DE3930642C2 - Highly sensitive particle size detector with noise suppression - Google Patents

Highly sensitive particle size detector with noise suppression

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DE3930642C2
DE3930642C2 DE19893930642 DE3930642A DE3930642C2 DE 3930642 C2 DE3930642 C2 DE 3930642C2 DE 19893930642 DE19893930642 DE 19893930642 DE 3930642 A DE3930642 A DE 3930642A DE 3930642 C2 DE3930642 C2 DE 3930642C2
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    • G01N15/02Investigating particle size or size distribution
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Description

Die Erfindung betrifft eine Teilchenmeßeinrichtung zur Erkennung von Teil­ chengrößen, insbesondere zur Erkennung von Teilchengrößen unter Verwendung von Lichtstreuung.The invention relates to a particle measuring device for the detection of parts size, in particular for the detection of particle sizes using of light scattering.

Einrichtungen zum Bestimmen von Teilchengrößen sind allgemein bekannt und ebenso, daß Laserstrahlen dafür eingesetzt werden können, um Teilchen­ größenmessungen durchzuführen. Siehe beispielsweise die US-PS 3,406,289. Au­ ßerdem zeigt und beschreibt die US-PS 4,571,079 eine Teilchengrößenmessung mit einem Laser mit offenem Hohlraum (aktiv) und die US-PS 4,594,715 eine Messung mit passivem Hohlraum; beide Patente wurden der gegenwärtigen Anmelderin er­ teilt.Devices for determining particle sizes are generally known and also that laser beams can be used to target particles size measurements. See, for example, U.S. Patent No. 3,406,289. Au In addition, US Pat. No. 4,571,079 describes and describes a particle size measurement an open cavity laser (active) and U.S. Patent 4,594,715 a measurement with passive cavity; both patents became the current applicant Splits.

Bisher wurde eine lineare Anordnung von Detektoren zusammen mit paralle­ ler Verarbeitung der elektrischen Signale verwendet, die durch jeden Detektor zur Datenerfassung erzeugt werden. Siehe beispielsweise US-PS 3,941,982 der gegen­ wärtigen Anmelderin.So far there has been a linear array of detectors along with parallel Processing of the electrical signals used by each detector Data acquisition can be generated. See, for example, U.S. Patent 3,941,982 to current applicant.

In der DE 37 12 665 A1, die den nächstkommenden Stand der Technik dar­ stellt, ist eine Teilchenmeßeinrichtung zur Teilchengrößendetektion beschrieben mit einer ersten Einrichtung, welche es ermöglicht, daß ein Teilchen enthaltendes Me­ dium durch einen bestimmten Meßbereich geführt wird, und einer zweiten Einrich­ tung, welche den Meßbereich beleuchtet, so daß die Teilchen im Meßbereich eine Lichtstreuung bewirken, wobei die Teilchenmeßeinrichtung folgende Bausteine aufweist: ein Detektorfeld, welches das im Meßbereich gestreute Licht empfängt und erfaßt und mehrere Detektorelemente aufweist, welche so angeordnet sind, daß bestimmte Detektorelemente das von bestimmten Teilabschnitten des Meßbereichs gestreute Licht empfangen, wobei die bestimmten Abschnitte des Meßbereichs zu­ einander entfernt angeordnet sind und jedes Detektorelement ein rauschbehaftetes Ausgangssignal abgibt, welches das erfaßte Licht, das von den Teilchen im be­ stimmten Teilabschnitt des Meßbereichs gestreut worden ist, enthält, sowie einen Prozessor.In DE 37 12 665 A1, which represents the closest prior art represents, a particle measuring device for particle size detection is described with a first device which enables a particle-containing Me dium is guided through a certain measuring range, and a second device device, which illuminates the measuring range, so that the particles in the measuring range Cause light scattering, the particle measuring device following components comprises: a detector field which receives the light scattered in the measuring range and detected and has a plurality of detector elements which are arranged such that certain detector elements that of certain sections of the measuring range Scattered light received, the certain sections of the measuring range too are arranged away from each other and each detector element is a noisy one Output signal that the detected light emitted by the particles in be agreed section of the measuring range has been scattered, contains, as well as a Processor.

Bekannte Teilchenmeßeinrichtungen wurden bisher für verschiedene Zwecke verwendet, einschließlich der Ermittlung der Anwesenheit bzw. der Größe von Teil­ chen in verschiedenen Gasen, darunter auch Luft. Mit besonderer Hinsicht auf luft­ getragene Teilchen machten Toleranzgrenzen und die Wirkungen der Verunreini­ gung von Makroteilchen aus der Umgebung es erforderlich, eine wirksame Verun­ reinigungskontrolle einzuführen, um die Herstellung von vielen jetzt verwendeten Vorrichtungen zu ermöglichen. Insbesondere wurde beispielsweise die Präzisions­ fertigung von mikroelektronischen Systemen weitgehend durch die Entwicklung und Anwendung von staubfreien Reinräumen möglich gemacht.Known particle measuring devices have so far been used for various purposes used, including determining the presence or size of part  in various gases, including air. With special regard to air carried particles made tolerance limits and the effects of the Verunreini Macroparticles from the environment require an effective treatment cleaning control to introduce the manufacture of many now used Allow devices. In particular, for example, the precision Manufacture of microelectronic systems largely through development and the use of dust-free cleanrooms.

Für viele Jahre waren die staubfreien Reinräume der Klasse 100 oder Klasse 1000 für praktisch alle verwendeten elektronischen Einrichtungen mehr als ausrei­ chend. Als jedoch die gegenwärtige Generation der Mikrocomputer eingeführt wurde, ergab der Bedarf für mikroelektronische Bauteile, wie Speicherchips von großer Kapazität, die Entwicklung von Vorrichtungen, die während der Herstellung extrem anfällig für Verunreinigungen sind.For many years, the dust-free clean rooms were class 100 or class 1000 more than sufficient for practically all electronic devices used chatting. However, when the current generation of microcomputers was introduced the need for microelectronic components such as memory chips from large capacity, the development of devices during manufacture are extremely susceptible to contamination.

Die Verschmutzung durch Makroteilchen während der Herstellung solcher Vorrichtungen bewirkt, daß die Ausbeute an verwendbaren Produkten sehr vermin­ dert wird. Die verunreinigenden Teilchen können je nach ihrer Natur beispielsweise die Vollständigkeit lithografischer Abbildungen beeinträchtigen oder je nach ihrer Natur zu offenen oder kurzgeschlossenen Stromkreisen und verdorbenen Bezirken führen. Jetzt scheint die Herstellung von Mikrochips der kritischste Arbeitsvorgang in der elektronischen Fertigungsindustrie zu sein, die durch Verunreinigung durch Makroteilchen gestört wird.Macro particle contamination during manufacture Devices causes the yield of usable products very min is changed. Depending on their nature, the contaminating particles can, for example affect the completeness of lithographic images or depending on their Nature to open or short-circuited circuits and spoiled districts to lead. Now, manufacturing microchips seems the most critical job to be in the electronic manufacturing industry by contamination by Macro particle is disturbed.

Die Halbleiterindustrie für VLSI (Very Large Scale Integrated Circuit = sehr hoch integrierte ICs) hat weiter den Stand der Technik bei Zählern für Luftteilchen vorwärtsgetrieben, die zur Prüfung von staubfreien Reinräumen verwendet werden. Die Notwendigkeit für viel strengere Reinraumklassen ergibt sich aus den Forde­ rungen der Hersteller von VLSI-Schaltungen sowie der Verbesserungen bei der Fil­ terung, die viel kleinere Verunreinigungsniveaus erreichen.The semiconductor industry for VLSI (Very Large Scale Integrated Circuit = very highly integrated ICs) also has the state of the art in counters for air particles driven forward, which are used to test dust-free cleanrooms. The need for much stricter clean room classes arises from the requirements of the manufacturers of VLSI circuits and improvements in the fil that reach much smaller levels of contamination.

Die meisten bekannten Aerosolzähler weisen einen Probendurchsatz von 0,028 m3/min (ein Kubikfuß/min (cfm)) auf. Um jedoch verwendbare statistische Werte im Bereich der Klasse 1 zu erhalten, müssen viele Kubikmeter von Luft für die Probe gesammelt werden, wenn die Empfindlichkeit auf 0,5 Mikrons (0,5 × 10-6 m) begrenzt ist. Da die Teilchenzahl mit abnehmender Größe steigt, entschieden sich die meisten Hersteller von Luftteilchenzählern, die Größe kleinerer Teilchen zu bestimmen, um leichter die richtige statistische Basis entwickeln zu können.Most known aerosol meters have a sample throughput of 0.028 m 3 / min (one cubic foot / min (cfm)). However, to get useful statistical values in the class 1 range, many cubic meters of air must be collected for the sample if the sensitivity is limited to 0.5 microns (0.5 × 10 -6 m). As the number of particles increases with decreasing size, most manufacturers of air particle counters decided to determine the size of smaller particles in order to be able to develop the correct statistical base more easily.

Beispielsweise ergibt die Verteilung der durchschnittlichen Teilchengröße in einem staubfreien Reinraum bei 0,1 × 10-6 m nahezu das Hundertfache der Teil­ chenzählungen bei < 0,1 × 10-6 m im Vergleich zu Zählungen bei < 0,5 × 10-6 m. Je empfindlicher somit der Teilchenzähler ist, um so weniger Zeit ist für das Attest der Reinraumklasse erforderlich.For example, the distribution of the average particle size in a dust-free clean room at 0.1 × 10 -6 m is almost a hundred times the particle counts at <0.1 × 10 -6 m compared to counts at <0.5 × 10 -6 m . The more sensitive the particle counter is, the less time is required for the certification of the clean room class.

Außerdem erzeugen die Hersteller Vorrichtungen, deren Formgestaltung Strukturen aufweist, die kleiner sind als 0,5 × 10-6 m. Außer der Erzeugung einer statistischen Basis in kürzester Zeit ergibt eine höhere Empfindlichkeit bessere In­ formationen über die Teilchengröße bei möglicherweise schadhaften Geräten.In addition, the manufacturers produce devices whose shape design has structures that are smaller than 0.5 × 10 -6 m. In addition to generating a statistical basis in a very short time, a higher sensitivity gives better information about the particle size for possibly defective devices.

Mit der Einführung von Lasern wurde die Größenmessung von Teilchen bis zu 0,1 × 10-6 m über Lichtstreuung einfach, da die gesamte Energie der Laserstrah­ len mit hoher Intensität auf eine geringe Abmessung gebündelt werden kann. Ver­ schiedene, jetzt auf dem Markt befindliche Vorrichtungen liefern eine Empfindlich­ keit von 0,1 × 10-6 m, jedoch keine von ihnen kann mit einem Durchsatz von 0,028 m3/min (1 cfm) Proben sammeln. Meist kann bei einer Empfindlichkeit von 0,1 × 10-6 m nur ein Durchsatz unter 0,0028 m3/min (0,1 cfm) bewerkstelligt werden.With the introduction of lasers, the size measurement of particles up to 0.1 × 10 -6 m via light scattering became easy, since the entire energy of the laser beams can be bundled with high intensity to a small size. Various devices now on the market provide a sensitivity of 0.1 × 10 -6 m, but none of them can collect samples with a throughput of 0.028 m 3 / min (1 cfm). In most cases, with a sensitivity of 0.1 × 10 -6 m, only a throughput below 0.0028 m 3 / min (0.1 cfm) can be achieved.

Für verschiedene Verfahren brauchen die Hersteller von Halbleitern auch Gase hoher Reinheit mit geringen Verunreinigern mit Makroteilchen. Dies ist erfor­ derlich, um die Messungen bei Leitungsdruck (oft bis zu 1 × 106 Pa (150 P.S.I.)) durchführen zu können. Einige dieser Gase sind auch Gase von hohem Molekular­ gewicht, welche das Licht stärker streuen als Luft (z. B. eine Mischung hauptsäch­ lich aus Sauerstoff und Stickstoff), daher muß die Molekularstreuung verringert werden, selbst wenn Durchsätze von kleiner als 0,028 m3/min (1 cfm) ausreichend sind.For various processes, the manufacturers of semiconductors also need gases of high purity with low contaminants with macro particles. This is necessary in order to be able to carry out the measurements at line pressure (often up to 1 × 10 6 Pa (150 PSI)). Some of these gases are also high molecular weight gases that scatter light more than air (e.g. a mixture mainly of oxygen and nitrogen), so the molecular scatter must be reduced even if flow rates are less than 0.028 m 3 / min (1 cfm) are sufficient.

Damit wird der mögliche statistische Vorteil bei kleinerer Teilchengröße in Umgebungen mit hoher Molekularstreuung teilweise verloren.The possible statistical advantage with a smaller particle size is thus in High molecular scatter environments partially lost.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Teilchenmeßeinrichtung zur Teilchengrößendetektion zu schaffen, die auch bei Anwendungen mit hoher Mole­ kularstreuung eine hohe Empfindlichkeit erreicht.It is an object of the present invention to provide a particle measuring device To create particle size detection, even in applications with high moles Specular scattering achieved high sensitivity.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.This object is achieved by the invention defined in claim 1. Advantageous further developments are characterized in the subclaims.

Die Erfindung bietet eine Rauschunterdrückung in einem Teilchendetektor, insbesondere eine Rauschunterdrückung hoher Empfindlichkeit in einer Umgebung mit starker Molekularstreuung.The invention provides noise suppression in a particle detector, especially high sensitivity noise suppression in an environment with strong molecular scattering.

Hintergrundrauschen infolge von Molekularstreuung wird verringert, wobei die Rauschverringerung durch mehrere Lineardetektoren bewirkt wird, von denen jeder einen Abschnitt des gesamten Meßbereiches abtastet, der am Schnittpunkt der Strömungsbahn einer Mischung aus Gas und Teilchen sowie eines Laserstrahls an­ geordnet ist und ein elektrisches Ausgangssignal für die abgetasteten oder gemesse­ nen Teilchen erzeugt, wobei die Ausgangssignale der Detektoren mit den Aus­ gangssignalen derjenigen Detektoren, welche nicht benachbarte Abschnitte des Meßbereiches überwachen, parallel verarbeitet werden, indem sie über Rauschun­ terdrückungsvorrichtungen vereinigt werden.Background noise due to molecular scatter is reduced, with the noise reduction is effected by several linear detectors, one of which each scans a section of the entire measuring range that at the intersection of the Flow path of a mixture of gas and particles as well as a laser beam is ordered and an electrical output signal for the sampled or measured NEN particles generated, the output signals of the detectors with the off output signals of those detectors which are not adjacent sections of the Monitor measuring range, be processed in parallel by using noise suppressors are combined.

Die Zeichnungen zeigen eine vollständige Ausführungsform der Erfindung nach der besten Art, die bisher für die praktische Anwendung der Grundlagen der Erfindung entwickelt wurde:The drawings show a complete embodiment of the invention according to the best kind so far for the practical application of the basics of Invention was developed:

Fig. 1 eine Verteilungskurve für Teilchengrößen nach dem Klassifi­ kationssystem und den Bereichen der Größenkonzentration, die gegenwärtig im US- Federal Standard 209 (FS209) veröffentlicht sind; . Figure 1 shows a distribution curve for particle sizes after the classifi cation system and the areas of the size concentration, as published currently in U.S. Federal Standard 209 (FS209);

Fig. 2 eine Darstellung einer Verteilungskurve für Teilchengrößen nach der geplanten Überarbeitung von FS209; Fig. 2 is a representation of a distribution curve for particle sizes after the proposed revision of FS209;

Fig. 3 eine Darstellung einer Verteilungskurve für Teilchengrößen, welche die Daten der Istzählung in gegenwärtig gebauten staubfreien Überdruck­ räumen für die Halbleiterfertigung von sehr hochintegrierten IC's (VLSI) zeigen; Fig. 3 is an illustration showing a distribution curve of particle sizes, which clear the data in the Istzählung currently built dust-free pressure for the semiconductor production of very highly integrated IC's (VLSI);

Fig. 4A eine schematische Teilansicht mit Darstellung des Querschnitts einer kreisförmigen Strömung, die zum Aufbau eines Meßbereichs dient; 4A is a partial schematic view showing the cross section of a circular flow, which serves to build up a measurement range.

Fig. 4B eine schematische Teilansicht mit Darstellung eines rechteckig geformten Strömungsquerschnitts, der zum Aufbau eines Meßbereiches dient; Figure 4B is a partial schematic view showing a rectangular-shaped flow cross-section which serves to build up a measurement range.

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines vereinfachten Seitenschnit­ tes einer Meßeinrichtung für Teilchengrößen mit einem Laser mit offenem Hohl­ raum, wobei die Erfindung mit diesem zusammen verwendet wird; Figure 5 is a schematic representation of a simplified Seitenschnit tes a particle size measuring device with an open cavity laser, the invention being used with this;

Fig. 6 einen vereinfachten Seitenriß mit Darstellung der Anordnung der Detektoreinheit zum Überwachen des Meßbereichs über eine Abbildungsein­ richtung oder einen Bildgeber nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 6 is a simplified side elevation showing the arrangement of the detector unit for monitoring the measuring range via an image device or an imager according to an embodiment of the invention;

Fig. 7 ein vereinfachtes elektronisches Blockschaltbild mit Darstel­ lung der elektronischen Signalverarbeitung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 7 is a simplified electronic block diagram showing the electronic signal processing according to an embodiment of the invention;

Fig. 8 ein vereinfachtes Blockschaltbild mit Darstellung der Verwen­ dung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung der Rauschunterdrückungs­ schaltung in Verbindung mit der parallelen Verarbeitungseinrichtung der Fig. 7; FIG. 8 is a simplified block diagram showing the use according to an embodiment of the invention of the noise reduction circuit in connection with the parallel processing device of FIG. 7;

Fig. 9 ein vereinfachtes elektronisches Schaltbild mit Darstellung der Unterdrückungsschaltung der Fig. 8. Fig. 9 is a simplified electronic diagram illustrating the cancellation circuit of Fig. 8.

Die gegenwärtige Teilchenkontrolle in Räumen mit elektronischer Fertigung beruht hauptsächlich auf der Anwendung des US-Federal Standard 209 (FS209), der VDI-Norm 2083 oder ähnlichen Standards. Fig. 1 zeigt das gegenwärtige Klassi­ fizierungssystem und die in FS209 verwendeten Größen-Konzentrationsbereiche. Die linke senkrechte Spalte der Fig. 1 (sowie der Fig. 2 und 3) zeigt die Ge­ samtmenge der Teilchen/Kubikfuß, die, wie gezeigt, gleich oder größer sind als die angegebene Teilchengröße. Zählungen unter 10 Teilchen/Kubikfuß (0,35 Teil­ chen/l) sind unzuverlässig (und daher in gestrichelten Linien gezeigt), ausgenom­ men im Falle einer großen Zahl von Proben. Das kleinste Partikel, das gemessen werden muß, weist einen Durchmesser von 0,5 µ auf, wobei der maximale vorge­ schriebene Reinheitspegel 100 Teilchen/Kubikfuß beträgt.Current particle control in electronic manufacturing rooms is based primarily on the application of US Federal Standard 209 (FS209), VDI 2083 or similar standards. Fig. 1 shows the current classification system and the size concentration ranges used in FS209. The left vertical column of FIG. 1 (as well as FIGS . 2 and 3) shows the total amount of particles / cubic feet which, as shown, are equal to or larger than the specified particle size. Counts below 10 particles / cubic foot (0.35 part chen / l) are unreliable (and therefore shown in dashed lines), except for a large number of samples. The smallest particle that has to be measured has a diameter of 0.5 µ, the maximum prescribed purity level being 100 particles / cubic foot.

Diese Standards für staubfreie Reinräume gibt es jedoch seit mehreren Jah­ ren, und die gegenwärtigen Anforderungen an elektronische Produkte zeigten, daß das erfaßte Niveau für eine zweckmäßige Produktion von mikroelektronischen Ein­ richtungen nicht zufriedenstellend ist, da die Erfordernisse der Teilchenkontrolle jetzt strenger geworden sind. Die Notwendigkeit für revidierte Definitionen des Verunreinigungsniveaus durch Teilchen ist somit offensichtlich und deshalb werden Pläne entwickelt, FS209 abzuändern, um Messungen an kleineren Teilchen und saubereren Niveaus durchzuführen zu können.However, these standards for dust-free cleanrooms have existed for several years and the current requirements for electronic products showed that the detected level for an appropriate production of microelectronic devices  directions is unsatisfactory because of the requirements of particle control have become stricter now. The need for revised definitions of the Levels of contamination by particles are thus evident and therefore will be Plans developed to modify FS209 to take measurements on smaller particles and to be able to perform cleaner levels.

Obwohl jetzt eine Revision von FS209 unter der Federführung des Institute of Environmental Science durchgeführt wird, ist diese Revision noch nicht abge­ schlossen. Eines der Hauptziele dieser Revision ist es, einen Raum oder eine Fläche, den Reinheitsgrad oder die Reinheitsklasse der Luft auf dem Niveau der Klasse 10 zu definieren, und die Messung von Teilchen der Größen unterhalb von 0,5 µ Durchmesser zu ermöglichen, um zu adäquaten statistischen Definitionen bei den niederen Niveaus zu gelangen. Es wird erwartet, daß Standards, die in anderen In­ dustriestaaten verwendet werden, ebenfalls bald revidiert werden, und daß die Re­ vision von FS209 nur der erste einer Reihe von neuen Standards ist. Tatsächlich können die Niveaus der Klasse 1 gegenwärtig erreicht werden und müssen ebenfalls in der nahen Zukunft miteinbezogen werden.Although a revision of FS209 is now being carried out under the leadership of the Institute of Environmental Science, this revision has not yet been completed. One of the main objectives of this revision is to define a room or area, the level or level of cleanliness of the air at the level of class 10 , and to enable the measurement of particles smaller than 0.5 µ in diameter to adequately to get statistical definitions at the lower levels. Standards expected to be used in other industrialized countries are also expected to be revised soon, and the FS209 revision is only the first in a series of new standards. In fact, class 1 levels can currently be reached and must also be included in the near future.

Da die Teilchenkonzentration mit dem Verkleinern der Teilchengröße stark steigt, scheint die Empfehlung von Messungen kleinerer Teilchen zweckmäßig zu sein. Daher umfassen die Pläne für den revidierten FS209 Messungen von 0,3 × 10-6 m und für Reinsträume 0,1 × 10-6 m. Fig. 2 zeigt das gegenwärtig geplante Klassi­ fizierungsformat, das Messungen von Größen unter 0,5 × 10-6 m zuläßt. Es sei je­ doch bemerkt, daß die Steigung der Klassifizierungskurven der Fig. 2 auf der Stei­ gung des gegenwärtigen FS209 beruht.Since the particle concentration increases sharply as the particle size decreases, the recommendation of measurements of smaller particles seems to be expedient. Therefore, the plans for the revised FS209 include measurements of 0.3 × 10 -6 m and for clean rooms 0.1 × 10 -6 m. Fig. 2 shows the currently planned classification format, which allows measurements of sizes below 0.5 × 10 -6 m. However, it should be noted that the slope of the classification curves of FIG. 2 is based on the slope of the current FS209.

Es wird eine Änderung der Steigung der Klassifizierungskurven nach neue­ ren Daten erwogen, die in weniger staubfreien VSLI-Räumen in den USA gewon­ nen wurden. Ein Laserzähler wurde für Messungen von 0,1 × 10-6 m aufwärts ver­ wendet; die Daten sind in Fig. 3 dargestellt. Es scheint, daß die Verteilung der Teilchengröße in staubfreien Reinsträumen einen viel steileren Anstieg unterhalb von 0,1 × 10-6 m aufweist, als von den gegenwärtigen Klassifizierungskurven nach FS209 zu erwarten wäre, wobei noch eine Möglichkeit besteht, den Anstieg noch steiler auszulegen als in Fig. 3.A change in the slope of the classification curves is contemplated based on newer data obtained in less dust-free VSLI rooms in the United States. A laser counter was used for measurements from 0.1 × 10 -6 m upwards; the data are shown in FIG. 3. It appears that the particle size distribution in dust-free cleanrooms has a much steeper increase below 0.1 × 10 -6 m than would be expected from the current classification curves according to FS209, with one more possibility to interpret the increase even steeper than in Fig. 3.

Werden die Klassifizierungskurven in den Größenbereich von 0,1 × 10-6 m verlängert, dann werden Zeit und Aufwand zum Erhalt gültiger Daten für Räume der Klasse 100 und besser herabgesetzt, und zwar ungeachtet der Tatsache, ob FS209 einfach extra-poliert oder gemäß den neueren Daten gemäß Fig. 3 revidiert wird.If the classification curves are extended in the size range of 0.1 × 10 -6 m, the time and effort required to obtain valid data for rooms of class 100 and better are reduced, regardless of whether FS209 is simply extra-polished or according to the newer data is revised according to FIG. 3.

Die Entwicklung einer Vorrichtung, die eine Empfindlichkeit von 0,1 µm in einer Umgebung mit hoher Molekularstreuung aufweist, wie dies durch die Erfin­ dung erreicht worden ist, war nicht leicht durchzuführen. Im Hinblick einer Umge­ bung mit Molekularstreuung wegen hoher Durchsätze bis zu oder mehr als einem Kubikfuß/min sind relativ große Fließquerschnitte durch das empfindliche Volumen einer optischen Meßvorrichtung erforderlich.The development of a device that has a sensitivity of 0.1 µm in in an environment with high molecular scattering, as by the Erfin was not easy to achieve. With a view to reverse Exercise with molecular scattering due to high throughputs of up to or more than one Cubic feet / min are relatively large flow cross-sections due to the sensitive volume an optical measuring device required.

Selbst bei Schallgeschwindigkeit ist es unmöglich, durch übliche Vakuuman­ lagen einen Querschnitt von 1,8 mm2 und volle Schallgeschwindigkeit zu erreichen. Somit sind die normaleren Fließgeschwindigkeiten 1/3 bis ½ Schallgeschwindigkeit, und die Fließquerschnitte sind bei normalen Instrumenten bei 0,028 m3/min (1 cfm) auf 4 bis 5 mm2 vergrößert. Dieser große Fließquerschnitt muß gleichmäßig be­ leuchtet werden, wenn die Teilchen genau größenmäßig erfaßt werden sollen.Even at the speed of sound, it is impossible to achieve a cross-section of 1.8 mm 2 and full speed of sound through conventional vacuum layers. Thus, the more normal flow velocities are 1/3 to ½ the speed of sound, and the flow cross-sections are increased to 4 to 5 mm 2 at 0.028 m 3 / min (1 cfm) in normal instruments. This large flow cross-section must be illuminated evenly if the particles are to be measured exactly in size.

Somit kann der beleuchtete Bereich nicht nahe eines eng fokussierten Berei­ ches eines Laserstrahls sein, sondern muß gewöhnlich in einem verlängerten Laser­ strahl angeordnet sein, wenn der Fließquerschnitt wie in Fig. 4A kreisförmig ist oder, wenn er sich entlang der Strahlenachse erstreckt, wenn der Fließquerschnitt nach Fig. 4B rechteckig gestaltet ist. Daher weist eine möglichst optimale Kon­ struktion, wie sie bei der Erfindung verwendet wird, einen Fließquerschnitt von 1 × 10 mm2 auf, und die Sammellinsen sind wie die der US-PSen 4,571,079 und 4,594,715 gestaltet.Thus, the illuminated area cannot be near a narrowly focused area of a laser beam, but usually must be arranged in an elongated laser beam if the flow cross-section is circular as in Fig. 4A or if it extends along the beam axis if the flow cross-section according to FIG. 4B is designed rectangular. Therefore, the best possible construction, as used in the invention, has a flow cross section of 1 × 10 mm 2 , and the converging lenses are designed like those of US Pat. Nos. 4,571,079 and 4,594,715.

Der Laserstrahl selbst muß etwa 1 W Leistung innerhalb des Meßbereiches erzeugen, um eine Empfindlichkeit von 0,1 × 10-6 m zu erreichen. Ein HeNe-Laser­ resonator bei 633 nm ist die zweckmäßigste Methode zum Erzeugen der erforderli­ chen Leistung, obwohl jeder Lichtlaser von 1 W verwendet werden kann (z. B. Ar­ gon Ionen-Laser). Da Lichtquellen entwickelt werden können, welche eine genü­ gende Energiedichte liefern, um kleine Teilchen wie 0,1 × 10-6 m zu messen und Querschnitte für 1 cfm ermöglichen, erscheint das Problem leicht lösbar.The laser beam itself must generate approximately 1 W of power within the measuring range in order to achieve a sensitivity of 0.1 × 10 -6 m. A HeNe laser resonator at 633 nm is the most convenient method to generate the required power, although any 1 W light laser can be used (e.g., argon ion laser). Since light sources can be developed that provide a sufficient energy density to measure small particles such as 0.1 × 10 -6 m and allow cross sections for 1 cfm, the problem appears to be easily solvable.

Dies wäre der Fall, wenn die Teilchen die einzige Quelle der Lichtstreuung im Meßbereich wären. Durch sorgfältige Konstruktion kann zwar Streulicht in wirk­ samer Weise ausgeschlossen werden. Es gibt jedoch unvermeidlicherweise annä­ hernd 1016 Luftmoleküle/mm3, welche die luftschwebenden Teilchen begleiten, wenn sie den Laserstrahl passieren. Berechnungen zeigen, daß ein solches Luftvo­ lumen über 100 mal mehr Energie streut als ein normales Teilchen mit 0,1 × 10-6 m Abmessung (siehe R. G. Knollenberg: "The Measurement of Particle Sizes Below 0,1 Micrometers", in The Journal of Environmental Sciences, Januar-Februar 1985). Diese große Ansammlung von molekularen Streumedien ist immer vorhanden, wo­ bei diese Signalquelle hauptsächlich einen Gleichanteil liefert.This would be the case if the particles were the only source of light scattering in the measuring range. Scattered light can be effectively excluded by careful construction. However, there are inevitably approximately 10 16 air molecules / mm 3 that accompany the airborne particles as they pass the laser beam. Calculations show that such an air volume scatters over 100 times more energy than a normal particle with 0.1 × 10 -6 m dimensions (see RG Knollenberg: "The Measurement of Particle Sizes Below 0.1 Micrometers", in The Journal of Environmental Sciences, January-February 1985). This large accumulation of molecular scattering media is always present, where this signal source mainly provides a constant component.

Jedoch sind auch Fluktuationen (Wechselanteile) im molekularen Streusignal (Wechselanteilrauschen), welche das erwünschte Teilchensignal bei 0,1 × 10-6 m überdecken. Das Rauschen selbst ist proportional dem molekularen Streu-Gleich­ stromsignal. Das Rauschen ist jedoch bei Laserquellen höher als nach der Shott'schen Rauschannahme berechnet, und der Laserhohlraum wird leicht stati­ stisch durch den Gasfluß moduliert (wodurch Rauschen erzeugt wird). In solchen Fällen ist das Wechselanteilrauschen direkt zu der Gleichanteilkomponente propor­ tional anstatt zu deren Quadratwurzel. Messungen zeigen, daß das molekulare Streurauschen bei den meisten Systemen bei 1 cfm 5 bis 10 mal stärker ist als das eines Teilchens von 0,1 × 10-6 m, wodurch ein Erkennen und Messen mit den be­ kannten Vorrichtungen unmöglich ist.However, there are also fluctuations (alternating components) in the molecular scatter signal (alternating component noise), which cover the desired particle signal at 0.1 × 10 -6 m. The noise itself is proportional to the molecular stray DC signal. However, the noise is higher for laser sources than calculated from Shott's noise assumption, and the laser cavity is easily statically modulated by gas flow (creating noise). In such cases, the AC component noise is proportional to the DC component instead of its square root. Measurements show that the molecular scattering noise in most systems at 1 cfm is 5 to 10 times stronger than that of a particle of 0.1 × 10 -6 m, making detection and measurement with the known devices impossible.

Bei Umgebungen bzw. einem Hintergrund mit hoher Molekularstreuung kann dieses Rauschen beispielsweise um das Hundertfache größer sein, als die Streuung durch Teilchen von 0,1 µm. Diese hohe Molekularstreuung entsteht aber nicht nur dann, wenn das betrachtete Gasvolumen groß ist, wie es für hohe Durch­ sätze erforderlich ist, sondern auch, beispielsweise, infolge von hoher Molekular­ dichte (hohe Drücke über dem Umgebungdruck) oder infolge der Anwesenheit von großen Gasmolekülen. Immer wenn ein Hintergrund mit hoher Molekularstreuung angetroffen wird, kann die Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung verwendet werden, um zu ermöglichen, daß eine hohe Empfindlichkeit in An­ wesenheit des Hintergrundes mit starker Molekularstreuung erreicht wird.For environments or a background with high molecular scatter For example, this noise can be a hundred times greater than that Scattering by 0.1 µm particles. This high molecular scatter arises not only when the gas volume under consideration is large, as is the case for high throughput sentences is required, but also, for example, due to high molecular weight  density (high pressures above ambient pressure) or due to the presence of large gas molecules. Whenever a background with high molecular scatter is found, the device according to an embodiment of the invention used to allow high sensitivity in An presence of the background is achieved with strong molecular scattering.

Die Erfindung verwendet eine Beleuchtungseinrichtung, um einen Meßbe­ reich oder ein Meßvolumen zu beleuchten, durch welches ein Gas (meist Luft), des­ sen Teilchen gemessen werden sollen, durchfließen muß. Die Beleuchtungseinrich­ tung ist vorzugsweise wie die in Fig. 5 gezeigte, bei der eine Beleuchtungseinrich­ tung 10 mit Laserstrahl nach den US-PS 4,571,079 oder 4,594,715 verwendet wird.The invention uses an illuminating device to illuminate a measuring area or a measuring volume through which a gas (mostly air), of which the particles are to be measured, has to flow. The illuminating device is preferably like that shown in FIG. 5, in which a illuminating device 10 with a laser beam according to US Pat. No. 4,571,079 or 4,594,715 is used.

Wie Fig. 5 zeigt, kann der Zugang zum Laserhohlraum 12 dadurch erfolgen, daß ein Plasmarohr 14 an einem Ende mit einem Brewster-Fenster 16 abgeschlossen wird. Ein gekrümmter Spiegel 18 (mit einem Radius von beispielsweise r = 100 cm) ist am anderen Ende des Rohres 14 angeordnet. Ein Fotodetektor 20 und ein Vor­ verstärker 22 sind in herkömmlicher Weise auf der Laserstrahlachse außerhalb des Spiegels 18 angeordnet, um ein Maß für die relative Intensität der Beleuchtung zu liefern.As shown in FIG. 5, access to the laser cavity 12 can be achieved by closing a plasma tube 14 at one end with a Brewster window 16 . A curved mirror 18 (with a radius of, for example, r = 100 cm) is arranged at the other end of the tube 14 . A photodetector 20 and a pre-amplifier 22 are arranged in a conventional manner on the laser beam axis outside of the mirror 18 to provide a measure of the relative intensity of the lighting.

Für die Messung der Teilchengröße werden die Teilchen, deren Größe zu messen ist, in einen Teilchenstrahl 24 eingelassen, so daß sie den Laserstrahl 25 zwischen dem Brewster-Fenster 16 und einem externen Laserspiegel 26 durchlaufen (wobei z. B. r = 70 cm).For the measurement of the particle size, the particles, the size of which is to be measured, are let into a particle beam 24 so that they pass through the laser beam 25 between the Brewster window 16 and an external laser mirror 26 (for example r = 70 cm) .

Wie Fig. 5 zeigt, ist der Block 28 zur optischen Abtastung am Teilchen­ strahl 24 angeordnet, wobei im Block 28 lichtsammelnde, optische Elemente bzw. ein Bildgeber 29 positioniert sind, die zwei Linsen 30 und 31 über und nahe an dem Teilchenstrahl aufweisen können.As shown in FIG. 5, the block 28 is arranged for optical scanning on the particle beam 24 , with light-collecting optical elements or an image generator 29 being positioned in the block 28 , which can have two lenses 30 and 31 above and close to the particle beam.

Ein Fotodetektor 33 mit mehreren Detektorelementen 34 (Fig. 6 und 7) ist neben dem Block 28 so angeordnet, daß er in der Brennpunktebene der Linsen 30 und 31 liegt. Die elektrischen Ausgangssignale des Fotodetektors 33 liegen am Parallelprozessor 35 an. Das Ausgangssignal des Parallelprozessors 35 kann über einen Analysator 36 geleitet werden, um ein Anzeigeausgangssignal von niedriger Auflösung zu erzeugen, und über einen Umsetzer 37 geleitet werden, der ein digita­ les Anzeigeausgangssignal von hoher Auflösung für die Teilchengröße liefert. Au­ ßerdem gibt der Umsetzer 37 ein Anzeigeausgangssignal für das Überschreiben ei­ ner Minimalgröße ab.A photodetector 33 with a plurality of detector elements 34 (FIGS . 6 and 7) is arranged next to the block 28 so that it lies in the focal plane of the lenses 30 and 31 . The electrical output signals of the photodetector 33 are present on the parallel processor 35 . The output of the parallel processor 35 can be passed through an analyzer 36 to produce a low resolution display output and a converter 37 which provides a high resolution digital display output for the particle size. In addition, the converter 37 outputs a display output signal for overwriting a minimum size.

Fotodetektor 39 und Vorverstärker 40 können zur Bezugsmessung wahlweise auf der anderen Seite des Spiegels 26 auf der Laserstrahlachse angeordnet sein, wie es der Fotodetektor 20 und der Vorverstärker 22 sind.Photodetector 39 and preamplifier 40 can optionally be arranged on the other side of mirror 26 on the laser beam axis for reference measurement, as are photodetector 20 and preamplifier 22 .

Bei dieser Erfindung wird das Rauschen dadurch verringert, daß eine Abbil­ dungseinrichtung oder ein Bildgeber mit Detektor das Hintergrundlicht aus der Molekularstreuung auf leicht zu handhabende Niveaus herabsetzen. Wie Fig. 6 zeigt, weist der Detektor 33 eine Zeile aus rechteckigen Einzelelementen bzw. De­ tektorelementen 34 auf (von denen in Fig. 6 zu Erläuterungszwecken elf gezeigt sind). Diese Zeile oder dieses Feld (Array) von Detektorelementen, die an den Pa­ rallelprozessor für eine zweidimensionale Datenerfassung angeschlossen sind, wird in der US-PS 3,941,982 beschrieben.In this invention, the noise is reduced in that an imaging device or an imaging device with detector reduce the background light from the molecular scattering to easy-to-use levels. As FIG. 6 shows, the detector 33 has a row of rectangular individual elements or detector elements 34 (eleven of which are shown in FIG. 6 for the purpose of explanation). This row or array of detector elements connected to the parallel processor for two-dimensional data acquisition is described in US Pat. No. 3,941,982.

Dieses Feld von Einzelelementen (welche nach Fig. 7 Fotodioden sein kön­ nen) "sehen" entsprechende Teilvolumina (d. h. einen Abschnitt des gesamten Meß­ volumens) innerhalb des Laserstrahls. Das von einem Teilchen gestreute Licht wird auf einem Einzelelement als helles Bild zusammen mit einem Hintergrund aus dif­ fuser Molekularstreuung abgebildet, die durch alle Luftmoleküle im überwachten Teilvolumen erzeugt wird.This field of individual elements (which can be photodiodes according to FIG. 7) "see" corresponding partial volumes (ie a section of the total measuring volume) within the laser beam. The light scattered by a particle is imaged on a single element as a bright image together with a background of diffuse molecular scattering, which is generated by all air molecules in the monitored partial volume.

Damit wird die molekulare Hintergrundstreuung durch die Zahl der Elemente verringert, die für das Feld ausgewählt wurden. Für Licht-Rauschquellen, die nicht durch Shott-Rauschen beschrieben werden können, ergibt sich eine Verringerung des Rauschens, die proportional zur Anzahl der Elemente des Feldes ist. Für Shott- Rauschquellen ist die Verringerung des Rauschens proportional zur Quadratwurzel der Anzahl der Elemente des Feldes.This makes the molecular background scatter by the number of elements decreased that were selected for the field. For light noise sources that are not can be described by Shott noise, there is a reduction of noise, which is proportional to the number of elements in the field. For shott Noise sources is the reduction in noise proportional to the square root the number of elements in the field.

Werden nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung N unabhängige De­ tektorelemente verwendet, muß das elektrische Ausgangssignal jedes Detektorele­ ments abgefragt werden, um zu ermitteln, wann ein Teilchenbild von einem Ele­ ment "beobachtet" wurde. Fig. 7 zeigt mehrere Detektorelemente 34, welche die Detektoreinrichtung 33 bilden, wobei jedes Detektorelement mit einem anderen Si­ gnalverarbeitungskreis 41 des Parallelprozessors 35 verbunden ist. Insbesondere ist jedes Detektorelement 34 in jedem Signalverarbeitungskreis 41 mit einem Vorver­ stärker 42 zusammengeschaltet (von denen jeder einen Rückführungswiderstand 43 aufweist, der zwischen den Ausgang und den negativen Eingang geschaltet ist). Je­ der Signalverarbeitungskreis 41 weist auch eine Vergleichsschaltung 44 und ein Speicherelement für die Spitzenspannungen (Haltekreis) 46 auf.If, according to one embodiment of the invention, N independent detector elements are used, the electrical output signal of each detector element must be interrogated in order to determine when a particle image was "observed" by an element. Fig. 7 shows a plurality of detector elements 34 which form the detector device 33, wherein each detector element is connected to another Si gnalverarbeitungskreis 41 of the parallel processor 35th In particular, each detector element 34 in each signal processing circuit 41 is connected to a preamplifier 42 (each of which has a feedback resistor 43 connected between the output and the negative input). Each of the signal processing circuit 41 also has a comparison circuit 44 and a storage element for the peak voltages (holding circuit) 46 .

Jeder Vorverstärker 42 erzeugt ein verstärktes elektrisches Signal des Rau­ schens und des teilchenbegründeten Signals und leitet es zur zugeordneten Ver­ gleichsschaltung 44. Der Schwellenpegel jeder Vergleichsschaltung wird auf die Spitzenamplitude des Signals für die minimale erkennbare Teilchengröße einge­ stellt. Die Ausgangssignale aller Vergleichsschaltungen werden zusammen in der logischen Steuereinheit 48 in einer ODER-Schaltung verknüpft, wobei die logische Steuerschaltung 48 einen Impuls für die Durchgangszeit eines Teilchens zu Taktge­ berzwecken abgibt sowie eine Anzeige dafür, wenn ein Teilchen der minimalen er­ kennbaren Größe abgetastet wird.Each preamplifier 42 generates an amplified electrical signal of the noise and the particle-based signal and passes it to the associated comparison circuit 44 . The threshold level of each comparison circuit is set to the peak amplitude of the signal for the minimum recognizable particle size. The output signals of all comparison circuits are combined in the logic control unit 48 in an OR circuit, the logic control circuit 48 emitting a pulse for the passage time of a particle for clocking purposes and an indication of when a particle of the minimum recognizable size is scanned.

Für Abmessungen, die größer sind als die minimale erkennbare Größe, hängt die Erkennbarkeit der Größe von der gewünschten Auflösung ab. Wenn eine einfa­ che Zählung aller Teilchen, die < 0,1 × 10-6 m sind, in einem einzigen Größenkanal gewünscht wird, können beispielsweise die Signalverarbeitungsschaltungen 41 ein­ fach zusammen mit der logischen Steuereinheit 48 verwendet werden.For dimensions larger than the minimum recognizable size, the recognizability of the size depends on the desired resolution. For example, if a simple count of all particles <0.1 x 10 -6 m in a single size channel is desired, the signal processing circuits 41 can be easily used with the logic controller 48 .

Für Mehrkanalanwendungen mit hoher Auflösung (wenn z. B. eine Auflö­ sung von 0,01 × 10-6 m mit 10 Kanälen zwischen 0,1 × 10-6 m und 0,2 × 10-6 m ge­ wünscht wird), müssen die Spitzenamplituden eines jeden Detektorelements vor der Verarbeitung einzeln gespeichert werden. Für diese hohe Auflösung (wenn bei­ spielsweise der zweite Schwellwertpegel bei 0,11 × 10-6 m liegt), wird das Aus­ gangssignal eines jeden Vorverstärkers 42 seinem zugeordneten Spitzenspannungs­ speicher (Haltekreis) 46 eingespeist, der die Spitzenamplitude speichert. Die in den Haltekreisen 46 gespeicherten Spitzenamplituden werden dann vom Umsetzer 37 einzeln ausgelesen, der die logische Steuereinheit 48 und einen abtastenden Analog- Digitalumsetzer 49 aufweist (Fig. 7).For multi-channel applications with high resolution (e.g. if a resolution of 0.01 × 10 -6 m with 10 channels between 0.1 × 10 -6 m and 0.2 × 10 -6 m is required), the peak amplitudes of each detector element are stored individually before processing. For this high resolution (if, for example, the second threshold level is 0.11 × 10 -6 m), the output signal of each preamplifier 42 is fed to its associated peak voltage memory (holding circuit) 46 , which stores the peak amplitude. The peak amplitudes stored in the holding circuits 46 are then individually read out by the converter 37 , which has the logic control unit 48 and a scanning analog-digital converter 49 ( FIG. 7).

Für mehrkanalige Anwendungen mit niederer Auflösung genügt es, alle Aus­ gangssignale der Verstärker 42 zu summieren, indem jedes Ausgangssignal über einen zugeordneten Widerstand 50 an einen Summierverstärker 52 (dessen Rück­ führungswiderstand 43 zwischen den Ausgang und den negativen Eingang geschal­ tet ist) des Analysators 36, der auch einen herkömmlichen Impulshöhenanalysator 54 aufweist, an welchem die Ausgangssignale des Verstärkers 52 anliegen, geleitet wird. Solch eine Anwendung mit niedriger Auflösung setzt voraus, daß der zweite verwendete Schwellwertpegel ausreichend höher liegt als der erste, so daß das ad­ dierte Rauschen noch immer kleiner ist als die Spitzenamplituden, welche den zweiten Schwellwertpegel übersteigen. Wenn beispielsweise der zweite Schwell­ wertpegel 0,2 × 10-6 m ist, wäre er ca. 40fach größer als der Schwellwertpegel von 0,1 × 10-6 m, wobei das addierte Rauschen viel geringer wäre als ein so hoher Schwellwertpegel.For multi-channel applications with low resolution, it is sufficient to sum all the output signals from the amplifiers 42 by each output signal via an associated resistor 50 to a summing amplifier 52 (whose feedback resistor 43 is connected between the output and the negative input) of the analyzer 36 , which also has a conventional pulse height analyzer 54 to which the output signals of the amplifier 52 are applied. Such a low resolution application assumes that the second threshold level used is sufficiently higher than the first so that the added noise is still less than the peak amplitudes that exceed the second threshold level. For example, if the second threshold level is 0.2 × 10 -6 m, it would be approximately 40 times larger than the threshold level of 0.1 × 10 -6 m, with the added noise being much less than such a high threshold level.

Jede Signalverarbeitungsschaltung bestimmt somit zusammen mit ihrem De­ tektorelement, wann ein Teilchen detektiert wird und die Größe des Streuereignis­ ses, das zwischen zwei Elementen liegen kann, wenn das Bild an der Grenze oder leicht neben dem Fokus liegt.Each signal processing circuit thus determines together with its De tector element, when a particle is detected and the size of the scattering event ses that can lie between two elements if the picture is on the border or is slightly out of focus.

Eine weitere Verbesserung der Erfassung kann durch den Einbau einer Rauschunterdrückungsschaltung in die Parallelprozessorschaltung der Fig. 7 erreicht werden.A further improvement in the detection can be achieved by installing a noise suppression circuit in the parallel processor circuit of FIG. 7.

Wie Fig. 8 zeigt, besteht die Rauschunterdrückungsvorrichtung 58 aus meh­ reren Rauschunterdrückungsschaltungen 60 (in Fig. 8 als 60a und 60b bezeichnet), an denen jeweils die Ausgangssignale der Detektorelemente anliegen, welche von­ einander beabstandete oder nicht benachbarte Abschnitte des gesamten Meßbereichs überwachen, welcher vom Detektor bestrichen wird.As shown in FIG. 8, the noise suppression device 58 consists of a plurality of noise suppression circuits 60 (designated as 60 a and 60 b in FIG. 8), to which the output signals of the detector elements are applied, which monitor spaced or non-adjacent sections of the entire measuring range which is swept by the detector.

Wie Fig. 6 zeigt, weist der Detektor 33 mehrere Detektorelemente 34 auf, die so geschaltet sind, daß jeder von einem Detektorelement 34 überwachte Bereich ein Teilabschnitt des gesamten Meßbereiches ist, wobei jeder Teilabschnitt benachbarte Teilabschnitte aufweist und der Rest der Teilabschnitte entfernt oder nicht benach­ bart ist.As shown in Fig. 6, the detector 33 has a plurality of detector elements 34 which are connected such that each area monitored by a detector element 34 is a partial section of the entire measuring range, each partial section having adjacent partial sections and the rest of the partial sections being removed or not adjacent is beard.

Gemäß Fig. 8 überwacht Detektorelement 34a einen Teilabschnitt, der dem vom Detektorelement 34b benachbart ist, jedoch dem vom Detektorelement 34c entfernt oder nicht benachbart ist. In derselben Weise überwacht Detektorelement 34b einen Bereich, der dem vom Detektorelement 34c benachbart, jedoch in Bezug auf den vom Detektorelement 34d entfernt oder nicht benachbart ist, und schließlich überwacht Detektorelement 34c einen vom Detektorelement 34d benachbarten Be­ reich.According to Fig. 8 34 monitors detector element a part section of the adjacent by the detector element 34 b, however, the c is not removed from the adjacent detector element 34 or. In the same way, detector element 34 b monitors an area which is adjacent to that of detector element 34 c, but which is distant or not adjacent to that of detector element 34 d, and finally, detector element 34 c monitors an area adjacent to detector element 34 d.

Obwohl in Fig. 8 nur vier Detektorelemente gezeigt sind, ist es offensichtlich, daß dieses Schaltungsmuster mit allen üblichen Detektorelementen durchführbar ist und daß Paare oder Gruppen von Detektorelementen, welche von einander entfernte oder nicht benachbarte Teilabschnitte überwachen, leicht zur Rauschunterdrückung ausgewählt werden können.Although only four detector elements are shown in FIG. 8, it is obvious that this circuit pattern can be carried out with all common detector elements and that pairs or groups of detector elements which monitor sections which are distant or not adjacent to one another can easily be selected for noise suppression.

Fig. 8 zeigt auch, daß das Ausgangssignal des Detektorelements 34a über einen Vorverstärker 42a mit Rückführungswiderstand 43a an der Rauschunterdrüc­ kungsschaltung 60a anliegt, während das Ausgangssignal des Detektorelements 37c (d. h. das Detektorelement, das einen zum vom Detektorelement 34a überwachten Teilabschnitt nicht benachbarten Teilabschnitt überwacht) über einen Vorverstärker 42c mit Rückführungswiderstand 43c zur Rauschunterdrückungsschaltung 60a ge­ langt. Ebenso liegt das Ausgangssignal des Detektorelements 34b über einen Vor­ verstärker 42b an der Rauschunterdrückungsschaltung 60b und das Ausgangssignal des Detektorelements 34d (d. h. des Detektorelements, das einen zum vom Detek­ torelement 34b überwachten Bereich nicht benachbarten Bereich überwacht) über einen Vorverstärker 42d an der Rauschunterdrückungsschaltung 60b an (wobei zu bemerken ist, daß die Zahl der Unterdrückungsschaltungen im Normalfall die Hälfte der Zahl eingesetzter Detektorelemente beträgt). Fig. 8 also shows that the output signal of the detector element 34 a via a preamplifier 42 a with feedback resistor 43 a is applied to the noise suppression circuit 60 a, while the output signal of the detector element 37 c (ie the detector element, one of which is monitored by the detector element 34 a Section not adjacent section monitored) ge via a preamplifier 42 c with feedback resistor 43 c to the noise suppression circuit 60 a. Likewise, the output signal of the detector element 34 is b a b Before amplifier 42 to the noise reduction circuit 60 b and the output signal of the detector element 34 d (that is, the detector element, the one to the Detek gate element 34 b monitored area not recorded on adjacent region) through a preamplifier 42 d to the noise suppression circuit 60 b (it should be noted that the number of suppression circuits is normally half the number of detector elements used).

Nach der Rauschunterdrückung in den Rauschunterdrückungsschaltungen gelangt das Signal zu Teilchenerfassungsschaltungen. Nach Fig. 8 liegt das Aus­ gangssignal der Rauschunterdrückungsschaltung 60a somit an einer Vergleichs­ schaltung 44a, an einem Halteverstärker 46a und über einen Widerstand 50a an ei­ nem Analysator 36 an, während das Ausgangssignal der Rauschunterdrückungs­ schaltung 60b an einer Vergleichsschaltung 44b, einem Halteverstärker 46b und über einen Widerstand 50b an dem Analysator 36 anliegt (alle diese Bauteile wur­ den anhand der Fig. 7 beschrieben).After noise reduction in the noise reduction circuits, the signal goes to particle detection circuits. According to Fig. 8 the off is output signal of the noise suppression circuit 60 a thus at a comparison circuit 44 a, to a holding amplifier 46 a and a resistor 50 a to ei nem analyzer 36, while the output signal of the noise reduction circuit 60 b to a comparison circuit 44 b, a holding amplifier 46 b and via a resistor 50 b to the analyzer 36 (all of these components have been described with reference to FIG. 7).

Fig. 9 zeigt das spezielle Schaltbild der Rauschunterdrückungsschaltung 60a (wobei zu bemerken ist, daß die anderen Rauschunterdrückungsschaltungen 60 mit dieser identisch sind). Wie gezeigt gelangt das Ausgangssignal des Detektorele­ ments 34a über den Vorverstärker 42a zum Widerstand 62 der Rauschunterdrüc­ kungsschaltung 60a, während das Ausgangssignal des Detektorelements 34c über den Vorverstärker 42c am Inverter 64 der Rauschunterdrückungsschaltung 60a an­ liegt, wobei das Ausgangssignal des Inverters 64 zum Widerstand 66 gelangt. Die Widerstände 62 und 66 sind miteinander verbunden und summieren die Ausgangs­ signale der Detektorelemente, wobei das Summenausgangssignal des Summie­ rungsanschlusses 68 an die Vergleichsschaltung 44a, den Halteverstärker 46a und über den Widerstand 50a an den Analysator 36 gelangt. Fig. 9 shows the special circuit diagram of the noise reduction circuit 60 a (it should be noted that the other noise reduction circuits 60 are identical to this). As shown, the output signal of the Detektorele passes ments 34 a via the preamplifier 42 a to the resistor 62 of the Rauschunterdrüc kung circuit 60 a, while the output signal of the detector element c 34 c through the preamplifier 42 to the inverter 64 of the noise suppression circuit 60 a to is, the output signal of the Inverter 64 reaches resistor 66 . The resistors 62 and 66 are connected to each other and sum the output signals of the detector elements, the sum output signal of the summing connection 68 to the comparison circuit 44 a, the holding amplifier 46 a and via the resistor 50 a to the analyzer 36 .

Fig. 9 zeigt auch, daß, wenn das Ausgangssignal A (des Detektorelements 34a) sowohl Rauschen als auch ein Nutzsignal aufweist und, wenn das Ausgangs­ signal B (des Detektorelements 34c) nur Rauschen enthält, das Rauschen des inver­ tierten Ausgangssignals B (B nach Fig. 9) das Rauschen im Ausgangssignal A un­ terdrückt, wenn beide Signale durch die Rauschunterdrückungsschaltung summiert werden (d. h. A + B = 0). Fig. 9 also shows that if the output signal A (of the detector element 34 a) has both noise and a useful signal and if the output signal B (of the detector element 34 c) contains only noise, the noise of the inverted output signal B ( B of FIG. 9) suppresses the noise in the output signal A when both signals are summed by the noise suppression circuit (ie A + B = 0).

Gleichtaktstörungen korrellieren an auf einen Strahl aufeinander sehr weit auseinanderliegenden Punkten (d. h. mehr als einige mm). Obwohl dies für alle Be­ leuchtungsstrahlen gilt, ist die Schwierigkeit am größten bei Multimoden-Lasern, die in Moden höherer Ordnung betrieben werden, wo die Kohärenzlänge kurz ist. Da der Grad der Korrelation mit der räumlichen Phasenkohärenz entlang der Strah­ lenaxis zusammenhängt, wird die Kohärenz sehr verbessert und das Rauschen ist korreliert, wenn Proben in kurzen räumlichen Abständen gezogen werden. Wird daher eine Anordnung von Detektorelementen 34 zur Beprobung kurzer Abstände verwendet, und wird dann das Ausgangssignal von einem Paar von Detektorelemen­ ten invertiert, so wird eine Rauschunterdrückung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erreicht (wobei bemerkt wird, daß die benachbarte Teilabschnitte überwachenden Detektorelemente nicht paarweise geordnet werden können, weil die Abbildungen von zwei benachbarten Detektorelementen gemeinsam verwendet werden müssen).Common mode disturbances correlate at points that are very far apart on a beam (ie more than a few mm). Although this applies to all illuminating beams, the difficulty is greatest with multimode lasers operating in higher order modes where the coherence length is short. Since the degree of correlation is related to the spatial phase coherence along the radiation axis, the coherence is greatly improved and the noise is correlated when samples are taken at short spatial distances. Therefore, if an arrangement of detector elements 34 is used for sampling short distances, and then the output signal of a pair of detector elements is inverted, noise suppression is achieved according to one embodiment of the invention (it being noted that the detector elements monitoring the adjacent subsections are not arranged in pairs because the images of two neighboring detector elements have to be used together).

Im Betrieb wird ein Laserstrahl durch den Meßbereich geleitet, und man läßt ein Gas mit Teilchen durch den Meßbereich mit Durchsätzen strömen, welche min­ destens einen Durchsatz von ca. 1 cfm aufweisen. Teilchen innerhalb des Meßbe­ reichs bewirken eine Lichtstreuung, wobei eine Lichtstreuung aufgrund von Teil­ chen, deren Durchmesser mindestens 0,1 × 10-6 m ist, mit dem Detektorfeld erkannt werden kann. Jedes Detektorelement des Feldes überwacht ein bestimmtes Teilvo­ lumen des Meßvolumens, mißt die erkennbare Lichtstreuung innerhalb des über­ wachten Teilabschnitts und erzeugt ein elektrisches Ausgangssignal für die abge­ tastete Lichtstreuung (zusammen mit den Signalen, die vom Hintergrundrauschen herrühren). Um Ablesewerte von hoher Auflösung zu erreichen, werden die gespei­ cherten Spitzenamplituden anschließend einzeln ausgelesen und in ein digitales Ausgangssignal umgesetzt.In operation, a laser beam is passed through the measuring area, and a gas with particles is allowed to flow through the measuring area with throughputs which have at least a throughput of approximately 1 cfm. Particles within the measuring range cause light scattering, light scattering due to particles whose diameter is at least 0.1 × 10 -6 m can be detected with the detector field. Each detector element of the field monitors a certain Teilvo lumen of the measuring volume, measures the visible light scatter within the monitored section and generates an electrical output signal for the scanned light scattering (together with the signals resulting from the background noise). In order to achieve high-resolution readings, the stored peak amplitudes are then read out individually and converted into a digital output signal.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung konnte eine Empfindlichkeit von Teilchengrößen von 0,1 µm in einer Umgebung mit hoher Molekularstreuung erreicht werden, bei einem Durchsatz von 0,02832 m3/min (1 cfm).In one embodiment of the invention, a sensitivity of particle sizes of 0.1 µm could be achieved in an environment with high molecular scattering, with a throughput of 0.02832 m 3 / min (1 cfm).

Damit schafft die Erfindung eine verbesserte Teilchenmeßeinrichtung für einen Teilchengrößendetektor, der eine hohe Empfindlichkeit in einer Umgebung mit hoher Molekularstreuung durch Verwendung einer Anordnung von Detektor­ elementen hat, welche die erforderliche Herabsetzung des durch Molekularstreuung bewirkten Hintergrundrauschens ermöglichen.The invention thus provides an improved particle measurement device for a particle size detector that has high sensitivity in an environment with high molecular scatter by using an array of detector has elements that have the required reduction in molecular scattering allow background noise caused.

Claims (10)

1. Teilchenmeßeinrichtung zur Teilchengrößendetektion mit einer ersten Einrichtung, welche es ermöglicht, daß ein Teilchen enthaltendes Medium durch einen bestimmten Meßbereich geführt wird und einer zweiten Einrichtung, welche den Meßbereich beleuchtet, so daß die Teilchen im Meßbereich eine Lichtstreuung bewirken, welche Teilchenmeßeinrichtung (10) folgende Bausteine aufweist:
ein Detektorfeld (33), welches das im Meßbereich (25) gestreute Licht empfängt und erfaßt und mehrere Detektorelemente (34) aufweist, welche so ange­ ordnet sind, daß bestimmte Detektorelemente (34a, b, c) das von bestimmten Teil­ abschnitten des Meßbereichs (25) gestreute Licht empfangen, wobei die bestimmten Teilabschnitte des Meßbereichs (25) zueinander entfernt angeordnet sind und jedes Detektorelement (34a, b, c, d) ein rauschbehaftetes Ausgangssignal abgibt, welches das erfaßte Licht, das von den Teilchen im jeweiligen Teilabschnitt des Meßbe­ reichs (25) gestreut worden ist, enthält, sowie einen Prozessor (35) mit einer Rauschunterdrückungsanordnung (58), welche mit den einzelnen Detektorelemen­ ten (34a, b, c, d) verbunden ist und bewirkt, daß die Rauschanteile der Ausgangs­ signale der einzelnen Detektorelemente (34a, b, c, d) möglichst gelöscht werden, so daß die Ausgangssignale des Prozessors (35) praktisch nur die durch Teilchen im Meßbereich (25) bewirkte Lichtstreuung anzeigen.
1. Particle measuring device for particle size detection with a first device which enables a medium containing particles to be guided through a specific measuring range and a second device which illuminates the measuring range so that the particles in the measuring range cause light scattering, which particle measuring device ( 10 ) has the following components:
a detector field ( 33 ) which receives and detects the light scattered in the measuring area ( 25 ) and has a plurality of detector elements ( 34 ) which are arranged in such a way that certain detector elements ( 34 a, b, c) sections of the measuring area from certain sub-parts ( 25 ) receive scattered light, the specific sections of the measuring range ( 25 ) being arranged at a distance from one another and each detector element ( 34 a, b, c, d) emitting a noisy output signal which reflects the light detected by the particles in the respective section of the measuring range ( 25 ) has been scattered, contains, and a processor ( 35 ) with a noise suppression arrangement ( 58 ), which is connected to the individual detector elements ( 34 a, b, c, d) and causes the noise components of the Output signals of the individual detector elements ( 34 a, b, c, d) are deleted as possible, so that the output signals of the processor ( 35 ) practically only by particles in the measuring range ( 25 ) Show direct light scatter.
2. Teilchenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorfeld (33) und der Prozessor (35) zur wirksamen Erfassung und Verar­ beitung des Lichtes, das durch Teilchen im Meßbereich (25) zerstreut wird, so aus­ gebildet sind, daß Teilchen mit Durchmesser von mindestens 0,1 µm detektiert wer­ den.2. Particle measuring device according to claim 1, characterized in that the detector field ( 33 ) and the processor ( 35 ) for effective detection and processing of the light, which is scattered by particles in the measuring area ( 25 ), are formed so that particles with Diameters of at least 0.1 µm are detected. 3. Teilchenmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Detektorfeld (33) und der Prozessor (35) zur wirk­ samen Erfassung und Verarbeitung des durch die Teilchen im Meßbereich (25) ge­ streuten Lichtes so ausgebildet sind, daß die Strömung des Mediums mit den Teil­ chen durch den Meßbereich (25) mit einem Durchsatz von mindestens 0,028 m3/min erfolgt.3. Particle measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the detector field ( 33 ) and the processor ( 35 ) are designed for effective detection and processing of the light scattered by the particles in the measuring region ( 25 ) so that the flow of the medium with the particles Chen through the measuring range ( 25 ) with a throughput of at least 0.028 m 3 / min. 4. Teilchenmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Prozessor (35) ein Parallelprozessor ist, der mehrere Verarbeitungsschaltungen (41) aufweist, von denen jede mit einem anderen der Detektorelemente (34a, b, c, d) verbunden ist, um deren Ausgangssignale getrennt zu verarbeiten und, daß die Ausgangssignale der Verarbeitungsschaltungen (41) mit der Rauschunterdrückungsanordnung (58) verbunden sind.4. Particle measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the processor ( 35 ) is a parallel processor which has a plurality of processing circuits ( 41 ), each of which is connected to a different one of the detector elements ( 34 a, b, c, d) in order to process the outputs thereof separately and that the outputs of the processing circuits ( 41 ) are connected to the noise suppression arrangement ( 58 ). 5. Teilchenmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rauschunterdrückungsanordnung (58) mehrere Rauschunterdrückungsschaltungen (60a, b) aufweist, von denen jede mit zwei be­ stimmten Detektorelementen (34a + 34c; 34b + 34d) verbunden ist.5. Particle measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the noise suppression arrangement ( 58 ) has a plurality of noise suppression circuits ( 60 a, b), each of which with two be detector elements ( 34 a + 34 c; 34 b + 34 d) connected is. 6. Teilchenmeßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rauschunterdrückungsschaltung (60a, b) ein Summierglied (62, 66) sowie ei­ nen Signalinverter (64) aufweist, der mit einem (34c) der bestimmten Detektorele­ mente (34) verbunden ist, um dessen Ausgangssignal vor dem Einspeisen in das Summierglieder (62, 66) zu invertieren.6. Particle measuring device according to claim 5, characterized in that each noise suppression circuit ( 60 a, b) has a summing element ( 62 , 66 ) and egg nen signal inverter ( 64 ) connected to one ( 34 c) of the certain detector elements ( 34 ) is to invert its output signal before feeding into the summing elements ( 62 , 66 ). 7. Teilchenmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Detektorfeld (33) in erste und zweite vorgegebene Detektorelemente (34a, 34d) eingeteilt ist, welche Licht von ersten bzw. zweiten Teilabschnitten des Meßbereichs (25) empfangen, wobei die zweiten Teilabschnitte untereinander in einem Abstand angeordnet und mit den jeweiligen ersten Teilab­ schnitten des Meßbereichs (25) benachbart sind, und daß der Prozessor (35) eine zweite Rauschunterdrückungsanordnung (60b) aufweist, die mit den zweiten Detek­ torelementen (34a, 34d) verbunden ist, um eine Rauschunterdrückung in deren Aus­ gangssignalen zu bewirken.7. Particle measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the detector field ( 33 ) is divided into first and second predetermined detector elements ( 34 a, 34 d) which receive light from first and second sections of the measuring range ( 25 ), wherein the second sections are arranged at a distance from one another and with the respective first sections of the measuring range ( 25 ) are adjacent, and that the processor ( 35 ) has a second noise suppression arrangement ( 60 b) which with the second detector elements ( 34 a, 34 d) is connected to cause noise suppression in their output signals. 8. Teilchenmeßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorfeld (33) das über den im wesentlichen gesamten Meßbereich (25) ge­ streute Licht empfängt und erfaßt, wobei sich die bestimmten ersten und zweiten Teilabschnitte des Meßbereichs (25) abwechseln. 8. Particle measuring device according to claim 7, characterized in that the detector field ( 33 ) receives and detects the light scattered over the substantially entire measuring range ( 25 ), the specific first and second sections of the measuring range ( 25 ) alternating. 9. Teilchenmeßeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rauschunterdrückungsanordnung (58) mehrere Rauschunterdrückungsschal­ tungen (60a, b) aufweist, deren Anzahl gleich ist der Anzahl der Detektorelemente (34a, b, c, d).9. Particle measuring device according to claim 7 or 8, characterized in that the noise suppression arrangement ( 58 ) has a plurality of noise suppression circuits ( 60 a, b), the number of which is equal to the number of detector elements ( 34 a, b, c, d). 10. Teilchenmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Prozessor (35) Verstärker (42, 44) aufweist, welche zwischen die Detektorelemente (34a, b, c, d) und die Rauschunterdrückungsanord­ nung (58) geschaltet sind.10. Particle measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the processor ( 35 ) has amplifiers ( 42 , 44 ) which are connected between the detector elements ( 34 a, b, c, d) and the noise suppression arrangement ( 58 ) .
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