Messkopf für die plasmagestütze Materialerkennung

Plasma-Forscher der Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst (HAWK) und der Universität Göttingen haben einen neuartigen Messkopf für die zerstörungsfreie Materialanalyse entwickelt. Das Funktionsprinzip dieser plasmagestützten Materialanalyse basiert auf der Plasma-Spektroskopie. Die Methode kommt aufgrund geschickter Elektrodenkonfiguration ohne Gegenelektrode am Probenkörper aus, so dass keine spezielle Probevorbereitung notwendig ist. Mit Hilfe eines speziellen Plasma-Jets wird ein Plasma zur Materialoberfläche hin gezündet, dessen Energie aufgrund des speziellen Jet-Designs unterhalb der Zerstörschwelle des Materials gehalten werden kann. Die Analyse der Zusammensetzung der Probe erfolgt auf Basis einer spektroskopischen Analyse der materialspezifisch beeinflussten Spektren des Plasmas mit einem Vergleich zu entsprechenden Referenzspektren.
 

Herausforderung

Gängige Verfahren der Materialanalyse sind in den meisten Fällen nicht zerstörungsfrei. So wird beispielsweise bei der Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) mit einem Laserstrahl die Probenoberfläche bestrahlt, wobei die Probe an der entsprechenden Stelle zu einem Plasma verdampft und dann spektroskopisch analysiert wird. Andere Verfahren bedürfen teilweise dem Einbringen von Zusatzstoffen (vgl. Röntgenfluoreszenz, XRF), einem Durchstrahlen der Probe (was zumeist nur bei Flüssigkeiten oder in Lösung gebrachten Stoffen funktioniert), sie können nur bei speziellen Materialklassen eingesetzt werden und/oder haben lange Integrationszeiten. Bei manchen Verfahren darf überdies die untersuchte Probe nur eine bestimmte Dicke aufweisen, da bspw. eine Gegenelektrode hinter/unter der Probe benötigt wird (vgl. Plasmagestützte Ionisationsspektroskopie, PGIS) oder die Probe muss einen bestimmte Form aufweisen, was entweder eine Probenvorbereitung erfordert oder überhaupt nur eine Analyse von bestimmten Proben zulässt.

Unsere Lösung

Abb.1: Messkopf für die plasmagestützte Materialanalyse (Quelle: Robert Köhler, HAWK)

Zur Realisierung eines schnellen, vielseitig einsetzbaren und insbesondere zerstörungsfreien Materialanalyseverfahrens, haben Plasma-Forscher der HAWK und der Universität Göttingen eine speziellen Messkopf entwickelt, der eine Atmosphärendruckplasmaquelle in Form eines speziellen Plasma-Jets, sowie ein Spektrometer umfasst. Der Plasma-Jet nutzt einen Waben-Jet aus 7 Röhrchen (s. Abb.1 B), bei welchen nur das innere Röhrchen mit einem Arbeitsgas beaufschlagt wird, während durch die äußeren Röhrchen ein Schutzgas geleitet wird, das einen elektrischen Überschlag verhindert. Durch die spezielle Plasma-Jet-Konfiguration kann die Plasma-Energie so gering gehalten werden, dass die Probenoberfläche nicht beschädigt wird. Eine geschickte Elektrodenkonfiguration erlaubt außerdem das Zünden des Plasmas ohne eine Gegenelektrode am oder hinter der Probe, was die Analyse von nahezu jeder Probenoberfläche erlaubt. Mit Hilfe eines integrierten Spektrometers werden die materialspezifischen Signale in Form von Plasma-Spektren dargestellt, analysiert und mit entsprechenden Referenzspektren verglichen. Mit diesem innovativen Materialanalyseverfahren konnten verschiedene Holzarten, Holz-Kunststoff-Komposite sowie Polymerwerkstoffe/Kunststoffe mit Erkennungsraten von über 95% erfolgreich identifiziert werden. Durch Verschließen der unteren Öffnung des Messkopfes und durch Integration von entsprechenden Zu- und Ableitungen, ließe sich das Verfahren zudem auf gas- oder flüssigkeitsanalytische Anwendungen ausweiten.

Vorteile

  • Zerstörungsfreie Analyse der materialspezifischen/stofflichen Probenzusammensetzung
  • Keine Probenvorbereitung notwendig
  • Praktisch an allen Probenoberflächen und -formen möglich
  • Erweiterung auf die Analyse von Gasen oder Flüssigkeiten möglich

Anwendungsbereiche

  • Analyse von organischen sowie anorganischen Substanzen
  • Unterscheidung von Holzarten
  • Analyse von Holz-Kunststoff-Kompositen und Polymerwerkstoffen/Kunststoffen
  • Zollprüfung (Chemie, Medikamente, Drogen, etc.)

Entwicklungsstand

Mit einem Prototyp des Messkopfes wurde das Verfahren erfolgreich an verschiedenen Holzarten, Holz-Kunststoff-Kompositen sowie Polymerwerkstoffen/Kunststoffen getestet. Dabei wurden Erkennungsraten von über 95% mit Hilfe von Referenzmessungen erzielt.
 

Patentsituation

Deutsche Patentanmeldung eingereicht

Patentinhaber:
Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst Hildesheim/Holzminden/Göttingen (HAWK)
Georg-August-Universität Göttingen Stiftung Öffentlichen Rechts

Kontakt

Dr. Mirza Mackovic
Patentmanager Technik
E-Mail: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Tel.: +49 (0) 551 30 724 153
Referenz: MM-2166-HAWK
www.sciencebridge.de

Tags: Plasmaphysik

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