Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Gold und Stahl – schnell und genau analysiert

01.10.2014

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.

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.


Emissionsspektrometer erkennen Materialien an ihrem Lichtspektrum. Neuartige Sensoren machen die Prüfgeräte immer kleiner, genauer und schneller.

© Fraunhofer IMS

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.
Demonstrator auf der Messe Vision

Einen Demonstrator des Sensors stellen die Forscher auf der Messe Vision vom 4. bis 6. November in Stuttgart vor (Stand 1H74). Auch ein zugehöriges Evaluierungs-Kit können sie interessierten Entwicklern zur Verfügung stellen. »Der Markt der Spektroskopie-Hersteller ist überwiegend in deutscher Hand«, erläutert der Wissenschaftler. »Mit unserem Sensor, der in Deutschland entwickelt und gefertigt wird – und nicht weltweit verfügbar ist – können die Hersteller ihren derzeitigen Wettbewerbsvorteil weiter sichern.«

Weitere Informationen:

http://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2014/Oktober/gold-und-sta...

Werner Brockherde | Fraunhofer Forschung Kompakt

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht Wie Protonen durch eine Brennstoffzelle wandern
22.06.2017 | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

nachricht Omicron Diodenlaser mit höherer Ausgangsleistung und erweiterter Garantie
20.06.2017 | Omicron - Laserage Laserprodukte GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften