EP0112858B1 - Method and device producing molecular beams and use of this method - Google Patents

Method and device producing molecular beams and use of this method Download PDF

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EP0112858B1
EP0112858B1 EP83901909A EP83901909A EP0112858B1 EP 0112858 B1 EP0112858 B1 EP 0112858B1 EP 83901909 A EP83901909 A EP 83901909A EP 83901909 A EP83901909 A EP 83901909A EP 0112858 B1 EP0112858 B1 EP 0112858B1
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EP
European Patent Office
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molecules
carrier gas
gas jet
sample
vaporisation
Prior art date
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Expired
Application number
EP83901909A
Other languages
German (de)
French (fr)
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EP0112858A1 (en
Inventor
Edward William Schlag
Hanns Von Weyssenhoff
Heinrich Selzle
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Individual
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H3/00Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/02Molecular or atomic beam generation

Definitions

  • the invention is based on a method for generating pulsed molecular beams, in which a sample substance is converted from the non-gaseous phase into the gaseous phase by supplying energy, the free molecules resulting from the transfer are mixed with a carrier gas and the carrier with the molecules of the Sample substance is cooled adiabatically by expansion of a beam of the carrier gas.
  • the invention further relates to a device for performing the aforementioned method, comprising a gas jet nozzle for generating a carrier gas jet, a carrier gas supply device for supplying the carrier gas to the gas jet nozzle, an evaporation and mixing chamber for transferring a sample substance from the non-gaseous to the gaseous phase and for admixing this phase to the carrier gas, and an energy supply device for supplying evaporation energy to the evaporation and mixing chamber.
  • molecular beams can be generated which consist of a carrier gas, which is usually a noble gas, such as argon, and molecules added to the carrier gas, provided they are molecules of a volatile substance that can be vaporized at a temperature in which the molecules do not decompose at all, i.e. H. that is, provided that the molecules are thermally stable.
  • a carrier gas which is usually a noble gas, such as argon
  • molecules added to the carrier gas provided they are molecules of a volatile substance that can be vaporized at a temperature in which the molecules do not decompose at all, i.e. H. that is, provided that the molecules are thermally stable.
  • the molecules to be mixed with the carrier gas are evaporated in the evaporation and mixing chamber provided upstream of the gas jet nozzle by simple thermal heating, provided that the volatile substance, which consists of the molecules to be examined or contains these molecules, does not by itself due to its vapor pressure at room temperature evaporates.
  • Preferred examination methods are examination by means of tunable laser radiation either in fluorescence or by multiphoton loinization (MPI) by mass spectroscopy.
  • MPI multiphoton loinization
  • thermally unstable molecules For the evaporation and simultaneous ionization of thermally unstable molecules, there are a number of other recently developed methods with which these thermally unstable molecules can be evaporated directly under vacuum into vacuum and examined by mass spectrometry.
  • flash pyrolysis the spraying of a solution (“electrospray") with immediate evaporation of the solvent, field desorption and ionization, chemical ionization and bombardment with fast atoms. All of these methods have so far been used with varying degrees of success for the direct ionization of thermally unstable molecules. They have the considerable disadvantage that ions are generated and that these ions are partly fragments and partly add-on ions, with "cationized” mother molecules very often occurring, ie mother ions to which another ion, for example a proton or alkali ion, is additionally attached. is attached.
  • the present invention is intended to generate molecular beams with large, thermally unstable molecules which exist under normal conditions. Such molecules can never be formed in the molecular beam by mere addition, as is the case with the aforementioned complexes, but must be introduced as such into a molecular beam.
  • US-A-4 091 256 describes a method and a device in which so much energy is supplied to a substance that the substance decomposes down to the individual atoms and thus provides a beam of neutral atoms. Large, thermally unstable molecules cannot be converted into the gas phase at all without decomposition using this method and this device.
  • a non-volatile substance should in particular be understood to mean a substance which is non-volatile under normal conditions (20 ° C. and 1 bar).
  • the invention is based on the object of further developing a method of the type mentioned at the beginning in such a way that it is possible to bring large, thermally unstable molecules, i.e. molecules of substances which can be vaporized without decomposition, undamaged and without being ionized into a molecular beam which is usable for spectroscopic purposes, in particular mass spectroscopy.
  • This object is achieved by the aforementioned method in that the energy is supplied in pulses at such a height that the sample substance evaporates faster than decomposes to generate molecular beams with large, thermally unstable, almost exclusively non-ionized molecules that the temperature of the Carrier gas jet in an area of the jet in which it begins to expand is set significantly lower than the decomposition temperature of the sample substance and that the released molecules of the sample substance are brought directly into this area of the carrier gas jet.
  • the carrier gas supply device supplies the carrier gas to the gas jet nozzle upstream of the latter at a temperature which is substantially lower than the decomposition temperature of the sample substance that the evaporation and mixing chamber is arranged at least with the part in which the molecules are mixed into the carrier gas, downstream of the outlet opening of the gas jet nozzle, where the carrier jet begins to expand, and adjacent to it, and that the energy supply device provided for the sample evaporation is arranged emits such high energy in pulse mode that more sample substance is evaporated than is decomposed during the pulse duration.
  • thermally unstable molecules are to be understood to mean molecules of those substances whose molecules already break down at temperatures which are far below the evaporation temperature. These substances therefore have a vapor pressure that is far below the vapor pressure that would be required for the molecules to go into the gas phase at room temperature.
  • “large” molecules are to be understood in particular as molecules whose molecular weight is 100 or more.
  • the molecules are evaporated off under conditions in which there are more undecomposed molecules in the gas phase than corresponds to the thermodynamic equilibrium at the prevailing temperature, while in the state of thermodynamic equilibrium no undecomposed molecules in the case of substances, consisting of large, thermally unstable molecules.
  • the invention makes it possible to generate MMolecular beams in which the large, thermally unstable molecules are available undamaged for a wide range of tests, in particular for optical spectroscopy, for reaction kinetics, in which molecular beams are known to be widely used for test purposes be, as well as for mass spectrometry.
  • evaporation or “evaporation” or “evaporation” is to be understood to mean all types of converting molecules into the gas phase; this transfer can thus either from the solid substance containing the molecules to be examined or from These molecules exist, as well as from a surface on which the molecules are attached or adsorbed.
  • the large, thermally unstable molecules are preferably vaporized by means of laser radiation; This type of evaporation has the advantage that it is particularly well possible to carry out the very rapid, relatively high temperature evaporation of the large, thermally unstable molecules.
  • Another preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the large, thermally unstable molecules are each evaporated into a carrier gas jet pulse by means of evaporation pulses.
  • the molecules can be well examined without the substance from which they are evaporated being continuously heated and thus largely decomposed; rather, only the top layer of the substance is always heated to the high evaporation temperature which serves for rapid evaporation.
  • the large, thermally unstable molecules get directly into the relatively cool carrier gas jet at the beginning of its expansion after they have passed into the gas phase, they are preferably vaporized by a sample surface which runs essentially parallel to the axis of the carrier gas jet and is adjacent to the outlet opening of the gas jet nozzle , whereby this sample surface does not protrude into the carrier gas jet, so that an undisturbed expansion of the carrier gas jet is made possible.
  • the device for carrying out the method according to the invention is preferably designed such that the large, thermally unstable molecules are exposed to the stabilization cooling mentioned immediately after their entry into the gas phase, in such a way that the evaporation point in from the outlet opening of the gas jet nozzle a longitudinal distance, which is smaller than or equal to 20 times the effective diameter of the outlet opening, is arranged laterally from the outlet opening, the longitudinal distance being that along the axis of the gas jet nozzle and the effective diameter being the diameter corresponding to a circular outlet opening.
  • the outlet opening of the gas jet nozzle has an annular cross section, then the effective diameter in the above sense is to be understood as the diameter of a circular outlet opening which has the same outflow cross section in terms of area as the annular outlet opening.
  • the evaporation point is preferably arranged at a transverse distance from the axis of the gas jet nozzle which is less than or equal to 20 times, preferably less than or equal to 10 times, the effective diameter the outlet opening is.
  • the transverse distance be less than half the longitudinal distance.
  • the device can furthermore be designed such that the evaporation and mixing chamber has a preferably cylindrical expansion channel for the carrier gas jet, downstream of the outlet opening of the gas jet nozzle, on or in the wall of which the evaporation point is provided.
  • This evaporation point can in particular be provided in an obliquely, preferably perpendicularly, to the axis of the gas jet nozzle arranged sample channel which is formed in the side wall of the expansion channel.
  • FIG. 1 in which the natural logarithm of the reaction constant k for the decomposition (straight line 1) and for the evaporation (straight line 11) is schematically dependent on the reciprocal of the absolute temperature T are shown.
  • the evaporation has a higher activation energy than the decomposition, so that the rate of evaporation increases with temperature faster than that of the decomposition.
  • the evaporation rate becomes greater than the decomposition rate, namely from the intersection of the two straight lines I and 11 to higher temperatures.
  • the evaporation or evaporation of thermally unstable molecules can be done by extremely rapid heating, as is caused by a very short laser pulse with a high power density.
  • the distribution of energy over the three evaporation processes, evaporation, decomposition and ionization, depends mainly on the following factors when bombarded with laser radiation: laser energy density, pulse duration and nature of the sample.
  • laser energy density The influence of the laser wavelength on the evaporation process seems to be of minor importance; However, it cannot be ruled out that particularly high evaporation rates can be achieved with specific wavelengths, for example in the infrared (resonance desorption).
  • the C0 2 laser (wavelength 10.6 ⁇ m) should be preferred to the alternative neodymium YAG laser (wavelength 1.06 ⁇ m), because at 10.6 ⁇ m most large organic molecules have vibrational bands , which is not the case at 1.06 ⁇ m.
  • a molecular beam is a bundled stream of molecules that move in a preferred direction essentially without jolts.
  • the freedom from bumps is also given for free expansion into a vacuum, but the preferred direction is generally missing here.
  • the vaporized molecules are admixed to a carrier gas jet immediately after it emerges from a pulsed gas jet nozzle.
  • the "hot” molecules initially experience collisions with the carrier gas atoms and are thus deactivated by "stabilization cooling", so that the probability of a subsequent unimolecular decay is greatly reduced.
  • stabilization cooling so that the probability of a subsequent unimolecular decay is greatly reduced.
  • the initial nozzle jet changes into a molecular jet after a short running distance.
  • a molecular beam is generated, of which only the axis 5 is shown, which at the same time the axis of the gas jet nozzle 1 and accordingly also the carrier gas jet emerging therefrom and the axis of the carrier gas jet and the mixed gas jet existing in these evaporated molecules, which after adiabatic expansion becomes the molecular jet.
  • the ionizing laser is a tunable dye laser that is pumped by a Q-switched neodymium-YAG laser.
  • the impulse operation of the nozzle jet (this is how the entire jet is called here, which becomes the carrier gas jet via the mixed gas jet to the molecular jet) is not an absolutely necessary feature of the method according to the invention, but it is of extremely important practical importance for maintaining a sufficient vacuum with a reasonable pumping effort.
  • a continuous jet of carrier gas for example made of argon, would have no practical meaning here anyway because of the pulsed evaporation.
  • Important for the functioning of the method is an exact temporal correlation of the nozzle jet, the evaporation laser pulse and the ionization laser pulse, which by electronic Standard circuits are carried out.
  • the gas jet nozzle is first described in detail with reference to FIGS. 2 and 3:
  • the gas jet nozzle 1 is designed as a nozzle valve, and in the present case it is a commercial electromagnetically operated valve from Bosch, which was originally intended for the operation of fuel injection engines.
  • This nozzle valve has an annular outlet opening 6 which is delimited on the inside by a cylindrical end of a valve tappet 7 and on the outside by a cylindrical opening of a valve seat cylinder 8.
  • a conical valve surface 9 adjoins the cylindrical end of the valve tappet 7, which cooperates with a complementary conical valve seat surface 10 which adjoins the cylindrical opening of the valve seat cylinder 8.
  • the nozzle valve is reworked so that the valve seat cylinder 8 is freely accessible and is provided with an external thread 11 for screwing on the evaporation and mixing chamber 2.
  • the annular outlet opening 6 has a radial ring width of approximately 0.1 mm and an outer ring diameter of approximately 1 mm, so that a corresponding ring-shaped carrier gas jet is generated.
  • the distance between the valve surface 9 and the valve seat surface 10 when the nozzle valve is open is approximately 0.1 mm.
  • the nozzle valve is operated electromagnetically so that a carrier gas pulse of approximately 1 msec duration with rising and falling edges of approximately 200 ⁇ sec is produced. This is achieved by electrical impulses of 500 JlS ec, which are applied to the magnetic winding of the nozzle valve.
  • FIGS. 2 and 3 which, at least with regard to its essential part in which the evaporation and mixing takes place, is arranged downstream of the outlet opening 6 of the gas jet nozzle 1 and adjacent to this outlet opening:
  • the evaporation and mixing chamber 2 has a cylindrical expansion channel 12 for the carrier gas jet, the axis of which coincides with the axis 5 of the nozzle jet and which forms an enlarged, downstream extension of the outlet opening 6 of the gas jet nozzle 1 and connects one end directly to the outlet opening 6 .
  • the other end of the expansion channel 12 merges into a vacuum for further expansion of the jet.
  • the evaporation point 13 is provided, which in the present case is formed by the surface of a sample 14 pressed into a pill.
  • This evaporation point 13 is provided in a sample channel 15 which is arranged perpendicular to the axis 5 of the gas jet nozzle 1 and is formed in the lateral wall of the expansion channel 12.
  • the evaporation and mixing chamber 2 has a laser beam channel 16, which is likewise formed in the lateral wall of the expansion channel 12, specifically in the axial extension of the sample channel 15 on the side of the expansion channel 12 opposite the latter is explained below with reference to Figure 4, the evaporation energy supplied.
  • the evaporation and mixing chamber 2 consists of a cylindrical block made of stainless steel, which has a threaded bore 17 which is concentric with the expansion channel 12 and by means of which it is screwed onto the external thread 11 of the valve seat cylinder 8.
  • Preferred dimensions of this cylindrical block, of the expansion channel 12 and of the sample channel 15 and laser beam channel 16 passing through from the expansion channel on the outside of the cylindrical block are as follows:
  • the evaporation and mixing chamber 2 can be modified in such a way that, at the location of the pressed sample 14, a strip coated with the sample substance, which can be made of copper or Teflon, etc., on which the Evaporation laser beam 18 acting on the laser beam channel 16 (see FIG. 4) is guided past, so that the surface exposed to the evaporation laser beam can thereby be constantly renewed by continuously or stepwise moving the belt; however, this embodiment is not shown in the drawing.
  • the energy supply device 3 with which the large, thermally unstable molecules are vaporized at a temperature at which the vaporization rate of these molecules is greater than their decomposition rate, will now be described in more detail:
  • This energy supply device 3 comprises as energy source a laser 19, which in the present case is a pulsed CO 2 TEA laser, which has a laser cross-section of 0.3 J / cm 2 and 1 with a beam cross section of 2.3 x 2.5 cm ⁇ sec duration delivers.
  • the repetition frequency is variable in the range from 0 to 10 pulses / second.
  • a first gold-coated, flat deflecting mirror 20 is deflected by 90 ° immediately after it emerges from the laser 19 by a first gold-coated, flat deflecting mirror 20 and via a first iris diaphragm 21 to a second flat gold-coated Deflecting mirror 22 and a second iris diaphragm 23 and a third flat gold-coated deflecting mirror 24 are directed onto a concave mirror 25, which is also gold-coated.
  • the two variable iris diaphragms 21 and 23 are provided to attenuate the evaporation laser beam 18, namely, as shown in FIG. 4, an iris diaphragm 21 is attached directly to the output of the laser 19 and the other iris diaphragm 23 is located in the vicinity of the third deflection mirror 24.
  • the evaporation laser beam 18 is directed through a window 26 into the interior of the vacuum space 27 containing the evaporation and mixing chamber and through the laser beam channel 16 onto the evaporation point 13, i.e. concentrated on the surface of the sample 14.
  • the sample 14 is not exactly in the focal point of the concave mirror 25. Rather, the distance of the concave mirror 25 from the evaporation point 13 can be changed, and this change allows the energy density of the evaporation laser beam 18 impinging on the surface of the sample 14 to be varied in a simple manner.
  • Preferred data of the energy supply device according to FIG. 4 are given below:
  • the ionization laser beam 28 is focused on the intersection A of the molecular beam with the ion-optical axis 29 of the time-of-flight mass spectrometer by means of a lens, not shown, which preferably has a focal length of 20 cm or 50 cm. In the present embodiment, this intersection point A is at a distance r of 2.7 cm from the outlet opening 6 for the carrier gas jet.
  • the field plates 30 to 33 and a part of the drift tube 34 of a time-of-flight mass spectrometer of conventional design are indicated, which form a pull field for extracting the ions generated at the intersection point A, a single lens and a drift space, the latter through pinholes 35, 36 and 37, which are provided in the field plates 31, 32 and 33, of the Molecular beam is separated.
  • the perforated diaphragms 35, 36 and 37 have a diameter s of 5 mm, for example.
  • a secondary electron multiplier (not shown).
  • the ions are detected via a preamplifier either on a fast oscillograph or on a TRANSIENT DIGITIZER (Tectronix), which is a device that registers and digitizes very fast processes (nanoseconds to picoseconds).
  • a preamplifier either on a fast oscillograph or on a TRANSIENT DIGITIZER (Tectronix), which is a device that registers and digitizes very fast processes (nanoseconds to picoseconds).
  • the molecular beam space has a buffer volume of approx. 6 l, so that the chamber pressure does not increase so much at the moment with each gas pulse; it is kept at a mean pressure of approx. 1.3 ⁇ bar with a Roots pump with a suction capacity of 1000 m 3 / h and with a suitable backing pump.
  • the pressure in the drift chamber is kept below 0.013 ubar by a diffusion pump.
  • the gas jet nozzle 1 is screwed as a unit into an essentially hollow cylindrical socket 38, which in turn is attached to a larger flange 43 which is attached to a larger flange 43 and a spacer ring 40 and seals 41, 42 tubular part 44 (see Figure 4) is provided.
  • This tubular part which is not shown in FIG. 3, is located laterally at a distance from the evaporation and mixing chamber 2 and supports the window 26 via a corresponding holder 45.
  • the measurement curves in FIGS. 7 to 12 are proof that thermally unstable molecules could actually be converted into a molecular beam without being destroyed.
  • the anthracene was detected in the molecular beam by both fluorescence and a mass spectrum.
  • FIG. 5 shows a resonance fluorescence spectrum in the 0-0 transition to the first excited electron state of the anthracene.
  • Delay between valve opening and YAG laser 1.3 msec, delay between C0 2 laser and YAG laser: 500 ⁇ sec, argon pressure 0.5 bar, photon multiplier voltage: 1800 V, power density of the C0 2 laser: approx. 1 MW / cm 2 .
  • the narrow band - approx. 0.1 nm wide - is characteristic of a molecule cooled to a few K.
  • the substance was introduced as a compact in the sample channel of the evaporation chamber.
  • Figure 6 shows a mass spectrum of anthracene. It essentially contains the mother mass and a calibration peak of toluene, which has been mixed in trace amounts with the argon. The wavelength of the ionization laser was 266 nm. It should be noted that an anthracene molecule is not a thermally unstable molecule per se, rather anthracene has only been chosen as an example for the functioning of adiabatic cooling; It was found that this adiabatic cooling works even when the molecules are introduced into the carrier gas downstream of the gas jet nozzle.
  • Figure 8 shows a spectrum in which almost only the mother ion of the retinal appears.
  • the evaporation chamber had been thoroughly cleaned and filled with a fresh retinal sample.
  • the incident wavelength was again 266 nm, but with a lower intensity than in FIG. 7.
  • the retinal spectra in the following two figures were obtained with an ionization wavelength of 355 nm, specifically in FIG. 9 at high energy density and in FIG. 10 at low energy density. It can be seen that the fragmentation depends strongly on the intensity and does not result from the evaporation process.
  • the last two pictures show mass spectra of tryptophan.
  • the ionization wavelength is 266 nm.
  • the spectrum of FIG. 11 is recorded with a compact, that of FIG. 12 with a tryptophan coating on copper tape. The other conditions are the same.

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Abstract

Method and device for producing molecular beams comprising large thermally unstable molecules, wherein the molecules pass from the non-gaseous phase to the gaseous phase by supply of energy and are mixed to a carrier gas and cooled by adiabatic expansion with the carrier gas. The large molecules pass from the non-gaseous phase to the gaseous phase at such a temperature that their evaporation rate is higher than their decomposition rate. The energy required to pass the large thermally unstable molecules from the non-volatile phase to the gaseous phase is supplied so rapidly that the large thermally unstable molecules pass, at a temperature higher than the decomposition temperature, from the non-volatile phase to the gaseous phase wherein their evaporation rate is higher than the decomposition rate. Those molecules are brought, in a gaseous state, to a carrier gas stream region wherein they start to expand, the temperature of such gas stream being substantially lower than the evaporation respectively decomposition temperature of the large thermally unstable molecules.

Description

Die Erfindung geht aus von eidem Verfahren zum Erzeugen von gepulsten Molekularstrahlen, bei dem eine Probensubstanz durch Zuführen von Energie aus der nichtgasförmigen in die gasförmige Phase überführt wird, die beim Überführen entstehenden freien Moleküle der Probensubstanz einem Trägergas beigemischt werden und das Trägers mit den Moleküle der Probensubstanz durch Expansion eines Strahles des Trägergases adiabatisch gekühlt wird.The invention is based on a method for generating pulsed molecular beams, in which a sample substance is converted from the non-gaseous phase into the gaseous phase by supplying energy, the free molecules resulting from the transfer are mixed with a carrier gas and the carrier with the molecules of the Sample substance is cooled adiabatically by expansion of a beam of the carrier gas.

Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens, umfassend eine Gasstrahldüse zum Erzeugen eines Trägergasstrahls, eine Trägergaszuführungsvorrichtung zum Zuführen des Trägergases zu der Gasstrahldüse, eine Abdampfungs- und Mischkammer zum Überführen einer Probensubstanz aus der nichtgasförmigen in die gasförmige Phase und zum Beimischen dieser Phase zu dem Trägergas, und eine Energiezuführungseinrichtung zum Zuführen von Abbdampfungsenergie zu der Abdampfungs- und Mischkammer.The invention further relates to a device for performing the aforementioned method, comprising a gas jet nozzle for generating a carrier gas jet, a carrier gas supply device for supplying the carrier gas to the gas jet nozzle, an evaporation and mixing chamber for transferring a sample substance from the non-gaseous to the gaseous phase and for admixing this phase to the carrier gas, and an energy supply device for supplying evaporation energy to the evaporation and mixing chamber.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Einrichtung sind bekannt, beispielsweise aus US-Z-Chemical Physics Letters, Vol. 77, Wr. 3, Seiten 448 bis 451.Such a method and such a device are known, for example from US-Z Chemical Physics Letters, Vol. 77, Wr. 3, pages 448 to 451.

Nach dem derzeitigenstand der Technik lassen sich Molekularstrahlen erzeugen, die aus einem Trägergas, welches meist ein Edelgas, wie zum Beispiel Argon, ist, und dem Trägergas beigemischten Molekülen bestehen, sofern es sich um Moleküle einer flüchtigen Substanz handelt, die bei einer Temperatur verdampfbar ist, bei der sich die Moleküle überhaupt noch nicht zersetzen, d. h. also, sofern es sich um thermisch stabile Moleküle handelt.According to the current state of the art, molecular beams can be generated which consist of a carrier gas, which is usually a noble gas, such as argon, and molecules added to the carrier gas, provided they are molecules of a volatile substance that can be vaporized at a temperature in which the molecules do not decompose at all, i.e. H. that is, provided that the molecules are thermally stable.

Auch dann, wenn das aus Trägergas und verdampfen Molekülen bestehende Gemisch, wie aus "Accounts of Chemical Research", Vol. 10 (1977), Seiten 139-145 bekannt, nach der Ausbildung eines Molekularstrahls mittels einer Gasstraldüse durch Expansion adiabatisch gekühlt wird, so daß es dadurch eine sehr tiefe Temperatur erhält, die zur Untersuchung der Moleküle mittels Massenspektroskopie oder sonstiger Molekül- oder lonenuntersuchungsmethoden besonders geeignet ist, erfolgt das Verdampfen der Moleküle vor dem Durchtritt des Gemisches durch die Gasstrahldüse, also bei relativ hohen Temperaturen und Drücken, und es müssen die Substanzen einen ausreichend hohen Dampfdruck haben, um sich unter den vor der Dampf Strahldüse herrschenden Bedingungen nicht zu zersetzen.Even if the mixture consisting of carrier gas and vaporized molecules, as known from "Accounts of Chemical Research", vol. 10 (1977), pages 139-145, is cooled adiabatically by expansion after the formation of a molecular beam by means of a gas jet nozzle, so the fact that it thereby obtains a very low temperature, which is particularly suitable for examining the molecules by means of mass spectroscopy or other molecular or ion examination methods, means that the molecules evaporate before the mixture passes through the gas jet nozzle, i.e. at relatively high temperatures and pressures, and it the substances must have a sufficiently high vapor pressure so that they do not decompose under the conditions in front of the steam jet nozzle.

Gewöhnlich erfolgt die Abdampfung der dem Trägergas beizumischenden Moleküle in der stromaufwärts von der Gasstrahdüse vorgesehenen Abdampfungs- und Mischkammer durch einfache thermische Aufheizung, sofern die flüchtige Substanz, welche aus den zu untersuchenden Molekülen besteht oder diese Moleküle enthält, nicht aufgrund ihres Dampfdrucks bei Raumtempetatur von selbst verdampft.Usually, the molecules to be mixed with the carrier gas are evaporated in the evaporation and mixing chamber provided upstream of the gas jet nozzle by simple thermal heating, provided that the volatile substance, which consists of the molecules to be examined or contains these molecules, does not by itself due to its vapor pressure at room temperature evaporates.

Bevorzugte Untersuchungsmethoden, mittels deren solche Molekularstrahlen untersucht werden, sind Untersuchung mittels abstimmbarer Laserstrahlung entweder in Fluoreszenz oder durch Multiphoton-loinisation (MPI) massenspektroskopisch.Preferred examination methods, by means of which such molecular beams are examined, are examination by means of tunable laser radiation either in fluorescence or by multiphoton loinization (MPI) by mass spectroscopy.

Das vorgenannte Verfaren und die Einrichtung zu dessen Durchfürung sind nicht für thermisch instabile Moleküle geeignet, also für nichtflüchtige Moleküle, die sich beim Aufheizen zersetzen, bevor sie einen ausreichenden Dampfdruck erreicht haben.The above-mentioned procedure and the device for carrying it out are not suitable for thermally unstable molecules, that is to say for non-volatile molecules which decompose on heating before they have reached a sufficient vapor pressure.

Aus US-A-4 259 572 ist es bekannt, zur Untersuchung großer, thermisch empfindlicher Moleküle mittels Massenspektroskopie die zu untersuchende Substanz mittels eines Bandes o. dgl. in die lonisationskammer des Massenspektrometers zu transportieren und darin mittels sehr kurzer Laserimpulse zu bestrahlen. Hierdurch soll die Zersetzung empfindlicher Moleküle vermieden werden, die sonst beim Verdampfen eintritt. Durch die Bestralung mit den Laserimpulsen wird in einem Schritt verdampft und ionisiert. Dabei wird zwar die Mehrzal der Moleküle ebenfalls zerstört, doch bleibt ein gewisser Rest brauchbarer Ionen übrig, die unmittelbar in das elektro-magnetische Feld des Massenspektrometers gelangen. Die Erzeugung eines Trägergasstrahles mit beigemischten, fast ausschließlich nicht ionisierten Molekülen findet bei dem bekanten Verfahren nicht statt und ist nach dem bekannten Verfaren auch nicht möglich. Im Gegenteil soll durch dieses Verfahren das für empfindliche Moleküle so schädliche Verdampfen vor der Ionisation gerade vermieden werden.From US-A-4 259 572 it is known for the investigation of large, thermally sensitive molecules by means of mass spectroscopy to transport the substance to be examined by means of a belt or the like into the ionization chamber of the mass spectrometer and to irradiate it therein by means of very short laser pulses. This is to avoid the decomposition of sensitive molecules that would otherwise occur during evaporation. The irradiation with the laser pulses evaporates and ionizes in one step. The majority of the molecules are also destroyed in the process, but a certain amount of usable ions remains, which can directly enter the electromagnetic field of the mass spectrometer. The generation of a carrier gas jet with admixed, almost exclusively non-ionized molecules does not take place in the known method and is also not possible according to the known method. On the contrary, this process is intended to avoid vaporization before ionization, which is so harmful for sensitive molecules.

Zur Verdampfung und gleichzeitigen Ionisation von thermisch instabilem Molekülen gibt es eine Reihe weiterer ist in neuester Zeit entwickelten Verfahren, mit denen diese thermisch instabilem Moleküle direkt unter Ionisation ins Vakuum abgedampft und massenspektrometrisch untersucht werden können.For the evaporation and simultaneous ionization of thermally unstable molecules, there are a number of other recently developed methods with which these thermally unstable molecules can be evaporated directly under vacuum into vacuum and examined by mass spectrometry.

Als wichtigste Methoden seien hier beispielsweise die "Blitz"-Pyrolyse, die Versprühung einer Lösung ("Elektrospray") mit sofortiger Verdampfung des Lösungsmittels, die Felddesorption und -ionisation, die chemische Ionisation und der Beschuß mit schnellen Atomen genannt. Alle diese Verfahren sind bisher mit unterschiedlichem Erfolg zur direkten Ionisation thermisch instabiler Moleküle angewandt worden. Sie haben den erheblichen Nachteil, daß Ionen erzeugt werden und daß außerdem diese Ionen zum Teil Fragmente und zum Teil Anlagerungsionen sind, wobei sehr häufig "kationisierte" Muttermoleküle auftreten, d.h. Mutterionen, an die zusätzlich ein anderes Ion, zum Beispiel ein Proton oder Alkaliion, angelagert ist. Hierbei bilden sich außerdem nicht immer dieselben Bruchstücke und Anlagerungskomplexe, so daß Rückschlüsse auf die unzersetzten Moleküle, über die eigentlich Untersuchungsergebnisse gewonnen werden sollen, schwierig und nicht sicher sowie teilweise unmöglich sind. Es mag zwar sein, daß möglicherweise bei den meisten der erwähnten Methoden auch neutrale Moleküle im unzersetzten Zustand mit abgedampft werden, insbesondere bei der Laserabdampfung, jedoch ist es bisher nicht gelungen, solche thermisch instabile Moleküle direkt nachzuweisen, zumal diese Moleküle nicht als Molekularstrahl vorliegen und vor dem eigentlichen Nachweis doch noch zersetzt werden, zum Beispiel durch lonisation.The most important methods here are, for example, "flash" pyrolysis, the spraying of a solution ("electrospray") with immediate evaporation of the solvent, field desorption and ionization, chemical ionization and bombardment with fast atoms. All of these methods have so far been used with varying degrees of success for the direct ionization of thermally unstable molecules. They have the considerable disadvantage that ions are generated and that these ions are partly fragments and partly add-on ions, with "cationized" mother molecules very often occurring, ie mother ions to which another ion, for example a proton or alkali ion, is additionally attached. is attached. In addition, the same fragments and attachment complexes do not always form, so that conclusions can be drawn the undecomposed molecules that are supposed to be used to obtain test results are difficult and not safe and sometimes impossible. It may be that, in most of the methods mentioned, neutral molecules in the undecomposed state may also be evaporated, especially in the case of laser evaporation, but it has not yet been possible to directly detect such thermally unstable molecules, especially since these molecules are not present as a molecular beam and be decomposed before the actual detection, for example by ionization.

Aus der "Zeitschrift für Naturforschung", Band 36a, 1981, Seiten 1338 bis 1339 und Band 35a, 1980, Seiten 1429 bis 1430 sowie aus der Zeitschrift "Chemical Physics Letters", Vol. 77 Nr. 3, Seiten 448 bis 451 ist zwar jeweils ein Verfahren zum Erzeugen von gepulsten Molekularstrahlen bekannt, jedoch enthalten die nach diesem jeweiligen Verfahren erzeugten Molekularstrahlen keine thermisch instabilen Moleküle.From "Zeitschrift für Naturforschung", volume 36a, 1981, pages 1338 to 1339 and volume 35a, 1980, pages 1429 to 1430 and from the journal "Chemical Physics Letters", Vol. 77 No. 3, pages 448 to 451 in each case a method for generating pulsed molecular beams is known, but the molecular beams generated by this particular method do not contain any thermally unstable molecules.

Im einzelnen handelt es sich bei dem in der "Zeitschrift für Naturforschung", Bd. 36a, 1981, Seiten 1338 bis 1339 beschriebenen Verfahren um die Verdampfung einer flüchtigen Substanz, die bereits bei Raumtemperatur einen hohen Dampfdruck besitzt, nämlich um die Verdampfung von Benzol. Diese Substanz wird in das Trägergas, das im vorliegenden Falle Argon ist, hineinverdampft, und anschließend wird aus der so erhaltenen Mischung ein Molekularstrahl gebildet, wobei sich keinerlei Schwierigkeiten ergeben, worauf bereits weiter oben hingewiesen wurde. Für das in der Zeitschrift "Chemical Physics Letters", Vol. 77, Nr. 3, Seiten 448 bis 451 beschriebene Verfahren gilt das gleiche, wobei hier nur eine andere flüchtige Substanz, nämlich Diacetyl, verwendet wird; außerdem wind bei diesem Verfahren der gepulste Molekularstrahl mittels eines Magnetventils erzeugt. Im Prinzip gilt dasselbe auch für das Verfahren, das in der "Zeitschrift für Naturforschung", Band 35a, 1980, Seiten 1429 bis 1430 beschrieben ist, jedoch mit der Abweichung, daß hier die Substanz, mittels deren ein Molekularstrahl ausgebildet werden soll, erwärmt wird, wobei zum Überführen dieser Substanz, bei der es sich vorliegend um Anthracen handelt, in die Gasphase eine Erwärmung auf eine Temperatur erfolgt, die weit unterhalb der Zersetzungstemperatur liegt.Specifically, the process described in the "Zeitschrift für Naturforschung", vol. 36a, 1981, pages 1338 to 1339 is the evaporation of a volatile substance which has a high vapor pressure even at room temperature, namely the evaporation of benzene. This substance is evaporated into the carrier gas, which in the present case is argon, and then a molecular beam is formed from the mixture thus obtained, with no problems whatsoever, as has already been mentioned above. The same applies to the process described in the journal "Chemical Physics Letters", Vol. 77, No. 3, pages 448 to 451, only one other volatile substance, namely diacetyl, being used here; In addition, the pulsed molecular beam is generated by means of a solenoid valve in this process. In principle, the same also applies to the method described in the "Zeitschrift für Naturforschung", volume 35a, 1980, pages 1429 to 1430, but with the difference that here the substance by means of which a molecular beam is to be formed is heated , in order to convert this substance, which is anthracene in the present case, into the gas phase to a temperature which is far below the decomposition temperature.

Bei der Ausbildung eines Molekularstrahls aus dem Substanzdampf-Trägergas-Gemisch entstehen bei den Verfahren, wie sie in der "Zeitschrift für Naturforschung", Band 36a, 1981, Seiten 1338 bis 1339 und Band 35a, 1980, Seiten 1429 bis 1430 beschrieben sind, zwar, erst nachdem der Molekularstrahl erzeugt worden ist, diesem Molekularstrahl als Nebenprodukte Komplexe der erwähnten Substanz mit dem Trägergas. Diese Komplexe sind vor der Ausbildung des Molekularstrahls überhaupt nicht vorhanden, insbesondere nicht vor der Abkühlung durch die Expansion des Trägergasstrahls, sondern sie bilden sich erst infolge dieser starken Abkühlung. Diese Komplexe, bei denen es sich nicht um große, thermisch instabile Moleküle handelt, sind unter Normalbedingungen nicht existent und nur insofern interessant, als daran sehr schwache Van der Waals-Wechselwirkungskräfte untersucht werden können. Mit der vorliegenden Erfindung dagegen sollen Molekularstrahlen mit unter Normalbedingungen existenten großen, thermisch instabilen Molekülen erzeugt werden. Derartige Moleküle können sich niemals durch bloße Anlagerung, wie das bei den vorerwähnten Komplexen der Fall ist, erst im Molekularstrahl bilden, sondern sie müssen als solche in einen Molekularstrahl eingebracht werden. Schließlich sind in US-A-4 091 256 ein Verfahren und eine Einrichtung beschrieben, bei der einer Substanz soviel Energie zugeführt wird, daß sich die Substanz bis zu den einzelnen Atomen zersetzt und so einen Strahl neutraler Atome liefert. Große, thermisch instabile Moleküle können mit diesem Verfahren und dieser Einrichtung überhaupt nicht unzersetzt in die Gasphase übergeführt werden.When a molecular beam is formed from the substance vapor / carrier gas mixture, the processes described in the "Zeitschrift für Naturforschung", volume 36a, 1981, pages 1338 to 1339 and volume 35a, 1980, pages 1429 to 1430 result in the processes , only after the molecular beam has been generated, this molecular beam as by-products complexes of the substance mentioned with the carrier gas. These complexes are not present at all before the molecular beam is formed, in particular not before cooling due to the expansion of the carrier gas jet, but they only form as a result of this strong cooling. These complexes, which are not large, thermally unstable molecules, do not exist under normal conditions and are only interesting in that very weak Van der Waals interaction forces can be investigated. In contrast, the present invention is intended to generate molecular beams with large, thermally unstable molecules which exist under normal conditions. Such molecules can never be formed in the molecular beam by mere addition, as is the case with the aforementioned complexes, but must be introduced as such into a molecular beam. Finally, US-A-4 091 256 describes a method and a device in which so much energy is supplied to a substance that the substance decomposes down to the individual atoms and thus provides a beam of neutral atoms. Large, thermally unstable molecules cannot be converted into the gas phase at all without decomposition using this method and this device.

Unter einer nichtflüchtigen (nonvolatile) Substanz soll insbesondere eine Substanz verstanden werden, die unter Normalbedingungen (20°C und 1 bar) nichtflüchtig ist.A non-volatile substance should in particular be understood to mean a substance which is non-volatile under normal conditions (20 ° C. and 1 bar).

Bei der Temperatur, bei der nach dem Verfahren, das in der "Zeitschrift für Naturforschung", Band 36a, 1981, Seiten 1338 bis 1339 beschrieben ist, das Anthracen verdampft wird, liegt ein Gleichgewicht von festem Anthracen und Anthracendampf vor.At the temperature at which the anthracene is evaporated according to the method described in the "Zeitschrift für Naturforschung", volume 36a, 1981, pages 1338 to 1339, there is a balance of solid anthracene and anthracene vapor.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrudde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehedd weiterzubildeh, daß es möglich wird, große, thermisch instabile Moleküle, also Moleküle von dicht ohne Zersetzung verdampfbaren Substanzen, unversehrt und ast ausschließlich nicht ionisiert in einen Molekularstrahl zu bringen, der für spektroskopische Zwecke, insbesondere die Massenspektroskopie, nutzbar ist.In contrast, the invention is based on the object of further developing a method of the type mentioned at the beginning in such a way that it is possible to bring large, thermally unstable molecules, i.e. molecules of substances which can be vaporized without decomposition, undamaged and without being ionized into a molecular beam which is usable for spectroscopic purposes, in particular mass spectroscopy.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das eingangs genannte Verfahren dadurch gelöst, daß zum Erzeugen von Molekularstrahlen mit großen, thermisch instabilen fast ausschließlich nicht ionisierten Molekülen die Energie impulsförmig in einer solchen Höhe zugeführt wird, daß die Probensubstanz schneller verdampft als sich zersetzt, daß die Temperatur des Trägergasstrahles in einem Bereich des Strahles, in dem dieser zu expandieren beginnt, wesentlich geringer als die Zersetzungstemperatur der Probensubstanz eingestellt wird und daß die freigesetzten Moleküle der Probensubstanz unmittelbar in diesen Bereich des Trägergasstrahles gebracht werden.This object is achieved by the aforementioned method in that the energy is supplied in pulses at such a height that the sample substance evaporates faster than decomposes to generate molecular beams with large, thermally unstable, almost exclusively non-ionized molecules that the temperature of the Carrier gas jet in an area of the jet in which it begins to expand is set significantly lower than the decomposition temperature of the sample substance and that the released molecules of the sample substance are brought directly into this area of the carrier gas jet.

Die zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gemäß der eingangs genannten Einrichtung dadurch gelöst, daß zur Erzeugung eines Molekularstrahles, der große, thermisch instabile, fast ausschließlich nicht ionisierte Moleküle enthält, die Trägergaszufürungsvorrichtung das Trägergas der Gasstrahldüse stromaufwärts von letzterer mit einer Temperatur zuführt, die wesentlich geringer als die Zersetzungstemperatur der Probensubstanz ist, daß die Abdampfungs- und Mischkammer zumindest mit dem Teil, in dem die Beimischung der Moleküle zum Trägergas erfolgt, stromabwärts von der Austrittsöffnung der Gasstrahldüse, wo der Trägerstrahl zu expandieren beginnt, sowie benachbart zu derselben angeordnet ist und daß die für die Probenverdampfung vorgesehene Energiezuführungseinrichtung eine derart hohe Energie im Impulsbetrieb abgibt, daß mehr Probensubstanz verdampft wird als während der Inpulsdauer zersetzt wird.The underlying task is further solved according to the above-mentioned device in that, in order to generate a molecular beam which contains large, thermally unstable, almost exclusively non-ionized molecules, the carrier gas supply device supplies the carrier gas to the gas jet nozzle upstream of the latter at a temperature which is substantially lower than the decomposition temperature of the sample substance that the evaporation and mixing chamber is arranged at least with the part in which the molecules are mixed into the carrier gas, downstream of the outlet opening of the gas jet nozzle, where the carrier jet begins to expand, and adjacent to it, and that the energy supply device provided for the sample evaporation is arranged emits such high energy in pulse mode that more sample substance is evaporated than is decomposed during the pulse duration.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sollen unter thermisch instabilen Molekülen Moleküle von solchen Substanzen verstanden werden, deren Moleküle schon bei Temperaturen zerfallen, die weit unterhalb der Verdampfungstemperatur liegen. Diese Substanzen haben also einen Dampfdruck, der weit unterhalb desjenigen Dampfdruckes liegt, welcher erforderlich wäre, damit die Moleküle bei Raumtemperatur in die Gasphase übergehen. Unter "großen" Molekülen sollen im Rahmen der Erfindung insbesondere Moleküle verstanden werden, deren Molekulargewicht 100 oder mehr beträgt.In the context of the present invention, thermally unstable molecules are to be understood to mean molecules of those substances whose molecules already break down at temperatures which are far below the evaporation temperature. These substances therefore have a vapor pressure that is far below the vapor pressure that would be required for the molecules to go into the gas phase at room temperature. In the context of the invention, “large” molecules are to be understood in particular as molecules whose molecular weight is 100 or more.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Abdampfen der Moleküle also unter solchen Bedingungen, bei denen sich mehr unzersetzte Moleküle in der Gasphase befinden als es dem thermodynamischen Gleichgewicht bei der herrschenden Temperatur entspricht, während im Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts überhaupt keine unzersetzten Moleküle im Falle von Substanzen, die aus großen, thermisch instabilen Molekülen bestehen, vorhanden sind.In the process according to the invention, the molecules are evaporated off under conditions in which there are more undecomposed molecules in the gas phase than corresponds to the thermodynamic equilibrium at the prevailing temperature, while in the state of thermodynamic equilibrium no undecomposed molecules in the case of substances, consisting of large, thermally unstable molecules.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren und in der Einrichtung nach der Erfindung finden aufgrund der Konzeption der Erfindung zwei wesentliche Vorgänge in Kombination statt, wodurch die Erzeugung von Molekularstrahlen mit unzersetzten großen, thermisch instabilen Molekülen ermöglicht wird:

  • (1) Es wird eine sehr schnelle Verdampfung der Substanz durchgeführt, welche aus den großen, thermisch instabilen Molekülen besteht oder diese Moleküle enthält, und zwar erfolgt die Verdampfung so schnell, daß sich der Hauptteil der Moleküle hierbei nicht zersetzen kann. Ein solches sehr schnelles Verdampfen ist, wie weiter unten unter Bezugnahme auf die Figur 1 näher erläutert werden wird, an sich bekannt; es eröffnet jedoch allein noch nicht die Möglichkeit, die gewünschten Molekularstrahlen, welche die großen, thermisch instabilen Moleküle unzersetzt enthalten, zu erzeugen, weil die verdampften Moleküle infolge der bei der Verdampfung aufgenommenen Energie kurz nach der Verdampfung in der Gasphase zerfallen.
  • (2) Der zweite Vorgang besteht darin, daß die verdampften, thermisch instabilen Moleküle sofort nach ihrer Verdampfung einer Wärmeabführung im Trägergasstrahl ausgesetzt werden, indem sie dem expandierenden Trägergasstrahl, dessen Temperatur wesentlich geringer als die Abdampfungs- bzw. Zersetzungstemperatur der großen, thermisch instabilen Moleküle ist, beigemischt werden, und zwar werden sie in denjenigen Bereich des "kühlen" Trägergasstrahls eingeführt, in welchem dieser zu expandieren beginnt. Dadurch wird verhindert, daß diese thermisch instabilen Moleküle nicht nachträglich nach dem Übergang in die Gasphase zerfallen können. Die hierbei erfolgende "Stabilisierungskühlung" ist zu unterscheiden von der adiabatischen Kühlung, die erst später erfolgt und den ganz anderen Zweck hat, die zu untersuchenden Moleküle auf eine Untersuchungstemperatur von wenigen Grad Kelvin abzukühlen.
In the method according to the invention and in the device according to the invention, two essential processes take place in combination due to the conception of the invention, which enables the generation of molecular beams with undecomposed large, thermally unstable molecules:
  • (1) The substance, which consists of the large, thermally unstable molecules or contains these molecules, is evaporated very quickly, and the evaporation takes place so quickly that the majority of the molecules cannot decompose. Such a very rapid evaporation is known per se, as will be explained in more detail below with reference to FIG. 1; however, it alone does not open up the possibility of generating the desired molecular beams, which contain the large, thermally unstable molecules without decomposition, because the evaporated molecules decay shortly after the evaporation in the gas phase as a result of the energy absorbed during the evaporation.
  • (2) The second process consists in exposing the evaporated, thermally unstable molecules to heat dissipation in the carrier gas jet immediately after their evaporation, by exposing the expanding carrier gas jet to a temperature which is substantially lower than the evaporation or decomposition temperature of the large, thermally unstable molecules is admixed, namely they are introduced into the area of the "cool" carrier gas jet in which this begins to expand. This prevents these thermally unstable molecules from disintegrating after the transition to the gas phase. The "stabilization cooling" that occurs here is to be distinguished from the adiabatic cooling, which takes place only later and has the completely different purpose of cooling the molecules to be examined to an examination temperature of a few degrees Kelvin.

Es erscheint an dieser Stelle wichtig, darauf hinzuweisen, daß nach dem Stande der Technik, bei dem, wie bereits weiter oben erwähnt wurde, die Moleküle in der Trägergasatmosphäre, zum Beispiel in einer Argonatmosphäre, stromaufwärts von der Gasstrahldüse verdampft werden, das Trägergas infolge der Tatsache, daß es beim Vorgang einer thermischen Abdampfung der zu untersuchenden Moleküle gemeinsam mit diesen erhitzt wird, "heiß" ist und dadurch mit zur Zersetzung der thermisch instabilen Moleküle beiträgt. Erst nachdem sich das Trägergas und die verdampften Moleküle in der Abdampfungs-und Mischkammer im Falle einer thermischen Abdampfung bei verhältnismäßig hoher Temperatur vermischt haben, bei welcher Vermischung also thermisch instabile Moleküle zerfallen, selbst wenn ein gewisser Prozentsatz unzersetzt verdampft sein sollte, werden die zu untersuchenden Moleküle gemeinsam mit dem Trägergas durch die Gasstrahldüse expandiert. Infolgedessen ist es nach dem Stande der Technik tatsächlich nicht möglich, Molekularstrahlen zu erzeugen, die unzersetzte große, thermisch instabile Moleküle enthalten.It appears important at this point to point out that according to the prior art, in which, as already mentioned above, the molecules in the carrier gas atmosphere, for example in an argon atmosphere, are evaporated upstream of the gas jet nozzle, the carrier gas as a result of the The fact that during the process of thermal evaporation of the molecules to be examined is heated together with them, is "hot" and thus contributes to the decomposition of the thermally unstable molecules. Only after the carrier gas and the evaporated molecules have mixed in the evaporation and mixing chamber in the case of thermal evaporation at a relatively high temperature, during which mixing, that is, thermally unstable molecules disintegrate, even if a certain percentage should have evaporated without being decomposed Molecules expanded together with the carrier gas through the gas jet nozzle. As a result, it is actually not possible in the prior art to generate molecular beams that contain undecomposed large, thermally unstable molecules.

Im Gegensatz hierzu wird es durch die Erfindung ermöglicht, MMolekularstrahlen zu erzeugen, in denen die großen, thermisch instabilen Moleküle unzerstört für vielfältige Untersuchungen zur Verfügung stehen, insbesondere für die optische Spektroskopie, für die Reaktionskinetik, in der bekanntermaßen in weitem Umfang Molekularstrahlen zu Untersuchungszwecken angewandt werden, sowie für die Massenspektrometrie. Im Rahmen der Erfindung sollen unter "verdampfen" bzw. "Abdampfung" oder "Verdampfung" alle Artem des Überführens von Moleküllen in die Gasphase verstanden werden; dieses Überführen kann also sowohl vom festen Stoff, der die zu untersuchenden Moleküle enthält oder aus diesen Molekülen besteht, als auch von einer Oberfläche, an welcher die Moleküle angelagert oder adsorbiert sind, erfolgen. Vorzugsweise werden die großen, thermisch instabilen Moleküle mittels Laserstrahlung verdampft ; diese Art der Abdampfung hat den Vorteil, daß es damit besonders gut möglich ist, die sehr schnelle, bei relativ hoher Temperatur erfolgende Verdampfung der großen, thermisch instabilen Moleküle durchzuführen.In contrast to this, the invention makes it possible to generate MMolecular beams in which the large, thermally unstable molecules are available undamaged for a wide range of tests, in particular for optical spectroscopy, for reaction kinetics, in which molecular beams are known to be widely used for test purposes be, as well as for mass spectrometry. In the context of the invention, “evaporation” or “evaporation” or “evaporation” is to be understood to mean all types of converting molecules into the gas phase; this transfer can thus either from the solid substance containing the molecules to be examined or from These molecules exist, as well as from a surface on which the molecules are attached or adsorbed. The large, thermally unstable molecules are preferably vaporized by means of laser radiation; This type of evaporation has the advantage that it is particularly well possible to carry out the very rapid, relatively high temperature evaporation of the large, thermally unstable molecules.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die großen, thermisch instabilen Moleküle mittels Abdampfungsimpulsen jeweils in einen Trägergasstrahlimpuls verdampft werden. Auf diese Weise können die Moleküle gut untersucht werden, ohne daß die Substanz, aus der heraus sie verdampft werden, dauernd aufgeheizt und damit weitgehendst zersetzt wird; vielmehr wird immer nur die oberste Schicht der Substanz auf die hohe, zur schnellen Verdampfung dienenden Verdampfungstemperatur erhitzt.Another preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the large, thermally unstable molecules are each evaporated into a carrier gas jet pulse by means of evaporation pulses. In this way, the molecules can be well examined without the substance from which they are evaporated being continuously heated and thus largely decomposed; rather, only the top layer of the substance is always heated to the high evaporation temperature which serves for rapid evaporation.

Damit die großen, thermisch instabilen Moleküle unmittelbar in den am Beginn seiner Expansion befindlichen, verhältnismäßig kühlen Trägergasstrahl gelangen, nachdem sie in die Gasphase übergetreten sind, werden sie vorzugsweise von einer im wesentlichen parallel zur Achse des Trägergasstrahls verlaufenden, der Austrittsöffnung der Gasstrahldüse benachbarten Probenfläche verdampft, wobei diese Probenfläche trotzdem nicht in den Trägergasstrahl hineinragt, damit eine ungestörte Expansion des Trägergasstrahls ermöglicht wird.So that the large, thermally unstable molecules get directly into the relatively cool carrier gas jet at the beginning of its expansion after they have passed into the gas phase, they are preferably vaporized by a sample surface which runs essentially parallel to the axis of the carrier gas jet and is adjacent to the outlet opening of the gas jet nozzle , whereby this sample surface does not protrude into the carrier gas jet, so that an undisturbed expansion of the carrier gas jet is made possible.

Die weiter oben in ihrem grundsätzlichen Aufbau bereits angegebene Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, damit die großen, thermisch instabilen Moleküle sofort nach ihrem Eintritt in die Gasphase der erwähnten Stabilisierungskühlung ausgesetzt werden, vorzugsweise so ausgebildet, daß die Verdampfungsstelle von der Austrittsöffnung der Gasstrahldüse in einem Längsabstand, der kleiner als der oder gleich dem 20fachen effektiven Durchmesser der Austrittsöffnung ist, seitlich von der Austrittsöffnung angeordnet ist, wobei der Längsabstand derjenige entlang der Achse der Gasstrahldüse und der effektive Durchmesser der einer kreisförmigen Austrittsöffnung entsprechende Durchmesser ist. Wenn also die Austrittsöffnung der Gasstrahldüse einen ringförmigen Querschnitt hat, dann ist unter dem effektiven Durchmesser im vorstehenden Sinne der Durchmesser einer kreisförmigen Austrittsöffnung zu verstehen, welche flächenmäßig den gleichen Ausströmungsquerschnitt wie die ringförmige Austrittsöffnung hat.The device for carrying out the method according to the invention, which has already been specified above in its basic structure, is preferably designed such that the large, thermally unstable molecules are exposed to the stabilization cooling mentioned immediately after their entry into the gas phase, in such a way that the evaporation point in from the outlet opening of the gas jet nozzle a longitudinal distance, which is smaller than or equal to 20 times the effective diameter of the outlet opening, is arranged laterally from the outlet opening, the longitudinal distance being that along the axis of the gas jet nozzle and the effective diameter being the diameter corresponding to a circular outlet opening. If the outlet opening of the gas jet nozzle has an annular cross section, then the effective diameter in the above sense is to be understood as the diameter of a circular outlet opening which has the same outflow cross section in terms of area as the annular outlet opening.

Weiter ist, ebenfalls zu dem Zweck der Sicherstellung einer möglichst sofortigen Stabilisierungskühlung vorzugsweise die Verdampfungsstelle von der Achse der Gasstrahldüse in einem Querabstand angeordnet, der kleiner als der oder gleich dem 20-fachen, vorzugsweise kleiner als der oder gleich dem 10- fachen, effektiven Durchmesser der Austrittsöffnung ist.Furthermore, likewise for the purpose of ensuring stabilization cooling as immediately as possible, the evaporation point is preferably arranged at a transverse distance from the axis of the gas jet nozzle which is less than or equal to 20 times, preferably less than or equal to 10 times, the effective diameter the outlet opening is.

Es ist besonders zu bevorzugen, daß der Querabstand kleiner als die Hälfte des Längsabstands ist.It is particularly preferred that the transverse distance be less than half the longitudinal distance.

Die Einrichtung kann weiterhin so ausgebildet sein, daß die Abdampfungs- und Mischkammereinen stromabwärts an die Austrittsöffnung der Gasstrahldüse anschließenden, vorzugsweise zylindrischen Expansionskanal für den Trägergasstrahl aufweist, an oder in dessen Wandung die Abdampfungsstelle vorgesehen ist. Diese Abdampfungsstelle kann insbesondere in einem schräg, vorzugsweise senkrecht, zur Achse der Gasstrahldüse angeordneten Probenkanal vorgesehen sein, der in der seitlichen Wandung des Expansionskanals ausgebildet ist. Bei diesem Aufbau kann, wenn die Abdampfung durch Laserstrahlung erfolgt, in der seitlichen Wandung des Expansionskanals ein in der axialen Verlängerung des Probenkanals liegender Laserstrahlkanal ausgebildet sein. Die Entfernung der Probenoberfläche von der seitlichen Wandung des Expansionskanals ist bevorzugt kleiner als der oder gleich dem Durchmesser des Probenkanals, wobei der Probendurchmesser vorzugsweise gleich dem Durchmesser des Probenkanals ist.The device can furthermore be designed such that the evaporation and mixing chamber has a preferably cylindrical expansion channel for the carrier gas jet, downstream of the outlet opening of the gas jet nozzle, on or in the wall of which the evaporation point is provided. This evaporation point can in particular be provided in an obliquely, preferably perpendicularly, to the axis of the gas jet nozzle arranged sample channel which is formed in the side wall of the expansion channel. With this construction, if the evaporation takes place by means of laser radiation, a laser beam channel lying in the axial extension of the sample channel can be formed in the side wall of the expansion channel. The distance of the sample surface from the side wall of the expansion channel is preferably less than or equal to the diameter of the sample channel, the sample diameter preferably being equal to the diameter of the sample channel.

Die Erfindung sei nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 12 der Zeichnung anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform und der damit erzielten Versuchsergebnisse näher erläutert; es zeigen:

  • Figur 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen Verdampfung und Zersetzung von großen, thermisch instabilen Molekülen;
  • Figur 2 einen Längsschnitt durch eine Gasstrahldüse und einen Teil einer Abdampfungs- und Mischkammer, wie sie vorzugsweise zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung verwendet werden;
  • Figur 3 eine Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung mit den daran anschließenden Feldplatten eines Massenspektrometers, jedoch ohne die Einrichtung, mit welcher die Abdampfungsenergie zu der in der Abdampfungs- und Mischkammer befindlichen Probe zugeführt wird;
  • Figur 4 eine Ausführungsform der Einrichtung, mit der die Abdampfungsenergie erzeugt und zur Probe zugeführt wird; und
  • Figuren 5 bis 12 Untersuchungsergebnisse in Kurvenform, wie sie mittels des Verfahrens und der Einrichtung nach der Erfindung gewonnen worden sind.
The invention is explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 12 of the drawing using a particularly preferred embodiment and the test results achieved thereby; show it:
  • Figure 1 is a graphical representation to explain the relationship between evaporation and decomposition of large, thermally unstable molecules;
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a gas jet nozzle and part of an evaporation and mixing chamber, as are preferably used to carry out the method according to the invention;
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of a device according to the invention with the adjoining field plates of a mass spectrometer, but without the device with which the evaporation energy is supplied to the sample located in the evaporation and mixing chamber;
  • Figure 4 shows an embodiment of the device with which the evaporation energy is generated and supplied to the sample; and
  • Figures 5 to 12 examination results in the form of curves, as they have been obtained by means of the method and the device according to the invention.

Es sei zunächst auf Figur 1 Bezug genommen, worin der natürliche Logarithmus der Reaktionskonstanten k für die Zersetzung (Gerade 1) und für die Verdampfung (Gerade 11) schematisch in Abhängigkeit vom Kehrwert der absoluten Temperatur T dargestellt sind. Danach ist es, wie von R.J. Cotter in der Arbeit "Mass Spectrometry of Nonvolatile Compounds" ("Massenspektrometrie von nichtflüchtigen Verbindungen") in "Anal. Chem". 52 (1980) 1589A gezeigt wurde, so, daß bei großen, thermisch instabilen Molekülen die Verdampfung eine höhere Aktivierungsenergie besitzt als die Zersetzung, so daß also die Rate der Verdampfung mit der Temperatur schneller zunimmt als die der Zersetzung. Somit wird ab einer bestimmten Temperatur die Verdampfungsrate größer als die Zersetzungsrate, nämlich ab dem Schnittpunkt der beiden Geraden I und 11 nach höheren Temperaturen zu.Reference is first made to FIG. 1, in which the natural logarithm of the reaction constant k for the decomposition (straight line 1) and for the evaporation (straight line 11) is schematically dependent on the reciprocal of the absolute temperature T are shown. After that, it's like RJ Cotter's "Mass Spectrometry of Nonvolatile Compounds" in "Anal. Chem". 52 (1980) 1589A, so that for large, thermally unstable molecules, the evaporation has a higher activation energy than the decomposition, so that the rate of evaporation increases with temperature faster than that of the decomposition. Thus, from a certain temperature, the evaporation rate becomes greater than the decomposition rate, namely from the intersection of the two straight lines I and 11 to higher temperatures.

Geht man nun sehr schnell auf eine sehr hohe Temperatur, so werden die meisten Moleküle verdampfen, ehe sich genügend viel Energie in den inneren Schwingungsmoden angesammelt hat, die zur Dissoziation führen kann. Neben diesen beiden, neutrale Teilchen betreffenden Reaktionswegen gibt es verschiedene lonisierungswege, die u.a. zu den schon erwähnten energetisch günstigen "kationisierten" Spezies führen.If you go very quickly to a very high temperature, most of the molecules will evaporate before enough energy has accumulated in the internal vibration modes that can lead to dissociation. In addition to these two neutral pathways, there are various ionization pathways that include lead to the energetically favorable "cationized" species already mentioned.

Die Abdampfung bzw. Verdampfung thermisch instabiler Moleküle kann durch äußerst schnelle Aufheizung erfolgen, wie sie durch einen sehr kurzen Laserimpuls mit hoher Leistungsdichte bewirkt wird. Die Verteilung der Energie auf die drei Abdampfungsvorgänge Verdampfung, Zersetzung und Ionisation hängt bei Beschuß mit Laserstrahlung hauptsächlich von folgenden Faktoren ab: Laser-Energiedichte, Impulsdauer und Beschaffenheit der Probe. Der Einfluß der Laserwellenlänge auf den Abdampfungsprozeß scheint von untergeordneter Bedeutung zu sein; es ist jedoch nicht auszuschließen, daß probenspezifisch mit bestimmten Wellenlängen, zum Beispiel im Infrarot, besonders hohe Verdampfungsraten erzielt werden können (Resonanzdesorption). Von diesem Standpunkt aus ist dem C02-Laser (Wellenlänge 10,6 um) der Vorzug vor dem alternativen Neodym-YAG-Laser (Wellenlänge 1,06 um) zu geben, denn bei 10,6 µm besitzen die meisten großen organischen Moleküle Schwingungsbanden, was bei 1,06 µm nicht der Fall ist.The evaporation or evaporation of thermally unstable molecules can be done by extremely rapid heating, as is caused by a very short laser pulse with a high power density. The distribution of energy over the three evaporation processes, evaporation, decomposition and ionization, depends mainly on the following factors when bombarded with laser radiation: laser energy density, pulse duration and nature of the sample. The influence of the laser wavelength on the evaporation process seems to be of minor importance; However, it cannot be ruled out that particularly high evaporation rates can be achieved with specific wavelengths, for example in the infrared (resonance desorption). From this point of view, the C0 2 laser (wavelength 10.6 µm) should be preferred to the alternative neodymium YAG laser (wavelength 1.06 µm), because at 10.6 µm most large organic molecules have vibrational bands , which is not the case at 1.06 µm.

Ein Molekularstrahl ist ein gebündelter Strom von Molekülen, die sich im wesentlichen stoßfrei in einer Vorzugsrichtung bewegen. Die Stoßfreiheit ist zwar auch bei der freien Expansion ins Vakuum gegeben, aber hier fehlt im allgemeinen die Vorzugsrichtung. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die verdampften Moleküle einem Trägergasstrahl unmittelbar nach dessen Austritt aus einer gepulsten Gasstrahldüse beigemischt. Hierbei erfahren die noch "heißen" Moleküle zunächst Stöße mit den Trägergasatomen und werden somit durch eine "Stabilisierungskühlung" desaktiviert, so daß die Wahrscheinlichkeit eines nachfolgenden unimolekularen Zefalls stark abnimmt. Durch weitere adiabatische Expansion geht der anfängliche Düsenstrahl nach kurzer Laufstrecke in einen Molekularstrahl über.A molecular beam is a bundled stream of molecules that move in a preferred direction essentially without jolts. The freedom from bumps is also given for free expansion into a vacuum, but the preferred direction is generally missing here. In the method according to the invention, the vaporized molecules are admixed to a carrier gas jet immediately after it emerges from a pulsed gas jet nozzle. The "hot" molecules initially experience collisions with the carrier gas atoms and are thus deactivated by "stabilization cooling", so that the probability of a subsequent unimolecular decay is greatly reduced. Through further adiabatic expansion, the initial nozzle jet changes into a molecular jet after a short running distance.

Es sei nun anhand der Figuren 2 bis 4 eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung näher erläutert. Diese Einrichtung zum Erzeugen eines gepulsten, dotierten Molekularstrahls weist vor allem die folgenden vier Baueinheiten auf:

  • (1) eine Gasstrahldüse 1, die vorliegend in ihrer bevorzugten Ausführungsform als elektromagnetisch gepulstes Düsenventil ausgebildet ist und zum Erzeugen eines Trägergasstrahls, zum Beispiel eines Argonstrahls, dient;
  • (2) eine Abdampfungs- und Mischkammer 2 zur Beimischung der von einer Probe abgedampften Moleküle zu dem Trägergasstrahl; und
  • (3) eine Energiezuführungseinrichtung 3 zum Zuführen von Abdampfungsenergie zu der Abdampfungs-und Mischkammer 2, deren Hauptbauteil ein gepulster C02-Laser (TEA-Laser) ist; sowie
  • (4) eine Trägergaszuführungsvorrichtung 4 zum Zuführen des Trägergases zu der Gasstrahldüse 1; von dieser Trägergaszuführungsvorrichtung 4 ist in der Zeichnung, nämlich in Figur 3, nur der Anschlußstutzen dargestellt, über den das Trägergas zu der Gasstrahldüse 1 zugeführt wird.
A particularly preferred embodiment of a device according to the invention will now be explained in more detail with reference to FIGS. 2 to 4. This device for generating a pulsed, doped molecular beam has the following four main components:
  • (1) a gas jet nozzle 1, which in the present embodiment is designed as an electromagnetically pulsed nozzle valve and is used to generate a carrier gas jet, for example an argon jet;
  • (2) an evaporation and mixing chamber 2 for admixing the molecules evaporated from a sample to the carrier gas jet; and
  • (3) an energy supply device 3 for supplying evaporation energy to the evaporation and mixing chamber 2, the main component of which is a pulsed C0 2 laser (TEA laser); such as
  • (4) a carrier gas supply device 4 for supplying the carrier gas to the gas jet nozzle 1; of this carrier gas supply device 4, only the connection piece is shown in the drawing, namely in FIG. 3, via which the carrier gas is supplied to the gas jet nozzle 1.

Mittels dieser vier Baueinheiten, deren dargestellte bevorzugte Ausführungsformen weiter unten näher erläutert sind, wird ein Molekularstrahl erzeugt, von dem nur die Achse 5 dargestellt ist, die gleichzeitig die Achse der Gasstrahldüse 1 und demgemäß auch des daraus austretenden Trägergasstrahls sowie die Achse des aus dem Trägergasstrahl und den in diesen hinein verdampften Molekülen bestehenden Mischgasstrahls ist, aus dem nach der adiabatischen Expansion der Molekularstrahl wird.Using these four structural units, the preferred embodiments of which are illustrated in more detail below, a molecular beam is generated, of which only the axis 5 is shown, which at the same time the axis of the gas jet nozzle 1 and accordingly also the carrier gas jet emerging therefrom and the axis of the carrier gas jet and the mixed gas jet existing in these evaporated molecules, which after adiabatic expansion becomes the molecular jet.

Zum Nachweis der Eigenschaften des Molekularstrahls ist vorliegend ein Flugzeit-Massenspektrometer mit Laser-Multiphoton-Ionisation vorgesehen, von dem im unteren Teil der Figur 3 einige Feldplatten und ein Teil des Driftrohrs angedeutet sind. Der ionisierende Laser ist ein abstimmbarer Farbstofflaser, der von einem Q-geschalteten Neodym-YAG-Laser gepumpt wird.To demonstrate the properties of the molecular beam, a time-of-flight mass spectrometer with laser multiphoton ionization is provided in the present case, of which some field plates and part of the drift tube are indicated in the lower part of FIG. 3. The ionizing laser is a tunable dye laser that is pumped by a Q-switched neodymium-YAG laser.

Der Impulsbetrieb des Düsenstrahls (so wird hier der gesamte Strahl bezeichnet, der vom Trägergasstrahl über den Mischgasstrahl zum Molekularstrahl wird) ist kein absolut notwendiges Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens, er ist aber zur Aufrechterhaltung eines ausreichenden Vakuums mit vertretbarem Pumpaufwand von äußerst wichtiger praktischer Bedeutung. Ein kontinuierlicher Trägergasstrahl, beispielsweise aus Argon, hätte hier wegen der gepulsten Abdampfung ohnehin keinen praktischen Sinn. Wichtig für das Funktionieren des Verfahrens ist eine genaue zeitliche Korrelation des Düsenstrahls, des Abdampfungs-Laserimpulses und des lonisations-Laserimpulses, die durch elektronische Standardschaltungen durchgeführt wird.The impulse operation of the nozzle jet (this is how the entire jet is called here, which becomes the carrier gas jet via the mixed gas jet to the molecular jet) is not an absolutely necessary feature of the method according to the invention, but it is of extremely important practical importance for maintaining a sufficient vacuum with a reasonable pumping effort. A continuous jet of carrier gas, for example made of argon, would have no practical meaning here anyway because of the pulsed evaporation. Important for the functioning of the method is an exact temporal correlation of the nozzle jet, the evaporation laser pulse and the ionization laser pulse, which by electronic Standard circuits are carried out.

Es seien nun nachstehend die einzelnen Baueinheiten näher erläutert und anschließend daran beispielsweise bauliche Abmessungen sowie bevorzugte optimierte Betriebsdaten angegeben.The individual structural units are now explained in more detail below and, for example, structural dimensions and preferred optimized operating data are then given.

Als erstes sei die Gasstrahldüse anhand der Figuren 2 und 3 in Einzelheiten beschrieben:The gas jet nozzle is first described in detail with reference to FIGS. 2 and 3:

Die Gasstrahldüse 1 ist als Düsenventil ausgebildet, und zwar ist es im vorliegenden Fall ein kommerzielles elektromagnetisch betriebenes Ventil der Firma Bosch, das ursprünglich für den Betrieb von Treibstoff-Einspritzmotoren bestimmt war. Dieses Düsenventil besitzt eine ringförmige Austrittsöffnung 6, die innen von einem zylindrischen Ende eines Ventilstößels 7 und außen von einer zylindrischen Öffnung eines Ventilsitzzylinders 8 begrenzt ist. Nach dem Inneren der Gasstrahldüse 1 zu schließt sich an das zylindrische Ende des Ventilstößels 7 eine konische Ventilfläche 9 an, die mit einer komplementären konischen Ventilsitzfläche 10 zusammenwirkt, welche sich an die zylindrische Öffnung des Ventilsitzzylinders 8 anschließt. Das Düsenventil ist so umgearbeitet, daß der Ventilsitzzylinder 8 frei zugänglich und mit einem Außengewinde 11 zum Aufschrauben der Abdampfungs- und Mischkammer 2 versehen ist.The gas jet nozzle 1 is designed as a nozzle valve, and in the present case it is a commercial electromagnetically operated valve from Bosch, which was originally intended for the operation of fuel injection engines. This nozzle valve has an annular outlet opening 6 which is delimited on the inside by a cylindrical end of a valve tappet 7 and on the outside by a cylindrical opening of a valve seat cylinder 8. After the interior of the gas jet nozzle 1, a conical valve surface 9 adjoins the cylindrical end of the valve tappet 7, which cooperates with a complementary conical valve seat surface 10 which adjoins the cylindrical opening of the valve seat cylinder 8. The nozzle valve is reworked so that the valve seat cylinder 8 is freely accessible and is provided with an external thread 11 for screwing on the evaporation and mixing chamber 2.

In der vorliegenden Ausführungsform hat die ringförmige Austrittsöffnung 6 eine radiale Ringbreite von etwa 0,1 mm und einen äußeren Ringdurchmesser von etwa 1 mm, so daß ein entsprechender ringförmiger Trägergasstrahl erzeugt wird. Der Abstand zwischen der Ventilfläche 9 und der Ventilsitzfläche 10 im geöffneten Zustand des Düsenventils beträgt etwa 0,1 mm. Das Düsenventil wird elektromagnetisch so betrieben, daß ein Trägergasimpuls von ca. 1 msec Dauer mit An-und Abstiegsflanken von etwa 200 µsec entsteht. Das wird durch elektrische Impulse von 500 JlSec erreicht, die auf die Magnetwicklung des Düsenventils gegeben werden.In the present embodiment, the annular outlet opening 6 has a radial ring width of approximately 0.1 mm and an outer ring diameter of approximately 1 mm, so that a corresponding ring-shaped carrier gas jet is generated. The distance between the valve surface 9 and the valve seat surface 10 when the nozzle valve is open is approximately 0.1 mm. The nozzle valve is operated electromagnetically so that a carrier gas pulse of approximately 1 msec duration with rising and falling edges of approximately 200 µsec is produced. This is achieved by electrical impulses of 500 JlS ec, which are applied to the magnetic winding of the nozzle valve.

Als nächstes sei ebenfalls anhand der Figuren 2 und 3 die Abdampfungs- und Mischkammer 2 näher erläutert, die, zumindest hinsichtlich ihres wesentlichen Teils, in dem die Abdampfung und Mischung stattfindet, stromabwärts von der Austrittsöffnung 6 der Gasstrahldüse 1 sowie benachbart dieser Austrittsöffnung angeordnet ist:Next, the evaporation and mixing chamber 2 will also be explained in more detail with reference to FIGS. 2 and 3, which, at least with regard to its essential part in which the evaporation and mixing takes place, is arranged downstream of the outlet opening 6 of the gas jet nozzle 1 and adjacent to this outlet opening:

Die Abdampfungs- und Mischkammer 2 weist einen zylindrischen Expansionskanal 12 für den Trägergasstrahl auf, dessen Achse mit der Achse 5 des Düsenstrahls zusammenfällt und der eine erweiterte, stromabwärtige Verlängerung der Austrittsöffnung 6 der Gasstrahldüse 1 bildet sowie mit seinem einen Ende direkt an die Austrittsöffnung 6 anschließt. Das andere Ende des Expansionskanals 12 geht zur weiteren Expansion des Düsenstrahls ins Vakuum über.The evaporation and mixing chamber 2 has a cylindrical expansion channel 12 for the carrier gas jet, the axis of which coincides with the axis 5 of the nozzle jet and which forms an enlarged, downstream extension of the outlet opening 6 of the gas jet nozzle 1 and connects one end directly to the outlet opening 6 . The other end of the expansion channel 12 merges into a vacuum for further expansion of the jet.

An oder in der Wandung des Expansionskanals 12 ist die Abdampfungsstelle 13 vorgesehen, die im vorliegenden Falle von der Oberfläche einer zu einer Pille gepreßten Probe 14 gebildet wird. Diese Abdampfungsstelle 13 ist in einem senkrecht zur Achse 5 der Gasstrahldüse 1 angeordneten Probenkanal 15 vorgesehen, der in der seitlichen Wandung des Expansionskanals 12 ausgebildet ist.On or in the wall of the expansion channel 12, the evaporation point 13 is provided, which in the present case is formed by the surface of a sample 14 pressed into a pill. This evaporation point 13 is provided in a sample channel 15 which is arranged perpendicular to the axis 5 of the gas jet nozzle 1 and is formed in the lateral wall of the expansion channel 12.

Weiterhin besitzt die Abdampfungs- und Mischkammer 2 einen Laserstrahlkanal 16, der ebenfalls in der seitlichen Wandung des Expanisionskanals 12 ausgebildet ist, und zwar in der axialen Verlängerung des Probenkanals 15 auf der letzterem gegenüberliegenden Seite des Expansionskanals 12. Durch diesen Laserstrahlkanal 16 wird, wie weiter unten anhand der Figur 4 erläutert ist, die Abdampfungsenergie zugeführt.Furthermore, the evaporation and mixing chamber 2 has a laser beam channel 16, which is likewise formed in the lateral wall of the expansion channel 12, specifically in the axial extension of the sample channel 15 on the side of the expansion channel 12 opposite the latter is explained below with reference to Figure 4, the evaporation energy supplied.

Damit eine ungestörte Expansion des Trägergasstrahls im Expansionskanal 12 erfolgen kann, ist der Durchmesser des letzteren wesentlich größer als der äußere Durchmesser der Austrittsöffnung 6. Damit die Moleküle von der Probe 14 zum Zwecke der Stabilisierungskühlung möglichst unmittelbar in den expandierenden Trägergasstrahl sowie in einen Bereich des letzteren, der dem Beginn der Expansion möglichst nähe ist, verdampft werden, sind vorzugsweise folgende Bedingungen erfüllt:

  • (1) Der Längsabstand a der Abdampfungsstelle 13 von der Austrittsöffnung 6 der Gasstrahldüse 1 ist kleiner als der oder gleich dem 20-fachen effektiven Durchmesser der Austrittsöffnung 6. Hierbei ist unter dem Längsabstand a der Abstand zwischen der Austrittsöffnung 6 und dem Projektionspunkt P der Mitte M der Abdampfungsstelle 13 auf die Achse 5 des Düsenstrahls zu verstehen. Der Begriff des effektiven Durchmessers der Austrittsöffnung 6 wurde weiter oben bereits erläutert.
  • (2) Der Querabstand b der Abdampfungsstelle 13 von der Achse 5 des Düsenstrahls ist kleiner als der oder gleich dem 20-fachen, vorzugsweise kleiner als der oder gleich dem 10-fachen, effektiven Durchmesser der Austrittsöffnung 6.
  • (3) Der Querabstand b ist vorzugsweise kleiner als die Hälfte des Längsabstands a.
  • (4) Die Entfernung c der Abdampfungsstelle 13 von der seitlichen Wandung des Expansionskanals 12 ist kleiner als der oder gleich dem Durchmesser d des Probenkanals 15, der vorzugsweise im gesamten Querschnitt von der Probe 13 ausgefüllt wird.
So that an undisturbed expansion of the carrier gas jet can take place in the expansion channel 12, the diameter of the latter is substantially larger than the outer diameter of the outlet opening 6. So that the molecules from the sample 14 for stabilization cooling are as directly as possible into the expanding carrier gas jet and into an area of the latter , which is as close as possible to the beginning of the expansion, the following conditions are preferably met:
  • (1) The longitudinal distance a of the evaporation point 13 from the outlet opening 6 of the gas jet nozzle 1 is less than or equal to 20 times the effective diameter of the outlet opening 6. Here, the distance between the outlet opening 6 and the projection point P is the center under the longitudinal distance a M to understand the evaporation point 13 on the axis 5 of the jet. The concept of the effective diameter of the outlet opening 6 has already been explained above.
  • (2) The transverse distance b of the evaporation point 13 from the axis 5 of the jet is less than or equal to 20 times, preferably less than or equal to 10 times the effective diameter of the outlet opening 6.
  • (3) The transverse distance b is preferably less than half the longitudinal distance a.
  • (4) The distance c of the evaporation point 13 from the side wall of the expansion channel 12 is less than or equal to the diameter d of the sample channel 15, which is preferably filled in by the sample 13 in its entire cross section.

In der vorliegenden Ausführungsform besteht die Abdampfungs- und Mischkammer 2 aus einem zylindrischen Block aus Edelstahl, der eine zum Expansionskanal 12 konzentrische Gewindebohrung 17 hat, mittels deren er auf das Außengewinde 11 des Ventilsitzzylinders 8 aufgeschraubt ist. Bevorzugte Abmessungen dieses zylindrischen Blocks, des Expansionskanals 12 sowie des von dem Expansionskanal an der Außenseite des zylindrischen Blocks durchgehenden Probenkanals 15 und Laserstrahlkanals 16 sind folgende:

Figure imgb0001
In the present embodiment, the evaporation and mixing chamber 2 consists of a cylindrical block made of stainless steel, which has a threaded bore 17 which is concentric with the expansion channel 12 and by means of which it is screwed onto the external thread 11 of the valve seat cylinder 8. Preferred dimensions of this cylindrical block, of the expansion channel 12 and of the sample channel 15 and laser beam channel 16 passing through from the expansion channel on the outside of the cylindrical block are as follows:
Figure imgb0001

Es sei darauf hingewiesen, daß die Abdampfungs- und Mischkammer 2 in der Weise abgewandelt sein kann, daß an der Stelle der gepreßten probe 14 ein mit der Probensubstanz beschichtetes Band, das zum Beispiel aus Kupfer oder Teflon etc. bestehen kann, an dem durch den Laserstrahlkanal 16 einwirkenden Abdampfungs-Laserstrahl 18 (siehe Figur 4) vorbeigeführt wird, so daß dadurch die dem Abdampfungs-Laserstrahl ausgesetzte Oberfläche ständig erneuert werden kann, indem das Band kontinuierlich oder schrittweise weiterbewegt wird; diese Ausführungsform ist jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt.It should be noted that the evaporation and mixing chamber 2 can be modified in such a way that, at the location of the pressed sample 14, a strip coated with the sample substance, which can be made of copper or Teflon, etc., on which the Evaporation laser beam 18 acting on the laser beam channel 16 (see FIG. 4) is guided past, so that the surface exposed to the evaporation laser beam can thereby be constantly renewed by continuously or stepwise moving the belt; however, this embodiment is not shown in the drawing.

Nunmehr sei die Energiezuführungseinrichtung 3 näher beschrieben, mit der die großen, thermisch instabilen Moleküle bei einer Temperatur verdampft werden, bei der die Verdampfungsrate dieser Moleküle größer als deren Zersetzungsrate ist:The energy supply device 3, with which the large, thermally unstable molecules are vaporized at a temperature at which the vaporization rate of these molecules is greater than their decomposition rate, will now be described in more detail:

Diese Energiezuführungseinrichtung 3 umfaßt als Energiequelle einen Laser 19, der im vorliegenden Falle ein gepulster C02-TEA-Laser ist, welcher bei einem Strahlquerschnitt von 2,3 x 2,5 cm Abdampfungs-Laserstrahlimpulse von 0,3 J/cm2 und 1 µsec Dauer liefert. Die Wiederholungsfrequenz ist im Bereich von 0 bis 10 Impulse/Sekunde variabel. Der Abdampfungs-Laserstrahl 18 wird, wie in der nicht maßstabsgerechten Zeichnung der Figur 4 dargestellt ist, unmittelbar nach seinem Austritt aus dem Laser 19 durch einen ersten goldbeschichteten, ebenen Umlenkspiegel 20 um 90° umgelenkt und über eine erste Irisblende 21 auf einen zweiten ebenen goldbeschichteten Umlenkspiegel 22 sowie über eine zweite Irisblende 23 und einen dritten ebenen goldbeschichteten Umlenkspiegel 24 auf einen ebenfalls goldbeschichteten Hohlspiegel 25 gelenkt. Die beiden variablen Irisblenden 21 und 23 sind zur Abschwächung des Abdampfungs-Laserstrahls 18 vorgesehen, und zwar ist, wie die Figur 4 zeigt, eine Irisblende 21 unmittelbar am Ausgang des Lasers 19 und die andere Irisblende 23 in der Nähe des dritten Umlenkspiegels 24 angebracht.This energy supply device 3 comprises as energy source a laser 19, which in the present case is a pulsed CO 2 TEA laser, which has a laser cross-section of 0.3 J / cm 2 and 1 with a beam cross section of 2.3 x 2.5 cm µsec duration delivers. The repetition frequency is variable in the range from 0 to 10 pulses / second. The evaporation laser beam 18, as shown in the not to scale drawing of FIG. 4, is deflected by 90 ° immediately after it emerges from the laser 19 by a first gold-coated, flat deflecting mirror 20 and via a first iris diaphragm 21 to a second flat gold-coated Deflecting mirror 22 and a second iris diaphragm 23 and a third flat gold-coated deflecting mirror 24 are directed onto a concave mirror 25, which is also gold-coated. The two variable iris diaphragms 21 and 23 are provided to attenuate the evaporation laser beam 18, namely, as shown in FIG. 4, an iris diaphragm 21 is attached directly to the output of the laser 19 and the other iris diaphragm 23 is located in the vicinity of the third deflection mirror 24.

Mittels des Hohlspiegels 25 wird der Abdampfungs-Laserstrahl 18 durch ein Fenster 26 in das Innere des die Abdampfungs- und Mischkammer enthaltenden Vakuumraums 27 sowie durch den Laserstrahlkanal 16 auf die Abdampfungsstelle 13, d.h. auf die Oberfläche der Probe 14, konzentriert. Es ist jedoch zu beachten, daß sich die Probe 14 nicht genau im Brennpunkt des Hohlspiegels 25 befindet. Vielmehr kann der Abstand des Hohlspiegels 25 von der Abdampfungsstelle 13 verändert werden, und durch diese Änderung kann die Energiedichte des auf die Oberfläche der Probe 14 auftreffenden Abdampfungs-Laserstrahls 18 in einfacher Weise variiert werden.By means of the concave mirror 25, the evaporation laser beam 18 is directed through a window 26 into the interior of the vacuum space 27 containing the evaporation and mixing chamber and through the laser beam channel 16 onto the evaporation point 13, i.e. concentrated on the surface of the sample 14. However, it should be noted that the sample 14 is not exactly in the focal point of the concave mirror 25. Rather, the distance of the concave mirror 25 from the evaporation point 13 can be changed, and this change allows the energy density of the evaporation laser beam 18 impinging on the surface of the sample 14 to be varied in a simple manner.

Es seien nachstehend bevorzugte Daten der Energiezuführungseinrichtung nach Figur 4 angegeben:

Figure imgb0002
Preferred data of the energy supply device according to FIG. 4 are given below:
Figure imgb0002

Um den erhaltenen Molekularstrahl in dem bereits erwähnten Flugzeit-Massenspektrometer zu untersuchen, muß dieser ionisiert werden, was an der in Figur 3 mit A bezeichneten Stelle mittels eines lonisierungs-Laserstrahls 28 geschieht, der in Figur 3 in der Zeichnungsebene angedeutet ist, jedoch tatsächlich senkrecht zur Zeichnungsebene verläuft. Zum Erzeugen dieses lonisierungs-Laserstrahls 28 dient ein Neodym-YAG-Farbstoff-Lasersystem der Firma Quanta Ray. Dieses Lasersystem arbeitet optimal bei einer Impulswiederholungsfrequenz von 10 Hertz und liefert Impulse von ca. 10 nsec Dauer. Neben der Grundwellenlänge des YAG-Lasers, die bei 1064 nm liegt und deren Harmonischen, die bis zur vierten Harmonischen gehen, welche bei 266 nm liegt, kann durch geeignete Farbstoffwahl sowie Verdopplung und Frequenzmischung der gesamte Bereich von ca. 800 bis 240 nm überdeckt werden. Der lonisierungs-Laserstrahl 28 wird mittels einer nichtdargestellten Linse, die vorzugsweise eine Brennweite von 20 cm oder 50 cm hat, auf den Schnittpunkt A des Molekularstrahls mit der ionenoptischen Achse 29 des Flugzeit-Massenspektrometers fokussiert. Dieser Schnittpunkt A befindet sich in der vorliegenden Ausführungsform in einer Entfernung r von 2,7 cm von der Austrittsöffnung 6 für den Trägergasstrahl.In order to examine the molecular beam obtained in the already mentioned time-of-flight mass spectrometer, it has to be ionized, which is done at the point designated by A in FIG. 3 by means of an ionization laser beam 28, which is indicated in the plane of the drawing in FIG runs to the drawing level. A neodymium-YAG dye laser system from Quanta Ray is used to generate this ionization laser beam 28. This laser system works optimally at a pulse repetition frequency of 10 Hertz and delivers pulses of approx. 10 nsec duration. In addition to the basic wavelength of the YAG laser, which is at 1064 nm and its harmonics, which go up to the fourth harmonic, which is at 266 nm, the entire range from approx. 800 to 240 nm can be covered by suitable choice of dye as well as doubling and frequency mixing . The ionization laser beam 28 is focused on the intersection A of the molecular beam with the ion-optical axis 29 of the time-of-flight mass spectrometer by means of a lens, not shown, which preferably has a focal length of 20 cm or 50 cm. In the present embodiment, this intersection point A is at a distance r of 2.7 cm from the outlet opening 6 for the carrier gas jet.

In Figur 3 sind die Feldplatten 30 bis 33 und ein Teil des Driftrohrs 34 eines Flugzeit-Massenspektrometers herkömmlicher Bauart angedeutet, die ein Zugfeld zur Extraktion der im Schnittpunkt A erzeugten lonen, eine Einzellinse und einen Driftraum bilden, wobei letzterer durch Lochblenden 35, 36 und 37, die in den Feldplatten 31, 32 und 33 vorgesehen sind, von dem Molekularstrahl getrennt ist. Die Lochblenden 35, 36 und 37 haben beispielsweise einen Durchmesser s von jeweils 5 mm. Am Ende der Driftstrecke, die zum Beispiel 25 cm beträgt, befindet sich ein nichtdargestellter Sekundärelektronenvervielfacher. Der Nachweis der Ionen geschieht über einen Vorverstärker wahlweise auf einem schnellen Oszillographen oder einem TRANSIENT DIGITIZER (Tectronix), der ein Gerät ist, welches sehr schnell (Nanosekunden bis Picosekunden) ablaufende Vorgänge registriert und digitalisiert.In Figure 3, the field plates 30 to 33 and a part of the drift tube 34 of a time-of-flight mass spectrometer of conventional design are indicated, which form a pull field for extracting the ions generated at the intersection point A, a single lens and a drift space, the latter through pinholes 35, 36 and 37, which are provided in the field plates 31, 32 and 33, of the Molecular beam is separated. The perforated diaphragms 35, 36 and 37 have a diameter s of 5 mm, for example. At the end of the drift path, which is, for example, 25 cm, there is a secondary electron multiplier (not shown). The ions are detected via a preamplifier either on a fast oscillograph or on a TRANSIENT DIGITIZER (Tectronix), which is a device that registers and digitizes very fast processes (nanoseconds to picoseconds).

Der Molekularstrahlraum hat ein Puffervolumen von ca. 6 I, damit der Kammerdruck bei jedem Gasimpuls momentan nicht so stark ansteigt; er wird mit einer Roots-Pumpe mit einer Saugleistung von 1000 m3/h und mit einer geeigneten Vorpumpe auf einem mittleren Druck von ca. 1,3 µbar gehalten. Der Druck im Driftraum wird durch eine Diffusionspumpe unterhalb von 0,013 ubar gehalten.The molecular beam space has a buffer volume of approx. 6 l, so that the chamber pressure does not increase so much at the moment with each gas pulse; it is kept at a mean pressure of approx. 1.3 µbar with a Roots pump with a suction capacity of 1000 m 3 / h and with a suitable backing pump. The pressure in the drift chamber is kept below 0.013 ubar by a diffusion pump.

Wie die Figur 3 außerdem zeigt, ist die Gasstrahldüse 1 als Baueinheit in eine im wesentlichen hohlzylindrische Fassung 38 eingeschraubt, die ihrerseits über einen damit einstückigen Flansch 39 und einen Abstandsring 40 sowie Dichtungen 41, 42 an einem größeren Flansch 43 befestigt ist, der an einem rohrförmigen Teil 44 (siehe Figur 4) vorgesehen ist. Dieser rohrförmige Teil, der in Figur 3 nicht dargestellt ist, befindet sich seitlich im Abstand von der Abdampfungs- und Mischkammer 2 und trägt über eine entsprechende Halterung 45 das Fenster 26.As FIG. 3 also shows, the gas jet nozzle 1 is screwed as a unit into an essentially hollow cylindrical socket 38, which in turn is attached to a larger flange 43 which is attached to a larger flange 43 and a spacer ring 40 and seals 41, 42 tubular part 44 (see Figure 4) is provided. This tubular part, which is not shown in FIG. 3, is located laterally at a distance from the evaporation and mixing chamber 2 and supports the window 26 via a corresponding holder 45.

Schließlich seien nachstehend anhand der Figuren 5 bis 12 Testversuche, die mit dem Verfahren und der Einrichtung nach der Erfindung durchgeführt wurden, und deren Ergebnisse angegeben:Finally, the following are given below with reference to FIGS. 5 to 12 test tests which were carried out with the method and the device according to the invention and the results thereof:

Die Erzeugung eines Molekularstrahls wurde mit drei verschiedenen Substanzen nachgewiesen:

  • (1) Anthrazen
  • (2) Retinal (Vitamin A-Aldehyd) und
  • (3) Tryptophan (eine Aminosäure)
The generation of a molecular beam has been demonstrated with three different substances:
  • (1) anthracene
  • (2) retinal (vitamin A aldehyde) and
  • (3) tryptophan (an amino acid)

Die Meßkurv en der Figuren 7 bis 12 sind der Nachweis dafür, daß thermisch instabile Moleküle tatsächlich unzerstört in einen Molekularstrahl übergeführt werden konnten.The measurement curves in FIGS. 7 to 12 are proof that thermally unstable molecules could actually be converted into a molecular beam without being destroyed.

Das Anthrazen wurde im Molekularstrahl sowohl durch Fluoreszenz als auch durch ein Massenspektrum nachgewiesen.The anthracene was detected in the molecular beam by both fluorescence and a mass spectrum.

Figur 5 zeigt ein Resonanzfluoreszenzspektrum beim 0-0 Übergang in den 1. angeregten Elektronenzustand des Anthrazens.FIG. 5 shows a resonance fluorescence spectrum in the 0-0 transition to the first excited electron state of the anthracene.

Typische Versuchsbedingungen waren:Typical test conditions were:

Verzögerung zwischen Ventilöffnung und YAG-Laser: 1,3 msec, Verzögerung zwischen C02 -Laser und YAG-Laser: 500 µsec, Argondruck 0,5 bar, Photonmultiplier-Spannung: 1800 V, Leistungsdichte des C02 -Lasers: ca. 1 MW/cm2. Die schmale Bande - ca. 0,1 nm breit - ist charakteristisch für ein auf wenige K gekühltes Molekül.Delay between valve opening and YAG laser: 1.3 msec, delay between C0 2 laser and YAG laser: 500 µsec, argon pressure 0.5 bar, photon multiplier voltage: 1800 V, power density of the C0 2 laser: approx. 1 MW / cm 2 . The narrow band - approx. 0.1 nm wide - is characteristic of a molecule cooled to a few K.

Die folgenden Abbildungen (Figuren 6 bis 11) zeigen Massenspektren, die unter folgenden Bedingungen aufgenommen wurden:The following figures (Figures 6 to 11) show mass spectra that were recorded under the following conditions:

Verzögerung zwischen Ventilöffnung und YAG-Laser: 880 µsec, Verzögerung zwischen C02-Laser und YAG-Laser: 350 µsec, Leistungsdichte des C02-Lasers auf der Probe: ca. 1,2 MW/cm2, Argondruck 0,3 - 0,4 bar, Elektronenvervielfacher: 3000 V.Delay between valve opening and YAG laser: 880 µsec, delay between C0 2 laser and YAG laser: 350 µsec, power density of the C0 2 laser on the sample: approx. 1.2 MW / cm 2 , argon pressure 0.3 - 0.4 bar, electron multiplier: 3000 V.

Die Substanz war als Preßling in den Probenkanal der Abdampfungskammer eingebracht.The substance was introduced as a compact in the sample channel of the evaporation chamber.

Figur 6 zeigt ein Massenspektrum von Anthrazen. Es enthält im wesentlichen die Muttermasse sowie einen Eichpeak von Toluol, das dem Argon in Spuren beigemischt wurde. Die Wellenlänge des lonisierungslasers war 266 nm. Es sei darauf hingewiesen, daß ein Anthrazenmolekül an sich kein thermisch instabiles Molekül ist, vielmehr ist Anthrazen nur als Beispiel für das Funktionieren der adiabatischen Kühlung gewählt worden; es wurde daran festgestellt, daß diese adiabatische Kühlung auch bei Einführung der Moleküle in das Trägergas stromabwärts von der Gasstrahldüse funktioniert.Figure 6 shows a mass spectrum of anthracene. It essentially contains the mother mass and a calibration peak of toluene, which has been mixed in trace amounts with the argon. The wavelength of the ionization laser was 266 nm. It should be noted that an anthracene molecule is not a thermally unstable molecule per se, rather anthracene has only been chosen as an example for the functioning of adiabatic cooling; It was found that this adiabatic cooling works even when the molecules are introduced into the carrier gas downstream of the gas jet nozzle.

In Figur 7 erscheinen zugleich die Muttermassen von Retinal, Anthrazen und Toluol. Die letzteren beiden waren noch von dem vorhergehenden Versuch her vorhanden. Daneben erscheint ein Peak bei Masse 35, der wahrscheinlich von der Fragmentierung des Retinals herrührt. Die Wellenlänge des lonisierungslasers war 266 nm.The mother masses of retinal, anthracene and toluene also appear in FIG. The latter two were still present from the previous attempt. Next to it, a peak appears at mass 35, probably due to fragmentation of the retinal. The wavelength of the ionization laser was 266 nm.

Ein Spektrum, in dem fast nur noch das Mutterion des Retinals erscheint, zeigt Figur 8. Hier war die Abdampfungskammer gründlich gereinigt und mit einer frischen Retinalprobe gefüllt worden. Die eingestrahlte Wellenlänge war wiederum 266 nm, jedoch mit kleinerer Intensität als in Figur 7.Figure 8 shows a spectrum in which almost only the mother ion of the retinal appears. Here, the evaporation chamber had been thoroughly cleaned and filled with a fresh retinal sample. The incident wavelength was again 266 nm, but with a lower intensity than in FIG. 7.

Die Retinalspektren der folgenden beiden Abbildungen wurden mit einer lonisierungswellenlänge von 355 nm gewonnen, und zwar in Figur 9 bei hoher und Figur 10 bei niedriger Energiedichte. Man sieht, daß die Fragmentierung stark von der Intensität abhängt und nicht vom Abdampfungsprozeß herrührt.The retinal spectra in the following two figures were obtained with an ionization wavelength of 355 nm, specifically in FIG. 9 at high energy density and in FIG. 10 at low energy density. It can be seen that the fragmentation depends strongly on the intensity and does not result from the evaporation process.

Die letzten beiden Abbildungen zeigen Massenspektren von Tryptophan. Die lonisierungswellenlänge ist 266 nm. Das Spektrum der Figur 11 ist mit einem Preßling, das der Figur 12 mit einer Tryptophanbeschichtung auf Kupferband aufgenommen. Die sonstigen Bedingungen sind die gleichen.The last two pictures show mass spectra of tryptophan. The ionization wavelength is 266 nm. The spectrum of FIG. 11 is recorded with a compact, that of FIG. 12 with a tryptophan coating on copper tape. The other conditions are the same.

Die Ergebnisse dokumentieren deutlich, daß mit der angegebenen Methode Molekularstrahlen von Argon mit beigemischten thermisch instabilen Molekülen, zum Beispiel Retinal und Tryptophan, hergestellt werden können.The results clearly document that molecular beams of argon with admixed thermally unstable molecules, for example retinal and tryptophan, can be produced with the stated method.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß Molekularstrahlen in der Chemie vielfache Anwendung zur Aufklärung von Molekülstrukturen und Reaktionsmechanismen, in der Spektroskopie und der Massenspektroskopie etc. finden. Ihre Anwendungsmöglichkeit ist umso umfangreicher, je mehr chemisch und biologisch interessante Moleküle in den Strahl gebracht werden können. Diese Zahl ist durch die erfindungsgemäße Einrichtung und das Verfahren nach der Erfindung um eine beträchtliche, bisher nicht zugängliche Klasse von Molekülen erweitert worden. Dies führt zu neuartigen Anwendungsmöglichkeiten von Molekularstrahlen im wissenschaftlichen, analytischen und technischen Bereich, sowohl in der Chemie als auch in Biologie, Medizin und verwandten Wissenschaften.In conclusion, it should be pointed out that molecular beams are widely used in chemistry to elucidate molecular structures and reaction mechanisms, in spectroscopy and mass spectroscopy, etc. Your The more chemically and biologically interesting molecules that can be brought into the beam, the greater the potential for application. This number has been expanded by the device according to the invention and the method according to the invention by a considerable, previously inaccessible class of molecules. This leads to new applications for molecular beams in the scientific, analytical and technical fields, both in chemistry and in biology, medicine and related sciences.

Claims (16)

1. A method of producing pulsed molecular beams wherein:
a) a sample substance is converted from the non-gaseous to the gaseous phase by the supply of energy;
b) the free molecules of the sample substance, which are produced in the conversion step, are mixed with a carrier gas;
c) the carrier gas, with the molecules of the sample substance, is coled adiabatically by expansion of a jet of the carrier gas;

characterised in that to produce molecular beams with large thermally unstable and almost exclusively non-ionised molecules:
d) the energy is supplied to the sample substance in pulse form at such a level that the sample substance vaporises more quickly than it decomposes;
e) the temperature of the carrier gas jet in a region of the jet in which it begins to expand is set substantially lower than the decomposition temperature of the sample substance;
f) the liberated molecules of the sample substance are directly supplied first in that region to the carrier gas jet.
2. A method according to claim 1 characterised in that the sample substance is vaporised by means of pulsed laser radiation.
3. A method according to claim 1 or claim 2 characterised in that the carrier gas jet is produced in pulsed form.
4. A method according to one of the preceding claims characterised in that the molecules are vaporised from a sample surface, as the vaporisation location (13), which extends substantially parallel to the axis of the carrier gas jet and which is adjacent to the outlet opening (6) of a gas jet nozzle (1) for producing the carrier gas jet.
5. Apparatus for carrying out the method according to one of the preceding claims including a gas jet nozzle (1) for producing a carrier gas jet, a carrier gas supply means (4) for supplying the carrier gas to the gas jet nozzle (1 a vaporisation and mixing chamber (2) for converting a sample substance from the non-gaseous to the gaseous phase and for mixing said phase with the carrier gas, and an energy supply means (3) for supplying vaporisation energy to the vaporisation and mixing chamber (2) characterised in that to produce a molecular beam which contains large, thermally unstable, almost exclusively non-ionised molecules:
a) the carrier gas supply means (4) supplies the carrier gas to the gas jet nozzle (1) upstream of the latter at a temperature which is substantially lower than the decomposition temperature of the sample substance;
b) the vaporisation and mixing chamber (2), at least with the portion in which mixing of the molecules with the carrier gas occurs, is arranged downstream of the outlet opening (6) of the gas jet nozzle (1) where the carrier jet begins to expand, and adjacent to said nozzle, and
c) the energy supply means (3) which is provided for sample vaporisation produces such a high level of energy in the pulse mode that more sample substance is vaporised than is decomposed during the pulse duration.
6. Apparatus according to claim 5 characterised in that the vaporisation location (13) of the large thermally unstable molecules is arranged laterally of the outlet opening (6) of the gas jet nozzle (1), at a longitudinal spacing (a) therefrom which is smaller than or equal to 20 times the effective diameter of the outlet opening (6), wherein the longitudinal spacing (a) is the spacing along the axis (5) of the gas jet nozzle (1) and the effective diameter is the diameter corresponding to a circular outlet opening.
7. Apparatus according to claim 5 or claim 6 characterised in that the vaporisation location (13) is arranged at a transverse spacing (b) from the axis (5) of the gas jet nozzle (1), which is less than or equal to 20 times and preferably less than or equal to 10 times the effective diameter of the outlet opening (6).
8. Apparatus according to claim 6 and claim 7 characterised in that the transverse spacing (b) is less than half the longitudinal spacing (a).
9. Apparatus according to one of claims 5 to 8 characterised in that the vaporisation and mixing chamber (2) has a preferably cylindrical expansion passage (12) for the carrier gas jet, said passage adjoining the outlet opening (6) of the gas jet nozzle (1) downstream thereof, the vaporisation location (13) being provided at or in the wall of the expansion passage.
10. Apparatus according to claim 9 characterised in that the vaporisation location (13) is provided in a sample passage (15) which is arranged obliquely and preferably perpendicularly to the axis (5) of the gas jet nozzle (1) and which is provided in the side wall of the expansion passage (12).
11. Apparatus according to claim 9 characterised in that a laser beam passage (16) which is disposed in such a position as axially to extend the sample passage (15) is provided in the side wall of the expansion passage (12).
12. Apparatus according to claim 10 or claim 11 characterised in that the distance (c) of the vaporisation location (13) from the side wall of the expansion passage (12) is smaller than or equal to the diameter (d) of the sample passage (15), wherein the sample diameter is preferably equal to the latter.
13. Apparatus according to one of claims 5 to 12 characterised in that the gas jet nozzle (1) is in the form of an electromagnetically actuable nozzle valve.
14. Use of the method according to one of claims 1 to 4 and/or the apparatus according to one of claims 5 to 13 for identifying the properties of the molecules by means of laser multiphoton ionisation.
15. Use of the method according to one of claims 1 to 4 and/or the apparatus according to one of claims 5 to 13 for identifying the properties of the molecules by means of resonance fluorescence.
16. Use according to claim 14 utilising a mass spectrometer.
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