-
Bezugsanmeldung
-
Diese
Anmeldung ist eine „continuation-in-part" der Anmeldung mit
der Seriennummer 08/007 958, die am 22. Januar 1993 angemeldet und
dann fallen gelassen wurde.
-
Erfindungsgebiet
-
Diese
Erfindung betrifft generell die Luftqualität und insbesondere Vorrichtungen
zur Analyse von in der Luft vorhandenen Teilchen.
-
Erfindungshintergrund
-
Teilchenzähler und
-sensoren werden dazu verwendet, das Licht zu untersuchen, das durch
in einem Fluidstrom, d. h. in einem Luftstrom, mitgeführte Teilchen
gestreut wird. Solche Zähler
und Sensoren ziehen die Luft (mit den mitgeführten Teilchen) beispielsweise
aus einem Raum und lassen diese Luft durch ein Rohr und durch einen
beleuchteten Sensor, dem „Prüfvolumen", strömen, um
eine Information über
die Anzahl und die Größe dieser
Teilchen zu gewinnen. Diese Information ergibt sich aus einer Analyse
von sehr kleinen Mengen Licht, das durch die Teilchen gestreut wird,
wenn das Licht durch das Prüfvolumen
hindurchgeht.
-
Einige
Sensortypen lassen diese Luft längs
eines geschlossenen, durchsichtigen Rohrs strömen; andere „projizieren" die Luft und die
mitgeführten
Teilchen mit einer besonderen Strömungsgeschwindigkeit (oft in
Kubikfuß pro
Minute gemessen) von einem Rohr über
einen offenen Raum zu einem anderem Rohr. Bei Sensoren des letztgenannten
Typs gibt es keine Rohrwand (doch kann diese Rohrwand durchsichtig
sein), um die Lichtstreuung und -sammlung zu verringern. Mit anderen
Worten wird das Teilchen von einem Lichtstrahl mit sehr kleinem
Durchmesser kurz beleuchtet, wenn es durch einen offenen Raum „fliegt".
-
Unter
anderen Anwendungen werden Teilchensensoren aufweisende Teilchenzähler dazu
verwendet, ein Maß für die Luftqualität dadurch
zu gewinnen, dass eine Information über die Anzahl und die Größe der Teilchen
vorgesehen wird, die in einem besonderen Luftvolumen, beispielsweise
in einem Kubikmeter Luft, vorhanden ist. Sogar Arbeitsumgebungen,
die für
die menschliche Beobachtung als sauber erscheinen, beispielsweise
Geschäftsräume, Herstellungsanlagen
usw., weisen höchstwahrscheinlich
eine wesentliche Anzahl von mikroskopisch kleinen, in der Luft enthaltenen
Teilchen auf. Während
diese Teilchen gewöhnlich
für die
Berufstätigen
nicht störend
sind, können
sie doch wesentliche Probleme bei bestimmten Arten von Herstellungsvorgängen hervorrufen.
-
Beispielsweise
werden Halbleiter und integrierte Schaltungen in so genannten „Reinräumen" hergestellt, in
denen die Luft sehr gut gefiltert ist. Diese Reinräume werden
gewöhnlich
unter sehr leichten Druck gesetzt, wobei extrem reine Luft verwendet
wird, so dass die teilchenreiche Luft aus der Umgebung nicht einsickert.
Der Trend in der Industrie zur Herstellung von Halbleitern und integrierten
Schaltungen läuft
ferner in Richtung fortschreitend kleinerer Produkte. Ein kleines
Fremdteilchen, das in einem solchen Produkt während der Herstellung einwandert,
kann einen vorzeitigen Fehler oder einen gänzlichen Produktausschuss verursachen,
bevor dieses Produkt überhaupt
einem Kunden zugestellt wird. Diese fortdauernde „Miniaturisierung" erfordert entsprechende
Verbesserungen der Reinraum-Umgebungen (und der betreffenden Messgeräte), um dabei
zu helfen, dass die Anzahl und Größe der aus der Luft stammenden
Teilchen unter ein vorher annehmbares Niveau vermindert werden können. Die
bekannten Teilchenzähler
und -sensoren sind bisher in dieser Hinsicht nicht sehr erfolgreich
gewesen.
-
Das
US-Patent 5 043 591 mit
den Erfindern Ludlow et al. offenbart einen tragbaren Teilchenanalysator, der
die Größe, Geometrie
und die Teilchenanzahl in einem Testfluid bestimmt. In diesem Patent
verhindert ein Laserstrahl das Strömen eines Fluids am ersten
Brennpunkt eines Parabolspiegels. Das Licht wird gestreut und mittels
Strahlungskollektoren eingefangen, und die unter kleinen Winkeln
gestreute Strahlung wird in einer zweiten Kammer durch eine Reflexion
mittels eines elliptischen Spiegels in Richtung auf einen Strahlungskollektor
festgestellt. Fotovervielfachereinheiten wandeln die gesammelte
Strahlung in elektrische Signale für die Analyse um.
-
Das
US-Patent 4 606 636 (Monin
et al.) beschreibt eine Teilchenanalysevorrichtung, in die ein Teilchen in
ein von einem Rohr eingeschlossenen „Sichtvolumen" oder „Prüfvolumen" geführt wird.
Ein Parabolreflektor ist gezeigt, ein elliptischer Reflektor ist
beschrieben, und der Spiegelhohlraum ist durch eine Maske abgedeckt. Teilchen
enthaltende Rohre können
das Licht unvorhersagbar brechen, und oft muss das optische System
der genannten Vorrichtung demzufolge sehr komplex ausgebildet sein.
-
Das
US-Patent 4 523 841 (Brunsting
et al.) zeigt ein System, das zum Messen von Aspekten biologischer
Zellen verwendet wird. Das System verwendet einen elliptischen Reflektor,
einen Breitbanddetektor und eine Lichtfalle vom „cornucopia"-Typ.
-
Das
US-Patent 4 189 236 (Hogg
et al.) zeigt einen Strahlungskollektor, der für Aspekte der Analyse von Blutzellen
und dergleichen verwendet wird. Dieser Kollektor verwendet Licht,
das beispielsweise durch eine Zelle gestreut und zweimal reflktiert
wird, bevor es von einem Detektor empfangen wird.
-
Das
US-Patent 3 248 551 (Frommer)
zeigt eine optische Anordnung zum Erfassen von sehr kleinen Teilchen,
beispielsweise Staub oder Pollen.
-
Ein
weiterer Nachteil der bekannten Teilchenzähler und -sensoren ergibt sich
dann, wenn eine Erkennung von sehr kleinen Teilchen, beispielsweise
0,1 Mikron und kleiner, und/oder Erkennung von Teilchen, die in
einem Luftströmungsvolumen
mit verhältnismäßig hoher
Strömungsrate,
beispielsweise von einem Kubikfuß pro Minute, vorhanden sind.
Da das Teilchen sehr klein ist und/oder da es sich verhältnismäßig schnell
bewegt (so dass es schnell durch das beleuchtete Prüfvolumen
hindurchgeht), reflektiert und streut ein solches Teilchen Licht
sehr wenig. Die Lichtmenge, die festgestellt und genau gemessen
werden kann, ist oft nahe oder unter den Auflösungs- und Empfindlichkeitsgrenzen
der vorhandenen Sensoren und Detektoren. Ferner erzeugen diese Detektoren
einen geringen, inneren Geräuschpegel.
-
Eine
einleuchtende Lösung
besteht darin, die Menge des reflektierten und durch sehr kleine
und/oder sich schnell bewegende Teilchen gestreuten Lichts durch
Erhöhen
der Stärke
des Lichtstrahls zu vergrößern. Diese
Bemühungen
haben sich jedoch als sehr antiproduktiv erwiesen, weil eine stärkere Lichtquelle
höhere Pegel
von elektronischen Zufallsgeräuschen
oder Schrotrauschen erzeugt. Und wenn der Lichtstrahl stärker wird,
wird sich diejenige Lichtmenge erhöhen, die durch die Gasmoleküle gestreut
wird, unabhängig
davon, ob auch ein Teilchen im Prüfvolumen vorhanden ist. Das
Schrotrauschen und die erhöhten
Lichtmengen, die durch Gasmoleküle
gestreut werden, werden die Wirkung des teilchengestreuten Lichts
teilweise oder ganz verdecken.
-
Um
die Angelegenheit sogar noch weiter zu erschweren, neigen die Laserlichtquellen
dazu, sich hinsichtlich der Ausgangsleistung während des Betriebs – wenn auch
nur leicht – zu
verändern.
Als Folge ändert sich
die durch die Gasmoleküle
gestreute Lichtmenge mit den Leistungsänderungen. Bei Hochleistungslasern, die
für die
Feststellung sehr kleiner Teilchen bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten verwendet
werden, können
solche Änderungen
Größen aufweisen,
die viel größer als
das Schrotrauschen oder dasjenige Geräusch ist, das einem elektrischen
Detektor eigen ist. Diese Phänomene
begrenzen dramatisch die erreichbare Empfindlichkeit.
-
Ein
verbesserter Teilchensensor, der einen hohen Prozentsatz des durch
sehr kleine Teilchen gestreuten Lichts sammelt und analysiert und
der hilft, die Wirkung der Änderungen
der Lichtquellenleistung und die Wirkung der Streuung des durch
Gasmoleküle
gestreuten Lichts zu neutralisieren, würde einen wichtigen Fortschritt
in der Technik bedeuten.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die
Erfindung ist eine Verbesserung eines Teilchensensors desjenigen
Typs, der einen elliptischen Spiegel mit einem Hohlraum, einer Hauptachse,
einen primären
Brennpunkt und einen sekundären
Brennpunkt längs
der Hauptachse aufweist. Der Sensor weist einen teilchenbeleuchtenden
Lichtstrahl mit einer bestimmten Wellenlänge auf, der sich längs einer
Strahlachse ausbreitet, die den primären Brennpunkt schneidet. Ein
Eingangsrohr führt
Teilchen in einen Sensor „Prüfvolumen" ein, und ein Ausgangsrohr
erfasst diejenigen Teilchen, die durch das Prüfvolumen gegangen sind.
-
Im
Sensor ist der Spiegelhohlraum durch Masken und dergleichen unversperrt,
und ein primärer
Lichtdetektor befindet sich am sekundären Brennpunkt ganz außerhalb
des Spiegelhohlraums. Der Lichtdetektor ist optimiert zur Feststellung
von schwachenergetischem Licht wie dasjenige, das durch sehr kleine
Teilchen gestreut wird, wenn diese Teilchen durch den Lichtstrahl
gehen. Im Einzelnen stellt der Sensor Teilchen mit einer Größe von bis
zu 0,05 Mikron fest.
-
Die
Teilchen strömen
durch das Prüfvolumen,
d. h. durch eine sehr kleine, generell zylindrische Region, in der
sich der Lichtstrahl und der Teilchenweg schneiden.
-
Das
Prüfvolumen
ist eine nicht begrenzte Raumregion, d. h. eine Region, die nicht
durch Wände
eines teilchenenthaltenden Rohrs oder einer ähnlichen Struktur begrenzt
ist. Das Teilchen „fliegt" durch diese Region ähnlich wie
ein Projektil und wird in dieser nicht wie in einem Rohr geführt. Wenn
der Sensor derart angeordnet ist, werden die Teilchen, die eine
Maximalgröße aufweisen,
die im Wesentlichen geringer als die Wellenlänge ist, wirksam festgestellt.
-
Im
Sensor bestimmen die Strahlachse und die Hauptachse des Spiegels
einen eingeschlossenen Winkel von etwa 90°, und vorzugsweise bilden diese
Achsen einen Winkel von 90° mit
dem Teilchenweg, d. h., dass die Achsen und der Weg orthogonal zueinander
stehen. Die Achsen und der Weg brauchen jedoch nicht senkrecht zueinander
stehen. Eine leichte Abweichung von der Senkrechten kann verwendet
werden, d. h., dass die Strahlachse und der Teilchenweg einen eingeschlossenen
Winkel von weniger als 90° bilden
können, wie
auch der Weg und die Spiegelhauptachse, die beiden Achsen und/oder
beide Achsen und der Weg.
-
Bei
einer sehr bevorzugten Ausführung
weist der Sensor einen breiten Teilchenfeststellbereich auf. Das
heißt,
dass der Sensor Teilchen feststellen kann, die größer sind
als diejenigen, die eine Größe von etwa 60–65% der
Strahlwellenlänge
aufweisen, wie sie durch den primären Detektor festgestellt werden.
Dazu kann der Sensor auch eine Strahlspaltplatte und einen sekundären Detektor
aufweisen. Der sekundäre
Detektor empfängt
Licht, das von der Spaltplatte reflektiert wird. Dabei wird die
Fähigkeit
des Sensors, größere Teilchen festzustellen,
verbessert. Vorzugsweise stimmen die Spaltplatte und der sekundäre Detektor
mit der Spiegelhauptachse überein,
und die Spaltplatte befindet sich zwischen den Detektoren.
-
Eine
Lichtfalle fängt
das Licht ein, das nicht ein Teilchen trifft und das daher nicht
durch ein derartiges Teilchen reflektiert wird. Gemäß einer
weiteren Ausbildung der Erfindung weist die Lichtfalle eine primäre Platte auf,
die Licht mit der Wellen länge
des Lichtstrahls absorbiert. Gemäß einer
sehr bevorzugten, weiteren Ausbildung der Erfindung weist die Platte
ein Lichtbandpassfilter auf, das einen nominalen Bandpass-Wellenlängenbereich
hat, wobei die Wellenlänge
des Lichtstrahls außerhalb
dieses Wellenlängenbereichs
liegt. Eine sekundäre
Platte kann ebenfalls vorgesehen werden, die solche sehr kleinen
Lichtmengen absorbiert, die von der primären Platte reflektiert werden.
-
Festgestellt
worden ist, dass bei der Durchführung
des Lichteinfangens außerhalb
des Spiegelhohlraums eine Verminderung der Streulichtmenge auftritt,
die sonst elektronische Geräusche
in der Detektorschaltung erzeugen könnte. Deshalb befindet sich
die Lichtfalle, ob sie nun aus einer Platte oder aus zwei Platten
besteht, außerhalb
des Hohlraums. Mindestens die primäre Platte bildet einen Winkel
zur Strahlachse, um dabei zu helfen, dass nicht absorbiertes Licht
in den Hohlraum zurück
reflektiert wird.
-
Der
Teilchensensor der vorliegenden Erfindung, dessen neue Merkmale
im Folgenden beschrieben werden, ist zum Feststellen und Analysieren
(d. h. beispielsweise bei der Bestimmung der Größe und Anzahl) von sehr kleinen
Teilchen besonders nützlich,
insbesondere solchen Teilchen, die in einem Luftstrom hoher Strömungsgeschwindigkeit
mitgeführt
werden. Der Sensor gemäß der Erfindung
weist eine erste Vorrichtung, die Licht sammelt, das durch ein aus
der Luft stammendes Teilchen und durch Gasmoleküle gestreut wird, und eine
zweite Vorrichtung auf, die Licht sammelt, das im Wesentlichen nur
durch Gasmoleküle
gestreut wird.
-
Die
erste Vorrichtung umfasst einen elliptischen, lichtreflektierenden,
ersten Spiegel, der eine Hauptachse aufweist und dessen primärer Brennpunkt
im Wesentlichen mit dem Prüfvolumen übereinstimmt.
Der Sensor umfasst einen ersten Detektor und einen zweiten Detektor,
jeweils einen für
jede Vorrichtung. Das durch den Spiegel reflektierte Licht gelangt
zum ersten Detektor, der ein erstes Ausgangssignal abgibt. Das durch
die zweite Vorrichtung gesammelte Licht gelangt zum zweiten Detektor,
der ein zweites Ausgangssignal abgibt. Der Sensor umfasst eine Schaltungsanordnung,
die die Signale voneinander subtrahiert.
-
Bei
einer Variante der Erfindung umfasst die zweite Vorrichtung ein
Bildsystem mit mindestens einer Linse. Diese Linse sammelt Licht,
das von einem aus der Luft stammenden Teilchen und von Gasmolekülen gestreut
wird. Der Detektor der zweiten Vorrichtung weist einen Zentralteil
und eine undurchsichtige Maske auf, die verhindert, das ein Teil
der von der Linse gesammelten Lichts den Zentralteil trifft. Wie
in der ausführlichen Beschreibung
erläutert
ist, ist das Licht, das durch die Maske „blockiert" wird, ein solches Licht, das von einem Teilchen
und von Gasmolekülen
reflektiert wird, jedoch nicht ein solches Licht, das im Wesentlichen
nur von Gasmolekülen
reflektiert wird. Das letztgenannte Licht kann zum Detektor gelangen.
-
Bei
einer weitern Variante der zweiten Ausführung umfasst die zweite Vorrichtung
eine zweiten Spiegel (vorzugsweise elliptisch mit einer Hauptachse),
der einen Brennpunkt aufweist, der vom Prüfvolumen, vorzugsweise längs der
Lichtstrahlachse, versetzt ist. Der zweite Spiegel reflektiert Licht,
das von Gasmolekülen gestreut
wird. Der Sensor umfasst einen ersten Detektor und einen zweiten
Detektor. Bei einer sehr bevorzugten Ausführung stimmt der erste Detektor
mit der Hauptachse des ersten Spiegels überein, und der zweite Detektor
stimmt mit der Hauptachse des zweiten Spiegels überein.
-
Gemäß weiteren
Ausbildungen der Erfindung empfängt
der erste Lichtdetektor des Sensors Licht, das von einem aus der
Luft stammenden Teilchen und von Gasmolekülen gestreut wird, während der
zweite Lichtdetektor des Sensors Licht empfängt, das im Wesentlichen nur
von Gasmolekülen
gestreut und vom zweiten Spie gel reflektiert wird. Jeder Detektor
erzeugt ein Ausgangssignal (ein erstes Signal bzw. ein zweites Signal), und
zwei solcher Ausgangssignale umfassen Komponenten, die sich aus
(a) dem Schrotrauschen, (b) einem regellosen Detektorrauschen und
(c) Änderungen
der Laserleistung ergeben. Eine Subtraktionsschaltung subtrahiert
vom ersten Ausgangssignal diejenige Komponente des zweiten Ausgangssignals,
die sich aus den Änderungen
der Laserleistung ergibt.
-
Wie
im Folgenden noch näher
erläutert
wird, erzeugen Laserlichtquellen das Licht nicht mit einer absolut
konstanten Stärke.
Dies rührt
daher, weil die Laserleistung sich ändert, möglicherweise nur um einen Bruchteil
eines Prozents, und sich die Lichtstärke abhängig davon ändert. Das Licht, das vom ersten
Detektor empfangen wird (und das von einem Teilchen und von Gasmolekülen gestreut
wird), und das Licht, das vom zweiten Detektor empfangen wird (und
das nur von Gasmolekülen
gestreut wird) zeigen durch dieselben Änderungen der Streusignalstärke diese Änderungen
der Laserleistung.
-
Die
Signale von den Detektoren werden in der Subtraktionsschaltung derart
verarbeitet, dass die Änderungen
der Streusignalstärke
(aus dem resultierenden Signal, das analysiert werden soll) kompensiert
werden. Wie der Name bereits sagt, führt die Subtraktionsschaltung
dies durch Subtrahieren des Signals aus, das sich aus dem Licht
ergibt, das nur von Gasmolekülen
gestreut wird. Diese Subtraktionsschaltung erzeugt damit ein Ausgangssignal,
das im Wesentlichen von Änderungen
des Streusignals verschont ist, das sich aus Änderungen der Laserleistung
ergibt. Das heißt,
dass ein solches Ausgangssignal im Wesentlichen (mit geringen Ausnahmen,
die unten erläutert
werden) nur Licht darstellt, das von einem aus Luft stammenden Teilchen
gestreut wird.
-
Im
Einzelnen umfasst der verbesserte Teilchensensor gemäß dieser
Erfindung einen Teilchenströmungsweg,
der die Lichtstrahlachse schneidet und dabei ein Prüfvolumen
mit dieser Achse bildet. Die generelle Form dieses Prüfvolumens
ist in den Zeichnungen wiedergegeben.
-
Bevorzugte
Spiegel sind elliptisch und weisen jeweils eine Hauptachse, einen
primären
Brennpunkt und einen sekundären
Brennpunkt auf. Die Spiegelhauptachsen sind vorzugsweise im Wesentlichen
parallel zueinander angeordnet. Bei einer sehr bevorzugten Anordnung
der Ausführung
des zweiten Sensors sind der erste Detektor und der zweite Detektor
im Wesentlichen am sekundären
Brennpunkt des ersten Spiegels bzw. des zweiten Spiegels angeordnet.
-
Weitere
Ausbildungen der Erfindung betreffen ein Verfahren zum Analysieren
eines Teilchens, das durch einen Lichtstrahl beleuchtet wird. Dieses
Verfahren umfasst die Schritte des Sammelns einer ersten Menge von
Licht, das von einem Teilchen und von Gasmolekülen gestreut wird, und des
Sammelns von Licht, das im Wesentlichen nur von Gasmolekülen gestreut
wird. Die erste Lichtmenge, die an einer ersten Stelle wie die im
Prüfvolumen
gestreut wird, wird dadurch gesammelt, dass sie vom ersten Spiegel
reflektiert wird, bei dem sich ein Brennpunkt vorzugsweise an der
ersten Stelle befindet. Die zweite Lichtmenge, die an einer zweiten
Stelle gestreut wird, wird dadurch gesammelt, dass sie vom zweiten
Spiegel reflektiert wird, bei dem sich ein Brennpunkt vorzugsweise
an dieser zweiten Stelle befindet.
-
Das
Verfahren umfasst auch die Schritte des Erzeugens eines ersten Signals,
das die erste Lichtmenge präsentiert,
des Erzeugens eines zweiten Signals, das die zweite Lichtmenge repräsentiert,
und des Subtrahierens der Signale, um ein „sauberes" Ausgangssignal zu gewinnen, das im
Wesentlichen nur Licht repräsentiert,
das von einem zu analysierenden Teilchen gestreut wird.
-
Der
Schritt des Erzeugens des ersten Signals umfasst vorzugsweise den
Schritt des Positionierens eines elliptischen ersten Spiegels, der
einen primären
Brennpunkt und einen sekundären
Brennpunkt derart aufweist, dass der erste Spiegel gestreutes Licht
zu einem ersten Detektor reflektiert, der am sekundären Brennpunkt
des Spiegels angeordnet ist. In ähnlicher
Weise erzeugt das sekundäre
Sig nal vorzugsweise den Schritt des Positionierens eines elliptischen
zweiten Spiegels, der einen primären
Brennpunkt und einen sekundären
Brennpunkt derart aufweist, dass der erste Spiegel gestreutes Licht
zu einem zweiten Detektor reflektiert, der am sekundären Brennpunkt
des Spiegels angeordnet ist.
-
Es
sei darauf hingewiesen, dass trotz der Bevorzugung von elliptischen
Spiegeln andere Typen von reflektierenden, lichtsammelnden Systemen,
die geeignete Brennpunkt- und Abbildungseigenschaften aufweisen,
bei der Durchführung
der Erfindung verwendet werden können
und dass solche Systeme als im Schutzbereich der Erfindung liegend
betrachtet werden. Weitere Einzelheiten der Erfindung können der
folgenden, ausführlichen
Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen entnommen werden.
-
Ausführliche Beschreibung der Erfindungsgegenstände
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen verbesserten
Teilchensensor zu schaffen, der einige Probleme und Nachteile der
bekannten Sensoren vermeidet.
-
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
verbesserten Teilchensensor zu schaffen, der dazu beiträgt, sehr
kleine, aus der Luft stammende Teilchen festzustellen.
-
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
verbesserten Teilchensensor zu schaffen, der dazu beiträgt, sehr
kleine, aus der Luft stammende Teilchen festzustellen, wobei einmal
reflektiertes Licht verwendet und damit die Signalstärke verbessert
wird.
-
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
verbesserten Teilchensensor zu schaffen, der einen erweiterten Arbeitsbereich
zur Feststellung größerer, aus
der Luft stammender Teilchen aufweist.
-
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
verbesserten Teilchensensor zu schaffen, der Teilchen mit einer
Größe eines
Bruchteils eines Mikron feststellt.
-
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
verbesserten Teilchensensor zu schaffen, der dazu beiträgt, die
Wirkung von Änderungen
der Laserausgangsleistung zu kompensieren.
-
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
verbesserten Teilchensensor zu schaffen, der eine verbesserte Empfindlichkeit
für die
Feststellung von kleinen Teilchen aufweist.
-
Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
verbesserten Teilchensensor zu schaffen, der nicht reflektiertes
Licht wirksam einfängt.
-
Wie
diese und weitere Aufgaben gelöst
werden, geht aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den
Zeichnungen hervor.
-
Kurzfassung der Zeichnungen
-
1 zeigt
eine isometrische, räumliche
Darstellung gewisser Aspekte eines Sensors unter Fortlassung von
Teilen,
-
2 zeigt
einen Querschnitt durch den Sensor längs der Sichtlinie 2-2 in 1 und
durch bestimmte Gehäusekomponenten
unter Fortlassung anderer Komponenten zum besseren Verständnis,
-
3 zeigt
eine Stirnansicht des Sensors längs
der Sichtlinie 3-3 in 2,
-
4 zeigt
ein Schaubild der Charakteristiken eines Lichtbandpassfilters,
-
5 zeigt
eine der 3 ähnliche Stirnansicht mit Winkelverhältnissen,
die noch beschrieben werden,
-
6 zeigt
eine der 2 ähnliche Ansicht mit Winkelverhältnissen,
die noch beschrieben werden,
-
7 einen
der 2 ähnlichen
Querschnitt durch eine Variante des Sensors,
-
8 eine
der 2 ähnliche
Ansicht eines verbesserten Sensors unter Weglassung von Teilen,
wobei eine weitere Variante des Sensors vorliegt,
-
9 eine
räumliche
Ansicht zur Darstellung des Schneidens eines Lichtstrahls und eines
Teilchenwegs, um ein Prüfvolumen
zu bilden, wobei der Lichtstrahl und der Teilchenweg in gestrichelten
Linien und in ihrer Länge
verkürzt
dargestellt sind,
-
10 eine
der 2 ähnliche
Ansicht einer weiteren Variante des Sensors, der einen aktiven Hohlraumlaser
als Lichtquelle verwendet,
-
11 eine
der 2 ähnliche
Ansicht unter Fortlassung von Teilen aus Klarheitsgründen, wobei
eine Ausführung
eines Sensors dargestellt ist, die zwei Reflektorspiegel verwendet,
und wobei diese Ausführung und
die in den 19 und 20 dargestellte
Ausführung
einen Teil der Erfindung bilden,
-
12 eine
Ansicht des Sensors der 11 in
Richtung der Sichtlinie 12-12
in 11,
-
13 eine
Ansicht und einen Teilschnitt des Sensors der 11 und 12 zur
Darstellung des Gehäuses
und anderer Gehäusekomponenten,
-
14 eine
vereinfachte Signalverarbeitungsschaltung,
-
15 eine
vereinfachte Skizze für
die Lichtstreuung,
-
16 eine
vereinfachte Skizze für
das polarisierte Licht, das von einem aktiven Hohlraumlaser ausgestrahlt
wird,
-
17 ein
Diagramm, das die Winkelstreustärke
des Lichts für
senkrecht polarisiertes Licht zeigt,
-
18 ein
Diagramm, das die Winkelstreustärke
des Lichts für
parallel polarisiertes Licht zeigt,
-
19 eine
Ansicht einer weiteren Variante des Sensors, der ein lichtreflektierendes
System und ein Lichtbildsystem verwendet, wobei Teile aus Klarheitsgründen fortgelassen
sind und das Prüfvolumen
sehr vergrößert ist,
und
-
20 eine
vergrößerte Ansicht
eines Teils des Detektors des Sensors der 19, wobei
dieser Teil eine undurchsichtige Maske zeigt, die einen Teil des
Detektors blockiert.
-
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten
Ausführungen
-
Das
Verständnis
der Ausführungen
eines Sensors 10 wird dadurch unterstützt, dass zunächst die 1–6 betrachtet
werden und insbesondere die 1 be trachtet
wird, die bestimmte Komponenten des Sensors 10 zeigt, die
im Raum aufgehängt
zu sein scheinen. Nachdem die relative Stelle dieser Komponenten erläutert werden,
werden die Beschreibungen der übrigen
Figuren besser verstanden werden.
-
Der
Sensor 10 umfast einen elliptischen Spiegel 11,
der eine Spiegelhauptachse 13, einen primären Brennpunkt 15 und
einen sekundären
Brennpunkt 16 aufweist. In 1 ist der
Spiegel 11 derart ausgebildet, dass er zum besseren Verständnis durchsichtig
ist; in Wirklichkeit ist die Wand 19 dieses Spiegels fest
und undurchsichtig, und die Innenfläche 21 dieser Wand
ist hochreflektierend. Das Licht einer Lichtquelle 17 läuft durch
eine Strahleingangsöffnung 23 in
der Wand 19 des Spiegels 11. Gleichzeitig strömt Probenluft
(beispielsweise aus einem Raum) durch ein Eingangsrohr 25 zu
einem Ausgangsrohr 27. Ein beliebiges, in diese Luft mitgeführtes Teilchen
geht durch einen Lichtstrahl 31 und streut Licht 33a zur
reflektierenden Fläche 21 des Spiegels.
Einmal vom Spiegel 11 reflektiertes Licht 33b trifft
einen primären
Detektor 35, und das resultierende, elektrische Signal
wird analysiert, um eine Analyseinformation über das Teilchen 29 und
andere, ähnliche
Teilchen, beispielsweise eine Information über die Teilchengröße und die „Zählung" des Luftvolumenmaßes, zu erzeugen.
Nicht durch das Teilchen 29 gestreutes Licht 33c wird
durch eine Lichtfalle 37 eingefangen, die eine primäre Platte 39 und
eine sekundäre
Platte 41 aufweist. Bei einer zweiten Ausführung des
Sensors 10 (im Folgenden beschrieben) ist die Lichtfalle 37 durch
einen reflektierenden Ausgangsspiegel in einem aktiven Helium-Neon-Hohlraumlaser
ersetzt.
-
Nun
wird auf die 2, 3 und 7 Bezug
genommen. Der Teilchensensor 10 umfasst einen etwas langgestreckten,
generell zylindrischen, hohlen Körper 43,
der eine Körperwand 45,
eine Vorderwand 47 und eine Rückwand 49 aufweist.
Eine Innenfläche 51 der
Körperwand 45 weist
einen gestuften Teil 53 auf, gegen den ein Spiegeltragring 55 stößt. Der
gestufte Teil 53 ist konzentrisch zu einer Längsachse 57 des
Körpers 43 angeordnet
und bildet einen Kreis, dessen Ebene 59 generell senkrecht
auf dieser Achse 57 steht.
-
Der
Ring 55 ist passgenau im Körper 43 aufgenommen,
um eine relative Ring-Körper-Bewegung
zu verhindern, und weist eine stufenartige, generell kreisrunde
Schulter 61 mit einem solchen Durchmesser auf, dass der
elliptische Spiegel 11 an dessen Vorderkante aufgenommen
und sicher gehalten wird. Ähnlich
wie der Teil 53 ist die Schulter 61 konzentrisch
zur Längsachse 57 des
Körpers 43 angeordnet;
diese Schulter bildet einen Kreis, dessen Ebene generell senkrecht
auf der Achse 57 steht. Der Spiegel umfast eine Hauptachse 13,
die generell konzentrisch zur Achse 57 angeordnet ist.
Aber für
einige relativ kleine, unten beschriebene Öffnungen teilt der Spiegel
das Innere des Körpers 43 in
einen Rückraum 65 und
einen Vorderraum 67 auf.
-
Der
Spiegel 11 weist einen primären Brennpunkt 15 und
einen sekundären
Brennpunkt 16 auf, die beide auf den Achsen 13 und 57 liegen.
Das Verständnis
der folgenden Aspekte der Beschreibung wird durch eine kurze Erwähnung eines
bekannten Merkmals eines elliptischen Spiegels 11 gefördert. Ein
solcher Spiegel 11 weist zwei Brennpunkte (ähnlich den
Brennpunkten 15, 16) längs seiner Hauptachse 13 auf.
Die Lichtstrahlen 33a, die am primären Brennpunkt 15 gestreut
werden, werden zum sekundären
Brennpunkt 16 reflektiert.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführung
wird der Spiegel 11 „Vollerzeugungs-Halbreflektor" genannt. Das heißt, dass
die reflektierende Innenfläche 21 dadurch
gebildet wird (außer
für einige
kleine Öffnungen
in dieser Innenfläche,
wie die Öffnungen 23, 24, 103),
dass eine Ellipse um 360° um
die Achse 13 rotiert oder „erzeugt" wird und dass dann die sich ergebende
Form (ähnlich
der Form eines Fußballs)
in der Hälfte
längs der
Ebene 63, d. h. längs
einer Ebene, die senkrecht auf der Achse 13 steht und auf
halbem Wege zwischen den Flächenenden
angeordnet ist, geteilt wird. Es sei darauf hingewiesen, dass der
Spiegel 11 kein Vollerzeugungsspiegel zu sein braucht,
d. h., dass ein oder mehrere Spiegelsegmente, von denen jedes einen
Bogenwinkel von weniger als 360° aufweist
(und die selbstverständlich
zusammen einen Bogenwinkel von nicht mehr als 360° aufweisen),
anstelle des Vollerzeugungsspiegels 11 verwendet werden
können.
-
Im
Vorderraum 67 des Körpers 43 sind
viele Halterungen 69 befestigt, von denen jede am Körper 43 mittels
einer oder mehrerer Schrauben 71 befestigt ist. Jede Halterung 69 weist
einen radial nach innen weisenden Arm auf, und diese Arme wirken
derart zusammen, dass sie eine Detektorbefestigungsanordnung 73 tragen,
die einen primären
Lichtdetektor 35 umfasst. Die Halterungen 69,
die Anordnung 73 und der Detektor 35 arbeiten
derart zusammen, dass die Messfläche 76 des
Detektors 35 mit dem sekundären Brennpunkt 16 zusammenfällt und
dass diese Messfläche
generell senkrecht zu den Achsen 13, 57 steht
und auf der Rückseite
angeordnet ist, um das Licht 33b aufzunehmen, das einmal
von der Spiegelfläche 21 reflektiert
ist. Die Anordnung ist so getroffen, dass die Messfläche 76 in
die vorbeschriebene Position einstellbar bewegt werden kann, wobei
aber noch ein schwaches Vakuum im Körper 43 aufrecht erhalten
wird.
-
Es
sei darauf hingewiesen, dass der Detektor 35 und/oder der
Detektor 77 derart ausgebildet sind, sie Licht empfangen
und darauf reagieren können,
das auf einer relativ großen
Fläche
oder das „punktartig" ankommt. Der Begriff „punktartig" wird in dieser Beschreibung
so gebraucht, dass er sich auf einen Detektor (wie der Detektor 35 oder
der sekundäre
Detektor 77) bezieht, der zur Feststellung von Licht optimiert
ist, das auf der Fläche 76 in
einer sehr kleinen „Trefffläche" empfangen wird,
die sich etwa einem Punkt nähert.
Ein punktartiger Detektor wird für
die Verwendung im Sensor 10 bei vielen Anwendungen bevorzugt,
weil solche Detektoren dazu neigen, schneller zu arbeiten, weniger
Hintergrundgeräusche
erzeugen und häufig
billiger sind.
-
Der
Detektor 35 ist ebenfalls optimiert, ein Spannungssignal
auf den Empfang von Licht hin zu erzeugen, das eine Wellenlänge von
etwa 0,8 Mikron oder kürzer
aufweist, und vorzugsweise steht die Optimierung mit einer besonderen
Lichtwellenlänge
in Verbindung. Es sei darauf hingewiesen, dass der Detektor 35 mit
einer elektronischen Schaltung (nicht gezeigt) verbunden ist, die
die Detektorspannung dazu verwendet, eine Information zu erzeugen,
die die Teilchengröße und Teilchenmenge
betrifft. Ein bevorzugter Detektor 35 ist eine Feststoff-Fotodiode
für Infrarot-Lichtquellen
oder eine Fotovervielfacherröhre
für Blau-grün-Lichtquellen.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführung
weist der Spiegel 11 ein Paar Strahlöffnungen 23, 24 auf,
durch die der Lichtstrahl 31 in den Spiegelhohlraum 79 eindringt
bzw. diesen verlässt.
Wie ferner noch beschrieben wird, fluchten diese Öffnungen 23, 24 mit
dem Lichtstrahl 31, der von der Lichtquelle 17 ausgeht
und sich zur Lichtfalle 37 verbreitet. Der Spiegel 11 weist
ebenfalls ein Paar Rohröffnungen 81, 83 auf,
durch die ein Eingangsrohr 25 bzw. ein Ausgangsrohr 27 hindurchgehen.
-
Nahe
einem ziemlich scharf gebogenen Ende 85 des Spiegels 11 weist
der Körper 43 eine
Quellenöffnung 87 und
eine Fallenöffnung 89 auf.
Dies Öffnungen 87, 89 fluchten
mit der Lichtstrahlachse 31a, die durch den Körper 43 und
durch den primären
Brennpunkt 15 des Spiegels führt. Eine Lichtanordnung 91 ist
in der Nähe
der Öffnung 87 befestigt
und weist eine Lichtquelle 17 auf, die zusammen mit einigen
optischen Brennpunktvorrichtungen, beispielsweise einer geeigneten
Linsenanordnung 93, in der Lichtanordnung enthalten ist.
Die Lichtanordnung 91 selbst und ihre Verbindung mit dem
Körper 43 sind „lichtdicht", so dass kein Licht
den Körper 43 erreichen
kann, das sonst die Teilchenfeststellung und -zählung stören würde.
-
Für manche
Anwendungen ist eine Laserdiode die bevorzugte Quelle 17,
weil sie eine relativ geringe Größe aufweist,
mit geringer Leistung arbeitet, relativ billig ist und Ausgangskennlinien
aufweist, die eine generell gleichmäßige Lichtstärke im Prüfvolumen 95 ergeben,
wie unten noch näher
erläutert
wird. Bloß um
einige Eigenschaftsbeispiele der für die Lichtquelle 17 (der
Ursprung des reflektierten Lichts 33b, das mit dem Detektor 35 gemessen
wird) verwendeten Produkte anzugeben, senden die heutigen Infrarot-Laserdioden Licht
aus, das eine Wellenlänge
von etwa 0,78 Mikron aufweist; Helium-Neon-Laser senden Licht aus,
das eine Wellenlänge
von etwa 0,63 Mikron aufweist, und das Licht von einem Argonlaser
weist eine Wellenlänge
von etwa 0,5 Mikron auf.
-
Die
Erfindung ist nicht darauf beschränkt, nur solche Lichtquellen 17 und
Detektoren 35, 77 zu verwenden, wie sie hier beschrieben
sind. Fortschritte werden ständig
hinsichtlich der Quellen und Detektoren anderer Typen erzielt, und
solche Typen werden im Schutzbereich der Erfindung liegend angesehen.
Wenn die 1 betrachtet wird, wird das
Licht von der Quelle 17 derart fokussiert, dass der Lichtbrennpunkt 97 mit
dem primären
Brennpunkt 15 und mit dem Prüfvolumen 95 übereinstimmt.
Die sehr vergrößerte Ansicht
der 9 trägt
zum Verständnis
der generellen Form des Prüfvolumens 95 bei,
das sich aus dem Schneiden des Lichtstrahls 31 mit der
Luftströmung
ergibt, die einen Teilchenweg 99 bildet. In der 9 ist
ein Teilchen 29 durch einen großen Punkt wiedergegeben, während Gasmoleküle 161 in
der Nähe
des Teilchens 29 durch kleinere Punkte wiedergegeben sind.
-
Eine
lichtdichte Fallenanordnung 37a ist an der Fallenöffnung 89 befestigt
und weist die Lichtfalle 37 auf. Der verbesserte Sensor 10 verwendet
eine Falle 37, die für
einzigartig gehalten wird und hochwirksam ist. Die Falle 37 ist
vorzugsweise als primäre
Platte 39 ausgebildet, die Licht mit einer Wellenlänge oder
mit einem Wellenlängenbereich
absorbiert, die bzw. der die Wellenlänge des von der Quelle 17 abgegebenen
Lichts enthält.
Bei einer sehr bevorzugten Ausführung
ist die Platte 39 ein Lichtbandpassfilter, das aus 1 mm
starkem Glas besteht, jedoch in anderer Weise als beabsichtigt verwendet
wird.
-
Beispielsweise
ist das Bandpassfilter nach 4 derart
ausgebildet, dass es einen nominalen „Passband"-Bereich von 0,35–0,6 Mikron aufweist, wie durch
die Klammer P angedeutet ist. Das heißt, dass das meiste Licht im
Bandpassbereich durch das Filter strahlt, wenn es auf dieses trifft.
Andererseits wird das meiste Licht mit einer Wellenlänge im Bereich
von 0,7–0,9
Mikron (wie durch die Klammer A angedeutet ist) vom Filter absorbiert
und geht daher nicht durch das Filter.
-
Die
Platte 39 befindet sich außerhalb des Hohlraums 79 und
steht in einem Winkel zur Strahlachse 31a. Mit anderen
Worten steht die Platte 39 nicht senkrecht auf der Strahlachse 31a.
Diese Plattenanordnung und -orientierung bieten wesentliche Vorteile.
Durch das Anordnen der Falle 37 außerhalb des Hohlraums 79 hat
ein Licht, das in jedem Fall eine sehr kleine Lichtmenge ist und
das von der Platte 39 reflektiert wird, tatsächlich keine
Gelegenheit, wieder in den Hohlraum 79 zu gelangen und
störende
Lichtsignale zu erzeugen. Solche Störsignale können ein elektrisches Geräusch in
der elektronischen Detektorschaltung ergeben. Die Winkelorientierung
trägt dazu
bei, zu vermeiden, dass reflektiertes Licht in den Hohlraum 79 zurück geleitet wird.
-
Bei
einer anderen bevorzugten Ausführung
weist die Lichtfalle 37 auch eine sekundäre Platte 41 (1)
auf, die Licht absorbiert, das von der primären Platte 39 reflektiert
wird. Da der Zweck der Falle 37 darin besteht, das Licht 33c zu „töten", das nicht ein Teilchen
trifft, wird die sekundäre
Platte 41 auch dazu benutzt, Licht mit der Wellenlänge des
Strahls 31 zu absorbieren.
-
Nun
wird auf die 3 Bezug genommen. Ein Eingangsrohr 25 und
ein Ausgangsrohr 27 bilden einen Weg 99, auf dem
aus der Luft stammende Teilchen 29 für die Analyse wandern. Da jedes
Teilchen 29 das ferne Ende 101 des Rohrs 25 verlässt, wandert
es durch das Prüfvolumen 95 und
wird (durch einen schwachen Unterdruck im Ausgangsrohr) in das Ausgangsrohr 27 zur
endgültigen
Beseitigung gezogen. Bei der in den 1, 2 und 3 gezeigten
Ausführung
des Sensors 10 bildet der Weg 99 einen eingeschlossenen
Winkel von etwa 90° mit
der Strahlachse 31a und mit der Hauptachse 13,
und der Weg und die Achsen 13, 31a sind deshalb „orthogonal" angeordnet. Der
verbesserte Sensor 10 kann jedoch auch dann betrieben werden,
wenn die Achsen 13, 31a und der Weg 99 nicht
orthogonal ausgerichtet sind. Das heißt, dass jede der beiden Achsen 13, 31a oder
alle beide und der Weg 99 einen eingeschlossenen Winkel
von etwas weniger als 90° bilden
und dabei noch in den Schutzbereich der Erfindung fallen. Dieses
Verhältnis
ist in stark übertriebener
Weise in den 5 und 6 gezeigt.
-
Bei
einer in 7 gezeigten Varianten der ersten
Ausführung
ragen das Eingangsrohr 25 und das Ausgangsrohr 27 in
den Hohlraum 79, wobei das Eingangsrohr 25 durch
eine kleine Öffnung 103 am
Spiegelende 85 geführt
ist. Wie der durch die beiden Rohre gebildete Teilchenweg stimmen
die Achsen der Rohre 25, 27 mit der Spiegelhauptachse 13 überein.
Die Rohre 25, 27 weisen eine genügend kleinen
Durchmesser auf, damit sie den Hohlraum 79 nicht stören und
insbesondere nicht die Lichtstrahlen 33a materiell stören, die
durch das Teilchen 29 gestreut werden. Es sei darauf hingewiesen,
dass die Verbindungen der Rohre 25, 27 und anderer
Elemente, wie die Befestigungen 37a, 91 der Anordnungen,
mit dem Körper 43 in
derartiger Weise erfolgt, dass Umgebungslicht nicht in den Körper 43 gelangen
kann.
-
Bei
einer weiteren, in 8 dargestellten Variante der
ersten Ausführung
weist der Sensor 10 einen erweiterten Teilchenfeststellungsbereich
auf. Das heißt,
dass der Sensor Teilchen feststellen kann, die größer als
diejenigen sind, die eine Größe von unter
etwa 60–65%
der Strahlwellenlänge
aufweisen. Der Sensor 10 weist einen Strahlteiler 105 auf,
der eine relativ flache Platte aus unbeschichtetem Glas gewöhnlicher,
optischer Qualität
mit einer Stärke
in der Größenordnung
von 1–1,5
mm umfasst. Der Strahlteiler 105 reflektiert wenige Prozente,
beispielsweise 4%, des diesen Strahlteiler treffenden Lichts 33b,
und dieses reflektierte Licht 33d wird auf einen sekundären Detektor 77 gerichtet.
Der sekundäre
Detektor 77 ist vorzugsweise ein Detektor mit niedriger
Verstärkung,
der so ausgewählt
wird, dass er reflektierte Lichtimpulse vom Teilchen 29 „verarbeitet", die so groß sind,
dass derartiges gestreutes und reflektiertes Licht 33a, 33b den
dynamischen Spannungsbereich des primären Detektors 35 überschreitet.
Die vorerwähnte
Plattenstärke
stellt einen vernünftigen Kompromiss
zwischen den annehmbaren Plattenkosten und einer Platte dar, die
im Wesentlichen „Doppelbild"-Probleme vermeidet,
die sonst auftreten, wenn Licht von beiden Plattenflächen reflektiert
werden würde.
-
Die
Detektoren 35, 77 sind einander zugekehrt, der
Strahlteiler 105 ist zwischen diesen Detektoren angeordnet,
und der Strahlteiler 105 und der Detektor 77 stehen
generell senkrecht auf der Hauptachse 13. Der sekundäre Detektor 77 ist
im Brennpunkt 107 des Lichtstrahls 33d angeordnet,
der vom Strahlteiler 105 reflektiert wird.
-
Im
Betrieb strömt
Luft, die von einem „Reinraum" abgezogen wird und
die (unvermeidbar) mindestens einige Teilchen 29 mitführt, in
ein nahes Ende 109 des Eingangsrohrs 25 und aus
dem Ausgangsrohr 27 heraus. Wenn ein Teilchen durch das
Prüfvolumen 95 durchgeht,
trifft der Strahl 31 das Teilchen 29, und das
Licht 33a wird deshalb gestreut. Ein wesentlicher Teil
des gestreuten Lichts 33a trifft den Spiegel 11 und
wird einmal zum primären
Detektor 35 reflektiert. Das sich ergebende Spannungssignal
wird in bekannter Weise analysiert, um eine Information über die
Teilchengröße und über die
Anzahl der Teilchen 29 in beispielsweise einem Kubikmeter
Reinraumluft zu erzeugen.
-
Die
erste Ausführung
des verbesserten Sensors 10 weist mehrere Vorteile auf.
Bei den bekannten Sensoren liegt der Prozentsatz des durch Teilchen
gestreuten Lichts, das durch den Spiegel und den Detektor für die Analyse „gesammelt" wird, in den unteren
bis mittleren Achtzigern. Bei der ersten Ausführung des Sensors 10 ergibt
sich ein Prozentsatz des gesammelten, gestreuten Lichts, der in
den unteren Neunzigern liegt. Wenn größere Mengen des gestreuten
Lichts gesammelt werden können,
kann die Stärke
des Lichtstrahls 31 vermindert werden. Diese Verminderung
ist gewiss nicht trivial. Beispielsweise kosten Lichtquellen höherer Stärke 1000$
und mehr, und dies ist nicht ungewöhnlich. Bei einer vernünftigen
Verminderung der erforderlichen Strahlstärke können die Kosten der Quelle 17 um
einen Faktor von etwa 10 verringert werden.
-
Situationen
jedoch, in denen extrem kleine Teilchen und/oder eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit vorhanden
sind, können
eine Lichtquelle hoher Stärke
er fordern. Dies rührt
daher, dass kleinere Teilchen eine geringere Fläche aufweisen, um Licht zu
reflektieren, und dass sich schneller bewegende Teilchen im Lichtstrahl
für kürzere Zeit
aufhalten. In beiden Fällen
ergibt sich ein geringer reflektiertes Licht, und die Erhöhung der
Lichtquellenstärke
bildet einen Weg, um zur Aufrechterhaltung der Stärke des
reflektierten Lichts beizutragen. Dies ist erwünscht, weil diese Stärke genügend hoch
sein muss, damit das Licht von den verfügbaren Detektoren „gemessen" werden kann, und
weil das sich ergebende Detektorsignal genügend robust sein muss, damit
eine Analyse durch verfügbare
Verarbeitungsschaltungen und dergleichen vorgenommen werden kann.
-
Der
Sensor 10 der 10 entspricht generell dem der 2 mit
der Ausnahme, dass die Lichtquelle 17 und die Lichtfalle 37 durch
einen vielfach aktiven Helium-Neon-Hohlraumlaser 119 ersetzt
ist.
-
Der
Laser 119 weist ein Plasmarohr 121 als Lichtquelle
auf, das polarisiertes Licht erzeugt, das das Rohr durch ein Brewster-Fenster 123 verlässt und
zu einem kugeligen Ausgangsspiegel 125 gelangt, der den Laserhohlraum 129 vervollständigt. Es
sei darauf hingewiesen, dass bei dieser Laserart das Rohr 121,
das Fenster 123 und der Spiegel 125 Teile des
Hohlraums 129 sind und diesen bilden.
-
Der
Spiegel 125 reflektiert das Licht auf einem Weg 127 und
zurück
zum Brewster-Fenster 123, wobei die Größe des verwendbaren Lichts
im Prüfvolumen 95 stark
intensiviert wird. Es sei betont, dass die in den 5-7 gezeigten,
verschiedenen Anordnungen bei einem Sensor 10 verwendet
werden können,
der einen aktiven Hohlraumlaser 19 anstelle der dargestellten
Lichtquelle 17 und der dargestellten Lichtfalle 37 aufweist.
-
Die 11–13 zeigen
eine Variante einer zweiten Ausführung
eines verbesserten Sensors 10. Eine weitere Variante einer
solchen Ausführung
ist unten in Verbindung mit den 19 und 20 beschrieben.
-
Die
zweite Ausführung
kann besonders bei der Neutralisierung der Wirkung von Änderungen
der Laserleistung verwendet werden. Der Sensor 10 weist
einen vielfach aktiven Helium-Neon-Hohlraumlaser 119 auf,
der einen Lichtstrahl 31 erzeugt, der sich längs einer
Strahlachse 31a ausbreitet. „Dreidimensional" betrachtet tritt
ein Strömungsweg 131 für die die
Teilchen mitführende
Luft aus dem Zeichnungsblatt in der Ansicht der 11 aus;
dieser Weg stimmt mit dem Blatt in 1 überein.
Die Schneidbereich des Strahls 31 mit dem Strömungsweg 131 bildet
das Prüfvolumen 95,
das in 9 wiedergegeben ist. Es sei darauf hingewiesen,
dass der Teilchenweg 99 und der Luftströmungsweg 131 generell
synonym sind.
-
Der
Sensor 10 in 13 weist ein Gehäuse 133 auf,
das das Plasmarohr 121 und den Ausgangsspiegel 125 aufnimmt.
Das Brewster-Fenster 123 ist durch eine Zugangsöffnung 135b sichtbar,
während
der Spiegel 125 durch eine Zugangsöffnung 135b sichtbar
ist. Ein Zylinder 137a ist mit doppelten O-Ringdichtungen 139 versehen
und trägt
den ersten Detektor 35a am sekundären Brennpunkt 16.
In ähnlicher
Weise trägt
ein Zylinder 137b den zweiten Detektor 35b. Spülpassröhrchen 141 sind
derart vorgesehen, dass das Gehäuse 133 mit
im Wesentlichen teilchenfreier Luft gefüllt werden kann, um eine Ablagerung
von Teilchen am Fenster 123 oder am Ausgangsspiegel 125 zu
vermeiden.
-
Wie
die erste lichtsammelnde Vorrichtung 12 umfasst der Sensor 10 einen
ersten elliptischen Spiegel 11a, und dessen primärer Brennpunkt 15 und
das Prüfvolumen 95 stimmen
miteinander überein,
wobei diese Übereinstimmungsstelle
manchmal erste Stelle genannt wird. Die Lichtstrahlen 33b (von
einem Teilchen 29 und von Gasmolekülen gestreut, die sich nahe
beim Teilchen 29 befinden) werden einmal durch den ersten Spiegel 11a reflektiert
und auf einen ersten Detektor 35a am sekundären Brennpunkt 16 des
Spiegels 11a gelenkt. Beide Brennpunkte 15, 16 liegen
auf der Hauptachse 13 des Spiegels. Der erste Detektor 35a erzeugt ein
erstes Ausgangssignal, und die Art und Weise, wie ein solches Signal
verwendet wird, wird im Folgenden beschrieben.
-
Als
zweite Licht sammelnde Vorrichtung 14 weist der Sensor 10 auch
einen zweiten elliptischen Spiegel 11b auf, und dessen
primärer
Brennpunkt 15, der manchmal als zweite Stelle bezeichnet
wird, ist auf der Strahlachse 31a angeordnet, stimmt mit
dieser überein
und ist deshalb vom Prüfvolumen 95 entfernt.
Diese zweite Stelle kann treffend als „Quasi-Prüfvolumen" bezeichnet werden. Die Lichtstrahlen
(die von Gasmolekülen,
aber nicht von Teilchen gestreut werden) werden einmal durch den
zweiten Spiegel 11b reflektiert und zu einem zweiten Detektor 35b am
sekundären
Brennpunkt 16 des Spiegels 11b weitergeleitet.
Beide Brennpunkte 15, 16 liegen auf der Hauptachse 13 des
zweiten Spiegels 11b. Der zweite Detektor 35b erzeugt
in ähnlicher
Weise ein zweites Ausgangssignal.
-
Das
Verständnis
der folgenden Erläuterung
wird durch die folgende Information unterstützt, wobei in Erinnerung gerufen
wird, dass der erste Spiegel 11a Licht reflektiert, das
sowohl von einem Teilchen 29 als auch von benachbarten
Gasmolekülen 161 gestreut
wird. Andererseits nimmt der zweite Spiegel 11b, dessen primärer Brennpunkt 15 vom
Teilchenweg etwas entfernt liegt, kein Licht auf, das vom Teilchen 29 gestreut wird.
Dieser zweite Spiegel 11b reflektiert jedoch Licht, das
von Gasmolekülen 161 im
Weg des Lichtstrahls 31 gestreut wird.
-
Als
Hintergrundinformation dient die Tatsache, dass die heute verfügbaren Laserlichtquellen
ihre Ausgangsleistung leicht ändern
und dass die Lichtstärke
sich damit ebenfalls ändert.
Das Licht, das vom ersten Detektor 35a empfangen und von
einem Teilchen 29 und von Gasmolekülen gestreut wird, und das
Licht, das vom zweiten Detektor 35b empfangen und nur von
Gasmolekülen
gestreut wird, zeigen beide infolge derselben Änderungen der „Streusignal"-Stärke solche Änderungen
der Laserleistung. Doch ist die Änderung
der Laserleistung nicht das einzige Problem, mit dem ein Entwickler
eines hochempfindlichen Teilchensensors zu tun hat.
-
Detektoren
(wie die Detektoren 35a, 35b), die reflektiertes
Licht „messen", werden zufällig von
Lichtphotonen getroffen. Diese Photonen bewirken, dass der Detektor
so genanntem „Schrotrauschen" ausgesetzt wird,
einem unerwünschten,
zufälligen,
elektronischen Impuls niedriger Amplitude oder „Schlamassel", das die Qualität des Detektorausgangssignals
verschlechtert. Sogar bei Abwesenheit von den Detektor treffenden Lichtphotonen
sind die heute verfügbaren
Derektoren einem zufälligen,
elektronischen Rauschen ausgesetzt, das hier zum Unterschied zum
photonenverursachten „Schrotrauschen" als „Detektorgeräusch" bezeichnet wird.
-
Die 14 zeigt
eine Blockdiagramm-Verarbeitungsschaltungsanordnung 163,
die zur Feststellung eines Teilchens 29 verwendet wird.
Wie oben erläutert
worden ist, ändert
sich die Stärke
des Lichts, das von Gasmolekülen 161 gestreut
wird, mit sehr geringen, momentan auftretenden Änderungen der Laserleistung. Diese Änderungen
treten in jedem bekannten Laser (wie dem Laser 19) auf.
Da ein durch den Lichtstrahl wanderndes Teilchen 29 dem
Licht nur momentan ausgesetzt wird, werden diese Änderungen
von einem einzelnen Teilchen 29 nicht wahrgenommen.
-
Die
erste zusammengesetzte Wellenform 165 stellt Änderungen
der Laserausgangsleistung (die Wellenform 167 weist eine
Spitze 169 und ein Tal 171 auf) und auch (durch
mehrere Wellen 173 niedriger Amplitude der Wellenform 167)
Licht dar, das von Gasmolekülen 161 im
Prüfvolumen 95 gestreut
wird. Diese zusammengesetzte Wellenform 165 weist auch
eine kurze „Bildmarke" 175 auf,
das Licht darstellt, das im Prüfvolumen 95,
d. h. an der ersten Stelle, von einem Teilchen 29 gestreut
wird. Diese Bildmarke 175 ist sehr kurz, weil – es sei
daran erinnert – sich
ein Teilchen 29, das sich auf einem Weg 99 mit
relativ hoher Geschwindigkeit bewegt, im Prüfvolumen 95 für eine extrem
kurze Zeit aufhält.
Das Licht, das durch die erste zusammengesetzte Wellenform 165 dargestellt
wird, wird zum ersten Detektor 35a vom ersten Spiegel 11 reflektiert.
-
Die
zweite zusammengesetzte Wellenform 165a stellt in ähnlicher
Weise Änderungen
der Laserausgangsleistung dar (die Wellenform weist eine Spitze 169a und
ein Tal 171a auf) und auch (durch mehrere Wellen 173a niedriger
Amplitude der Wellenform 165a) Licht dar, das von Gasmolekülen 161 im
Quasi-Prüfvolumen 96 gestreut
wird. Die zweite zusammengesetzte Wellenform 165a weist
jedoch keine „Bildmarke" 175 auf, die
Licht darstellt, das im Prüfvolumen
vom Teilchen 29 gestreut wird. Da der erste Brennpunkt 15 des
zweiten Spiegels 11b aus dem Teilchenweg leicht verschoben
ist, wird das Licht, das an der zweiten Stelle (d. h. im Quasi-Prüfvolumen 96)
von den Gasmolekülen 161 gestreut
wird, vom zweiten Spiegel 11b zum zweiten Detektor 35b reflektiert.
-
Das
durch die zusammengesetzte Wellenform 165 dargestellte
Licht trifft den Detektor 35a bzw. 35b und bewirkt,
dass jeder Detektor als Antwort ein Ausgangsignal Es bzw. En erzeugt,
das auf einer Leitung 177 bzw. 179 fortgeleitet
wird. Es sei jedoch daran erinnert, dass die Detektoren sowohl ein
Detektorgeräusch
als auch ein Schrotrauschen erzeugen; dieses Geräusch bzw. Rauschen ist durch
Linien 181 dargestellt, die kleine Amplituden aufweisen.
Deshalb weisen die Signale, die von den Detektoren 35a und 35b auf
den Leitungen 177 und 179 weitergeleitet werden,
jeweils Merkmale auf, die Änderungen
darstellen, die sich (a) aus Änderungen
der Laserleistung, (b) aus dem Detektorgeräusch und (c) aus dem Schrotrauschen
ergeben. Doch nur das auf der Leitung 177 weitergeleitete
Signal weist ein Merkmal, d. h. die Bildmarke 175, auf,
das Licht darstellt, das im Prüfvolumen 95 von
einem Teilchen 29 gestreut wird.
-
Es
sei darauf hingewiesen, dass die Änderungen der Wellenform 167, 167a,
die durch die Spitzen 169, 169a und die Täler 171, 171a dargestellt
sind, eine Größe aufweisen,
die viel größer als
die der Wellen 173, 173a mit niedriger Amplitude
sind. Die Bedeutung dieser Tatsache besteht darin, dass die sich
aus den Änderungen
der Laserleistung ergebenden Änderungen
viel mehr die Sensorempfindlichkeit durch ein „Ausschwemmen" der Teilchenbildmarke 175 verschlechtern,
als dass es das Detektorgeräusch
und das Schrotrauschen tun.
-
Wenn
weiter die 13 betrachtet wird, so werden
das erste Ausgangssignal Es des ersten Detektors 35a und
das zweite Ausgangssignal En des zweiten Detektors 35b einer
an sich bekannten Subtraktionsschaltung 183 zugeführt und
dort weiterverarbeitet. Diese an sich bekannte Subtraktionsschaltung 183 „entfernt" von demjenigen Signal,
das auf der Leitung 177 vorhanden ist, die Wellenform,
die auf der Leitung 179 vorhanden ist und sich aus den Änderungen
der Laserleistung und aus dem Licht ergeben, das von den Gasmolekülen 161 gestreut
wird. Das sich ergebende Schaltungsausgangssignal „Es-En" auf der Leitung 185 ist
relativ „sauber" und stellt im Wesentlichen
nur Licht dar, das von aus der Luft stammenden Teilchen 29 (die „Bildmarke" 175) gestreut
wird und das Detektorgeräusch
und das Schrotrauschen enthält,
wobei diese beiden Geräusche
einen niedrigen Pegel im Vergleich zu demjenigen Signalteil aufweisen,
der das aus der Luft stammende Teilchen 29 darstellt.
-
Einige
der technisch eleganteren Aspekte der zweiten Ausführung des
Sensors 10 soll nun erläutert werden.
Beispielsweise weisen die Gasmoleküle 161 im Hohlraum 187 denselben
Druck und dieselbe Zusammensetzung auf, unabhängig davon, ob sie sich im
Prüfvolumen 95 oder
im Quasi-Prüfvolumen 96 befinden. Dadurch
wird die Wirkung von Änderungen
des Gasdrucks oder der Gaszusammensetzung auf das Licht, das auf
die Detektoren 35a, 35b trifft, und auf das Ausgangssignal
Es-En annulliert.
-
Die
Gasmoleküle 161 im
Prüfvolumen 95 und
im Quasi-Prüfvolumen 96 werden
ferner den gleichen Änderungen
der Stärke
des diese Moleküle 161 treffenden
Lichts unterworfen, wobei diese Änderungen
sich aus Änderungen
der Laserleistung ergeben können.
Das heißt,
dass keine Notwendigkeit besteht, eines der Ausgangssignale Es,
En oder Es-En aus Gründen
der Änderungen
des Gasdrucks, der Gaszusammensetzung oder der Lichtstärke zu „kompensieren". Daher ermöglicht die
zweite Ausführung
des Sensors 10 eine Konstruktion eines hoch empfindlichen
Teilchenzählers,
der insbesondere für
Teilchenweg-Strömungsgeschwindigkeiten
von 1 CFM und zur Feststellung von Teilchen 29 gut geeignet
ist, die auf solchen Wegen 99 von etwa 0,1 Mikron und kleiner
strömen.
-
Die
folgende Tabelle trägt
dazu bei, einen Teilchenzähler
herzustellen, der eine besondere Teilchenempfindlichkeit und Teilchenweg-Strömungsgeschwindigkeit
aufweist:
| Teilchenempfindlichkeit | Strömungsgeschwindigkeit | Lichtquelle |
| 0,1 μm und kleiner | 1
CFM | He-Ne-Vielfachaktiv-Hohlraum oder
1W-IR-Laserdiode |
| 0,2 μm | 1
CFM | 20MW-IR-Laserdiode |
| 0,3 μm oder größer | 1
CFM | ≤ mW sichtbare
IR-Laserdiode |
| 0,05 μm | 0,1
CFM | Bruchteil
eines Watts, sichtbarer Laser oder kleiner Strahl, Hochleistungs-He-Ne |
-
Die
folgende Information wird bei der Erläuterung zusätzlicher Aspekte des verbesserten
Sensors 10 hilfreich sein. Wenn die Wellenlänge des
beleuchtenden Strahls 31 als Mess-„Meterstab” verwendet wird, neigen die
Teilchen 29 einer Größe, die
nominal gleich oder etwas größer als
diese Wellenlänge
ist, dazu, mehr Licht in Vorwärtsrichtung,
d. h. in der Richtung der Strahl-„Vorwärtsbewegung", und auf Wegen zu streuen, die relativ
nahe zum Strahl verlaufen.
-
Wenn
die Teilchen 29 in Bezug auf eine solche Wellenlänge kleiner
werden, neigt das durch diese Teilchen gestreute Licht eher dazu,
in gleicher Weise vorwärts
und rückwärts, doch
trotzdem auf Wegen gestreut zu werden, die relativ nahe zum Strahl 31 verlaufen.
Für Teilchengrößen unter
etwa 25–30%
der Strahlwellenlänge
ist die Menge des Lichts, das seitlich (eher als vorwärts und
rückwärts) gestreut
wird, sehr klein.
-
Zu
den 2 und 7 soll bemerkt werden, dass
etwas gestreutes Licht 33a sich auf Wegen bewegt, die durch
die Pfeile 111 dargestellt sind, dass dieses Licht nicht
den Spiegel 11 trifft und dass dieses Licht deshalb nicht
zum Detektor 35 für
die Analyse reflektiert wird. Aus der obigen Erläuterung und aus der 15 geht
hervor, dass mit den Teilchen 29, die im Vergleich zur
Lichtwellenlänge
relativ klein sind, das von den Teilchen 29 gestreute Licht
generell vorwärts
oder rückwärts gerichtet
ist, wie durch die Pfeile 115 dargestellt ist. Relativ
wenig Licht wird seitlich gestreut, wie durch die Pfeile 113a, 113b dargestellt
ist. Deshalb bildet Licht, das sich seitlich auf Wegen bewegt, die
durch die Pfeile 113a, 113b dargestellt sind,
einen sehr kleinen Prozentsatz des insgesamt gestreuten Lichts.
-
Bei
einem Sensor 10, der einen aktiven Hohlraumlaser 119 mit
einem Brewster-Fenster 123 verwendet,
ist das von diesem Hohlraumlaser ausgehende Licht polarisiert, wie
durch die Pfeile in 16 dargestellt ist. Wenn dieses
polarisierte Licht jedoch ein Teilchen 29 trifft, neigt
das Licht dazu, in viele verschiedene Richtungen reflektiert zu
werden, trotz weit unterschiedlicher Stärken in Übereinstimmung mit der 15 und
der obigen Erläuterung.
-
Für diesen
Teil der Beschreibung soll angenommen werden, dass die Polarisationsebene 191 mit
dem Zeichnungsblatt der 15 übereinstimmt.
Die 17 stellt die winklige Streustärke für Licht dar, das senkrecht
zur in 16 gezeigten Ebene 191,
d. h. in die Zeichenebene der 16 und
aus dieser Zeichenebene heraus bei der Betrachtung der 15,
polarisiert (durch Reflektion vom Teilchen 29) ist. Eine
Linie 193 stellt Licht dar, das von einem Teilchen 29 mit
einer Größe von 0,1
Mikron gestreut wird, während
eine Linie 195 Licht darstellt, das von einem Teilchen 29 mit
einer Größe von 0,0633
Mikron gestreut wird. Es ist klar, dass für senkrecht polarisiertes Licht
die Stärke
im Wesentlichen konstant ist, unabhängig vom Streuwinkel, bei dem (in 17)
ein Streuwinkel von 0° in
Vorwärtsrichtung
vorliegt, die durch den Pfeil 197 (15) angedeutet ist,
bei dem ein Streuwinkel von 90° in
einer Richtung vorliegt, die durch die Pfeile 199 (16)
angedeutet ist, und bei dem ein Streuwinkel von 180° in einer
Richtung vorliegt, die durch den Pfeil 201 (15)
angedeutet ist.
-
Die 18 zeigt
die winklige Streustärke
für Licht,
das (wie vorher durch Reflektion vom Teilchen 29) polarisiert
ist, doch parallel zur in 16 gezeigten
Ebene 191, d. h. in Übereinstimmung
mit der Zeichenebene der 15. Eine
Linie 203 stellt Licht dar, das vom Teilchen 29 mit
einer Größe von 0,1
Mikron gestreut wird, während
eine Linie 205 Licht darstellt, das von Teilchen 29 mit
einer Größe von 0,0633
Mikron gestreut wird. Es ist klar, dass für parallel polarisiertes Licht
die Stärke
in der Vorwärtsrichtung
und der Rückwärtsrichtung
(in 15 durch einen Pfeil 197 bzw. in 16 durch
einen Pfeil 201 angedeutet) am größten ist und bei einem Streuwinkel
von etwa 90° sehr
klein ist. Bei einem Streuwinkel von 90° hängen beispielsweise die Stärkeänderungen
von dem betrachteten, besonderen Polarisationswinkel ab.
-
Daher
ergibt die Positionierung des Eingangsrohrs 25 im rückwärtigen Teil
des Spiegels 11, 11a gemäß 7 oder 11 nur
eine geringe Verschlechterung der Lichtsammelqualitäten des
Sensors 10. Dies rührt
daher, dass mindestens für
parallel polarisiertes Licht dieser rückwärtige Teil relativ wenig Licht
empfängt und
reflektiert.
-
Die 19 und 20 zeigen
eine weitere Variante der zweiten Ausführung des Sensors 10.
Als erste lichtsammelnde Vorrichtung 12 umfasst der Sensor 10 einen
elliptischen Spiegel 11 mit dessen primären Brennpunkt 15,
der mit dem Prüfvolumen 95 übereinstimmt.
Im Übrigen
ist die Anordnung des Spiegels 11 und dessen Detektors 35a im
Wesentlichen der Anordnung des Spiegels 11a und dessen
Detektors 35a gleich, die in 11 gezeigt
und in Verbindung mit dieser Figur beschrieben sind.
-
Als
zweite Lichtsammelvorrichtung 14, die Licht im Wesentlichen
nur von den Gasmolekülen 161 streut,
umfasst der Sensor 10 ein Abbildungssystem 209 mit
mindestens einer Linse 211. Bei einer sehr bevorzugten
Ausführung
umfasst ein solches System 209 ein Paar aus Linsen 211a, 211b,
die (bevorzugt) Fresnel-Linsen,
asphärische
Linsen oder sphärische
Linsen sein können.
Eine kurze Brennpunktlänge
wird für
beste, lichtsammelnde Eigenschaften bevorzugt. Die Linsen 211a, 211b sammeln
und konzentrieren Licht, das (wie in 9 gezeigt)
vom Teilchen 29 und von den Gasmolekülen 161 reflektiert
wird.
-
Es
sei darauf hingewiesen, dass Lichtstrahlen 213, die vom
Zentrum des Prüfvolumens 95 ausgehen, Licht
darstellen, das von einem Teilchen 29 reflektiert wird,
während
Strahlen 215, die von außerhalb dieses Zentrums ausgehen,
Licht darstellen, das von Gasmolekülen 161 reflektiert
wird. Anders gesagt wird das „Bild" des Prüfvolumens 95 in
Richtung der Oberfläche
des Detektors 35b projiziert. Die Strahlen, die Licht darstellen,
das vom Teilchen 29 reflektiert wird, trifft den Detektor 35b in
der Nähe
von dessen zentralen Teil 217, während die Strahlen, die Licht
darstellen, das von Gasmolekülen 161 reflektiert
wird, diesen Detektor 35b näher dem Umfang treffen.
-
Bei
einer sehr bevorzugten Ausführung
ist der Detektor 35b derart ausgebildet, dass er ein Signal
erzeugt, das nur Licht darstellt, das von den Gasmolekülen 161 reflektiert
wird. Aus diesem Grund umfasst der Detektor 35b eine undurchsichtige Maske 221,
die über
dem zentralen Teil dieses Detektors angeordnet ist. Die Maske 221 blockiert
Licht, das vom Teilchen 29 reflektiert wird, lässt aber
Licht, das von den Gasmolekülen reflektiert
wird, zum Detektor 35b durch. Der Detektor 35b erzeugt
somit ein „Nur-von-Molekülen"-Signal, das von
demjenigen Signal subtrahiert wird, das Licht darstellt, das sowohl
vom Teilchen 29 als auch von den Molekülen 161 reflektiert
wird.
-
Die
Prinzipien der Erfindung sind in Verbindung mit besonderen Ausführungen
beschrieben worden, die jedoch nur als Beispiele gezeigt und beschrieben
worden sind und die nicht die Erfindung begrenzen sollen.