzial;
H: magnetische Erregung;
KI: Knick im Kanal KN des Sensorkopfgehäuses GH;
KN: Kanal KN, durch den der Lichtwellenleiter LWL in das Sensorkopfgehäuse GH eingeführt ist;
LB: Benetzungslänge;
LB: Pumpstrahlung;
LIV: Lock-In-Verstärker;
LWL: Lichtwellenleiter. Bevorzugt handelt es sich um eine Glasfaser;
LWLC: Kern (Englisch Core) des Lichtwellenleiters LWL;
LWLL: Lichtwellenleiterlinse;
λfl: Fluoreszenzwellenlänge;
λH: Aushärtewellenlänge;
λpmp: Pumpstrahlungswellenlänge;
M1: Multiplizierer;
MH: mechanische Hülle;
ML: Mittellinie des Lichtwellenleiters LWL (Es handelt sich um eine virtuelle Linie);
MP: Mittelpunkt der Endfläche EF des ersten Endes ELWL1 des Lichtwellenleiters LWL;
NV: Sensorelement. Bevorzugt umfasst das Sensorelement eine Vielzahl von Nanodiamanten bzw. Diamanten DM, die unterschiedlich orientiert sind und bevorzugt eine Vielzahl von NV-Zentren NVZ aufweisen. Bevorzugt ist das Sensorelement mit den Diamanten DM bzw. Nanodiamanten mittig unter dem Permanentmagneten PM und möglichst nah am Prüfobjekt, hier dem beispielhaften Werkstück mit dem ferromagnetischen Material FM, platziert;
NVZ: NV-Zentren;
KE: Kern<<<
KN: Kanal im Sensorkopfgehäuse GH für die Zuführung des Lichtwellenleiters LWL und/oder optisches Fenster im Sensorkopfgehäuse GH;
OE: Öffnung für den Lichtwellenleiter LWL in der ferromagnetischen Stütze ST;
OF: Oberfläche des Werkstücks, beispielsweise die Oberfläche eines ferromagnetischen Materials FM;
OFF1: Offset-Addition;
PD: Fotodetektor;
PL: Pumpstrahlungsquelle;
PM: Permanentmagnet. Bevorzugt ist der Permanentmagnet röhrenförmig mit einer Permanentmagnetsymmetrieachse AX ausgeführt. Sofern sich das Sensorelement NV sich auf dieser Symmetrieachse AX befindet, ist die horizontale Komponente der magnetischen Flussdichte B in etwa 0 T. In dem hier vorgestellten Beispiel dient der Permanentmagnet zur Bereitstellung der magnetischen Erregung H des magnetischen Kreises des Sensorkopfes SK im Zusammenwirken mit dem Material des Werkstücks in der Nähe der Oberfläche OF des Werkstücks und in der Nähe des Sensorelements NV. Statt eines Permanentmagneten kann auch eine stromdurchflossene Spule oder dergleichen hier eingesetzt werden. Auch sind kompliziertere magnetische Kreise mit mehr als einer Quelle magnetischer Erregung denkbar. Beispielsweise kann der Sensorkopf SK auch eine Kombination aus einem der mehreren Permanentmagneten mit einer oder mehreren Spule als Quelle der magnetischen Erregung H aufweisen. Beispielsweise kann der Sensorkopf SK auch einer oder mehrere Spule als Quelle der magnetischen Erregung H aufweisen. Der Begriff Permanentmagnet steht im Sinne des hier vorgelegten Dokuments für eine beliebig strukturierte Quelle magnetischer Erregung H. Ein einzelner Permanentmagnet ist jedoch ausdrücklich besonders bevorzugt;
RI: Störung im ferromagnetischen Material FM. Bei einer solchen Störung kann es sich um eine Änderung der Zusammensetzung handeln, die die magnetischen Eigenschaften des ferromagnetischen Materials FM lokal ändert. Beispielsweise kann es sich um einen Riss oder einen Lunker oder eine Bohrung oder eine Vertiefung oder um eine Dickenschwankung oder eine Modulation eines Formfaktors wie Dicke, Breite oder dergleichen handeln;
S0: Empfängerausgangssignal;
S1: verstärktes Empfängerausgangssignal;
S3: Filtereingangssignal;
S4: Flussdichtemesssignal;
S5: Sendesignal;
S5w: Sendevorsignal;
SCHR: Schraube. Das Sensorkopfgehäuse GH weist zur Aufnahme der Schraube vorzugsweise ein Gewinde für eine Madenschraube zur Fixierung des Lichtwellenleiters LWL auf;
SK: Sensorkopf;
ST: ferromagnetische Stütze;
t: Zeit;
TM: Trägermaterial;
TP: Tiefpassfolter bzw. Filter mit Tiefpasseigenschaften;
v: Vorschubgeschwindigkeit;
V1: Verstärker;
VDD: Versorgungsspannung;
VT: Vertiefung VT des Sensorkopfes SK z.B. für einen Führungsfinger einer Hand;

Liste der zitierten Schriften

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 102019120076 A1 [0006, 0154]
DE 112020003569 A5 [0006, 0154]
DE 112020004650 A5 [0006, 0154]
DE 102021101565 A1 [0006, 0154]
EP 3874343 A2 [0006, 0154]
DE 102020109477 A1 [0007, 0154]
DE 102021114589 [0008, 0154]
DE 102022121444 [0009, 0154]
DE 102022122505 [0010, 0154]
WO 2022096891 A1 [0011]
CN 114994006 A [0012, 0013]
CN 112146782 A [0014]
CN 114720553 A [0015]
DE 102020125178 A1 [0079]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Sensorkopfes (SK mit den Schritten: Bereitstellen (140) eines Lichtwellenleiters (LWL), - wobei der Lichtwellenleiter (LWL) ein erstes Ende (ELWL1) und ein zweites Ende (ELWL2) aufweist; Bereitstellen (145) eines flüssigen und mittels elektromagnetischer Strahlung einer Aushärtewellenlänge (λ_H) härtbaren Trägermaterials (TM), - wobei das Trägermaterial (TM) eine Vielzahl von Diamanten (DM) aufweist und - wobei einer oder mehrere oder alle Diamanten (DM) dieser Diamanten (DM) NV-Zentren (NVZ) und/oder andere paramagnetischen Zentren aufweisen und - wobei die NV-Zentren (NVZ) der Diamanten (DM) des Trägermaterials (TM) und/oder die anderen paramagnetischen Zentren der Diamanten (DM) des Trägermaterials (TM) bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) zumindest eine Fluoreszenzstrahlung (FL) emittieren; Benetzen (150) des ersten Endes (ELWL1) des Lichtwellenleiters (TM) auf eine Benetzungslänge (L_B) mit dem Trägermaterial (TM); Einspeisen (155) elektromagnetischer Strahlung in das zweite Ende (ELWL2) des Lichtwellenleiters (LWL), - wobei die Wellenlänge dieser elektromagnetischen Strahlung, der Aushärtewellenlänge (λ_H) entspricht, - sodass das Trägermaterial (TM) am ersten Ende (ELWL1) des Lichtwellenleiters (LWL) aushärtet und - sodass das Trägermaterial (TM) am ersten Ende (ELWL1) des Lichtwellenleiters (LWL) sich in einen Festkörper wandelt und - wobei das ausgehärtete Trägermaterial (TM dann somit das Sensorelement (NV ausbildet und - wobei dann das Sensorelement (NV) Diamanten (DM) mit NV-Zentren (NVZ) der Diamanten (DM) und/oder mit anderen paramagnetischen Zentren der Diamanten (DM) umfasst, die bei Bestrahlung mit Pumpstrahlung (LB) zumindest eine Fluoreszenzstrahlung (FL) emittieren; Entfernen (160) des nicht ausgehärteten Trägermaterials (TM), insbesondere mittels eines Lösungsmittels, wobei der verbleibende Film des Trägermaterials (TM) am ersten Ende (ELWL1) des Lichtwellenleiters (LWL) das Sensorelement (NV) bildet; Bereitstellen (165) eines Sensorkopfgehäuses (GH) des Sensorkopfes (SK) mit einem Kanal (KN) und einer Erregungsquelle für eine magnetische Erregung (H), insbesondere eines Permanentmagneten (PM); Einbau (170) des Lichtwellenleiters (LWL) mit dem neu gebildeten Sensorelement (NV) in den Kanal (KN) des Sensorkopfgehäuses (GH) des Sensorkopfes (SK) und Einbau der Erregungsquelle für eine magnetische Erregung (H) in das Sensorkopfgehäuses (GH) des Sensorkopfes (SK); Verwendung (180) des Sensorkopfes (SK) zur ortsaufgelösten Vermessung der magnetischen Eigenschaften des Materials eines Werkstücks in der Nähe der Oberfläche (OF) des Werkstücks, wobei der Abstand zwischen dem Mittelpunkt (MP) der Endfläche (EF) des ersten Endes (ELWL1) des Lichtwellenleiters (LWL) und der Oberfläche (OF) des Werkstücks - kleiner als der fünffache Durchmesser (D_LWLMH) des ummantelten Lichtwellenleiters (LWL) und/oder - kleiner als der doppelte Durchmesser (D_LWLMH) des ummantelten Lichtwellenleiters (LWL) und/oder - kleiner als der Durchmesser (D_LWLMH) des ummantelten Lichtwellenleiters (LWL) und/oder - kleiner als der halbe Durchmesser (D_LWLMH) des ummantelten Lichtwellenleiters (LWL) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 wobei die Ortsauflösung besser als 500µm und/oder besser als 200µm und/oder besser als 100µm und/oder besser als 50µm und/oder besser als 20µm und/oder besser als 10µm ist und wobei „Auflösung“ die Möglichkeit ist zwei beieinanderliegende Störungen der magnetischen Eigenschaften einer Oberfläche (OF) eines Werkstücks noch durch ein Extremum von 5% der Signalamplitude eines Flussdichtemesssignals (S4) zu können, wenn diese entsprechend der Auflösung voneinander beabstandet sind und wobei insbesondere solche Störungen beispielsweise Risse, Lunker, Materialinhomogenitäten etc. sein können.