DE10306900A1

DE10306900A1 - Spektrometer mit Laseranordnung zur Gasanalyse

Info

Publication number: DE10306900A1
Application number: DE2003106900
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl.-Ing. Göbel (FH); Peter Prof. Dr. Peuser
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Spherea De GmbH
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-19
Also published as: DE10306900B4

Abstract

Ein Spektrometer (10) zur Gasanalyse umfasst eine Kammer (21) zur Aufnahme eines Gases, eine Einrichtung (12a, 12b) zur Erzeugung eines Potentialgefälles in der Kammer (21) sowie mindestens einen in der Kammer (21) angeordneten optischen Kristall (31), der ein nichtlinearer Kristall oder ein Laserkristall ist. Weiterhin ist in der Kammer (21) ein optischer Resonator (14a, 14b) integriert, der durch gegenüberliegende Spiegel gebildet wird oder als Ringresonator ausgebildet ist, um innerhalb der Kammer (21) eine Laserstrahlung S zur Ionisierung des Gases zu erzeugen. Ein Ionenkollektor (13) dient zur Detektion der beschleunigten Ionen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer mit einer Laseranordnung zur Gasanalyse gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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.
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.
Weitere wichtige Anwendungen sind Sicherheitsüberprüfungen von Personen oder Sachen in Bezug auf das Vorhandensein gefährlicher Stoffe, wie beispielsweise Sprengstoff, oder die Vorwarnung bei der Entstehung von Bränden.
Als Spektrometer sind beispielsweise Ionenmobilitätsspektrometer bekannt, bei denen Moleküle zunächst ionisiert und anschließend über ein Potentialgefälle 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.
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 Bauweise 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.
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.
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 der Zeichnung.
Das erfindungsgemäße Spektrometer zur Gasanalyse umfasst eine Kammer zur Aufnahme eines zu analysierenden Gases, eine Laseranordnung zur Erzeugung von Ionen in dem Gas mittels ionisierender Laserstrahlung, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Potentialgefälles in der Kammer, um die erzeugten Ionen zu beschleunigen, und einen Ionenkollektor zur Detektion der beschleunigten Ionen, wobei innerhalb der Kammer mindestens ein optischer Kristall angeordnet ist und in der Kammer ein optischer Resonator integriert ist, um innerhalb der Kammer die ionisierende Laserstrahlung zu erzeugen.
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 des optischen Resonators in die Kammer und durch den innerhalb der Kammer angeordneten optischen Kristall wird insbesondere eine miniaturisierte Bauweise und gleichzeitig eine Vergrößerung der Wechselwirkungslänge zwischen der ionisierenden Laserstrahlung und den zu ionisierenden Stoffen, beispielsweise Molekülen, erreicht. Es ergibt sich eine sehr hohe Effizienz bei der Ionisierung der durch den Gasstrom eingeführten Moleküle und eine sehr hohe Selektivität.
Da die Ionen direkt in dem integrierten Resonator gebildet werden können, werden diese unmittelbar dem Potentialgefälle folgen und können entsprechend ihrer Ionenmobilität auf dem Ionendetektor zeitlich getrennt erfasst werden.
Vorzugsweise ist der optische Kristall zur Wellenlängentransformation einer von außen in die Kammer eingekoppelten Lichtstrahlung in die ionisierende Laserstrahlung ausgestaltet. Dabei wird die eingekoppelte Strahlung beispielsweise durch einen oder mehrere optisch nichtlineare Prozesse in eine andere Wellenlänge transformiert, beispielsweise in die frequenzverdoppelte Wellenlänge. Durch die transformierte Strahlung, die im Resonator verbleibt, wird eine sehr hohe Photonenflussdichte erreicht, was zur sehr hohen Effizienz bei der Ionisierung beiträgt. Diese im Resonator verbleibende Strahlung kann deshalb besonders vorteilhaft für die spektroskopische Anwendung verwendet werden.
Bevorzugt dient der optische Kristall zur Durchführung eines optisch-parametrischen Prozesses, einer Summenfrequenzmischung und/oder einer Frequenzverdopplung. Der optische Kristall kann insbesondere ein nichtlinearer Kristall sein. Dadurch kann Laserstrahlung beispielsweise im sichtbaren Wellenlängenbereich eingekoppelt werden und innerhalb des fest in das Spektrometer bzw. Ionenmobilitätsspektrometer integrierten Resonators in kürzerwellige Strahlung umgewandelt werden, wobei der Resonator für diesen Wellenlängenbereich resonant ist.
Vorzugsweise liegt die ionisierende Laserstrahlung, die im Resonator hin- und zurückreflektiert wird und/oder umläuft, im UV-Bereich. Diese innerhalb des Resonators mehrfach reflektierte oder umlaufende Strahlung kann somit dazu genutzt werden, die in den Laserresonator des Spektrometers durch einen geeigneten Gasstrom eingeführten Moleküle mit einer besonders hohen Effizienz und mit besonders hoher Selektivität zu ionisieren.
Der optische Kristall kann bevorzugt auch als ein Laserkristall ausgestaltet sein, der im Betrieb die ionisierende Laserstrahlung erzeugt. Bevorzugt umfasst dabei das Spektrometer eine Einrichtung zum optischen und/oder elektrischen Pumpen des optischen Kristalls. Vorteilhafterweise wird der optische Kristall im Betrieb durch einen von außen eingekoppelten Lichtstrahl optisch gepumpt, um die ionisierende Laserstrahlung zu erzeugen.
Vorteilhafterweise ist die Frequenz der ionisierenden Laserstrahlung abstimmbar. Da der Ionisierungsvorgang wellenlängenabhängig ist, kann durch diese zusätzliche Maßnahme eine noch höhere Selektivität bei der Ionisierung der zu erfassenden Stoffmoleküle erzielt werden. Dadurch ergibt sich eine noch weiter verbesserte Messgenauigkeit.
Bevorzugt umfasst der Resonator ein oder mehrere Spiegel, die in der Wandung der Kammer, beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten, integriert sind. Der Resonator kann auch als Ringresonator ausgebildet sein. Die Spiegel sind vorteilhafterweise für die Wellenlänge der von außen eingekoppelten Lichtstrahlung durchlässig und für die Wellenlänge der ionisierenden Laserstrahlung im Wesentlichen undurchlässig. Dadurch kann Lichtstrahlung oder Laserstrahlung bei einer oder mehreren Wellenlängen mittels der bei diesen Wellenlängen hochtransmittierenden Spiegeln in den Resonator eingekoppelt werden, der durch eine besonders hohe Reflexion der Resonatorspiegel bei einer oder mehreren anderen Wellenlängen charakterisiert ist, die die ionisierende Strahlung bilden. Dadurch kann die in die Ionisierungswellenlänge transformierte Strahlung im Resonator verbleiben und dort die besonders hohe Photonenflussdichte für die spektroskopische Anwendung erzeugen.
Vorteilhafterweise umfasst das Spektrometer eine Einrichtung zur Laufzeitmessung der Ionen, um ein Laufzeitmassenspektrum zu erzeugen. Damit können die in dem Resonator gebildeten Ionen, die dem Potentialgefälle folgen, entsprechend ihrer Ionenmobilität auf dem Detektor bzw. Ionendetektor zeitlich getrennt erfasst und in Form eines Laufzeit-Massenspektrums gemessen bzw. dargestellt werden.
Vorteilhafterweise kann auch Laserstrahlung von einem spektral schmalbandigen Laser oder Single-Frequency-Laser beispielsweise in den Resonator des Spektrometers eingekoppelt werden, wobei sich diese Resonanzstrahlung im Resonzfall zu einer hohen, im Resonator umlaufenden Photonendichte aufbaut. Dies kann nun dazu genutzt werden, entweder direkt die in der Kammer vorhandenen Stoffe oder Stoffgruppen zu ionisieren bzw. optisch anzuregen oder durch einen geeigneten optisch-nichtlinearen Prozess im Spektrometer eine für die Ionisation bzw. für die Messung optimal geeignete Wellenlänge zu erzeugen.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand von 1 beschrieben, die den Aufbau eines Spektrometers gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Schnittansicht zeigt.
1 zeigt ein Spektrometer 10 als besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Das Spektrometer 10 dient zur Gasanalyse bzw. zur Analyse von Stoffen, die in einem Gas enthalten sind. Eine Kammer 21 dient zur Aufnahme des zu analysierenden Gases in ihrem Innenraum 22. Eine Anordnung von einer Vielzahl sich gegenüberliegender Elektroden 12a, 12b, die jeweils in einer Reihe angeordnet sind, bildet zusammen mit einer in der Figur nicht dargestellten Spannungsquelle eine Einrichtung zur Erzeugung eines Potentialgefälles. Durch das Potentialgefälle werden Ionen, die in das Potentialgefälle eintreten, beschleunigt. In der Kammer 21 ist ein optischer Resonator integriert, der durch sich gegenüberliegende Spiegel 14a, 14b gebildet wird oder als Ringresonator ausgebildet ist. Weiterhin befindet sich in dem Innenraum 22 der Kammer 21 ein optischer Kristall 31. Durch den Resonator 14a, 14b und den optischen Kristall 31 wird im Betrieb die Laserstrahlung S zur Ionisierung des Gases erzeugt. D.h., der Kristall 31 und der in der Kammer integrierte Resonator 14a, 14b bilden bzw. sind Teil einer Laseranordnung zur Erzeugung von Ionen in dem Gas mittels der ionisierenden Laserstrahlung S.
Die Reihen von Elektroden 12a, 12b, die im Betrieb ein Potentialgefälle erzeugen, bilden eine Beschleunigungsstrecke B für die durch die Laserstrahlung S erzeugten Ionen, die in Form einer Ionenwolke 19 gebildet werden. Am Ende der Beschleunigungsstrecke B ist in der Kammer 21 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.
Die gegenüberliegenden Spiegel 14a, 14b, die den optischen Resonator bilden, sind jeweils in einer Wandung 21a der Kammer 21 integriert. Die Spiegel 14a, 14b sind dabei derart angeordnet und geformt, dass der ionisierende Laserstrahl S vielfach zwischen den Spiegeln 14a, 14b hin- und herreflektiert wird. Zu diesem Zweck haben ein oder mehrere der Spiegel 14a, 14b z.B. gewölbte Reflexionsflächen bzw. sind konkav ausgebildet. D.h., der Laserstrahl S durchläuft eine Vielzahl von Weglängen zwischen den Spiegeln 14a, 14b, so dass die in dem Gas zurückgelegte Wegstrecke des Laserstrahls S sehr groß ist und dadurch eine besonders effektive Wechselwirkung des Laserstrahls S mit dem Gas erzielt wird.
Durch die Anordnung der Spiegel 14a, 14b in der Wandung 21a der Kammer 21 befinden sich die Reflexionsflächen für den Laserstrahl S im Innenraum 22 der Kammer 21, in dem sich auch das zu analysierende Gas befindet. Die Spiegel 14a, 14b tragen eine hochreflektierende Schicht zur Reflexion der Strahlung S, deren Wellenlänge bevorzugt im UV-Bereich liegt. Die Spiegel 14a, 14b sind derart ausgestaltet, dass ein Lichtstrahl L von außen in die Kammer 21 in den Raum zwischen den beiden Spiegeln 14a, 14b, d.h., in den Resonator, eintreten kann. Zu diesem Zweck ist mindestens einer der Spiegel durchlässig für den eingekoppelten Lichtstrahl L bzw. für Licht mit der Frequenz des Lichtstrahls L, die beispielsweise im sichtbaren Wellenlängenbereich liegt.
Der zwischen den beiden Spiegeln 14a, 14b angeordnete optische Kristall 31 ist beispielsweise ein nichtlinearer Kristall, der dazu dient, die in den Resonator eingekoppelte Lichtstrahlung L innerhalb des Ionenmobilitätsspektrometers 10, d.h. innerhalb des im Spektrometer 10 fest integrierten Resonators, in kürzerwellige Strahlung umzuwandeln. Diese umgewandelte Strahlung, deren Wellenlänge vorzugsweise im UV-Bereich liegt, bildet die ionisierende Laserstrahlung S. Der Re sonator ist somit für den Wellenlängenbereich der umgewandelten Strahlung resonant.
Die Frequenzkonversion durch den nichtlinearen oder optischen Kristall 31 kann beispielsweise durch einen optisch-parametrischen Prozess oder durch Summenfrequenzmischung erfolgen. Vorteilhafterweise wird die Frequenz des in den Resonator eingekoppelten Lichtstrahls L verdoppelt.
Die ionisierende Laserstrahlung S kann beispielsweise auch abstimmbar sein. Zu diesem Zweck wird der nichtlineare Kristall 31 entsprechend ausgerichtet oder er ist mit einer Einrichtung zur Temperaturregulierung gekoppelt, so dass er temperiert werden kann.
In der Wandung 21a der Kammer 21 ist eine Einlassöffnung 23 angeordnet, die zur Zuleitung des zu analysierenden Gases in den Innenraum 22 der Kammer 21 dient. Dabei ist die Einlassöffnung 23 am einen Ende der Kammer 21 derart angeordnet, dass das in den Innenraum der Kammer 22 einströmende Gas zunächst den durch die Spiegel 14a, 14b gebildeten Resonator durchströmt, der sich am Beginn der Beschleunigungsstrecke B befindet. Eine Auslassöffnung 24 dient zur Ableitung des Gases aus dem Innenraum 22 der Kammer 21 und befindet sich an dem der Einlassöffnung 23 gegenüberliegenden Ende der Kammer 21.
Die im Resonator umlaufende, hin- und zurückreflektierte Laserstrahlung S ionisiert die durch die Einlassöffnung 23 mittels des Gasstromes G in den Ionenmobilitätsspektrometer-Laserresonator eingeführten Moleküle. Da der Ionisierungsvorgang wellenlängenabhängig ist, können die zu erfassenden Stoffmoleküle mit einer hohen Selektivität ionisiert werden. D.h., die Ionen werden durch die beschriebene Anordnung direkt in dem in das Ionenmobilitätspektrometer integrierten Resonator gebildet, der gleichzeitig Bestandteil des Ionenmobilitätsspektrometers ist, und folgen unmittelbar dem in der Kammer 21 bzw. im Spektrometer 10 vorhandenen Potentialgefälle. Sie treffen entsprechend ihrer jeweiligen spezifischen Ionenmobilität auf den Ionenkollektor 13, wo sie mittels einer Zeitmesseinrichtung zeitlich getrennt erfasst werden und anschließend aus den Messdaten ein Laufzeit-Massenspektrum erzeugt wird.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist der optische Kristall 31, der im Resonator 14, 14b angeordnet ist, ein Laserkristall, der die für die Ionisierung der Moleküle geeignete Strahlung erzeugt. Beispielsweise können als optische Kristalle LISAF- oder auch LICAF-Kristalle oder andere Kristalle verwendet werden. Es ist aber auch möglich dotierte Kristalle zu verwenden, wie beispielsweise Colquiriite. Der eingekoppelte Lichtstrahl L ist in diesem Fall ein Pumpstrahl zum optischen Pumpen des Laserkristalls 31. Der als Pumpstrahl dienende Lichtstrahl L kann z.B. im UV-Bereich liegen. Die durch den Laserkristall 31 erzeugte Strahlung kann ebenfalls im UV-Bereich liegen, jedoch eine andere Wellenlänge aufweisen als der Pumpstrahl.
Es ist jedoch auch möglich, den Laserkristall 31 elektrisch zu pumpen, wobei ein Halbleiter-Laser verwendet wird.
Zusammengefasst könnenalso ein oder mehrere nichtlineare Kristalle und/oder Laserkristalle in dem optischen Resonator angeordnet sein, der aus mindestens zwei Spiegeln 14a, 14b besteht, die fester Bestandteil der Kammer 21 bzw. der Kammerwandung 21a sind. D.h., die Strahlung S zur Ionisierung wird im Resonator innerhalb der Kammer 21 erzeugt. Dadurch ist es möglich, Spurenstoffe mit hoher Nachweisempfindlichkeit und hoher Selektivität nachzuweisen, wobei gleichzeitig eine Miniaturisierung der Anordnung erreicht wird.
Im Betrieb wird beispielsweise ein gepulster Laserstrahl S erzeugt, dessen Wellenlänge z.B. bei 266 nm liegt, wobei die Spiegel 14a, 14b für diese Frequenz undurchlässig bzw. hochreflektierend sind. Der eingekoppelte Lichtstrahl L oder Pumpstrahl hat dabei z.B. eine Frequenz von 532 nm.

Claims

Spektrometer (10) zur Gasanalyse, mit einer Kammer (21) zur Aufnahme eines zu analysierenden Gases; einer Laseranordnung zur Erzeugung von Ionen in dem Gas mittels ionisierender Laserstrahlung (S), einer Einrichtung (12a, 12b) zur Erzeugung eines Potentialgefälles in der Kammer (21), um die erzeugten Ionen zu beschleunigen, und einem Ionenkollektor (13) zur Detektion der beschleunigten Ionen; dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Kammer (21) mindestens ein optischer Kristall (31) angeordnet ist und in der Kammer (21) ein optischer Resonator (14a, 14b) integriert ist, um innerhalb der Kammer (21) die ionisierende Laserstrahlung (S) zu erzeugen.
Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Kristall (31) zur Wellenlängentransformation einer von aussen in die Kammer (21) eingekoppelten Lichtstrahlung (L) in die ionisierende Laserstrahlung (S) ausgestaltet ist.
Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Kristall (31) zur Durchführung eines optisch-parametrischen Prozesses, einer Summenfrequenzmischung und/oder einer Frequenzverdopplung dient.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Kristall (31) ein nichtlinearer Kristall ist.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Kristall (31) ein Laserkristall ist, der im Betrieb die ionisierende Laserstrahlung (S) erzeugt.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der ionisierenden Laserstrahlung (S) abstimmbar ist.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator ein oder mehrere Spiegel (14a, 14b) umfasst, die in der Wandung (21a) der Kammer (21) integriert sind.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator ein oder mehrere Spiegel (14a, 14b) umfasst, die für die Wellenlänge der von aussen eingekoppelten Lichtstrahlung (L) durchlässig und für die Wellenlänge der ionisierenden Laserstrahlung (S) im Wesentlichen undurchlässig sind.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (17) zum optischen oder elektrischen Pumpen des optischen Kristalls (31).
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Kristall (31) im Betrieb durch den von aussen eingekoppelten Lichtstrahl (L) optisch gepumpt wird, um die ionisierende La serstrahlung (S) zu erzeugen.
Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Laufzeitmessung der Ionen, um ein Laufzeit-Massenspektrum zu erzeugen.