Kompaktes Spektrometer analysiert Stahl besonders schnell
Ein Emissionsspektrometer, mit dem die Automobilindustrie die Stahlqualität noch zuverlässiger beurteilen kann, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts in Duisburg entwickelt. Müssen sich Prüfingenieure bislang mit waschmaschinengroßen Geräten herumschlagen, ist das neue Spektrometer nur so groß wie eine Mikrowelle.
Ein Arbeiter in Schutzkleidung vor einem angestochenen Hochofen. Mit dem neuen Spektrometer soll sich die spätere Stahlqualität noch genauer prüfen lassen.
Foto: dpa
Bisher sind Emissionsspektrometer, die hauptsächlich in der Stahlindustrie verwendet werden, etwa so groß wie Waschmaschinen – zumindest wenn sie eine gute Auflösung haben. Diese Prüfgeräte erkennen die Beschaffenheit von Materialien wie Gold und Stahl anhand ihres Lichtspektrums. Forscher des Fraunhofer-Instituts für mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg haben nun einen Weg gefunden, um wesentlich kleinere Exemplare zu bauen: Die Spektrometer schrumpfen auf die Größe einer Mikrowelle. Zudem sollen sie Prüfergebnisse schneller und genauer liefern. Davon könnte beispielsweise die Automobilindustrie bei ihrer Qualitätskontrolle profitieren.
Dreh- und Angelpunkt der Entwicklung ist ein neuartiger Sensor. Er bringt bei der Messung der Stoffe zwei bisher getrennt ablaufende Schritte zusammen. „Mit dem auf Halbleitern basierenden Sensor der Fraunhofer-Forscher werden sie erstmals vereint“, erklärt Werner Brockherde, einer der beteiligten Wissenschaftler. „Wir brauchen also nur noch einen Strahlengang und damit auch nur noch eine Optik.“
Bisher Messung in zwei Schritten
Zum Verständnis wie ein bisheriger Emissionsspektrometer funktioniert: Untersucht das Gerät beispielsweise ein Stück Stahl, 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 dann in zwei Strahlengänge aufgeteilt und getrennt untersucht.
Herzstück der Entwicklung ist ein neuartiger Sensor: Er hat im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren eine etwa 100-fach größere Dynamik.
Quelle: Fraunhofer IMS
Im ersten Strahlengang erfassen CCD-Zeilensensoren – das sind lichtempfindliche elektronische Bauelemente – das gesamte Spektrum. Dieses verrät, welche Teilchen in welcher Konzentration in dem Plasma umherschwirren. Dann ist klar, aus welchen Bestandteilen der untersuchte Stahl besteht. Experten nennen das eine ortsaufgelöste Messung. In dem zweiten Strahlengang werden nur einzelne Spektrallinien erfasst – allerdings so, dass das Gerät das Licht des Plasmas von dem der Funken unterscheiden kann. Mit dem neuen Sensor geht das alles in einem Schritt.
Schnellere und genauere Prüfergebnisse
Doch damit nicht genug. Der neue Photodetektor macht das Spektrometer etwa doppelt so schnell wie bisher. Das funktioniert, weil er im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren eine etwa 100-fach größere Dynamik hat. Er kann Signale im Bereich einiger Mikrovolt in einem Rutsch mit Ausschlägen von einigen hundert Millivolt messen. Und noch einen Pluspunkt bietet die Neuentwicklung laut Brockherde: „Da wir das komplette Spektrum nun mit einer einzigen Pulsserie messen können, steigt auch die Genauigkeit der Untersuchung.“
Darüber hinaus verspricht sich der Wissenschaftler von der Entwicklung einen Marktvorteil für hiesige Hersteller. „Der Markt der Spektroskopie-Hersteller ist überwiegend in deutscher Hand“, so Brockherde. „Mit unserem Sensor, der in Deutschland entwickelt und gefertigt wird – und nicht weltweit verfügbar ist – können die Hersteller ihren derzeitigen Wettbewerbsvorteil weiter sichern.“ Vorgestellt wird der neue Sensor auf der Messe Vision vom 4. bis 6. November in Stuttgart.
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