Staubkontrolle in Quantenoptik-Labors

Die Arbeit mit empfindlicher optischer Ausrüstung in einem Quantenoptik-Labor erfordert, dass Staub auf ein Minimum beschränkt wird. Allerdings haben die meisten Labs keine komplette Reinraumumgebung. Dieser Artikel zeigt, wie man Staublevel misst und gibt Tipps, um die Ausrüstung sauber zu halten.

#Das Problem mit Staub

Staub kann optische Setups schädigen. Er kann Probleme wie niedrigere Transmission und Reflexion von Licht verursachen. Wenn Staub auf Optiken landet, kann das deren Leistung ruinieren. Zum Beispiel könnte die Qualität eines optischen Resonators vermindert oder die Beschichtungen auf Linsen beschädigt werden. Hochintensive Laser können zudem Wärme erzeugen, was Staub auf optische Flächen anzieht.

Da viele dieser Labs nicht in Reinräumen betrieben werden, haben die Forscher verschiedene Wege gefunden, um Staub zu reduzieren. Sie schaffen kleinere Reinraumbereiche über den optischen Tischen und entwickeln Verfahren zur Verbesserung der Luftqualität, ohne die Arbeit zu erschweren.

#Messung der Staublevel

Um den Staub in einem Quantenoptik-Labor zu untersuchen, teilen die Forscher den Raum in zwei Bereiche: den gesamten Raum und den Bereich über dem optischen Tisch, wo sich ein Luftfilter befindet. Das Labor hat etwa 20 Quadratmeter und zwei optische Tische. Die Temperatur wird bei etwa 21 Grad Celsius gehalten, die Luftfeuchtigkeit wird jedoch nicht kontrolliert. Die Staublevel werden mit einem erschwinglichen Sensor gemessen, der die Partikelgrössen erkennen kann und mit einem einfachen Controller kompatibel ist.

Dieser Sensor nutzt einen Laser, um Staub zu erkennen. Die Luft wird durch einen Raum gesogen, in dem Laserlicht strahlt. Staubpartikel streuen das Licht, und ein Sensor misst diese Streuung, um die Menge und Grösse des Staubs in der Luft zu bestimmen. Die Messungen konzentrieren sich auf Partikel zwischen 0,3 und 2,5 Mikrometern.

#Erste Staubmessungen

Zunächst werden die Messungen ohne den Betrieb des Luftfilters durchgeführt. Über eine Woche hinweg zeigt sich, dass die Staublevel im Schnitt bei etwa 8,1 Partikeln pro Kubikmeter liegen, mit Werten zwischen 1 und 25 Partikeln pro Kubikmeter. Es gibt kein klares Muster oder eine Beziehung zwischen Staubleveln und Temperatur- oder Druckänderungen.

Wenn der Luftfilter eingeschaltet wird, ist ein plötzlicher Rückgang der Staublevel zu beobachten. Der Filter reduziert die durchschnittliche Staubkonzentration erheblich, sodass die Werte etwa 88% niedriger sind als die in typischen Büroräumen.

#Einfluss alltäglicher Aktivitäten

Verschiedene Tätigkeiten im Labor können die Staublevel beeinflussen:

1. Lüften des Raumes: Ein Fenster für nur 10 Minuten zu öffnen, lässt die Staublevel stark ansteigen, da die Aussenluft viele Partikel enthält. Nach dem Schliessen des Fensters kehren die Werte schnell zur Normalität zurück.

2. Kartonreissen: Diese Aktion gibt viele kleine Fasern in die Luft ab, was zu einem deutlichen Anstieg der Staublevel führt, während das Schneiden von Karton nicht denselben Effekt hat.

3. Löten: Das Schmelzen von Lötzinn erzeugt Rauch und Partikel. Messungen zeigen einen dramatischen Anstieg des Staubs, wenn diese Aktivität durchgeführt wird.

4. Bewegung im Raum: Überraschenderweise scheint die Anwesenheit von Menschen im Raum die Staublevel nicht signifikant zu verändern.

#Die Luftfiltereinheit

Mit einem speziellen Luftfilter über dem optischen Tisch werden die Staublevel in diesem Bereich mit einem empfindlicheren Partikelzähler gemessen. Wenn der Filter eingeschaltet ist, sinken die Staublevel schnell unter die Nachweisgrenze des Sensors. Wenn der Filter aus ist, steigen die Staublevel schnell an und kehren innerhalb weniger Stunden auf das Niveau des Raumes zurück.

Das Öffnen der Vorhänge der Reinraumumgebung führt ebenfalls zu einem Anstieg der Staublevel. Das passiert, weil dadurch mehr Luft in den Raum gelangt und der beabsichtigte Luftstrom, der Staub fernhalten soll, gestört wird.

#Arbeiten im Reinraum

Um den Einfluss von Menschen auf die Staublevel beim Arbeiten im Reinraum zu testen, wurden zwei Szenarien verglichen. Im ersten arbeitete eine Person in normaler Kleidung ohne spezielle Schutzkleidung. Die Staublevel stiegen stetig. Im zweiten Szenario trug dieselbe Person Schutzkleidung. Die Staublevel stiegen viel weniger an, was zeigt, dass einfache Vorsichtsmassnahmen einen grossen Unterschied machen können.

#Zusammenfassung der Empfehlungen

1. Luftfilter laufen lassen: Der Luftfilter sollte nicht einmal für ein paar Minuten ausgeschaltet werden. Staub kann sehr schnell in den Bereich eindringen, sobald der Filter aus ist.

2. Öffnen der Vorhänge limitieren: Versuche, das Öffnen der Vorhänge auf gegenüberliegenden Seiten der Umhüllung zu vermeiden, da dies viel Staub hereinlassen kann.

3. Lüften des Raumes vermeiden: Fenster sollten nicht geöffnet werden, da die Aussenluft viele Partikel mitbringt.

4. Vorsicht bei Aktivitäten: Vermeide es, Papier zu reissen oder in der Nähe empfindlicher Ausrüstung zu löten. Diese Aktionen können erhebliche Mengen Staub freisetzen.

5. Schutzkleidung tragen: Das Tragen von Laborkitteln und Hauben während der Arbeit kann die Staubemissionen von Personen erheblich reduzieren.

6. Kostengünstige Sensoren verwenden: Der Einsatz erschwinglicher Sensoren kann effektiv die Staublevel überwachen und eine Alternative zu teureren Reinraumsensoren bieten.

Wenn diese Empfehlungen befolgt werden, können Labs eine bessere Luftqualität aufrechterhalten und empfindliche optische Ausrüstung vor Staubkontamination schützen.