Gold und Stahl – schnell und genau analysiert
Optische Emissionsspektrometer gehören in der Stahlindustrie zur Standardausstattung. Allerdings sind die Geräte bislang recht groß. Ein neuartiger Sensor ermöglicht nun, die Spektrometer um ein Vielfaches zu verkleinern. Weiterer Vorteil: Die Messungen sind genauer und doppelt so schnell wie bisher.
Emissionsspektrometer erkennen Materialien an ihrem Lichtspektrum. Neuartige Sensoren machen die Prüfgeräte immer kleiner, genauer und schneller.
© Fraunhofer IMS
Gold ist teuer. Kunden möchten daher beim Kauf eines Schmuckstücks sichergehen, dass der begehrte Ring oder die Kette auch wirklich aus dem edlen Metall besteht. In Indien müssen Juweliere per Gesetz ein optisches Emissionsspektrometer zur Hand haben: Anhand des Lichtspektrums der einzelnen Bestandteile des Materials prüfen sie Gold auf seine Echtheit. Die Hauptanwender der Geräte sind allerdings nicht Goldschmiede. In Stahlwerken und Produktionshallen der Automobilindustrie helfen sie den Ingenieuren, die Beschaffenheit des Stahls zu untersuchen und ihn auf seine Bestandteile und seine Qualität hin zu überprüfen. Bislang sind die Geräte allerdings recht groß – zumindest, wenn sie eine gute Auflösung haben sollen.
Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS entwickelten in Duisburg einen Sensor, mit dem die Optik dieser Geräte deutlich schrumpft. »Waren die hochauflösenden Spektrometer bislang etwa so groß wie eine Waschmaschine, dürften sie mit unserem Sensor nur noch die Größe eines Mikrowellenofens haben«, sagt Werner Brockherde, Abteilungsleiter am IMS. Doch das ist nicht der einzige Vorteil des neuen Sensors: Die Ergebnisse, die er liefert, sind genauer als bisher, und liegen etwa doppelt so schnell vor. Das kann beispielsweise bei der Qualitätskontrolle in der Automobilindustrie wichtig sein.
Zeitliche und örtliche Messung – erstmals in einem Sensor vereint
Um zu verstehen, wie die Forscher das Gerät derart miniaturisieren konnten, muss man zunächst einen Blick in sein Inneres werfen. Soll das Spektrometer beispielsweise ein Stück Stahl untersuchen, erzeugt es in regelmäßigen Abständen Funken. Diese schlagen einige Teilchen aus dem Metall heraus und erzeugen ein farbig leuchtendes Plasma. Das Licht des Plasmas wird in zwei Strahlengänge aufgeteilt, wie bei einem Regenbogen in die einzelnen Wellenlängenbereiche zerlegt und getrennt untersucht: Im ersten Strahlengang erfassen CCD-Zeilensensoren – lichtempfindliche elektronische Bauelemente – das komplette Spektrum. Dieses verrät, welche Teilchen in welcher Konzentration in dem Plasma umherschwirren, und damit auch, aus welchen Bestandteilen der untersuchte Stahl besteht. Experten sprechen dabei von einer ortsaufgelösten Messung. Im zweiten Strahlengang werden nur einzelne Spektrallinien erfasst – allerdings so, dass das Gerät das Licht des Plasmas von dem der Funken unterscheiden kann. Bislang laufen die orts- und zeitaufgelösten Messungen getrennt voneinander. »Mit unserem auf Halbleitern basierenden (CMOS) Sensor können wir diese beiden Untersuchungen erstmals vereinen. Wir brauchen also nur noch einen Strahlengang und damit auch nur noch eine Optik«, sagt Brockherde.
Der neue Photodetektor macht das Spektrometer schneller: Er hat eine etwa 100-fach größere Dynamik als herkömmliche Sensoren. Signale im Bereich einiger Mikrovolt kann er in einem Rutsch mit Ausschlägen von einigen hundert Millivolt messen. Bisher waren dazu mehrere Messungen nötig. Die Schnelligkeit der Messung ist allerdings nur ein Vorteil, den diese hohe Dynamik mit sich bringt: »Da wir das komplette Spektrum nun mit einer einzigen Pulsserie messen können, steigt auch die Genauigkeit der Untersuchung«, so Brockherde.
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