CH638046A5

CH638046A5 - Verfahren und versuchsanordnung zur untersuchung von gasen.

Info

Publication number: CH638046A5
Application number: CH487478A
Authority: CH
Inventors: Eduard Bailitis
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich
Priority date: 1977-05-06
Filing date: 1978-05-05
Publication date: 1983-08-31
Also published as: JPS53138792A; DE2720300B2; FR2389885A1; FR2389885B1; DE2720300A1; US4170892A; DE2720300C3; GB1603284A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung von Gasen anhand der mittleren Molekulargeschwindigkeit sowie eine Versuchsanordnung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bekanntlich kann man die Dichte eines Gases aus der Geschwindigkeit bestimmen, mit der es durch eine Öffnung ausströmt, deren Durchmesser klein ist gegenüber der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle. Man misst hierzu die Effusion eines Bezugsgases und die des zu untersuchenden Gases. Nach dem Grahamschen Gesetz verhalten sich die Quadrate der Effusionsgeschwindigkeit umgekehrt proportional wie die Gasdichten. So füllt man bei dem Effusiometer nach Bunsen-Schilling nacheinander oder gleichzeitig Vergleichs- und Messgas in ein oder zwei Behälter, bringt sie auf Überdruck und misst die Zeiten, die die Gase zum Ausströmen durch die feinen Öffnungen benötigen.

Aus den so gewonnenen Werten lassen sich aufgrund ther-modynamischer und gaskinetischer Überlegungen leicht das Atom- bzw. Molekulargewicht und andere Daten berechnen.

Die Genauigkeit der bekannten Effusionsmethode ist jedoch unbefriedigend, und der Substanzverbrauch ist beispielsweise für Messungen im Bereich der Atomphysik viel zu gross.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Versuchsanordnung zu entwickeln, die messtechnisch auch höchsten Ansprüchen gerecht werden und sich gleichwohl durch apparative Einfachheit auszeichnen.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man einerseits ein Bezugsgas und andererseits das zu untersuchende Gas in definierter Menge pro Zeiteinheit in eine erste Zone von bestimmtem Volumen und aus dieser ersten Zone durch eine Knudsen-Strömung mit variablem effektivem Querschnitt in eine zweite Zone mit bestimmtem Druck strömen lässt, die Gasmenge oder eine dazu proportionale. Grösse in der ersten Zone nach Erreichen eines ersten stationären Zustandes misst, den effektiven Querschnitt der Knudsen-Strömung spontan verändert, die Messung für den danach erreichten zweiten stationären Zustand wiederholt und die Differenz der Werte der beiden stationären Zustände sowie den Gradienten des Messwertes im Anschluss an die Querschnittsveränderung bestimmt.

Vorzugsweise erfolgt die Änderung des effektiven Querschnittes in Richtung einer Vergrösserung. Die gefundenen Daten lassen sich besonders einfach auswerten, wenn man das Volumen der ersten Zone, den Druck in der zweiten Zone und den Gaszufluss in die erste Zone konstant hält.

Zur Gewinnung einer Messreihe ist es zweckmässig, die Querschnittsveränderung mehrmals vorzunehmen und jeweils den Gradienten und die Differenz zwischen dem neuen und einem vorhergehenden stationären Zustand zu bestimmen.

Die Änderung und insbesondere Vergrösserung des effektiven Querschnittes erfolgt vorzugsweise jeweils um den gleichen Betrag oder Faktor, jedoch kann - insbesondere wenn'

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ein Rechner zur Auswertung der Ergebnisse zur Verfügung wie weiter unten noch erläutert wird, meistens um e-Funktio-steht - auch eine variable Einstellung des effektiven Quer- nen handelt, bzw. zur Bestimmung der Tangentenfunktionen,

schnittes vorgesehen sein. ist der Einsatz eines modernen Elektronenrechners zweckmäs-

Bei den vorgenannten Messwerten bzw. ihrer Differenz sig, wenn nicht bereits die graphische Aufzeichnung der Mess-und dem Gradienten der Messwertsänderung wird es sich 5 werte die gewünschte Aufklärung liefert, indem etwa bei halb-regelmässig um die betreffenden Grössen der Gasdichte han- logarithmischer Einteilung des Kurvenmassstabes gerade dein. Es können jedoch auch hierzu proportionale Werte Linien erhalten werden.

gemessen werden, bei geladenen Teilchen beispielsweise die Eine Versuchsanordnung zur Durchführung des erfin-

Zahl der Ladungen, bei radioaktiven Gasen die Strahlung usw. dungsgemässen Verfahrens weist eine Vakuumkammer mit Ausgewertet wird in jedem Fall die Intensität der von einem io bestimmten Volumen V auf, die durch einen angeschlossenen geeigneten Messgerät abgegebenen Signale. Aus ihnen sind je Vorrat mit Gas beschickbar ist und über wenigstens zwei wahl-nach den vorgegebenen Parametern die verschiedenen, in den weise und unabhängig voneinander zu öffnende und zu grundlegenden Gleichungen enthaltenen Grössen rechnerisch schliessende Ventile an eine Saugpumpe angeschlossen ist zugänglich. In erster Linie interessiert dabei das Molekularge- sowie einen Sensor zur Bestimmung der in ihr herrschenden wicht, auch (relative) Molmasse genannt. 15 Gasmenge enthält.

Nach dem Maxwellschen Verteilungsgesetz ist das Qua- Zweckmässigerweise haben die Nebenventile den gleichen drat der mittleren Molekelgeschwindigkeit nach folgender effektiven Querschnitt.

Gleichung vom Molekulargewicht abhängig: Da die Erfindung Aussagen über die mittlere Molekelge-

schwindigkeit eines Gases macht, kann sie überall dort ss ( 1 ) 20 Anwendung finden, wo diese gaskinetische Grösse hervortritt.

X" M Der zur Messung erforderliche Gasfluss ist klein, etwa IO13

Molekel/s.

mitR = Gaskonstante, T = "Kelvin, M = Molekulargewicht. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Anordnung ergibt sich aus der Kombination mit einem Massenspektrometer, der Hieraus folgt, dass die Molekulargewichte zweier verschie- 25 lediglich durch ein entsprechend konstruiertes Zusatzgerät zu dener Gase den Quadraten ihrer mittleren Molekelgeschwin- ergänzen ist. Die Messwerte erlauben eine klare Zuordnung digkeit umgekehrt proportional sind. der Spektrallinien. Die Methode ist in der Lage zu unterschei-

Bis herab zu einigen Torr ist nun nach dem Gesetz von den, welchen Molekeln die Linien in einem Massenspektrum Hagen-Poiseuille die durch ein Hindernis strömende Gas- angehören.

menge proportional dem mittleren Gasdruck. Bei weiter sin- 30 Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist die massenspektrome-kendem Druck aber durchläuft die Durchflussmenge ein trische Untersuchung von organischen Substanzen. In der

Minimum und wird bei etwa 0,13 Pascal konstant und unab- Ionenquelle kann ein organisches Molekel in viele Radikale hängig von weiterer Drucksenkung. Im Bereich dieser «Knud- oder Bruchstücke zerfallen, so dass ein linienreiches Spektrum senschen Strömung» beträgt die mittlere freie Weglänge der entsteht. Die Linie des Muttermolekels ist des öfteren nicht so Gasmolekeln mindestens einige Zentimeter, und die innere 35 stark ausgeprägt wie die Nebenlinien. Mit Hilfe der Erfindung Reibung des Gases verschwindet. Dieses Phänomen macht kann man feststellen, welchen Molekeln die Nebenlinien sich die Erfindung zunutze. Vorzugsweise beträgt das Vakuum zuzuordnen sind, und für die Strukturanalyse zusätzliche bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens 1, Informationen erhalten.

3 x 10~3 Pascal bis 1,3 x 10~7 Pascal, insbesondere 1,3 x 10~5 Im anorganischen Bereich lässt sich die Methode zur

Pascal; in diesem Bereich ist sichergestellt, dass die mittlere 40 Untersuchung von Cluster einsetzen.

freie Weglänge der Gasmolekeln grösser ist als die Appara- Ferner kann man schnell und genau Molekulargewichtsbe teabmessungen, während andererseits Drücke in dieser Gros- Stimmungen durchführen, z.B. beim Studium der Kohleverga-senordnung noch wirtschaftlich erreichbar sind und ohne allzu sung. Bei bekannter Molekelgeschwindigkeit bzw. Molmasse grosse Schwierigkeiten technisch beherrscht werden können. sind umgekehrt Rückschlüsse auf die Natur des untersuchten Im Normalfall wird man das Gas ohne zusätzliche Beein- 45 Gases möglich, so dass weitere Anwendungen auf reaktions-flussung durch den ersten Behälter strömen lassen, so dass in kinetischem und photochemischen Gebiet denkbar sind, den effektiven Querschnitt ausser der Fläche keine weiteren Weil die erfindungsgemässe Vorrichtung sehr robust auf

Parameter eingehen. Es ist jedoch auch möglich, zur Unter- gebaut werden kann, ist auch eine direkte Untersuchung der Scheidung verschiedener Sorten von Gaspartikeln diese beim Gase in einem Kernreaktor möglich.

Durchgang durch die Vakuumzone dem Einfluss elektrischer 50 Weitere Vorteile und Merkmale von Ausführungsformen, oder magnetischer Felder zu unterwerfen, gegebenenfalls nach der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei-vorheriger Anregung etwa durch Ionisation oder Bestrahlung bung und den abhängigen Ansprüchen.

mit IR- oder UV-Licht usw. Die Erfindung ist im nachstehenden anhand der Zeich-

Der Quotient des effektiven Querschnitts (bzw. die Summe nung in bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert, von mehreren effektiven Querschnitten) und dem Volumen 55 In den Fig. 1 bis 4 sind schematisch einige Versuchsanord-der ersten Zone. nungen für die Durchführung der Erfindung gezeigt. Zunächst sei Fig. 1 betrachtet.

a = + ... Eine Vakuumkammer 1 mit dem Volumen V ist an eine lei-

v stungsfähige Pumpe 2 angeschlossen und kann über eine grös-

60 sere Öffnung (Ventil S) sorgfältig ausgepumpt werden. Zwi-mit v = Volumen, ist jeweils konstant. Auf diese Konstante sehen der Vakuumpumpe 1 und der Pumpe 2 sind ausser dem wird weiter unten noch eingegangen werden. Hauptventil S zwei Nebenventile Si und S2 angeordnet, die

Der effektive Querschnitt beeinflusst direkt die durchströ- unabhängig voneinander geöffnet und geschlossen werden mende Gasmenge, und diese wiederum über die Zeit die können und im offenen Zustand die effektiven Querschnitte cri erreichbare Auflösung, d.h. je kleiner der effektive Querschnitt 65 und 02 haben.

ist, desto grösser ist die erzielbare Auflösung, desto kleiner ist Mit der Eintrittsseite der Kammer 1 ist ein Gasvorrat 3

andererseits jedoch der messbare Intensitätsunterschied. über ein Feinregulierventil 4 verbunden. Zweckmässigerweise

Für die Auswertung der Messkurven, bei denen es sich, ist das gesamte Gerät als Ultrahochvakuum-Apparatur erstellt.

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Die Einströmrate des Gases von Molekel/s wird so bemessen und der Druck in der Kammer so eingestellt, dass bei geschlossenem Hauptventil S und einem offenen Nebenventil eine reine Knudsen-Strömung vorliegt. Vorzugsweise wird man in einem Druckgebiet von 1,3 x 10-3 bis 1,3 x 10~7 Pascal arbeiten.

Die Einströmrate N wird mittels des Regulierventils 4 konstant gehalten. Nach einer gewissen Zeit stellt sich ein stationärer Zustand ein, bei dem ebensoviele Molekel in die Kammer 1 einströmen wie von der Pumpe 2 abgesaugt werden. Die Leistungsfähigkeit der Pumpe wird so bemessen, dass die Rückströmung aus der Pumpe 2 in die Kammer 1 vernachlässigt werden kann.

An einer Stelle der Kammer 1 oder in einem Ansatz an dieser ist ein Sensor 5 angebracht, der ein der Gasdichte proportionales elektrisches Signal

J = k-c (2)

für ein Messgerät oder einen Schreiber abgibt, worin c die Gasdichte und k der Proportionalitätsfaktor bzw. die pichkonstante bedeuten.

Der Sensor 5 kann eine bekannte Vorrichtung sein, welche eine der Gasdichte proportionale elektrische, magnetische, optische oder radioaktive Eigenschaft des Gases misst, z.B. indem man Gas in einem kleinen Raumgebiet ionisiert und den Ionenstrom misst.

Die Messinstrumente sind so zu wählen, dass die Zeitkonstante kleiner, vorzugsweise einige Zahlenpotenzen kleiner ist als die resultierende Zeitkonstante 4 V/a ■ w aus der effektiven Öffnung und dem Volumen bei der Versuchstemperatur T. Damit ist auch die zu wählende Apparatekonstante bzw. die Auslegung des Gerätes grössenordnungsmässig gegeben.

Ein konstantes Signal Ja am Ausgang des Sensors 5 zeigt den stationären Zustand an. Nachdem dieser stationäre Zustand Ja erreicht ist, wird das zweite Nebenventil spontan geöffnet und die Zeit gemessen. Die Gasdichte in der Kammer 1 nimmt ab und strebt einem neuen stationären Wert Je zu; diesen Vorgang kann man am Schreiber verfolgen. Die Differenz

AJ = Ja-Je (3)

kann experimentell unmittelbar bestimmt werden. Die Änderung des Messwertes nach dem spontanen Öffnen des zweiten Nebenventils folgt einer Exponentialfunktion.

Die Änderung des Messwertes bei t = 0 nach der Öffnung des zweiten Nebenventils ist

(dJ/dt), = o (4)

Diese Grösse entnimmt man graphisch aus der Schreibkurve oder man ermittelt sie mit Hilfe eines Rechners, der die Messwerte direkt auswertet. Aus den beiden Grössen À J und (dJ/dt)t=0 ergibt sich die von der Gasart unabhängige Apparatekonstante A nach der Beziehung w ist die mittlere Molekelgeschwindigkeit des untersuchten Gases bei derabsoluten Temperatur T. Diese Temperatur T wird während der Messung konstant gehalten.

In Fig. 1 ist ein Thermometer mit 6 und die Ionenquelle mit 7 bezeichnet.

Die mittlere Molekelgeschwindigkeit w lässt sich aus der obigen Formel (1) berechnen, wenn das Molekulargewicht des Gases bekannt ist. Zur Bestimmung der Apparatekonstante A braucht man also nur die Grössen A J und (dJ/dt)t = 0 gemäss den Gleichungen (3) und (4) für ein definiertes Gas, beispielsweise Sauerstoff zu messen.

Führt man die Messung nun mit einem unbekannten Gas bei derselben Temperatur T durch, so erhält man aus den gemäss (3) und (4) gewonnenen Grössen nach Einsetzen der Apparatekonstante aus der Gleichung (5) die mittlere Molekelgeschwindigkeit des unbekannten Gases sowie aus der Formel (1) sein Molekulargewicht.

Von besonderem Vorteil ist die Anwendung der Erfindung bei einem Massenspektrometer. Die Ionenquelle des Massen-spektrometers ist so einjustiert, dass das elektrische Ausgangssignal in einem gewissen Druckbereich proportional der partiellen Gasdichte ist; sie kann deshalb hier die Funktion eines Sensors übernehmen. Für jede Ionenart, welche in der Ionenquelle erzeugt wird, findet man am Ausgang im Spektrum eine Linie, aus welcher man die Molmasse berechnen kann. Gasmolekel, welche in der Ionenquelle des Massenspektrometers in Ionen umgewandelt werden, können erhebliche physikalische und chemische Veränderungen erfahren. Das Spektrum ist daher meistens reicher an Linien, als es der tatsächlichen Gaszusammensetzung entspricht.

Zur Bestimmung der Apparatekonstante wird man die Anzeige auf die Sauerstofflinie einstellen und die Messung nach dem oben beschriebenen Verfahren durchführen. Bei den Messungen mit einer Einstellung auf eine andere Linie kann man für die Berechnung von w die massenspektrometrisch angezeigte Molmasse einsetzen. Für alle reellen Gase, welche bei einem Experiment durch die Vakuumkammer fliessen,

wird man ein und dieselbe Apparatekonstante A finden. Ist die Anzeige jedoch zufällig auf eine Linie der Fragment-Ionen eingestellt, welche ausserhalb der Ionenquelle nicht existieren, eine kurze Lebensdauer haben und nicht in dem Gasfluss vertreten sind, so ergibt sich statt A stets ein kleinerer Wert B. Beide stehen in der Beziehung A/B = worin òi der Teilungsfaktor der Muttermolekel ist. Hierdurch wird eine zusätzliche Information für die Linienzuordnung im Massenspektrum gewonnen.

Auch zur Untersuchung von Clustern lässt sich die Erfindung benutzen. Cluster sind Grossmolekeln, in denen mehrere leichte Molekeln in einer Einheit zusammengeschlossen sind. Ist CD ein zweiatomiges Gasmolekel, so ist, falls dieses Gas Cluster bildet, das Grossmolekel (CD)X, worin x die Anzahl der Einzelmolekeln je Cluster ergibt. Die Molekel werden durch van der Waalsche Kräfte zusammengehalten, deren Bindungsenergie gering ist. In der Ionenquelle zerfällt daher ein Cluster teilweise oder vollständig in seine Bestandteile und hat als Ganzes kaum eine selbständige Linie im Spektrum.

Bei Untersuchungen nach der Vorrichtung gemäss Fig. 2 ist die Ionenquelle 7 als Emitter des Molekels CD-anzusehen, falls ein Clusterfluss durch die Kammer 1 hergestellt ist. Die Messkurve erweist sich als zusammengesetzte e-Funktion.

Bei einem stationären Zustand liegt in der Kammer 1 neben dem Cluster (CD)X auch das Gas CD vor. Nach der Öffnung des zweiten Nebenventils fliessen die leichteren Gasmolekeln schneller aus der Kammer 1 als die schweren Cluster. Die Dichteabnahme bei t = 0 ist überwiegend durch die Dichteänderung der Komponente CD bestimmt. Aus der Dichteänderung und den bekannten Versuchsbedingungen kann man die Flusskurve der leichten Komponente kalkulieren und von der experimentellen Gesamtkurve abziehen. Die Differenzkurve ist die Flusskurve der schweren Komponente, welche gesucht wird.

Die oben beschriebene Korrektur erschwert jedoch die Auswertung und stellt eine zusätzliche Fehlerquelle dar. Es wurde deshalb eine Messanordnung konstruiert, bei welcher

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Clusterfragmente auf die Messung keinen oder einen stark reduzierten Einfluss haben. Eine solche Anordnung ist in Fig. 3 gezeigt.

Hier ist das Quadrupol 8 oder ein anderes Massenspektro-meter mit der Ionenquelle 7 in einer gesonderten Messkammer 1' untergebracht. Die Messkammer 1' wird durch ein zweites Pumpsystem 2' evakuiert.

Um eine Rückströmung von der Messkammer 1' in die Flusskammer 1 möglichst klein zu halten, muss man den Druck in der Messkammer 1' ein bis zwei Zehnerpotenzen kleiner einstellen als in der Flusskammer 1. Durch eine kleine Öffnung Sm gelangt das Gas als Molekelstrahl von der Flusskammer 1 in die Messkammer 1'. Die Ionenquelle 7 des Mas-senspektrometers wird in dem Strahl einjustiert, und zwar ist sie axial zum Strahl angeordnet. Die aus der Ionenquelle 7 fliessenden Clusterfragmente werden von der Pumpe 2' der Messkammer 1' erheblich schneller abgepumpt als in der einfachen Anordnung nach Fig. 2. Den Anstieg des Partialdrucks der Fragmentmolekel in der Messkammer 1' kann man noch durch die eingebauten Kühlwände 9, welche mit einem Kühlmittel aus einem Kryostat, flüssiger Luft oder flüssigem Helium gekühlt werden, so stark herabsetzen, dass der Rück-fluss in der Ionenquelle vernachlässigt werden kann. Dadurch wird erreicht, dass der massenspektrometrische Anzeiger direkt die Clusterdichte in der Flusskammer 1 angibt und eine zusätzliche rechnerische Korrektur nicht notwendig ist.

Fig. 4 zeigt eine ähnliche Anordnung wie die Fig. 3. Hier steht jedoch die Ionenquelle 7 senkrecht zum Molekelstrahl, der durch die kleine Öffnung Sm fliesst. Ferner ist das wegen Sm S2 entbehrliche Nebenventil S2 weggelassen.

Ähnlich wie Cluster zerfallen auch Kohlenwasserstoffmolekeln in der Ionenquelle, so dass man bei Untersuchungen nach der klassischen Massenspektrometrie für die Zuordnung der Linien zur Muttermolekel auf zusätzliche Informationen angewiesen ist. Die kann man ebenfalls erhalten: Da die Radikale der Kohlenwasserstoffe des öfteren auch als selbständige Molekeln existieren können, ist bei der Untersuchung dieser Substanzen die gleiche Massnahme zu ergreifen wie bei der Untersuchung von Clustern.

In den nachfolgenden Beispielen wurde eine zylindrische Vakuumkammer aus V2A-Stahl mit einem Volumen von etwa 40000 cm3, einem Durchmesser von etwa 40 cm und einer Höhe von etwa 35 cm benutzt. Die Öffnungsquerschnitte der Nebenventile betrugen je etwa 2 cm2.

Beispiel 1

Eine SIMS-Auger-Vakuumkammer wurde durch Einbau von zwei Nebenventilen erweitert. Die Versuchsanordnung entspricht der in Fig. 2 schematisch dargestellten Apparatur. Bei einer konstanten Einlassrate wurde für Gase O2, N2, NO, A und CO2 der Gradient (dJ/dt), = 0 nach dem Öffnen des zweiten Nebenventils und die Differenz AJ bei einem Druck' von etwa 9,1 x 10~6 Pascal und einer Temperatur von 298 K gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Die Zahlenwerte der Spalte 2 ergeben, dass die Linie 14 und 28 aus ein und demselben Molekel stammen. Das gleiche gilt für die Linien 16 und 32, und 20 und 40. Die Spalte 6 ergibt für die Linien 14, 16 und 20 einen Faktor von 2. Diese sind daher aus dem Molekel der Linien 28,32 und 40 in der Ionenquelle entstanden. Die 14 und 16 durch die Spaltung des Stickstoffs bzw. Sauerstoffmolekels, die 20 aus dem Argonmö-lekel mit einer doppelten Ladung. Die doppelgeladenen Ionen äussern sich bei dieser Methode im gleichen Sinne wie eine Halbierung des Molekels.

Tabelle 1

m/e

(dJ/dt) t_0/AJ

(J-)

32 »

32 9

1

K-

14

0,761

1,06

1,52

1,43

2

16

0,715

0,99

1,42

1,43

2

20

0,630

0,87

1,26

1,44

2

28

0,763

1,06

1,07

1,01

1

30

0,752

1,03

1,00

1

32

0,720

1,00

1

40

0,639

0,89

1,00

1

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0,593

0,82

0,84

1,03

1

Anmerkungen zur Tabelle 1 Spalte 1 : die Linien im Massenspektrum, m/e;

Spalte 2: das experimentell ermittelte Verhältnis von (dJ/dt) 20 t=0/AJ. Es ist ein aus mehreren Messungen gebildeter Mittelwert. Der mittlere MessfehlJFliegt bei etwa 1%.

Spalte 3: das auf Sauerstoff bezogene Verhältnis der mittleren Geschwindigkeit (w/w32)m

Spalte 4: da aus den gaskinetischen Daten berechnete Ver-25 hältnis (w/w32)g

Spalte 5 : das Verhältnis j/K-der Zahlenwerte aus der Spalte 4 zu Spalte 3.

Spalte 6: der Teilungsfaktor 71 des Molekels in der Ionenquelle.

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Beispiel 2

Als Gas wurde Tetrachlorkohlenstoff untersucht.

In einem Massenspektrometer liefert CCU ein linienreiches Spektrum. Man findet intensive Linien bei den atomaren Mas-35 seneinheiten 35, 37,47, 49; 82, 84, 86 und 117,119, 121,123, welche die Fragment-Ionen des CCU-Molekels sind. Diese werden in der Ionenquelle überwiegend durch den Elektro-nenstoss gebildet.

Das CCU-Spektrum wurde nach der oben beschriebenen 40 Methode ausgewertet. Die Flussrate von CCU wurde konstant gehalten, bei einer konstanten Temperatur wurde die zeitliche Änderung der Linienintensitäten nach dem Öffnen des zweiten Ventils experimentell ermittelt. Eine halblogarithmische Auftragung über die Zeit ergibt ein und dieselbe Steilheit für 45 die Linien 35, 37; 47, 49; 82, 84,86 und 117,119, 121, 123. Aufgrund dieses Ergebnisses ist sofort die klare Aussage möglich, dass diese Linien ein und demselben Muttermolekel angehören.

Zur Auffindung der Muttermolekel wird mit derselben 50 Apparatur eine Messung z.B. mit Sauerstoff unter gleichen Flussbedingungen und der gleichen Temperatur durchgeführt.

Trägt man nun die Änderung der Sauerstofflinie in die halblogarithmische Darstellung ein, so erhält man ebenfalls eine Gerade, die den Anfang der CCU-Geraden schneidet, 55 jedoch steiler verläuft als diese. Man kann nun beide Messungen graphisch vergleichen. Die rechnerische Auswertung ergibt, dass die Masse der Muttermolekel zwischen

(!tt| ' 32 " «°

i,nd (H)2 ' 32 = 162

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atomaren Masseneinheiten liegen muss. In dem Spektrum sind tatsächlich schwache Linien bei 152, 154, 156, 158 und 160 zu finden, welche den Muttermolekeln von CCU angehören.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Verfahren zur Untersuchung von Gasen anhand der mittleren Molekulargeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass man einerseits ein Bezugsgas und andererseits das zu untersuchende Gas in definierter Menge pro Zeiteinheit in eine erste Zone von bestimmtem Volumen und aus dieser ersten Zone durch eine Knudsen-Strömung mit variablem effektivem Querschnitt in eine zweite Zone mit bestimmtem Druck strömen lässt, die Gasmenge oder eine dazu proportionale Grösse in der ersten Zone nach Erreichen eines ersten stationären Zustandes misst, den effektiven Querschnitt der Knudsen-Strömung spontan verändert, die Messung für den danach erreichten zweiten stationären Zustand wiederholt und die Differenz der Werte der beiden stationären Zustände sowie den Gradienten des Messwertes im Anschluss an die Querschnittsveränderung bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des effektiven Querschnittes der Knudsen-Strömung in Richtung einer Vergrösserung erfolgt.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das Volumen der ersten Zone, den Druck in der zweiten Zone und/oder den Gaszufluss in die erste Zone konstant hält.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Gewinnung einer Messreihe die Querschnittsveränderung mehrmals vornimmt und jeweils den Gradienten und die Differenz zwischen dem neuen und einem vorhergehenden stationären Zustand bestimmt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des effektiven Querschnittes jeweils um den gleichen Betrag oder Faktor erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Gasdichte als Funktion der Zeit oder hierzu proportionale Grössen misst.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum 1,3 x 10~3 Pascal bis 1,3 x 10~7 Pascal beträgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vakuum 1,3 x 10~5 Pascal beträgt.

9. Versuchsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vakuumkammer (1) mit bestimmten Volumen (V), die durch einen angeschlossenen Vorrat (3) mit Gas beschickbar ist und über wenigstens zwei wahlweise und unabhängig voneinander zu öffnende und zu schliessende Ventile (S, Si, S2...) an eine Saugpumpe angeschlossen ist sowie einen Sensor (5) zur Bestimmung der in ihr herrschenden Gasmenge enthält.

10. Versuchsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (St, S2) den gleichen effektiven Querschnitt haben.

11. Versuchsanordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmrate der Gase aus dem Vorrat (3) in die Vakuumkammer (1) mittels eines Regulierventils (4) konstanthaltbar ist.

12. Versuchsanordnung nach einem der Ansprüche 9-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuumkammer (1) über eine grössere Öffnung (S) auspumpbar ist.

13. Versuchsanordnung nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Ultrahochvakuum-Apparatur ausgebildet ist.

14. Versuchsanordnung nach einem der Ansprüche 9-13, dadurch gekennzeichnet, dass als einziger oder als weiterer Sensor die Ionenquelle (7) eines angeschlossenen Massen-spektrometers (8) vorgesehen ist.

15. Versuchsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionenquelle (7) öder der ganze Mas-

senspektrometer (8) in einer Messkammer (1') angeordnet ist, welche durch eine kleine effektive Öffnung (Sm) von der Vakuumkammer (1) getrennt ist, wobei die Ionenquelle (7) hinter der Öffnung (Sm) in dem Molekelstrahl liegt.

16. Versuchsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenspektrometer (8) axial oder normal zum Molekelstrahl angeordnet ist.

17. Versuchsanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (1') auf einen Druck bringbar ist, der um 1 bis 2 Zehnerpotenzen niedriger ist als der Druck in der Vakuumkammer (1).