DE3925148C2 - Teilchenzähler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Teilchenzähler zur Bestimmung einer Konzentrati­ on (Quantität) und einer Teilchengrößeverteilung von kleinen Teilchen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Teilchen können organische Substanzen, Staubkörner, Bakterien oder ähnliches sein, die in einem Fluid enthalten sind, wie beispielsweise in ultrarei­ nem Wasser. Ultrareines Wasser wird zum Waschen von Wafern oder ähnlichem benötigt, beispielsweise bei der Herstellung von Halbleitern. Ferner werden Teil­ chenzähler bei der Überwachung der Luftreinheit in staubfreien Räumen verwen­ det.

Insbesondere betrifft die Erfindung einen Teilchenzähler, der eine Bestrah­ lungsoptik enthält zur Bestrahlung eines zentralen Bereichs eines zu messenden Fluids, das mit einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit fließt. An diesem zentralen Bereich oder an dieser zentralen Position ist die Strömungsgeschwin­ digkeitsverteilung möglichst gleichmäßig. Die Bestrahlung erfolgt mittels Laser­ strahlen, die im rechten Winkel auf die Strömungsrichtung des zu messenden Flu­ ids auftreffen. Des weiteren enthält der Teilchenzähler eine Detektor- oder Erfas­ sungsoptik zur Erfassung des Streulichts der Laserstrahlen, das aufgrund der in dem zu messenden Fluid enthaltenen kleinen Teilchen entsteht.

Ein derartiger, intern bekannter Teilchenzähler ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Ein Fluid S, dessen Partikelgehalt gemessen werden soll, wird mittels einer Düse 1 durch eine Durchflußzelle oder Durchflußmeßzelle geleitet. Eine Bestrahlungs­ optik a dient zur Bestrahlung eines zentralen Bereichs oder Teils, an dem eine möglichst gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung vorliegt. Die Bestrahlungs­ optik a bestrahlt das zu messende Fluid S mit Laserstrahlen L in einer zweiten Richtung (des weiteren als y-Richtung bezeichnet), die mit einer ersten Richtung, der Strömungsrichtung (des weiteren als z-Richtung bezeichnet) des zu messen­ den Fluids S einen rechten Winkel bildet. Eine Detektor- oder Erfassungsoptik b zur Erfassung des Streulichts L′ der Laserstrahlen L, das aufgrund der im zu mes­ senden Fluid S enthaltenen Teilchen entsteht, ist an einer Seite der z-Richtung vorhanden zur Messung einer Konzentration und einer Partikel- oder Teilchengrößeverteilung.

Die Bestrahlungsoptik a enthält beispielsweise eine Zylinderlinse 2 zur Abände­ rung der Laserstrahlen L in flache Strahlen mit der geringen Länge in der z- Richtung und der größeren Länge in einer dritten Richtung, die des weiteren als x- Richtung bezeichnet wird und sowohl zur z- als auch zur y-Richtung senkrecht steht. Die Detektoroptik b enthält Linsen 3 und eine mit einem Spalt 4′ versehene Schlitzblende 5′ zur Begrenzung eines Erfassungsbereichs r durch Begrenzen des Streulichts L′ in der y-Richtung und der x-Richtung an einer Position, an der das Realbild gebildet wird.

Bei einem derartigen Teilchenzähler ist es zur Erzielung eines gewünschten Auf­ lösungsgrads (insbesondere des Auflösungsgrads der Teilchengrößen) notwendig, die Messung in einem Bereich durchzuführen, in dem die Intensität der Laser­ strahlen L so gleichmäßig wie möglich ist (im Bereich des Maximums in der Mitte der Gaußschen Verteilung in der x-Richtung, wie in Fig. 5 mit gekreuzter Schraffur dargestellt), so daß die Detektoroptik b mit einer Schlitzblende 5′ mit einem äu­ ßerst schmalen Spalt 4′ versehen sein muß zur Begrenzung des Erfassungsbe­ reichs r nicht nur in Bestrahlungsrichtung der Laserstrahlen L (y-Richtung) son­ dern auch in dazu senkrechter Richtung (x-Richtung), wodurch die Strahlen aus­ reichend eng begrenzt werden (siehe Fig. 6) und das Streulicht L′ von einer in Fließ­ richtung (z-Richtung) des zu messenden Fluids S liegenden Seite aus erfaßt werden muß, die Detektoroptik b also innerhalb der Strömungsrichtung angeordnet sein muß.

Dies hat mehrere Nachteile:

• A. Da das einfallende Streulicht L′ durch die Schlitzblende 5′ begrenzt wird (siehe Fig. 6), wird ein äußerer Randbereich eines Bildes I, das für die Aberration der De­ tektoroptik b notwendig ist, von allen Umfangslinien des Spalts 4′ abgeschnitten, wodurch der Auflösungsgrad vermindert und beträchtlich kleiner ist und infolge­ dessen die Aberration stark reduziert werden muß, beispielsweise durch eine Aberrationskompensation in der Detektoroptik b. Dies hat erhöhte Herstel­ lungskosten zur Folge.
• B. Des weiteren führt die geringste Änderung des Brechungsindex des zu messen­ den Fluids S zu einer Veränderung des Brennpunktes innerhalb der Schlitzblende 5′, wodurch ein zusätzliches Abschneiden der äußeren Kanten des Bildes I durch die Umfangslinien des Spaltes 4′ hinzukommt, so daß die Schlitzblende 5′ zur Regulierung des Brennpunktes bzw. Fokus bewegt werden muß, wodurch der Auf­ lösungsgrad des weiteren reduziert ist. Demzufolge ist beispielsweise eine speziel­ le Feinjustierung für den Fokus vorhanden zum präzisen Bewegen der Schlitzblende 5′ in Abhängigkeit von der Änderung des Brechungsindex des zu messenden Fluids S. Dies führt zu einer komplizierten Konstruktion der Detek­ toroptik b und zu erhöhten Herstellungskosten.
• C. Zur Sicherstellung des Auflösungsgrads muß die Aberration der Detektorop­ tik b wie unter A. beschrieben reduziert werden. In diesem Fall ist es aber schwie­ rig, die Öffnung des Spaltes 4′ zu vergrößern. Dadurch kann die Menge des empfan­ genen Streulichts L′ nur reduziert werden, wodurch das Signal-Rausch-Verhält­ nis (S/N) verschlechtert ist.
• D. Da es notwendig ist, die Detektoroptik b in der Strömungsrichtung (z-Rich­ tung) des zu messenden Fluids S vorzusehen, muß der Durchfluß stromab von der Durchflußzelle als Meßteil gekrümmt sein, oder es muß eine verwirbelte Strö­ mung verwendet werden, so daß die Konstruktion kompliziert ist und größere Abmessungen aufweist und des weiteren die Steuerung der Fließgeschwindigkeit erschwert wird.

Ein Teilchenzähler gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus einem Artikel von K. Borho bekannt, erschienen unter dem Titel "Ein Streulichtmeßgerät für hohe Staubkonzentrationen" in Staub-Reinhalt. Luft 30 (1970), Nr. 11, S. 479-483. Das bekannte Gerät nutzt eine Hg-Höchstdrucklampe als Lichtquelle, deren Licht durch eine Linsenanordnung und eine Rechteckblende auf ein sehr kleines Meßvolumen abgebildet wird. Das sehr kleine Meßvolumen ist erforderlich, da mit dem bekannten Gerät sehr hohe Staubkonzentrationen gemessen werden sollen, es aber erforderlich ist, daß im wesentlichen jedes Teilchen getrennt vom anderen erfaßt werden kann, insbesondere, um aus den unterschiedlichen Streuintensitäten die Größenverteilung der Teilchen bestimmen zu können.

Demgegenüber betrifft die Erfindung, wie eingangs genannt, einen Teilchenzähler zum Untersuchen von ultrareinem Wasser oder von Luft in staubfreien Räumen. Bei einem derartigen Teilchenzähler ist ein relativ großes Meßvolumen erwünscht, um überhaupt mit ausreichender Häufigkeit Teilchen erfassen zu können. Wird das Meßvolumen vergrößert, ergibt sich allerdings das Problem mit Variation der Intensität des Beleuchtungslichts über das Probenvolumen, was unerwünscht ist, da ja dann die Streulichtintensität nicht nur von der Größe eines Teilchens, sondern auch seinem Ort im Meßvolumen abhängt. Um trotz großem beleuchteten Volumen auf ein Volumen mit im wesentlichen gleichmäßiger Lichtintensitätsverteilung zu schauen, wird beim eingangs beschriebenen bekannten Teilchenzähler gemäß Fig. 4 ein langgestreckter, schmaler Bereich des flachen Laserstrahls in Strömungsrichtung des Fluids betrachtet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Teilchenzähler mit relativ großem beleuchteten Fluidvolumen anzugeben, der so aufgebaut ist, daß trotz des relativ großen beleuchteten Volumens ein zufriedenstellender Auflösungsgrad für die Teilchengröße erzielt werden kann.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Für den erfindungsgemäßen Teilchenzähler ist von entscheidender Bedeutung, daß für die Beleuchtung des Meßvolumens ein flacher Laserstrahl verwendet wird, der durch eine Strahlformungseinrichtung so geformt wird, daß seine Lichtintensitätsverteilung im wesentlichen einer Rechteckverteilung entspricht. Dies führt zu einer relativ homogenen Intensitätsverteilung im gesamten Meßvolumen, was es ermöglicht, daß Meßvolumen aus einer Richtung zu betrachten, die im wesentlichen rechtwinklig zur Strömungsrichtung des Fluids und der optischen Achse der Bestrahlungsoptik steht. Dadurch kann das Fluid gleichmäßig strömen, ohne daß es dabei durch die Detektoroptik behindert wird. Die genannte Ausbildung der Bestrahlungsoptik ermöglicht es darüber hinaus, daß die Detektorblende das empfangene Streulicht im wesentlichen nur in Richtung der optischen Achse der Bestrahlungsoptik begrenzen muß. Dadurch kann das im großen Meßvolumen gestreute Licht mit hohem Wirkungsgrad genutzt werden.

Eine Lichtintensitätsverteilung des Beleuchtungslichts, die im wesentlichen einer Rechteckverteilung entspricht, läßt sich mit Hilfe einer Blende erzielen, die den flachen beleuchtenden Laserstrahl nur in Richtung der Achse der Detektoreinrichtung begrenzt. Bessere Annäherungen an die Rechteckverteilung sind jedoch mit Hilfe eines Raumfilters (space filter) oder einer weich abbildenden Blende (soft aperture) erzielbar.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Be­ schreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Es zeigt

Fig. 1 in Perspektivdarstellung die wesentlichen Teile eines Teilchenzäh­ lers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 2 die Lichtintensitätsverteilung von Laserstrahlen, die den Erfassungs­ bereich bestrahlen;

Fig. 3 eine vergrößerte schematische Vorderansicht der Schlitzblende der Detektoroptik;

Fig. 4 eine Perspektivdarstellung der wesentlichen Teile eines bekannten Teilchenzählers;

Fig. 5 die Verteilung der integrierten Werte (diejenigen Werte, die in Fließ­ richtung des zu messenden Fluids integriert sind) der Photointensität der Laserstrahlen, die den Erfassungsbereich des bekannten (Fig. 4) Teilchenzählers bestrahlen; und

Fig. 6 eine vergrößerte Vorderansicht der Schlitzblende in der Detektor­ optik des bekannten Teilchenzählers.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen wird eine bevorzugte Ausführungsform des Teilchenzählers näher beschrieben.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird ein zu messendes Fluid S in eine nicht dargestellte Durchflußzelle oder Durchflußmeßzelle mittels einer Düse 1 mit einer bestimm­ ten Fließ- bzw. Strömungsgeschwindigkeit eingegeben. Derjenige zentrale Be­ reich des zu messenden Fluids S, an dem die Strömungsgeschwindigkeits­ verteilung so gleichmäßig wie möglich ist, wird als Erfassungsbereich R ausge­ wählt. Ferner ist eine Bestrahlungsoptik A vorhanden zur Bestrahlung des Erfas­ sungsbereichs R mit Laserstrahlen L (zum Beispiel Helium-Neonlaser, Argonla­ ser oder Helium-Cadmiumlaser) von der Seite aus in einer zweiten Richtung (des weiteren als y-Richtung bezeichnet), die senkrecht auf einer ersten Richtung, der Fließrichtung (des weiteren als z-Richtung bezeichnet) des zu messenden Fluids S steht. Es sei darauf hingewiesen, daß es sich bei den genannten Winkeln auch um annähernd rechte Winkel handeln kann. Ferner ist eine Detektoroptik B vor­ handen zur Erfassung des aufgrund der im zu messenden Fluid S enthaltenen Teilchen entstehenden Streulichts L′ der Laserstrahlen L von der Seite aus in ei­ ner dritten Richtung (des weiteren als x-Richtung bezeichnet), die senkrecht auf der z- und auf der y-Richtung steht, zur Messung der Konzentration und der Teil­ chengrößeverteilung der Teilchen.

Die Bestrahlungsoptik weist beispielsweise eine Zylinderlinse 2 auf zur Abände­ rung der Laserstrahlen L in flache Strahlen (kurz in z-Richtung und lang in x- Richtung). Der Zylinderlinse 2 nachgeschaltet ist eine Einrichtung 6 zur Lichtin­ tensitätskompensation zur Abwandlung der Verteilung der integrierten Werte der Lichtintensität in der x-Richtung (Werte, die in der z-Richtung integriert sind) in eine Verteilung, die annähernd einer Rechteckfunktion entspricht (beispiels­ weise durch Abschneiden beider Endteile der Gaußschen Verteilung mittels des Spalts oder Umwandlung der Verteilung der integrierten Werte der Lichtintensität in eine rechteckförmige als ganzes durch Verwendung von Strahlenformeinstell­ mitteln, wie Raumfilter (space filter) und weich abbildende Blenden (soft apertu­ re)). Diese Einrichtung 6 ist zwischen der Zylinderlinse 2 und dem Erfassungsbe­ reich R angeordnet, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Die Detektoroptik B enthält Linsen 3 und eine mit einem Spalt 4 versehene Schlitzblende 5. Der Spalt 4 ist in der in Fig. 1 mit z′ bezeichneten Richtung, die auf der y-Richtung senkrecht steht, groß genug. Der beschriebene Winkel kann ebenfalls ein annähernd rechter Winkel sein. Das bedeutet, daß die vergrößerte Weite den Erfassungsbereich R in Bestrahlungsrichtung (y-Richtung) der Laserstrahlen L begrenzt, aber nicht den Erfassungsbereich R in dazu senkrechter Richtung der Laserstrahlen L beim Ab­ bildungspunkt (derjenige Punkt bzw. Position, an der das Realbild abgebildet wird) begrenzt, wodurch der Lichteinfall des Streulichts L′ lediglich in der y-Rich­ tung begrenzt wird (siehe Fig. 3). Dadurch wird der Erfassungsbereich R so groß wie möglich, und es wird das Abschneiden des in der Schlitzblende 5 abgebildeten Bil­ des I durch die Umfangsbereiche des Spaltes 4 in Bestrahlungsrichtung (y-Rich­ tung) der Laserstrahlen L verhindert. Dieses senkt spürbar den Einfluß der Aber­ ration und der Verschiebung des Brennpunktes in der Detektoroptik B im Ver­ gleich mit bekannten Teilchenzählern.

In der dargestellten Ausführungsform des Teilchenzählers ist die Detektoroptik B nicht innerhalb der z-Richtung, wie in bekannten Teilchenzählern angeordnet, sondern seitlich in der x-Richtung, so daß es nicht notwendig ist, den stromab von der Durchflußzelle vorhandenen Durchlaß zu krümmen, oder eine verwirbelte Strömung zu verwenden, wie es bei bekannten Teilchenzählern der Fall ist. Bei bekannten Teilchenzählern ist die Durchflußzelle, die der Meßbereich ist, sehr groß, wenn die verwirbelte Strömung verwendet wird.

Wie aus der Beschreibung entnehmbar, hat der Teilchenzähler derartige Kon­ struktionsmerkmale, daß die Bestrahlungsoptik eine Einrichtung zur Lichtin­ tensitätskompensation aufweist zur Abwandlung der Verteilung der integrierten Werte der Lichtintensität in einer Richtung, die senkrecht steht auf der Fließrich­ tung der Laserstrahlen, in eine rechteckförmige Verteilung. Ferner weist die De­ tektoroptik eine Schlitzblende auf mit einem Spalt, dessen Breite in Richtung senkrecht zur Bestrahlungsrichtung der Laserstrahlen am Abbildungspunkt groß genug ist, so daß die Einflüsse der Aberration und der Verschiebung des Brennpunkts reduziert werden können im Vergleich mit bekannten Teilchen­ zählern. Von besonderem Vorteil ist es, daß die Detektoroptik außerhalb der Strömung und der Strömungsrichtung an jeder beliebigen Position angeordnet werden kann. Dies vereinfacht die Konstruktion des Teilchenzählers und redu­ ziert seine Außenabmessungen.

Claims (4)

1. Teilchenzähler mit

• - einer Strömungs-Erzeugungseinrichtung (1) zum Erzeugen eines Fluidstroms in einer ersten Richtung;
• - einer Bestrahlungsoptik mit einer Lichtquelle, einer Linsenanordnung (2) und einer Strahlformungseinrichtung (6) zum Erzeugen eines Beleuchtungs-Lichtstrahls (L) in einer zweiten Richtung, die rechtwinklig zur ersten Richtung steht und die so ausgebildet ist, daß sie für eine Lichtintensitätsverteilung sorgt, die einer Rechteckverteilung entspricht; und
• - einer Detektoroptik mit einer Detektorblende (5), wobei die optische Achse der Detektoroptik in einer dritten Richtung steht, die rechtwinklig zur ersten und zweiten Richtung ist;
  dadurch gekennzeichnet, daß
• - die Lichtquelle ein Laser ist;
• - die Linsenanordnung (2) so ausgebildet ist, daß sie die Ausdehnung des Laserstrahls (L) in der dritten Richtung erhöht und in der ersten Richtung verkleinert; und
• - die Detektorblende (5) so ausgebildet ist, daß sie das empfangene Streulicht nur in der zweiten Richtung begrenzt.

2. Teilchenzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformungseinrichtung eine Blende (6) ist, die so ausgebildet und angeordnet ist, daß sie die Ausdehnung des durch die Linsenanordnung (2) abgeflachten Laserstrahls (L) nur in der dritten Richtung beschneidet.

3. Teilchenzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformungseinrichtung (6) ein Raumfilter ist.

4. Teilchenzähler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlformungseinrichtung (6) eine weich abbildende Blende ist.