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Messkopf für die plasmagestütze Materialerkennung

Plasmaforscher der HAWK und der Universität Göttingen haben einen neuartigen Messkopf für die zerstörungsfreie Materialanalyse entwickelt. Das Funktionsprinzip dieser plasmagestützten Materialanalyse basiert auf der Plasma-Spektroskopie, kommt dabei aber aufgrund geschickter Elektrodenkonfiguration ohne Gegenelektrode am Probenkörper aus, sodass keine spezielle Probevorbereitung notwendig ist. Mithilfe eines speziellen Plasmajets 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 stofflichen Zusammensetzung der Probe erfolgt auf Basis einer spektrometrischen Analyse der stoffspezifisch beeinflussten Spektren des Plasmas mit einem Vergleich zu entsprechenden Referenzspektren.
 

Problemstellung

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 beschossen wird, 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

Zur Realisierung eines schnellen, vielseitig einsetzbaren und insbesondere zerstörungsfreien Materialanalyse-Verfahrens, haben Plasma-Forscher der HAWK und der Universität Göttingen eine speziellen Messkopf entwickelt, der eine Atmosphärendruckplasmaquelle in Form eines speziellen Plasmajets sowie ein Spektrometer umfasst. Der Plasmajet verwendet einen Wabenjet aus 7 Röhrchen (s. Abb.1 B), bei denen nur das innere mit einem Arbeitsgas beaufschlagt wird, durch die äußeren Röhrchen wird ein Schutzgas geleitet, dass einen elektrischen Überschlag verhindert. Durch die spezielle Plasmajet-Konfiguration kann die Plasmaenergie 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 praktisch jeder Probenoberfläche erlaubt. Mithilfe eines integrierten Spektrometers werden dann die durch materialspezifische Interaktion beeinflussten Plasma-Spektren analysiert und mit entsprechenden Referenzspektren verglichen. Mithilfe des Verfahrens konnten bereits erfolgreich verschiedene Holzarten, Holz-Plastik-Komposite sowie Polymere und Kunststoffe mit Erkennungsraten von über 95% identifiziert werden. Durch Verschließen der unteren Öffnung des Messkopfes und Integration von entsprechenden Zu- und Ableitungen, ließe sich das Verfahren zudem auf gas- oder flüssigkeitsanalytische Anwendungen ausweiten.

Vorteile

  • Zerstörungsfreie Analyse der stofflichen Zusammensetzung von Proben
  • 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-Plastik-Kompositen, Polymeren und Kunststoffen
  • Zollprüfung (Chemie, Medikamente, Drogen, etc.)

Entwicklungsstand

Mit einem Prototyp des Messkopfes wurde das Verfahren erfolgreich an verschiedenen Holzarten, Holz-Plastik-Kompositen sowie Polymeren und Kunststoffen getestet. Dabei wurden Erkennungsraten von über 95% mit Hilfe von Referenzmessungen erreicht.
 

Patentsituation

Deutsche Patentanmeldung eingereicht

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

Kontakt

Dr. Tilmann Götze
Patentmanager Physik & Technik
E-Mail: tgoetze(at)sciencebridge.de
Tel.: +49 (0) 551 30 724 159
Referenz: MM-2166-HAWK
www.sciencebridge.de

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