DE1798325A1

DE1798325A1 - Selektiver Ionennachweis

Info

Publication number: DE1798325A1
Application number: DE19681798325
Authority: DE
Inventors: Rich Theodore Alfred
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-11-28
Filing date: 1968-09-25
Publication date: 1972-01-20
Also published as: CH478408A; SE341923B; US3522425A; BE724492A; NL6812505A; FR1589646A; GB1248414A

Description

Dr. Horst Schüler 19, Sep. 1968

Patentanwalt

6 Frankfurt/ Main 1
Niddastr. 52

909-RDCD-323

General Electric Company

1 River Road
Schenectady, N.Y. / USA

SELEKTIVER IONENNACHWEIS

Die Erfindung bezieht sich auf einen neuen verbesserten Ionendetektor und insbesondere auf einen Detektor, der es ermöglicht« Ionen innerhalb eines engen Bereiches von Beweglichkeiten in sineai Qas, beispielsweise Luft, aufzuspüren und ihre relative Häufigkeit anzuzeigen oder zu messen, und der besonders für die Messung kleiner Ionen der Physik der Atmosphäre geeignet ist.

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Bei der Untersuchung des lonsngehaltes eines Oases _s wie der Luft, beispielsweise zur Feststellung der LuftVerseuchung, ist es häufig zweckmäßig, die relative Häufigkeit von Ionen mit einem verhältnismäßig engen Beweglichkeitsbereich zu bestimmen, der von der lonengröße oder -zusammensetzung abhängen kann. In diesem Zusammenhang kann die Beweglichkeit dieser Ionen als die Geschwindigkeit eines lon in cm/s in eine» Einheitsfeld definiert werden.

Mit bekannten Ionendetektoren ist es nicht möglich, die gewünschte scharfe Unterscheidung ssu machen.

Erfindungsgamäß'wird ein Gas, das Ionen mit einem breiten Be** weglichkeitsbereich enthält, durch eine Röhre geleitet, die zwei im Abstand voneinander angeordnete gasdurchlässige Ionensammler, eine gasdurchlässige Elektrode, diebischen den Ionen-Sammlern, aber neben dem - in Strömungsrichtung gesehen - hin*» teren Detektor angeordnet ist, eine gasdurchlässige lonensararaelelektrode, die mit einem Strommeßgerät verbunden und unmittelbar hinter dem hint ren lonensammler angeordnet ist, und eine gasdurchlässige Bremselektrode aufweist, die unmittelbar hinter der Strommeßelektrode angeordnet; ist. Zu Beginn liegen alle gasdurchlässigen Sammler und Elektroden an Erde. "Gasdurchlässig" bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die verschiedenen als gasdurchlässig bezeichneten, in der Röhre angeordneten Bauteile die Gasströmung durch die Rühre nicht behindern. Der Einfachheit

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halber sollen die beiden im Abstand voneinander angeordneten lonensammler als "vordere Sperre" und "hintere Sperre" bezeichnet werden» wobei auf die Strömuiigsrichtung des Gases Bezug genommen wird.

Wenn eine Messung durchgeführt wird, sind die beiden Sperren geschlossen, damit» während die Luft mit konstanter Geschwindigkeit einströmt, keine neuen Ionen in den Raum in der Röhre zwischen den Sperren gelangen. Gleichzeitig wird zwischen der Elektrode, die in Stromrichtung gesehen unmittelbar vor der hinteren Sperre angeordnet ist, und der Elektrode, die in Stromrichtung gesehen hinter der vorderen Sperre angeordnet ist, ein elektrisches Feld gegebener Stärke angelegt, so daß die erste Elektrode positiv geladen und die Sperrelektrode geerdet ist. Alle negativ geladenen Ionen des Gasstromes zwischen den Sperren werden in Strömungsrichtung beschleunigt und von der positiven Elektrode oder der hinteren Sperre eingefangen. Das Feld zwischen der Elektrode mit positivem Potential und der geerdeten Elektrode der vorderen Sperre verlangsamt die positiv geladenen Ionen, so daß die Ionen mit höherer Beweglichkeit entgegen der Strömungsrichtung getrieben werden und von der geerdeten Elektrode der vorderen Sperre eingefangen werden. Die Ionen mit niedrigerer Beweglichkeit werden von dem Gasstrom in Strömungsrichtung gegen das Verzögerungsfeld transportiert, wandern durch die gasdurchlässige Elektrode mit posi-

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tivera Potential und werden von der hinteren Sperre eingefangen. Die Ionen mit positiver Ladung und der erwünschten mittleren Beweglichkeit werden in einem mehr oder weniger metastabilen Zustand in dem Raum zwischen den Sperren festgehalten. Mit anderen Worten, in Abhängigkeit von der Gasgeschwindigkeit und dem Abstand zwischen den Sperren werden die Ionen zwischen den Elektroden eingefangen, deren Beweglichkeiten sich über einen Beweglichkeitsbereich erstrecken, der oberhalb und unterhalb einer einzigen gewünschten Beweglichkeit liegt, die durch die Gasströmungsgeschwindigkeit und die spezielle Feldstärke bestimmt ist.

Die Ionen, deren Beweglichkeit über der einen gewünschten Beweglichkeit liegt, und die weiter von der vorderen Sperre entfernt sind, benötigen mehr Zeit, um entgegen der Strömungsrichtung zu wandern, bis sie eingefangen werden, als die Ionen gleicher Beweglichkeit, die nicht so weit von der vorderen Sperre entfernt sind. Die Ionen, deren Beweglichkeit unter der einen gewünschten Beweglichkeit liegt, werden gegen das Feld von dem Gasstrom zu der hinteren Sperre hin mitgerissen, wo sie mit einer Geschwindigkeit eingefangen werden, die von ihren individuellen Beweglichkeiten abhängig ist. Die Zeit, die man benötigt, um Ionen hoher oder niedriger Beweglichkeit aus dem Raum zwischen den Sperren su entfernen, hängt davon ab, wie verschieden die Beweglichkeit des Iorsvon der einen gewünsch«

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sehten Beweglichkeit und vrie groß die Entfernung des Ion von seinem jeweiligen Sammler iat. Nachdem eine bestimmte Zeit vergangen ist_a bleiben zwischen den Sperren nur Ionen, deren Beweglichkeiten innez'halb eines engen Bereiches um die gewünschte Beweglichkeit herum liegen. Je mehr Zeit verstreicht, desto enger wird dieser BeweglichkeitBbereich.

Nachdem ausreichend Zeit vergangen ist, wird das Feld entfernt j die hintere Sperre geöffnet und ein positives Potential an die Elektrode hinter der Strommeßelektrode angelegt, das so groß ist, daß Ionen mit der gewünschten Beweglichkeit zu der Stromsaiumelektrode hin abgestoßen werden. Alle übrigen Ionen werden von der Gasströmung durch die an Erdpotential liegende Elektrode und die hintere Sperre hindurchgetrieben, wo sie von der Strommeßelektrode eingefangen und entladen werden. Ionen., die durch die gasdurchlässige Strommeßeiektrode hindurchwandern, werden von dem positiven Potential abgestoßen, wandern zurück und werden von der Strommeßeiektrode eingefangen. Das praktisch gleichzeitige Sammeln und Entladen dieser Ionen mit ausgewählter Beweglichkeit ruft einen Stromimpuls hervor, der über eine kurze Zeit dem Stromraeßgerät zugeführt wird; die Größe des Impulses hängt von der Häufigkeit der positiv geladenen Ionen ab, die in einem engen Bereich um die gewünschte Beweglichkeit herum vorhanden Bind.

Im folgenden soll die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen

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im einzelnen beschrieben werden.

Fig- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung der Verteilung der Häufigkeit von Ionen mit Beweglichkeiten bis zu etwa 2j

Fig. 3 zeigt eine graphische Darstellung der Art des Stromimpulses, der hervorgerufen wird, wenn die Ionen ausgewählter Beweglichkeiten eingefangen und entladen werden.

Fig. 2 sseigt eine typische Verteilung der Häufigkeit von Ionen in einem Gas, beispielsweise Luft, im Verhältnis zu ihren relativen Beweglichkeiten. Der steil ansteigende Abschnitt der Kurve bei niedrigeren Beweglichkeiten stellt Teilchen dar, die sich größenmäßig Staubteilchen nähern; der rechte Abschnitt der Kurve zwischen Beveglichkeiten, die größer als ungefähr 0,2 sind, stellt den Beweglichkeitsbereich kleiner Ionen dar, für welche die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders geeignet ist. Die senkrechten gestrichelt gezeichneten Linien zeigen einen brauchbaren Beweglichkeitsbereioh um eine gewünschte Beweglich-

keit von 0,5 herum für solche Ionen an, die mit dem erfindungsgemäßen Detektor aufgespürt und gemessen werden können. Die aus-

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•mm *f mm

gewählte Beweglichkeit und die Breite des Beweglichkeitsbereichs sind jedoch nur als Beispiel und in keiner Weise als Beschränkung zu betrachten.

Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel nach der Erfindung. Durch eine längliche Röhre 1 aus einem Material mit verhältnismäßig hohem spezifischem elektrischem Widerstand und gleichbleibender vorzugsweise kreisförmiger Querschnittsfläche und Anordnung kann ein konstanter zu messender Gasstrom geleitet werden, wie es durch die Pfeile an den Enden der Röhre, die von links nach rechts weisen, angedeutet ist. In der Röhre ist eine vordere Sperre 10 angebracht, wie es in der Figur gezeigt ist. Sie wei-t zwei parallele, geerdete Elektroden 11 und 12 auf, die auf beiden Seiten einer Elektrode 13 in einer gewissen Entfernung und parallel zu ihr angeordnet sind. Die Elektrode 13 kann über die Leitung 1% an einen äußeren Stromkreis angeschlossen werden. Eine ähnliche Sperre 20 ist hinter der Sperre 10 vorgesehen; sie weist geerdete Elektroden 21 und 22 und eine mittlere Elektrode 23 auf, die über eine Leitung 24 an einen Stromkreis angeschlossen ist.

Eine Elektrode 25 mit hohem Potential ist in der Röhre direkt vor der Sperre 20 angeordnet und kann über eine Leitung 26, an welche die Leitung 2k angeschlossen ist, mit einem äußeren Stromkreis verbunden werden.

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Die Leitung 14 ist mit einem Ein- und Ausschalter 30 verbunden und die Leitung 26 mit einem Ein- und Ausschalter 31, so daß die Leitungen 14 und 26 wahlweise a) über Schalter 31 miteinander und alternativ mit einer Gleichstromversorgung 32 verbunden werden können ode$ über Schalter 30 geerdet werden können, oder b) die Leitungen 24 und 26 können über Schalter 31 an Erde gelegt werden, wobei die Leitung 14 W Über den Schalter 30 mit der Stromquelle 32 verbunden ist. Es sei bemerkt, daß der Schalter 31 und seine Aufgaben weggelassen werden können, falls dies erwünscht ist.

Hinter der Sperre 20 ist in einem gewissen Abstand und parallel zu ihr eine Einfang- und Strommeßelektrode 35 vorgesehen, die über eine Leitung 36 mit einem außerhalb angebrachten herkömmlichen Strommeßgerät A verbunden ist. Der Strom kann von der Elektrode 35 durch das Meßgerät hinduroh zur Erde α geleitet werden, wie es in Fig. 1 geseigt ist.

Hinter der Elektrode 35 ist in einer gewissen Entfernung und parallel zu der Elektrode 35 eine Elektrode 40 mit positivem Potential angeordnet. Die Elektrode 40 ist mit einem Gleichstrompotential verbunden.

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Die erwähnten Elektroden sind gasdurchlässige elektrisch leitende Membranen und haben praktisch die gleiche Fläche und Ausbildung wie das Innere der Röhre 10; sie beetehen vorzugsweise aus feinmaschigen Metallschirmen. Durch diese Elektroden wird die Strömungsgeschwindigkeit der Luft in der Röhre nicht merklich herabgesetzt} tatsächlich tragen die Elektroden dazu bei, daß eine gleichförmige Strömungsgeschwindigkeit durch die Röhre gewährleistet ist.

Um einen verhältnismäßig gleichförmigen Peldgradienten zwischen der vorderen Sperre 10 und der Potentialelektrode 25 zu erhalten, ist ein bekannter Spannungsteiler 50 vorgenehen, der eine Anzahl umlaufender leitender Platten aufweist, die in einem bestimmten Abstand zueinander angeordnet und durch Widerstände 52 verbunden sind. Die Widerstände sind mit der Leitung 26 und der geerdeten Elektrode 12 verbunden, wie es in Fig. 1 gezeigt ist.

Als Beispiel für eine typische Messung mit dem Ionendetektor nach der Erfindung sei angenommen, daß Ionen mit einer Beweglichkeit von ungefähr 0,5 cm/s/V/ora in Luft gemessen werden sollen, daß die Luft mit 25 cm/s durch die Röhre 10 strömt und daß der Abstand zwischen der geerdeten Elektrode 12 der Sperre 10 und der Potentialelektrode 25 12,5 cm beträgt. Unter diesen Bedingungen wandern die Ionen in dem Luftstrom in 0,5 s von der Elektrode 12 zu Elektrode 25, wenn alle Elektroden an Erde liegen. Um die Leitungen 14 und 26 miteinander zu verbinden,

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wird der Schalter 31 geschlossen. Die Leitungen Ik und 26 werden über den Schalter 30 mit der Gleichstromqualle 32 verbunden. Dann wird an die Elektroden 13» 25 und 23 ein positives Potential angelegt, während die Elektroden 11, 10 _s 21 und 22 weiter Erdpotential haben. Nun können keine weiteren Ionen durch das Tor 10 hindurch in die Röhre 1 hineinwandern, da zwischen den Elektroden 11 und 13 ein großer Feldgradient besteht, so daß alle einströmenden positiv geladenen Ionen von der Elektrode 11 und alle einströmenden negativ geladenen Ionen von der Elektrode 13 eingefangen werden. wenn ein positives Potential von 625 V an die Elektrode 25 angelegt wird, @rgibt sich in dem Bereich zwischen den Elektroden 12 und 25 ein Feld von 50 V/em. Xn einem derartigen Feld in ruhiger Luft würde ein positiv geladenes Zon mit einer Beweglichkeit von 0,5 cm/s/V/cm mit einer Geschwindigkeit von 25 cm/s zu der Elektrode 12 hin wandern. Dies ist jedoch die Geschwindigkeit des Luftstromes in entgegengesetzter Richtung, so daß ein solches Ion bestrebt ist, in dem Raum zwischen den Elektroden 12 und 25 stehenzubleiben. Es sei nun einmal angenommen, daß die Probe, di^ sieh zwischen der vorderen Sperre 10 und der Elektrode 25 befindet, anfangs sowohl positive als auch negative Ionen eines breiten Bereichs von Beweglichkeiten enthielt. Der Einfachheit halber sei außerdem angenommen, daß die kleinen Kreise, die in Fig. 1 links in der Kammer gezeigt

sind, Ionen mit einer Beweglichkeit von mehr als 0,5, die mittelgroßen /Kreise Ionen mit einer Beweglichkeit von 0,5 und di_e großen

Kreise Ionen mit einer Beweglichkeit von weniger als 0,5 dar-

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stellen. Die positiven Ionen höherer Beweglichkeit werden von dem Feld in entgegengesetzter Richtung zu der Luftströmungsrichtung getrieben und von der Elektrode 12 eingefangen. Die positiven Ionen mit einer Beweglichkeit von 0,5 bleiben an Ort und Stelle, und die positiven Ionen mit einer Beweglichkeit von weniger als 0,5 werden von dem Luftstrom gegen das Feld durch die Elektrode 25 hindurchtransportiert und von der Elektrode 21 der Sperre 20 eingefangen. Alle negativen Ionen bewegen sich auf die Elektrode 25 zu« wo sie eingefangen werden. Nach einer angemessenen Zeitspanne wird das Potential von den Elektroden 25 und 23 entfernt, so daß die restlichen Ionen mit Beweglichkeiten im Bereich von ungefähr 0,5 von dem Luftstrom durch die Elektrode 25 und die Sperre 20 hindurchgeführt und von der Elektrode 35 eingefangen und entladen werdet) und die Elektrode 35 einen Impuls erzeugt, der in Figur 3 gezeigt ist und von dem Strommeßgerät A entdeckt und gemessen wird, Ein positives Potential beispielsweise von ungefähr 150 V wird an die Elektrode 40 angelegt, damit keine positiven Ionen durch die Elektrode 35 hinuurchwandern. Während der Messung, wenn die Elektroden 25, 21, 22 und 23 Erdpotential haben, kann die vordere Sperre 10 dadurch geschlossen gehalten werden, daß man den Schalter 30 mit der Quelle des positiven Potentials 32 in Verbindung läßt, während die Leitung Über Schalter 31 geerdet wird. Im Idealfall ist die Geschwindigkeit der einströmenden Luft jedoch gleichförmig, d.h., wenn die Sperre 10 geöffnet ist, wandern die einströmenden Ionen

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als ebene Front vorwärts. Wenn der Ionendetektor zyklisch arbeitet, die Sperren geöffnet und geschlossen werden, bevor die Zonen der neuen Probe die Stromsammelelektrode erreichen . können - und vorzugsweise, bevor sie die Potentialelektrode 25 erreichen können - kann der Schalter 31 weggelassen werden.■

w- ■-

Wenn die Sperren unter den oben angenommenen Bedingungen etwa 0,5 s geöffnet sind und dann geschlossen werden, ist der Raum zwischen den Elektroden 12 und 25 fast mit der Zonen enthaltenden neuen Luftprobe gefüllt, von denen jedoch keine die Potentialelektrode 25 oder die Stromsammeielektrode 35 erreichen. Wenn die Sperren stromführend sind und die Elektrode 25 eine Sekunde mit einem positiven Potential von 625 V verbunden ist, werden positive Zonen mit einer Beweglichkeit von 0,75 oder mehr gegen die Luftströmung zu der vorderen Sperre 10 hin getrieben, und zwar unabhängig davon, welche Stellung diese Zonen zwischen den Elektroden 12 und 25 einnahmen, als die Spannung angelegt wurde. Positive Zonen mit einer Beweglichkeit von weniger als 0,5 wandern mit einer Geschwindigkeit auf die Elektrode 25 zu, die etwas geringer ale die Luftströmungsgeschwindigkeit ist. Ein lon mit einer Beweglichkeit von 0,25 wird beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 25-12,5 ^s 12,5 cm/s zu der Elektrode 25 hinwandern; wenn nun eine Sekunde die Potentiale angelegt werden, werden alle positiven Zonen dieser oder geringerer Beweglichkeit aus dem Raum zwischen den

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Elektroden 12 und 25 entfernt. Eb bleiben also nach einer Sekunde nur positive Ionen mit Beweglichkeiten zwischen 0,25 und 0,75 in dem Raum zwischen den Sperren. Wenn natürlich die Potentiale über längere Zeit angelegt werden, nimmt die Breite des Beweglichkeitsbereiches ab.

Obwohl sich die Beschreibung und das Ausführungsbeispiel auf die Messung positiver Ionen beziehen, können negative Ionen in ähnlicher Weise gemessen werden; in diesem Fall braucht nur das Vorzeichen der angelegten Potentiale umgedreht zu werden.

Zum Pumpen der Luft in die Röhre 1 kann eine herkömmliche Gaspumpe verwendet werden; Voraussetzung ist jedoch, daß die Pumpe einen Luftstrom mit konstanter, regelbarer Geschwindigkeit durch Rohr 10 fördert, sie sollte vorzugsweise hinter der Potentialelektrode 40 angeordnet sein. Da solche Pumpen im Handel erhältlich sind, wurde keine spezielle Pumpe abgebildet.

Obwohl in der Beschreibung erwähnt wurde, daß bestimmte Elektroden geerdet werden können oder geerdet sind, liegt es im Bereich fachmännischen Wissens, statt des Erdpotentials ein verhältnismäßig kleines Bezugspotential zu verwenden.

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Claims

ANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zum Hessen der Häufigkeit von Zonen in einem Gas, deren Beweglichkeit praktisch gleich eines vorgewählten Wert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät folgende Teile aufweist:

eine Röhre;

eine Vorrichtung zum Fördern eines Ionen enthaltenden Gasstromes durch die Röhre mit einer konstanten, vorgegebenen Geschwindigkeit;

eine Vorrichtung zum selektiven Sperren des Zonenstromes in der Röhre ohne Behinderung der Gasströmung;

eine Vorrichtung zum Festhalten von Zonen, deren Bewegliohkeiten praktisch gleich der vorgewählten Beweglichkeit sind, in dem Gasstrom, wenn die Ionensperrvorrichtung wirksam ist;

eine mit der Ionensperrvorrichtung und der Zonenhaltevorriohtung zusammenwirkende Vorrichtung zum Entfernen von Zonen, deren Beweglichkeit sich von der vorgewählten Beweglichkeit unterscheidet, aus dem Gasstrom in dem Bereich, in dem sich die ausgewählten stationären Zonen befinden; und

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oine Vorrichtung zum Einfangen der ausgewählten Ionen und zur Bestimmung ihrer Häufigkeit.

2«, Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zum selektiven Sperren des Ionenstromes zwei gasdurchlässige aufladbare Sperren aufweist, die in gegenseitigem Abstand zueinander und in Richtung des Gasstromes auf- und abwärts in der Rühre an- φ gebracht sind und eine Kammer bilden, die wahlweise entweder an ein Bezugspotential oder an eine Gleichstromquelle angeschlossen werden können, so daß entweder das Gas und die Ionen unbehindert durch die Sperren hindurchfließen können oder nur das Gas unbehindert durch die Sperren hindurchfließen kann, die Ionen aber zurückgehalten werden.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß jede Sperre drei in einem bestimmten AbBtand zueinander angeordnete gasdurchlässige Elektroden aufweist, die beiden äußeren Elektroden mit dem Bezügepotential verbunden sind und die mittlere Elektrode wahlweise entweder mit dem Bezugspotential oder mit dem Gleichstrompotential verbunden werden kann.

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*». Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch

gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zum Pesthalten von Ionen mit den vorgewählten Beweglichkeiten in dem Gasstrom eine gasdurchlässige Elektrode aufweist, die in der Kammer neben der hinteren Sperre angeordnet 1st.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2bis 5 , dadurch w gekennzeichnet, daß die mit der Ionensperrvor richtunp; und der Ionenhaltevorrichtung zusammenwirkende Vorrichtung die Bezugspotentialelektrode beider, die Kammer bildenden Sperren, aufweist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorrichtung zum Einfangen der ausgewählten Ionen eine erste, mit dem Bezugspotential in der Röhre hinter der hinteren Sperre verbundene gasdurchlässige Elektrode mit einer Vorrichtung zum Messen des elektrischen Stromes und eine zweite unmittelbar hinter der ersten Elektrode angeordnete gasdurchlässige Elektrode aufweist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß ein Stromkreis zum Anlegen von gleich großen elektrischen Potentialen an die mittlere Elektrode der Sperren und die zweite Elektrode der Auffangvorrichtung vorgesehen ist.

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