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Die
Erfindung betrifft einen optoelektronischen Detektor, umfassend
eine Kühlvorrichtung, die mit dem Detektor wärmeleitend
verbunden ist, und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Detektors.
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Optoelektronische
Detektoren, beispielsweise auf Basis von Halbleitern wie bei ladungsgekoppelten
Bauteilen (engl. „charge coupled device”; CCD)
oder auf Basis von Sekundärelektronenemission wie bei Photovervielfachern
(engl. „photo multiplier”; PMT), weisen einen
temperaturabhängigen Dunkelstrom auf, der Rauschen verursacht.
Durch Kühlung kann der Dunkelstrom verringert werden, so dass
der messbare Dynamikbereich vergrößert wird. Damit
es durch die Kühlung nicht zur störenden Kondensation
von Luftfeuchtigkeit am Detektor (Betauung) kommt, wird im Stand
der Technik der Detektor samt der Kühlvorrichtung, typischerweise
einem Peltierelement, in einem luftdichten Gehäuse verkapselt, das
mit einem getrockneten Gas gefüllt oder evakuiert wird.
Die Abwärme der Kühlvorrichtung kann einem Kühlkörper
zugeführt werden, der mit der Kühlvorrichtung
wärmeleitend verbunden ist, und/oder zum Beheizen anderer
Bauteile, beispielsweise einem Eintrittsfenster des Gehäuses,
verwendet werden. Die luftdichte Verkapselung ist jedoch aufwendig.
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Aus
EP 1 653 269 A1 ist
es bekannt, vor einem Mikroskopobjektiv einen Hochfeuchtigkeitsraum für
eine lebende Probe anzuordnen und die Frontlinse des Objektivs mittels
einer Heizvorrichtung auf eine Temperatur oberhalb der Taupunkttemperatur des
Hochfeuchtigkeitsraums zu heizen, um Betauung der Frontlinse zu
verhindern. Das Beheizen eines optoelektronischen Detektors kommt
jedoch aufgrund des dadurch höheren Dunkelstroms nicht
infrage.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Detektor
der eingangs genannten Art anzugeben, der mit geringem Aufwand hergestellt und
verwendet werden kann.
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Die
Aufgabe wird gelöst durch einen Detektor, welcher die in
Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Verfahren,
welches die in Anspruch 11 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Im
Sinne der Erfindung kann der Detektor ein zumindest teilweise transparentes
Gehäuse umfassen, innerhalb dessen zu detektierendes Licht
absorbiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Die
Kühlvorrichtung ist dann typischerweise mit dem Gehäuse
wärmeleitend verbunden, aber außerhalb des Gehäuses
angeordnet. Beispielsweise kann das Gehäuse im Falle eines
Photovervielfachers eine Photokathode und einen Sekundärelektronenvervielfacher
enthalten. Insbesondere kann das Gehäuse evakuiert sein.
Bei Detektoren auf Halbleiterbasis kann die Kühlvorrichtung
mit dem Kristall wärmeleitend verbunden sein. Eine wärmeleitende
Verbindung kann durch unmittelbaren mechanischen Kontakt oder durch
wärmeleitende Elemente wie beispielsweise Wärmerohre
(engl. „heat pipes”) hergestellt sein.
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Erfindungsgemäß umfasst
der Detektor einen Sensor zur Ermittlung eines momentanen Werts einer
der Größen Umgebungsluftfeuchte und Umgebungstaupunkttemperatur
und eine Steuereinheit, welche mit dem Sensor verbunden ist und
eingerichtet ist zur Steuerung der Kühlvorrichtung in Abhängigkeit
des Werts. Entsprechend wird in einem erfindungsgemäßen
Verfahren ein momentaner Wert einer der Größen
Umgebungsluftfeuchte und Umgebungstaupunkttemperatur ermittelt und
die Kühlvorrichtung in Abhängigkeit des Werts
gesteuert. Diese Schritte können insbesondere wiederholt
durchgeführt werden. Der ermittelte Wert kann vor der Verwendung
zur Steuerung der Kühlvorrichtung zunächst vorverarbeitet
werden. Beispielsweise kann die Steuerung der Kühlvorrichtung
anhand einer von dem gemessenen momentanen Wert abgeleiteten Größe
gesteuert werden, insbesondere unter Einbeziehung weiterer Messgrößen.
Beispielsweise kann aus der momentanen Umgebungsluftfeuchte die
momentane Umgebungstaupunkttemperatur abgeleitet und zur Steuerung
der Kühlvorrichtung verwendet werden.
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Im
Sinne der Erfindung bedeutet Umgebungsluftfeuchte die absolute oder,
vorzugsweise, die relative Luftfeuchte der Luft außerhalb
des Detektors, insbesondere innerhalb eines Abstands von 20 cm,
10 cm oder 5 cm von dem Detektor, genauer gesagt von dem Gehäuse
des Detektors. Entsprechend bedeutet Umgebungstaupunkttemperatur
die Taupunkttemperatur der Luft außerhalb des Detektors, insbesondere
innerhalb eines Abstands von 20 cm, 10 cm oder 5 cm von dem Detektor,
genauer gesagt von dem Gehäuse des Detektors. Der optoelektronische
Detektor kann beispielsweise ein CCD, ein PMT oder eine Lawinenphotodiode
(engl. „avalanche photo diode”; APD) sein. Es
kann sich auch um andere Detektorarten auf Halbleiterbasis handeln,
beispielsweise Photomischdetektoren (engl. „photonic mixer device”;
PMD).
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Durch
die Berücksichtigung der Umgebungsluftfeuchte beziehungsweise
der Taupunkttemperatur bei der Steuerung der Kühlvorrichtung
kann die Kondensation auf dem Detektor vermieden werden. Die Erfindung
ermöglicht so den Verzicht auf eine luftdichte Verkapselung
von Detektor und Kühlvorrichtung. Auf diese Weise werden
Detektorarten, die prinzipiell nicht mit einer Kühlvorrichtung
verkapselt werden können, erst für den gekühlten
Betrieb verwendbar.
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Im
Falle der Ermittlung der relativen Umgebungsluftfeuchte ist zweckmäßigerweise
auch eine Umgebungslufttemperatur zu ermitteln und bei der Steuerung
zu berücksichtigten. Im Falle der Ermittlung der absoluten
Umgebungsluftfeuchte ist eine Messung der Umgebungslufttemperatur
nicht erforderlich, weil die für die Kondensation relevante
Taupunkttemperatur eineindeutig mit der absoluten Luftfeuchte zusammenhängt.
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Vorzugsweise
ist an dem Detektor ein (zusätzlicher) Sensor zur Ermittlung
eines momentanen Werts einer Temperatur des Detektors, genauer gesagt
einer Oberfläche des Detektors, insbesondere eines Gehäuses
des Detektors, angeordnet. Das erlaubt die Überwachung
der Detektortemperatur, insbesondere relativ zur Umgebungstaupunkttemperatur.
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Weiter
vorzugsweise steuert die Steuereinheit die Kühlvorrichtung
so, dass die Temperatur des Detektors beziehungsweise der Detektoroberfläche über
der Umgebungstaupunkttemperatur liegt. So kann es auf dem Detektor
nicht zur Kondensation kommen. Vorteilhafterweise weist die Kühlvorrichtung
dabei einen Regelkreis auf, der die Temperatur des Detektors gemäß einer
vorgebbaren Führungsgröße regelt. So
kann die Steuereinheit entlastet werden. Ein Sensor zur Ermittlung
eines momentanen Werts einer Temperatur des Detektors kann dabei beispielsweise
die Regelgröße des Regelkreises bereitstellen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ermittelt die Steuereinheit
anhand einer vorgegebenen Soll-Temperaturdifferenz zu der Umgebungstaupunkttemperatur
und anhand der momentanen Umgebungstaupunkttemperatur eine Soll-Temperatur des
Detektors und gibt sie als Führungsgröße
an den Regelkreis aus. Dadurch wird auch bei veränderlicher
Umgebungslufttemperatur stets der vorgegebene Abstand zum Taupunkt
eingehalten.
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Alternativ
zu einem Sensor, der die direkte Messung der Umgebungstaupunkttemperatur
erlaubt, kann zusätzlich zu dem Sensor zur Ermittlung des
momentanen Werts der relativen Umgebungsluftfeuchte ein Sensor zur
Ermittlung des momentanen Werts einer Umgebungslufttemperatur verwendet
werden. Dies kann insbesondere auch zusätzlich zu dem Sensor
zur Ermittlung des momentanen Werts der Temperatur des Detektors
geschehen. Anhand der Umgebungslufttemperatur und der relativen Umgebungsluftfeuchte
kann, beispielsweise mittels einer Nachschlagetabelle (engl. „look-up
table”; LUT), die Umgebungstaupunkttemperatur indirekt
ermittelt und zur Steuerung der Kühlvorrichtung verwendet
werden. Temperatursensoren und Relative-Luftfeuchtesensoren sind
signifikant kostengünstiger als spezielle Taupunkthygrometer,
so dass die Temperierung des Detektors relativ zur Umgebungstaupunkttemperatur
mit geringerem Aufwand möglich ist. Wird ein Sensor zur
Ermittlung des momentanen Werts der absoluten Luftfeuchte verwendet,
kann daraus ohne weitere Parameter mittels einer mathematischen
Funktion oder mittels einer Nachschlagetabelle die Taupunkttemperatur
ermittelt und zur Steuerung verwendet werden.
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In
einer weitergehenden Ausgestaltung der Erfindung wird eine Umgebungsluft
des Detektors getrocknet. Dies kann durch eine Feuchtigkeitssenke zur
Trocknung der Umgebungsluft des Detektors geschehen (die nicht in
thermischem Kontakt mit dem Detektor steht). Die Trocknung kann
durch Kühlen der Umgebungsluft unter deren Taupunkttemperatur erfolgen.
Unterhalb der Taupunkttemperatur kondensiert die Luftfeuchtigkeit,
so dass sich die absolute Luftfeuchte der gekühlten Luft
verringert. Die Taupunkttemperatur hängt eineindeutig mit
der absoluten Luftfeuchte zusammen, so dass durch Verringerung der
absoluten Luftfeuchte durch Trocknung/Kühlung die Taupunkttemperatur
sinkt. Durch Trocknung der Umgebungsluft, insbesondere durch Kühlen
unter die Taupunkttemperatur, sinkt also die Taupunkttemperatur
der Umgebungsluft. Dadurch kann der Detektor stärker gekühlt
und so der Dunkelstrom weiter verringert werden, als es die Umgebung sonst
zuließe. Die Feuchtigkeitssenke kann zu diesem Zweck zusätzlich
zu der Kühlvorrichtung für den Detektor eine eigene
Kühlvorrichtung umfassen.
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Vorzugsweise
wird die zusätzliche Kühlvorrichtung der Feuchtigkeitssenke
(von der Steuereinheit) auf eine niedrigere Temperatur eingestellt
als die Kühlvorrichtung, die wärmeleitend mit
dem Detektor verbunden ist. Dadurch findet die Kondensation an der
Feuchtigkeitssenke statt, nicht am Detektor selbst.
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In
einer Ausgestaltung mit Feuchtigkeitssenke umfasst der Detektor
vorzugsweise ein Gebläse zum Strömen der getrockneten
Luft auf den Detektor. Dies kann zum schnelleren Absenken der Umgebungstaupunkttemperatur
am Detektor dienen. Der Sensor zur Ermittlung einer der Größen
Umgebungsluftfeuchte und Umgebungstaupunkttemperatur sollte zweckmäßigerweise
in dem Luftstrom angeordnet sein.
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Die
Erfindung umfasst auch ein Mikroskop, insbesondere ein Laser-Scanning-Mikroskop,
mit einem optoelektronischen Detektor nach den oben und nachfolgend
beschriebenen Ausführungsformen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1 ein
Mikroskop mit einem gekühlten optoelektronischen Detektor,
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2 ein
Betriebsverfahren für den Detektor und
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3 ein
zweites Mikroskop mit einer alternativen Detektoranordnung.
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In
allen Zeichnungen tragen übereinstimmende Teile gleiche
Bezugszeichen.
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1 zeigt
ein Mikroskop 1 in Form eines Laser-Scanning-Mikroskops
in einer schematischen Darstellung. Es besteht aus einer Mikroskopeinheit
M und einer Scaneinheit S, die eine gemeinsame optische Schnittstelle über
eine Zwischenabbildung Z aufweisen, sowie aus einer Detektionseinheit
D. Die Scaneinheit S kann sowohl an den Phototubus eines aufrechten
Mikroskops als auch an einen seitlichen Ausgang eines inversen Mikroskops
angeschlossen werden. Die Mikroskopeinheit M weist ein Objektiv 4 und
eine Tubuslinse 9 zum Beobachten einer Probe 5 auf.
Ein Laser 10, dessen Laserstrahl nach dem Austritt zunächst
frei propagiert und durch ein akustooptisches Bauelement 11,
beispielsweise ein AOTF, hindurchtritt, ist als Messlichtquelle
vorgesehen. Der Laserstrahl wird dann durch eine Koppeloptik 12 und
eine Lichtleitfaser 13 in den Beleuchtungsstrahlengang
der Scaneinheit S eingekoppelt. Der Laserstrahl kann mittels des
akustooptischen Bauelements 11 von der Steuereinheit 2 ausgeblendet werden.
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Die
Scaneinheit S enthält eine Kollimationsoptik 16,
einen Umlenkspiegel 17, ein Scanning-Objektiv 22,
einen Scanner 23, einen Hauptstrahlteiler 24 und
eine Abbildungsoptik 25 für die Detektion. Der Abbildungsoptik 25 sind
eine Lochblende 29, ein Emissionsfilter und ein Detektor 31 in
Form eines Photovervielfachers nachgeordnet. Der Detektor 31 ist
zur Wärmeleitung in Kontakt mit der kalten Seite eines
Peltierelements als Kühlvorrichtung 32. Die warme
Seite des Peltierelements 32 ist thermisch leitend mit
einem Kühlkörper 33 verbunden, der die
Abwärme der Kühlvorrichtung an die Umgebung des
Mikroskops 1 abgibt. Der Detektor 31 und die Kühlvorrichtung 32 sind
nicht (wie im Stand der Technik) von einer gemeinsamen wasserdampfdichten
Hülle umgeben, sondern befinden sich in Kontakt mit der Luftatmosphäre
der Detektionseinheit D. Im Bereich des Detektors 31 ist
beabstandet von diesem als Sensor 34 zur Ermittlung der
Umgebungstaupunkttemperatur ein Taupunkthygrometer angeordnet. Eine Feuchtigkeitssenke 35 in
Form eines zweiten Peltierelements ist vor einem Gebläse 36 so
angeordnet, dass der Detektor 31 und der Sensor 34 mit getrockneter
Luft beströmt werden können. Im Sinne der Erfindung
wird ausschließlich dieser Luftstrom als Umgebungsluft
angesehen, da er das Kondensationsverhalten auf der Detektoroberfläche
bestimmt. Aufgrund der Trocknung weist diese Umgebungsluft eine
geringere absolute Luftfeuchte auf als die übrige Atmosphäre.
Abseits der Luftströmung ist ein Sensor 37 zur
Ermittlung der Oberflächentemperatur des Detektors 31 angeordnet.
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Anstelle
eines Peltierelements kann als Feuchtigkeitssenke 35 jede
andere Art der Kühlung/Trocknung eingesetzt werden. Beispielsweise kann
eine bekannte Klimaanlage (engl. „air condition”,
AC) verwendet werden.
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In
alternativen Ausführungsformen (nicht abgebildet) kann
der Detektor 31 über Wärmerohre mit der
Kühlvorrichtung 32 wärmeleitend verbunden sein.
Entsprechend können Wärmerohre zwischen der Kühlvorrichtung 32 und
dem Kühlkörper angeordnet sein. Der Kühlkörper 33 kann
in weitergehenden Ausführungsformen außerhalb
der Detektionseinheit D angeordnet sein.
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Auf
eine Feuchtigkeitssenke 35 und ein Gebläse 36 kann
in allen Ausführungsformen verzichtet werden, alternativ
können die Feuchtigkeitssenke 35 und/oder das
Gebläse 36 lediglich ausgeschaltet werden. Die
Umgebungstaupunkttemperatur kann dann als innerhalb der Detektionseinheit
D konstant angesehen werden, so dass es auf den genauen Ort des
Sensors 34 nicht ankommt.
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In 2 ist
der Ablauf des Betriebsverfahrens für den Detektor 31 als
Flussdiagramm dargestellt. Es wird von der Steuereinheit 2 ausgeführt.
Sie ermittelt während des Detektorbetriebs wiederholt zunächst
mittels des Sensors 34 die Umgebungstaupunkttemperatur.
Anhand einer vorgegebenen Soll-Temperaturdifferenz zur Umgebungstaupunkttemperatur
ermittelt sie sodann eine Soll-Temperatur für den Detektor 31 und
vergleicht sie mit der Ist-Oberflächentemperatur des Detektors 3,
die sie mittels des Sensors 37 ermittelt. In Abhängigkeit
des Vergleichsergebnisses schaltet sie die Kühlvorrichtung 32 ein,
wenn die Soll-Temperatur niedriger ist als die Ist-Temperatur. Dabei
kann sie beispielsweise die Kühlleistung bei großer
Differenz zwischen Ist- und Soll-Wert größer einstellen
als bei geringer Differenz. Dies kann beispielsweise durch Einstellung
der Stromstärke durch das Peltierelement 32 oder
durch eine Pulsbreitenmodulation (engl. „pulse width modulation”;
PWM) geschehen. Erreicht die Ist-Temperatur die Soll-Temperatur,
so schaltet die Steuereinheit 2 die Kühlvorrichtung 32 aus.
Diese Funktion der Steuereinheit 2 stellt einen Regelkreis
für die Kühlvorrichtung dar, in den die Soll-Temperatur
als Führungsgröße eingeht. Alternativ
kann der Regelkreis für die Kühlvorrichtung 32 außerhalb
der Steuereinheit 2 angeordnet und mit dem Sensor 37 verbunden
sein, so dass die Steuereinheit 2 nur die Soll-Temperatur
an den Regelkreis ausgibt und dieser die Regelung im übrigen übernimmt.
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Wird
beispielsweise in dem getrockneten Umgebungsluftstrom eine Umgebungstaupunkttemperatur
von +2,1°C gemessen und ist eine Soll-Temperaturdifferenz
von +1,5 K vorgegeben, so regelt die Steuereinheit 2 die
Kühlvorrichtung 32 anhand des Sensors 37 auf
eine Temperatur von +3,6°C und behält diese bei
bis sich die Umgebungstaupunkttemperatur ändert. In dem
getrockneten Luftstrom liegt beispielsweise eine relative Luftfeuchte
von 25% vor, während in der übrigen Atmosphäre
eine relative Luftfeuchte von 55% herrscht. Ohne Trocknung läge die
Taupunkttemperatur bei etwa +11°C, so dass der Detektor
nur auf 12,5°C gekühlt würde, was einen
höheren Dunkelstrom zur Folge hätte.
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Das
Peltierelement der Feuchtigkeitssenke kann einen eigenen Regelkreis
zur Temperaturregelung aufweisen. Vorzugsweise wird die Feuchtigkeitssenke
bei einer Temperatur deutlich unterhalb der Taupunkttemperatur der
ungetrockneten Luft betrieben. Insbesondere kann sie auf eine konstante Temperaturdifferenz
zur Detektortemperatur (Sensor 37) geregelt werden, beispielsweise
auf 20°C darunter.
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3 zeigt
eine alternative Ausführungsform, bei der die Umgebungstaupunkttemperatur nicht
direkt mittels eines Taupunkthygrometers 34 gemessen wird,
sondern indirekt mittels eines Sensors 38 zur Ermittlung
der Umgebungslufttemperatur und eines Sensors 39 zur Ermittlung
der relativen Umgebungsluftfeuchte. Eine Fuchtigkeitssenke und ein
Gebläse sind hier nicht vorhanden, so dass die gesamte
Luftatmosphäre der Detektionseinheit D hier die Umgebungsluft
darstellt.
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Anhand
der gemessenen Werte für die momentane Umgebungslufttemperatur
und die momentane relative Umgebungsluftfeuchte ermittelt die Steuereinheit 2 in
einer Nachschlagetabelle die momentane Umgebungstaupunkttemperatur.
Werden beispielsweise eine Umgebungslufttemperatur von 20°C
und eine relative Luftfeuchte von 60% gemessen, so ergibt sich beispielsweise
aus der Nachschlagetabelle eine Taupunkttemperatur 12,0°C.
Ist eine Soll-Temperaturdifferenz von beispielsweise 1,0 K vorgegeben,
so regelt die Steuereinheit 2 die Kühlvorrichtung 32 anhand
des Sensors 37 auf eine Temperatur von 13,0°C
und behält diese bei bis sich eine der Eingangsgrößen
(relative Luftfeuchte und Temperatur der Umgebungsluft) ändert.
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Anstelle
zur Ermittlung der relativen Luftfeuchte kann der Sensor 39 zur
Ermittlung der absoluten Luftfeuchte ausgebildet sein. Ein Sensor 38 zur Messung
der Umgebungslufttemperatur ist dann nicht erforderlich, weil die
Taupunkttemperatur eindeutig von der absoluten Luftfeuchte abhängt.
Die Steuereinheit 2 ermittelt dann die momentane Umgebungstaupunkttemperatur
anhand der momentanen absoluten Luftfeuchte und steuert die Kühlvorrichtung 32 für
den Detektor so, dass dieser nicht erreicht wird.
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In
Ausführungsformen ohne zusätzliche Feuchtigkeitssenke 35 kann
der Sensor 39 zur Ermittlung der (absoluten oder relativen)
Luftfeuchte außerhalb der Detektionseinheit D angeordnet
sein, da die absolute Luftfeuchte innerhalb eines architektonischen
Raums lokal allenfalls geringfügig variiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mikroskop
- 2
- Steuereinheit
- 4
- Objektiv
- 5
- Probe
- 9
- Tubuslinse
- 10
- Laser
- 11
- Akustooptisches
Bauelement
- 12
- Koppeloptik
- 13
- Lichtleitfaser
- 16
- Kollimationsoptik
- 17
- Umlenkspiegel
- 22
- Scanning-Objektiv
- 23
- Scanner
- 24
- Hauptstrahlteiler
- 25
- Abbildungsoptik
- 29
- Lochblende
- 31
- Detektor
- 32
- Kühlvorrichtung
- 33
- Kühlkörper
- 34
- Sensor
zur Ermittlung der Umgebungstaupunkttemperatur
- 35
- Feuchtigkeitssenke
- 36
- Gebläse
- 37
- Sensor
zur Ermittlung der Oberflächentemperatur des Detektors
- 38
- Sensor
zur Ermittlung der Umgebungslufttemperatur
- 39
- Sensor
zur Ermittlung der Umgebungsluftfeuchte
- M
- Mikroskopeinheit
- S
- Scaneinheit
- Z
- Zwischenabbildung
- D
- Detektionseinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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