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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer zur Gasanalyse gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Spektrometer werden in vielen Bereichen der Technik zur Analyse von Stoffen eingesetzt. Spektrometer können beispielsweise dazu dienen, Brände zu detektieren oder auch gesundheitsschädliche Stoffe frühzeitig zu erkennen. Insbesondere in Flugzeugen ist die frühzeitige Branddetektion von großer Bedeutung, da ein Fehlalarm mit extrem hohen Kosten verbunden ist, insbesondere wenn dadurch eine Notlandung verursacht wird.
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Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist die Messung der Luftqualität in Flugzeugen und anderen Transportmitteln für Passagiere. Befindet sich beispielsweise ein Flugzeug in der Warteposition, wird im Innenraum häufig ein sehr unangenehmer Geruch wahrgenommen, der durch die laufenden Triebwerke verursacht wird, wobei sich in diesen Fällen z. B. Hydrauliköl in der Luft befindet. Die rechtzeitige und sichere Detektion störender oder gar gesundheitsschädlicher Stoffe in Passagierräumen ist deshalb eine wichtige Voraussetzung für die Verbesserung der Luftqualität.
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Als Spektrometer sind beispielsweise Ionenmobilitätsspektrometer bekannt, bei denen Moleküle zunächst ionisiert und anschließend über ein Potenzialgefälle beschleunigt werden. Die Ionen werden einem Ionenkollektor zugeführt und es wird die zeitliche Verteilung des Ionenstroms gemessen, die durch die unterschiedliche Beweglichkeit der verschiedenen Ionen verursacht wird. Zur Ionisierung werden in den meisten Fällen radioaktive Quellen verwendet. Dies ist jedoch relativ unspezifisch und führt zu einer schlechten Auflösung der verschiedenen Moleküle.
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Daher wurde versucht, die Ionisierung mit Laserstrahlen herbeizuführen. Dabei bestehen jedoch verschiedenartige Probleme: Zum einen müssen möglichst viele Moleküle ionisiert werden um einen großen Strom am Kollektor zu erzeugen, weshalb eine effiziente Wechselwirkung zwischen den Laserstrahlen und den Molekülen notwendig ist. Zum anderen sind zur wellenlängenselektiven Ionisation abstimmbare Laser erforderlich. Insgesamt führt dies zu einer relativ großen Beuweise und in vielen Fällen zu einer geringen Messgenauigkeit bzw. einer geringen Sicherheit hinsichtlich der erzielten Messergebnisse. D. h., die Selektivität ist in vielen Fällen gering, was bei der spezifischen Erkennung bestimmter Stoffe nachteilhaft ist und eine frühzeitige und sichere Erkennung gefährlicher Stoffe oder eine sichere Branddetektion erschwert.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Spektrometer zur Gasanalyse zu schaffen, das eine kleine Bauweise und dennoch eine hohe Selektivität aufweist und mit dem eine sichere und frühzeitige Detektion gefährlicher Stoffe, insbesondere in Flugzeugen, möglich ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch das Spektrometer zur Gasanalyse gemäß Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Das erfindungsgemäße Spektrometer zur Gasanalyse umfasst einen Laser zur Ionisierung von Stoffen in einem Gas mit einem Laserstrahl, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Potenzialgefälles zur Beschleunigung der erzeugten Ionen und einen Ionenkollektor zur Detektion der beschleunigten Ionen, wobei im Spektrometer eine Multireflexionszelle integriert ist, die Spiegel aufweist, die derart ausgebildet sind, dass der Laserstrahl vielfach zwischen den Spiegeln reflektiert wird um die Wegstrecke des mit dem Gas wechselwirkenden Laserstrahls zu erhöhen.
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Das erfindungsgemäße Spektrometer hat aufgrund der o. g. Merkmale eine sehr hohe Nachweisempfindlichkeit und eine hohe Selektivität und kann dennoch in miniaturisierter Bauweise gefertigt werden. Durch die Integration der Multireflexionszelle im Spektrometer und die vielfache Reflexion der Laserstrahlen zwischen den Spiegeln wird die Ionisierungseffizienz entscheidend verbessert, so dass die Detektionsgrenze erheblich herabgesetzt wird. Andererseits kann durch diese Maßnahmen auch die erforderliche Laserleistung reduziert werden.
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Weiterhin lässt sich die durch die an den Spiegeln durch mehrfache Reflexion erzeugte große Weglänge der Laserstrahlung dazu ausnutzen, Absorptionsmessungen oder auch Fluoreszenzmessungen an den zu untersuchenden Stoffen durchzuführen. In dem erfindungsgemäßen Spektrometer erfolgt eine besonders effiziente Wechselwirkung zwischen Laserstrahl und Molekül, wodurch besonders viele Moleküle ioniesiert werden und ein großer Strom am Kollektor erzeugt wird.
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Vorteilhafterweise sind die Spiegel so ausgestaltet, dass der Laserstrahl an einer Vielzahl von sich gegenüberliegenden Reflexionspunkten reflektiert wird, wobei insbesondere die dadurch entstehenden, zwischen den Reflexionspunkten verlaufenden Laserstrahlen auf einen zentralen Bereich oder einen Punkt fokussiert werden können. Dadurch wird die Effizienz der Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und den Molkülen noch weiter erhöht.
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Bevorzugt sind die Reflexionspunkte derart angeordnet, dass eine Vielzahl von jeweils zwischen zwei Reflexionspunkten verlaufenden Laserstrahlen gebildet werden, die sich beispielsweise in einem zentralen Bereich schneiden. Die Reflexionspunkte können z. B. auf den Spiegeln jeweils auf einem Kreis, einer Ellipse oder einer Linie angeordnet sein. Durch diese optische Anordnung ergibt sich eine besonders große Weglänge des Laserstrahls in dem zu ionisierenden Gas, wobei der Platzbedarf dennoch gering ist.
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Insbesondere hat das Spektrometer z. B. ein Gehäuse mit einem Gaseinlass und einem Gasauslass, wobei die Einrichtung zur Erzeugung des Potenzialgefälles bevorzugt zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass angeordnet ist. Dadurch kann eine besonders gleichmäßige und sichere Messung durchgeführt werden.
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Dabei ist der Gaseinlass bevorzugt derart angeordnet, dass der in das Gehäuse einströmende Gasstrom auf den Schnittpunkt bzw. Fokus der zwischen den Spiegeln verlaufenden Laserstrahlen gerichtet ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung hat das Gehäuse des Spektrometers sich gegenüberliegende Fenster, an deren Außenseiten die Spiegel angeordnet sind um die Multireflexionszelle auszubilden. Durch die in den Resonator gesetzten Fenster können die Spiegeloberflächen, die bevorzugt hochreflektierend sind, wirksam vor Kontaminationen geschützt werden. Die Fenster können dabei auswechselbar sein, was bei möglichen Verschmutzungen sinnvoll ist und auch langfristig sichere und zuverlässige Ergebnisse gewährleistet.
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Es ist aber auch möglich, dass die Spiegel in einer Wandung bzw. in gegenüberliegenden Wandungen des Gehäuses des Spektrometers integriert sind. Dadurch wird die Miniaturisierbarkeit noch weiter verbessert, d. h. das Spektrometer kann in besonders kleiner Bauweise gefertigt werden. Dies ist insbesondere bei mobilen Systemen besonders vorteilhaft.
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Vorteilhafterweise ist der Gaseinlass in Bezug auf die Fenster oder Spiegel der Multireflexionszelle so ausgerichtet, dass der Gasstrom im Spektrometer zwischen den Fenster- oder Spiegeloberflächen und im Wesentlichen parallel zu diesen gerichtet verläuft. D. h., mittels einer geeigneten Anordnung von Öffnungen zur Spektrometerwand lässt sich erreichen, dass der Gasfluss des Neutralgases so gerichtet werden kann, dass die Spiegel- bzw. Fensterflächen gegen Verschmutzungen geschützt sind.
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Bevorzugt ist der Laser ein miniaturisierter Laser, insbesondere ein diodengepumpter Festkörperlaser. Der Laser ist z. B. abstimmbar. Durch die bevorzugte Ausgestaltung des Lasers ergibt sich eine besonders hohe Selektivität und es kann die jeweilige Wellenlänge in Verbindung mit der Laufzeit der Ionen ausgewertet werden und dadurch eine genaue Analyse des Gases erfolgen.
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Die Multireflexionszelle und/oder der Laser haben beispielsweise Außenabmessungen von maximal ca. 20 cm, bevorzugt maximal ca. 10 cm. Beispielsweise hat die Multireflexionszelle eine Seitenlänge von maximal ca. 10 cm, eine Höhe von maximal ca. 2 cm und eine Breite von maximal ca. 10 cm. D. h., die Zelle ist sehr klein, und daher ist das Spektrometer zum Einsatz in mobilen Systemen besonders geeignet.
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Der Laser hat vorteilhafterweise ähnliche Abmessungen wie die Multireflexionszelle, d. h. es wird ein stark miniaturisiertes Gesamtsystem erzielt.
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Vorteilhafterweise ist der Laser ein UV-Laser, was für die wirksame Wechselwirkung mit den Molekülen einen besonders relevanten Bereich darstellt. Es ist aber auch möglich, Laserstrahlungen im sichtbaren Bereich zur Ionisation einzusetzen.
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Bevorzugt erzeugt der Laser gepulste Laserstrahlen, wobei der Laser insbesondere ein modemgekoppelter Ultrakurzpulslaser sein kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der Figuren beschrieben, in denen
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1 den Aufbau eines Spektrometers gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Schnittansicht zeigt; und
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2 den Aufbau eines Spektrometers gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Schnittansicht zeigt.
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1 zeigt ein Spektrometer 10 als besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Dabei dient ein Laser 11 zur Erzeugung eines Laserstrahls S im UV-Bereich, der im Betrieb mit einem zu analysierenden Gas im Spektrometer in Wechselwirkung tritt um dann enthaltene Stoffe zu ionisieren. Eine Anordnung von einer Vielzahl sich gegenüberliegender Reihen von Elektroden 12a, 12b bildet zusammen mit einer in der Figur nicht dargestellten Spannungsquelle eine Einrichtung zur Erzeugung eines Potenzialgefälles. Durch das Potenzialgefälle werden die in das Potenzialgefälle eintretenden Ionen beschleunigt, d. h. sie durchlaufen eine Beschleunigungsstrecke B, die durch die gegenüberliegenden Reihen von Elektroden 12a, 12b gebildet ist, Am Ende der Beschleunigungsstrecke B ist ein Ionenkollektor 13 angeordnet, der zur Detektion der beschleunigten Ionen dient. Der Ionenkollektor 13 ist beispielsweise als separate Elektrode ausgestaltet und elektrisch mit einer Detektions- oder einer Analyseeinrichtung verbunden, die in der Figur nicht dargestellt ist.
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Am oder vor dem Beginn der Beschleunigungsstrecke B sind zwei sich gegenüberliegende Spiegel 14a, 14b angeordnet um den Laserstrahl vielfach zwischen den Spiegeln 14a, 14b hin und her zu reflektieren. D. h., der durch eine Öffnung eintretende Laserstrahl S durchläuft eine Vielzahl von Weglängen zwischen den Spiegeln 14a, 14b, so dass die in dem Gas zurückgelegte Wegstrecke des Laserstrahls S um ein Vielfaches erhöht wird und dadurch eine effektivere Wechselwirkung des Laserstrahls S mit dem Gas erzielt wird.
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Die Spiegel 14, 14b sind dabei optisch so ausgestaltet, dass auf den Spiegeloberflächen jeweils eine Vielzahl von Reflexionspunkten 15 der hin und her reflektierten Laserstrahlen entstehen, die auf einer geschlossenen Bahn bzw. Kreisbahn oder Ellipse liegen. Es ist aber auch möglich, dass die Reflexionspunkte auf einer Geraden liegen.
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Die durch die Reflexionen gebildeten einzelnen Teilstrahlen zwischen jeweils zwei gegenüberliegenden Reflexionspunkten 15 sind zu den Spiegeln 14a, 14b hin aufgefächert und konzentrieren sich in einem Bereich K, der zwischen den beiden gegenüberliegenden Spiegeln 14a, 14b liegt. In der hier dargestellten Ausführungsform beschreiben die einzelnen Teilstrahlen zwischen den Reflexionspunkten 15 die Form bzw. Oberfläche von zwei aufeinanderliegenden Kegeln, deren Kegelspitzen im Bereich K zusammenstroßen. D. h., die einzelnen Teilstrahlen schneiden sich im Bereich K bzw. sind auf diesen Bereich fokussiert.
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Das Spektrometer 10 hat weiterhin ein Gehäuse 16 mit Öffnungen als Gaseinlass 17 und Gasauslass 18. Im Bereich der Spiegel 14a, 14b hat das Gehäuse 16 jeweils eine Öffnung, die mit einem Fenster 19a, 19b versehen ist bzw. verschlossen ist, so dass das Gehäuse 16 mit den Fenstern 19a, 19b einen abgeschlossenen Innenraum 21 bildet. Im Betrieb wird das zu analysierende Gas G mittels einer angeschlossenen Gaszuleitung durch den Gaseinlass 17 dem Innenraum 21 zugeführt, und es tritt am gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 16 durch den dort angeordneten Gasauslass 18 wieder aus.
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Die Spiegel 14a, 14b sind in der in 1 gezeigten Ausführungsform des Spektrometers 10 außen an dem jeweiligen Fenster 19a, 19b angeordnet, so dass sie vor Verunreinigungen, die durch das zu analysierende Gas verursacht werden können, geschützt sind. Die Fenster 19a, 19b sind auswechselbar, um eventuelle Verunreinigungen zu entfernen oder um die Fenster 19a, 19b gegen unverschmutzte Fenster austauschen zu können. Die Spiegel 14a, 14b haben jeweils eine hochreflektierende Oberfläche, die durch die Fenster 19a, 19b geschützt wird.
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Die durch die Spiegel 14a, 14b und die Fenster 19a, 19b gebildete Multireflexionszelle für den UV-Faserstrahl, der in das Gehäuse 16 eintritt und auf einer Vielzahl von Wegstrecken zwischen den Spiegeln 14a, 14b hin und her reflektiert wird, ist im Gehäuse 16 integriert. Die Multireflexionszelle ist dabei zwischen dem Gaseinlass 17 und der Elektrodenanordnung 12a, 12b angeordnet. An dem der Multireflexionszelle gegenüberliegenden Ende der Elektrodenanordnung 12a, 12b befindet sich der Ionenkollektor 13. Somit werden die Moleküle im zugeführten Gasstrom im Betrieb in der Multireflexionszelle auf einer Vielzahl von Wegstrecken des Laserstrahls ionisiert und durchlaufen anschließend das Potenzialgefälle, das durch die Elektroden 12a, 12b zwischen der Multireflexionszelle und dem Ionenkollektor 13 gebildet wird. An den Elektroden 12a, 12b liegt ein Potenzial im Bereich von 500–3000 V an. Durch das Potenzial werden die zwischen den Spiegeln 14a, 14b erzeugten Ionen beschleunigt und treffen am Ende der Beschleunigungsstrecke B auf den Ionenkollektor 13.
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Mittels einer Zeitmesseinrichtung und einer Analyseeinrichtung wird die zeitliche Verteilung der auftreffenden Ionen gemessen und daraus die Art der Ionen bestimmt.
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Die aus den Spiegeln 14a, 14b gebildete Multireflexionszelle bildet eine Herriott-Zelle bzw. einen Resonator für den eintretenden Laserstrahl S. Als Laser 11 dient im vorliegenden Fall ein miniaturisierter, diodengepumpter Festkörperlaser, der abstimmbar ist und eine Leistung von einigen hundert μJ bis ca. 1 μJ im UV-Bereich aufweist. Die einzelnen Laserpulse haben eine Pulsbreite von ca. 10 ns. Je nach Anwendungsfall kann aber auch ein Ultrakurzpulslaser bzw. modengekoppelter Ultrakurzpulslaser verwendet werden.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Dabei sind Elemente und Bauteile, die in ihrer Funktion und Wirkungsweise denjenigen von 1 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen wie in 1 gekennzeichnet. Im Unterschied zu dem in 1 gezeigten Spektrometer 10 sind beim erfindungsgemäßen Spektrometer 20 gemäß 2 die Spiegel 14a, 14b in der Wandung des Gehäuses 16 integriert. D. h., ein Teil der inneren Gehäusewandung des Gehäuses 16 wird durch die Spiegel 14a, 14b gebildet, die zu diesem Zweck in entsprechenden Öffnungen des Gehäuses 16 angeordnet sind. Bei dieser Ausführunsform sind keine zusätzlichen Fenster angebracht. Der durch den Laser 11 erzeugte Laserstrahl tritt im Betrieb durch eine Öffnung in den Innenraum des Gehäuses 16 und wird in der integrierten Multireflexionszelle hin und her reflektiert.
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Die optische Ausgestaltung und Anordnung der Spiegel entspricht ansonsten derjenigen von 1. Hinsichtlich der Spiegelanordnung, der Strahlgeometrie und der Anordnung der übrigen Elemente und Bestandteile des Spektrometers 20 wird auf die Beschreibung zu 1 Bezug genommen, die für das Spektrometer 20 von 2 in analoger Weise gilt.
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Bei beiden oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Gaszuleitung bzw. der Gaseinlass 17 am einen Ende des Spektrometers 10 bzw. 20 so angeordnet, dass der Gasstrom zwischen den beiden Spiegeln 14a, 14b (2) bzw. zwischen den beiden Fenstern 19a, 19b parallel zu deren Oberflächen verläuft. Dadurch können Verschmutzungen der Oberflächen durch das Gas reduziert bzw. vermieden werden. D. h., die Spiegel- und/oder Fensterflächen sind gegen Verschmutzungen geschützt.
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Durch das Spektrometer mit integrierter Multireflexionszelle, wie es in 1 und 2 beschrieben ist, können schädliche Stoffe mit hoher Sicherheit und Zuverlässigkeit detektiert werden, wobei das Spektrometer 10 bzw. 20 miniaturisiert gebaut ist bzw. ein miniaturisiertes Laseranalysesystem darstellt. Insbesondere können Brände und schädliche Stoffe in Flugzeugen frühzeitig und sicher detektiert werden. Trotz der kleinen Bauweise wird eine besonders effektive Wechselwirkung zwischen den Laserstrahlen und den Molekülen möglich, so dass besonders viele Moleküle ionisiert werden und ein großer Strom am Kollektor erzielt werden kann, was zu genaueren Messergebnissen führt.
