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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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1 eine
explodierte Perspektivansicht eines Teilchenzählers gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung;
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2 eine
explodierte Perspektivansicht einer Lichtfallenanordnung;
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3A eine
Draufsicht einer Aperturplatte;
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3B eine
Seitenansicht einer Kante der Aperturplatte gemäß 3A;
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4 eine
schematische Seitenansicht eines Teilchenzählers gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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5A eine
Draufsicht einer Strahleinlaßdüse;
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5B eine
Seitenansicht der Strahleinlaßdüse gemäß 5A;
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5C eine
Schnittansicht der Strahleinlaßdüse gemäß 5A;
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5D eine
Perspektivansicht der Strahleinlaßdüse gemäß 5A;
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6A eine
Perspektivansicht eines Düsengehäuses;
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6B eine
Draufsicht des Düsengehäuses gemäß 6A; 6C eine vordere Endansicht des Düsengehäuses gemäß 6A; und
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7 eine
obere Querschnittansicht eines Strahleinlasses in der Nähe eines
Laserstrahls.
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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".
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.