Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung hat eine Auswahleinrichtung der elektrischen Beweglichkeit
geladener Teilchen zum Gegenstand, die insbesondere zum Auswählen von Teilchen einer
bestimmten Granulometrie bzw. Größe aus Teilchen von beliebiger Größe (polydispergiertes
Aerosol) dient, die in Luft oder in einem anderen Gas suspendiert sind.
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Unter anderen Anwendungen ist dieser Vorrichtungstyp z.B. besonders gut geeignet für
das Gebiet der Aerosol-Untersuchungen, der Filterwirksamkeits-Tests, der Herstellung
kalibrierter Teilchen oder der Untersuchung der elektrischen Ladung von Aerosolen. Speziell
für submikrometrische Aerosole bis zu Größen, die die Größe der feinsten Aerosole umfassen,
d.h. in der Nanometer-Größenordnung (10&supmin;&sup9; m).
Stand der Technik
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Eine der am häufigsten verwendeten Einrichtungen zur Auswahl monodispergierter
Teilchen nutzt die Tatsache, dass die Aerosole praktisch alle Träger elektrischer Ladungen
sind, die der elektrischen Einheitsladung oder einem Mehrfachem von dieser entsprechen.
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Folglich hat man zur Auswahl von in einem Gas suspendierten geladenen Teilchen
schon elektrostatische Felder benutzt, die auf die elektrischen Ladungen wirken, die die
Teilchen aufweisen. Zu diesem Zweck definiert man einen fundamentalen Begriff auf diesem
Gebiet, welcher der der elektrischen Beweglichkeit eines in einem elektrostatischen Feld
befindlichen geladenen Teilchens ist. Diese Größe, die die mehr oder weniger große Fähigkeit
eines solchen Teilchens definiert, unter der Wirkung dieses Feldes abgelenkt zu werden, kann
durch folgende Gleichheit ausgedrückt werden:
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= Z ,
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wobei bei dieser Vektorgleichheit die Ablenkungsgeschwindigkeit ist, die das Teilchen unter
dem Einfluss des elektrischen Feldes erreicht, dem es ausgesetzt ist. Der
Proportionalitätskoeffizient Z zwischen den beiden vorhergehenden Größen ist genau die
fragliche elektrische Beweglichkeit. Diese elektrische Beweglichkeit ist:
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- einerseits proportional zu der elektrischen Ladung des Teilchens,
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- und andrerseits umgekehrt proportional zu seinem Durchmesser,
woraus sich die Möglichkeit ergibt, richtige Auswahleinrichtungen von Partikeln in
Abhängigkeit von ihrer Größe zu realisieren, wenn das Ladungsgesetz bekannt ist, das darin
besteht, von einem Gasstrom mitgenommene Teilchen der Wirkung eines elektrischen Feldes
auszusetzen, das zwischen zwei Elektroden existiert. Unter der Wirkung dieses Feldes
schlagen sich die geladenen Teilchen entsprechend ihrem Vorzeichen auf einer dieser
Elektroden nieder und die Abszisse ihres Niederschlags in Bezug auf die Richtung des
Gasstroms ist in dem Sinne charakteristisch für ihre Beweglichkeit, dass sie sich um so näher
beim Nullpunkt des sie befördernden Gasstroms befinden, je größer diese elektrische
Beweglichkeit ist. Derart erhält man eine räumliche Streuung oder Trennung der
eingesammelten Teilchen. Man kann nach dieser Trennung die Teilchen auswählen, die eine
bestimmte Mobilität und folglich eine bestimmte Größe haben, wenn das Ladungsgesetz
bekannt ist.
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Eine auf diesem Prinzip beruhende Vorrichtung wird beschrieben in dem französischen
Zusatzpatent Nr. 90 02413 vom 27.02.90, veröffentlicht unter der Nummer 2 658 916 (US-5
117 190) mit dem Titel "capteur electrostatique de Particules d'aerosol et apparails en
comportant application (elektrosatischer Aerosolteilchen-Sensor und Vorrichtungen zur
Anwendung)". Dieser Vorrichtungstyp ist in der Fig. 1 dargestellt und umfasst zwei koaxiale
leitende Scheiben 2, 4, voneinander beabstandet und parallel, zwischen denen man eine
Potentialdifferenz V und infolgedessen ein elektrisches Feld herstellt. Die Scheibe 2 umfasst
einen ringförmigen Schlitz 6 (Radius r&sub1;), durch den die Teilchen eines Aerosols mit einem
Förderstrom q&sub1; eingeleitet werden. Eine zentrale Absaugung 8 ist vorgesehen, durch die eine
Luftmenge Q zirkuliert, gefördert durch eine in der Figur nicht dargestellte Pumpe.
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Die Teilchen werden in Richtung eines zweiten ringförmigen Schlitzes 10 mit dem Radius
r&sub2;, eingearbeitet in die Scheibe 4, mitgenommen durch Zusammenwirkung von:
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- einem gefilterten Luftstrom mit der Fördermenge q&sub0;, radial und laminar, erzeugt zwischen
den beiden Scheiben, und
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- dem zwischen den beiden Scheiben vorgesehenen elektrischen Feld E.
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Durch den Schlitz 10 strömt die Luft mit einer Durchsatzmenge q&sub2; in ein zylindrisches
Gehäuse 12, angebaut an die Scheibe 4. Man erhält also: Q = q&sub0; + q&sub1; - q&sub2;. Die Teilchen, die den
Schlitz 10 durchqueren, haben dieselbe elektrische Beweglichkeit Z = Q/πE(r&sub1;² - r&sub2;²).
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Um diese elektrische Beweglichkeit von Fall zu Fall auf den gewünschten Wert
einzustellen, kann man die beiden Parameter variieren, nämlich einerseits die Menge Q und
andrerseits die Potentialdifferenz V zwischen den beiden koaxialen, leitenden Scheiben 2 und
4.
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Durch das zylindrische Gehäuse 12 und eine Leitung 14 können die Teilchen
anschließend zu irgendeiner Vorrichtung eines der vorgesehenen Anwendung
entsprechenden Typs geleitet werden, z.B. zu einem mit den derart erzeugten, kalibrierten
Teilchen zu eichenden Teilchenzähler.
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Dieser Vorrichtungstyp weist jedoch wie alle heute existierenden Zähler geladener
Teilchen gewisse Nachteile auf, wenn er benutzt wird, um Teilchen von nanometrischer Größe
auszuwählen.
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Zunächst verursacht der Transport solcher Teilchen durch die Leitungen des Systems
Verluste durch Brownsche Diffusion in der Nähe der Wände, insbesondere in dem
zylindrischen Gehäuse 12 und in der Ausgangsleitung 14. Beispielsweise sammelt eine
Leitung von 30 cm Länge bei einer Durchsatzmenge von 0,3 l/min durch Brownsche Diffusion
ungefähr 50% der Teilchen von 3 nm ein.
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Zudem ist der Weg nicht für alle Teilchen derselbe, und es kommt aufgrund dieser
Tatsache zu einer Streuung der Transitzeiten und einer gewissen Verteilung über die
Vorrichtung, was bei bestimmten Anwendungen nachteilig sein kann.
Darstellung der Erfindung
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Di Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile zu beseitigen.
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Sie hat eine Auswahleinrichtung für in einer Atmosphäre enthaltener Aerosoleilchen zum
Gegenstand, die eine erste und eine zweite koaxiale leitende Scheibe umfasst, die
voneinander beabstandet und parallel zueinander sind und zwischen denen ein elektrisches
Feld erzeugt wird, indem man unterschiedliche Potentiale an sie legt, wobei der zwischen den
beiden Scheiben enthaltene Raum mit der zu prüfenden Atmosphäre durch einen in der ersten
Scheibe vorhandenen ringförmigen Schlitz des Radius r&sub1; kommuniziert und eine zentrale
Absaugung in der ersten Scheibe vorgesehen ist, um diesem Raum einen laminaren
gefilterten Luftstrom, ausgehend vom Rand der Scheiben, fließen zu lassen, zentripetal und
stabil, wobei die zweite Scheibe mit einer ringförmigen Öffnung des mittleren Radius r&sub2;, kleiner
als der Radius r&sub1; des ringförmigen Schlitzes, versehen ist und die Radien r&sub1; und r&sub2; auf die
Achse der beiden Scheiben zentriert sind. Dabei ist diese Vorrichtung dadurch
gekennzeichnet, dass sie außerdem umfasst:
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- eine dritte Scheibe, der zweiten Scheibe gegenüberstehend,
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- Einrichtungen, um in den zwischen der zweiten und der dritten Scheibe enthaltenen Raum
einen gefilterten Luftstrom einzuleiten, radial und laminar, ausgehend vom Rand dieser
beiden letzteren Scheiben,
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eine zentrale Leitung, befestigt an der dritten Scheibe, durch die die Teilchen die Vorrichtung
verlassen.
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Bei dieser Konfiguration gibt es also dank der dritten und zweiten Scheibe eine zweite
Stufe, und man realisiert mit Hilfe eines gefilterten Luftstroms zwischen diesen beiden
Scheiben das, was man eine "dynamische Einschließung" nennt. Dieser Strom kanalisiert die
Teilchen gleich beim Verlassen der ersten Stufe. Nach dem anschließenden Verlassen der
zweiten Stufe werden die Teilchen dann in einer Leitung befördert, die sie nach außen bringt,
noch immer als laminare Strömung, mit der Besonderheit, dass sie sich in der Nähe des
Zentrum der Strömung befinden und dies ohne Kontakt mit den Wänden (folglich ohne
Verlust) und mit identischen Bahnen (also mit identischen Transitzeiten).
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Nach einer speziellen Ausführungsart sind Einrichtungen vorgesehen, um zwischen der
zweiten und dritten Scheibe ein elektrische Hilfsfeld ' zu erzeugen, das ermöglicht, die durch
den Schlitz mit dem Radius r&sub2; ausgewählten Teilchen von der Oberfläche abzulösen, mit der
sie in Kontakt sein könnten.
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Nach einer anderen speziellen Ausführungsart hat der Ring, der in der zweiten Scheibe
die Öffnung definiert, einen Innendurchmesser null, d.h. dass die Öffnung nur noch ein rundes
Loch ist.
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Weitere spezielle Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüchen.
Kurzbeschreibung der Figuren
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Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden besser verständlich durch die
nachfolgende Beschreibung. Diese Beschreibung betrifft erläuternde und nicht
einschränkende Ausführungsbeispiele und bezieht sich auf die beigefügten Figuren:
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- die Fig. 1 zeigt eine Aerosolteilchen-Auswahleinrichtung nach dem Stand der Technik,
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- die Fig. 2 zeigt das Prinzip einer erfindungsgemäßen Teilchen-Auswahleinrichtung,
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- die Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Auswahleinrichtung in einer Schnittansicht,
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- die Fig. 4 zeigt eine spezielle Ausführungsart einer erfindungsgemäßen
Auswahleinrichtung, und
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- die Fig. 5 zeigt Spektren, erzielt mit einer erfindungsgemäßen Auswahleinrichtung.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsarten
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Die Fig. 2 zeigt ein Schema einer erfindungsgemäßen Auswahleinrichtung.
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Die Vorrichtung umfasst zunächst eine erste Stufe, gebildet durch eine kreisförmige
elektrische Beweglichkeits-Auswahleinrichtung mit zwei konzentrischen Scheiben 18, 20. Die
erste Scheibe 18 umfasst einen ringförmigen Schlitz 22 mit dem Radius r&sub1;, durch den eine
Gasprobe mit zu analysierenden Teilchen mit einer Durchsatzmenge q&sub1; eingespeist wird. Da
die beiden Scheiben leitend sind, kann man jede von ihnen auf ein bestimmtes Potential
bringen und in dem Raum 24, der sie trennt, ein elektrisches Feld erzeugen. In der zweiten
Scheibe 20 befindet sich eine ringförmige Öffnung 28 mit mittlerem Durchmesser r&sub2;,
durchquert von einer Luftmenge q&sub2;. Zwischen den beiden Scheiben, am Rand des Raums 24,
wird durch in der Fig. 2 nicht dargestellte Einrichtungen ein Führungsgas (gefilterte Luft) q&sub0;
eingeblasen, sodass zwischen den beiden Scheiben eine laminare Strömung zirkuliert, bis hin
zu dem zentralen Absaugstutzen 26, der folglich eine Menge Q = q&sub0; + p&sub1; - q&sub2; absaugt.
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Wenn man mit Z die elektrische Beweglichkeit der Teilchen bezeichnet, mit 2 h den die
beiden Scheiben 18 und 20 trennenden Abstand und mit V die Potentialdifferenz zwischen
diesen Scheiben, dann zeigt die Theorie der Vorrichtung, dass die Aerosolteilchen, die den
Schlitz mit dem Radius r&sub2; durchqueren, folgende Beweglichkeit Z haben:
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Eine zweite Stufe sammelt die Teilchen mit derselben elektrischen Beweglichkeit Z.
Diese Stufe wird einerseits durch die weiter oben schon beschriebene zweite Scheibe 20 und
andrerseits eine dritte Scheibe 32 gebildet, die der zweiten gegenübersteht und mit dieser
einen Raum 34 bildet. Vom Rand dieses Raums 34 aus kann man mit Hilfe dem Fachmann
bekannter Mittel einen gefilterten und radialen Luftstrom q'&sub0; erzeugen. Dabei wird q'&sub0; so
gewählt, dass der Luftstrom in der zweiten Stufe laminar ist. Die durch die Öffnung 28
selektierten Teilchen werden also schon beim Verlassen der ersten Stufe kanalisiert.
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Außerdem kann ein elektrisches Feld E', das man erhält, indem man als Scheibe 32 eine
leitende Scheibe nimmt und an jede der Scheiben 20 und 32 ein bestimmtes Potential legt (die
Potentialdifferenz wird mit V' bezeichnet), zwischen diesen beiden Scheiben derart
angewendet werden, dass sich die Teilchen von den Oberflächen lösen, mit denen sie in
Kontakt sein könnten. Das Feld E' kann in einem einfachen Verhältnis zu dem Feld E stehen:
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E' = f(E), z.B. E' = E/10. Man kann eine Regelung von E' nach E vorsehen.
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Die dritte Scheibe 32 weist in ihrem Zentrum eine Öffnung 36 auf, die in einer Leitung 38
mündet. Der Mittelpunkt der Öffnung 36 fluchtet vorzugsweise mit den Mittelpunkten der
Scheiben 18 und 20. Wenn die selektierten Teilchen immer von einer laminaren Strömung mit
einer Durchsatzmenge von q'&sub0; + q&sub2; mitgeführt werden und in der Nähe des Zentrums der
Strömung in der Achse der Öffnung 36 eingeschlossen sind, haben sie keinen Kontakt zu den
Wänden und folglich keinen Verlust. Zudem sind die Bahnen, denen die Teilchen folgen, in der
gesamten Vorrichtung identisch, einschließlich in der zweiten Stufe und der Leitung 38. Die
Teilchen strömen also mit identischen und leicht zu bestimmenden Transitzeiten, da die
geometrischen Abmessungen des Systems leicht festzulegen sind.
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Die Teilchen verlassen anschließend durch die Leitung 38 die Auswahleinrichtung nach
außen.
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Eine nach dem soeben beschriebenen Prinzip arbeitende Vorrichtung ist in der Fig. 3
dargestellt, als Schnittansicht.
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Die Bezugszeichen der Fig. 2 wurden für die gleichen Elemente übernommen.
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Das die geladenen, zu selektierenden Teilchen enthaltende Gas tritt mit einer
Fördermenge q&sub1; durch einen Stutzen 40 ein und tritt durch den durch eine Lippe 42 geformten
Schlitz 42 aus.
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Die gefilterte Luft tritt durch den Stutzen 44 mit einer Durchsatzmenge q&sub0; ein, passiert
eine poröse Scheibe 46 (aus Glasfasern), um in die erste Stufe zu gelangen. Sie tritt aus
durch den Stutzen 8 mit einer Durchsatzmenge Q.
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Über einen Hochspannungs-Steckverbinder 49 und eine Kontakteinrichtung 48 wird eine
Hochspannung V angelegt, wobei der Block 50 auf Potential null ist.
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Die geladenen Teilchen werden von ihren Radialbahnen abgelenkt und schlagen sich auf
der Elektrode 20 in Abhängigkeit von ihrer elektrischen Beweglichkeit nieder.
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In die zweiten Stufe tritt gefilterte Luft durch den Stutzen 52 mit einer Durchsatzmenge
q'&sub0; ein und durchquert die poröse Scheibe 54. Das Gas wird anschließend durch den Stutzen
38 mit einer Durchsatzmenge q'&sub0; + q&sub2; abgesaugt.
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Die Elektrode 20 ist durchbohrt von gleichmäßig beabstandeten Löchern, um wieder
einen ringförmigen Extraktionsschlitz 28 herzustellen. Die geladenen Teilchen, die die
erforderliche elektrische Beweglichkeit haben, werden also im Durchflussstrom q&sub2; extrahiert
und in der Achse der Austrittsleitung 38 mitgenommen.
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Eventuell wird an die dritte Scheibe 32 eine zweite Hochspannung V' gelegt, über einen
Hochspannungs-Steckverbinder 57 und eine Kontakteinrichtung 56, um die Teilchen von der
Oberfläche abzulösen, mit der sie in Kontakt sind.
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Bei einer noch einfacheren Ausführung kann der ringförmige Extraktionsschlitz auf eine
einzige zentrale kreisrunde Öffnung reduziert werden, wie dargestellt in der Fig. 4, wo die
Bezugszeichen dieselbe Bedeutung haben wie in der Fig. 2.
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Obwohl die zentrale Extraktionsöffnung 28 bei aeraulischer und elektrischer
Betrachtungsweise einen singulären Punkt darstellt, werden die Teilchen, die sich auf der
zweiten Scheibe in der Mitte absetzen, durch diese Öffnung 28 mit einer Durchflussmenge q&sub2;
abgesaugt. Diese Teilchen haben eine Beweglichkeit Z = Q/πER&sub1;². Der Durchmesser dieser
Öffnung wird vorzugsweise so gewählt, dass er eine gute Selektivität der Teilchen
gewährleistet (wenn der Durchmesser groß ist, ist die Selektivität klein), aber auch so, dass
der Fluidstrom, der sie durchquert, nicht gestört wird (wenn der Durchmesser klein ist, entsteht
in Höhe dieser Öffnung ein "Jet"-Phänomen). Als Beispiel wurde eine Vorrichtung mit r&sub1; = 6,5 cm
und = 2,7 mm realisiert. Diese Konfiguration weist den Vorteil auf, dass sie kein elektrisches
Hilfsfeld E' benötigt und dass sie die Teilchen genau in der Achse der Vorrichtung extrahiert.
Auch hier werden die Teilchen wieder von einer laminaren Strömung transportiert, ohne
Kontakt mit den Wänden (also ohne Verlust), mit identischen Transitzeiten und - wobei sie
identischen, quasi geradlinigen Bahnen folgen - in die zweite Stufe.
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Die Teilchen werden anschließend durch einen Detektor 40 gezählt, ausgewählt unter
bekannten Systemen, die meist auf optischen oder elektrischen Methoden beruhen.
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In der Fig. 5 sind Beispiele dargestellt, die mit einer Auswahleinrichtung nach der
vorliegenden Erfindung erzielt wurden.
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Die verwendete Vorrichtung entspricht dem in der Fig. 4 dargestellten Typ, d.h. mit
einem zentralen Loch 28 in der Zwischenscheibe 20, und ohne elektrisches Feld E'. Die
Auswahleinrichtung ist am Ausgang mit einem optischen Detektor versehen (Kondensations-
Teilchenzähler), bei dem die Teilchen durch einen Lichtstrahl geführt werden und wo jedes
Teilchen ein bestimmtes Quantum Licht streut, das dann durch einen Photodetektor analysiert
wird.
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Die Begriffe der Fig. 4 wiederverwendend, sind die Kennwerte dieser Beispiele die
folgenden:
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- Durchmesser des zentralen Extraktionslochs: 2,7 mm,
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- Abstand zwischen den Scheiben 18 und 20: 4 mm (= Abstand zwischen den Scheiben 20 und
32,
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- r&sub1; = 6,5 cm,
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- q&sub0; = 20 l/min. q&sub1; = q&sub2; = 1 l/min (Kurve A) oder 0,5 l/min (Kurve B); q'&sub0; = (0,4)l/min (A) oder 0,9
l/min (B),
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- Durchmesser der verwendeten Teilchen = 0,107 um (Teilchen mit einer einzigen elektrischen
Ladung),
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- Spannung V zwischen den Scheiben 18 und 20: variierbar von 0 bis 6000 Volt.
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Die Kurven A und B liefern als Funktion der Spannung die Anzahl N der selektierten
Teilchen, gezählt pro Volumeneinheit (genormter Maßstab (echelle normalisee)). Diese
Kurven zeigen außerdem die sehr gute Auflösung der Vorrichtung.
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Die beschriebene Vorrichtung eignet sich besonders gut für die Herstellung
monodispergierter Teilchen aus polydispergierten Quellen. Um Teilchen von bestimmter
Größe herzustellen, genügt es, sie in Abhängigkeit der dieser Größe entsprechenden
Beweglichkeit Z auszuwählen und folglich das richtige Feld E und den richtigen Durchsatz Q
zu wählen. Die Vorrichtung ist also ein wahrer "Urnormal-Generator" auf dem Gebiet der
submikrometrischen Teilchen, mit dem Vorteil, noch weiter nach unten gehen zu können - bis
zu Teilchen in der Größenordnung eines Nanometers - dank der dynamischen Einschließung,
durch die die Verluste durch Diffusion an den Wänden vermieden werden, was bis heute kein
bekanntes System beherrscht.