DE10350051A1 - Rauscharmer Intracavity-Laserteilchenzähler - Google Patents

Rauscharmer Intracavity-Laserteilchenzähler Download PDF

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DE10350051A1
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Todd A. Mead Cerni
Dwight A. Longmont Sehler
Mark A. Lafayette Lilly
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Abstract

Ein optischer Teilchenzähler hat einen verstärkungsapertureingestellten Laserresonator, der Laserlicht erzeugt, einen Strahleinlaß, der Fluidströmung in einen Teilchendetektionsbereich innerhalb des Laserresonators führt, wobei der Strahleinlaß eine Strahleinlaßöffnung hat, eine Detektionsoptikanordnung, die so angeordnet ist, daß sie Licht auffängt, das von Teilchen mit dem Detektionsbereich gestreut wird, zum Erzeugen eines Ausgangssignals als Anzeige der Teilchen; und einen optischen Sperrenkomplex, der so angeordnet ist, daß er Rauschen im Vergleich zum verstärkungsapertureingestellten System ohne den optischen Sperrenkomplex für Fluidströmungsgeschwindigkeiten von größer oder gleich etwa 0,1 Kubikfuß je Minute reduziert. Der optische Sperrenkomplex hindert Laserlicht daran, turbulente Wirbelströme zu beleuchten, die an den Innenwänden des Strahleinlasses entstehen. Der optische Sperrenkomplex weist eine oder mehrere körperliche Aperturen und/oder eine oder mehrere optische Blenden auf, die so angeordnet sind, daß sie verhindern, daß Laserlicht die Wirbelströme beleuchtet.

Description

  • Die Erfindung betrifft allgemein Systeme, die Lichtstreuungsprinzipien nutzen, um unerwünschte Teilchen in Fluiden zu detektieren und zu zählen, in der Technik als Lichtstreuungs-Teilchenzähler bezeichnet, und insbesondere leistungsstarke, rauscharme Intracavity-Laser-Teilchenzähler.
  • Die Geschichte der Halbleiterindustrie zeigt einen beständigen Weg stetig abnehmender Linienbreiten. Die Planungen der Halbleiterindustrie für die Zukunft zeigen, daß sich dieser Trend unvermindert fortsetzt. Kleinere Halbleiterliniebreiten bedeuten kleinere kritische Defektgrößen, die ihrerseits die Detektion kleinerer Teilchen zur effektiven Kontaminationsüberwachung von Reinraumluft erfordern. Folglich drängen die Halbleiterplanungen Forscher fortwährend dazu, immer empfindlichere optische Teilchenzähler zu entwickeln, um immer kleinere Teilchengrößen zu messen. Um eine statistisch gesicherte Probe in einer angemessenen Zeit zu erhalten, sollten beim Betrieb in einer sehr reinen Umgebung leistungsstarke optische Teilchenzähler auch hohe Probenraten (beprobtes Luftvolumen je Zeiteinheit) haben.
  • Ein bestehendes Teilchendetektionssystem ist in der US-A-5889589 , erteilt am 30. Mai 1999 für Jon C. Sandberg (Patent '589), beschrieben. Der optische Teilchenzähler des Patents '589 mißt gestreute Laserstrahlung von Teilchen, die ein Probenvolumen durchlaufen. Die Größe der gestreuten Laserstrahlung ist proportional zur Teilchengröße, und jedes Teilchen erzeugt einen einzelnen optischen Impuls. Dadurch kann der Teilchenzähler Teilchen detektieren, die das Probenvolumen durchlaufen. Für Teilchen, die viel kleiner als die Laserwellenlänge sind (der "Rayleigh-Bereich"), ist die Größe gestreuter Laserstrahlung proportional zur sechsten Potenz des Teilchendurchmessers. Somit wird es schnell sehr schwierig, zunehmend kleinere Teilchen zu messen.
  • Um die hohe Intracavity-Leistung des Festkörperlasers vorteilhaft zu nutzen, wird die Probenluft durch den aktiven Resonator des Lasers durch einen Strahleinlaß geführt, der nahe dem Laserstrahl plaziert ist. Probenluft wird durch das Probenvolumen gesaugt, indem eine Vakuumquelle am Strahlauslaß angelegt wird.
  • Das Lasermedium wird durch eine optische Pumpquelle optisch gepumpt, deren Ausgabe allgemein über ein Fokussierlinsensystem gekoppelt ist. Das Lasermediumelement kann eines aus einer Familie von Kristallen sein, z. B. Nd:YAG, Nd:YLF, Nd:YALO, Nd:YVO4. Durch Verwendung einer Linse, um die Diodenlaser-Pumpstrahlung auf eine kleine Taille innerhalb des Festkörperlaserkristalls zu fokussieren, erhält man eine A-pertursteuerung durch Verstärkungsapertureinstellung. Diese Gestaltung führt zu einer einzelnen T-Mode und einer hohen Intracavity-Leistung.
  • Das Patent '589 identifiziert mehrere Nutzeffekte seines Systems mit Verstärkungsapertureinstellung gegenüber dem Stand der Technik, u. a. Ermöglichen des Betriebs mit schwacher Abhängigkeit von der Form, Größe und Ausrichtung des Pumpvolumens, Reduzieren von strömungsinduziertem Laserrauschen und Ermöglichen des Hochleistungsbetriebs. Siehe dazu das Patent '589, Spalte 6, Zeilen 11 bis 27. Außerdem identifiziert das Patent '589 Probleme im Zusammenhang mit dem Kombinieren einer körperlichen Apertureinstellung mit einer Verstärkungsapertureinstellung. Nach Beschreibung einer Ausführungsform, in der eine Apertur mit einem Durchmesser von etwa einem Millimeter einem System mit Verstärkungsapertureinstellung zugefügt ist, erklärt das Patent '589, daß "das Vorhandensein der körperlichen Apertur die Intracavity-Leistung und das relative Rauschen beeinträchtigen, wenn die Strömungsgeschwindigkeit erhöht ist." Siehe dazu das Patent '589, Spalte 7, Zeilen 6 bis 8. Folglich lehrt das Patent '589 spezifisch eine Abwendung von der Kombination der körperlichen Apertureinstellung mit der Verstärkungsapertureinstellung.
  • Um sehr kleine Teilchen, z. B. 0,065 Mikrometer (um) oder noch kleinere Teilchen, in einem mit einer Geschwindigkeit von größer oder gleich 1,0 Kubikfuß je Minute (ft3/min) strömenden Fluid mit einem Wirkungsgrad von mindestens 30 % genau zu detektieren, ist es stark erwünscht, ein Lasersystem mit rauscharmem sowie leistungsstarkem Betrieb vorzusehen. Der Teilchenzähler des Patents '589 hat höhere Rauschpegel als erwünscht, die durch Rauschstöße mit relativ großer Amplitude gekennzeichnet sind. Allgemein müssen Detektorschwellwerte hoch genug eingestellt sein, um das im ungünstigsten Fall auftretende Rauschen zu unterdrücken, um so Falschzählungen zu unterdrücken. Allerdings unterbinden diese erhöhten Schwellwerte allgemein die wirksame Detektion sehr kleiner Teilchen mit einem angemessenen Zählwirkungsgrad bei Fluidströmungsgeschwindigkeiten von größer oder gleich 1,0 ft3/min.
  • Somit besteht in der Technik Bedarf, den leistungsstarken Laserbetrieb zu wahren, während der Rauschpegel solcher Laser reduziert ist, um die wirksame Detektion kleiner Teilchen mit einem erwünschten Zählwirkungsgrad bei Fluidströmungsgeschwindigkeiten gleich oder kleiner als 1,0 ft3/min zu ermöglichen.
  • Die Erfindung verbessert die Technik und trägt zur Überwindung der o. g. Probleme bei, indem sie ein System bereitstellt, das Hochleistungsbetrieb mit wirksamer Rauschreduzierung kombiniert, um eine rationelle Zählung sehr kleiner Teilchen in einem optischen Teilchenzähler zu ermöglichen. Die Erfindung stellt einen optischen Teilchenzähler bereit, der sowohl Verstärkungsapertureinstellung als auch eine optische Sperre aufweist, die Anteile des Laserstrahls körperlich abfängt, die zum Rauschen beitragen. Insbesondere wurde festgestellt, daß turbulente Wirbel, die den Fluideinlaßstrahl aufbrechen, Licht streuen, was zu Streulicht beiträgt, das in den Lichtdetektor eintreten kann. Festgestellt wurde, daß eine optische Sperre, z. B. eine Laserstrahlapertur oder eine optische Blende, dieses Streulicht wirksam reduziert.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung stellt einen Intracavity-Teilchenzähler bereit, der einen optischen Sperrenkom plex einsetzt, um Diffusion von Laserlicht in turbulente Strömung und/oder in Wirbelströmung zu unterbinden. Die betreffende Strömung liegt allgemein in der Nähe einer Strahleinlaßöffnung und allgemein außerhalb eines Teilchendetektionsbereichs des Intracavity-Teilchenzählers vor.
  • Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Intracavity-Laserdetektion zum optischen Detektieren einzelner Teilchen bereit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Festkörperlaserresonators mit Laserlicht; Verstärkungsapertureinstellen des Laserresonators mit einer optischen Pumpe; Bereitstellen von Fluidströmung mit einem Teilchen in einem Detektionsbereich innerhalb des verstärkungsapertureingestellten Laserresonators, die durch das Laserlicht beleuchtet wird; Auffangen von Licht, das durch das Teilchen gestreut wird, und Erzeugen eines Ausgangssignals als Anzeige des Teilchens; und Anordnen eines optischen Sperrenkomplexes, um Rauschen im Ausgangssignal bei Strömungsgeschwindigkeiten der Fluidströmung von größer oder gleich etwa 0,1 Kubikfuß je Minute zu reduzieren. Vorzugsweise hat das Teilchen eine Größe von höchstens 0,1 Mikrometer. Vorzugsweise weist das Anordnen den Schritt des Anordnens des optischen Sperrenkomplexes auf, um strömungsinduzierte Störungen in Hintergrundlicht zu reduzieren. Vorzugsweise weist das Anordnen den Schritt des körperlichen Apertureinstellens des Laserlichts auf. Vorzugsweise wird die Fluidströmung durch eine Strahleinlaßöffnung bereitgestellt, und das Anordnen weist den Schritt des Abschattens der Strahleinlaßöffnung gegenüber dem Laserlicht auf.
  • In einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum optischen Detektieren einzelner Teilchen bereit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Laserstrahls in einem Intracavity-Laserstrahl unter Verwendung eines Festkörperlasermediums; Leiten einer Strömung aus teilchenhaltigem Fluid durch den Laserstrahl unter Nutzung einer Aerosolstrahldüse, so daß Licht vom Laserstrahl durch das Teilchen gestreut wird; und Auffangen von Licht, das durch das Teilchen gestreut wird, und Erzeugen eines Ausgangssignals als Anzeige des Teilchens, wobei das Aus gangssignal im wesentlichen frei von Rauschen ist, das durch das Ablösen turbulenter Wirbel von den Innenwänden der Aerosolstrahldüse verursacht wird. Vorzugsweise hat das Teilchen eine Größe von höchstens 0,1 Mikrometer.
  • In noch einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum optischen Detektieren einzelner Teilchen in einem Laserresonator bereit, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: optisches Pumpen eines Lasermediums innerhalb des Laserresonators, um Laserlicht zu erzeugen; Verstärkungsapertureinstellen des Laserresonators; Leiten einer Teilchen enthaltenden Fluidströmung in den Laserresonator, wobei die Fluidströmung Wirbelströme aufweist; Auffangen von Laserlicht, das von den Teilchen gestreut wird, um eine Ausgabe als Anzeige der einzelnen Teilchen zu erzeugen; und Verhindern, daß das bereitgestellte Laserlicht auf die Wirbelströme trifft. Vorzugsweise weist das Verhindern den Schritt des körperlichen Apertureinstellens des Laserlichts auf. Vorzugsweise weist das Verhindern den Schritt des Abschattens einer Strahleinlaßöffnung gegenüber Beleuchtung durch das erzeugte Laserlicht auf. Vorzugsweise weist das Abschatten den Schritt des Anordnens einer ersten optischen Blendenstruktur zwischen einer Quelle des Laserlichts und der Strahleinlaßöffnung auf. Vorzugsweise weist das Abschatten ferner den Schritt des Anordnens einer zweiten optischen Blendenstruktur zwischen einem Laserresonator-Endspiegel und der Strahleinlaßöffnung auf. Vorzugsweise weist das körperliche Apertureinstellen den Schritt des Bereitstellens einer ersten Aperturanordnung zwischen dem Lasermedium und dem Detektionsbereich und einer zweiten Aperturanordnung zwischen einem Laserresonator-Endspiegel und dem Detektionsbereich auf.
  • In noch einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Vorrichtung zur Intracavity-Detektion von Teilchen bereit, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Laserresonator; ein Festkörperlasermedium, das innerhalb des Laserresonators angeordnet ist; eine optische Pumpquelle, die zum Festkörperlasermedium gerichtet ist; eine Fokussiereinheit zum Fokussieren von Pumplicht, das durch die optische Pumpquelle bereitgestellt wird, in das Festkörperlasermedium, um eine Verstär kungsapertureinstellung des Laserresonators zu erreichen und um das Festkörperlasermedium anzuregen, Laserlicht innerhalb des Laserresonators bereitzustellen; eine Teilchenquelle zum Einleiten von Teilchen in einen Detektionsbereich innerhalb des Laserresonators und im Weg des Lasers; eine Detektionsoptikanordnung, die so angeordnet ist, daß sie Licht vom Detektionsbereich auffängt; und einen optischen Sperrenkomplex zum Abschirmen von Wirbelstrom-Fluidströmung, die in einem Bereich auftritt, aus dem Licht in den Detektionsbereich gelangen kann, gegenüber Einwirkung des Laserlichts. Vorzugsweise weist der optische Sperrenkomplex eine körperliche Apertur auf. Vorzugsweise weist der optische Sperrenkomplex auf: eine erste Aperturanordnung, die zwischen der optischen Pumpquelle und dem Detektionsbereich angeordnet ist; und eine zweite Aperturanordnung, die zwischen einem Laserresonator-Endspiegel des bereitgestellten Laserlichts und dem Detektionsbereich angeordnet ist. Vorzugsweise weist die erste Aperturanordnung eine Aperturplatte auf. Vorzugsweise weist die erste Aperturanordnung mehrere Aperturplatten auf. Vorzugsweise weist die zweite Aperturanordnung eine Aperturplatte auf. Vorzugsweise weist die zweite Aperturanordnung mehrere Aperturplatten auf. Vorzugsweise weist der optische Sperrenkomplex eine optische Blende auf. Vorzugsweise weist der optische Sperrenkomplex auf: eine erste optische Blendenstruktur, die zwischen der optischen Pumpquelle und dem Bereich angeordnet ist, in dem die Wirbelstrom-Fluidströmung auftritt; und eine zweite optische Blendenstruktur, die zwischen dem Laserresonator-Endspiegel des bereitgestellten Laserlichts und dem Bereich angeordnet ist, in dem die Wirbelstrom-Fluidströmung auftritt. Vorzugsweise liegt der Bereich, in dem die Wirbelstrom-Fluidströmung auftritt, nahe einer Strahleinlaßöffnung. Vorzugsweise ist das Festkörperlasermedium ein dotiertes Medium. Vorzugsweise ist die optische Pumpquelle ein Halbleiterlaser.
  • Gemäß noch einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung einen optischen Teilchenzähler bereit, der aufweist: einen verstärkungsapertureingestellten Laserresonator, der Laserlicht erzeugt; einen Strahleinlaß, der Fluidströmung in einen Teilchendetektionsbereich innerhalb des Laserresonators führt, wobei der Strahleinlaß eine Strahleinlaßöffnung hat; eine Detektionsoptikanordnung, die so angeordnet ist, daß sie Licht auffängt, das von Teilchen mit dem Detektionsbereich gestreut wird, zum Erzeugen eines Ausgangssignals als Anzeige der Teilchen; und einen optischen Sperrenkomplex, der so angeordnet ist, daß er Rauschen im Vergleich zum verstärkungsapertureingestellten System ohne den optischen Sperrenkomplex für Fluidströmungsgeschwindigkeiten von größer oder gleich etwa 0,1 Kubikfuß je Minute reduziert. Vorzugsweise weist der optische Sperrenkomplex eine Aperturanordnung auf, die für körperliches Apertureinstellen des Laserlichts sorgt. Vorzugsweise weist der optische Sperrenkomplex eine erste optische Blendenstruktur zum Abschatten der Strahleinlaßöffnung gegenüber Einwirkung des Laserlichts auf. Vorzugsweise wirken die erste optische Blendenstruktur, das Verstärkungsapertureinstellen und das körperliche Apertureinstellen zusammen, um strömungsinduzierte Hintergrundlichtstörungen im Teilchenzähler zu beseitigen. Vorzugsweise besteht die Aperturanordnung im wesentlichen aus einer einzelnen Aperturplatte. Vorzugsweise weist die Aperturanordnung mehrere Aperturplatten auf. Vorzugsweise ist die Strahleinlaßöffnung vom Laserlicht weg zwischen 0,010 Inch und 0,040 Inch im Hinblick auf ein erstes Ende der ersten optischen Blendenstruktur eingelassen. Vorzugsweise weist der optische Sperrenkomplex eine erste optische Blendenstruktur zum Abschatten der Strahleinlaßöffnung gegenüber Einwirkung des Laserlichts auf. Vorzugsweise besteht die erste optische Blendenstruktur im wesentlichen aus einer einzelnen optischen Blende. Vorzugsweise weist die erste optische Blendenstruktur mehrere optische Blenden auf. Vorzugsweise weist der optische Sperrenkomplex ferner eine zweite optische Blendenstruktur auf einer entgegengesetzten Seite der Strahleinlaßöffnung von der ersten optischen Blendenstruktur auf.
  • Die Erfindung ermöglicht, einen verstärkungsapertureingestellten Resonator zu verwenden, um zuverlässig Teilchen von 0,065 um (Mikrometer) oder kleiner bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,0 Kubikfuß je Minute mit einem Zählwir kungsgrad von größer oder gleich 30 o zu detektieren. Diese und andere Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten exemplarischen Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen deutlicher hervor. Es zeigen:
  • 1 eine explodierte Perspektivansicht eines Teilchenzählers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 eine explodierte Perspektivansicht einer Lichtfallenanordnung;
  • 3A eine Draufsicht einer Aperturplatte;
  • 3B eine Seitenansicht einer Kante der Aperturplatte gemäß 3A;
  • 4 eine schematische Seitenansicht eines Teilchenzählers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
  • 5A eine Draufsicht einer Strahleinlaßdüse;
  • 5B eine Seitenansicht der Strahleinlaßdüse gemäß 5A;
  • 5C eine Schnittansicht der Strahleinlaßdüse gemäß 5A;
  • 5D eine Perspektivansicht der Strahleinlaßdüse gemäß 5A;
  • 6A eine Perspektivansicht eines Düsengehäuses;
  • 6B eine Draufsicht des Düsengehäuses gemäß 6A; 6C eine vordere Endansicht des Düsengehäuses gemäß 6A; und
  • 7 eine obere Querschnittansicht eines Strahleinlasses in der Nähe eines Laserstrahls.
  • In dieser Offenbarung ist der Terminus "Licht" nicht auf sichtbare Strahlung beschränkt, sondern dient in weitgefaßtem Sinn zur Bezeichnung jeder elektromagnetischen Strahlung. In dieser Offenbarung ist Laserlicht, das direkt aus einer Laservorrichtung austritt, "Ausgangslaserlicht"; und Laserlicht, das durch einen Laserresonator-Endspiegel reflektiert wird, ist "reflektiertes Laserlicht".
  • In dieser Offenbarung weist eine Aperturanordnung eine oder mehrere körperliche Aperturen auf. Eine "Aperturanordnung" ist äquivalent zu einer in 1, 2 und 4 gezeigten "Lichtfallenanordnung". In dieser Offenbarung sind "Apertur", "körperliche Apertur" und "Aperturplatten" äquivalent. In dieser Offenbarung ist eine "optische Blendenstruktur" eine Struktur zum Verhindern, daß diffuses Laserlicht eine Öffnung für Fluidströmung erreicht, die zwischen dieser Öffnung und einer Laserlichtquelle oder zwischen der Öffnung und einem Laserresonator-Endspiegel liegt. Eine einzelne optische Blendenstruktur kann eine oder mehrere optische Blenden aufweisen. Mehrere optische Blenden können in einer einzelnen optischen Blendenstruktur durch Bearbeiten der optischen Blendenstruktur vorgesehen sein, um mehrere Hindernisse für Lichteinwirkung vorzusehen. Alternativ kann eine Sammlung getrennter Teile zusammengebaut sein, um eine optische Mehrfachblendenstruktur zu bilden. Hierin ist ein "optisches Blendenpaar" eine optische Blendenstruktur mit zwei optischen Blenden. Hierin weist ein "optischer Sperrenkomplex" ein oder mehrere Hindernisse auf, die in der Tendenz die Streuung von Laserlicht zu einem ausgewählten Bereich unterbinden. Ein exemplarischer optischer Sperrenkomplex kann eine oder mehrere Aperturanordnungen und/oder eine oder mehrere optische Blendenstrukturen aufweisen. Ein optischer Sperrenkomplex kann eine oder mehrere Aperturen (zu einer Aperturanordnung gehörend oder nicht gehörend) und/oder eine oder mehrere optische Blenden (zu einer optischen Blendenstruktur gehörend oder nicht gehörend) aufweisen. Ein exemplarischer optischer Sperrenkomplex kann so arbeiten, daß er Laserlichtdiffusion zu einem Bereich außerhalb eines Teilchendetektionsbereichs und/-oder in der Nähe einer Strahleinlaßöffnung unterbindet.
  • In dieser Offenbarung werden die Termini "Laserlicht", "Laserstrahl" und "Laserstrahlung" gegenseitig austauschbar verwendet. Eine "Fokussiereinheit" ist eine Vorrichtung zum Fokussieren von Licht, u. a., aber nicht nur, eine Linse zum Fokussieren eines Laserstrahls, ein Reflektor und/oder ein Spiegel. Ein "Laserresonator-Endspiegel" liegt auf der entgegengesetzten Seite des Laserresonators vom Laserkristall (Lasermedium). Ein Reflektor 405 in 4 veranschaulicht ein Beispiel für einen Laserstrahl-Reflektorspiegel. Der Terminus "Laserstrahlreflektor" wird mit dem Terminus "Laserstrahl-Re flektorspiegel" gegenseitig austauschbar verwendet. Hierin sind "optische Pumpen" und "optische Pumpquellen" Lichtquellen zum Bestrahlen eines Lasermediums.
  • Zu beachten ist, daß sich diese Offenbarung auf Fluidteilchenzähler beschränkt, was ein Terminus technicus ist. Es gibt Teilchenzähler, die Teilchen in einem Vakuum detektieren. Da kein Fluid vorhanden ist oder besser etwaiges Fluid im Vergleich zu normalen Fluiden verdünnt ist, sind Probleme im Zusammenhang mit Fluidströmung, Lichtstreuung vom Fluid und den verwendeten Vorrichtungen zur Steuerung der Fluidströmung nicht vorhanden, und die Physik solcher Teilchenzähler unterscheidet sich stark von der von Fluidteilchenzählern. Ferner sollte beachtet werden, daß die hierin offenbarten Teilchenzähler so gestaltet sind, daß sie einzelne Teilchen detektieren können, die in einem strömenden Fluid keinen Beschränkungen unterliegen, was sie von anderen Systemen unterscheidet, die die Teilchen des Fluids selbst, in einem Fluid suspendierte Teilchenwolken oder Teilchen detektieren und analysieren, die im Fluid Beschränkungen unterliegen, z. B. solchen Beschränkungen, daß sie in einer einzelnen Linie an einem Lichtstrahl vorbeiströmen. Dem Fachmann ist klar, daß es eine viel schwierigere Aufgabe ist, einzelne Teilchen zu detektieren und zu messen, die ohne Beschränkungen in einem Fluid strömen; daher gehört zur Technik der Teilchenzählung eine andere Technologie als bei diesen anderen Detektions- und Analysensystemen für Teilchen.
  • Allgemein akzeptiert ist, daß Rauschen bei optischen Intracavity-Teilchenzählern aus vier Quellen stammen kann: (1) elektronisches Rauschen, (2) optisches Rauschen aus Hintergrundlicht, (3) strömungsinduziertes Laserleistungsrauschen und (4) optisches Rauschen aus Molekularstreuung. Elektronisches Rauschen ist allgemein kein Begrenzungsfaktor für die meisten modernen optischen Teilchenzähler, da die Signalverarbeitungssysteme so gestaltet sind, daß ihre Rauschpegel kleiner als jene sind, die sich aus optischen Rauschquellen ergeben. Optisches Rauschen aus Hintergrundlicht kann ein leistungsbegrenzender Faktor für optische Teilchenzähler je nach der Gestaltung der optischen Bank und der Nähe des Detektionsbereichs zu Oberflächen sein, die Laserstrahlung reflektieren können. Strömungsinduziertes Laserleistungsrauschen ist allgemein ein Problem nur für optische Intracavity-Teilchenzähler, und bezeichnet klassisch Rauschen, das in der Laserresonatorleistung durch die Luft induziert wird, die durch den Laserstrahl strömt. Optisches Rauschen aus Molekularstreuung bestimmt den theoretischen Leistungsgrenzwert für alle optischen Teilchenzähler. Ein Ziel von Konstrukteuren optischer Teilchenzähler ist, Rauschen aus allen anderen Quellen zu reduzieren, so daß Rauschen aus Molekularstreuung die dominante Rauschquelle ist.
  • Um strömungsinduziertes Laserleistungsrauschen zu minimieren, sollte die Luftströmung durch den Laserstrahl laminar sein. Das Vorliegen laminarer Strömung verweist auf abwesende Turbulenz. Für laminare Strömung zu sorgen erfordert allgemein, daß die Strahleinlaßöffnung sehr nahe zur Mitte des Laserstrahls liegt, so daß die Öffnung sehr nahe zum Detektionsbereich liegt, der durch das Detektorsichtfeld festgelegt ist. Die Realisierung von laminarer Strömung durch den Laserstrahl profitiert auch von der genauen Ausrichtung der Strahleinlaßöffnung zum Laserstrahl.
  • Im System des Patents '589 werden Teilchen aus einer Teilchenquelle in einen Detektionsbereich (Probenvolumen) durch einen Strahleinlaß mit einer Öffnung eingeleitet. Allgemein steigt die Menge von optischem Rauschen infolge von Hintergrundlicht mit zunehmender Nähe der Strahleinlaßöffnung zum Detektionsbereich. Anfänglich schien das System des Patents '589 optisches Rauschen aus Hintergrundlicht erfolgreich zu unterdrücken. Allerdings wurden später große, transiente Rauschstöße beobachtet, deren Ursprung unbekannt war und die nicht steuerbar waren. Dieses transiente Rauschen verhinderte, daß die Gestaltung des Patents '589 optimale Leistungskennwerte erreichte.
  • Die Erfinder entdeckten, daß das beobachtete transiente Rauschen allgemein mit zunehmender Fluidströmungsgeschwindigkeit stieg und eine geringe Häufigkeit hatte, wobei große Stöße nur alle 0,5 bis 5 Minuten auftreten. Solche großen Rauschstöße sind problematisch, da ein einzelner derartiger Stoß eine große Anzahl falscher Teilchenzählungen erzeugen konnte. Die Erfinder vermuteten anfangs, daß strömungsinduziertes Laserrauschen die Ursache für diese großen Rauschstöße war. Allerdings zog eine Folge von Beobachtungen, die zu diesen Rauschstößen gehörten, diesen Anfangsverdacht in Zweifel. Insbesondere erfaßte nur eine Minderheit von Detektorelementen innerhalb einer Detektoranordnung die transienten Rauschstöße. Da unterschiedliche Detektorelemente innerhalb der Detektoranordnung unterschiedliche Abschnitte des Probenvolumens abbilden, zog man die Schlußfolgerung, daß die Ursache für das transiente Rauschen in einem speziellen Segment des Probenvolumens lag. Da die Signalverarbeitung zur Rauschunterdrückung (beschrieben in der US-A-4893928 ) annimmt, daß strömungsinduziertes Laserrauschen gleichmäßig über alle Detektorelemente in der Detektoranordnung erfaßt wird, widerlegt das beobachtete große Mißverhältnis der Rauschintensität zwischen unterschiedlichen Detektorelementen in der Tendenz den Verdacht, daß strömungsinduziertes Laserrauschen die Quelle für das Problem war.
  • Statt dessen steht das beobachtete Rauschdetektionsmuster unter den Detektorelementen mit einem Ereignis im Einklang, das für einen speziellen Bereich im oder nahe dem Probenvolumens spezifisch ist. Die Erfinder beobachteten, daß die transiente Natur des Rauschens mit der Erzeugung turbulenter Wirbelströme von den Innenwänden 525 des Strahleinlasses 113 (5C und 7) im Einklang stand. Somit ergab sich das Volumen in der Nähe des Strahleinlasses als "spezieller Bereich", der für das beobachtete transiente Rauschen potentiell verantwortlich war.
  • Der Bereich in der Nähe des Strahleinlasses liegt außerhalb des Probenvolumens des Zeilchenzählers, aber dennoch innerhalb des Bereichs von gestreutem Laserlicht, der durch Detektorelemente meßbare Reflexionen erzeugen kann. Die Erfinder gingen davon aus, daß das Auftreffen von diffusem Laserlicht auf turbulente Strömung und Wirbelströme im Strahleinlaßbereich für die beobachteten transienten Rauschsignale zuständig sein könnte. Somit entwickelten die Erfinder die Theorie, daß das beobachtete transiente Rauschen Ergebnis einer zuvor nicht identifizierten Erscheinung strömungsinduzierter Störungen in Hintergrundlicht war, die aus dem Auftreffen von diffusem Laserlicht auf turbulente Strömung und Wirbelstrom-Fluidströmung nahe der Strahleinlaßöffnung herrührten.
  • Diese Theorie, die eine zuvor unbekannte Rauschquelle für optische Intracavity-Teilchenzähler mit diodengepumptem Festkörperlaser (DPSSL) identifizierte, führte zu konstruktiven Verbesserungen, die das Realisieren erwünschter konstruktiver Spezifikationen auf vorhersagbarer Grundlage ermöglichten, und zur Erzeugung eines kommerziellen Instruments, das zuverlässig und produzierbar ist. Eine Verbesserung, die als Reaktion auf die vermutete Ursache für das transiente Rauschen eingeführt wurde, ist der Einbau einer körperlichen Apertureinstellung des Laserstrahls zusätzlich zur Verstärkungsapertureinstellung, die im Patent '589 offenbart ist. Eine weitere Verbesserung ist die Einarbeitung optischer Blenden in ein Strahleinlaßgehäuse, die im Hinblick auf den Strahleinlaß so positioniert sind, daß ausreichende Abschattung der Strahleinlaßöffnung gegenüber Einwirkung von gestreutem Laserlicht durchgängig erreicht wird.
  • 1 ist eine explodierte Perspektivansicht eines Teilchenzählers 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Vorzugsweise verfügt der Teilchenzähler 100 über eine Laseroptikanordnung 101, eine Strömungskammeranordnung 102 und eine Detektionsoptikanordnung 103. Die Laseroptikanordnung 101 verfügt vorzugsweise über eine Laserfokussieroptikanordnung 104, zwei Laserstrahl-Aperturanordnungen 105 (eine auf jeder Seite eines Probenblocks 108) und eine Laserresonator-Spiegelanordnung 106. Die Strömungskammeranordnung 102 verfügt vorzugsweise über eine Strahleinlaßanordnung 107, die einen Strahleinlaß 113 aufweist, den Probenblock 108 und einen Austrittsanschluß 109. Der Strahleinlaß 113 verfügt vorzugsweise über eine Strahleinlaßdüse 500 und ein Düsengehäuse 600 und wird in Verbindung mit 7 näher diskutiert. Eine Austrittsbohrung 115 ist unten rechts am Probenblock 108 gezeigt. Die Detektionsoptikanordnung 103 verfügt vorzugsweise über zwei Detektorauffangoptiken 110 mit geringer f-Zahl, zwei Fotodetektorhalterungen 111 und zwei Fotodetektor-Si gnalverarbeitungsanordnungen 112. Vorzugsweise werden programmierbare Ausrüstungen in Kommunikation mit den Signalverarbeitungsanordnungen 112, u. a. Ausrüstungen zum Teilchenzählen und -messen, durch eine (nicht gezeigte) Hauptprozessorplatine verwaltet. In einer Ausführungsform liegt jedes der Elemente 110 bis 112 auf jeder Seite des Probenblocks 108. Jedoch kann der Teilchenzähler 100 mit nur einem einzelnen Satz Detektionskomponenten 110 bis 112 verwendet werden.
  • 2 ist eine explodierte Perspektivansicht der Lichtfallenanordnung 105. Vorzugsweise weist die Lichtfallenanordnung 105 ein Lichtfallengehäuse 203 und eine Endkappe 205 auf, die an einem ersten Ende 208 des Lichtfallengehäuses anbringbar ist. Vorzugsweise weist die Lichtfallenanordnung 105 ferner mehrere Aperturplatten 201 auf, die durch Lichtfallen-Abstandshalter 202 voneinander getrennt sind. Ferner weist die Lichtfallenanordnung 105 vorzugsweise eine Endkappe 204 auf, die an einem zweiten Ende 210 des Lichtfallengehäuses 203 anbringbar ist. In der Ausführungsform von 2 sind insgesamt fünf Aperturplatten 201 und insgesamt vier Lichtfallen-Abstandshalter 202 vorhanden. Allerdings könnte jede Anzahl von Aperturplatten oder "Aperturen" 201 zusammen mit einer geeigneten Anzahl von Lichtfallen-Abstandshaltern 202 zur Lichtfallenanordnung 105 gehören. Vorzugsweise sind die Lichtfallen-Abstandshalter 202 mit Innengewinde versehen und schwarz angestrichen.
  • 3A ist eine Ebenenansicht der Aperturplatte 201, und 3B ist eine Seitenansicht einer Kante der Aperturplatte 201. In einer Ausführungsform beträgt ein Außendurchmesser "a" der Aperturplatte 201 0,248 Inch mit einer Toleranz von +0,000/–0,002 Inch, obwohl Aperturplatten mit anderen Durchmessern verwendet werden können. Ein Aperturloch 302 hat vorzugsweise einen Durchmesser "b" von 0,071 Inch mit einer Toleranz von +0,003/–0,003 Inch, obwohl Aperturlöcher mit sowohl kleineren als auch größeren Durchmessern als 0,071 Inch zum Einsatz kommen können. Vorzugsweise hat die Aperturplatte 201 eine Dicke "c" von 0,005 Inch, obwohl andere Dicken verwendet werden können. Die Aperturplatte 201 ist vorzugsweise aus schwarzem eloxiertem Aluminium hergestellt, obwohl andere geeignete Metalle, Kunststoffe oder anderen Materialien verwendet werden können.
  • 4 ist eine schematische Seitenansicht eines Teilchenzählers 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Wie im Zusammenhang mit 1 diskutiert, weist der Teilchenzähler 100 vorzugsweise die Laseroptikanordnung 101, Strömungskammeranordnung 102 und Detektionsoptikanordnung 103 auf. Einige der spezifischen Komponenten von 1 sind in 4 der Bequemlichkeit halber weggelassen. Allerdings sind die drei Grundkomponenten 101 bis 103 alle dargestellt.
  • Die Laseroptikanordnung 101 verfügt vorzugsweise über eine optische Pumpquelle 412, wobei die Pumpquelle vorzugsweise eine Laserdiode ist, eine erste Linsenanordnung 401, eine faseroptische Kopplung 423, eine zweite Linsenanordnung 402, einen beschichtungsbildenden Spiegel 413, ein Festkörperlasermedium 403, Laseraperturanordnungen 105 und einen zweiten Spiegel (Laserstrahl-Reflektorspiegel) 405 sowie einen Laserresonator 404, bei dem es sich um den Bereich zwischen den Spiegeln 413 und 405 handelt. Die Strömungskammeranordnung 102 weist vorzugsweise eine Teilchenquelle 406, einen Detektionsbereich 408, den Strahleinlaß 113 und die Auffangoptik 110 (auch in 1 gezeigt) auf. Die Detektionsoptikanordnung 103 weist vorzugsweise einen Detektor 410 und einen Signalprozessor 411 auf. Nur ein Abschnitt der Aperturanordnungen 105, in Verbindung mit 1 diskutiert, ist in 4 gezeigt. Auf eine Darstellung ausgewählter Komponenten, u. a. der Abstandshalter und des Gehäuses der Aperturanordnungen 105, wird der Einfachheit halber verzichtet.
  • Jede Aperturanordnung 105 kann eine oder mehrere Aperturplatten aufweisen. In der Ausführungsform von 4 weist jede Aperturanordnung 105 vier Aperturplatten auf. Experimentelle Daten zeigen, daß erwünschte Leistungskennwerte erhalten werden, wenn vier Aperturplatten zwischen dem Lasermedium 403 und dem Detektionsbereich 408 und eine Aperturplatte zwischen dem zweiten Spiegel 405 und dem Detektionsbereich 408 zum Einsatz kommen.
  • 5A ist eine Ebenenansicht einer Strahleinlaßdüse 500, die ein Teil des Strahleinlasses 113 gemäß 7 ist. Vorzugsweise ist die Strahleinlaßdüse 500 aus Messing hergestellt. Der Strahleinlaßdüsenauslaß 500 weist vorzugsweise drei Grundabschnitte seiner Länge nach auf: ein Einlaßrohr 518, das vorzugsweise eine kreisförmige Querschnittgeometrie hat, einen Übergangsbereich 520 und ein Auslaßrohr 522, das vorzugsweise eine rechteckige Querschnittgeometrie hat. Gemäß 5D liegt eine Strahleinlaßöffnung 524 am offenen Ende des Auslaßrohrs 522. Vorzugsweise hat die Strahleinlaßöffnung 524 eine im wesentlichen rechteckige Querschnittgeometrie mit abgerundeten Abschnitten an entgegengesetzten Enden des längeren Abschnitts dieses Rechtecks. Diese im wesentlichen rechteckige Querschnittgeometrie der Öffnung 524 hat vorzugsweise eine Innenlänge von 0,394 Inch und eine Innenbreite von 0,025 Inch. Allerdings können andere Innenmaße für die Öffnung 524 verwendet werden.
  • In einer Ausführungsform ist das Einlaßrohr 518 vorzugsweise etwa 1,49 Inch lang 502, das Auslaßrohr 522 ist vorzugsweise 0,875 Inch +/– 0,030 Inch lang 506, und die Strahleinlaßdüse 500 als ganzes ist vorzugsweise etwa 3,11 Inch +/– 0,030 Inch lang. Das Außenmaß 508 der Breite des Auslaßrohrs 522 beträgt vorzugsweise 0,412 Inch.
  • 5B ist eine Seitenansicht der Strahleinlaßdüse 500 von 5A; 5C ist eine Schnittansicht der Strahleinlaßdüse 500 von 5A, die Innenwände 525 zeigt; und 5D ist eine Perspektivansicht der Strahleinlaßdüse 500 von 5A. Der Außendurchmesser 512 des Einlaßrohrs 518 beträgt vorzugsweise 0,281 Inch, wenngleich andere Durchmesser zum Einsatz kommen können. Eine Dicke 514 des Materials, das das Einlaßrohr 518 bildet, beträgt vorzugsweise 0,016 Inch, was zu einem Innendurchmesser 516 von 0,249 Inch für das Einlaßrohr 518 führt. In einer Ausführungsform hat das Auslaßrohr 522 eine Außendicke 510 von 0,057 Inch, obwohl andere Maße verwendet werden können.
  • 6A ist eine Perspektivansicht eines Düsengehäuses 600. Das Düsengehäuse 600 ist vorzugsweise aus einem einzelnen Stück Aluminium 6061-T6 hergestellt. Jedoch kann das Dü sengehäuse 600 aus anderen Metallen oder nichtmetallischen Materialien hergestellt sein. Vorzugsweise ist das Düsengehäuse 600 so bemessen, daß sich die Strahleinlaßdüse 500 in das Düsengehäuse 600 einpassen kann. Vorzugsweise bildet die Kombination aus Strahleinlaßdüse 500 und Düsengehäuse 600 den Strahleinlaß 113.
  • Allgemein weist das Düsengehäuse 600 drei Hauptkomponenten über seine Länge auf: einen Gehäuseeinlaß 607, einen Hauptschacht 603 und eine optische Blendenplattform 605. Eine Schulter 601 ist der Punkt, an dem sich der Durchmesser des Düsengehäuses 600 von dem des Gehäuseeinlasses 607 auf den des Hauptschachts 603 ausdehnt. Die optischen Blenden, die Bestandteil der optischen Blendenplattform 605 bilden, werden in Verbindung mit 6B und 6C diskutiert.
  • 6B ist eine Draufsicht des Düsengehäuses 600 gemäß 6A. Zusätzlich zu den Elementen des Düsengehäuses 600, die anhand von 6A diskutiert wurden, sind optische Blenden 630-a, 630-b, 632-a und 632-b gezeigt. Gezeigt ist auch eine Öffnungshülse 626. Vorzugsweise ist die Öffnungshülse 626 so bemessen, daß das Auslaßrohr 522 der Strahleinlaßdüse 500 durchlaufen kann. Vorzugsweise ist die Öffnungshülse 626 ein Loch mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt durch einen Abschnitt der optischen Blendenplattform 605.
  • Der Hauptschacht 603 ist vorzugsweise 0,690 Inch breit 602. Ein Abstand 610 von einem Einlaßende 609 des Düsengehäuses 600 zur Innenkante der Öffnungshülse 626 beträgt vorzugsweise 1,28 Inch. Ein Abstand 612 vom Einlaßende 609 des Düsengehäuses 600 zur Außenkante der Öffnungshülse 626 beträgt vorzugsweise 1,388 Inch. Die angegebenen Maße bezeichnen eine bevorzugte Länge der Öffnungshülse 626. Allerdings ist deutlich, daß andere Längen der Öffnungshülse 626 im Düsengehäuse 600 verwendet werden können. Die optische Blendenplattform 605 ist vorzugsweise 0,772 Inch breit.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform haben die optischen Blendenstrukturen 630 und 632 im wesentlichen die gleichen Längen und sind symmetrisch zur Strahleinlaßöffnung 524 angeordnet, sobald die Strahleinlaßdüse 500 (nicht in 6B ge zeigt) richtig im Düsengehäuse 600 positioniert ist. In dieser bevorzugten Ausführungsform betragen die Abstände 604, 614 zwischen der weitesten Ausdehnung der optischen Blenden 630-a, 630-b, 632-a und 632-b und dem Einlaßende 609 des Düsengehäuses 600 1,510 Inch. Vorzugsweise erstrecken sich die optischen Blenden 630-a, 630-b, 632-a und 632-b alle 0,014 Inch über die Strahleinlaßöffnung 524 (nicht gezeigt) hinaus.
  • In einer alternativen Ausführungsform ist eine Asymmetrie zwischen den Abständen 604 und 614 von den Enden der optischen Blendenstrukturen 630 bzw. 632 zum Einlaßende 609 des Düsengehäuses 600 vorhanden. Insbesondere beträgt der Abstand 614 vom Einlaßende 609 des Düsengehäuses 600 zum Ende der optischen Blendenstruktur 632 vorzugsweise 1,1510 Inch. In dieser alternativen Ausführungsform beträgt der Abstand 604 vom Einlaßende 609 zur weitesten Ausdehnung der optischen Blendenstruktur 630 vorzugsweise 1,502 Inch. Hergestellt ist die beschriebene Geometrie unter der Annahme, daß sich Ausgangslaserlicht in der Ansicht von 6B von rechts nach links bewegt. Somit bewegt sich reflektiertes Laserlicht von links nach rechts in der Ansicht von 6B. Aus Experimenten ging hervor, daß reflektiertes Laserlicht bei geringerem Eindringen der optischen Blenden in den Weg eines Laserstrahls wirksam abgeschattet werden kann.
  • 6C ist eine vordere Endansicht des Düsengehäuses 600 von 6A. Die vorzugsweise rechteckige Kontur der optischen Blendenplattform umgibt darstellungsgemäß die Öffnungshülse 626. Hinter der optischen Blendenplattform 605 befindet sich in der Ansicht von 6C eine Schulter 601 des Hauptschafts 603 und des Gehäuseeinlasses 607.
  • In einer Ausführungsform ist die Öffnungshülse 626 ein Durchgang durch die optische Blendenplattform 605 mit einem im wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Kanten an den Enden des Längsmaßes des Rechtecks. Die abgerundeten Enden 620 der Öffnungshülse 626 sind vorzugsweise als Halbkreise mit einem durchgängigen Krümmungsradius bearbeitet, obwohl andere Geometrien verwendet werden können. Vorzugsweise ist die Öffnungshülse 626 so bemessen, daß sie den Außenmaßen des Auslaßrohrs 522 eng entspricht. Sobald der Strahleinlaß 113 zusammengebaut ist, paßt der Auslaß 522 der Strahleinlaßdüse 500 vorzugsweise enganliegend durch die Öffnungshülse 626.
  • In einer Ausführungsform hat die Öffnungshülse 626 eine Länge 616 von 0,424 Inch +0,005/–0,000 Inch. Vorzugsweise hat die Öffnungshülse 626 eine Breite von 0,062 Inch +0,005/-–0,000 Inch. Zu beachten ist, daß diese Breite erwartungsgemäß den Düsenauslaß 522 mit einer Außendicke von 0,057 Inch (5B) aufnimmt, was etwa 0,015 Inch Zwischenraum bildet. In einer alternativen Ausführungsform kann die Strahleinlaßdüse 500 durch eine Düse ersetzt sein, die durch Elektronenentladungsbearbeitung hergestellt ist, um für einen glatten Übergangsbereich von einem Einlaßrohr mit kreisförmigem Querschnitt zu einem Auslaßrohr mit im wesentlichen rechteckigen Querschnitt zu sorgen.
  • 7 ist eine obere Querschnittansicht des Strahleinlasses 113 in der Nähe des Laserstrahls. In der Ausführungsform von 7 weist der Strahleinlaß 113 die Strahleinlaßdüse 500 und das Düsengehäuse 600 auf. Der Einfachheit halber sind einige geometrische Einzelheiten der Strahleinlaßdüse 500 und des Düsengehäuses 600, die im Zusammenhang mit anderen Darstellungen hierin diskutiert wurden, aus der Diskussion von 7 weggelassen. Für die jetzige Diskussion wird davon ausgegangen, daß die Enden der optischen Blenden 632-a und 632-b genau an der Kante eines Laserstrahls 414 liegen. In der Ausführungsform von 7 liegt die optische Pumpquelle 412 (nicht gezeigt) rechts vom Strahleinlaß 113, und der Laserstrahl-Reflektorspiegel 405 (nicht gezeigt) liegt links vom Strahleinlaß 113.
  • In der Ausführungsform von 7 ist die Strahleinlaßdüse 500 innerhalb des Düsengehäuses 600 so angeordnet, daß die Strahleinlaßöffnung 524 in einem ausgewählten Abstand 702 von den optischen Blenden 632-a und 632-b versehnkt bzw. eingelassen ist. Aus experimentellen Ergebnissen geht hervor, daß die Abschattung der Strahleinlaßöffnung 524 gegenüber dem Laserstrahl 414 optimal ist, wenn der eingelassene Öffnungsabstand 702, d. h. der Abstand zwischen der Strahleinlaßöffnung 534 und dem distalen Ende der optischen Blenden zwischen 0,010 Inch und 0,040 Inch liegt. Allerdings ist der eingelassene Öffnungsabstand 702 einstellbar, und andere eingelassene Abstände können ausgewählt sein. Der eingelassene Abstand 702 ist vorzugsweise symmetrisch. Das heißt, er ist in der Messung vom Blendenpaar 630 oder Blendenpaar 632 gleich. Jedoch kann er auch asymmetrisch sein, d h. der zum Blendenpaar 630 gemessene Abstand kann sich von dem zum Blendenpaar 632 gemessenen Abstand unterscheiden. Ein bevorzugter Durchmesser für den Laserstrahl 414 beträgt etwa 0,0315 Inch (0,8 mm [mm]). In einer Ausführungsform des Teilchenzählers 100 liegt die Strahleinlaßöffnung 524 vorzugsweise zwischen 0,03075 Inch bis 0,059 Inch und stärker bevorzugt zwischen 0,043 Inch und 0,059 Inch von der Mitte des Laserstrahls 414 entfernt. In einer Ausführungsform haben die einzelnen optischen Blenden innerhalb der optischen Blendenpaare 630 und 632 einen Trennungsabstand 706 von 0,140 Inch +/– 0,002 Inch.
  • Zwei mögliche Längen sind für das optische Blendenpaar 630 in 7 gezeigt. Gemäß der zuvor diskutierten bevorzugten symmetrischen Ausführungsform zeigt eine Länge 710, daß sich das optische Blendenpaar 630 bis zum Laserstrahl 414 wie das optische Blendenpaar 632 erstreckt. Gemäß einer zuvor diskutierten alternativen asymmetrischen Ausführungsform zeigt eine Länge 708, daß das optische Blendenpaar 630 um einen eingelassenen Fehlanpassungsabstand 704 der optischen Blende gegenüber dem optischen Blendenpaar 632 eingelassen ist. Normalerweise ist der Fehlanpassungsabstand 704 der optischen Blende gleich 0,008 Inch +/–0,002 Inch.
  • In einer Ausführungsform sind die optischen Blenden 630-a, 630-b, 632-a und 632-b mit optischer schwarzer Farbe Cardinal© Velvethane beschichtet, um die Abschattung der Strahleinlaßöffnung 524 zu optimieren. Dieser Anstrich ist vorzugsweise ein Zweikomponenten-Polyurethananstrich mit hohem Feststoffgehalt und von Cardinal Industries Finishes, 1329 Potrero Ave., South E1 Monte, California 91733 beziehbar.
  • In 7 sind insgesamt vier optische Blenden 630-a, 630-b, 632-a und 632-b gezeigt; allerdings ist deutlich, daß weniger oder mehr als vier optische Blenden eingesetzt werden können, um die Strahleinlaßöffnung gegenüber unerwünschter Einwirkung von Laserstrahlung abzuschatten. Allgemein ist erwünscht, eine oder mehrere optische Blenden auf jeder Seite der Strahleinlaßöffnung 524 zu verwenden, um die Strahleinlaßöffnung 524 vor sowohl Ausgangslaserlicht als auch reflektiertem Laserlicht zu schützen. Aus Experimenten wurde deutlich, daß nützliche Ergebnisse bei Verwendung von zwei optischen Blenden auf jeder Seite der Strahleinlaßöffnung 524 erhalten werden. Somit sind in der Ausführungsform von 7 zwei optische Blenden auf jeder Seite der Strahleinlaßöffnung 524 angeordnet. Die Anordnung sowie die Anzahl und Lage der optischen Blenden 630, 632 gemäß 7 kombiniert die wirksame Abschattung der Strahleinlaßöffnung 524 mit einem angemessen geringen Platzbedarf für die optischen Blenden.
  • Während insgesamt vier optische Blenden 630-a, 630-b, 632-a und 632-b in 7 dargestellt sind, kann jede beliebige Anzahl optischer Blenden zum Einsatz kommen. Insbesondere kann die Strahleinlaßöffnung 113 nur mit einer einzelnen optischen Blende oder mit einer optischen Blende auf jeder Seite der Strahleinlaßöffnung 524 arbeiten. Der Gebrauch nur einer einzelnen optischen Blende rechts (in der Ansicht von 7) von der Strahleinlaßöffnung 524 würde eine geringere Abschattung der Strahleinlaßöffnung 524 als die Ausführungsform von 7 erzeugen. Allerdings wird durch den Einsatz nur einer einzelnen optischen Blende auf einer Seite der Strahleinlaßöffnung 524 vorteilhaft weniger Raum als in der Ausführungsform von 7 belegt. Sind räumliche Anforderungen entscheidend, könnte daher eine Ausführungsform mit einer einzelnen optischen Blende nutzbringend zum Einsatz kommen. In einer weiteren alternativen Ausführungsform könnten drei oder mehr optische Blenden auf einer oder mehreren Seiten der Strahleinlaßöffnung 524 verwendet werden.
  • Gemäß 1 bis 7 arbeitet der Teilchenzähler 100 vorzugsweise wie nachfolgend beschrieben. In einer bevorzugten Ausführungsform unterscheidet sich der in dieser Anmeldung offenbarte Teilchenzähler 100 von dem im Patent '589 offenbarten durch die Aufnahme der Aperturanordnungen 105 und optischen Blenden 630 und 632. Somit betrifft die folgende Dis kussion primär den Betrieb der Aperturanordnungen und der optischen Blenden. Für eine Diskussion jener Merkmale, die dem Patent '589 und der vorliegenden Offenbarung gemeinsam sind, sei auf das Patent '589 verwiesen.
  • Vorzugsweise erzeugt die optische Pumpquelle 412 den Laserstrahl 414, der die erste Linsenanordnung 401, die faseroptische Kopplung 423, die zweite Linsenanordnung 402, den beschichtungsbildenden Spiegel 413, das Festkörperlasermedium 403, die Laseraperturanordnungen 105 und den Laserstrahl-Reflektorspiegel 405 durchläuft. Eine erste Aperturplatte 415 (die der Aperturplatte 201 gemäß 2 entspricht) in der Aperturanordnung 105 maskiert vorzugsweise den Laserstrahl 414, um das meiste Rauschen zu entfernen, erzeugt aber ein unerwünschtes Beugungsmuster dabei. Eine zweite Aperturplatte 416 in der Aperturanordnung 105 absorbiert das durch die erste Aperturplatte 415 erzeugte Beugungsmuster, erzeugt aber ihrerseits ihr eigenes Beugungsmuster, das viel weniger stark als das Beugungsmuster von der ersten Aperturplatte 415 ist. In Fortsetzung dieses Musters maskiert jede anschließende Aperturplatte vorzugsweise die Beugung von einer vorhergehenden Aperturplatte und erzeugt ein eigenes reduziertes Beugungsmuster. Auf diese Weise erzeugen vorzugsweise Abfolgen von Aperturplatten (z. B. die Aperturplatten 415 bis 418 und die Aperturplatten 419 bis 422), die im Weg des Laserstrahls 414 angeordnet sind, ein zunehmend kleineres Beugungsmuster mit jeder anschließenden Aperturplatte. In der Ausführungsform von 4 tragen die Laseraperturanordnungen 105 vorzugsweise zum Abschatten der Strahleinlaßöffnung 524 bei, wodurch sie strömungsinduziertes Rauschen im Hintergrundlicht reduzieren. Vorzugsweise kombinieren sich die Aperturanordnungen 105 mit der im Patent '589 diskutierten Verstärkungsapertureinstellung, um für leistungsstarken Betrieb in einer rauscharmen Umgebung zu sorgen.
  • Eine Quelle von Fluid, bei dem es sich vorzugsweise um ein Gas im Teilchenzähler 100 und normalerweise Luft handelt, ist durch die Teilchenquelle 406 gegeben. Das Fluid wird durch den Strahleinlaß 113 zum Detektionsbereich 408 geleitet. Während es sich im Detektionsbereich 408 befindet, durchläuft das Fluid den Laserstrahl 414, wodurch es zu Streuung des Laserlichts von Teilchen im Fluid kommt. Die Streuung von Teilchen im Detektionsbereich 408 wird vorzugsweise zur Fokussierlinse 409 und zum Detektor 410 geleitet. Danach werden Signale als Anzeige der Reflexionen vorzugsweise vom Detektor 410 zum Signalprozessor 411 gesendet.
  • Im Zusammenhang mit dem Betrieb der optischen Blenden 630-a, 630-b, 632-a und 632-b sei auf 7 verwiesen. In der Ausführungsform von 7 haben die optischen Blendenstrukturen 630 und 632 jeweils zwei optische Blenden und sind somit optische Blendenpaare gemäß den vorstehenden Definitionen. Allgemein wird der Laserstrahl 414 von der optischen Pumpe 412 auf der rechten Seite (4) erzeugt und durch den Laserstrahl-Reflektorspiegel 405 auf der linken Seite reflektiert. Folglich nähert sich das Ausgangslaserlicht dem Strahleinlaß 113 von rechts, und das reflektierte Laserlicht nähert sich dem Strahleinlaß 113 von links. Bei der Annäherung an den Strahleinlaß 113 trifft das Ausgangslaserlicht auf die optische Blendenstruktur 632 und wird somit daran gehindert, die Strahleinlaßöffnung 524 zu erreichen. Vorzugsweise erstreckt sich die optische Blendenstruktur 632 zu einem Punkt, der zum Laserstrahl 414 benachbart ist. Der eingelassene Abstand 702 der Strahleinlaßöffnung 524 im Hinblick auf die optische Blendenstruktur 632 bewirkt vorzugsweise, daß die Strahleinlaßöffnung 524 gegenüber Einwirkung von Ausgangslaserlicht im Laserstrahl 414 abgeschattet wird.
  • Allgemein verringert das Bereitstellen mehrerer optischer Blenden in einer optischen Blendenstruktur Rauschen wirksamer als die Verwendung einer einzelnen optischen Blende. Allgemein reduziert jede optische Blende die Menge von Rauschen, das in diffusem Laserlicht vorhanden ist, das auf die Blende trifft. Allgemein reichen zwei optische Blenden nacheinander aus, das optische Rauschen auf einen annehmbaren Wert zu senken. Aus diesem Grund und wegen räumlicher Aspekte weist die Ausführungsform gemäß 7 zwei optische Blenden in jeder der optischen Blendenstrukturen 630 und 632 auf. Allerdings kann zu jeder optischen Blendenstruktur eine beliebige Anzahl optischer Blenden gehören.
  • Ein leistungsbegrenzendes Maß von Rauschen in vorhandenen Teilchenzählsystemen entsteht aus dem Auftreffen von diffusem Laserlicht (oder Streulicht) auf Wirbelströme außerhalb eines Detektionsbereichs in der Umgebung eines Strahleinlasses. Die hierin offenbarte Technologie widmet sich diesem Problem durch Verwendung der Aperturen 415 bis 422, die allgemein die Breite des Laserstrahls 414 und das Eindringen des Laserstrahls 414 und von diffusem Laserlicht aus ihm in die Umgebung der Strahleinlaßöffnung 524 verringern. Dieses verringerte Eindringvermögen reduziert das problematische Auftreffen von Laserlicht auf Wirbelströme nahe der Strahleinlaßöffnung 524. Vorzugsweise arbeiten die optischen Blendenstrukturen 630 und 632 so, daß sie dieses problematische Auftreffen von Laserlicht auf Wirbelströme weiter reduzieren, indem sie das Volumen, u. a. die Strahleinlaßöffnung 524, gegenüber Einwirkung von diffusem Licht aus dem Laserstrahl 414 abschatten. Die Kombination aus den Aperturen 415 bis 422 und den optischen Blendenstrukturen 630 und 632 kombiniert sich vorzugsweise, um Rauschen als Ergebnis des Auftreffens von Laserlicht auf Wirbelströme ausreichend zu reduzieren, damit Molekularstreuungsrauschen die dominante Rauschquelle im Teilchenzähler 100 sein kann.
  • Beschrieben wurde ein neuer Laserteilchenzähler. Verständlich sollte sein, daß die in den Zeichnungen gezeigten und in dieser Anmeldung beschriebenen speziellen Ausführungsformen als Beispiel dienen und nicht als Einschränkung der Erfindung aufzufassen sind, die in den nachfolgenden Ansprüchen beschrieben wird. Ferner ist deutlich, daß der Fachmann nunmehr zahlreiche Anwendungen der beschriebenen spezifischen Ausführungsformen und Abwandlungen daran vornehmen kann, ohne von den erfindungsgemäßen Konzepten abzuweichen. Außerdem ist deutlich, daß die angeführten Verfahren vielfach in einer unterschiedlichen Reihenfolge durchgeführt werden können; oder es können äquivalente Strukturen und Verfahren als Ersatz für die verschiedenen beschriebenen Strukturen und Verfahren verwendet werden. Somit ist die Erfindung gemäß den Festlegungen der nachfolgenden Ansprüchen zu interpretieren.

Claims (36)

  1. Verfahren zur Intracavity-Laserdetektion zum optischen Detektieren einzelner Teilchen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Festkörperlaserresonators (404) mit Laserlicht (414); Verstärkungsapertureinstellen des Laserresonators mit einer optischen Pumpe (412); Bereitstellen von Fluidströmung mit einem Teilchen in einem Detektionsbereich (408) innerhalb des verstärkungsapertureingestellten Laserresonators, die durch das Laserlicht beleuchtet wird; und Auffangen von Licht, das durch das Teilchen gestreut wird, und Erzeugen eines Ausgangssignals als Anzeige des Teilchens; wobei das Verfahren durch folgenden Schritt gekennzeichnet ist: Anordnen eines optischen Sperrenkomplexes (105, 630, 632), um Rauschen im Ausgangssignal bei Strömungsgeschwindigkeiten der Fluidströmung von größer oder gleich 0,1 Kubikfuß je Minute zu reduzieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Teilchen eine Größe von höchstens 0,1 Mikrometer hat.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Anordnen den Schritt des Anordnens des optischen Sperrenkomplexes aufweist, um strömungsinduzierte Störungen in Hintergrundlicht zu reduzieren.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Anordnen den Schritt des körperlichen Apertureinstellens des Laserlichts aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei die Fluidströmung durch eine Strahleinlaßöffnung (524) bereitgestellt wird und das Anordnen den Schritt des Abschat tens der Strahleinlaßöffnung gegenüber dem Laserlicht aufweist.
  6. Verfahren zum optischen Detektieren einzelner Teilchen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Bereitstellen eines Laserstrahls (414) in einem Intracavity-Lasersystem (101) unter Verwendung eines Festkörperlasermediums; und Leiten einer Strömung aus teilchenhaltigem Fluid durch den Laserstrahl unter Nutzung einer Aerosolstrahldüse (500), so daß Licht vom Laserstrahl durch das Teilchen gestreut wird; wobei das Verfahren durch den folgenden Schritt gekennzeichnet ist: Auffangen von Licht, das durch das Teilchen gestreut wird, und Erzeugen eines Ausgangssignals als Anzeige des Teilchens, wobei das Ausgangssignal im wesentlichen frei von Rauschen ist, das durch das Ablösen turbulenter Wirbel von den Innenwänden (525) der Aerosolstrahldüse verursacht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Teilchen eine Größe von höchstens 0,1 Mikrometer hat.
  8. Verfahren zum optischen Detektieren einzelner Teilchen in einem Laserresonator (404), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: optisches Pumpen eines Lasermediums (403) innerhalb des Laserresonators, um Laserlicht zu erzeugen; Verstärkungsapertureinstellen des Laserresonators; Leiten einer Teilchen enthaltenden Fluidströmung in den Laserresonator, wobei die Fluidströmung Wirbelströme aufweist; und Auffangen von Laserlicht, das von den Teilchen gestreut wird, um eine Ausgabe als Anzeige der einzelnen Teilchen zu erzeugen; wobei das Verfahren durch den folgenden Schritt gekennzeichnet ist: Verhindern, daß das bereitgestellte Laserlicht auf die Wirbelströme trifft.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verhindern den Schritt des körperlichen Apertureinstellens des Laserlichts aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Verhindern den Schritt des Abschattens einer Strahleinlaßöffnung gegenüber Beleuchtung durch das erzeugte Laserlicht aufweist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Abschatten den Schritt des Anordnens einer ersten optischen Blendenstruktur zwischen einer Quelle des Laserlichts und der Strahleinlaßöffnung aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Abschatten ferner den Schritt des Anordnens einer zweiten optischen Blendenstruktur zwischen einem Laserresonator-Endspiegel und der Strahleinlaßöffnung aufweist.
  13. Verfahren nach Anspruch 9, 10, 11 oder 12, wobei das körperliche Apertureinstellen den Schritt des Bereitstellens einer ersten Aperturanordnung zwischen dem Lasermedium und dem Detektionsbereich und einer zweiten Aperturanordnung zwischen einem Laserresonator-Endspiegel und dem Detektionsbereich aufweist.
  14. Vorrichtung (100) zur Intracavity(-hohlraum)-Detektion von Teilchen, wobei die Vorrichtung aufweist: einen Laserresonator (404); ein Festkörperlasermedium (403), das innerhalb des Laserresonators angeordnet ist; eine optische Pumpquelle (412), die zum Festkörperlasermedium gerichtet ist; eine Fokussiereinheit (402) zum Fokussieren von Pumplicht, das durch die optische Pumpquelle bereitgestellt wird, in das Festkörperlasermedium, um eine Verstärkungsapertureinstellung des Laserresonators zu erreichen und um das Festkörperlasermedium anzuregen, Laserlicht innerhalb des Laserresonators bereitzustellen; eine Teilchenquelle (406) zum Einleiten von Teilchen in einen Detektionsbereich (408) innerhalb des Laserresonators und im Weg des Laserlichts; und eine Detektionsoptikanordnung, die so angeordnet ist, daß sie Licht vom Detektionsbereich auffängt; wobei die Vorrichtung gekennzeichnet ist durch: einen optischen Sperrenkomplex (105, 630, 632) zum Abschirmen von Wirbelstrom-Fluidströmung, die in einem Bereich auftritt, aus dem Licht in den Detektionsbereich gelangen kann, gegenüber Einwirkung des Laserlichts.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der optische Sperrenkomplex eine körperliche Apertur (105) aufweist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, wobei der optische Sperrenkomplex aufweist: eine erste Aperturanordnung, die zwischen der optischen Pumpquelle und dem Detektionsbereich angeordnet ist; und eine zweite Aperturanordnung, die zwischen einem Laserresonator-Endspiegel des bereitgestellten Laserlichts und dem Detektionsbereich angeordnet ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die erste Aperturanordnung eine Aperturplatte aufweist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei die erste Aperturanordnung mehrere Aperturplatten aufweist.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 16, 17 oder 18, wobei die zweite Aperturanordnung eine Aperturplatte aufweist.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 16, 17 oder 18, wobei die zweite Aperturanordnung mehrere Aperturplatten aufweist.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20, wobei der optische Sperrenkomplex eine optische Blende aufweist.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, wobei der optische Sperrenkomplex aufweist: eine erste optische Blendenstruktur, die zwischen der optischen Pumpquelle und dem Bereich angeordnet ist, in dem die Wirbelstrom-Fluidströmung auftritt; und eine zweite optische Blendenstruktur, die zwischen dem Laserresonator-Endspiegel des bereitgestellten Laserlichts und dem Bereich angeordnet ist, in dem die Wirbelstrom-Fluidströmung auftritt.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, wobei der Bereich, in dem die Wirbelstrom-Fluidströmung auftritt, nahe einer Strahleinlaßöffnung liegt.
  24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 23, wobei das Festkörperlasermedium ein dotiertes Medium ist.
  25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 24, wobei die optische Pumpquelle ein Halbleiterlaser ist.
  26. Optischer Teilchenzähler (101) mit: einem verstärkungsapertureingestellten Laserresonator (104), der Laserlicht erzeugt; einem Strahleinlaß (113), der Fluidströmung in einen Teilchendetektionsbereich (408) innerhalb des Laserresonators führt, wobei der Strahleinlaß eine Strahleinlaßöffnung (524) hat; eine Detektionsoptikanordnung (103), die so angeordnet ist, daß sie Licht auffängt, das von Teilchen innerhalb des Detektionsbereichs gestreut wird, zum Erzeugen eines Ausgangssignals als Anzeige der Teilchen; wobei der Teilchenzähler gekennzeichnet ist durch: einen optischen Sperrenkomplex (105, 630, 632), der so angeordnet ist, daß er Rauschen im Vergleich zum verstärkungsapertureingestellten System ohne den optischen Sperrenkomplex für Fluidströmungsgeschwindigkeiten von größer oder gleich 0,1 Kubikfuß je Minute reduziert.
  27. Teilchenzähler nach Anspruch 26, wobei der optische Sperrenkomplex eine Aperturanordnung aufweist, die für körperliches Apertureinstellen des Laserlichts sorgt.
  28. Teilchenzähler nach Anspruch 27 oder 28, wobei der optische Sperrenkomplex eine erste optische Blendenstruk tur zum Abschatten der Strahleinlaßöffnung gegenüber Einwirkung des Laserlichts aufweist.
  29. Teilchenzähler nach Anspruch 28, wobei die erste optische Blendenstruktur, das Verstärkungsapertureinstellen und das körperliche Apertureinstellen zusammenwirken, um strömungsinduzierte Hintergrundlichtstörungen im Teilchenzähler zu beseitigen.
  30. Teilchenzähler nach Anspruch 27, 28 oder 29, wobei die Aperturanordnung im wesentlichen aus einer einzelnen Aperturplatte besteht.
  31. Teilchenzähler nach Anspruch 27, 28 oder 29, wobei die Aperturanordnung mehrere Aperturplatten aufweist.
  32. Teilchenzähler nach einem der Ansprüche 27 bis 31, wobei die Strahleinlaßöffnung vom Laserlicht weg zwischen 0, 010 Inch und 0, 040 Inch im Hinblick auf ein Ende der ersten optischen Blendenstruktur eingelassen ist.
  33. Teilchenzähler nach einem der Ansprüche 26 bis 32, wobei der optische Sperrenkomplex eine erste optische Blendenstruktur zum Abschatten der Strahleinlaßöffnung gegenüber Einwirkung des Laserlichts aufweist.
  34. Teilchenzähler nach Anspruch 33, wobei die erste optische Blendenstruktur im wesentlichen aus einer einzelnen optischen Blende besteht.
  35. Teilchenzähler nach Anspruch 33, wobei die erste optische Blendenstruktur mehrere optische Blenden aufweist.
  36. Teilchenzähler nach Anspruch 33, 34 oder 35, wobei der optische Sperrenkomplex ferner eine zweite optische Blendenstruktur auf einer entgegengesetzten Seite der Strahleinlaßöffnung von der ersten optischen Blendenstruktur aufweist.
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