DE2244696C2 - Schwebekammer zum Suspendieren geladener Teilchen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwebekammer zum Suspendieren geladener Teilchen mit einem Paar paralleler Plattenelektroden, wobei eine der Plattenelektroden in eine zweite und eine diese konzentrisch Umgebende von der zweiten isoliert angeordnete drille Elektrode unterteilt ist und durch Anlegen von elektrischen Potentialen an die Elektroden elektrische Felder zwischen den Plattenelektroden einerseits und der zweiten und dritten Elektrode, um die Teilchen an einer zu der zweiten Elektrode zentrierten Stellung zu halten, andererseits erzeugbar ist, wobei an die dritte Elektrode und die andere Plattenelektrode unterschieds liehe Potentiale zur Erzeugung eines ersten elektrischen Feldes in einer ersten Richtung anlegbar sind.

Es ist bereits bekannt, ein Paar paralleler Plattenelektroden zum Suspendieren eines Teilchens zwischen den Elektroden zu benutzen. So hat beispielsweise iJillikan

ίο bereits im ersten Teil dieses Jahrhunderts parallele Platienelektroden benutzt, um kleine öltropfen zwischen diesen Platten zu suspendieren. Bei dieser bekannten Anordnung wurden die Platten aufgeladen, um ein elektrisches Fe.d zu erzeugen, das mit der '.adung der Teilchen zusammenwirkt, um die Schwerkraft auszugleichen und das Teilchen zwischen den Platten zu hallen. Eine Schwierigkeit bei <Jer bekannten Anordnung ist es, daß das Teilchen nicht notwendigerweise sich in der Mitte befindet und dazu neigt, sich aus dem Zwischenraum zwischen den Platten zu bewegen. Außerdem muß das elektrische Feld sehr genau aufrechterhalten und parallel zum Schwerkraftsfeld gehalten werden, was eine sehr genaue Ausrichtung der Platten senkrecht zum örtlichen Schwerkraftsfeld erfordert, da sonst das Teilchen zu einer Bewegung innerhalb des Zwischenraumes der beiden Platten neigt. Diese Schwierigkei< ;n machen eine Benutzung der Millikan·Anordnung außer für Demonstrationszwecke unpraktisch.

ίο Um einige dieser Schwierigkeiten der Millikan-Anordnung zu beseitigen, unterteilte Fletcher 1914 (Physical Review, Bd. 4. Nr. 5. Nov 1914, Seiten 440—453) die obere der beiden Plattenelektroden in eine innere kreisförmige Elektrode und eine diese

J5 konzentrisch umgebende Ringelektrode, die beide in derselben Ebene liegen. Normalerweise arbeitet die Anordnung von Fletcher in derselben Art wie nach Millikan indem an beiden Elektroden der oberen Plattenelektroden dasselbe Potentia¹ und an die untere gegenüberliegende Elektrode ein anderes Potential angelegt wird, mit dem versucht wird, ein Teilchen in der Schwebe zu halten. Nur wenn das Teilchen aufgrund der Brown'schen Bewegung aus dem Gesichtsfeld zu wandern droht, wird kurzzeitig die Kreiselektrode der oberen Plattenelektrode und die untere Plattenelektrode auf ein Potential und die Ringelektrode der oberen Plattenelektrode auf ein zweites Potential gelegt, wodurch zwischen den beiden Elektroden der oberen Plattenelektrode km zzeitig ein radial wirkendes elektnsches Feld erzeugt wird, das das Teilchen in den zentnschen Beobachtungsbereich zurückführt. Mit dieser Anordnung ist keine genaue Zentrierung und schon gar nicht eine genaue Positionierung und /um Halten eines Teilchens an einer bestimmten Stelle möglich. Eine weitere Schwierigkeit der Fletcher-Anordnung liegt dann. daC die Große des von der kleinen Kreiselektrode in der oberen Plattenelektrode erzeug ten Radialfeldes, das für die Zentrierung benutzt wird, dadurch begrenzt ist. daß zusätzlich zu dem Radialfeld ein Vertikalfeld erzeugt wird. Das Vertikalfeld wird auf eine solche Größe begrenzt, daß die Schwerkraft ausgeglichen wird, was wiederum die Größe des Radialfeldes begrenzt. Es wird deshalb nur ein sehr schwaches Radialfeld erzeugt, das oft nicht wirksam ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einer Schwebekammer der vorbekannten Art diese derart weiterzubilden, daß Untersuchungen an einem schwebenden, ortsfest

gehaltenden Teilchen durchgeführt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zweite Elektrode als eine Stiftelektrode (14) ausgebildet ist, die sich durch die dritte Elektrode (10) hindurch über diese hinaus erstreckt, und daß an die Stiftelektrode (14) ein drittes Potential zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Feldes (18) zwischen der Stiftelektrode (14) und der anderen Plattenelektrode (12) in einer zweiten zu der ersten Richtung des ersten elektrischen Feldes (22) entgegengesetzten Richtung, um die Teilchen in der Schwebe zu halten, und zur Erzeugung eines dritten radialen elektrischen Feldes (20) zwischen der Stiftelektrode (14) und der dritten Elektrode (10), anlegbar is:.

Durch die besondere Ausbildung und Anordnung der zweiten Elektrode in Verbindung mit der Erzeugung eines zusätzlichen elektrischen Feldes zwischen der Stiftelekii-ode und der unteren Plattenelektrode sowie unter Beibehaltung eines unabhängig einstellbarer, elektrischen Radialfeldes wird es nunmehr möglich, zu beobachtende und zu untersuchende Teilchen an einer genau vorbestimmten Stelle über längere Z.'it gci.au positioniert zu halten. Erst hierdurch wird eine solche Schwebekammer auch für den Einsatz bei Streuversuchen geeignet, in denen Streuungen an Teilchen beobachtet werden, die von einem Laserstrahl mit extrem geringem Durchmesser bestrahl! werden.

Gemäß einer vorzugsweisen Auführungsform ist die Schwebekammer weiter gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erfassung der Lage eines geladenen Teilchens, das sich zwischen den Elektroden befindet, mit der ein Fehlsignal erzeugbar ist, das die Differenz zwischen der tatsächlichen Lage des geladenen Teilchens und einer gewünschten Lage darstellt, und mit der das an die Elektroden gegebene Potential verstellbar ist, um auch die Lage des Teilchens zu ändern.

Durch eine solche Einrichtung wird es, falls ein Teilchen tatsächlich während der Beobachtung geringfügig von se^:ner Lage abweichen sollte, möglich, das Teilchen auf einfache Weise und genau wieder in seine Ursprungslage zurückzuführen.

Eine solche Rückführung kann auch durch eine automatische Regelung erfolgen, wenn die Schwebekammer nach einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung deran ausgebildet wird, daß ά.ζ Einrichtung zur Erfassung der Lage eines geladenen Teilchens eine Lichtquelle zur Erzeugung eines auf das zu erfassende Teilchen gerichteten gebündelten Lichtstrahls, eine im Winkel zu diesem Licht Mrahl angeordnete Beobachtungskarnmer mit einem ersten elektrooptischen Wandler zur Aufrahme von von dem Tröpfchen reflektiertem Licht, urd einem mit seiner Kante in den Lichtweg des reflektierten Lichts vorstehenden Spiegel, durch den reflektiertes Licht zu einem zweiten elektrooptischen Wandler umlenkbar ist und mit einem mit dem ersten Und zweiten elektrooptischen Wandler verbundenen Vergleicher zur Bildung eines als Fehlsignal dienendes Differenzsignals, umfaßt.

Diese Anordnung aus zwei parallelen Platten, die ein Elektrodenpaar bilden, zusammen mit einer Stiftelektrode, die sich durch eine der Plattenelektroden isoliert von dieser hindurcherstreckt, um damit ein starkes radiales Feld zu erzeugen, während das Teilchen in der Schwebe gehalten wird, kann auf Verschiedene Weise gespeist werden. So können z.B. die Elektroden abwechselnd gespeist we-'len, so daß das nach oben und unten innen gerichtete Feld abwechselnd mit dem nach unten gerichteten Feld erzeugt wird, um so ein starkes ausnutzbares Radial-Feld zu erzeugen. Dieser Feldwechsel n.uß schnell gegenüber der BewegungsgröEe des Teilchens vorgenommen werden. Zusätzlich können ί beide Felder gleichzeitig erzeugt werden, um ebenfalls ein starkes ausnutzbares Radial-Feld zu erzeugen, während das Teilchen immer noch in der Schwebe gehalten wird. Die Erfindung wird anhand einer Anordnung beschrieben, bei der die Felder gleichzeitig

ίο erzeugt werden, es ist jedoch klar, daß selbstverständlich auch die Felder abwechselnd aufgebaut werden können, wie dieses soeben beschrieben wurde.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im einzelnen zeigen

Fig. 1 a,b und c schematisch die Arbeitsweise der mit drei Elektroden ausgerüsteten erfindungsgemäßen Schwebekammer,

Fig. 2 eine bestimmte Ausführungsform einer Zerstreuungskarnmer, die die Schwebekammer zum Zuführen und Suspendieren der MikroteiL-nen enthält, in den Einzelheiten,

F i g. 3 eine Gesamtanordnung der in F i g. 2 gezeigten Zerstreuungskammer in Verbindung mit verschiedenen pneumatischen Steuereinrichtungen zum Einbringen dei rvlikroteilchen in die Kammer,

Fig.4 eine Ansicht des Steuerpults, das für die elektrische und pneumatische Steuerung der Mikroteilchen innerhalb der in F i g. 2 gezeigten Zerstreuungs-

jo kammer benutzt wird,

Fig. 5 die Anordnung des optischen Detektors und anderer Optiken, die in Verbindung mit der in F i g. 2 gezeigten Zerstreuungskammer benutzt werden, und
Fig.6 ein Blockschaltbild eines Servo-Kreises zur Steuerung der Lage der Mikroteilchen innerhalb der Zerstreuungskammer.

Anhand der Fig. la, b und c wird eine schematische Darstellung der Schwebekammer erläutert. Im einzelnen weist die Schwebekammer ein Paar paralleler

■to Plattenelektroden 10 und 12 und eine dritte Stiftelektrode 14 auf, die sich durch die Elektrode 10 hindurch aber von dieser isoliert erstreckt. Wie in Fig. !c gezeigt, können den einzelnen Elektroden Potentiale zugeführt werden, deren in Fig. Ic angegebenen Wert·¹; lediglich beispielhaft sind. Für ein gegebenes Te^;!chen kiinn die Elektrode 10 Bezugs- oder Erdpotential, die Elektrode 12 ein Potential in der Größenordnung von +50 V und die Elektrode 14 ein Potential in der Größenordnung von + 100 V aufweisen. Die positiven Potentiale der an die Elektroden 12 und 14 gegebenen elektrischen Energie sind unter lier Voraussetzung gewählt, daß das zu suspendierende Mikroteilchen eine negative Ladung aufweist, wie dieses für das Teilchen 16 dargestellt ist. Hat uas Teilchen dagegen eine positive Ladung, dann werden die entsprechenden Spannungen der Elektroden 10,12 und 14 umgekehrt

Aus Fig. la ist zu ersehen, daß die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 12 und 14 ein starkes elektrisches Feld fzeugt, das eine, wie durch die Pfeile 18 gezeigt, nach oben und innen gerichtete Kraft erzeugt Die Potentiäldjfferenz zwischen den Elektroden 10 und 14 erzeugt ein starkes elektrisches Feld, das seinerseits, wie durch die Pfeile 20 gezeigt, eine radial und nach innen gerichtete Kraft erzeugt Hat die Elektrode 12 kein Potential wird ein negativ geladenes Teilchen zur Stiftelektrode 14 hin gezogen.

Wie in Fi g. Ib gezeigt erzeugt die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 10 und 12 ein schwaches

elektrisches Feld, das seinerseits, wie durch die Pfeile 22 gezeigt, eine nach unten gerichtete Kraft erzeugt, so daß. wenn kein Potential an die Elektrode 14 gegeben wird, ein negativ geladenes Teilchen nach unten zur Elektrode 12 gezogen wird. Da das Teilchen außerdem von der Schwerkraft nach unten gezogen wird, vergrößert das durch die Pfeile 22 gezeigte elektrische Feld die nach unten gerichtete Bewegung.

In Fig. Ic ist die Kombination dieser elektrischen Felder dargestellt. Besonders das starke radiale elektrische Feld 20 wird aufrechterhalten, um das Teilchen 16 in seiner Mittenlage zu halten. Ein zusammengesetztes vertikales Feld 24 wird aus den Feldern 18 und 22 der Fig. la und Ib zusammengesetzt und ist schwächer als das durch die Pfeile 20 gezeigte Feld. Dieses schwache vertikale Feld wird benutzt, um die Schwerkraftwirkung auf das geladene Teilchen 16 auszugleichen. Daraus ist zu erkennen, daß durch die Verwendung dieser Drei-Elektroden-Anordnung und hauptsächlich durch tlie besondere Weise, mit der diese Drei-Elektroden-Anordnung gespeist wird, die auf die geladenen Teilchen wirkenden Kräfte der Schwerkraft durch ein schwaches vertikales Feld ausgeglichen werden können, während gleichzeitig ein starkes radiales Feld benutzt wird, um das geladene Teilchen in eine zentrale Stellung zu ziehen.

Die Stiftelektrode 14 kann sich auch durch die untere Elektrode anstelle der oberen Elektrode erstrecken, wobei die elektrischen Felder wieder so angeordnet werden, daß das geladene Teilchen an einer geeigneten Stelle zwischen den Elektroden gehalten wird. Außerdem braucht die Ebene der Plattenelektroden nicht senkrecht zur Schwerkraftsrichtung angeordnet sein und die Plattenelektrode kann in jeder Winkelstellung zur Schwerkraftsrichtung angeordnet werden, wobei das geladene Teilchen immer noch zwischen den Plattenelektroden gehalten wird.

F ι g. 2 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht einer Zerstreuungskammer, die eine Schwebekammer umfaßt, der die Mikroteilchen zugeführt werden, um die differenziellen Licht-Zerstreuungseigenschaften dieser Teilchen zu erfassen. Da Luftströmungen eine erhebliche Kraft auf das suspendierte Teilchen ausüben können, sind vorzugsweise alle Teile der Zerstreuungskammer gegenseitig luftdicht abgeschlossen, wie z. B. durch O-Ringe. wobei der Einlaß und Auslaß ebenfalls Einrichtungen umfaßt, die diese luftdicht gegenüber äußeren Druckschwankungen abdichten können. Die Zerstreuungskammer umfaßt eine Abdeckung 100, die einen Einlaßstutzen 102 und einen Spülstutzen 104 aufweist. Die Abdeckung sitzt auf einer Kammer 106, in die die Mikroteilchen eingeführt werden. Die Abdekkung und die Kammer werden durch einen O-Ring 107 abgedichtet. Die Grundfläche 10 der Kammer 106 bildet die in F i g. 1 gezeigte erste obere Elektrode 10. Die Stiftelektrode 14 erstreckt sich durch einen Isolierstopfen 108. der in eine Öffnung 110 der Grundfläche to eingebracht isL

Eine elektrische Verbindung 112 ist an der Außenseite der Kammer 106 befestigt, so daß über einen Draht 114 elektrisches Potential an die Stiftelektrode 14 gegeben werden kann. Die Plattenelektrode 10 und die Kammer 106 sind über die elektrische Verbindung geerdet Ein Druckdosenanschluß 116 erstreckt sich durch die Seitenwand der Kammer 106. Eine Öffnung 118 in dem isoiiersiopfer. 108 erlaubt das Hindurchtreten von Mikroteilchen aus der Kammer 106 in den Licht-Zerstreuungsbereich der Zerstreuungskammer der F i g. 2.

Der Licht-Zerstreuungsbereich wird von einem transparenten Kammerteil 120 gebildet, der einen Maskenteil 122 aufweist. Lichtenergie, wie z. B. von einem Laserstrahl, gelangt in die transparente Kammer s 120 über eine Eintrittsmaske 124. Eine Lichtfalle 126 empfängt die Lichtenergie, nachdem diese durch die transparente Kammer hindurchgegangen ist. Ein Lichtauslaß 123 kann innerhalb des Maskenteiles 122 vorgesehen sein, so daß das Innnere der Kammer mit einem Mikroskop in einer Weise beobachtet werden kann, die später noch beschrieben wird. Dieser abgedichtete Lichtaustritt ist mit einem leichten Winkel gegenüber der Achse bei einem bevorzugten Ausfühfungsbeispiel geneigt, um das Zurückreflektieren von Licht innerhalb der horizontalen Ebene zu vermeiden, in der das zerstreute Licht beobachtet wird. Die Kammer 106 und die transparente Kammer 120 sind mit einem oberen O-Ring 1JO abgedichtet.

Die l.ichtenergie schneidet sich mit jedem an einer geeigneten Stelle in der transparenten Kammer angeordneten Mikroteilchen. wenn diese in geeigneter Weise von der Eintriltsöffnung 124 her durch die transparente Kammer 120 gerichtet wird, und erzeugt eine differenzielle Lichtzerstreuung gemäß den differenziellen Licht-Zerstreuungseigenschaften des Mikroteilchens. Diese differenzielle Lichtzerstreuung kann erfaßt werden, indem das differenziell zerstreute Licht an verschiedenen Winkelpositionen durch den transparenten Teil der transparenten Kammer 120 hindurch beobachtet wird.

Die Grundfläche 132 trägt die untere Plattenelektrode 12. Die Grundfläche 132 und die transparente Kammer 120 sind mit einem unteren O-Ring 134 abgedichtet. Eine Öffnung 136 erstreckt sich durch die untere Plattenelektrode hindurch und ist mit einem Absauganschluß 138 verbunden, um die Mikroteilchen aus der Transparentkammer 120 heraussaugen zu können. Schließlich ist ein elektrischer Anschluß zur Zuführung von Potential an die untere Plattenelektrode

•to 12 durch den elektrischen Anschluß 140 gegeben, der als öffnung ausgebildet sein kann, um einen Stecker, wie z. B. einen Bananenstecker, aufzunehmen.

F i g. 3 zeigt eine typische Art. in der die in F i g. 2 gezeigte Zerstreuungskammer mit anderen Bauelementen verbunden werden kann, um Mikroteilchen in die transparente Kammer einzuführen. So kann ein Zerstäuber 200 benutzt werden, um einzelne Mikroteilchen durch eine Verbindungsleitung 202 hindurch an die Zerstreuungskammer zu geben, die mit dem Einlaßstutzen 102 verbunden ist. Der Zerstäuber 200 arbeitet in bekannter Weise und benutzt einen Vorra» von gefiltertem Gas, wie z. B. Luft, um Teile einer flüssigen Suspension von Mikroteilchen zu zerstäuben und erzeugt einen Gasstrom, der einzelne Mikroteilchen enthält Bei einem anderen Beispiel können Mikroteilchen durch hineinziehen eines Aerosols von Mikroteilchen in eine Spritze eingeführt werden, indem der Auslaß der Spritze mit der Leitung 202 verbunden wird und durch Zusammenrücken der Spritze selektiv die eingeschlossenen Mikroteilchen injiziert werdea

Wird ein Zerstäuber benutzt, so wird ein Luftvorrat über eine Leitung 204 mit einem Steuerventil 206 verbunden. Das Steuerventil 206 hat zwei Ausgänge, von denen einer über eine Leitung 204 mit einem Steuerventil 206 verbunden. Das Steuerventil 206 hat zwei Ausgänge, von denen einer über die Leitung 208 unmittelbar mit dem Spülanschluß 104 verbunden ist Ein die Luftzufuhr steuernder Schalter 210 steuert diese

von der Leitung 204 über die Leitung 208 zum Spülausgang der Zerstreuungskammer. Ein zweiter Ausgang des Steuerventils 206 ist über eine Leitung 210 mit einem Steuerventil 212 für den Zerstäuber verbunden. Der Ausgang des Zerstäuber-Steuerventils ist über eine Leitung 214 mit dem Zerstäuber 200 verbunden. Eine Druckknopfsteuerung 216 für den Zerst,>*-bef wird zur Steuerung der Luftzufuhr an den Zerstäuber 200 benutzt. Ist der Druckknopf 216 gedrückt, so wird Luft an den Zerstäuber 200 gegeben, um damit in dem Luftstrom enthaltene Mikroleilchen über die Leitung 202 an den Einlaßstutzen 102 zu geben.

Eine Druckdose 218 wird benutzt, um eine geeignete Luftmenge über die Leitung 220 an den Druckdosenanschluß 116 zu geben. Schließlich ist eine Absaugleitung 222 mit dem Absaugstutzen 138 verbunden, damit alle in der Zerstreuungskammer befindlichen Mikroteilchen abgelaugt werden können. Das Innere der Zerstreu-■inoclfammpr ic« liiftHirht vnn ipolirhen äußeren Druckschwankungen abgeschlossen und der Durchfluß durch die Zerstreuungskammer wird durch die Druckdosenanordnung 219 und den Zerstäuber 200 gesteuert.

Fig.4 zeigt das Steuerpult der erfindungsgemäßen Schwebekammer. Wie in Fig. 3 gezeigt, umfaßt das Steuerpult einen Schalter 210 für die Luftsteuerung und einen Druckknopfschalter 216 für den Zerstäuber. Zusätzlich weist das in F i g. 4 gezeigte Steuerpult einen die Polarität steuernden Knopf 224. einen die Spannung steuernden Knopf 226. einen den Schwebezustand steuernden Knopf 228, einen Knopf 230 für automatischer oder Handbetrieb, einen die Druckdose steuernden Knopf 232 und einen die Fokussierung steuernden Knopf 234 auf. Außerdem ist auf dem Steuerpult ein Okkular 236 eines Mikroskops angebracht.

Die verschiedenen Steuerknöpfe des in F i g. 4 gezeigten Steuerpults werden in der folgenden Weise benutzt:

Der die Luftzufuhr steuernde Schalter 210 bewirkt in seiner vorderen Stellung die Spülung der Zerstreuungskammer mit einem Reinigungsgas, wie z. B. gefilterter Luft. In der rückwärtigen Stellung des Schalters 210 ist das in F i g. 3 gezeigte Steuerventil 206 so verbunden, daß dem Steuerventil 212 für den Zerstäuber Luft zugeführt wird. Der den Zerstäuber steuernde Knopf 216 bewirkt im gedrückten Zustand Luftzufuhr an den Zerstäuber, um Teilchen vom Zerstäuber her in die Zerstreuungskammer zu sprühen. Der die Polarität steuernde Knopf 224 bestimmt, ob die Elektrodenspannung positiv oder negativ ist. so daß Teilchen jeder Ladungspolarität innerhalb der Zerstreuungskammer zum Schweben gebracht werden können.

Der Knopf 226 für die Spannung bestimmt die maximale Spannung, die an die Elektroden der Zerstreuungskammer gegeben wird. Der den Schwebezustand steuernde Knopf 228 legt das Eingangssignal an das Servosystem für die gewünschte Stelle des Teilchens fest Der Wahlschalter 230 kann sich jeweils in einer von zwei möglichen Stellungen befinden, je nachdem, ob der Knopf gezogen oder aber gedrückt ist Ist der Knopf 230 herausgezogen, so arbeitet die Schwebekammer im Handbetrieb. En Drehen des Knopfes 230 stellt die Spannungen für die Elektroden ein, so daß das Teilchen innerhalb der Zerstreuungskammer bewegt wird. Ist der Knopf hineingedrückt so arbeitet die Schwebekammer im automatischen Betrieb und das Servosystem der Schwebekanimcr steuert die Elektrodenspannungen, um das Teilchen innerhalb der Zerstreuungskammer in einer geeigneten Stellung zu halten.

Der die Druckdose steuernde Knopf 232 wird zum Biegen einer kleinen Druckdose benutzt, um Luft und Teilchen langsam durch die Zerstreuungskammer zu bewegen. Schließlich wird der die Fokussierung steuernde Knopf 234 zur Fokussierung des Mikroskops benutzt, so daß der Mittelpunkt der Zerstreuungskammer beobachtet werden kann.

F i g. 5 zeigt die optische Anordnung zum Beobachten des Mittelpunktes der Zerstreuungskammer und zur

ίο optischen Erfassung der Stelle des sich in der Zerstreuungskammer befindenden Teilchens. Die von dem Teilchen nahe des Mittelpunktes der Zerstreuungskammer zerstreute Lichtenergie, die durch Pfeile 300 dargestellt ist, verläßt die Zerstreuungskammer durch den Auslaß 128 und wird von einer Linse 302 auf einen Strahlungsteiler 304 fokussiert. Ein Teil der Lichtenergie gelangt über den Strahlungsteiler 304 auf einen Diagonalspiegel 306. Ein zweiter Teil der Lichtenergie wird von dem Strahlenteiler 304 auf einen Beobachtungsspiegel 310 reflektiert und kann durch ein Mikroskop 308 beobachtet werden. Ist das Okkular 236 des Mikroskops 308 geeignet eingestellt, kann der Mittelteil der Zerstreuungskammer beobachtet werden.

Die auf dem Diagonalspiegel 306 auftreffende Lichtenergie wird nach oben auf einen zweiten Diagonalspiegel 312 gerichtet. Ein Teil der Lichtenergie wird von dem zweiten Diagonalspiegel 312 auf einen ersten Photovervielfacher 314 gegeben. Zusätzlich wird ein Teil der Lichtenergie vom Diagonalspiegel 306 über den zweiten Diagonalspiegel 312 zum Auftreffen auf einen zweiten Photovervielfacher 316 gebracht. Die Kombination der zwei Photovervielfacher 314 und 316 mit dem zweiten Diagonalspiegel 312 kann zur optischen Erfassung der vertikalen Lage des Teilchens innerhalb der Zerstreuungskammer benutzt werden.

Befinden sich z. B. in der Zerstreuungskammer keine Teilchen im Weg des Laserstrahls, so wird keine Lichtenergie aus dem Auslaß 128 zerstreut und es gelangt auch keine Lichtenergie auf den Diagonalspiegel 306. Befindet sich ein Teilchen im Weg des Laserstrahls innerhalb der Zerstreuungskammer, dann bestimmt die Stelle dieses Teilchens die Intensitätsverteilung des zerstreuten Lichts, das durch den Auslaß hinausgelangt, welches seinerseits die Menge der Lichtenergie bestimmt, die von jedem der beiden Photovervielfacher 314 und 316 empfangen wird. In dieser Weise bestimmt die vertikale Stelle des Teichens das relative Ausgangssignal der Photovervielfacher 314 und 316.

Fig.6 zeigt die Arbeitsweise des automatischen Servosystems der Schwebekammer, mit der das Mikroteilchen innerhalb der Zerstreuungskammer in einer geeigneten Stellung gehalten wird. In F i g. 6 ist die die drei Elektroden umfassende erfindungsgemäße Schwebekammer, die die parallelen Plattenelektroden 10 und 12 und die Stiftelektrode 14 aufweist, mit geerdeter Plattenelektrode 10 und mit an Spannung liegenden Elektroden 12 und 14 dargestellt Ein Laserstrahl gibt Lichtenergie an die Zerstreuungskammer und ein zerstreuter Teil der Lichtenergie wird gegen den Spiegel 312 gerichtet Das zerstreute Licht trifft auf die Kante des Spiegels 312. der dieses zerstreute Licht auf die beiden Photovervielfacherröhren 314 und 3t6 aufteilt Die Intensität des von den beiden Photovervielfacherröhren 314 und 316 aufgenommenen Lichts ist gleich, wenn sich das Teilchen innerhalb der Zerstreuungskammer an der geeigneten Stelle befindet

Das Ausgangssignal der Photovervielfacher 314 und 316 wird an ein Paar abgeglichener logarithmischer Verstärker 350 und 352 gegeben, die den Ausgangsstrom der Photovervielfacher auf eine Spannung umformen, die dem Logarithmus des Ausgangsstromes der Photovervielfacher proportional ist.

Die Benutzung logarithmischer Verstärker hält eine konstante Servoverstärkung aufrecht und ermöglicht eine stabile Regelung über einen großen Bereich von Teilchen, Die Schwebesteuerung 228 wird eingestellt, um gleiche Verstärkung für gleiche Signale in den Verstärkern 350 und 352 zu bewirken. Die Ausgangssignale der Verstärker 350 und 352 werden an eine Differenzschaltung 354 gegeben und die Differenz zwischen den beiden Spannungen wird von einem Trennverstärker 356 verstärkt und an einen Abtast- und Haltekreis 358 gegeben, dessen Ausgangssignal wird von einem One-shot-Multivibrator 360 gesteuert, der seinerseits einen Schalter 362 steuert. Da ein pulsierenuCr ΐ-,α3€Γ ΐΐΐ CinCiM i/CVGmjgtCn muSiüiirUiigSuCfSpiCi benutzt wird, steuern die Ausgangssignale der Verstärker 350 und 352 den Multivibrator 360. Wird ein kontinuierlich strahlender Laser benutzt, so kann der Abtast- und Haltekreis fortgelassen werden oder durch einen den Mittelwert bildenden Schaltkreis ersetzt werden.

Der Wahlschalter 230(a) der ein einen Widerstand steuernden Teil des in Fig.4 gezeigten Wahlschalters 230 ist, wird zur Steuerung eines Eingangssignals an den Trennverstärker 364 benutzt. Zusätzlich kann der Wählschalter 230 in einer Handbetrieb oder automatischen Betrieb angebenden Stellung sein, was durch den Schalterteil 23Q(b) des Wahlschalters bestimmt wird. Handbetrieb liegt vor, wenn der Schalter 2306 geschlossen ist, wodurch der Multivibrator 360 den Schalter 362 in der geöffneten Stellung hält. Zu dieser Zeit bestimmt allein der Schaltertei! 230^ die an die Elektroden der Schwebekammer gegebenen Spannungen. Befindet sich der Schalterteil 2306 in der geöffneten Stellung, so arbeitet das Servosystem automatisch. Bei dieser Stellung werden von der Differenzschaltung 354 an den Abtast- und Haltekreis 358 Signale gegeben, so daß dessen Ausgangssig.ial das auf die jeweilige Stelle des Teilchens bezogene Fehlersignal ist.

Wie vorstehend erläutert, wird das Ausgangssignal des Abtast- und Haltekreises 358 an den Trennverstärker 364 gegeben und von diesem an ein Paar von Gleichspannungsumformern 366 und 368. Das maximale Ausgangssignal der Gleichspannungsumformer 366 und 368 wird von der Spannungssteuerung 226 her eingestellt, jedoch stellen die unter dem maximalen Wert liegenden Ausgangssignale der Gleichspannungsumformer Steuersignale dar, die über den Polaritätsschalter 224 an die Elektroden 12 und 14 gegeben werden, um das Teilchen an der geeigneten Stelle innerhalb der Zerstreuungskammer zu halten.

Die Arbeitsweise der Schwebekammer zum Isolieren und Einstellen eines einzelnen Teilchens innerhalb des Laserstrahls mit den in den Fig.2 bis 5 gezeigten Anordnungen ist die folgende:

Zuerst wird der Zerstäuber 200 mit einer Suspension von zu untersuchenden Mikroteilchen gefüllt und die Verbindungsleitungen werden in der in F i g. 3 gezeigten Weise mit der Zerstreuungskammer verbunden. Die verschiedenen elektrischen Speisequellen werden mit der Gesamtanordnung verbunden, so daß ein Laser oder eine andere Lichtquelle und auch die Elektroden der Schwebekammer gespeist werden. Anfangs kann der Polaritätsschalter 224 in die positive Stellung gestellt werden. Die Soannungssteuerung 226 wird auf 0 V eingestellt, was gewöhnlich die voll gegen den Uhrzeigersinn gedrehte Stellung ist. Der Wahlschalter ι 230 befindet sich in der Handbetriebsstellung und ist ebenfalls gegen den Uhrzeigersinn gedreht, was gewöhnlich bedeutet, daß das Teilchen nach unten gezogen wird. Um die Zerstreuungskammer zu reinigen, wird der die Luftzufuhr steuernde Schalter 210 nach

ίο vorn geschaltet, um die Zerstreuungskammer mit reiner Luft zu spülen. Dieses kann über das Okular 236 des Mikroskops 308 beobachtet werden und wird solange durchgeführt, bis keine durch den Laserstrahl hindurchgehenden Teilchen mehr beobachtet werden können.

Danach wird der Schalter 210 in seine rückwärtige Stellung zurückgeschaltet, um damit den Zerstäuber 200 anzuschließen. Der Knopf 216 für den Zerstäuber ka-n dann einige Male kurz gedrückt werden, bis beobachtet werden kann, daß bei jedem Drücken des Knopfes 216

Nun kann der Knopf 232 für die Druckdose zurück- und vorbewegt werden, um die Teilchen langsam durch den Laserstrahl zu bewegen. Die größeren Teilchen können leicht gesehen werden und für die kleineren Teilchen erscheinen Brechungsbilder der Teilchen als scharf definierte konzentrische Ringe in dem Mikroskop. Der Fokussierungsknopf 234 wird zur Einstellung der maximalen Schärfe benutzt.

Befindet sich im Beobachtungsfeld des Mikroskopes ein helles Bild, das ein Teilchen darstellt, so kann die Spannungssteuerung 226 in Abhängigkeit von der Spannungssteuerung 226 bewegt. Die Bewegung des Teilchens sollte nach unten gerichtet sein. Ist die Bewegung nicht nach unten gerichtet, so bedeutet dieses, daß die Polarität des Teilchens umgekehrt ist und die Polaritätssteuerung 224 muß in ihre negative Stellung umgeschaltet werden. Der Wahlschalter 230 kann bewegt werden, um die Abwärtsbewegung des Teilchens zu beenden und das Teilchen zurück in den

■to Mittelpunkt des Gesichtsfeldes des Mikroskopes zu bringen. Sowohl die Spannungssteuerung als auch die Positionssteuerung des Wahlschalters ^50 können gleichzeitig betätigt werden, um die Bewegung des Teilchens zu beeenden. bevor es das Gesichtsfeld

■45 verläßt.

Wurde das Teilchen aus dem Gesichtsfeld verloren, dann wird die Spannungs- und Positionssteuerung in ihre 0-Stellungen zurückgestellt und der Knopf für den Zerstäuber erneut betätigt, um neue Teilchen in das

so Gesichtsfeld zu bringen. Da die Teilchen unterschiedliche Polaritäten haben können, ist es wichtig, daß die Polaritätssteuerung wieder zurückgeschaltet wird, damit das Teilchen eine Abwärtsbewegung ausführen kann. Die Positionierung des Teilchens kann dann durch gleichzeitige Betätigung der Polaritäts- und Posttionssteuerung anstelle der Spannungs- und Positionssteuening durchgeführt werden.

Wurde ein Teilchen im Zentrum des Gesichtsfeldes positoniert, und bleibt dort nahezu unbeweglich, dann wird der Wählschalter 230 umgeschaltet, so daß die Schwebekammer auf automatischen Betrieb geschaltet ist Dieses bewirkt, daß die in Fig.6 gezeigte automatische Servosteuerung das Teilchen fest innerhalb des Lichtstrahles hält Die Spannungssteuerung 226 kann voll aufgedreht werden, um eine m-iximale automatische Servosteuerung für die Lage des Teilchens in der Schwebekammer zu erreichen.

Die Schwebekammer stellt eine einfache Anordnung

dar, mit der ein Mikroteilchen innerhalb eines Lichtstrahls, wie z. B. eines Lasei Strahls positioniert und automatisch in dieser Stellung gehalten werden kann. Die Schweoekammer weist ein Paar paralleler Plattenelektroden und eine dritte Elektrode auf, die sich durch eine dieser Plattenelektroden isoliert von dieser hindurch erstreckt. Die parallelen Plattenelektroden erzeugen ein elektrisches Feld, das das Teilchen nach unten zieht und damit die Schwerkraft unterstützt, während die Stiftelektrode ein elektrisches Feld erzeugt, das das Teilchen nach oben zieht und d'= abwärtsgerichteten Kräfte ausgleicht und außerdem das Teilchen in die Mittellage zieht. Diese Anordnung ermöglicht es, daß ein relativ starkes elektrisches Feld benutzt werden kann, um das Teilchen in die Mittellage zu ziehen. Die Beibehaltung der Lage des Teilchens kann automatisch gesteuert werden, wobei ein optischer Detektor in Verbindung mit einem Servosystem benutzt wird.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schwebekammer zum Suspendieren geladener Teilchen mit einem Paar paralleler Plattenelektroden, wobei eine der Plattenelektroden in eine zweite und eine diese konzentrisch umgebende, von der zweiten isoliert angeordnete dritte Elektrode unterteilt ist und durch Anlegen von elektrischen Potentialen an die Elektroden elektrische Felder zwischen den Plattenelektroden einerseits und der zweiten und dritten Elektrode, um die Teilchen in einer zu der zweiten Elektrode zentrierten Stellung zu halten, andererseits erzeugbar sind, wobei an die dritte Elektrode und die andere Plattenelektrode unterschiedliche Potentiale zur Erzeugung eines ersten elektrischen Feldes in einer ersten Richtung anlegbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode als eine Stiftelektrode (14) ausgebildet ist, die sich durch die dritte Elektrode (10) hindurc' über diese hinaus erstreckt, und daß an die Stiftelek erode (14) ein drittes Potential zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Feldes (18) zwischen der Stiftelektrode (14) und der anderen Plattenelektrode (12) in einer zweiten zu der ersten Richtung des ersten elektrischen Feldes (22) entgegengesetzten Richtung, um die Teilchen in der Schwebe zu halten, und zur Erzeugung eines dritten radialen elektrischen Feldes (20) zwischen der Stiftelektrode (14) und der dritten Elektrode (10), anlegbar ist.

2. Schweb^kimmer nach Anspruch 1. gekennzeichnet durch eine Einrichtung (314, 316, 350, 352, 354) zur Erfassung oer La_oe eines geladenen Teilchens, das sich zwischen den Elektroden (10, 12) befindet, mit der ein Fehlersignt erzeugbar ist, das die Differenz zwischen der tatsächlichen Lage des geladenen Teilchens und einer gewünschten Lage darstellt, und mit der das an die Elektroden (10, 12, 14) gegebene Potential verstellbar ist, um auch die Lage des Teilchens zu ändern.

3. Schwebekammer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erfassung der Lage eines geladenen Teilchens eine Lichtquelle zur Erzeugung eines auf das /u erfassende Teilchen gerichteten gebündelten Lichtstrahls, eine im Winkel zu diesem Lichtstrahl angeordnete Beobachtungskammer mit einem ersten elektrooptischen Wandler zur Aufnahme von von dem Tröpfchen reflektiertem Licht, und einem mit seiner Kante in den Lichtweg des reflektierten Lichts vorstehenden Spiegel (312), durch den reflektiertes Licht zu einem zweiten elektrooptischen Wandler (314) umlenkbar ist und mit einem mit dem ersten und zweiten elektrooptischen Wandler verbundenen Vergleicher (354) zur Bildung eines als Fehlersignal dienendes Differenz-

s. umfaßt.