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WO1999033089A2 - Method and device for detecting sample molecules in a carrier gas - Google Patents

Method and device for detecting sample molecules in a carrier gas Download PDF

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Publication number
WO1999033089A2
WO1999033089A2 PCT/EP1998/008069 EP9808069W WO9933089A2 WO 1999033089 A2 WO1999033089 A2 WO 1999033089A2 EP 9808069 W EP9808069 W EP 9808069W WO 9933089 A2 WO9933089 A2 WO 9933089A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
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carrier gas
nozzle
outlet opening
gas jet
approximately
Prior art date
Application number
PCT/EP1998/008069
Other languages
German (de)
French (fr)
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WO1999033089A3 (en
Inventor
Horst-Henning Grotheer
Harald Oser
Reinhold Thanner
Original Assignee
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. filed Critical Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
Publication of WO1999033089A2 publication Critical patent/WO1999033089A2/en
Publication of WO1999033089A3 publication Critical patent/WO1999033089A3/en

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K31/00Actuating devices; Operating means; Releasing devices
    • F16K31/02Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic
    • F16K31/06Actuating devices; Operating means; Releasing devices electric; magnetic using a magnet, e.g. diaphragm valves, cutting off by means of a liquid
    • F16K31/0644One-way valve
    • F16K31/0655Lift valves
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K15/00Check valves
    • F16K15/18Check valves with actuating mechanism; Combined check valves and actuated valves
    • F16K15/182Check valves with actuating mechanism; Combined check valves and actuated valves with actuating mechanism
    • F16K15/1823Check valves with actuating mechanism; Combined check valves and actuated valves with actuating mechanism for ball check valves
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02Details
    • H01J49/04Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components
    • H01J49/0422Arrangements for introducing or extracting samples to be analysed, e.g. vacuum locks; Arrangements for external adjustment of electron- or ion-optical components for gaseous samples
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02Details
    • H01J49/10Ion sources; Ion guns
    • H01J49/16Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission
    • H01J49/161Ion sources; Ion guns using surface ionisation, e.g. field-, thermionic- or photo-emission using photoionisation, e.g. by laser
    • H01J49/162Direct photo-ionisation, e.g. single photon or multi-photon ionisation

Definitions

  • the present invention relates to a method for the detection of sample molecules in a carrier gas, wherein a divergent carrier gas jet is generated by expanding the carrier gas through a nozzle into a vacuum, the sample molecules in an ionization region of the carrier gas jet are ionized to sample molecule ions by absorption of photons, and the sample molecule ions by an electric pull field is drawn into a mass spectrometer and detected in the mass spectrometer.
  • the present invention relates to a device for detecting sample molecules in a carrier gas, comprising a nozzle for generating a divergent carrier gas jet by expanding the carrier gas into a vacuum, a device for resonant ionization of the sample molecules to sample molecule ions in an ionization region of the carrier gas jet by absorption of photons, a mass spectrometer and a device for generating an electrical drawing field which draws the sample molecule ions into the mass spectrometer with a drawing electrode.
  • the sample molecule ions are drawn into the mass spectrometer in a direction perpendicular to the axis of the carrier gas jet (so-called "cross-beam" arrangement).
  • the electrical drawing field is shielded by an electrostatic shield arranged between the nozzle and the drawing electrode generating the electrical drawing field.
  • the dimensions of the electrostatic shielding dictate a fixed minimum distance between the outlet opening of the nozzle and the ionization area. The distance between the outlet opening of the nozzle and the ionization area can therefore not be chosen freely.
  • the present invention is therefore based on the object of improving a method of the type mentioned at the outset in such a way that the distance between the outlet opening of the nozzle and the ionization region can be freely selected.
  • the concept according to the invention offers the advantage that the distance between the outlet opening of the nozzle and the ionization region arranged on the axis of the carrier gas jet can be set to any value which can be predetermined, in particular to any value, by moving the nozzle along the axis of the carrier gas jet, without disturbing the rotational symmetry of the electrical drawing field, the axis of symmetry of which coincides with the axis of the carrier gas jet.
  • the nozzle is advantageously switched as a repeller, ie placed at an electrical potential, the sign of which corresponds to the sign of the sample molecule ions generated in the ionization region, so that the sample molecule ions generated are accelerated away from the nozzle towards the mass spectrometer.
  • the sample molecules can be ionized at any distance from the outlet opening of the nozzle, the distance of the ionization area from the outlet opening of the nozzle by moving the nozzle along the axis of the carrier gas jet or by shifting the required photons providing photon source is adjustable relative to the nozzle.
  • the displacement of the nozzle is preferred, however, since the position of the ionization location relative to the inlet opening of the ion extraction optics of the mass spectrometer is retained.
  • the sample molecules are ionized within a continuum region of the carrier gas jet, in which the temperature of the carrier gas decreases with increasing distance (x) from the outlet opening of the nozzle.
  • the continuum region of the carrier gas jet comprises the region of the carrier gas jet between the outlet opening of the nozzle and a certain distance x ⁇ from the outlet opening of the nozzle, in which the carrier gas jet reaches its minimum temperature when expanded into a vacuum.
  • the temperature of the carrier gas essentially does not decrease any further with increasing distance x from the outlet opening of the nozzle.
  • the temperature of the carrier gas is determined in the usual way from the width of the velocity distribution of the carrier gas particles.
  • other temperatures can be determined from the occupation of the rotation or vibration levels, which under certain circumstances can differ from the translation temperature and from one another. However, all these temperatures reach their minimum at essentially the same distance x ⁇ from the outlet opening of the nozzle.
  • temperatures of the sample molecules can differ from one another and from those of the carrier gas. These temperatures of the sample molecules also no longer decrease substantially from substantially the same distance x ⁇ from the outlet opening of the nozzle as the temperatures of the carrier gas.
  • the temperature is used as a collective term for the translation, rotation and oscillation temperatures.
  • the area of the carrier gas jet between the outlet opening of the nozzle and the distance x ⁇ at which the minimum temperature is reached is called the continuum area.
  • the area of the carrier gas jet which adjoins the continuum area at greater distances from the outlet opening of the nozzle is referred to as the molecular jet area.
  • the selectivity of the photoionization increases like the sensitivity with decreasing temperature of the sample molecules in the ionization area of the carrier gas jet and is therefore increased in the molecular jet area compared to the continuum area, but cannot be moved further by moving the ionization area within the molecular jet area to larger distances x from the outlet opening of the nozzle improve.
  • the sample molecules are advantageously ionized at a distance x ⁇ from the outlet opening, since at the lowest temperature reached there essentially all of the sample molecules are in the energetic ground state and thus all sample molecules of a species Absorption of one or more photons with sharply defined energy can be converted into an excited state.
  • a tunable laser be used as the photon source, so that photons of the sharply defined energy required for a desired sample molecule species can be made available.
  • the required tunable laser makes the device required to carry out the method large and expensive.
  • a tunable laser is also comparatively difficult to use and susceptible to interference from the environment, especially if it is operated in an industrial plant rather than under laboratory conditions.
  • sample molecules cannot be measured simultaneously with maximum selectivity. If, on the other hand, only groups of substances are to be separated from one another, for example aromatics on the one hand and aliphatics on the other hand, it can be advantageous to work with reduced selectivity.
  • the sample molecules are ionized at a distance x x from the outlet opening, which is smaller than the distance x ⁇ , ie within the continuum area of the carrier gas jet.
  • x x is the mean temperature of the sample molecules above the minimum temperature, so that adjacent to the ground state even higher-energy states of the sample molecules are occupied.
  • photon energies available which can be used for the resonant excitation of the sample molecules, so that a photon source with a comparatively broad wavelength spectrum can be used.
  • the sample molecules are ionized at a distance x from the outlet opening of the nozzle which is less than approximately 0.9 x ⁇ , in particular less than approximately 0.8 x ⁇ , preferably less than approximately 0.5 x ⁇ .
  • a fixed frequency laser is preferably used as the photon source, for example a frequency-quadrupled Nd: YAG laser at 266 nm or a KrF laser at 248 nm.
  • the sample molecules are advantageously at a distance x z from the outlet opening of the nozzle between approximately 0.5 x ⁇ and approximately 3 x ⁇ , in particular between approximately 0.8 x ⁇ and about 2 x ⁇ , preferably between about 0.9 x ⁇ and 1.5 x ⁇ , ionized. Because the ionization takes place close to the distance x ⁇ , the sample molecules are cooled as strongly as possible, which is necessary for highly selective photoionization, without the density of the carrier gas and thus of the sample molecules decreasing more than unavoidably due to the divergence of the carrier gas jet.
  • a tunable laser in particular a dye laser, is preferably used as the photon source, which can be tuned, for example, in a wavelength range from 210 to 400 nm.
  • the type of photon source used is selected as a function of the distance of the ionization region from the outlet opening of the nozzle.
  • a fixed-frequency laser can be replaced by a tunable laser at the transition to larger distances ⁇ z from the outlet opening, which are in the range of the distance x ⁇ .
  • a tunable Lasers at the transition to smaller distances from the outlet opening of the nozzle, in particular at distances smaller than approximately 0.5 x ⁇ are replaced by a fixed frequency laser.
  • the distance of the ionization area from the outlet opening of the nozzle can be adjusted, for example, by moving the nozzle along the axis of the carrier gas jet or by moving the photon source relative to the nozzle.
  • the carrier gas jet is generated by means of a nozzle, the outlet opening of which has a diameter which is greater than the mean free path length of the particles of the carrier gas in the region of the outlet opening.
  • the carrier gas jet is designed as a supersonic jet with a speed angle distribution that is comparatively narrowly concentrated around the direction of the beam axis and with a comparatively sharp temperature distribution.
  • the advantages of a supersonic jet over an effusive jet are the following:
  • the radiance of the supersonic jet is significantly higher than that of an effusive jet; moreover, the supersonic jet is less strongly divergent due to its narrower velocity-angle distribution, so that the density of the carrier gas jet decreases less strongly with increasing distance x from the outlet opening of the nozzle.
  • the temperature distribution in a supersonic jet is much narrower than in an effusive jet, so that desired average temperature values can be set more easily.
  • a valve for closing the nozzle can be arranged directly at the outlet opening of the nozzle, so that the generation of sharply defined carrier gas jet pulses with steep flanks is possible.
  • an effusive jet is usually generated by means of a capillary, which is arranged between a valve for generating the carrier gas jet pulse and the outlet opening.
  • a capillary which is arranged between a valve for generating the carrier gas jet pulse and the outlet opening.
  • This has the disadvantage that the carrier gas jet pulses emerging from the outlet opening are widened compared to the pulses primarily generated by the valve, since the carrier gas particles require different transit times for the path through the capillary.
  • the walls of the capillary are covered by carrier gas particles and sample molecules, which are released again in later detection processes and can act as faults (so-called memory effect).
  • the memory effect leads to a deterioration in the achievable temporal Dissolution of the detection method and has a particularly strong effect when using a capillary, since the wall surface of the capillary which can be covered with sample molecules is comparatively large in relation to the internal volume of the capillary.
  • the carrier gas jet pulses generated are as short as possible, since in this arrangement the carrier gas jet is not directly on the intake manifold of a vacuum pump which encompasses the ionization area Vacuum chamber can be evacuated, directed and thus the largest part of the carrier gas jet reaches the vacuum pump only after collisions with the walls of the vacuum chamber.
  • Carrier gas jet pulses with a duration of less than approximately 20 ⁇ s are preferably used.
  • Such short pulses can be generated by using a nozzle with a valve which has a, preferably spherical, valve body which is pushed from a valve seat by an actuating element of an actuating device to open the valve and by means of the fluid flow passing through the valve opening the valve seat is moved back.
  • a valve which has a, preferably spherical, valve body which is pushed from a valve seat by an actuating element of an actuating device to open the valve and by means of the fluid flow passing through the valve opening the valve seat is moved back.
  • the actuating device for driving the actuating element has a piezo element.
  • a nozzle with a valve which has a valve seat which can be closed by a movable valve body and which can be moved away from the valve body faster than the valve body can follow by means of an actuating device.
  • a nozzle can also achieve short switching times and high repetition frequencies with a long service life.
  • the pulse duration of the photon source being less than the pulse duration of the carrier gas jet, can be reduced in that the rising edge of the photon pulse is essentially at the same time as the start of the stationary one Phase of the carrier gas jet pulse arrives in the ionization region.
  • the stationary phase of the carrier gas jet pulse is understood to mean the area lying between the rising flank and the falling flank of the carrier gas jet pulse, during which the beam density of the carrier gas jet is essentially constant.
  • the measure mentioned above ensures that the sample molecule ions generated are accelerated from the electric pulling field into a region lying in front of the front of the carrier gas jet pulse, in which there are no or only a few neutral particles with which the sample molecule ions are an undesired ion molecule Reaction could occur.
  • the lowest possible residual gas pressure in front of the carrier gas jet pulse is achieved by using the shortest possible pulse duration for the carrier gas jet pulses (in the order of 10 to 20 ⁇ s). In order to enhance the effect of this measure, a high drawing tension is advantageously used to accelerate the sample molecule ions.
  • the electric pulling field is designed in such a way that it has a comparatively small field strength in an area surrounding the ionization site and a higher one in an area arranged between the ionization site and the entrance opening of the ion extraction optics of the mass spectrometer Has field strength.
  • the carrier gas jet is directed directly at the ion entry of the mass spectrometer.
  • the penetration of neutral carrier gas particles and non-ionized sample molecules into the mass spectrometer is undesirable, however, since an increased pressure in the mass spectrometer is harmful to the ion detector of the mass spectrometer. It is therefore advantageously provided that the sample molecule ions are drawn through a pinhole in the mass spectrometer, which is preferably pumped differentially.
  • a perforated diaphragm is used, the diaphragm opening of which has a diameter of less than approximately 8 mm, preferably approximately 5 mm.
  • any mass spectrometer can be used to analyze the ion masses. It is advantageous to use a time-of-flight mass spectrometer that is synchronized with the pulse train of the photon source.
  • a reflectron is used as the mass spectrometer.
  • a reflectron is a time-of-flight mass spectrometer, in which the incoming ions first cross a field-free area at constant speed, then are braked in a braking field until their direction of movement is reversed and the ions are accelerated again so that they return the braking field to its original one Speed, however, leave in the opposite direction, and finally the ions, after they have again crossed the field-free area at a constant speed, are detected by an ion detector.
  • the principle of the reflectron offers the advantage that ions with the same mass, but when entering the reflectron at different speeds, require essentially the same flight time from an entry opening of the mass spectrometer to the ion detector.
  • Such ions which have a higher entry speed, need a shorter time to cross the field-free areas, but remain in the braking field for a longer time because they are decelerated with the same deceleration as the initially slower ions, but from a higher entry speed.
  • sample molecule ions entering the reflectron reflect in this way parallel to an ion-optical entry axis that they return longitudinally to the ion detector along tilted ion trajectories.
  • the path of a sample molecule ion in the reflectron thus has the shape of a V.
  • the ion detector of the reflectron can be arranged at a distance from the entry axis of the reflectron.
  • a particularly effective shielding of the ion detector from the neutral carrier gas particles and the non-ionized sample molecules is achieved if, on the one hand, particles entering the reflectron parallel to the entry axis and sample molecule ions returning to the ion detector on the other hand, be separated from each other by means of a partition. This partition thus separates the two legs of the V-shaped ion path from one another.
  • the present invention is based on the object of improving an apparatus for detecting sample molecules in a carrier gas of the type mentioned at the outset in such a way that the distance of the ionization region from the outlet opening of the nozzle can be set as desired.
  • the device for generating the electric pulling field pulling the sample molecule ions into the mass spectrometer is designed such that it generates an electric pulling field which essentially moves the sample molecule ions along the Direction of the axis of the carrier gas jet pulls into the mass spectrometer.
  • Fig. 1 is a partially sectioned perspective
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section through the device according to the invention from FIG. 1 along the axis of the carrier gas jet;
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through a fluid flow-reset ball valve of the device according to the invention from FIGS. 1 and 2.
  • a device for the detection of sample molecules in a carrier gas shown in FIGS. 1 and 2 and designated as a whole by 100, comprises a vacuum chamber 102 in the form of a tube cross.
  • This tube cross comprises a first tube 104 with, for example, a vertically oriented axis 106 and a second tube 108 with an axis 110 oriented perpendicular to the axis 106, the axis 106 of the first tube 104 and the axis 110 of the second tube 108 at one point cut so that a central region 112 belonging to the interior of both tubes 104 and 108 is formed.
  • An upper section 114 of the first tube 104 which extends upward from the central region 112, is closed by a cylindrical cover 116 which is coaxial with the first tube 104 and whose diameter exceeds that of the first tube 104.
  • the cover 116 carries, for example, four cylindrical guide rods 118 on its end face facing away from the first tube 104, the axes of which are aligned parallel to the axis 106 of the first tube 104 and which are located near the circumference of the cover 116 at the same distance from the axis 106 of the first tube 104 and are arranged at an angular distance of 90 ° with respect to this axis.
  • the guide rods 118 each pass through a guide hole passing through a cylindrical cover 120, which is arranged coaxially to the axis 106, parallel to the axis thereof. This allows the end cap 120 to slide up or down on the guide rods 118.
  • clamping elements 122 provided on the end cover 120, the end cover 120 can be fixed in its vertical position relative to the guide rods 118. By guiding the end cover 120 on the guide rods 118 it is ensured that the axis of the end cover 120 always coincides with the axis 106 of the first tube 104.
  • a hollow cylindrical bellows 124 coaxial with the first tube 104 is fixed gas-tight to an underside of the end cover 120 with an open upper end and gas-tight to the top of the cover 116 with an open lower end.
  • the wall of the bellows 124 consists at least partially of elastic, pleated material, so that the height of the bellows 124 can be changed as a function of the position of the end cover 120 by pulling apart or compressing the folds.
  • the end cover 120 closes an upper end of a holding tube 126 which is coaxial and has a smaller diameter than the latter, and which extends from a lower side of the end cover 120 downward through the bellows 124, a through opening in the cover 116 and through the upper section 114 of the end extends first tube 104 and opens into the central region 112 near its upper edge.
  • the holding tube 126 holds a valve nozzle 128 arranged in the interior thereof.
  • An outlet plate 130 which forms a bottom of the valve nozzle 128 is flush with the lower end of the holding tube 126 and closes it.
  • the outlet plate 130 has a central outlet opening 132 of the valve nozzle 128 with a diameter of, for example, 0.5 mm.
  • the valve nozzle 128 is provided with a fast-switching ball valve with a fluid flow-resetting valve body, as described in German Patent 38 35 788, to which reference is hereby expressly made.
  • valve seat 134 for a spherical valve body 136, which is in the closed state the valve nozzle 128 sets against the valve seat 134 and thus closes the outlet opening 132 in a gas-tight manner.
  • the valve body 136 is arranged in a valve body chamber 138, which is separated by a partition 140 with flow channels 142 from the interior 144 of a nozzle prechamber 145 arranged within the holding tube 126.
  • the partition 140 serves to restrict movement of the valve body 136 away from the valve seat 134 to the area of the valve body chamber 138.
  • valve body 136 In the closed state, the valve body 136 is pressed against the valve seat 134 by the pressure difference between the interior 144 of the nozzle prechamber 145, which contains carrier gas loaded with the sample molecules to be detected, and the evacuated area 112.
  • the spherical valve body 136 is pushed from the valve seat 134 by an actuating bolt 146, which can be moved parallel to the end plate 130 toward and away from the outlet opening 132 by means of a purely schematically illustrated movement device 148.
  • the actuating bolt 146 is butted in such a way that the spherical valve body 136 is precisely abutted against its equator.
  • valve body 136 When the spherical valve body 136 has been lifted off the valve seat 134, it is detected by the gas flow which flows through the flow channels 142, through the valve body chamber 138 and through the outlet opening 132 and driven back to the valve seat 134, so that the valve nozzle 128 automatically closes again becomes.
  • a high-strength and abrasion-resistant material in particular sapphire or a hard metal, is preferably used for the spherical valve body 136 and the valve seat 134.
  • the actuating pin 146 or at least its front, butting part preferably also consists of such a material.
  • the opening time of the valve depends on the pressure difference between the interior 144 of the nozzle prechamber 145 and the central region 112, on the mass of the spherical valve body 136 and on the diameter of the outlet opening 132.
  • the use of a valve body 136 with a small mass enables short opening times to be realized.
  • the movement device 148 can comprise, for example, an electromagnet or a piezoelectric drive element.
  • the movement device 148 can comprise, for example, a return spring acting on the actuating pin 146.
  • the actuating bolt 146 and the movement device 148 together form an actuating device of the fast-switching ball valve.
  • the movement device 148 is connected by means of control lines (not shown) to a control device (not shown) which actuates the movement device 148 in an adjustable cycle and thus can open the valve nozzle 128 in this adjustable cycle.
  • the nozzle prechamber 145 of the valve nozzle 128 is connected to a carrier gas reservoir (not shown) via a tubular feed line 150 coaxial to the holding tube 126.
  • a right section 152 of the second pipe 108 which extends to the right from the central region 112 (in the illustration in FIG. 2), is connected at a right end 154 to an intake port of a first vacuum pump 156.
  • a left section 158 of the second tube 108 which extends to the left from the central region 112 of the vacuum chamber 102 (in the illustration in FIG. 2), is closed at its left end by a cylindrical cover 160.
  • a lower section 162 of the first tube 104 which extends downward from the central region 112 of the vacuum chamber 102, is closed at its lower end by an end wall 164 of a reflectron mass spectrometer (reflectron) 166 flanged to the first tube 104.
  • the reflectron 166 comprises a vacuum tube 168 which is coaxial with the first tube 104 and has the same diameter as the latter, and which is connected at an end remote from the end wall 164 to an intake port of a second vacuum pump 170.
  • a plurality of ring-shaped brake electrodes 172 are arranged, which are aligned concentrically to a common electrode axis 174, which is tilted by an angle ⁇ relative to the common axis 106 of the first tube 104 and the vacuum tube 168.
  • the end wall 164 of the reflectron 166 facing the vacuum chamber 102 bears a proboscis-shaped pulling electrode 176 coaxial with the axis 106 of the first tube 104.
  • the drawing electrode 176 comprises an essentially hollow cylindrical section 178, which opens at an opening 180 into the interior 182 of the vacuum tube 168 of the reflector 166.
  • the end of the hollow cylindrical section 178 facing away from the mouth opening 180 is closed by a cone-shaped tip 184 of the drawing electrode 176 which is coaxial with it and has a central entry opening 186 for the passage of an ion beam, the diameter of which corresponds to the diameter of the end face of the hollow cylindrical section 178 frustoconical tip 184 corresponds.
  • a perforated diaphragm 188 with a central, circular diaphragm opening 190 is arranged inside the hollow cylindrical section 178 of the drawing electrode 176.
  • an ion optics (not shown) is arranged in the pulling electrode 176, which is designed such that it focuses an ion beam incident along the axis 106 into the pulling electrode 176 onto a focal point 192 in the center of the circular aperture 190.
  • An ion detector 194 is arranged in the interior 182 of the vacuum tube 168 of the reflectron 166 near the end wall 164 and outside the axis 106 of the vacuum tube 168. Between the opening 180 and the ion detector 194, a partition 196 extends essentially along the direction of the electrode axis 174 through the interior 182 of the vacuum tube 168. This partition 196 divides the interior 182 into an entrance area 182a bordering the opening 180 and an ion detector 194 comprehensive detection area 182b.
  • an axis 198 runs perpendicular to the axis 106 of the first tube 104 and perpendicular to the axis 110 of the second tube 108, which axis forms the optical axis of a pulsed laser 200 which is arranged outside the vacuum chamber 102 and whose laser beam 202 passes through a window 204 in a wall of the vacuum chamber 102, passes through the common intersection 206 of the axes 106, 110 and 198 and exits the vacuum chamber 102 again through a second window 208 opposite the first window 204.
  • the pulsed laser 200 can be controlled via the control device (not shown) of the valve nozzle 128 and can be synchronized with the valve nozzle 128.
  • the method according to the invention is carried out as follows:
  • the vacuum chamber 102 by means of the first vacuum pump 156 and the vacuum pipe 168 to be evacuated by the second vacuum pump 170 to a pressure of typically each 10 "4 Pa.
  • a carrier gas loaded with the sample molecules to be detected is provided in the carrier gas reservoir (not shown). The carrier gas then fills the tubular feed line 150 and the nozzle prechamber 145.
  • the movement device 148 of the valve nozzle 128 is now actuated by the control device (not shown) in order to accelerate the actuating bolt 146 towards the valve body 136 and to push the valve body 136 away from the valve seat 134.
  • the carrier gas under pressure P 0 for example 1.013 ⁇ 10 5 Pa (1 atm)
  • P 0 for example 1.013 ⁇ 10 5 Pa (1 atm)
  • D for example 0.5 mm
  • the operating conditions in particular the pressure P 0 and the temperature T of the carrier gas in front of the valve nozzle 128 and the diameter D of the outlet opening 132 of the valve nozzle 128 are chosen so that the mean free path length ⁇ of the carrier gas particles is significantly smaller than the diameter D of the outlet opening 132.
  • the carrier gas particles interact with one another as they pass through the valve nozzle 128, with the result that the carrier gas jet 210 is formed as a supersonic jet with a speed-angle distribution that is comparatively closely concentrated around the direction of the jet axis 106 and a comparatively sharp temperature distribution .
  • the carrier gas jet 210 is formed as an effective jet.
  • Such an effective jet would be very divergent due to its wide angular velocity distribution, which would lead to low jet densities even at small distances x from the outlet opening 132 of the valve nozzle 128.
  • the temperature distribution in an effective jet is very wide. The formation of the carrier gas jet 210 as a supersonic jet is therefore preferred.
  • the carrier gas jet 210 which is initially designed as a supersonic jet, comprises a continuum region which extends from the outlet opening 132 to a distance x ⁇ from the outlet opening 132, and a molecular beam region which adjoins the continuum region at larger distances x from the outlet opening 132.
  • the continuum area is characterized in that the temperature of the carrier gas jet and thus of the sample molecules decreases with increasing distance x within this area. From the distance x ⁇ , the minimum temperature of both the carrier gas particles and the sample molecules is reached. The temperature of the carrier gas particles and the sample molecules remains constant in the subsequent molecular beam region.
  • the sample molecules are advantageously ionized at a distance x ⁇ from the outlet opening 132, since at the lowest temperature reached there essentially all of the sample molecules are in the energetic ground state and thus all of the sample molecules are absorbed one or more photons with sharply defined energy can be converted into an excited state.
  • a tunable laser for example a dye laser, is used as laser 200 so that photons of the required, sharply defined energy can be made available.
  • the sample molecules are advantageously ionized at a distance Xj from the outlet opening 132 that is smaller than the distance x ⁇ .
  • the mean temperature of the sample molecules is above the minimum temperature, so that in addition to the ground state, higher energetic states of the sample molecules are occupied with a non-negligible probability.
  • a broader spectrum of energies that can be used to excite the sample molecules is thus available, so that a photon source with a comparatively broad wavelength spectrum can be used.
  • the distance ⁇ ⁇ of the intersection point 206 from the outlet opening 132 is chosen to be less than approximately x ⁇ , in particular less than approximately 0.8 x ⁇ , preferably less than approximately 0.5 x ⁇ .
  • a tunable laser is used as laser 200 and the ionization distance x x is between approximately 0.5 x ⁇ and approximately 1.0 x ⁇ , in particular between 0.8 x ⁇ and 1, 0 x ⁇ , preferably chosen between approximately 0.9 x ⁇ and 1.0 x ⁇ .
  • the end plate 130 and thus the holding tube 126 and the valve nozzle 128 are displaced in the vertical direction until the intersection 206 has the desired ionization distance x x from the outlet opening 132 of the valve nozzle 128.
  • the distance x ⁇ can either be determined experimentally by moving the valve nozzle 128 and observing the changes in the ion signal generated by the reflectron 166, or can be estimated using the following theoretical gas-dynamic considerations:
  • the maximum achievable terminal Mach number M ⁇ during expansion through the valve nozzle 128 depends, according to Anderson and Fenn, for single-atom gases such as argon as follows on the nozzle diameter D (in cm) and the pressure from P 0 above the nozzle (in atm) (see For example, SR Goates and CH Lin, Applied Spectroscopy Reviews 25 (1989), pages 81 to 126):
  • the Mach number M is the ratio of local flow velocity to local sound velocity. It is with the distance x from the outlet opening 132 of the valve nozzle 128 via the relationship
  • the distance x ⁇ at which the terminal Mach number M ⁇ is reached corresponds to the distance from which no further cooling occurs. It is obtained by replacing the Mach number M with the terminal Mach number M ⁇ in equation (II) and substituting M ⁇ with the right-hand side of the equation (I). You can find the relationship like this:
  • any ionization distances ⁇ z can be realized.
  • control unit After opening the valve nozzle 128, the control unit (not shown) triggers a laser pulse from the laser 200 such that the laser pulse arrives in the ionization region 212 surrounding the intersection 206 at the same time as the stationary phase of the carrier gas pulse begins.
  • the laser pulse is triggered a few ⁇ s after opening the valve nozzle 128.
  • a timer (not shown) is reset and started.
  • the sample molecules carried in the carrier gas jet 210 are ionized by resonance-amplified multiphoton ionization (REMPI), wherein one sample molecule in each case changes into an excited state by absorption of one or more photons with suitable energy, from which the sample molecule then absorbs another photon (or several other photons) is ionized to a sample molecule ion.
  • REMPI resonance-amplified multiphoton ionization
  • sample molecule ions formed in this way are drawn into the interior of the drawing electrode 176 by an electrical drawing field essentially parallel to the axis 106 of the carrier gas jet 210 through the inlet opening 186.
  • the rotationally symmetrical pulling electrode 176 is set to an electrical potential, the sign of which is opposite to the sign of the sample molecule ion charge.
  • the end plate 130 of the valve nozzle 128 is also switched as a repeller, that is to say set to an electrical potential whose sign corresponds to the sign of the sample molecule ion charge.
  • the pull electrode 176 must be set to negative and the end plate 130 of the valve nozzle 128 to a positive potential. Due to the rotational symmetry of the electrical drawing field generated by means of the rotationally symmetrical drawing electrode 176, the orbits of the sample molecule ions intersect at the focal point 192 of the ion optics in the interior of the drawing electrode 176. Neutral carrier gas particles and non-ionized sample molecules contained in the carrier gas jet 210 become the truncated cone-shaped electrode 184 acting as a skimmer 176 as well as largely prevented from entering the reflectron 166 by the perforated screen 188 in the interior of the drawing electrode 176. This prevents the vacuum in the interior 182 of the vacuum tube 168 of the reflectron 166 from deteriorating inadmissibly.
  • the sample molecule ions which have entered the reflectron 166 through the pulling electrode 176 first cross a field-free area in the half of the vacuum tube 168 facing the vacuum chamber 102 at a constant speed.
  • the time required to fly through this distance is reciprocal to the speed which the sample molecule ions accelerate in the have obtained electrical pulling field, and therefore increases with increasing mass of the sample molecule ions.
  • the sample molecule ions After flying through the field-free route, the sample molecule ions reach the area between the brake electrodes 172, which are at positive potentials which increase gradually with increasing distance from the vacuum chamber 102 from one brake electrode 172 to the adjacent brake electrode 172, so that the brake electrodes 172 together form an electric brake field for generate the incoming sample molecule ions.
  • the sample molecule ions are braked until they reach reversal points from which they are accelerated again in the direction of the ion detector 194 and leave the braking field again at the same speed at which they entered it, but in reverse Direction.
  • the paths 214 of the sample molecule ions are not exactly reflected back in themselves, but instead the sample molecule ions reach the constant velocity after passing through the field-free area in the half of the vacuum tube 168 facing the vacuum chamber 102 the ion detector 194 arranged in the detection area 182b, which delivers a time-resolved electrical ion signal proportional to the current ion flow.
  • the dependence of the ion signal on the total flight time of the sample molecule ions can be determined.
  • the total flight time of a sample molecule ion is proportional to the root of its mass.
  • the reflectron 166 is particularly suitable for achieving a high mass resolution since it minimizes the time-of-flight differences between sample molecule ions which have the same mass but are ionized at different distances from the pulling electrode 176 and therefore absorb different energies from the electrical pulling field. Those sample molecule ions whose ionization sites are further away from the drawing electrode 176 and which are therefore accelerated to a higher speed by the drawing field cover the distances in the field-free regions of the reflectron 166 in a shorter time than those sample molecule ions whose ionization sites are closer to the drawing electrode 176 lie.
  • the neutral carrier gas particles and the non-ionized sample molecules which have been stripped from the carrier gas jet 210 by the truncated cone-shaped tip 184 acting as a skimmer or which have been reflected back by the aperture plate 188 into the vacuum chamber 102, pass through the right section 152 of the second tube 108 the first vacuum pump 156, which removes the carrier gas particles and the non-ionized sample molecules from the vacuum chamber 102 to maintain the required vacuum.
  • valve nozzle 128 is designed so that the carrier gas pulse is as short as possible, preferably shorter than approximately 20 ⁇ s.
  • the valve nozzle 128 is automatically closed by the fluid flow through the valve body chamber 138 and the timer is stopped after the maximum ion flight time has elapsed.
  • the first vacuum pump 156 and the second vacuum pump 170 remove residual carrier gas particles and sample molecules from the vacuum chamber 102 or from the vacuum tube 168 of the reflector 166, whereupon a new measuring cycle begins with the opening of the valve nozzle 128.
  • a device 100 according to the invention which is tailored to the respective area of application, is suitable for numerous measuring tasks in the field of industrial process management and control and in the field of environmental monitoring.
  • the device 10 according to the invention is particularly suitable for on-line measurement of organic compounds in the raw and / or clean gas of a waste incineration plant, in order to regulate the burner conditions in the waste incineration plant on the basis of the measurement results.

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Abstract

A method for detecting the presence of sample molecules in a carrier gas. According to said method, a divergent jet of carrier gas is produced in a vacuum by expanding gas through a nozzle and the sample molecules are ionised into sample molecules in an ionisation area of the carrier gas jet by means of photon absorption. The sample molecules are pulled into a mass spectrometer by an electrical field where they are detected. In order to improve this method, the distance between the discharge opening of the nozzle and the ionisation area can be chosen freely. The ions from the sample molecule are substantially pulled into the mass spectrometer in the direction of the axis of the carrier gas jet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis von Probenmolekülen in einem Trägergas Method and device for the detection of sample molecules in a carrier gas

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von Probenmolekülen in einem Trägergas, wobei mittels Expansion des Trägergases durch eine Düse in ein Vakuum ein divergenter Trägergasstrahl erzeugt wird, die Probenmoleküle in einem Ionisationsbereich des Trägergasstrahls durch Absorption von Photonen zu Probenmolekülionen ionisiert werden und die Probenmolekülionen durch ein elektrisches Ziehfeld in ein Massenspektrometer gezogen und in dem Massenspektrometer detektiert werden.The present invention relates to a method for the detection of sample molecules in a carrier gas, wherein a divergent carrier gas jet is generated by expanding the carrier gas through a nozzle into a vacuum, the sample molecules in an ionization region of the carrier gas jet are ionized to sample molecule ions by absorption of photons, and the sample molecule ions by an electric pull field is drawn into a mass spectrometer and detected in the mass spectrometer.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Nachweis von Probenmolekülen in einem Trägergas, umfassend eine Düse zur Erzeugung eines divergenten Trägergasstrahles mittels Expansion des Trägergases in ein Vakuum, eine Einrichtung zur resonanten Ionisation der Probenmoleküle zu Probenmolekülionen in einem Ionisationsbereich des Trägergasstrahles durch Absorption von Photonen, ein Massenspektrometer und eine Einrichtung zum Erzeugen eines die Probenmolekülionen in das Massenspektrometer ziehenden elektrischen Ziehfeldes mit einer Ziehelektrode.Furthermore, the present invention relates to a device for detecting sample molecules in a carrier gas, comprising a nozzle for generating a divergent carrier gas jet by expanding the carrier gas into a vacuum, a device for resonant ionization of the sample molecules to sample molecule ions in an ionization region of the carrier gas jet by absorption of photons, a mass spectrometer and a device for generating an electrical drawing field which draws the sample molecule ions into the mass spectrometer with a drawing electrode.

Verfahren der eingangs genannten Art, bei denen Probenmoleküle selektiv durch Absorption von Photonen ionisiert werden, sind aus der Literatur beispielsweise unter der Bezeichnung "Resonanzverstärkte Multiphotonenionisation (REMPI)" bekannt, wobei sich diese Bezeichnung im engeren Sinne nur auf das für die selektive Photoionisation verwendete Verfahren bezieht. Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art sind insbesondere aus der deutschen Patentschrift 44 41 972 bekannt.Methods of the type mentioned at the outset, in which sample molecules are selectively ionized by absorption of photons, are known from the literature, for example, under the designation “resonance-enhanced multiphoton ionization (REMPI)”, this designation in the narrower sense only referring to the process used for selective photoionization relates. A method and a device of the type mentioned at the outset are known in particular from German Patent 44 41 972.

Bei dem aus der genannten Druckschrift bekannten Verfahren werden die Probenmolekülionen in einer zu der Achse des Trägergasstrahls senkrechten Richtung in das Massenspektrometer gezogen (sogenannte "cross-beam"-Anordnung) . Um eine Verzerrung des elektrischen Ziehfeldes durch die Düse zu vermeiden, wird bei dem bekannten Verfahren das elektrische Ziehfeld durch eine zwischen der Düse und der das elektrische Ziehfeld erzeugenden Ziehelektrode angeordnete elektrostatische Abschirmung abgeschirmt. Durch die Abmessungen der elektrostatischen Abschirmung ist dabei ein fester Mindestabstand zwischen der Austrittsöffnung der Düse und dem Ionisationsbereich vorgegeben. Der Abstand zwischen der Austrittsöffnung der Düse und dem Ionisationsbereich kann daher nicht frei gewählt werden.In the method known from the cited document, the sample molecule ions are drawn into the mass spectrometer in a direction perpendicular to the axis of the carrier gas jet (so-called "cross-beam" arrangement). In order to avoid distortion of the electrical drawing field by the nozzle, in the known method the electrical drawing field is shielded by an electrostatic shield arranged between the nozzle and the drawing electrode generating the electrical drawing field. The dimensions of the electrostatic shielding dictate a fixed minimum distance between the outlet opening of the nozzle and the ionization area. The distance between the outlet opening of the nozzle and the ionization area can therefore not be chosen freely.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß der Abstand zwischen der Austrittsöffnung der Düse und dem Ionisationsbereich frei wählbar ist.The present invention is therefore based on the object of improving a method of the type mentioned at the outset in such a way that the distance between the outlet opening of the nozzle and the ionization region can be freely selected.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Probenmolekülionen im wesentlichen längs der Richtung der Achse des Trägergasstrahles in das Massenspektrometer gezogen werden.This object is achieved according to the invention in a method having the features of the preamble of claim 1 in that the sample molecule ions are drawn into the mass spectrometer essentially along the direction of the axis of the carrier gas jet.

Dies wird dadurch erreicht, daß ein elektrisches Ziehfeld verwendet wird, das im wesentlichen koaxial zu dem Trägergasstrahl angeordnet ist. Im Gegensatz zur bekannten "cross-beam"-Anordnung kann also kurz von einer "axial-beam"- Anordnung oder axialen Anordnung des elektrischen Ziehfeldes und des Massenspektrometers relativ zu dem Trägergasstrahl gesprochen werden.This is achieved by using an electrical pulling field which is arranged essentially coaxially with the carrier gas jet. In contrast to the known "Cross-beam" arrangement can therefore be briefly referred to as an "axial-beam" arrangement or axial arrangement of the electrical drawing field and the mass spectrometer relative to the carrier gas jet.

Das erfindungsgemäße Konzept bietet den Vorteil, daß der Abstand zwischen der Austrittsöffnung der Düse und dem auf der Achse des Trägergasstrahls angeordneten Ionisationsbereich durch Verschieben der Düse längs der Achse des Trägergasstrahls auf einen beliebig vorgebbaren Wert, insbesondere auf einen beliebig kleinen Wert, eingestellt werden kann, ohne die Rotationssymmetrie des elektrischen Ziehfeldes zu stören, dessen Symmetrieachse mit der Achse des Trägergasstrahls übereinstimmt.The concept according to the invention offers the advantage that the distance between the outlet opening of the nozzle and the ionization region arranged on the axis of the carrier gas jet can be set to any value which can be predetermined, in particular to any value, by moving the nozzle along the axis of the carrier gas jet, without disturbing the rotational symmetry of the electrical drawing field, the axis of symmetry of which coincides with the axis of the carrier gas jet.

Dies ist bei einer "cross-beam"-Anordnung des elektrischen Ziehfeldes und des Massenspektrometers bezüglich der Achse des Trägergasstrahls nicht möglich, da bei einer solchen Anordnung die Rotationssymmetrie des elektrischen Ziehfeldes zwangsläufig gestört wird, wenn die Düse auf den Ionisationsbereich zu verschoben wird, welcher im Schnittpunkt der Achse des Trägergasstrahls und der Symmetrieachse des elektrischen Ziehfeldes angeordnet ist.This is not possible with a "cross-beam" arrangement of the electric pulling field and the mass spectrometer with respect to the axis of the carrier gas jet, since with such an arrangement the rotational symmetry of the electric pulling field is inevitably disturbed when the nozzle is moved towards the ionization area, which is arranged at the intersection of the axis of the carrier gas jet and the axis of symmetry of the electrical drawing field.

Vorteilhafterweise wird die Düse als Repeller geschaltet, d.h. auf ein elektrisches Potential gelegt, dessen Vorzeichen dem Vorzeichen der im Ionisationsbereich erzeugten Probenmolekülionen entspricht, so daß die erzeugten Probenmolekül- ionen von der Düse weg zu dem Massenspektrometer hin beschleunigt werden. Wie bereits ausgeführt, können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Probenmoleküle in einem beliebigen Abstand von der Austrittsöffnung der Düse ionisiert werden, wobei der Abstand des Ionisationsbereichs von der Austrittsöffnung der Düse durch Verschieben der Düse längs der Achse des Trägergasstrahls oder durch eine Verschiebung der die benötigten Photonen bereitstellenden Photonenquelle relativ zu der Düse einstellbar ist.The nozzle is advantageously switched as a repeller, ie placed at an electrical potential, the sign of which corresponds to the sign of the sample molecule ions generated in the ionization region, so that the sample molecule ions generated are accelerated away from the nozzle towards the mass spectrometer. As already stated, in the method according to the invention the sample molecules can be ionized at any distance from the outlet opening of the nozzle, the distance of the ionization area from the outlet opening of the nozzle by moving the nozzle along the axis of the carrier gas jet or by shifting the required photons providing photon source is adjustable relative to the nozzle.

Die Verschiebung der Düse wird jedoch bevorzugt, da hierbei die Lage des Ionisationsortes relativ zu der Eintrittsöffnung der Ionenextraktionsoptik des Massenspektrometers erhalten bleibt.The displacement of the nozzle is preferred, however, since the position of the ionization location relative to the inlet opening of the ion extraction optics of the mass spectrometer is retained.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Probenmoleküle innerhalb eines Kontinuumsgebiets des Trägergasstrahls, in dem die Temperatur des Trägergases mit zunehmendem Abstand (x) von der Austrittsöffnung der Düse abnimmt, ionisiert.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the sample molecules are ionized within a continuum region of the carrier gas jet, in which the temperature of the carrier gas decreases with increasing distance (x) from the outlet opening of the nozzle.

Das Kontinuumsgebiet des Trägergasstrahls umfaßt den Bereich des Trägergasstrahls zwischen der Austrittsöffnung der Düse und einem bestimmten Abstand xτ von der Austrittsöffnung der Düse, in dem der Trägergasstrahl bei der Expansion ins Vakuum seine minimale Temperatur erreicht.The continuum region of the carrier gas jet comprises the region of the carrier gas jet between the outlet opening of the nozzle and a certain distance x τ from the outlet opening of the nozzle, in which the carrier gas jet reaches its minimum temperature when expanded into a vacuum.

In dem sich zu größeren Abständen x von der Austrittsöffnung der Düse hin an das Kontinuumsgebiet des Trägergasstrahls anschließenden Molekularstrahlgebiet nimmt die Temperatur des Trägergases mit zunehmendem Abstand x von der Austritts- öffnung der Düse im wesentlichen nicht mehr weiter ab. Die Temperatur des Trägergases wird dabei in üblicher Weise aus der Breite der Geschwindigkeitsverteilung der Trägergasteilchen bestimmt. Für mehratomige Trägergasteilchen können außer dieser "Translationstemperatur" weitere Temperaturen aus der Besetzung der Rotations- oder Schwingungsniveaus ermittelt werden, die unter Umständen von der Translationstemperatur und voneinander abweichen können. Alle diese Temperaturen erreichen aber in im wesentlichen demselben Abstand xτ von der Austrittsöffnung der Düse ihr Minimum.In the molecular beam region which adjoins the continuum region of the carrier gas jet at larger distances x from the outlet opening of the nozzle, the temperature of the carrier gas essentially does not decrease any further with increasing distance x from the outlet opening of the nozzle. The temperature of the carrier gas is determined in the usual way from the width of the velocity distribution of the carrier gas particles. For multi-atom carrier gas particles, apart from this "translation temperature", other temperatures can be determined from the occupation of the rotation or vibration levels, which under certain circumstances can differ from the translation temperature and from one another. However, all these temperatures reach their minimum at essentially the same distance x τ from the outlet opening of the nozzle.

Ebenso wie für die Trägergasteilchen lassen sich auch für die Probenmoleküle verschiedene Temperaturen definieren, die sich voneinander und von denen des Trägergases unterscheiden können. Auch diese Temperaturen der Probenmoleküle nehmen ab im wesentlichen demselben Abstand xτ von der Austrittsöffnung der Düse wie die Temperaturen des Trägergases im wesentlichen nicht mehr weiter ab.As for the carrier gas particles, different temperatures can be defined for the sample molecules, which can differ from one another and from those of the carrier gas. These temperatures of the sample molecules also no longer decrease substantially from substantially the same distance x τ from the outlet opening of the nozzle as the temperatures of the carrier gas.

Im folgenden wird daher nicht mehr zwischen den unterschiedlich definierten Temperaturen des Trägergases bzw. der Probenmoleküle unterschieden, sondern der Begriff "die Temperatur" als Sammelbegriff für die Translations-, Rotations- und Schwingungstemperaturen verwendet.In the following, a distinction is therefore no longer made between the differently defined temperatures of the carrier gas or the sample molecules, but the term “the temperature” is used as a collective term for the translation, rotation and oscillation temperatures.

Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, wird das Gebiet des Trägergasstrahls zwischen der Austrittsöffnung der Düse und dem Abstand xτ, bei dem die minimale Temperatur erreicht wird, als Kontinuumsgebiet bezeichnet. Das sich an das Kontinuumsgebiet zu größeren Abständen von der Austritts- Öffnung der Düse hin anschließende Gebiet des Trägergasstrahls wird als Molekularstrahlgebiet bezeichnet. Die Selektivität der Photoionisation nimmt wie die Empfindlichkeit mit sinkender Temperatur der Probenmoleküle im Ionisationsbereich des Trägergasstrahles zu und ist daher im Molekularstrahlgebiet gegenüber dem Kontinuumsgebiet erhöht, läßt sich aber durch Verschieben des Ionisationsbereiches innerhalb des Molekularstrahlgebietes zu größeren Abständen x von der Austrittsöffnung der Düse hin nicht weiter verbessern.As can be seen from the above, the area of the carrier gas jet between the outlet opening of the nozzle and the distance x τ at which the minimum temperature is reached is called the continuum area. The area of the carrier gas jet which adjoins the continuum area at greater distances from the outlet opening of the nozzle is referred to as the molecular jet area. The selectivity of the photoionization increases like the sensitivity with decreasing temperature of the sample molecules in the ionization area of the carrier gas jet and is therefore increased in the molecular jet area compared to the continuum area, but cannot be moved further by moving the ionization area within the molecular jet area to larger distances x from the outlet opening of the nozzle improve.

Wird eine möglichst hohe Selektivität des Verfahrens zum Nachweis der Probenmoleküle gewünscht, so werden die Probenmoleküle vorteilhafterweise im Abstand xτ von der Austrittsöffnung ionisiert, da sich bei der dort erreichten tiefsten Temperatur im wesentlichen alle Probenmoleküle im energetischen Grundzustand befinden und somit alle Probenmoleküle einer Spezies durch Absorption eines oder mehrerer Photonen mit scharf definierter Energie in einen angeregten Zustand überführt werden können. Hierzu ist allerdings erforderlich, daß als Photonenquelle ein durchstimmbarer Laser verwendet wird, damit Photonen der für eine gewünschte Probenmolekül- Spezies jeweils erforderlichen, scharf definierten Energie zur Verfügung gestellt werden können. Der erforderliche durchstimmbare Laser macht die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Vorrichtung groß und teuer. Ein durch- stimmbarer Laser ist ferner vergleichsweise schwierig in der Handhabung und anfällig für Störungseinflüsse aus der Umgebung, insbesondere dann, wenn er nicht unter Laborbedingungen, sondern in einer industriellen Anlage betrieben wird. Außerdem können bei maximaler Selektivität nicht mehrere Spezies von Probenmolekülen gleichzeitig gemessen werden. Sollen dagegen lediglich Stoffgruppen voneinander getrennt werden, zum Beispiel Aromaten einerseits und Aliphaten andererseits, so kann es vorteilhaft sein, mit verminderter Selektivität zu arbeiten. Dazu werden die Probenmoleküle in einem Abstand xx von der Austrittsöffnung ionisiert, der kleiner ist als der Abstand xτ, also innerhalb des Kontinuumsgebiets des Trägergasstrahls.If the highest possible selectivity of the method for the detection of the sample molecules is desired, the sample molecules are advantageously ionized at a distance x τ from the outlet opening, since at the lowest temperature reached there essentially all of the sample molecules are in the energetic ground state and thus all sample molecules of a species Absorption of one or more photons with sharply defined energy can be converted into an excited state. However, this requires that a tunable laser be used as the photon source, so that photons of the sharply defined energy required for a desired sample molecule species can be made available. The required tunable laser makes the device required to carry out the method large and expensive. A tunable laser is also comparatively difficult to use and susceptible to interference from the environment, especially if it is operated in an industrial plant rather than under laboratory conditions. In addition, multiple species of sample molecules cannot be measured simultaneously with maximum selectivity. If, on the other hand, only groups of substances are to be separated from one another, for example aromatics on the one hand and aliphatics on the other hand, it can be advantageous to work with reduced selectivity. For this purpose, the sample molecules are ionized at a distance x x from the outlet opening, which is smaller than the distance x τ , ie within the continuum area of the carrier gas jet.

Bei einem gegenüber dem Abstand xτ reduzierten Ionisationsabstand xx liegt die mittlere Temperatur der Probenmoleküle oberhalb der minimalen Temperatur, so daß neben dem Grundzustand auch energetisch höher liegende Zustände der Probenmoleküle besetzt sind. Es steht somit ein breiteres Spektrum von Photonenenergien zur Verfügung, die zur resonanten Anregung der Probenmoleküle verwendbar sind, so daß eine Photonenquelle mit einem vergleichsweise breiten Wellenlängenspektrum benutzt werden kann. Durch die Ionisation der Probenmoleküle bei der gegenüber der minimalen Temperatur des Trägergases erhöhten Temperatur im Kontinuumsgebiet des Trägergasstrahls lassen sich mit einer Photonenquelle oft mehrere Spezies von Probenmolekülen gleichzeitig ionisieren und somit nachweisen.In a relation to the distance x τ reduced Ionisationsabstand x x is the mean temperature of the sample molecules above the minimum temperature, so that adjacent to the ground state even higher-energy states of the sample molecules are occupied. There is thus a broader spectrum of photon energies available which can be used for the resonant excitation of the sample molecules, so that a photon source with a comparatively broad wavelength spectrum can be used. By ionizing the sample molecules at the temperature in the continuum region of the carrier gas jet which is higher than the minimum temperature of the carrier gas, several species of sample molecules can often be ionized at the same time and thus detected.

Günstig ist es, wenn die Probenmoleküle in einem Abstand x von der Austrittsöffnung der Düse ionisiert werden, der weniger als ungefähr 0,9 xτ, insbesondere weniger als ungefähr 0,8 xτ, vorzugsweise weniger als ungefähr 0,5 xτ beträgt. Je kleiner der Abstand des Ionisationsbereichs von der Austrittsöffnung der Düse gewählt wird, desto breiter ist das Spektrum der Photonenenergien, die zur Anregung der Probenmoleküle genutzt werden können. In diesem Fall wird als Photonenquelle vorzugsweise ein Festfrequenzlaser verwendet, beispielsweise ein frequenzvervierfachter Nd:YAG-Laser bei 266 nm oder ein KrF-Laser bei 248 nm.It is expedient if the sample molecules are ionized at a distance x from the outlet opening of the nozzle which is less than approximately 0.9 x τ , in particular less than approximately 0.8 x τ , preferably less than approximately 0.5 x τ . The smaller the distance between the ionization area and the outlet opening of the nozzle, the broader the spectrum of photon energies that can be used to excite the sample molecules. In this case, a fixed frequency laser is preferably used as the photon source, for example a frequency-quadrupled Nd: YAG laser at 266 nm or a KrF laser at 248 nm.

Steht andererseits die Erzielung einer möglichst hohen Selektivität und Empfindlichkeit des Nachweisverfahrens im Vordergrund, so werden die Probenmoleküle vorteilhafterweise in einem Abstand xz von der Austrittsöffnung der Düse zwischen ungefähr 0,5 xτ und ungefähr 3 xτ, insbesondere zwischen ungefähr 0,8 xτ und ungefähr 2 xτ, vorzugsweise zwischen ungefähr 0,9 xτ und 1,5 xτ, ionisiert. Dadurch, daß die Ionisation nahe des Abstandes xτ erfolgt, wird die für eine hochselektive Photoionisation erforderliche möglichst starke Abkühlung der Probenmoleküle erhalten, ohne daß dabei die Dichte des Trägergases und damit der Probenmoleküle aufgrund der Divergenz des Trägergasstrahls mehr als unvermeidbar abnimmt.If, on the other hand, the focus is on achieving the highest possible selectivity and sensitivity of the detection method, the sample molecules are advantageously at a distance x z from the outlet opening of the nozzle between approximately 0.5 x τ and approximately 3 x τ , in particular between approximately 0.8 x τ and about 2 x τ , preferably between about 0.9 x τ and 1.5 x τ , ionized. Because the ionization takes place close to the distance x τ , the sample molecules are cooled as strongly as possible, which is necessary for highly selective photoionization, without the density of the carrier gas and thus of the sample molecules decreasing more than unavoidably due to the divergence of the carrier gas jet.

In diesem Fall wird als Photonenquelle vorzugsweise ein durchstimmbarer Laser, insbesondere ein Farbstofflaser, verwendet, welcher beispielsweise in einem Wellenlängenbereich von 210 bis 400 nm durchstimmbar ist.In this case, a tunable laser, in particular a dye laser, is preferably used as the photon source, which can be tuned, for example, in a wavelength range from 210 to 400 nm.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die Art der verwendeten Photonenquelle in Abhängigkeit von dem Abstand des Ionisationsbereichs von der Austrittsöffnung der Düse gewählt wird. Beispielsweise kann ein Festfrequenzlaser beim Übergang zu größeren Abständen κz von der Austrittsöffnung, die im Bereich des Abstands xτ liegen, durch einen durchstimmbaren Laser ersetzt werden. Umgekehrt kann ein durchstimmbarer Laser beim Übergang zu kleineren Abständen von der Austrittsöffnung der Düse, insbesondere bei Abständen kleiner als ungefähr 0,5 xτ, durch einen Festfrequenzlaser ersetzt werden.In particular, it can be provided that the type of photon source used is selected as a function of the distance of the ionization region from the outlet opening of the nozzle. For example, a fixed-frequency laser can be replaced by a tunable laser at the transition to larger distances κ z from the outlet opening, which are in the range of the distance x τ . Conversely, a tunable Lasers at the transition to smaller distances from the outlet opening of the nozzle, in particular at distances smaller than approximately 0.5 x τ , are replaced by a fixed frequency laser.

Der Abstand des Ionisationsbereichs von der Austrittsöffnung der Düse kann dabei beispielsweise durch ein Verschieben der Düse längs der Achse des Trägergasstrahls oder durch eine Verschiebung der Photonenquelle relativ zu der Düse eingestellt werden.The distance of the ionization area from the outlet opening of the nozzle can be adjusted, for example, by moving the nozzle along the axis of the carrier gas jet or by moving the photon source relative to the nozzle.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß der Trägergasstrahl mittels einer Düse erzeugt wird, deren Austrittsöffnung einen Durchmesser aufweist, welcher größer ist als die mittlere freie Weglänge der Teilchen des Trägergases im Bereich der Austrittsöffnung. Durch diese Maßnahme wird der Trägergasstrahl als Überschallstrahl mit einer vergleichsweise eng um die Richtung der Strahlachse konzentrierten Geschwindigkeitswinkelverteilung und mit einer vergleichsweise scharfen Temperaturverteilung ausgebildet.In a preferred embodiment of the method according to the invention it is provided that the carrier gas jet is generated by means of a nozzle, the outlet opening of which has a diameter which is greater than the mean free path length of the particles of the carrier gas in the region of the outlet opening. As a result of this measure, the carrier gas jet is designed as a supersonic jet with a speed angle distribution that is comparatively narrowly concentrated around the direction of the beam axis and with a comparatively sharp temperature distribution.

Im Gegensatz dazu stellt sich ein sogenannter effusiver Strahl ein, wenn die Austrittsöffnung der Düse einen Durchmesser aufweist, welcher kleiner ist als die mittlere freie Weglänge der Teilchen des Trägergases im Bereich der Austrittsöffnung.In contrast to this, a so-called effusive jet occurs when the outlet opening of the nozzle has a diameter which is smaller than the mean free path of the particles of the carrier gas in the region of the outlet opening.

Die Vorteile eines Überschallstrahls gegenüber einem effusiven Strahl sind die folgenden: Die Strahldichte des Überschallstrahls ist deutlich höher als die eines effusiven Strahls; zudem ist der Überschallstrahl aufgrund seiner engeren Geschwindigkeits-Winkelverteilung weniger stark divergent, so daß die Dichte des Trägergasstrahls mit wachsendem Abstand x von der Austrittsöffnung der Düse weniger stark abnimmt.The advantages of a supersonic jet over an effusive jet are the following: The radiance of the supersonic jet is significantly higher than that of an effusive jet; moreover, the supersonic jet is less strongly divergent due to its narrower velocity-angle distribution, so that the density of the carrier gas jet decreases less strongly with increasing distance x from the outlet opening of the nozzle.

Außerdem ist die Temperaturverteilung in einem Überschallstrahl wesentlich schmaler als in einem effusiven Strahl, so daß sich gewünschte Temperaturmittelwerte leichter einstellen lassen.In addition, the temperature distribution in a supersonic jet is much narrower than in an effusive jet, so that desired average temperature values can be set more easily.

Außerdem kann bei Erzeugung eines als Überschallstrahl ausgebildeten Trägergasstrahls ein Ventil zum Verschließen der Düse unmittelbar an der Austrittsöffnung der Düse angeordnet werden, so daß die Erzeugung scharf definierter Trägergasstrahl-Pulse mit steilen Flanken möglich ist.In addition, when generating a carrier gas jet designed as a supersonic jet, a valve for closing the nozzle can be arranged directly at the outlet opening of the nozzle, so that the generation of sharply defined carrier gas jet pulses with steep flanks is possible.

Im Gegensatz hierzu wird ein effusiver Strahl üblicherweise mittels einer Kapillare erzeugt, die zwischen einem Ventil zur Erzeugung des Trägergasstrahl-Pulses und der Austrittsöffnung angeordnet ist. Dies bringt den Nachteil mit sich, daß die aus der Austrittsöffnung austretenden Trägergasstrahl-Pulse gegenüber den von dem Ventil primär erzeugten Pulsen verbreitert sind, da die Trägergasteilchen unterschiedliche Laufzeiten für den Weg durch die Kapillare benötigen. Außerdem werden die Wände der Kapillare durch Trägergasteilchen und Probenmoleküle belegt, die bei späteren Nachweisvorgangen wieder abgegeben werden und als Störungen wirken können (sogenannter Memoryeffekt). Der Memoryeffekt führt zu einer Verschlechterung der erzielbaren zeitlichen Auflösung des Nachweisverfahrens und wirkt sich bei Verwendung einer Kapillare besonders stark aus, da die mit Probenmolekülen belegbare Wandoberfläche der Kapillare vergleichsweise groß im Verhältnis zum Innenvolumen der Kapillare ist.In contrast, an effusive jet is usually generated by means of a capillary, which is arranged between a valve for generating the carrier gas jet pulse and the outlet opening. This has the disadvantage that the carrier gas jet pulses emerging from the outlet opening are widened compared to the pulses primarily generated by the valve, since the carrier gas particles require different transit times for the path through the capillary. In addition, the walls of the capillary are covered by carrier gas particles and sample molecules, which are released again in later detection processes and can act as faults (so-called memory effect). The memory effect leads to a deterioration in the achievable temporal Dissolution of the detection method and has a particularly strong effect when using a capillary, since the wall surface of the capillary which can be covered with sample molecules is comparatively large in relation to the internal volume of the capillary.

Wenn mittels einer getakteten Düse ein gepulster Trägergasstrahl erzeugt wird, so bietet dies den Vorteil, daß eine Verschlechterung des Vakuums in der Ionisationskammer vermieden wird.If a pulsed carrier gas jet is generated by means of a pulsed nozzle, this offers the advantage that a deterioration in the vacuum in the ionization chamber is avoided.

Bei der erfindungsgemäß verwendeten axialen Anordnung des elektrischen Ziehfeldes und des Massenspektrometers relativ zu dem Trägergasstrahl ist es besonders wichtig, daß die erzeugten Trägergasstrahl-Pulse möglichst kurz sind, da bei dieser Anordnung der Trägergasstrahl nicht direkt auf den Ansaugstutzen einer Vakuumpumpe, die eine den Ionisationsbereich umfassende Vakuumkammer evakuiert, gerichtet werden kann und somit der größte Teil des Trägergasstrahls die Vakuumpumpe erst nach Kollisionen mit den Wänden der Vakuumkammer erreicht.With the axial arrangement of the electric pulling field and the mass spectrometer used according to the invention relative to the carrier gas jet, it is particularly important that the carrier gas jet pulses generated are as short as possible, since in this arrangement the carrier gas jet is not directly on the intake manifold of a vacuum pump which encompasses the ionization area Vacuum chamber can be evacuated, directed and thus the largest part of the carrier gas jet reaches the vacuum pump only after collisions with the walls of the vacuum chamber.

Vorzugsweise werden Trägergasstrahl-Pulse mit einer Dauer von weniger als ungefähr 20 μs verwendet.Carrier gas jet pulses with a duration of less than approximately 20 μs are preferably used.

Solch kurze Pulse lassen sich dadurch erzeugen, daß eine Düse mit einem Ventil verwendet wird, welches einen, vorzugsweise kugelförmigen, Ventilkörper aufweist, der zum Öffnen des Ventils durch ein Betätigungselement einer Betätigungsvorrichtung von einem Ventilsitz gestoßen wird und mittels der durch die Ventilöffnung hindurchgehenden Fluidströmung auf den Ventilsitz zurückbewegt wird. Durch die Trennung von Ventilkörper und Betätigungselement erreicht man, daß die Bewegung des Ventilkörpers nur durch dessen eigene (kleine) Massenträgheit bestimmt wird, so daß kurze Ventilschaltzeiten erzielbar sind. Außerdem weisen die so erzeugten Trägergasstrahl-Pulse sehr kurze Anstiegszeiten (im Bereich von wenigen μs ) auf.Such short pulses can be generated by using a nozzle with a valve which has a, preferably spherical, valve body which is pushed from a valve seat by an actuating element of an actuating device to open the valve and by means of the fluid flow passing through the valve opening the valve seat is moved back. By separating from Valve body and actuating element is achieved in that the movement of the valve body is determined only by its own (small) mass inertia, so that short valve switching times can be achieved. In addition, the carrier gas jet pulses generated in this way have very short rise times (in the range of a few μs).

Ein Ventil der vorstehend genannten Art ist in der deutschen Patentschrift 38 35 788 beschrieben, auf die im Hinblick auf den Aufbau und die Funktion eines solchen Ventils Bezug genommen wird und deren Inhalt hiermit zum Bestandteil der vorliegenden Beschreibung gemacht wird.A valve of the type mentioned above is described in German Patent 38 35 788, to which reference is made with regard to the structure and function of such a valve and the content of which is hereby made part of the present description.

Günstig ist es, wenn die Betätigungsvorrichtung zum Antreiben des Betätigungselements ein Piezoelement aufweist.It is favorable if the actuating device for driving the actuating element has a piezo element.

Alternativ zu dem vorstehend beschriebenen schnellschaltenden Ventil kann auch eine Düse mit einem Ventil verwendet werden, welches einen von einem bewegbaren Ventilkörper verschließbaren Ventilsitz aufweist, der mittels einer Betätigungsvorrichtung schneller von dem Ventilkörper wegbewegbar ist als der Ventilkörper zu folgen vermag. Auch mittels einer solchen Düse sind kurze Schaltzeiten und hohe Wiederhol- frequenzen bei langer Lebensdauer erzielbar.As an alternative to the quick-switching valve described above, it is also possible to use a nozzle with a valve which has a valve seat which can be closed by a movable valve body and which can be moved away from the valve body faster than the valve body can follow by means of an actuating device. Such a nozzle can also achieve short switching times and high repetition frequencies with a long service life.

Ein schnellschaltendes Ventil der vorstehend genannten Art ist in der deutschen Patentanmeldung 197 34 845.9 derselben Anmelderin beschrieben, auf die im Hinblick auf den Aufbau und die Funktion eines solchen Ventils Bezug genommen wird und deren Inhalt hiermit zum Bestandteil der vorliegenden Beschreibung gemacht wird. Da die Probenmolekülionen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren im wesentlichen längs der Achse des Trägergasstrahls in das Massenspektrometer gezogen werden, besteht die Möglichkeit, daß die von dem elektrischen Ziehfeld beschleunigten Probenmolekülionen mit den neutralen Trägergasteilchen und/oder den nichtionisierten Probenmolekülen unerwünschte Ionen-Molekül- Reaktionen eingehen.A fast-switching valve of the type mentioned above is described in German patent application 197 34 845.9 by the same applicant, to which reference is made with regard to the structure and function of such a valve and the content of which is hereby made part of the present description. Since the sample molecule ions are drawn into the mass spectrometer essentially along the axis of the carrier gas jet in the method according to the invention, there is the possibility that the sample molecule ions accelerated by the electrical pulling field enter into undesired ion-molecule reactions with the neutral carrier gas particles and / or the non-ionized sample molecules.

Die Wahrscheinlichkeit für solche unerwünschten Ionen- Molekül-Reaktionen kann, wenn eine gepulste Photonenquelle verwendet wird, wobei die Pulsdauer der Photonenquelle geringer ist als die Pulsdauer des Trägergasstrahls, dadurch verringert werden, daß die ansteigende Flanke des Photonenpulses im wesentlichen zeitgleich mit dem Beginn der stationären Phase des Trägergasstrahl-Pulses in dem Ionisationsbereich eintrifft. Unter der stationären Phase des Trägergasstrahl-Pulses ist dabei der zwischen der ansteigenden Flanke und der abfallenden Flanke des Trägergasstrahl- Pulses liegende Bereich zu verstehen, während dessen die Strahldichte des Trägergasstrahls im wesentlichen konstant ist.The likelihood of such undesirable ion-molecule reactions when a pulsed photon source is used, the pulse duration of the photon source being less than the pulse duration of the carrier gas jet, can be reduced in that the rising edge of the photon pulse is essentially at the same time as the start of the stationary one Phase of the carrier gas jet pulse arrives in the ionization region. The stationary phase of the carrier gas jet pulse is understood to mean the area lying between the rising flank and the falling flank of the carrier gas jet pulse, during which the beam density of the carrier gas jet is essentially constant.

Durch die vorstehend genannte Maßnahme wird erreicht, daß die erzeugten Probenmolekülionen von dem elektrischen Ziehfeld in einen vor der Front des Trägergasstrahl-Pulses liegenden Bereich beschleunigt werden, in dem sich keine oder nur wenige neutrale Teilchen befinden, mit denen die Probemolekülionen eine unerwünschte Ionen-Molekül-Reaktion eingehen könnten. Ein möglichst geringer Restgasdruck vor der Front des Trägergasstrahl-Pulses wird dadurch erreicht, daß eine möglichst kurze Pulsdauer für die Trägergasstrahl-Pulse verwendet wird (in der Größenordnung von 10 bis 20 μs). Um die Wirkung dieser Maßnahme zu verstärken, wird vorteilhafterweise eine hohe Ziehspannung zur Beschleunigung der Probenmolekülionen verwendet.The measure mentioned above ensures that the sample molecule ions generated are accelerated from the electric pulling field into a region lying in front of the front of the carrier gas jet pulse, in which there are no or only a few neutral particles with which the sample molecule ions are an undesired ion molecule Reaction could occur. The lowest possible residual gas pressure in front of the carrier gas jet pulse is achieved by using the shortest possible pulse duration for the carrier gas jet pulses (in the order of 10 to 20 μs). In order to enhance the effect of this measure, a high drawing tension is advantageously used to accelerate the sample molecule ions.

Zur Einhaltung der Fokussierungsbedingungen auch bei hoher Ziehspannung ist es von Vorteil, wenn das elektrische Ziehfeld so ausgebildet ist, daß es in einem den Ionisationsort umfassenden Bereich eine vergleichsweise kleine Feldstärke und in einem zwischen dem Ionisationsort und der Eingangsöffnung der Ionenextraktionsoptik des Massenspektrometers angeordneten Bereich eine höhere Feldstärke aufweist.To maintain the focusing conditions even at high pulling voltages, it is advantageous if the electric pulling field is designed in such a way that it has a comparatively small field strength in an area surrounding the ionization site and a higher one in an area arranged between the ionization site and the entrance opening of the ion extraction optics of the mass spectrometer Has field strength.

Bei der erfindungsgemäß verwendeten axialen Anordnung des Massenspektrometers relativ zu dem Trägergasstrahl ist der Trägergasstrahl direkt auf den Ioneneintritt des Massenspektrometers gerichtet. Das Eindringen neutraler Trägergasteilchen und nichtionisierter Probenmoleküle in das Massenspektrometer ist jedoch unerwünscht, da ein erhöhter Druck im Massenspektrometer für den Ionendetektor des Massenspektrometers schädlich ist. Vorteilhafterweise ist daher vorgesehen, daß die Probenmolekülionen durch eine Lochblende in das Massenspektrometer gezogen werden, welches vorzugsweise differentiell gepumpt wird.With the axial arrangement of the mass spectrometer used according to the invention relative to the carrier gas jet, the carrier gas jet is directed directly at the ion entry of the mass spectrometer. The penetration of neutral carrier gas particles and non-ionized sample molecules into the mass spectrometer is undesirable, however, since an increased pressure in the mass spectrometer is harmful to the ion detector of the mass spectrometer. It is therefore advantageously provided that the sample molecule ions are drawn through a pinhole in the mass spectrometer, which is preferably pumped differentially.

Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn eine Lochblende verwendet wird, deren Blendenöffnung einen Durchmesser von weniger als ungefähr 8 mm, vorzugsweise von ungefähr 5 mm, aufweist.It has proven to be particularly advantageous if a perforated diaphragm is used, the diaphragm opening of which has a diameter of less than approximately 8 mm, preferably approximately 5 mm.

Grundsätzlich kann ein beliebiges Massenspektrometer zur Analyse der Ionenmassen herangezogen werden. Vorteilhaft ist die Verwendung eines Flugzeitmassenspektro- meters, das mit der Pulsfolge der Photonenquelle synchronisiert ist.In principle, any mass spectrometer can be used to analyze the ion masses. It is advantageous to use a time-of-flight mass spectrometer that is synchronized with the pulse train of the photon source.

Besonders günstig ist es jedoch, wenn ein Reflektron als Massenspektrometer verwendet wird. Ein solches Reflektron ist ein Flugzeit-Massenspektrometer, bei dem die eintretenden Ionen zunächst einen feldfreien Bereich mit konstanter Geschwindigkeit durchqueren, darauf in einem Bremsfeld abgebremst werden, bis sich ihre Bewegungsrichtung umkehrt und die Ionen wieder beschleunigt werden, so daß sie das Bremsfeld mit ihrer ursprünglichen Geschwindigkeit, jedoch in umgekehrter Richtung verlassen, und die Ionen schließlich, nachdem sie wiederum den feldfreien Bereich mit konstanter Geschwindigkeit durchquert haben, von einem Ionendetektor erfaßt werden.However, it is particularly favorable if a reflectron is used as the mass spectrometer. Such a reflectron is a time-of-flight mass spectrometer, in which the incoming ions first cross a field-free area at constant speed, then are braked in a braking field until their direction of movement is reversed and the ions are accelerated again so that they return the braking field to its original one Speed, however, leave in the opposite direction, and finally the ions, after they have again crossed the field-free area at a constant speed, are detected by an ion detector.

Das Prinzip des Reflektrons bietet den Vorteil, daß Ionen mit gleicher Masse, jedoch bei Eintritt in das Reflektron unterschiedlicher Geschwindigkeit im wesentlichen dieselbe Flugzeit von einer Eintrittsöffnung des Massenspektrometers bis zu dem Ionendetektor benötigen. Solche Ionen, die eine höhere Eintrittsgeschwindigkeit aufweisen, benötigen zwar eine kürze Zeit zum Durchqueren der feldfreien Bereiche, verweilen dafür jedoch eine längere Zeit in dem Bremsfeld, da sie mit derselben Verzögerung wie die anfangs langsameren Ionen, aber von einer höheren Eintrittsgeschwindigkeit aus abgebremst werden.The principle of the reflectron offers the advantage that ions with the same mass, but when entering the reflectron at different speeds, require essentially the same flight time from an entry opening of the mass spectrometer to the ion detector. Such ions, which have a higher entry speed, need a shorter time to cross the field-free areas, but remain in the braking field for a longer time because they are decelerated with the same deceleration as the initially slower ions, but from a higher entry speed.

Bei geeigneter Abstimmung der in dem feldfreien Bereich zu durchquerenden Strecke auf die Stärke des Bremsfeldes läßt sich erreichen, daß die gesamte Flugzeit für einen Bereich der Eintrittsgeschwindigkeit der Ionen nur noch geringfügig von dieser Eintrittsgeschwindigkeit abhängt. Dadurch läßt sich eine hohe Massenauflösung auch dann erreichen, wenn die Probenmolekülionen unterschiedliche Energien aus dem Ziehfeld aufnehmen. Eine solche Kompensation unterschiedlicher Eintrittsgeschwindigkeiten der Probenmolekülionen ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein elektrisches Ziehfeld mit einer hohen Ziehspannung verwendet wird, um die erzeugten Probenmolekülionen möglichst rasch die neutralen Trägergasteilchen und nichtionisierten Probenmoleküle überholen zu lassen.With a suitable adjustment of the distance to be crossed in the field-free area to the strength of the braking field, it can be achieved that the total flight time for an area the entry speed of the ions depends only slightly on this entry speed. This enables a high mass resolution to be achieved even if the sample molecule ions absorb different energies from the drawing field. Such a compensation of different entry velocities of the sample molecule ions is particularly advantageous if an electric drawing field with a high drawing voltage is used in order to have the generated sample molecule ions overtake the neutral carrier gas particles and non-ionized sample molecules as quickly as possible.

Um zu verhindern, daß in das Reflektron eintretende neutrale Trägergasteilchen oder nichtionisierte Probenmoleküle mit den vom Bremsfeld des Reflektrons reflektierten Probenmolekül- ionen wechselwirken oder zu dem Ionendetektor des Reflektrons gelangen, ist vorteilhafterweise vorgesehen, daß parallel zu einer ionenoptischen Eintrittsachse in das Reflektron eintretende Probenmolekülionen so reflektiert werden, daß sie längs relativ zu der Eintrittsachse verkippter Ionenbahnen zu dem Ionendetektor zurücklaufen. Die Bahn eines Probenmolekülions im Reflektron weist hierbei also die Form eines V auf. Dadurch kann der Ionendetektor des Reflektrons im Abstand von der Eintrittsachse des Reflektrons angeordnet werden.In order to prevent neutral carrier gas particles or non-ionized sample molecules entering the reflectron from interacting with the sample molecule ions reflected from the braking field of the reflectron or from reaching the ion detector of the reflectron, it is advantageously provided that sample molecule ions entering the reflectron reflect in this way parallel to an ion-optical entry axis that they return longitudinally to the ion detector along tilted ion trajectories. The path of a sample molecule ion in the reflectron thus has the shape of a V. As a result, the ion detector of the reflectron can be arranged at a distance from the entry axis of the reflectron.

Eine besonders wirkungsvolle Abschirmung des Ionendetektors vor den neutralen Trägergasteilchen und den nichtionisierten Probenmolekülen wird erreicht, wenn parallel zu der Eintrittsachse in das Reflektron eintretende Teilchen einerseits und zu dem Ionendetektor zurücklaufende Probenmolekülionen andererseits mittels einer Trennwand voneinander getrennt werden. Diese Trennwand trennt somit die beiden Schenkel der V-förmigen Ionenbahn voneinander.A particularly effective shielding of the ion detector from the neutral carrier gas particles and the non-ionized sample molecules is achieved if, on the one hand, particles entering the reflectron parallel to the entry axis and sample molecule ions returning to the ion detector on the other hand, be separated from each other by means of a partition. This partition thus separates the two legs of the V-shaped ion path from one another.

Ferner liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Nachweis von Probenmolekülen in einem Trägergas der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß der Abstand des Ionisationsbereichs von der Austrittsöffnung der Düse beliebig einstellbar ist.Furthermore, the present invention is based on the object of improving an apparatus for detecting sample molecules in a carrier gas of the type mentioned at the outset in such a way that the distance of the ionization region from the outlet opening of the nozzle can be set as desired.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 18 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einrichtung zum Erzeugen des die Probenmolekülionen in das Massenspektrometer ziehenden elektrischen Ziehfeldes so ausgebildet ist, daß sie ein elektrisches Ziehfeld erzeugt, das die Probenmolekülionen im wesentlichen längs der Richtung der Achse des Trägergasstrahls in das Massenspektrometer zieht.This object is achieved according to the invention in a device with the features of the preamble of claim 18 in that the device for generating the electric pulling field pulling the sample molecule ions into the mass spectrometer is designed such that it generates an electric pulling field which essentially moves the sample molecule ions along the Direction of the axis of the carrier gas jet pulls into the mass spectrometer.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Ansprüche 19 bis 34, deren Vorteile bereits vorstehend im Zusammenhang mit den Gegenständen der Ansprüche 2 bis 17 erläutert wurden.Advantageous embodiments of the device according to the invention are the subject of claims 19 to 34, the advantages of which have already been explained above in connection with the subjects of claims 2 to 17.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen:Further features and advantages of the invention are the subject of the following description and the drawing of an exemplary embodiment. The drawing shows:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene perspektivischeFig. 1 is a partially sectioned perspective

Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Nachweis von Probenmolekülen in einem Trägergas;Representation of a device according to the invention for the detection of sample molecules in a carrier gas;

Fig. 2 einen schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Fig. 1 längs der Achse des Trägergasstrahls; undFIG. 2 shows a schematic longitudinal section through the device according to the invention from FIG. 1 along the axis of the carrier gas jet; and

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch ein fluidströmungsrückgestelltes Kugelventil der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus den Figuren 1 und 2.3 shows a schematic cross section through a fluid flow-reset ball valve of the device according to the invention from FIGS. 1 and 2.

Eine in den Figuren 1 und 2 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Vorrichtung zum Nachweis von Probenmolekülen in einem Trägergas umfaßt eine Vakuumkammer 102 in Form eines Rohrkreuzes. Dieses Rohrkreuz umfaßt ein erstes Rohr 104 mit einer beispielsweise vertikal ausgerichteten Achse 106 und ein zweites Rohr 108 mit einer zu der Achse 106 senkrecht ausgerichteten Achse 110, wobei sich die Achse 106 des ersten Rohrs 104 und die Achse 110 des zweiten Rohrs 108 in einem Punkt schneiden, so daß ein dem Innenraum beider Rohre 104 und 108 zugehörender zentraler Bereich 112 gebildet wird.A device for the detection of sample molecules in a carrier gas, shown in FIGS. 1 and 2 and designated as a whole by 100, comprises a vacuum chamber 102 in the form of a tube cross. This tube cross comprises a first tube 104 with, for example, a vertically oriented axis 106 and a second tube 108 with an axis 110 oriented perpendicular to the axis 106, the axis 106 of the first tube 104 and the axis 110 of the second tube 108 at one point cut so that a central region 112 belonging to the interior of both tubes 104 and 108 is formed.

Ein sich von dem zentralen Bereich 112 nach oben erstreckender oberer Abschnitt 114 des ersten Rohres 104 ist durch einen zu dem ersten Rohr 104 koaxialen zylindrischen Deckel 116, dessen Durchmesser den des ersten Rohres 104 übertrifft, verschlossen. Der Deckel 116 trägt auf seiner dem ersten Rohr 104 abgewandten Stirnseite beispielsweise vier zylindrische Führungsstangen 118, deren Achsen parallel zu der Achse 106 des ersten Rohres 104 ausgerichtet sind und die nahe des Umfangs des Deckels 116 in gleichem Abstand von der Achse 106 des ersten Rohres 104 und in einem Winkelabstand von jeweils 90° bezüglich dieser Achse angeordnet sind.An upper section 114 of the first tube 104, which extends upward from the central region 112, is closed by a cylindrical cover 116 which is coaxial with the first tube 104 and whose diameter exceeds that of the first tube 104. The cover 116 carries, for example, four cylindrical guide rods 118 on its end face facing away from the first tube 104, the axes of which are aligned parallel to the axis 106 of the first tube 104 and which are located near the circumference of the cover 116 at the same distance from the axis 106 of the first tube 104 and are arranged at an angular distance of 90 ° with respect to this axis.

Die Führungsstangen 118 durchgreifen jeweils ein einen zylindrischen Abschlußdeckel 120, der koaxial zu der Achse 106 angeordnet ist, parallel zu dessen Achse durchsetzendes Führungsloch. Dadurch kann der Abschlußdeckel 120 an den Führungsstangen 118 aufwärts oder abwärts gleiten. Durch an dem Abschlußdeckel 120 vorgesehene Klemmelemente 122 ist der Abschlußdeckel 120 in seiner vertikalen Lage relativ zu den Führungsstangen 118 fixierbar. Durch die Führung des Abschlußdeckels 120 an den Führungsstangen 118 ist gewährleistet, daß die Achse des Abschlußdeckels 120 stets mit der Achse 106 des ersten Rohres 104 zusammenfällt.The guide rods 118 each pass through a guide hole passing through a cylindrical cover 120, which is arranged coaxially to the axis 106, parallel to the axis thereof. This allows the end cap 120 to slide up or down on the guide rods 118. By means of clamping elements 122 provided on the end cover 120, the end cover 120 can be fixed in its vertical position relative to the guide rods 118. By guiding the end cover 120 on the guide rods 118 it is ensured that the axis of the end cover 120 always coincides with the axis 106 of the first tube 104.

Ein zu dem ersten Rohr 104 koaxialer hohlzylindrischer Balg 124 ist mit einem offenen oberen Ende gasdicht an einer Unterseite des Abschlußdeckels 120 und mit einem offenen unteren Ende gasdicht an der Oberseite des Deckels 116 festgelegt. Die Wand des Balges 124 besteht zumindest teilweise aus elastischem, in Falten gelegtem Material, so daß durch Auseinanderziehen oder Zusammendrücken der Falten die Höhe des Balges 124 in Abhängigkeit von der Lage des Abschlußdeckels 120 veränderbar ist. Ferner verschließt der Abschlußdeckel 120 ein oberes Ende eines zu demselben koaxialen und einen kleineren Durchmesser als dieser aufweisenden Halterohres 126, welches sich von einer Unterseite des Abschlußdeckels 120 nach unten durch den Balg 124, eine Durchgangsöffnung in dem Deckel 116 und durch den oberen Abschnitt 114 des ersten Rohres 104 erstreckt und in den zentralen Bereich 112 nahe dessen oberen Randes mündet.A hollow cylindrical bellows 124 coaxial with the first tube 104 is fixed gas-tight to an underside of the end cover 120 with an open upper end and gas-tight to the top of the cover 116 with an open lower end. The wall of the bellows 124 consists at least partially of elastic, pleated material, so that the height of the bellows 124 can be changed as a function of the position of the end cover 120 by pulling apart or compressing the folds. Furthermore, the end cover 120 closes an upper end of a holding tube 126 which is coaxial and has a smaller diameter than the latter, and which extends from a lower side of the end cover 120 downward through the bellows 124, a through opening in the cover 116 and through the upper section 114 of the end extends first tube 104 and opens into the central region 112 near its upper edge.

An seinem unteren Ende hält das Halterohr 126 eine im Inneren desselben angeordnete Ventildüse 128. Eine einen Boden der Ventildüse 128 bildende Austrittsplatte 130 schließt mit dem unteren Ende des Halterohres 126 bündig ab und verschließt dieses.At its lower end, the holding tube 126 holds a valve nozzle 128 arranged in the interior thereof. An outlet plate 130 which forms a bottom of the valve nozzle 128 is flush with the lower end of the holding tube 126 and closes it.

Ferner weist die Austrittsplatte 130 eine mittige Austrittsöffnung 132 der Ventildüse 128 mit einem Durchmesser von beispielsweise 0,5 mm auf.Furthermore, the outlet plate 130 has a central outlet opening 132 of the valve nozzle 128 with a diameter of, for example, 0.5 mm.

Die Ventildüse 128 ist mit einem schnell schaltenden Kugelventil mit einem fluidströmungsrückgestellten Ventilkörper versehen, wie es in der deutschen Patentschrift 38 35 788 beschrieben ist, auf welche hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.The valve nozzle 128 is provided with a fast-switching ball valve with a fluid flow-resetting valve body, as described in German Patent 38 35 788, to which reference is hereby expressly made.

Der prinzipielle Aufbau und die Funktionsweise dieses schnell schaltenden Kugelventils werden nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert.The basic structure and the mode of operation of this fast-switching ball valve are explained below with reference to FIG. 3.

Der innenliegende, obere Rand der Austrittsöffnung 132 der Ventildüse 128 bildet einen Ventilsitz 134 für einen kugelförmigen Ventilkörper 136, der sich im Schließzustand der Ventildüse 128 gegen den Ventilsitz 134 setzt und damit die Austrittsöffnung 132 gasdicht verschließt.The inner, upper edge of the outlet opening 132 of the valve nozzle 128 forms a valve seat 134 for a spherical valve body 136, which is in the closed state the valve nozzle 128 sets against the valve seat 134 and thus closes the outlet opening 132 in a gas-tight manner.

Der Ventilkörper 136 ist in einer Ventilkörperkammer 138 angeordnet, die mittels einer Trennwand 140 mit Durchströmkanälen 142 von dem Innenraum 144 einer innerhalb des Halterohres 126 angeordneten Düsenvorkammer 145 getrennt ist. Die Trennwand 140 dient dazu, eine Bewegung des Ventilkörpers 136 vom Ventilsitz 134 weg auf den Bereich der Ventilkörperkammer 138 zu beschränken.The valve body 136 is arranged in a valve body chamber 138, which is separated by a partition 140 with flow channels 142 from the interior 144 of a nozzle prechamber 145 arranged within the holding tube 126. The partition 140 serves to restrict movement of the valve body 136 away from the valve seat 134 to the area of the valve body chamber 138.

Im Schließzustand wird der Ventilkörper 136 durch die Druckdifferenz zwischen dem Innenraum 144 der Düsenvorkammer 145, die mit den nachzuweisenden Probenmolekülen beladenes Trägergas enthält, und dem evakuierten Bereich 112 gegen den Ventilsitz 134 gepreßt.In the closed state, the valve body 136 is pressed against the valve seat 134 by the pressure difference between the interior 144 of the nozzle prechamber 145, which contains carrier gas loaded with the sample molecules to be detected, and the evacuated area 112.

Zum Öffnen der Ventildüse 128 wird der kugelförmige Ventilkörper 136 durch einen Betätigungsbolzen 146, der mittels einer rein schematisch dargestellten Bewegungseinrichtung 148 parallel zur Abschlußplatte 130 zu der Austrittsöffnung 132 hin und von derselben weg bewegbar ist, vom Ventilsitz 134 gestoßen. Der Stoß des Betätigungsbolzens 146 erfolgt dabei so, daß der kugelförmige Ventilkörper 136 exakt an seinem Äquator angestoßen wird.To open the valve nozzle 128, the spherical valve body 136 is pushed from the valve seat 134 by an actuating bolt 146, which can be moved parallel to the end plate 130 toward and away from the outlet opening 132 by means of a purely schematically illustrated movement device 148. The actuating bolt 146 is butted in such a way that the spherical valve body 136 is precisely abutted against its equator.

Wenn der kugelförmige Ventilkörper 136 vom Ventilsitz 134 abgehoben worden ist, wird er durch die Gasströmung, welche durch die Durchströmkanäle 142, durch die Ventilkörperkammer 138 und durch die Austrittsöffnung 132 fließt, erfaßt und zum Ventilsitz 134 zurückgetrieben, so daß die Ventildüse 128 selbsttätig wieder geschlossen wird. Für den kugelförmigen Ventilkörper 136 und den Ventilsitz 134 wird vorzugsweise ein hochfester und abriebfester Werkstoff verwendet, insbesondere Saphir oder ein Hartmetall. Auch der Betätigungsbolzen 146 oder zumindest dessen vorderer, stoßender Teil besteht vorzugsweise aus einem solchen Material.When the spherical valve body 136 has been lifted off the valve seat 134, it is detected by the gas flow which flows through the flow channels 142, through the valve body chamber 138 and through the outlet opening 132 and driven back to the valve seat 134, so that the valve nozzle 128 automatically closes again becomes. A high-strength and abrasion-resistant material, in particular sapphire or a hard metal, is preferably used for the spherical valve body 136 and the valve seat 134. The actuating pin 146 or at least its front, butting part preferably also consists of such a material.

Die Öffnungszeit des Ventils hängt von der Druckdifferenz zwischen dem Innenraum 144 der Düsenvorkammer 145 und dem zentralen Bereich 112, von der Masse des kugelförmigen Ventilkörpers 136 und von dem Durchmesser der Austrittsöffnung 132 ab. Die Verwendung eines Ventilkörpers 136 mit einer geringen Masse ermöglicht die Realisierung kurzer Öffnungszeiten.The opening time of the valve depends on the pressure difference between the interior 144 of the nozzle prechamber 145 and the central region 112, on the mass of the spherical valve body 136 and on the diameter of the outlet opening 132. The use of a valve body 136 with a small mass enables short opening times to be realized.

Um den Betätigungsbolzen 146 zu dem Ventilkörper 136 hin zu beschleunigen, kann die Bewegungseinrichtung 148 beispielsweise einen Elektromagneten oder ein piezoelektrisches Antriebselement umfassen. Zum Zurückbewegen des Betätigungs- bolzens 146 nach dem Stoß mit dem Ventilkörper 136 kann die Bewegungseinrichtung 148 beispielsweise eine auf den Betätigungsbolzen 146 wirkende Rückstellfeder umfassen.In order to accelerate the actuating pin 146 towards the valve body 136, the movement device 148 can comprise, for example, an electromagnet or a piezoelectric drive element. To move the actuating pin 146 back after the impact with the valve body 136, the movement device 148 can comprise, for example, a return spring acting on the actuating pin 146.

Der Betätigungsbolzen 146 und die Bewegungseinrichtung 148 bilden zusammen eine Betätigungsvorrichtung des schnell schaltenden Kugelventils.The actuating bolt 146 and the movement device 148 together form an actuating device of the fast-switching ball valve.

Die Bewegungseinrichtung 148 ist mittels (nicht dargestellter) Steuerleitungen mit einem (nicht dargestellten) Steuergerät verbunden, welches die Bewegungseinrichtung 148 in einem einstellbaren Takt betätigen und damit die Ventildüse 128 in diesem einstellbaren Takt öffnen kann. Über eine rohrförmige, zu dem Halterohr 126 koaxiale Zuführleitung 150 ist die Düsenvorkammer 145 der Ventildüse 128 mit einem (nicht dargestellten) Trägergasreservoir verbunden.The movement device 148 is connected by means of control lines (not shown) to a control device (not shown) which actuates the movement device 148 in an adjustable cycle and thus can open the valve nozzle 128 in this adjustable cycle. The nozzle prechamber 145 of the valve nozzle 128 is connected to a carrier gas reservoir (not shown) via a tubular feed line 150 coaxial to the holding tube 126.

Ein sich von dem zentralen Bereich 112 (in der Darstellung der Fig. 2) nach rechts erstreckender rechter Abschnitt 152 des zweiten Rohres 108 ist an einem rechten Ende 154 an einen Ansaugstutzen einer ersten Vakuumpumpe 156 angeschlossen.A right section 152 of the second pipe 108, which extends to the right from the central region 112 (in the illustration in FIG. 2), is connected at a right end 154 to an intake port of a first vacuum pump 156.

Ein sich von dem zentralen Bereich 112 der Vakuumkammer 102 (in der Darstellung der Fig. 2) nach links erstreckender linker Abschnitt 158 des zweiten Rohres 108 ist an seinem linken Ende durch einen zylindrischen Deckel 160 verschlossen.A left section 158 of the second tube 108, which extends to the left from the central region 112 of the vacuum chamber 102 (in the illustration in FIG. 2), is closed at its left end by a cylindrical cover 160.

Ein sich von dem zentralen Bereich 112 der Vakuumkammer 102 nach unten erstreckender unterer Abschnitt 162 des ersten Rohres 104 wird an seinem unteren Ende von einer Stirnwand 164 eines an das erste Rohr 104 angeflanschten Reflektron- Massenspektrometers (Reflektron) 166 verschlossen.A lower section 162 of the first tube 104, which extends downward from the central region 112 of the vacuum chamber 102, is closed at its lower end by an end wall 164 of a reflectron mass spectrometer (reflectron) 166 flanged to the first tube 104.

Das Reflektron 166 umfaßt ein zu dem ersten Rohr 104 koaxiales und denselben Durchmesser wie dieses aufweisendes Vakuumrohr 168, das an einem der Stirnwand 164 abgewandten Ende an einen Ansaugstutzen einer zweiten Vakuumpumpe 170 angeschlossen ist.The reflectron 166 comprises a vacuum tube 168 which is coaxial with the first tube 104 and has the same diameter as the latter, and which is connected at an end remote from the end wall 164 to an intake port of a second vacuum pump 170.

In der der zweiten Vakuumpumpe 170 zugewandten Hälfte des Vakuumrohres 168 ist eine Vielzahl ringförmiger Bremselektroden 172 angeordnet, die konzentrisch zu einer gemeinsamen Elektrodenachse 174 ausgerichtet sind, welche um einen Winkel α gegenüber der gemeinsamen Achse 106 des ersten Rohres 104 und des Vakuumrohres 168 verkippt ist. Die der Vakuumkammer 102 zugewandte Stirnwand 164 des Reflektrons 166 trägt eine zu der Achse 106 des ersten Rohres 104 koaxiale rüsselförmige Ziehelektrode 176.In the half of the vacuum tube 168 facing the second vacuum pump 170, a plurality of ring-shaped brake electrodes 172 are arranged, which are aligned concentrically to a common electrode axis 174, which is tilted by an angle α relative to the common axis 106 of the first tube 104 and the vacuum tube 168. The end wall 164 of the reflectron 166 facing the vacuum chamber 102 bears a proboscis-shaped pulling electrode 176 coaxial with the axis 106 of the first tube 104.

Die Ziehelektrode 176 umfaßt einen im wesentlichen hohl- zylindrischen Abschnitt 178, der an einer Mündungsöffnung 180 in den Innenraum 182 des Vakuumrohres 168 des Reflektrons 166 mündet.The drawing electrode 176 comprises an essentially hollow cylindrical section 178, which opens at an opening 180 into the interior 182 of the vacuum tube 168 of the reflector 166.

Das der Mündungsöffnung 180 abgewandte Ende des hohl- zylindrischen Abschnittes 178 ist durch eine zu diesem koaxiale kegelstumpfförmige Spitze 184 der Ziehelektrode 176 verschlossen, die eine mittige Eintrittsöffnung 186 für den Durchtritt eines Ionenstrahls aufweist, deren Durchmesser dem Durchmesser der dem hohlzylindrischen Abschnitt 178 abgewandten Stirnfläche der kegelstumpfförmigen Spitze 184 entspricht.The end of the hollow cylindrical section 178 facing away from the mouth opening 180 is closed by a cone-shaped tip 184 of the drawing electrode 176 which is coaxial with it and has a central entry opening 186 for the passage of an ion beam, the diameter of which corresponds to the diameter of the end face of the hollow cylindrical section 178 frustoconical tip 184 corresponds.

Innerhalb des hohlzylindrischen Abschnitts 178 der Ziehelektrode 176 ist eine zu diesem koaxiale Lochblende 188 mit einer mittigen, kreisförmigen Blendenöffnung 190 angeordnet.A perforated diaphragm 188 with a central, circular diaphragm opening 190 is arranged inside the hollow cylindrical section 178 of the drawing electrode 176.

Ferner ist in der Ziehelektrode 176 eine (nicht dargestellte) Ionenoptik angeordnet, die so ausgebildet ist, daß sie einen längs der Achse 106 in die Ziehelektrode 176 einfallenden Ionenstrahl auf einen Brennpunkt 192 im Mittelpunkt der kreisförmigen Blendenöffnung 190 fokussiert.Furthermore, an ion optics (not shown) is arranged in the pulling electrode 176, which is designed such that it focuses an ion beam incident along the axis 106 into the pulling electrode 176 onto a focal point 192 in the center of the circular aperture 190.

Im Innenraum 182 des Vakuumrohrs 168 des Reflektrons 166 ist nahe der Stirnwand 164 und außerhalb der Achse 106 des Vakuumrohrs 168 ein Ionendetektor 194 angeordnet. Zwischen der Mündungsöffnung 180 und dem Ionendetektor 194 erstreckt sich eine Trennwand 196 im wesentlichen längs der Richtung der Elektrodenachse 174 durch den Innenraum 182 des Vakuumrohrs 168. Diese Trennwand 196 unterteilt den Innenraum 182 in einen an die Mündungsöffnung 180 grenzenden Eintrittsbereich 182a und einen den Ionendetektor 194 umfassenden Detektionsbereich 182b.An ion detector 194 is arranged in the interior 182 of the vacuum tube 168 of the reflectron 166 near the end wall 164 and outside the axis 106 of the vacuum tube 168. Between the opening 180 and the ion detector 194, a partition 196 extends essentially along the direction of the electrode axis 174 through the interior 182 of the vacuum tube 168. This partition 196 divides the interior 182 into an entrance area 182a bordering the opening 180 and an ion detector 194 comprehensive detection area 182b.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, verläuft senkrecht zu der Achse 106 des ersten Rohrs 104 und senkrecht zu der Achse 110 des zweiten Rohrs 108 eine Achse 198, welche die optische Achse eines gepulsten Lasers 200 bildet, der außerhalb der Vakuumkammer 102 angeordnet ist und dessen Laserstrahl 202 ein Fenster 204 in einer Wand der Vakuumkammer 102 durchsetzt, durch den gemeinsamen Schnittpunkt 206 der Achsen 106, 110 und 198 verläuft und durch ein dem ersten Fenster 204 gegenüberliegendes zweites Fenster 208 wieder aus der Vakuumkammer 102 austritt.As can be seen from FIG. 1, an axis 198 runs perpendicular to the axis 106 of the first tube 104 and perpendicular to the axis 110 of the second tube 108, which axis forms the optical axis of a pulsed laser 200 which is arranged outside the vacuum chamber 102 and whose laser beam 202 passes through a window 204 in a wall of the vacuum chamber 102, passes through the common intersection 206 of the axes 106, 110 and 198 and exits the vacuum chamber 102 again through a second window 208 opposite the first window 204.

Der gepulste Laser 200 ist über das (nicht dargestellte) Steuergerät der Ventildüse 128 Steuer- und mit der Ventildüse 128 synchronisierbar.The pulsed laser 200 can be controlled via the control device (not shown) of the valve nozzle 128 and can be synchronized with the valve nozzle 128.

Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Nachweis von Probenmolekülen in einem Trägergas wird das erfindungsgemäße Verfahren wie folgt durchgeführt:Using the device according to the invention for the detection of sample molecules in a carrier gas, the method according to the invention is carried out as follows:

Zunächst werden die Vakuumkammer 102 mittels der ersten Vakuumpumpe 156 und das Vakuumrohr 168 mittels der zweiten Vakuumpumpe 170 bis auf einen Druck von typischerweise jeweils 10"4 Pa evakuiert. In dem (nicht dargestellten) Trägergasreservoir wird ein mit den nachzuweisenden Probenmolekülen beladenes Trägergas bereitgestellt. Das Trägergas füllt daraufhin die rohrförmige Zuführleitung 150 und die Düsenvorkammer 145.First, the vacuum chamber 102 by means of the first vacuum pump 156 and the vacuum pipe 168 to be evacuated by the second vacuum pump 170 to a pressure of typically each 10 "4 Pa. A carrier gas loaded with the sample molecules to be detected is provided in the carrier gas reservoir (not shown). The carrier gas then fills the tubular feed line 150 and the nozzle prechamber 145.

Nun wird von dem (nicht dargestellten) Steuergerät die Bewegungseinrichtung 148 der Ventildüse 128 betätigt, um den Betätigungsbolzen 146 auf den Ventilkörper 136 zu zu beschleunigen und den Ventilkörper 136 von dem Ventilsitz 134 zu stoßen. Daraufhin strömt das unter dem Druck P0 (beispielsweise 1,013 • 105 Pa (1 atm)) in der Düsenkammer 145 stehende Trägergas durch die Austrittsöffnung 132 der Ventildüse 128 mit dem Durchmesser D (beispielsweise 0,5 mm) in die Vakuumkammer 102 aus, wodurch in der Vakuumkammer 102 ein sich kegelförmig erweiternder, zu der Achse 106 des ersten Rohres 104 koaxialer Trägergasstrahl 210 erzeugt wird.The movement device 148 of the valve nozzle 128 is now actuated by the control device (not shown) in order to accelerate the actuating bolt 146 towards the valve body 136 and to push the valve body 136 away from the valve seat 134. The carrier gas under pressure P 0 (for example 1.013 · 10 5 Pa (1 atm)) in the nozzle chamber 145 then flows through the outlet opening 132 of the valve nozzle 128 with the diameter D (for example 0.5 mm) into the vacuum chamber 102, whereby in the vacuum chamber 102 a conically widening carrier gas jet 210 is generated, coaxial with the axis 106 of the first tube 104.

Die Betriebsbedingungen, insbesondere der Druck P0 und die Temperatur T des Trägergases vor der Ventildüse 128 und der Durchmesser D der Austrittsöffnung 132 der Ventildüse 128 werden dabei so gewählt, daß die mittlere freie Weglänge λ der Trägergasteilchen deutlich kleiner ist als der Durchmesser D der Austrittsöffnung 132. Daher treten die Trägergasteilchen beim Durchtritt durch die Ventildüse 128 durch Stöße miteinander in Wechselwirkung, was zur Folge hat, daß sich der Trägergasstrahl 210 als Überschallstrahl mit einer vergleichsweise eng um die Richtung der Strahlachse 106 konzentrierten Geschwindigkeits-Winkelverteilung und einer vergleichsweise scharfen Temperaturverteilung ausbildet.The operating conditions, in particular the pressure P 0 and the temperature T of the carrier gas in front of the valve nozzle 128 and the diameter D of the outlet opening 132 of the valve nozzle 128 are chosen so that the mean free path length λ of the carrier gas particles is significantly smaller than the diameter D of the outlet opening 132. As a result, the carrier gas particles interact with one another as they pass through the valve nozzle 128, with the result that the carrier gas jet 210 is formed as a supersonic jet with a speed-angle distribution that is comparatively closely concentrated around the direction of the jet axis 106 and a comparatively sharp temperature distribution .

Würden die Betriebsbedingungen hingegen so gewählt, daß die mittlere freie Weglänge λ der Trägergasteilchen größer ist als der Durchmesser D der Austrittsöffnung 132, so würde sich der Trägergasstrahl 210 als effusiver Strahl ausbilden. Ein solcher effusiver Strahl wäre aufgrund seiner breiten Geschwindigkeits-Winkelverteilung stark divergent, was schon bei kleinen Abständen x von der Austrittsöffnung 132 der Ventildüse 128 zu geringen Strahldichten führen würde. Außerdem ist die Temperaturverteilung in einem effusiven Strahl sehr breit. Die Ausbildung des Trägergasstrahls 210 als Überschallstrahl wird daher bevorzugt.If, on the other hand, the operating conditions were chosen such that the mean free path length λ of the carrier gas particles is greater than the diameter D of the outlet opening 132, then the carrier gas jet 210 is formed as an effective jet. Such an effective jet would be very divergent due to its wide angular velocity distribution, which would lead to low jet densities even at small distances x from the outlet opening 132 of the valve nozzle 128. In addition, the temperature distribution in an effective jet is very wide. The formation of the carrier gas jet 210 as a supersonic jet is therefore preferred.

Der zunächst als Überschallstrahl ausgebildete Trägergasstrahl 210 umfaßt ein Kontinuumsgebiet, das sich von der Austrittsöffnung 132 bis zu einem Abstand xτ von der Austrittsöffnung 132 erstreckt, sowie ein sich an das Kontinuumsgebiet zu größeren Abständen x von der Austritts- Öffnung 132 hin anschließendes Molekularstrahlgebiet.The carrier gas jet 210, which is initially designed as a supersonic jet, comprises a continuum region which extends from the outlet opening 132 to a distance x τ from the outlet opening 132, and a molecular beam region which adjoins the continuum region at larger distances x from the outlet opening 132.

Das Kontinuumsgebiet ist dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb dieses Gebietes die Temperatur des Trägergasstrahles und damit der Probenmoleküle mit wachsendem Abstand x abnimmt. Ab dem Abstand xτ ist die minimale Temperatur sowohl der Trägergasteilchen als auch der Probenmoleküle erreicht. In dem sich anschließenden Molekularstrahlgebiet bleibt die Temperatur der Trägergasteilchen und der Probenmoleküle konstant.The continuum area is characterized in that the temperature of the carrier gas jet and thus of the sample molecules decreases with increasing distance x within this area. From the distance x τ , the minimum temperature of both the carrier gas particles and the sample molecules is reached. The temperature of the carrier gas particles and the sample molecules remains constant in the subsequent molecular beam region.

Wird eine möglichst hohe Selektivität des Verfahrens zum Nachweis der Probenmoleküle gewünscht, so werden die Probenmoleküle vorteilhafterweise im Abstand xτ von der Austrittsöffnung 132 ionisiert, da sich bei der dort erreichten tiefsten Temperatur im wesentlichen alle Probenmoleküle im energetischen Grundzustand befinden und somit alle Probenmoleküle durch Absorption eines oder mehrerer Photonen mit scharf definierter Energie in einen angeregten Zustand überführt werden können. Hierzu ist allerdings erforderlich, daß als Laser 200 ein durchstimmbarer Laser, beispielsweise ein Farbstofflaser, verwendet wird, damit Photonen der erforderlichen, scharf definierten Energie zur Verfügung gestellt werden können.If the highest possible selectivity of the method for the detection of the sample molecules is desired, the sample molecules are advantageously ionized at a distance x τ from the outlet opening 132, since at the lowest temperature reached there essentially all of the sample molecules are in the energetic ground state and thus all of the sample molecules are absorbed one or more photons with sharply defined energy can be converted into an excited state. However, this requires that a tunable laser, for example a dye laser, is used as laser 200 so that photons of the required, sharply defined energy can be made available.

Spielt jedoch die Selektivität nicht die ausschlaggebende Rolle, weil beispielsweise lediglich Stoffgruppen voneinander getrennt aufgelöst werden sollen, zum Beispiel Aromaten und Aliphaten, so werden die Probenmoleküle vorteilhafterweise in einem Abstand Xj von der Austrittsöffnung 132 ionisiert, der kleiner ist als der Abstand xτ. Bei einem gegenüber dem Abstand xz reduzierten Ionisationsabstand liegt die mittlere Temperatur der Probenmoleküle oberhalb der minimalen Temperatur, so daß neben dem Grundzustand auch energetisch höher liegende Zustände der Probenmoleküle mit nicht vernachlässigbarer Wahrscheinlichkeit besetzt sind. Es steht somit ein breiteres Spektrum von zur Anregung der Probenmoleküle verwendbaren Energien zur Verfügung, so daß eine Photonenquelle mit einem vergleichsweise breiten Wellenlängenspektrum benutzt werden kann.However, if the selectivity does not play a decisive role because, for example, only groups of substances are to be dissolved separately, for example aromatics and aliphatics, the sample molecules are advantageously ionized at a distance Xj from the outlet opening 132 that is smaller than the distance x τ . With an ionization distance that is reduced compared to the distance x z , the mean temperature of the sample molecules is above the minimum temperature, so that in addition to the ground state, higher energetic states of the sample molecules are occupied with a non-negligible probability. A broader spectrum of energies that can be used to excite the sample molecules is thus available, so that a photon source with a comparatively broad wavelength spectrum can be used.

Es ist daher möglich, als gepulsten Laser 200 statt eines aufwendigen durchstimmbaren Lasers einen weniger aufwendigen, kleineren und deutlich preiswerteren Festfrequenzlaser, insbesondere einen Feststofflaser, zu verwenden.It is therefore possible to use a less complex, smaller and significantly cheaper fixed-frequency laser, in particular a solid-state laser, as the pulsed laser 200 instead of a complex tunable laser.

Soll also als Laser 200 ein Festfrequenzlaser zum Einsatz kommen, so wird der Abstand κτ des Schnittpunkts 206 von der Austrittsöffnung 132 kleiner als ungefähr xτ, insbesondere kleiner als ungefähr 0,8 xτ, vorzugsweise kleiner als ungefähr 0,5 xτ gewählt. Wird hingegen eine maximale Selektivität und Empfindlichkeit des Nachweisverfahrens benötigt, so wird als Laser 200 ein durchstimmbarer Laser verwendet und der lonisationsabstand xx zwischen ungefähr 0,5 xτ und ungefähr 1,0 xτ, insbesondere zwischen 0,8 xτ und 1,0 xτ, vorzugsweise zwischen ungefähr 0,9 xτ und 1,0 xτ gewählt.If a fixed frequency laser is to be used as the laser 200, the distance κ τ of the intersection point 206 from the outlet opening 132 is chosen to be less than approximately x τ , in particular less than approximately 0.8 x τ , preferably less than approximately 0.5 x τ . If, on the other hand, maximum selectivity and sensitivity of the detection method is required, a tunable laser is used as laser 200 and the ionization distance x x is between approximately 0.5 x τ and approximately 1.0 x τ , in particular between 0.8 x τ and 1, 0 x τ , preferably chosen between approximately 0.9 x τ and 1.0 x τ .

Dazu werden die Abschlußplatte 130 und damit das Halterohr 126 und die Ventildüse 128 in vertikaler Richtung verschoben, bis der Schnittpunkt 206 den gewünschten lonisationsabstand xx von der Austrittsöffnung 132 der Ventildüse 128 aufweist.For this purpose, the end plate 130 and thus the holding tube 126 and the valve nozzle 128 are displaced in the vertical direction until the intersection 206 has the desired ionization distance x x from the outlet opening 132 of the valve nozzle 128.

Der Abstand xτ kann entweder durch Verschieben der Ventildüse 128 und Beobachtung der Änderungen des vom Reflektron 166 erzeugten Ionensignals experimentell ermittelt oder mittels der folgenden theoretischen gasdynamischen Überlegungen abgeschätzt werden:The distance x τ can either be determined experimentally by moving the valve nozzle 128 and observing the changes in the ion signal generated by the reflectron 166, or can be estimated using the following theoretical gas-dynamic considerations:

Die bei der Expansion durch die Ventildüse 128 maximal erreichbare terminale Machzahl Mτ hängt nach Anderson und Fenn für einatomige Gase wie Argon wie folgt von dem Düsendurchmesser D (in cm) und dem Druck aus P0 über der Düse (in atm) ab (s. beispielsweise S.R. Goates und C.H. Lin, Applied Spectroscopy Reviews 25 (1989), Seiten 81 bis 126):The maximum achievable terminal Mach number M τ during expansion through the valve nozzle 128 depends, according to Anderson and Fenn, for single-atom gases such as argon as follows on the nozzle diameter D (in cm) and the pressure from P 0 above the nozzle (in atm) (see For example, SR Goates and CH Lin, Applied Spectroscopy Reviews 25 (1989), pages 81 to 126):

Mτ = 133 (P0D)0'4. (I)M τ = 133 (P 0 D) 0 ' 4 . (I)

Die Machzahl M ist das Verhältnis von örtlicher Strömungsgeschwindigkeit zu örtlicher Schallgeschwindigkeit. Sie ist mit dem Abstand x von der Austrittsöffnung 132 der Ventildüse 128 über die BeziehungThe Mach number M is the ratio of local flow velocity to local sound velocity. It is with the distance x from the outlet opening 132 of the valve nozzle 128 via the relationship

Figure imgf000031_0001
mit dem Adiabatenexponenten γ = 5/3 und dem Proportionalitätsfaktor A = 3,26 für den Fall einatomiger Trägergase, wie beispielsweise Argon oder Helium, verknüpft.
Figure imgf000031_0001
with the adiabatic exponent γ = 5/3 and the proportionality factor A = 3.26 for the case of monatomic carrier gases, such as argon or helium.

Der Abstand xτ, bei dem die terminale Machzahl Mτ erreicht wird, entspricht dem Abstand, ab dem keine weitere Abkühlung mehr eintritt. Er wird erhalten, indem in Gleichung (II) die Machzahl M durch die terminale Machzahl Mτ ersetzt und Mτ durch die rechte Seite der Gleichung ( I ) substituiert wird. Man findet so die Beziehung:The distance x τ at which the terminal Mach number M τ is reached corresponds to the distance from which no further cooling occurs. It is obtained by replacing the Mach number M with the terminal Mach number M τ in equation (II) and substituting M τ with the right-hand side of the equation (I). You can find the relationship like this:

Figure imgf000032_0001
Figure imgf000032_0001

wobei P0 in atm und D in cm anzugeben sind und sich xτ in cm ergibt.where P 0 must be given in atm and D in cm and x τ results in cm.

Durch die axiale Anordnung des Reflektrons 166 bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zum Nachweis von Probenmolekülen in einem Trägergas sind beliebige Ionisations- abstände κz realisierbar.Due to the axial arrangement of the reflectron 166 in the device 100 according to the invention for the detection of sample molecules in a carrier gas, any ionization distances κ z can be realized.

Nach dem Öffnen der Ventildüse 128 wird von dem (nicht dargestellten) Steuergerät ein Laserpuls des Lasers 200 so ausgelöst, daß der Laserpuls gleichzeitig mit dem Beginn der stationären Phase des Trägergaspulses im den Schnittpunkt 206 umgebenden Ionisationsbereich 212 ankommt.After opening the valve nozzle 128, the control unit (not shown) triggers a laser pulse from the laser 200 such that the laser pulse arrives in the ionization region 212 surrounding the intersection 206 at the same time as the stationary phase of the carrier gas pulse begins.

In der Regel wird der Laserpuls einige μs nach dem Öffnen der Ventildüse 128 ausgelöst. Gleichzeitig wird ein (nicht dargestellter) Timer zurückgesetzt und gestartet. In dem Ionisationsbereich 212 erfolgt die Ionisation der in dem Trägergasstrahl 210 mitgeführten Probenmoleküle durch resonanzverstärkte Multiphotonenionisation (REMPI), wobei jeweils ein Probenmolekül durch Absorption eines oder mehrerer Photonen mit passender Energie in einen angeregten Zustand übergeht, aus dem das Probenmolekül dann durch Absorption eines weiteren Photons (oder mehrerer weiterer Photonen) zu einem Probenmolekülion ionisiert wird.As a rule, the laser pulse is triggered a few μs after opening the valve nozzle 128. At the same time, a timer (not shown) is reset and started. In the ionization region 212, the sample molecules carried in the carrier gas jet 210 are ionized by resonance-amplified multiphoton ionization (REMPI), wherein one sample molecule in each case changes into an excited state by absorption of one or more photons with suitable energy, from which the sample molecule then absorbs another photon (or several other photons) is ionized to a sample molecule ion.

Die so entstandenen Probenmolekülionen werden durch ein elektrisches Ziehfeld im wesentlichen parallel zu der Achse 106 des Trägergasstrahls 210 durch die Eintrittsöffnung 186 in das Innere der Ziehelektrode 176 hineingezogen.The sample molecule ions formed in this way are drawn into the interior of the drawing electrode 176 by an electrical drawing field essentially parallel to the axis 106 of the carrier gas jet 210 through the inlet opening 186.

Zur Erzeugung des bezüglich der Achse 106 des Trägergasstrahls 210 rotationssymmetrischen elektrischen Ziehfeldes wird die rotationssymmetrische Ziehelektrode 176 auf ein elektrisches Potential gelegt, dessen Vorzeichen dem Vorzeichen der Probenmolekülionenladung entgegengesetzt ist.In order to generate the electrical pulling field which is rotationally symmetrical with respect to the axis 106 of the carrier gas jet 210, the rotationally symmetrical pulling electrode 176 is set to an electrical potential, the sign of which is opposite to the sign of the sample molecule ion charge.

Um eine Rückkehr der Probenmolekülionen zu der Ventildüse 128 zu verhindern und um das elektrische Ziehfeld zu verstärken, wird ferner die Abschlußplatte 130 der Ventildüse 128 als Repeller geschaltet, das heißt auf ein elektrisches Potential gelegt, dessen Vorzeichen dem Vorzeichen der Probenmolekül- ionenladung entspricht.In order to prevent the sample molecule ions from returning to the valve nozzle 128 and to strengthen the electrical pulling field, the end plate 130 of the valve nozzle 128 is also switched as a repeller, that is to say set to an electrical potential whose sign corresponds to the sign of the sample molecule ion charge.

Im folgenden wird davon ausgegangen, daß bei der Photoionisation positive Probenmolekülionen entstehen. In diesem Fall muß die Ziehelektrode 176 auf negatives und die Abschlußplatte 130 der Ventildüse 128 auf positives Potential gelegt werden. Aufgrund der Rotationssymmetrie des mittels der rotationssymmetrischen Ziehelektrode 176 erzeugten elektrischen Ziehfeldes schneiden sich die Bahnen der Probenmolekülionen in dem Brennpunkt 192 der Ionenoptik im Inneren der Ziehelektrode 176. Im Trägergasstrahl 210 enthaltene neutrale Trägergasteilchen und nichtionisierte Probenmoleküle werden durch die als Skimmer wirkende kegelstumpfförmige Spitze 184 der Ziehelektrode 176 sowie durch die Lochblende 188 im Innenraum der Ziehelektrode 176 zum größten Teil vom Eintritt in das Reflektron 166 abgehalten. Dadurch wird verhindert, daß sich das Vakuum im Innenraum 182 des Vakuumrohres 168 des Reflektrons 166 unzulässig verschlechtert.In the following it is assumed that positive sample molecule ions are formed during photoionization. In this case, the pull electrode 176 must be set to negative and the end plate 130 of the valve nozzle 128 to a positive potential. Due to the rotational symmetry of the electrical drawing field generated by means of the rotationally symmetrical drawing electrode 176, the orbits of the sample molecule ions intersect at the focal point 192 of the ion optics in the interior of the drawing electrode 176. Neutral carrier gas particles and non-ionized sample molecules contained in the carrier gas jet 210 become the truncated cone-shaped electrode 184 acting as a skimmer 176 as well as largely prevented from entering the reflectron 166 by the perforated screen 188 in the interior of the drawing electrode 176. This prevents the vacuum in the interior 182 of the vacuum tube 168 of the reflectron 166 from deteriorating inadmissibly.

Die durch die Ziehelektrode 176 in das Reflektron 166 gelangten Probenmolekülionen durchqueren zunächst mit konstanter Geschwindigkeit einen feldfreien Bereich in der der Vakuumkammer 102 zugewandten Hälfte des Vakuumrohres 168. Die zum Durchfliegen dieser Strecke benötigte Zeit verhält sich reziprok zu der Geschwindigkeit, die die Probenmolekülionen durch Beschleunigung im elektrischen Ziehfeld erlangt haben, und steigt demnach mit wachsender Masse der Probenmolekülionen an.The sample molecule ions which have entered the reflectron 166 through the pulling electrode 176 first cross a field-free area in the half of the vacuum tube 168 facing the vacuum chamber 102 at a constant speed. The time required to fly through this distance is reciprocal to the speed which the sample molecule ions accelerate in the have obtained electrical pulling field, and therefore increases with increasing mass of the sample molecule ions.

Nach Durchfliegen der feldfreien Strecke gelangen die Probenmolekülionen in den Bereich zwischen den Bremselektroden 172, die auf mit zunehmender Entfernung von der Vakuumkammer 102 stufenweise von jeweils einer Bremselektrode 172 zur benachbarten Bremselektrode 172 ansteigenden positiven Potentialen liegen, so daß die Bremselektroden 172 zusammen ein elektrisches Bremsfeld für die eintreffenden Probenmolekülionen erzeugen. In diesem elektrischen Bremsfeld werden die Probenmolekül- ionen abgebremst, bis sie Umkehrpunkte erreichen, von denen aus sie in Richtung auf den Ionendetektor 194 wieder beschleunigt werden und das Bremsfeld mit derselben Geschwindigkeit, mit der sie in dasselbe eingetreten sind, wieder verlassen, jedoch in umgekehrter Richtung.After flying through the field-free route, the sample molecule ions reach the area between the brake electrodes 172, which are at positive potentials which increase gradually with increasing distance from the vacuum chamber 102 from one brake electrode 172 to the adjacent brake electrode 172, so that the brake electrodes 172 together form an electric brake field for generate the incoming sample molecule ions. In this electrical braking field, the sample molecule ions are braked until they reach reversal points from which they are accelerated again in the direction of the ion detector 194 and leave the braking field again at the same speed at which they entered it, but in reverse Direction.

Da die Elektrodenachse 174 bezüglich der Achse 106 des Vakuumrohrs 168 verkippt ist, werden die Bahnen 214 der Probenmolekülionen nicht exakt in sich zurückreflektiert, sondern gelangen die Probenmolekülionen nach erneutem Durchqueren des feldfreien Bereichs in der der Vakuumkammer 102 zugewandten Hälfte des Vakuumrohres 168 mit konstanter Geschwindigkeit zu dem in dem Detektionsbereich 182b angeordneten Ionendetektor 194, der ein dem momentanen Ionenfluß proportionales, zeitaufgelöstes elektrisches Ionensignal liefert.Since the electrode axis 174 is tilted with respect to the axis 106 of the vacuum tube 168, the paths 214 of the sample molecule ions are not exactly reflected back in themselves, but instead the sample molecule ions reach the constant velocity after passing through the field-free area in the half of the vacuum tube 168 facing the vacuum chamber 102 the ion detector 194 arranged in the detection area 182b, which delivers a time-resolved electrical ion signal proportional to the current ion flow.

Durch Zuordnung dieses Ionensignals zu der mit Hilfe des Timers ermittelten, seit der Auslösung des Laserpulses verstrichenen Zeit läßt sich die Abhängigkeit des Ionensignals von der gesamten Flugzeit der Probenmolekülionen bestimmen. Die gesamte Flugzeit eines Probenmolekülions ist proportional zur Wurzel aus seiner Masse.By assigning this ion signal to the time determined with the aid of the timer and elapsed since the triggering of the laser pulse, the dependence of the ion signal on the total flight time of the sample molecule ions can be determined. The total flight time of a sample molecule ion is proportional to the root of its mass.

Das Reflektron 166 ist zur Erzielung einer hohen Massenauflösung besonders geeignet, da es die Flugzeitunterschiede zwischen Probenmolekülionen, die dieselbe Masse aufweisen, jedoch in unterschiedlichem Abstand von der Ziehelektrode 176 ionisiert werden und daher unterschiedliche Energien aus dem elektrischen Ziehfeld aufnehmen, minimiert. Diejenigen Probenmolekülionen, deren Ionisationsorte weiter von der Ziehelektrode 176 entfernt liegen und die daher von dem Ziehfeld auf eine höhere Geschwindigkeit beschleunigt werden, legen nämlich die Strecken in den feldfreien Bereichen des Reflektrons 166 in kürzerer Zeit zurück als diejenigen Probenmolekülionen, deren Ionisationsorte näher an der Ziehelektrode 176 liegen. Dafür verweilen sie aber längere Zeit in dem von den Bremselektroden 172 erzeugten Bremsfeld, da sie mit derselben Verzögerung wie die langsameren Probenmolekülionen von einer höheren Anfangsgeschwindigkeit bis auf die Geschwindigkeit null am Umkehrpunkt verzögert werden müssen. Durch geeignete Abstimmung der im feldfreien Bereich von den Probenmolekülionen zurückzulegenden Strecken auf die Stärke des elektrischen Bremsfeldes läßt sich daher erreichen, daß die gesamte Flugzeit der Probenmolekülionen von der Entfernung ihres Ionisationsortes von der Ziehelektrode 176 im wesentlichen unabhängig wird. Dadurch wird es möglich, die Ausdehnung des Ionisationsbereiches 212 quer zu der Achse 106 des Trägergasstrahles 210 zu vergrößern, was wiederum die Anzahl der erzeugten Probenmolekülionen und damit die Empfindlichkeit für den Nachweis der Probenmoleküle erhöht.The reflectron 166 is particularly suitable for achieving a high mass resolution since it minimizes the time-of-flight differences between sample molecule ions which have the same mass but are ionized at different distances from the pulling electrode 176 and therefore absorb different energies from the electrical pulling field. Those sample molecule ions whose ionization sites are further away from the drawing electrode 176 and which are therefore accelerated to a higher speed by the drawing field cover the distances in the field-free regions of the reflectron 166 in a shorter time than those sample molecule ions whose ionization sites are closer to the drawing electrode 176 lie. To do this, however, they remain in the brake field generated by the brake electrodes 172 for a longer time, since they have to be decelerated from the higher initial speed to zero speed at the point of reversal with the same delay as the slower sample molecule ions. Appropriate coordination of the distances to be covered in the field-free region of the sample molecule ions to the strength of the electric braking field can therefore achieve that the entire flight time of the sample molecule ions is essentially independent of the distance of their ionization location from the pulling electrode 176. This makes it possible to enlarge the extent of the ionization region 212 transversely to the axis 106 of the carrier gas jet 210, which in turn increases the number of sample molecule ions generated and thus the sensitivity for the detection of the sample molecules.

Die neutralen Trägergasteilchen und die nicht-ionisierten Probenmoleküle, die von der als Skimmer wirkenden kegel- stumpfförmigen Spitze 184 aus dem Trägergasstrahl 210 abgestreift oder von der Lochblende 188 in die Vakuumkammer 102 zurückreflektiert worden sind, gelangen durch den rechten Abschnitt 152 des zweiten Rohres 108 zu der ersten Vakuumpumpe 156, die die Trägergasteilchen und die nichtionisierten Probenmoleküle aus der Vakuumkammer 102 entfernt, um das erforderliche Vakuum aufrechtzuerhalten. Diejenigen Trägergasteilchen und nichtionisierten Probenmoleküle, die durch die Blendenöffnung 190 der Lochblende 188 in den Eintrittsbereich 182a im Innenraum des Vakuumrohrs 168 des Reflektrons 166 gelangt sind, werden durch die Trennwand 196 vom Detektionsbereich 182b und damit vom Ionendetektor 194 ferngehalten und gelangen zur zweiten Vakuumpumpe 170, die diese Trägergasteilchen und nichtionisierte Probenmoleküle aus dem Innenraum 182 des Vakuumrohrs 168 entfernt, um das erforderliche Vakuum aufrechtzuerhalten.The neutral carrier gas particles and the non-ionized sample molecules, which have been stripped from the carrier gas jet 210 by the truncated cone-shaped tip 184 acting as a skimmer or which have been reflected back by the aperture plate 188 into the vacuum chamber 102, pass through the right section 152 of the second tube 108 the first vacuum pump 156, which removes the carrier gas particles and the non-ionized sample molecules from the vacuum chamber 102 to maintain the required vacuum. Those carrier gas particles and non-ionized sample molecules which have entered the entry area 182a in the interior of the vacuum tube 168 of the reflector 166 through the aperture 190 of the pinhole 188 are kept away from the detection area 182b and thus from the ion detector 194 by the partition 196 and reach the second vacuum pump 170, which removes these carrier gas particles and non-ionized sample molecules from the interior 182 of the vacuum tube 168 to maintain the required vacuum.

Um den Aufbau eines zu hohen Druckes in der Vakuumkammer 102 zu vermeiden, wird die Ventildüse 128 so ausgebildet, daß der Trägergaspuls möglichst kurz ist, vorzugsweise kürzer als ungefähr 20 μs.In order to avoid the build-up of too high a pressure in the vacuum chamber 102, the valve nozzle 128 is designed so that the carrier gas pulse is as short as possible, preferably shorter than approximately 20 μs.

Am Ende eines Pulses wird die Ventildüse 128 durch die Fluidströmung durch die Ventilkörperkammer 138 selbsttätig geschlossen und nach Ablauf der maximalen Ionen-Flugzeit der Timer gestoppt. In der auf den Puls folgenden Pause entfernen die erste Vakuumpumpe 156 und die zweite Vakuumpumpe 170 restliche Trägergasteilchen und Probenmoleküle aus der Vakuumkammer 102 bzw. aus dem Vakuumrohr 168 des Reflektrons 166, worauf ein neuer Meßzyklus mit dem Öffnen der Ventildüse 128 beginnt.At the end of a pulse, the valve nozzle 128 is automatically closed by the fluid flow through the valve body chamber 138 and the timer is stopped after the maximum ion flight time has elapsed. In the pause following the pulse, the first vacuum pump 156 and the second vacuum pump 170 remove residual carrier gas particles and sample molecules from the vacuum chamber 102 or from the vacuum tube 168 of the reflector 166, whereupon a new measuring cycle begins with the opening of the valve nozzle 128.

In Verbindung mit einem geeigneten Probenentnahme- und erforderlichenfalls ProbenanreicherungsSystem ist eine auf den jeweiligen Anwendungsbereich zugeschnittene erfindungsgemäße Vorrichtung 100 für zahlreiche Meßaufgaben im Bereich industrieller Prozeßführung und -kontrolle sowie im Bereich des Umweltmonitoring geeignet. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur On-Line-Messung organischer Verbindungen im Roh- und/oder Reingas einer Müllverbrennungsanlage, um auf der Grundlage der Meßergebnisse die Brennerbedingungen in der Müllverbrennungsanlage zu regeln. In conjunction with a suitable sampling and, if necessary, sample enrichment system, a device 100 according to the invention, which is tailored to the respective area of application, is suitable for numerous measuring tasks in the field of industrial process management and control and in the field of environmental monitoring. The device 10 according to the invention is particularly suitable for on-line measurement of organic compounds in the raw and / or clean gas of a waste incineration plant, in order to regulate the burner conditions in the waste incineration plant on the basis of the measurement results.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E PATENT CLAIMS 1. Verfahren zum Nachweis von Probenmolekülen in einem Trägergas, wobei mittels Expansion des Trägergases durch eine Düse in ein Vakuum ein divergenter Trägergasstrahl erzeugt wird, die Probenmoleküle in einem Ionisationsbereich des Trägergasstrahls durch Absorption von Photonen zu Probenmolekülionen ionisiert werden und die Probenmolekülionen durch ein elektrisches Ziehfeld in ein Massenspektrometer gezogen und in dem Massenspektrometer detektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenmolekülionen im wesentlichen längs der Richtung der Achse des Trägergasstrahls in das Massenspektrometer gezogen werden.1. A method for the detection of sample molecules in a carrier gas, wherein a divergent carrier gas jet is generated by expanding the carrier gas through a nozzle into a vacuum, the sample molecules in an ionization region of the carrier gas jet are ionized to sample molecule ions by absorption of photons, and the sample molecule ions by an electric pull field drawn into a mass spectrometer and detected in the mass spectrometer, characterized in that the sample molecule ions are drawn into the mass spectrometer essentially along the direction of the axis of the carrier gas jet. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse als Repeller geschaltet ist.2. The method according to claim 1, characterized in that the nozzle is connected as a repeller. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenmoleküle innerhalb eines Kontinuumsgebiets des Trägergasstrahls, in dem die Temperatur des Trägergases mit zunehmendem Abstand (x) von einer Austrittsöffnung der Düse abnimmt, ionisiert werden.3. The method according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the sample molecules are ionized within a continuum region of the carrier gas jet, in which the temperature of the carrier gas decreases with increasing distance (x) from an outlet opening of the nozzle. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenmoleküle in einem Abstand κτ von der Aus- trittsöffnung der Düse ionisiert werden, der weniger als ungefähr 0,9 xτ, insbesondere weniger als ungefähr 0,8 xτ, vorzugsweise weniger als ungefähr 0,5 xτ beträgt, wobei xτ den Abstand der Grenze zwischen dem Kontinuumsgebiet des Trägergasstrahls und einem Molekularstrahlgebiet des Trägergasstrahls, in dem die Temperatur des Trägergases mit zunehmendem Abstand (x) von der Austrittsöffnung der Düse im wesentlichen nicht weiter abnimmt, von der Austrittsöffnung der Düse bezeichnet.4. The method according to claim 3, characterized in that the sample molecules are ionized at a distance κ τ from the outlet opening of the nozzle, which is less than about 0.9 x τ , in particular less than about 0.8 x τ , preferably less is about 0.5 x τ , where x τ is the distance of the boundary between the Continuity area of the carrier gas jet and a molecular jet area of the carrier gas jet, in which the temperature of the carrier gas does not substantially decrease with increasing distance (x) from the outlet opening of the nozzle, are designated by the outlet opening of the nozzle. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Photonenquelle ein Festfrequenzlaser verwendet wird.5. The method according to claim 4, characterized in that a fixed frequency laser is used as the photon source. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenmoleküle in einem Abstand xz von der Austrittsöffnung der Düse zwischen ungefähr 0,5 xτ und ungefähr 3 xτ, insbesondere zwischen ungefähr 0,8 xτ und ungefähr 2 xτ, vorzugsweise zwischen ungefähr 0,9 xτ und ungefähr 1,5 xτ, ionisiert werden, wobei xτ den Abstand der Grenze zwischen einem Kontinuumsgebiet des Trägergasstrahls, in dem die Temperatur des Trägergases mit zunehmendem Abstand (x) von der Austrittsöffnung der Düse abnimmt, und einem Molekularstrahlgebiet des Trägergasstrahls, in dem die Temperatur des Trägergases mit zunehmendem Abstand (x) von der Austrittsöffnung der Düse im wesentlichen nicht weiter abnimmt, von der Austrittsöffnung der Düse bezeichnet.6. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the sample molecules at a distance x z from the outlet opening of the nozzle between approximately 0.5 x τ and approximately 3 x τ , in particular between approximately 0.8 x τ and approximately 2 x τ , preferably between approximately 0.9 x τ and approximately 1.5 x τ , where x τ is the distance between the boundary between a continuum region of the carrier gas jet, in which the temperature of the carrier gas increases with increasing distance (x) from the Outlet opening of the nozzle decreases, and a molecular beam region of the carrier gas jet, in which the temperature of the carrier gas does not substantially decrease with increasing distance (x) from the outlet opening of the nozzle, from the outlet opening of the nozzle. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Photonenquelle ein durchstimmbarer Laser, insbesondere ein Farbstofflaser, verwendet wird. 7. The method according to claim 6, characterized in that a tunable laser, in particular a dye laser, is used as the photon source. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägergasstrahl mittels einer Düse erzeugt wird, deren Austrittsöffnung einen Durchmesser aufweist, welcher größer ist als die mittlere freie Weglänge der Teilchen des Trägergases im Bereich der Austrittsöffnung.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the carrier gas jet is generated by means of a nozzle whose outlet opening has a diameter which is greater than the mean free path of the particles of the carrier gas in the region of the outlet opening. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer getakteten Düse ein gepulster Trägergasstrahl erzeugt wird.9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that a pulsed carrier gas jet is generated by means of a clocked nozzle. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Düse mit einem Ventil verwendet wird, welches einen, vorzugsweise kugelförmigen, Ventilkörper aufweist, der zum Öffnen des Ventils durch ein Betätigungselement einer Betätigungsvorrichtung von einem Ventilsitz gestoßen wird und mittels der durch die Ventilöffnung hindurchgehenden Fluidströmung auf den Ventilsitz zurückbewegt wird.10. The method according to claim 9, characterized in that a nozzle is used with a valve which has a, preferably spherical, valve body which is pushed to open the valve by an actuating element of an actuating device from a valve seat and by means of which through the valve opening Fluid flow is moved back to the valve seat. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine ein Piezoelement aufweisende Betätigungsvorrichtung verwendet wird.11. The method according to claim 10, characterized in that an actuating device having a piezo element is used. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine gepulste Photonenquelle verwendet wird, wobei die Pulsdauer der Photonenquelle geringer ist als die Pulsdauer des Trägergasstrahls, und daß die ansteigende Flanke des Photonenpulses im wesentlichen zeitgleich mit dem Beginn einer stationären Phase des Trägergasstrahl-Pulses in dem Ionisationsbereich eintrifft. 12. The method according to any one of claims 9 to 11, characterized in that a pulsed photon source is used, wherein the pulse duration of the photon source is less than the pulse duration of the carrier gas jet, and that the rising flank of the photon pulse is substantially simultaneous with the beginning of a stationary phase of the carrier gas jet pulse arrives in the ionization region. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenmolekülionen durch eine Lochblende in das Massenspektrometer gezogen werden.13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that the sample molecule ions are drawn through a pinhole in the mass spectrometer. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lochblende verwendet wird, deren Blendenöffnung einen Durchmesser von weniger als ungefähr 8 mm, vorzugsweise von ungefähr 5 mm, aufweist.14. The method according to claim 13, characterized in that a perforated diaphragm is used, the aperture opening has a diameter of less than about 8 mm, preferably of about 5 mm. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Massenspektrometer ein Reflektron verwendet wird.15. The method according to any one of claims 1 to 14, characterized in that a reflectron is used as the mass spectrometer. 16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu einer ionenoptischen Eintrittsachse in das Reflektron eintretende Probenmolekülionen so reflektiert werden, daß sie längs relativ zu der Eintrittsachse verkippter Ionenbahnen zu einem Ionendetektor zurücklaufen.16. The method according to claim 15, characterized in that parallel to an ion optical entry axis in the reflectron entering sample molecule ions are reflected so that they run back relative to the entry axis of tilted ion trajectories to an ion detector. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Eintrittsachse in das Reflektron eintretende Teilchen einerseits und zu dem Ionendetektor zurücklaufende Probenmolekülionen andererseits mittels einer Trennwand voneinander getrennt werden.17. The method according to claim 16, characterized in that parallel to the entry axis in the reflectron entering particles on the one hand and to the ion detector returning sample molecule ions on the other hand are separated from each other by means of a partition. 18. Vorrichtung zum Nachweis von Probenmolekülen in einem Trägergas, umfassend eine Düse zur Erzeugung eines divergenten Trägergasstrahles mittels Expansion des Trägergases in ein Vakuum, eine Einrichtung zur Ionisation der Probenmoleküle zu Probenmolekülionen in einem Ionisationsbereich des Trägergasstrahles durch Absorption von Photonen, ein Massenspektrometer und eine Einrichtung zum Erzeugen eines die Probenmolekülionen in das Massenspektrometer ziehenden elektrischen Ziehfeldes mit einer Ziehelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des elektrischen Ziehfeldes so ausgebildet ist, daß sie ein elektrisches Ziehfeld erzeugt, das die Probenmolekülionen im wesentlichen längs der Richtung der Achse (106) des Trägergasstrahls (210) in das Massenspektrometer (166) zieht.18. Device for the detection of sample molecules in a carrier gas, comprising a nozzle for generating a divergent carrier gas jet by expanding the carrier gas into a vacuum, a device for ionizing the sample molecules to sample molecule ions in an ionization region of the carrier gas jet Absorption of photons, a mass spectrometer and a device for generating an electric pulling field pulling the sample molecule ions into the mass spectrometer with a pulling electrode, characterized in that the device for generating the electric pulling field is designed in such a way that it generates an electric pulling field which the sample molecule ions in essentially into the mass spectrometer (166) along the direction of the axis (106) of the carrier gas jet (210). 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (128) als Repeller geschaltet ist.19. The apparatus according to claim 18, characterized in that the nozzle (128) is connected as a repeller. 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisationsbereich (212) innerhalb eines Kontinuumsgebiets des Trägergasstrahls (210), in dem die Temperatur des Trägergases mit zunehmendem Abstand (x) von einer Austrittsöffnung (132) der Düse (128) abnimmt, angeordnet ist.20. Device according to one of claims 18 or 19, characterized in that the ionization region (212) within a continuum region of the carrier gas jet (210), in which the temperature of the carrier gas with increasing distance (x) from an outlet opening (132) of the nozzle ( 128) decreases, is arranged. 21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisationsbereich (212) in einem Abstand (xx) von der Austrittsöffnung (132) der Düse (128) angeordnet ist, der weniger als ungefähr 0,9 xτ, insbesondere weniger als ungefähr 0,8 xτ, vorzugsweise weniger als ungefähr 0,5 xτ, beträgt, wobei xτ den Abstand der Grenze zwischen dem Kontinuumsgebiet des Trägergasstrahls (210) und einem Molekularstrahlgebiet des Trägergasstrahls (210), in dem die Temperatur des Trägergases mit zunehmendem Abstand (x) von der Austrittsöffnung (132) der Düse (128) im wesentlichen nicht weiter abnimmt, von der Austrittsöffnung (132) der Düse (128) bezeichnet. 21. The apparatus according to claim 20, characterized in that the ionization region (212) is arranged at a distance (x x ) from the outlet opening (132) of the nozzle (128) which is less than approximately 0.9 x τ , in particular less than is approximately 0.8 x τ , preferably less than approximately 0.5 x τ , where x τ is the distance between the boundary between the continuum area of the carrier gas jet (210) and a molecular jet area of the carrier gas jet (210), in which the temperature of the carrier gas coincides increasing distance (x) from the outlet opening (132) of the nozzle (128) essentially does not decrease further, referred to from the outlet opening (132) of the nozzle (128). 22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (100) einen als Photonenquelle dienenden Festfrequenzlaser (200) umfaßt.22. The apparatus according to claim 21, characterized in that the device (100) comprises a fixed frequency laser (200) serving as a photon source. 23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisationsbereich (212) in einem Abstand (xx) von einer Austrittsöffnung (132) der Düse (128) zwischen ungefähr 0,5 xτ und ungefähr 3 xτ, insbesondere zwischen ungefähr 0,8 xτ und ungefähr 2 xτ, vorzugsweise zwischen ungefähr 0,9 xτ und ungefähr 1,5 xτ, angeordnet ist, wobei xτ den Abstand der Grenze zwischen einem Kontinuumsgebiet des Trägergasstrahls (210), in dem die Temperatur des Trägergases mit zunehmendem Abstand (x) von einer Austrittsöffnung (132) der Düse (128) abnimmt, und einem Molekularstrahlgebiet des Trägergasstrahls (210), in dem die Temperatur des Trägergases mit zunehmendem Abstand (x) von der Austrittsöffnung (132) der Düse (128) im wesentlichen nicht weiter abnimmt, von der Austrittsöffnung (132) der Düse (128) bezeichnet.23. Device according to one of claims 18 to 20, characterized in that the ionization region (212) at a distance (x x ) from an outlet opening (132) of the nozzle (128) between approximately 0.5 x τ and approximately 3 x τ , in particular between approximately 0.8 x τ and approximately 2 x τ , preferably between approximately 0.9 x τ and approximately 1.5 x τ , where x τ is the distance between the boundary between a continuum region of the carrier gas jet (210), in which the temperature of the carrier gas decreases with increasing distance (x) from an outlet opening (132) of the nozzle (128), and a molecular beam region of the carrier gas jet (210) in which the temperature of the carrier gas increases with increasing distance (x) from the outlet opening ( 132) of the nozzle (128) essentially does not decrease further, referred to by the outlet opening (132) of the nozzle (128). 24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (100) einen als Photonenquelle dienenden durchstimmbaren Laser ( 200 ) , insbesondere einen Farbstofflaser, umfaßt.24. The device according to claim 23, characterized in that the device (100) comprises a tunable laser (200) serving as a photon source, in particular a dye laser. 25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (xx) Ionisationsbereichs (212) von einer Austrittsöffnung (132) der Düse (128) durch Verschieben der Düse (128) veränderbar ist. 25. The device according to one of claims 18 to 24, characterized in that the distance (x x ) ionization region (212) from an outlet opening (132) of the nozzle (128) can be changed by moving the nozzle (128). 26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (128) eine Austrittsöffnung (132) mit einem Durchmesser aufweist, welcher größer ist als die mittlere freie Weglänge der Teilchen des Trägergases im Bereich der Austrittsöffnung ( 132 ) .26. Device according to one of claims 18 to 25, characterized in that the nozzle (128) has an outlet opening (132) with a diameter which is greater than the mean free path of the particles of the carrier gas in the region of the outlet opening (132). 27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (128) eine getaktete Düse ist, mittels der ein gepulster Trägergasstrahl (210) erzeugbar ist.27. The device according to one of claims 18 to 26, characterized in that the nozzle (128) is a pulsed nozzle, by means of which a pulsed carrier gas jet (210) can be generated. 28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (128) ein Ventil umfaßt, welches einen kugelförmigen Ventilkörper (136), der im Schließzustand des Ventils auf einem Ventilsitz (134) sitzt, und eine Betätigungsvorrichtung (146, 148) aufweist, durch die der Ventilkörper (136) zum Öffnen des Ventils von dem Ventilsitz (134) stoßbar ist.28. The apparatus according to claim 27, characterized in that the nozzle (128) comprises a valve which has a spherical valve body (136) which sits on a valve seat (134) in the closed state of the valve, and an actuating device (146, 148) through which the valve body (136) can be pushed by the valve seat (134) to open the valve. 29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsvorrichtung (146, 148) ein Piezo- element aufweist.29. The device according to claim 28, characterized in that the actuating device (146, 148) has a piezo element. 30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ionisationsbereich (212) und dem Massenspektrometer (166) eine Lochblende (188) angeordnet ist.30. Device according to one of claims 18 to 29, characterized in that a pinhole (188) is arranged between the ionization region (212) and the mass spectrometer (166). 31. Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende (188) eine kreisförmige Blendenöffnung (190) mit einem Durchmesser von weniger als ungefähr 8 mm, vorzugsweise von ungefähr 5 mm, aufweist. 31. The device according to claim 30, characterized in that the perforated diaphragm (188) has a circular diaphragm opening (190) with a diameter of less than approximately 8 mm, preferably of approximately 5 mm. 32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß das Massenspektrometer (166) ein Reflektron ist.32. Device according to one of claims 18 to 31, characterized in that the mass spectrometer (166) is a reflectron. 33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflektron (166) eine Einrichtung (172) zum Abbremsen der Probenmolekülionen aufweist, die so ausgebildet ist, daß parallel zu einer ionenoptischen Eintrittsachse (106) in das Reflektron (166) eintretende Probenmolekülionen so reflektiert werden, daß sie längs relativ zu der Eintrittsachse (106) verkippter Ionenbahnen zu einem Ionendetektor (194) zurücklaufen.33. Apparatus according to claim 32, characterized in that the reflectron (166) has a device (172) for braking the sample molecule ions, which is designed such that sample molecule ions entering the reflectron (166) parallel to an ion-optical entry axis (106) are reflected that they run back along an ion path tilted relative to the entry axis (106) to an ion detector (194). 34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflektron (166) eine Trennwand (196) umfaßt, die parallel zu der Eintrittsachse (106) in das Reflektron (166) eintretende Teilchen einerseits und zu dem Ionendetektor (194) zurücklaufende Probenmolekül- ionen andererseits voneinander trennt. 34. Apparatus according to claim 33, characterized in that the reflectron (166) comprises a partition (196) which, on the one hand, particles entering the reflectron (166) parallel to the entry axis (106) and returning to the ion detector (194) sample molecule- ions on the other hand.
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