DE2244696A1

DE2244696A1 - Schwebe- und zerstreuungskammer

Info

Publication number: DE2244696A1
Application number: DE2244696A
Authority: DE
Inventors: Herman Henry Brooks; Chelcie Bosland Liu; David Turner Phillips; Philip Joseph Wyatt
Original assignee: Science Spectrum
Current assignee: Science Spectrum
Priority date: 1971-10-21
Filing date: 1972-09-12
Publication date: 1973-04-26
Also published as: JPS4851691A; DE2244696C2; US3754830A; GB1410999A; CA977990A; JPS5514376B2

Description

DR.-ING. H. KINKELDEY

DR.-ING. W. STOCKMAIR, Ae. E. (cauf.inst.oftechn.)

PATENTANWÄLTE

PH 5017
M/Hä

8000 MÖNCHEN 22 Maximilinpslraßp 43 Te'efon2°71U0/2?6744 Telegrc urne M )nopat München , Telex 05-28380

12. Sept. 1972

22AA6-96

Science Spectrum, Incorporated

Post Office Box 3ΟΟ3 Santa Barbara, California 93104

Schwebe- und Zerstreuungskammer

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schwebekammer zum Suspendieren geladener Teilchen mit einem Paar paralleler Plattenelektroden sowie auf eine Zerstreuungskammer, die mit einer solchen Schwebekammer kombiniert ist.

Derartige Kammern xverden zusammen mit einer lichtzerstreuenden Photometereinheit benutzt. Als besonderes Beispiel kann eine solche Photometereinheit in der folgenden V/eise arbeiten. Mikroteilchen, deren lichtzerstreuende Eigenschaften festgestellt werden sollen, werden in einem von einer Lichtquelle erzeugten Lichtstrahl angeordnet, wobei vorzugsweise polarisiertes und nur eine Frequenz aufweisendes Licht einer Lichtquelle benutzt wird, wie dieses z_raB. von den verschiedenen Lasern erzeugt wird. Die Mikroteilchen können verschiedenster Art sein, wie z.B. Bakterien oder Milchsaftkügelchen von etwa

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ORIGINAL INSPECTED

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Λ Mikrometer Durchmesser; jedoch kann die erfindungsgemäße Schwebekammer auch in Verbindung mit Teilchen von größerer oder kleinerer Größe benutzt werden. Das von den Mikroteilchen zerstreute Licht wird von einem Detektor aufgefangen, der unterhalb eines Periskopes angeordnet ist, das im Bogen um die Teilchen herum bewegt wird. Das von dem Detektor abgegebene Signal wird verstärkt und an ein Aufzeichnungsgerät gegeben, so daß eine Aufzeichnung der zerstreuten Lichtenergie als Funktion des Winkels des Detektors relativ zu dem auftreffenden Lichtstrahl aufgezeichnet wird, wobei diese Aufzeichnung ein differenzielles Licht-Zerstreuungsmuster ist.

Es ist bereits bekannt, ein Paar paralleler Plattenelektroden zum Suspendieren eines Teilchens zwischen den Elektroden zu benutzen. So hat beispielsweise Millikan bereits im ersten Teil dieses Jahrhunderts parallele Plattenelektroden benutzt, um kleine Öltropfen zwischen diesen Platten zu suspendieren. Bei dieser bekannten Anordnung wurden die Platten aufgeladen, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das mit der Ladung der Teilchen zusammenwirkt, um die Schwerkraft auszugleichen und das Teilchen zwischen den Platten zu halten. Eine Schwierigkeit bei der bekannten Anordnung ist es, daß das Teilchen nicht notwendigerweise sich in der Mitte befindet und dazu neigt, sich aus dem Zwischenraum zwischen den Platten zu bewegen. Außerdem muß das elektrische Feld sehr genau aufrechterhalten und parallel zum Schwerkraftsfeld gehalten werden, was eine sehr genaue Ausrichtung der Platten senkrecht zum örtlichen Schwerkraftsfeld erfordert, da sonst das Teilchen zu einer Bewegung innerhalb des Zwischenraumes der beiden Platten neigt. Diese Schwierigkeiten machen eine Benutzung der Millikan-Anordnung außer für Demonstrations-

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zwecke unpraktisch.

Um einige dieser Schwierigkeiten der Millikan-Anordnung zu beseitigen, fügte Fletcher 1914- eine dritte Elektrode hinzu, die die Form einer kleinen Platte hatte und innerhalb sowie isoliert von einer der parallelen Platten angeordnet war. Diese dritte Elektrode wurde zur Erzeugung eines elektrischen Feldes benutzt, um das Teilchen zum Mittelpunkt hinzuziehen und außerdem die Schwerkraftskräfte auf das Teilchen auszugleichen. Mrch eine Benutzung dieser Zentrierungs-Elektrode zu bestimmten Zeiten, wurde ein elektrisches Feld zwischen der Zentrierungs-Elektrode und dem Paar der Plattenelektroden erzeugt und damit konnte das Teilchen wieder in seine Mittenstellung zurückgeführt werden." Die Schwierigkeit der Fletcher-Anordmmg liegt darin, daß die Größe des von der kleinen dritten Elektroden erzeugten Radial-Feldes, das für die Zentrierung benutzt wird, durch die Tatsache begrenzt ist, daß die dritte Elektrode zusätzlich zu diesem Radial-Feld ein Vertikal-Feld erzeugt. Das Vertikal-Feld wird auf eine Größe begrenzt, um die Schwerkraft auszugleichen, was wiederum die Größe des Radial-Feldes begrenzt. Die Fletcher-Anordnung erzeugt daher nur ein sehr schwaches Radial-Feld, das oft nicht wirksam ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue Schwebekammer bzw. eine diese Schwebekammer benutzende Zerstreuungskammer zu schaffen, mit der sicher die Teilchen an einer ganz bestimmten Stelle der Schwebekammer gehalten werden können.

Diese Aufgabe wird bei einer Schwebekammer der eingangs ■ genannten Art gemäß der Erfindung gelöst durch eine dritte

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Stiftelektrode, die sich durch eine der Plattenelektroden isoliert von dieser hindurch erstreckt und im Abstand zur anderen Plattenelektrode angeordnet ist, durch eine erste Anordnung zur Zuführung eines elektrischen Potentials zwischen den Plattenelektroden, um ein erstes elektrisches Feld in einer ersten Richtung zu erzeugen, durch eine zweite Anordnung zur Zuführung eines elektrischen Potentials zwischen der Stiftelektrode und den Plattenelektroden zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Felds in einer gegenüber der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung, um ein zusammengesetztes Feld zwischen den Plattenelektroden zu bilden, so daß alle sich zwischen den Plattenelektroden befindlichen geladenen Teilchen in der Schwebe haltbar sind, und um ein drittes radiales elektrisches Feld zu erzeugen, mit dem alle sich zwischen den Plattenelektroden befindlichen geladenen Teilchen an eine der Stiftelektrode benachbarte Stelle zu ziehen sind.

Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Strom von Mikroteilchen, deren LichtZerstreuungseigenschaften ermittelt werden sollen, in eine Zerstreuungskammer eingeführt, indem z.B. eine flüssige Suspension zerstäubt oder aber eine andere herkömmliche Methode benutzt wird. Die meisten Mikiroteilchen, die durch Zerstäubung einer flüssigen Suspension oder Sammlung aus einer Ärosolquelle gebildet werden, neigen natürlicherweise zu einer kleinen positiven oder negativen Ladung. Ein einzelnes Mikroteilchen vird isoliert und im Mittelpunkt eines Laserstrahls durch die Benutzung von pneumatischen und elektrischen Steuereinrichtungen angeordnet. Befindet sich das Teilchen in dem Laserstrahl, so kann dieses automatisch in seiner Stellung von einer automatischen Servomechanik gehalten werden, so daß

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die Licht-Zerstreuungseigenschaften dieses (Teilchens ermittelt werden können.

Das Teilchen wird in der geeigneten Stellung durch die Benutzung der erfindungsgemäßen Schwebekammer gehalten, die die als Elektroden dienenden parallelen Platten und die dritte Stiftelektrode aufweist, die sich durch eine dieser parallelen Platten hindurch, jedoch von dieser isoliert, erstreckt. Die Kombination dieser drei Elektroden erzeugt elektrische Felder, die das Teilchen zwischen den parallelen Platten in einer mit dem Lichtstrahl zu- " sammentreffenden Stelle halten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich die Stiftelektrode durch die obere Elektrode, wobei die zwei parallelen Plattenelektroden geladen werden, um ein elektrisches Feld mit einer nach unten gerichteten Kraft zu erzeugen, die zu der auf das Teilchen wirkenden Schwerkraft hinzuaddiert wird. Um dieses von den parallelen Plattenelektroden erzeugte elektrische Feld zu kompensieren, wird die Stiftelektrode gegenüber jeder der Plattenelektroden geladen, um ein Feld zu erzeugen, dessen Kraft nach oben gerichtet ist, um sowohl die Wirkung der Schwerkraft als auch die des ersten Feldes aufzuheben, wodurch das Teilchen zwischen den Platten in der Schwebe gehalten wird. „ .. _r Dieses aufwärtsgerichtete Feld ist daher relativ groß, da es sowohl das nach unten gerichtete Feld als auch die Schwerkraft überwinden muß.

Zusätzlich zu dem nach oben gerichteten Feld, das von der S.tiftelektrode erzeugt wird, wird ein Eadial-Feld erzeugt, das genauso groß ist, da es von der gleichen Ladung wie das nach oben gerichtete Feld erzeugt wird. Diese Kombination

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von Feldern erzeugt ein starkes Radialfeld, das das Teilchen in seiner Mittenstellung hält, während die nach oben und unten gerichteten Felder baiutzt werden, um die Schwerkraft zu überwinden und das Teilchen zwischen den Platten zu halten. Befindet sich das Teilchen einmal in seiner Mittenstellung, so kann ein mit einem optischen Detektor versehenes Servosystem die Größe der Felder einstellen, um das Teilchen an der geeigneten Stelle zu halten.

Diese Anordnung aus zwei parallelen Platten, die ein Elektrodenpaar bilden, zusammen mit einer dritten Elektrode, die sich durch eine der Plattenelektroden isoliert von dieser hindurcherstreckt, um damit ein starkes radiales Feld zu erzeugen, während das Teilchen in der Schwebe gehalten wird, kann auf verschiedene Weise gespeist werden. So können z.B. die Elektroden abwechselnd gespeist werden, so daß das nach oben und nach innen gerichtete Feld abwechselnd mit dem nach unten gerichteten Feld erzeugt wird, um so ein starkes ausnutzbares Radial-Feld zu erzeugen. Dieser Feldwechsel muß schnell gegenüber der Bewegungsgröße des Teilchens vorgenommen werden. Zusätzlich können beide Felder gleichzeitig erzeugt werden, um ebenfalls ein starkes ausnutzbares Radial-Feld zu erzeugen, während das Teilchen immer noch in der Schwebe gehalten wird. Die Erfindung wird anhand einer Anordnung beschrieben, bei der die Felder gleichzeitig erzeugt werden, es ist jedoch klar, daß selbstverständlich auch die Felder abwechselnd aufgebaut werden können, wie dieses soeben beschrieben wurde.

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Das automatische Servo-System weist den optischen Detektor zur Erfassung der jeweiligen Stelle des "geladenen Teilchens auf, so daß dieser Steuersignale erzeugt, mit' denen die elektrischen Felder zur Beibehaltung der geeigneten Lage des geladenen Teilchens geregelt werden.

Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele beschrieben. Im einzelnen zeigen:

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

Fig. 2 eine bestimmte Ausführungsform einer Zerstreuungskamrner, die die Schwebekammer zum Zuführen und Suspendieren der Mikroteilchen enthält, in den Einzelheiten,

Fig. 3 eine Gesamtanordnung der in Fig. 2 gezeigten Zerstreuungskammer in Verbindung mit verschiedenen pneumatischen Steuereinrichtungen zum Einbringen der Mikroteilchen in die Kammer,

Fig. 4 eine Ansicht des Steuerpults, das für die elektrische und pneumatische Steuerung der Mikroteilchen innerhalb der in Fig. 2 gezeigten Zerstreuungskammer benutzt wird,

Fig. 5 die Anordnung des optischen Detektors und anderer Optiken, die in Verbindung mit der in Fig. 2 gezeigten Zerstreuungskammer "benutzt werden, und

Fig. 6 ein Blockschaltbild eines Servo-Kreises zur Steuerung der Lage der Mikroteilchen innerhalb der Zerstreuungskammer.

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Anhand der Pig. 1a,b und c wird eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Schwebekammer erläutert. Im einzelnen v/eist die Schwebekammer ein Paar paralleler Plattenelektroden 10 und 12 und eine dritte Stiftelektrode 14 auf, die sich durch die Elektrode 10 hindurch aber von dieser isoliert erstreckt. Wie in Fig. 1c gezeigt, können den einzelnen Elektroden Potentiale zugeführt werden, deren in Fig. 1c angegebene Werte lediglich beispielhaft sind. Für ein gegebenes Teilchen lann die Elektrode 10 Bezugs- oder Erdpotential , die Elektrode 12 ein Potential in der Größenordnung von +50V und die Elektrode 14 ein Potential in der Größenordnung von +100 V aufweisen. Die positiven Potentiale der an die Elektroden 12 und gegebenen elektrischen Energie sind unter der Voraussetzung gewählt, daß das zu suspendierende Mikroteilchen eine negative Ladung aufweist, wie dieses für das Teilchen 16 dargestellt ist. Hat das Teilchen dagegen eine positive Ladung, dann werden die entsprechenden Spannungen der Elektroden 10,12 und 14 umgekehrt.

Aus Fig. 1a ist zu ersehen, daß die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 12 und 14 ein starkes elektrisches Feld erzeugt, das eine, wie durch die Pfeile 18 gezeigt, nach oben und innen gerichtete Kraft erzeugt. Die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 10 und 14 erzeugt ein starkes elektrisches Feld, das seinerseits, wie durch die Pfeile 20 gezeigt, eine radial und nach innen gerichtete Kraft erzeugt. Hat die Elektrode 12 kein Potential, wird ein negativ geladenes Teilchen zur Stiftelektrode 14 hin gezogen.

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Wie in Fig» 1b gezeigt, erzeugt die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden 10 und 12 ein schwaches elektrisches PeId, das seinerseits, wie durch die Pfeile 22 gezeigt, eine.nach unten gerichtete Kraft erzeugt, so daß, wenn kein Potential an die Elektrode 14 gegeben wird, ein negativ geladenesTeilchen nach unten zur Elektrode 12 gezogen wird. Da das Teilchen außerdem von der Schwerkraft nach unten gezogen wird, vergrößert das durch die Pfeile 22 gezeigte elektrische Feld die nach unten gerichtete Bewegung,

In Fig. 1c ist die Korabination dieser elektrischen Felder dargestellt. Besonders das starke radiale elektrische Feld 20 wird aufrechterhalten, um das Teilchen 16 in seiner Mitten-lage zu halten. Ein zusammengesetztes vertikales Feld 24- wird aus den Feldern 18 und 22 der Fig. 1a und 1b zusammengesetzt und ist schwächer als das durch die Pfeile 20 gezeigte Feld. Dieses schwache vertikale Feld wird benutzt, um die Schwerkraftwirkung auf das geladene Teilchen 16 auszugleichen. Daraus ist zu erkennen, daß durch die Verwendung dieser Drei-Elektroden-Anordnung und hauptsächlich durchdie besondere Weise, mit der diese Drei-Elektroden-Anordnung gespeist wird, die auf die geladenen Teilchen wirkenden Kräfte der Schwerkraft durch ein schwaches vertikales Feld ausgeglichen werden können, während gleichzeitig ein starkes radiales Feld benutzt wird, um das geladene Teilchen in eine zentrale Stellung zu ziehen.

Die Stiftelektrode 14- kann sich auch durch die untere Elektrode anstelle der oberen Elektrode erstrecken, wobei die elektrischen Felder wieder so angeordnet werden, daß

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das geladene Teilchen an einer geeigneten Stelle zwischen den Elektroden gehalten wird. Außerdem braucht die Ebene der Plattenelektroden nicht senkrecht zur Schwerkraftsrichtung angeordnet sein und die Plattenelektrode kann in jeder Winkelstellung zur Schwerkraftsrichtung angeordnet werden, wobei das geladene Teilchen immer noch zwischen den Plattenelektroden gehalten wird.

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

Eine elektrische Verbindung 112 ist an der Außenseite der Kammer 106 befestigt, so daß über einen Draht 114 elektrisches Potential an die Stiftelektrode 14 gegeben werden kann. Die Plattenelektrode 10 und die Kammer 106 sind

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über die elektrische Verbindung geerdet. Ein Druckdos enanschluß 116 erstreckt sich durch die Seitenwand der Kammer 106. Eine Öffnung 118 in dem Isolierstopfen 108 erlaubt das Hindurchtreten von Mikroteilchen aus der Kammer 106 in den Licht-Zerstreuungsbereich- der Zerstreuungskammer der Fig. 2.

Der Licht-Zerstreuungsbereich wird von einem transparenten Kammerteil 120 gebildet, der einen Maskenteil 122 aufweist. Lichtenergie, wie z.B. von einem Laserstrahl, gelangt in die transparente Kammer 120 über eine Eintrittsmaske 124. Eine Lichtfalle 126 empfängt die Lichtenergie, nachdem diese durch die transparente Kammer hindurchgegangen ist. Ein Lichtauslaß 128 kann innerhalb des Maskenteiles 122 vorgesehen sein, so daß das Innere der Kammer mit einem Mikroskop in einer Weise beobachtet werden kann, die später noch beschrieben wird. Dieser abgedichtete Lichtaustritt ist mit einem leichten Winkel gegenüber der Achse bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel- geneigt, um das Zurückreflektieren von Lichtinnerhalb.der horizontalen Ebene zu vermeiden, in der das zerstreute Licht beobachtet wird. Die Kammer 106 und die transparente Kammer 120 sind mit einem oberen O-Ring 130 abgedichtet.

Die Lichtenergie schneidet sich mit jedem an einer geeigneten Stelle in der transparenten Kammer angeordneten Mikroteilchen, wenn diese in geeigneter Weise von der Eintrittsöffnung 124 her durch die transparente Kammer 120 gerichtet wird, und erzeugt eine differenzielle Lichtζerstreuung gemäß den differenziellen Licht-Zerstreuungseigenschaften des Mikroteilchens. Diese diffe-

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renzielle Lichtζerstreuung kann erfaßt werden, indem das differenziell zerstreute Licht an verschiedenen Winkelpositionen durch den transparenten Teil der transparenten , Kammer 120 hindurch beobachtet wird.

Die Grundfläche 132 trägt die untere Plattenelektrode 12. Die Grundfläche 132 und die transparente Kammer 120 sind mit einem unteren O-Ring 134- abgedichtet. Eine öffnung 136 erstreckt sich durch die untere Plattenelektrode hindurch und ist mit einem Absauganschluß 138 verbunden, um die Mikroteilchen aus der Transparentkammer 120 heraussaugen zu können. Schließlich ist ein elektrischer Anschluß zur Zuführung von Potential an die untere Plattenelektrode 12 durch den elektrischen Anschluß 140 gegeben, der als öffnung ausgebildet sein kann, um einen Stecker, wie z.B. einen Bananenstecker, aufzunehmen.

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

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sammendrücken der Spritze selektiv die. eingeschlossenen Mikroteilchen injiziert werden.

Wird ein Zerstäuber benutzt, so wird ein Luftvorrat über eine Leitung 204- mit einem Steuerventil 206 verbunden. Das Steuerventil 206 hat zwei Ausgänge, von denen einer über die Leitung 208 unmittelbar mit dem Spülanschluß 104-verbunden ist. Ein die Luftzufuhr steuernder Schalter 210 steuert diese von der L'eitung 204· über die Leitung 208 zum Spülausgang der Zerstreuungskammer. Ein zweiter Ausgang des Steuerventils 206 ist über eine Leitung 210 mit einem Steuerventil 212 für den Zerstäuber verbunden. Der Ausgang des Zerstäuber-Steuerventils ist über eine Leitung 214- mit dem Zerstäuber 200 verbunden. Eine Druckknopfsteuerung 216 für den Zerstäuber wird zur Steuerung der Luftzufuhr an den Zerstäuber 200 benutzt. Ist der Druckknopf 216 gedrückt, so wird Luft an den Zerstäuber 200 gegeben, um damit in dem Luftstrom enthaltene Mikroteilchen über die Leitung 202 an den Einlaßstutzen 102 zu geben. · -

Eine Druckdose 218 wird benutzt, um eine geeignete Luftmenge über die Leitung 220 an den Druckdosenanschluß 116 zu geben. Schließlich ist eine Absaugleitung 222 mit dem Absaugstutzen 138 verbunden, damit alle in der Zerstreuungskammer befindlichen Mikroteilchen abgesaugt werden können. Das Innere der Zerstreuungskammer ist luftdicht von jeglichen äußeren Druckschwankungen abgeschlossen und der Durchfluß durch die Zerstreuungskammer wird durch die Druckdosenanordnung 218 und den Zerstäuber 200 gesteuert.

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Fig. 4 zeigt das Steuerpult der erfindungsgemäßen Schw§bekammer. Wie in Fig. 3 gezeigt, umfaßt das Steuerpult einen Schalter 210 für die Luftsteuerung und einen Druckknopfschalter 216 für den Zerstäuber. Zusätzlich weist das in Fig. 4 gezeigte Steuerpult einen die Polarität steuernden Knopf 224, einen die Spannung sbeuernden Knopf 226, einen den Schwebezustand steuernden Knopf 228, einen Knopf 2JO für automatischen oder Handbetrieb, einen die Druckdose steuernden Knopf 232 und einen die Fokusierung steuernden Knopf 234 auf. Außerdem ist auf dem Steuerpult ein Okkular 236 eines Mikroskops angebracht.

Die verschiedenen Steuerknöpfe des in Fig. 4 gezeigten Steuerpults werden in der folgenden Weise benutzt:

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

Der Knopf 226 für die Spannung bestimmt die maximale Spannung, die an die Elektroden der Zerstreuungskammer gegeben wird. Der den Schwebezustand steuernde Knopf 228

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legt das Eingangssignal an das Servosystem für die gewünschte Stelle des Teilchens fest. Der Wahlsehalter kann sich jeweils in einer von zwei möglichen Stellungen befinden, je nachdem, ob der Knopf gezogen oder aber gedruckt ist. Ist der Knopf 230 herausgezogen, so arbeitet die Schwebekammer im Handbetrieb. Ein Drehen des Knopfes 23O stellt .die Spannungen für die Elektroden ,ein, so daß das Teilchen innerhalb der Zerstreuungskammer beifegt wird. Ist der Knopf hineingedrückt, so arbeitet die Schwebekammer im automatischen Betrieb und das Servosystem der Schwebekammer steuert die Elektrodenspannungen, um das Teilchen innerhalb der Zerstreuungskammer in einer geeigneten Stellung zu hauten.

Der die Druckdose steuernde Knopf 232 wird zum Biegen einer kleinen Druckdose benutzt, um Luft und Teilchen langsam durch die Zerstreuungskammer zu bewegen. Schließlich wird der die Fokusierung steuernde Knopf 234 zur 3?okusierung des Mikroskops benutzt, so daß der Mittelpunkt der Zerstreuuhgskammer beobachtet werden kann.

Fig. 5 zeigt die optische Anordnung zum Beobachten des Mittelpunktes der Zerstreuungskammer und zur optischen Erfassung der Stelle des sich in der Zerstreuungskammer befindenden Teilchens. Die von dem Teilchen nahe des Mittelpunktes der Zerstreuungskammer zerstreute Lichtenergie , die durch Pfeile 300 dargestellt ist, verläßt die Zerstreuungskammer durch den Auslaß 128 und wird von einer Linse 302 auf einen Strahlungs^teiler 3O⁷+ fokusiert. Ein Teil der Licht energie gelangt über den Strahlungsteiler 304- auf einen Diagonalspiegel 3O6. ■

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Ein zweiter Teil der Lichtenergie wird von dem Strahlenteiler 304 auf einen Beobachtungsspiegel 310 reflektiert und kann durch ein Mikroskop J08 beobachtet werden, Ist das Okkular 236 des Mikroskops 308 geeignet eingestellt, kann der Mittenteil der Zerstreuungskammer beobachtet werden.

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

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

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

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

Die Benutzung logarithmischer Verstärker halt eine konstante Servoverstärkung aufrecht und ermöglicht eine stabile Regelung über einen großen Bereich von Teilchen. Die Schwebesteuerung 228 wird eingestellt, um gleiche Verstärkung für gleiche Signale in den Verstärkern 350 und 352 zu bewirken. Die Ausgangssignale der Verstärker 350 und 352 werden an eine Differenzschaltung 354· gegeben

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und die Differenz zwischen den beiden Spannungen wird von einem Trennverstärker 356 verstärkt und an einen Abtast- und Haltekreis 358 gegeben, dessen Ausgangssignal wird von einem One-shot-Hultivibrator 360 gesteuert, der seinerseits einen Schalter 362 steuert. Da ein pulsierender Laser in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel benutzt wird, steuern die Ausgangssignale der Verstärker 350 und 352 den I¹JuIt!vibrator 360. Wird ein kontinuierlich strahlender Laser benutzt, so kann der Abtast- und Haltekreis fortgelassen werden oder durch einen den Mittelwert bildenden Schaltkreis ersetzt werden.

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

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

Die Arbeitsweise der Schwebekammer zum Isolieren und Einstellen eines einzelnen Teilchens innerhalb des Laserstrahls mit den in den 3?ig. 2 bis 5 gezeigten Anordnungen ist die folgende:

Zuerst wird der Zerstäuber 200 mit einer Suspension von zu untersuchenden Mikroteilchen gefüllt und die Verbindungsleitungen werden in der in Fig. 3 gezeigten Weise mit der Zerstreuungskammer verbunden. Die verschiedenen ■ elektrischen Speisequellen werden mit der Gesamtanordnung verbunden, so daß ein Laser oder eine andere Lichtquelle · und auch die Elektroden der Schwebekammer gespeist werden. Anfangs kann der Polaritätsschälter 224 in die positive Stellung gestellt werden. Die Spannungssteuerung 226 wird auf 0 V eingestellt, was gewöhnlich die voll gegen den Uhrzeigersinn gedrehte Stellung ist. Der Wählschalter 230 befindet sich in der Handbetriebsstellung und ist ebenfalls gegen den Uhrzeigersinn gedreht, was gewöhnlich bedeutet, daß das Teilchen nach unten gezogen wird.

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Um die Zerstreuungskammer zu reinigen, wird der die Luftzufuhr steuernde Schalter 210 nach vorn geschaltet, um die Zerstreuungskammer mit reiner Luft zu spülen. Dieses kann über das Okular 2J6 des Mikroskops 508 "beobachtet werden und wird solange durchgeführt, bis keine durch den Laserstrahl hindurchgehenden Teilchen mehr beobachtet werden können. Danach wird der Schalter 210 in seine rückwärtige Stellung zurückgeschaltet, um damit den Zerstäuber 200 anzuschließen. Der Knopf 216 für den Zerstäuber kann dann einige Male kurz gedrückt werden, bis beobachtet werden kann, daß bei jedem Drücken des Knopfes 216 mehrere Teilchen durch den Laserstrahl hindurchgehen. Nun kann der Knopf 232 für die Druckdose zurück-und vorbewegt werden, um die Teilchen langsam durch den Laserstrahl zu bewegen. Die größeren Teilchen können leicht gesehen werden und für die kleineren Teilchen erscheinen Brechungsbilder der Teilchen als scharf definierte konzentrische Ringe in dem Mikroskop. Der Fokusierungsknopf 2J4 wird zur Einstellung der maximalen Schärfe benutzt.

Befindet sich im Beobachtungsfeld des Mikraskopes ein helles Bild, das ein Teilchen dlrstellt, so kann die Spannungssteuerung 226 solange aufgedreht werden, bis sich dieses Bild in Abhängigkeit von der Spannungssteuerung 226 bewegt. Die Bewegung des Teilchens sollte nach unten gerichtet sein. Ist die Bewegung nicht nach unten gerichtet, so bedeutet dieses, daß die Polarität des Teilchens umgekehrt ist und die Polaritätsteuerung 224 muß in ihre negative Stellung umgeschaltet werden.

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Der Wahlschalter 23O kann bewegt werden, um die Abwärtsbewegung, des Teilchens zu beenden und das Teilchen zurück in den Mittelpunkt des Gesichtsfeldes des Mkroskopes zu bringen. Sowohl die Spannungssteuerung als auch die Positionssteuerung des Wahl schalters 2j5O können gleichzeitig betätigt werden, um-die Bewegung des Teilchens zu beenden, bevor es das Gesichtsfeld verläßt.

Wurde das Teilchen aus dem Gesichtsfeld verloren, dann wird die Spannungs- und Positionssteuerung in ihre"0-Stellungen zurückgestellt und der Knopf für den Zerstäuber erneut betätigt, um neue Teilchen in das Gesichtsfeld zu bringen. Da die Teilchen unterschiedliche Polaritäten haben können, ist es wichtig, daß die Polaritätssteuerung wieder zurückgeschaltet wird, damit das Teilchen eine Abwartsbewegung ausführen kann. Die Positionierung des Teilchens kann dann durch gleichzeitige Betätigung der Polaritäts- und Positionssteuerung anstelle der Spannungs- und Positionssteuerung durchgeführt werden.

Wurde ein Teilchen im Zentrum des Gesichtsfeldes positioniert, und bleibt dort nahezu unbeweglich, dann wird der Wahlschalter 23O umgeschaltet, so daß die Schwebekammer auf automatischen Betrieb geschaltet ist. Dieses bewirkt, daß die in 2Pig. 6 gezeigte automatische Servosteuerung das Teilchen föst innerhalb des Lichtstrahles hält..:.Die Spannungssteuerung 226 kann voll aufgedreht werden, um eine maximale automatische Servosteuerung für die Lage des Teilchens in der Schwebekammer zu erreichen.

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Hit der Erfindung wurde eine einfache Anordnung geschaffen, mit der ein Mikroteilchen innerhalb eines Lichtstrahles, wie z.B. eines Laserstrahles positioniert und automatisch in dieser Stellung gehalten werden kann. Die Schwebekammer weist ein Paar paralleler Plattenelektroden und eine dritte Elektrode auf, die durch eine dieser Plattenelektroden sich isoliert von dieser hindurch erstreckt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erzeugen die parallelen Plattenelektroden ein elektrisches Feld, das das Teilchen nach unten zieht und damit die Schwerkraft unterstützt, während die dritte Elektrode ein elektrisches Feld erzeugt, das das Teilchen nach oben zieht und die abwärtsgerichteten Kräfte ausgleicht und außerdem das Teilchen in die Kittellage zieht. Diese Anordnung ermöglicht, daß ein relativ starkes elektrisches Feld benutzt werden kann, um das Teilchen in die Mittellage zu ziehen. Die Beibehaltung der Lage des Teilchens kann automatisch gesteuert werden, wobei ein optischer Detektor in Verbindung mit einem Servosystem benutzt wird.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt.

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Claims

Patentansprüche

1. Schwebekammer ,zum Suspendieren geladener Teilchen mit einem Paar paralleler Plattenelektroden, .. ^jg e k e η η - . zeichnet durch eine dritte-Stiftelektrode (1A), die sich durch eine der Plattenelektroden (,10,12) isoliert von dieser hindurcherstreckt und im Abstand zur .anderen Plattenelektrode angeordnet ist, durch eine erste Ah.?;.-; Ordnung (112,140) zur Zuführung eines elektrischen Potentials zwischen die Plattenelektroden, um ein erstes -elektrisches Feld in einer ersten Richtung zu erzeugen, durch eine zweite Anordnung (114·) zur Zuführung eines elektrischen Potentials zwischen der Stiftelektrode und den Plattenelektroden zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Pelds in einer gegenüber der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung, um ein zusammengesetztes PeId zwischen den Plattenelektroden zu bilden, so .daß Jedes sich zwischen den Plattenelektroden befindliche geladene Teilchen in der Schwebe, haltbar ist , und um ein drittes radiales elektrisches Feld zu erzeugen, mit dem jedes sich zwischen den Plattenelektroden befindliche geladene Teilchen an eine der Stiftelektrode benachbarte Stelle zu ziehen ist.

2. Schwebekammer nach Anspruch.1, dadurch g e k e η η ze-ichnet , daß die erste und zweite Anordnung'(112, 1A0;114) den Elektroden (10,12,14-) gleichzeitig Potential zuführen.

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3. Schwebekammer nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (200) zur Zuführung einzelner geladener Teilchen zwischen die Plattenelektroden (10,12).

4. Schweb ekarainer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (314 350,352,354) zur Erfassung der Lage eines geladenen Teilchens, das sich zwischen den Elektroden (10,12) befindet, mit der ein Fehlersignal erzeugbar ist, das die Differenz zwischen der tatsächlichen Lage des geladenen Teilchens und einer gevrünschten Lage darstellt, und mit der das an die Elektroden (10,12,14) gegebene Potential verstellbar ist, um auch die Lage des Teilchens zu ändern.

5. Schwebekaromer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (200) zur Zuführung von Mikroteilchen in die Schwebekammer vorgesehen ist, die in dieser an einer festen Stelle von einem Lichtstrahl treffbar sind.

6. Zerstreuungskamner mit einer Schwebekammer zum Suspendieren geladener Teilchen in der Zerstreuungskainmer, in der diese von einem Lichtstrahl getroffen werden, g e kennzeichnet durch ein Paar paralleler Plattenelektroden (10,12) und einer isolierenden Seitenwand (120), die zusammen einen abgeschlossenen Raum bilden, der einen Eintrittsbereich (124) für den Lichtstrahl aufweist, durch eine dritte durch eine der Plattenelektroden isoliert von dieser hindurchtretende Stiftelektrode (14} durch eine erste Einrichtung (200), mit der geladene Teil-

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chen in den geschlossenen Raum gebbar sind, durch eine zweite Einrichtung, mit der ein Lichtstrahl durch den Eintrittsbereich der Seitenwand hindurch und an einer Stelle neben der Stiftelektrode vorbei schickbar ist, durch eine dritte Einrichtung (112-,14O) zur Zuführung eines elektrischen Potentials zwischen die Plattenelektroden, um ein erstes elektrisches Feld in einer ersten Richtung zu erzeugen und durch eine vierte Einrichtung-, (iΊ4), mit der ein elektrisches Potential zwischen der Stiftelektrode und den'Plattenelektroden zuführbar ist, um ein zweites elektrisches Feld in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung zu erzeugen, so daß ein zusammengesetztes elektrisches Feld zv/ischen den Plattenelektroden entsteht, mit dem die auf Jedes zwischen den Plattenelektroden befindliche geladene leuchen wirkenden Kräfte ausgleichbar sind, und um ein drittes radiales elektrisches Feld zu erzeugen, mit dem jedes sich zwischen den Plattenelektroden befindliche geladene Teilchen an eine der Stiftelektrode benachbarte Stelle ziehbar ist.

7. Zerstreuungskammer nach Anspruch 6, dadurch g„e kennzeichnet , ' daß die erste Einrichtung (200) zur Zuführung geladener Teilchen in den abgeschlossenen Raum ein Zerstäuber ist«

.8* Zerstreuungskammer nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine Druckdosenänordnung (218) mit der pneumatisch die Bewegung der geladenen Teilchen in dem geschlossenen Raum steuerbar ist»

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9· Zerstreuungskammer nach einem der Ansprüche 6 bis 8j ' gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (226,224) zur Einstellung der Größe und Polarität der den Elektroden (10,12,14) zugeführten elektrischen Potentiale.

10. Zerstreuungskammer nach einem der Ansprüche 6 bis 9» gekenn ζ eichnet durch eine Einrichtung (314-,316,350,352,254-) zur Erfassung der Lage eines zwischen den Elektroden (10,12,14) angeordneten geladenen Teilchens,mit der. ein Fehlersignal erzeugbar ist, das die Differenz zwischen der tatsächlichen Lage des geladenen Teilchens und einer gewünschten Lage darstellt, und mit der das den Elektroden zugeführte Potential einstellbar ist, um danit die Lage des geladenen Teilchens einzustellen.

11. Zerstreuungskamiier nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der abgeschlossene Raum luftdicht gegenüber jeder äußeren Druckänderung abgeschlossen ist.

12. Zerstreuungskammer nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß mit der Einrichtung (200) Ilikro teilchen in den geschlossenen Raum 'gebbar sind,

13· Zerstreuungskammer nach einem der Ansprüche 6 bis 12, gekennzeichnet durch einen Erfassungsbereich zur Beobachtung des zerstreuten Lichts in unterschiedlichen Winkelpositionen relativ zu den geladenen Teilchen und durch eine abgeschrägte öffnung zur Be.obachtung eines Teiles des zerstreuten Lichts, das von der

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Einrichtung zur Erfassung der Lage des geladenen Teilchens benutzt ist.

14-, Zerstremingskammer nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Erfassung der Lage (314-,316,350,352,35²O einen Strahlenteiler (304) aufweist, mit dem das zerstreute Licht auf ein Paar das Licht erfassende Einrichtungen richtbar ist, wobei die Differenz zwischen den AusgangsSignalen dieser Einrichtungen das Fehlersignal bildet.

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Le e rs e i te