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Ionisation
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Aktive Luftionisation
In kritischen Umgebungen ist aktive Luftionisation die ideale Methode zur Kontrolle und Neutralisierung elektrostatischer Ladungen. Sogenannte Ionisatoren durchsetzen die Reinraumluft derart intensiv mit Ionen, dass statische Ladungen an Isolatoren und ungeerdeten Leitern abgebaut werden.
Luftionen und der Ionisierungsvorgang
Luftionen sind Moleküle, die ein Elektron verloren oder hinzugewonnen haben. Solche Ionen sind bereits in der „natürlichen“ Luft vorhanden, werden aber bei Filterung und technischer Aufbereitung entfernt. In natürlicher Umgebung entstehen Luftionen vorwiegend durch ionisierende Strahlung. Trotzdem ist Raumluft normalerweise ein recht guter Isolator mit einem spezifischen Widerstand von über 1015 Ohm/Meter. Durch Steigerung der Ionenzahl kann der spezifische Widerstand der Luft auf 1011 Ohm/Meter gesenkt werden – Resultat ist eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit.
Ladungserzeugung durch Koronarentladung
In technischen Anwendungen steht die Ionenerzeugung durch „Koronarentladung“ im Vordergrund. Koronarentladungen lassen sich beobachten, wenn eine spitz zulaufende Elektrode mit hoher elektrischer Spannung (im Kilovolt-Bereich) beaufschlagt wird.
Durch die hohe elektrische Feldstärke an der Spitze können die Luftmoleküle lokal ionisiert werden. Es entsteht – räumlich stark begrenzt – ein Plasma. Das Koronarplasma dient als Reservoir für Luftionen und somit als Grundlage für den technischen Ionisationsvorgang.
Gelangen diese künstlich erzeugten Ionen auf eine geladene Oberfläche, zieht die Fläche Ionen der gegensätzlichen Polarität an. Dadurch wird die ursprünglich vorhandene statische Oberflächenelektrizität neutralisiert.
Bipolare Ionisation
Da Störladungen in Arbeitsbereichen sich nicht auf eine Polarität beschränken, sind zur neutralisierenden Ionisation positive und negative Luftionen zu erzeugen. Es gibt verschiedene Methoden zur bipolaren Ionisation. Die Entscheidung für oder gegen eine bestimmte Methode hängt von der jeweiligen Prozessumgebung und von „Sonderparametern“ ab. Dementsprechend haben sich auch verschiedene technische Verfahren zur Ionenverteilung etabliert. Nachfolgend werden die wichtigsten Techniken mitsamt ihren bevorzugten Einsatzgebieten vorgestellt.
Wechselstrom-Ionisatoren
Hochspannung wird an mehrere Emitterstellen angelegt und die Polarität dieser Hochspannung alterniert mit der Netzfrequenz 50 Hz. Diese Wechselstromtechnik wird bevorzugt bei Ionisiergebläsen, Ionisierstäben und Druckgasionisatoren verwendet. In diesen Fällen sind die Luftgeschwindigkeiten hoch genug, um die gebildeten Ionen schnell von den Emitterspitzen zu entfernen. Bei zu langsamem Lufttransport bestünde die Gefahr einer Ionenrekombination: Schließlich werden an den Emitterspitzen in einem Abstand von nur 10 Millisekunden (50 Hz) Ionen der gegenteiligen Polarität erzeugt.
Gleichstrom-Ionisatoren
Bei dieser Methode existieren für jede Polarität getrennte Emitterspitzen. Positive Hochspannung wird fortwährend an eine Emittergruppe, negative Hochspannung fortwährend an eine andere Gruppe angelegt. Gleichstromtechniken werden in Ionisationsapparaten eingesetzt, die den Wechselstromionisatoren sehr ähnlich sind. Jedoch benötigt das Gleichstromprinzip viel geringere Luftströmungen. Eine korrekte Berechnung des räumlichen Abstands ungleichnamiger Emitterpunkte vorausgesetzt, ist das Rekombinationsrisiko dieses Verfahrens wesentlich niedriger.
Der Abstand von Gleichstrom-Ionisatoren zur kritischen Oberfläche darf ein gewisses (apparativ festgelegtes) Minimum nicht unterschreiten. Andernfalls besteht die Möglichkeit, dass lokale „hot spots“ (Bereiche mit einem Ionenungleichgewicht) entstehen.
Getakteter Gleichstrom
Positive und negative Emitterstellen werden abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Die jeweiligen Schaltphasen umfassen hierbei wohldefinierte Zeitintervalle. Mit diesem Verfahren werden positive und negative Ionenwolken erzeugt, deren räumliche und zeitliche Ausdehnung exakt vorgegeben werden kann.
Die Vorteile dieses Systems sind seine Flexibilität und Vielseitigkeit, denn die Taktzeiten werden auf die jeweiligen Luftströmungsbedingungen abgestimmt.
Wenn zum Beispiel geringe Luftströmungen vorhanden sind, ist ggf. eine längere Einschaltzeit notwendig, um den Ionen die Gelegenheit zu geben, den Arbeitsbereich zu erreichen. Rekombination würde in diesem Fall durch längere Auszeiten vor der nächsten Umpolung vermieden.
In bestimmten Umgebungen kann ein größerer Anteil einer Polarität erforderlich sein – mit dem getakteten Gleichstrom kann dann jede Polarität so lange wie nötig eingeschaltet bleiben.
Hauptsächliches Einsatzgebiet dieser Techniken sind sogenannte Raumionisationssysteme. Hier werden an den Filterdecken der Reinräume Ionisationssysteme montiert. Diese Decken-Emitter nutzen die Strömung der endständigen Filter, um Ionen zu den Produktoberflächen zu bringen. Prinzipbedingt sind die Entfernungen zwischen Deckenemitter und Produktoberfläche sehr groß (einige Meter). Der hohen Rekombinationsgefahr über weite Wegstrecken wird mit der getakteten Gleichstromtechnik begegnet.
Ionisierende Strahlung
Ionisationssysteme können auch auf ionisierender Strahlung basieren. Strahlungsquelle ist dann entweder eine kompakte Röntgenröhre oder ein α-Strahler.
Die Röntgenröhre sendet niederenergetische Röntgenstrahlung aus („soft X-ray“), während z. B. Polonium 210 ionisierte Helium-Kerne („Alphastrahler“) emittiert.
Röntgenstrahlung bzw. Alphastrahlung sind ihrerseits in der Lage, mit hoher Effizienz Luftmoleküle zu ionisieren. Aufgrund des dokumentarischen Aufwandes beim Umgang mit solchen Ionisatortechniken wird der Einsatz immer weiter – zugunsten der Koronarsysteme – eingeschränkt.
