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Die
Erfindung betrifft ein Gaschromatographmassenspektrometer mit einem
Schnittstellenteil zwischen dem Gaschromatographenteil und dem Massenspektrometerteil.
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In
einem Gaschromatographmassenspektrometer wird eine Probe in eine
Reihe von Bestandteilen in einer Säule im Gaschromatographenteil
aufgeteilt und werden die Bestandteile über den Schnittstellenteil
in den Massenspektrometerteil eingeführt, in dem die Bestandteile
der Reihe nach einer Massenanalyse unterworfen werden. Wie es in 3 der zugehörigen Zeichnung
dargestellt ist, strömt
ein Trägergas
mit konstantem Durchsatz durch die gaschromatographische Säule 12 im
Gaschromatographenteil 10, die durch den Säulen ofen 13 auf
eine passende Temperatur erwärmt
ist. Wenn eine Probe in den Injektor 11 eingeblasen wird,
wird die Probe verdampft und durch das Trägergas zur Säule 12 geführt. Wenn
die Probe durch die Säule 12 durchgeht, wird
sie in ihre Bestandteile bezüglich
der Durchgangszeit aufgeteilt, wobei die Bestandteile der Reihe
nach durch den Schnittstellenteil 20 in die Ionisationskammer 31 des
Massenspektrometerteils 30 eingeführt werden. Die Moleküle der Bestandteile werden
durch Elektronen im Falle der Elektronenstoßionisation in der Ionisierungskammer 31 ionisiert, und
die Ionen werden durch die Ionenlinse 32 konvergiert und
in das Quadrupolfilter 33 oder ein anderes Massenspektrometer
eingeführt.
An den vier Stangen des Quadrupolfilters 33 liegt eine
kombinierte Spannung aus einer Gleichspannung und einer Hochfrequenzspannung,
so daß Ionen
mit einer gegebenen Massenzahl, das heißt einem gegebenen Verhältnis m/z
der Masse zur elektrischen Ladung des Ions, die oder das der anliegenden
Spannung entspricht, das Quadrupolfilter 33 passieren können und
in den Ionendetektor 34 eintreten können.
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Die
Säule 12 liegt
auf einer Temperatur im Bereich von 100–300°C, wobei diese Temperatur von den
zu analysierenden Bestandteilen und anderen Faktoren abhängt. In
vielen Fällen
wird die Temperatur nach Maßgabe
des Siedepunktes des Bestandteiles gewählt. Wenn die Temperatur der
Probe am Ende der Säule 12 abnimmt,
nimmt der Probenstrom ab und wird die Genauigkeit der Analyse beeinträchtigt.
Das ist der Grund dafür,
daß der
Schnittstellenteil 20 auf etwa die gleiche Temperatur wie
die Säule 12 erwärmt wird.
Die Ionisierungskammer 31 wird auf eine Temperatur erwärmt, die
für eine
stabile Ionisation der Moleküle
angemessen ist und normalerweise einige zehn Grad Celsius unter
der Temperatur des Schnittstellenteils 20 liegt.
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Der
Schnittstellenteil 20 und die Ionisationskammer 31 werden
somit bei einem herkömmlichen Gaschromatographenmassenspektrometer
getrennt erwärmt,
und es ist jeweils eine Heizeinheit vorgesehen und am Schnittstellenteil 20 und
an der Ionisierungskammer 31 jeweils angebracht. Ein erster Nachteil
dieses herkömmlichen
Aufbaus besteht darin, daß er
die Kosten des Gaschromatographmassenspektrometers erhöht. Ein
weiterer Nachteil ist darin zu sehen, daß die Wartung der Ionisierungskammer 31,
beispielsweise ihre Reinigung, problematisch ist, da die Ionisierungskammer 31 in
einem Unterdruckgehäuse 35 aus
Edelstahl aufgenommen ist. Zu diesem Zweck müssen nämlich zunächst die Zuleitungsdrähte vom
Gehäuse 35 abgenommen werden,
muß die
Ionisationskammer 31 aus dem Gehäuse 35 herausgezogen
werden und muß dann
die Heizeinheit von der Ionisierungskammer 31 abgenommen
werden.
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4 zeigt
einen weiterentwickelten Schnittstellenteil 20, bei dem
eine Kapillarröhre 21,
die mit der gaschromatographischen Säule verbunden ist, die in 4 nicht
dargestellt ist, in eine Schnittstellenleitung 22 aus Edelstahl
eingesetzt und durch diese gehalten ist und eine Heizeinheit 23 an
der Schnittstellenleitung 22 angebracht ist. Am Ende der Schnittstellenleitung 22 in
Richtung auf den Massenspektrometerteil 30 ist ein Verbindungsring 24 mit
einem passenden Wärmewiderstand
angebracht. Der Verbindungsring 24 verbindet thermisch
die Schnittstellenleitung 22 und die Ionisationskammer 31.
Da in der oben beschriebenen Weise die Temperatur der Ionisierungskammer 31 unter
der Temperatur der Schnittstellenleitung 22 liegen kann,
wird die Schnittstellenleitung 22 direkt durch die Heizeinheit 23 erwärmt und
wird die Ionisierungskammer 31 durch die Wärme von
der Schnittstellenleitung 22 erwärmt, die über den Verbindungsring 24 geleitet
wird. Dieser Aufbau erfordert nur eine einzige Heizeinheit 23,
in der Ionisierungskammer 31 wird keine Heizeinheit benötigt, was
die Kosten herabsetzt und die Wartung der Ionisierungskammer 31 erleichtert.
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Das
in 4 dargestellte Gaschromatographmassenspektrometer
hat dennoch gewisse Nachteile. Da die Ionisierungskammer 31 durch
die Wärme
von der Schnittstellenleitung 22 erwärmt wird, ist die Temperatur
in der Ionisierungskammer 31 solange nicht stabil, solange
die Temperatur der Schnittstellenleitung 22 nicht stabil
ist. Das erfordert ein langes Zeitintervall, bevor eine korrekte
Probenanalyse begonnen werden kann. Ein weiterer Nachteil besteht
darin, daß die
lange Schnittstellenleitung 22 notwendigerweise zu einer
Ungleichförmigkeit
in der Temperatur führt,
da ein Teil der Schnittstellenleitung 22 direkt durch die
Heizeinheit 23 erwärmt
wird, während
der andere Teil nicht erwärmt
wird und Wärme an
den Verbindungsring 24 verliert. Das beeinträchtigt die
Genauigkeit der Analyse. Noch ein Nachteil besteht darin, daß eine genaue
Temperatursteuerung und -kontrolle der Ionisationskammer 31 schwierig
ist, da diese nur indirekt über
den Verbindungsring 24 erwärmt wird.
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EP 298 597 A2 betrifft
ein Gaschromatographmassenspektrometer mit einem Verbindungsstück zwischen
dem Gaschromatographen und dem Massenspektrometer, wobei das Verbindungsstück eine Probenleitung
enthält,
die mit einer gaschromatographischen Säule verbunden ist. Das Gaschromatographmassenspektrometer
enthält
weiterhin eine Ionisationskammer, die in einem Unterdruckgehäuse angeordnet
ist. Das Verbindungsstück
enthält
eine Heizeinrichtung, die in Kontakt mit der Probenleitung steht und
die Probenleitung erwärmt,
sowie Wärmeleiteinrichtungen,
mit deren Hilfe Wärme
von dem geheizten Verbindungsstück
auf heizbare Vorrichtungen innerhalb des Massenspektrometers übertragen
wird.
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EP 488 371 A2 betrifft
einen Abschnitt einer Ionenquelle eines Massenspektrometers zur
Ionisierung einer gasförmigen
Probe. Die Ionisationskammer einer Ionenquelle zur Verwendung in
einem Massenspektrometer ist von einem Ionenlinsensystem abgetrennt, während die
Kammer in Kontakt und direkt mit einem Schnittstellenblock gekoppelt
ist, in dem ein Heizer vorgesehen ist, der dazu dient den Schnittstellenblock
und die Ionisationskammer zu heizen.
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DE 31 23 486 A1 betrifft
eine Einrichtung bestehend aus einem Massenspektrometer mit Ionenquelle
und Massenanalysator sowie vorgeschalteter, beheizbarer Trennsäule eines
Gaschromatographen, bei dem ein beheizbares, einen Teil des Endabschnittes
der Trennsäule
aufnehmendes Verbundstück
zwischen Gaschromatographen und Massenspektrometer eingebaut ist.
Ein Abschnitt der Trennsäule
aus dem Gaschromatographenofen heraus bis zum Eintritt in dem Bereich
der Ionenquelle ist mit einem Heizkreis mit getrennt regelbaren
Streckenabschnitten versehen, von denen sich einer bis unmittelbar vor
die Ionenquelle erstreckt.
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Die
Erfindung befaßt
sich mit den oben beschriebenen Problemen und hat die Schaffung
eines Gaschromatographmassenspektrometers zur Aufgabe, das einen
einfach Aufbau und einen vorteihaften Heizmechanismus für den Schnittstellenteil
und die Ionisationskammer hat.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
ein Gaschromatographmassenspektrometer gelöst, das in Anspruch 1 angegeben
ist.
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Es
kann eine dritte Wärmeleiteinrichtung zwischen
der Probenleitung und dem Unterdruckgehäuse vorgesehen sein. Die dritte
Wärmeleiteinrichtung
sollte einen größeren Wärmewiderstand
als die erste und die zweite Wärmeleiteinrichtung
haben.
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Bei
der erfindungsgemäßen Ausbildung
sind die Probenleitung oder die Schnittstellenleitung und die Ionisationskammer
thermisch getrennt und werden unabhängig voneinander von der Heizeinheit
erwärmt.
Die Probenleitung wird direkt von der Heizeinheit erwärmt, und
die Ionisationskammer wird indirekt über die erste Wärmeleiteinrichtung
erwärmt.
Die Temperatur der Probenleitung ist daher nahezu gleich der der Heizeinheit.
Das Unterdruckgehäuse hat
eine große
Wärmekapazität, da es
die Ionisationskammer aufnimmt, und seine Temperatur ist verglichen
mit der der Heizeinheit sehr niedrig, sie liegt normalerweise bei
Raumtemperatur. Von der Heizeinheit wird Wärme somit zur Ionisationskammer über die
erste Wärmeleiteinrichtung
geführt,
und von der Ionisationskammer wird Wärme zum Unterdruckgehäuse über die
zweite Wärmeleiteinrichtung
geführt.
Im Gleichgewicht hat die Temperatur der Ionisationskammer einen
Wert zwischen der Temperatur der Heizeinheit und der Temperatur
des Unterdruckgehäuses,
wobei dieser Wert durch das Verhältnis des
ersten und zweiten Wärmewiderstandes
der ersten und der zweiten Wärmeleiteinrichtung
bestimmt ist. Der erste und der zweite Wärmewiderstand der ersten und
der zweiten Wärmeleiteinrichtung
kann durch die Verwendung von Metallen mit geeigneter Wärmeleitfähigkeit
festgelegt werden und gleichfalls über die Querschnittsfläche der
Bauelemente bezüglich
des Wärmestromes
eingestellt werden. Jede Wärmeleiteinrichtung
kann aus einer Vielzahl von Bauelementen bestehen, in welchem Fall
der Wärmewiderstand
problemlos dadurch eingestellt werden kann, daß die Bauelemente, aus denen
die Wärmeleiteinrichtung
besteht, kombiniert werden.
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Die
dritte Wärmeleiteinrichtung
mit einem großen
Wärmewiderstand
isoliert thermisch die Probeleitung, die durch die Heizeinheit erwärmt wird,
gegenüber
dem Unterdruckgehäuse,
das eine sehr große
Wärmekapazität hat und
normalerweise auf Raumtemperatur liegt. Das stellt eine schnelle
Erwärmung
und genaue Temperatursteuerung und – kontrolle der Probenleitung
und gleichfalls der Ionisationskammer sicher.
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Da
in der oben beschriebenen Weise die Probenleitung und die Ionisationskammer
unabhängig
durch die Heizeinheit erwärmt
werden, haben sie aufeinander nahezu keinen Einfluß, wenn
sie erwärmt
werden. Aufgrund dieser Tatsache können die Temperaturen der Probenleitung
und der Ionisationskammer jeweils genau kontrolliert und gesteuert werden
und in kürzerer
Zeit stabilisiert werden.
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Die
Probenleitung gibt Wärme
nur an die darin strömende
Probe und an die Umgebungsluft ab, so daß der Temperaturunterschied
zwischen dem Teil in der Nähe
der Heizeinheit und dem Teil im Abstand davon kleiner als bei dem
herkömmlichen
Gaschromatographmassenspektrometer ist, das im Vorhergehenden beschrieben
wurde.
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Es
ist leichter, die Temperaturen der Probenleitung und der Ionisationskammer
auf geeignete Werte bei der erfindungsgemäßen Ausbildung festzulegen.
Der Grund dafür
ist folgender: Die Temperatur der Probenleitung ist dazu gleich
der der Heizeinheit, und die Temperatur der Ionisationskammer ist durch
das Verhältnis
der Wärmewiderstände der
ersten und der zweiten Wärmeleiteinrichtung
bestimmt.
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Es
besteht keine Notwendigkeit, eine separate Heizein heit für die Ionisationskammer
vorzusehen. Das reduziert die Kosten des erfindungsgemäßen Gaschromatographmassenspektrometers
und beseitigt die problematische Wartung der Ionisationskammer,
die oben beschrieben wurde.
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Im
folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnungen
ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
beschrieben. Es zeigen
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1 eine
Querschnittsansicht des Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Gaschromatographmassenspektrometers,
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2 das
thermische Schaltbild dieses Ausführungsbeispiels,
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3 eine
Gesamtansicht eines herkömmlichen
Gaschromatographmassenspektrometers und
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4 eine
Querschnittsansicht im Bereich des Schnittstellenteils eines herkömmlichen Gaschromatographmassenspektrometers.
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Bei
dem in 1 in einer Querschnittsansicht dargestellten Gaschromatographmassenspektrometers
ist der Massenspektrometerteil 30 ähnlich dem, der im Vorhergehenden
anhand von 4 beschrieben wurde. Der Schnittstellenteil 20 ist
das Charakteristikum des vorliegenden Ausführungsbeispiels insofern, als
eine Heizeinheit 23 um die Schnittstellenleitung 22 herum
angebracht ist. Die Heizeinheit 23 weist eine Heizpatrone 23a und
einen Temperatursensor 23b auf, und die Leistung der Heizpatrone 23a wird
so eingestellt, daß die
vom Sensor 23b erfaßte
Temperatur auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird.
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Die
Schnittstellenleitung 22 wird direkt durch die Heizeinheit 23 an
der Kontaktfläche
erwärmt. Eine
Verbindungsstange 25 ist an der Heizeinheit 23 angebracht,
und die Verbindungsstange 25 ist mit einer Seitenwand der
Ionisationskammer 31 über
eine versenkte Kappe 26 verbunden. Die versenkte Kappe 26 ist
an die Öffnung
des Unterdruckgehäuses 35 des
Massenspektrometerteils 30 angepaßt, das aus Edelstahl besteht,
und kontaktiert die Ionisationskammer 31 im Unterdruckgehäuse 35.
Ein Loch 28 ist in der versenkten Kappe 26 ausgebildet,
um die Schnittstellenleitung 22 hindurchzuführen. Eine
Verschlußkappe 27 verbindet
den Umfang des Loches 28 und den der Schnittstellenleitung 22,
so daß die Ionisationskammer 31 im
Unterdruckgehäuse 35 luftdicht
gehalten ist. Die Verschlußkappe 27 kann
aus einem ähnlichen
Material wie die Verbindungsstange 25 und die versenkte
Kappe 26 bestehen, sie ist jedoch so ausgebildet, daß sie einen
sehr großen
Wärmewiderstand
hat, so daß die
Ionisationskammer 31 und die Schnittstellenleitung 22 thermisch
gegeneinander isoliert sind.
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Das
thermische Schaltbild des Systems ist in 2 dargestellt.
Die Heizeinheit 23 und die Ionisationskammer 31 sind über eine
erste Wärmeleiteinrichtung
verbunden, die aus der Verbindungsstange 25 und einem kleinen
Teil 26a der versenkten Kappe 26 besteht und einen
Wärmewiderstand
R1 hat. Die Ionisationskammer 31 und das Unterdruckgehäuse 35 sind
durch eine zweite Wärmeleiteinrichtung
verbunden, die aus einem Teil 26b der versenkten Kappe 26 besteht
und einen Wärmewiderstand
R2 hat. Die Heizeinheit 23 wird erwärmt und auf einer Temperatur
T0 gehalten. Die Temperatur T0 ist nach Maßgabe des Zielbestandteiles
festgelegt und liegt normalerweise im Bereich von 100–300°C. Die Schnittstellenleitung 22 wird
direkt durch die Heizeinheit 23 erwärmt und somit auf der Temperatur
T0 gehalten. Das Unterdruckgehäuse 35 steht
andererseits in einem Kontakt mit der Umgebungsluft, und seine Wärmekapazität ist im
wesentlichen so groß, daß die Temperatur
T1 des Unterdruckgehäuses 35 in
der Nähe
der Umgebungstemperatur, das heißt der Raumtemperatur, gehalten
wird. Durch die Festlegung des Verhältnisses R1/R2 der Wär mewiderstände R1 und
R2 in der oben beschriebenen Weise auf einen geeigneten Wert kann
somit die Temperatur T2 der Ionisationskammer 31 auf einen
gewünschten Wert
zwischen T0 und T1 festgelegt werden.
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Wenn
die Temperaturen stabil sind und ein Gleichgewicht besteht, dann
ist: T2 = R2·(T0 – T1)/(R1 + R2) + T1.
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Da
in der oben beschriebenen Weise die Temperatur der Heizeinheit 23 genau
gesteuert wird und das Unterdruckgehäuse 35 eine sehr große Wärmekapazität hat, sind
die Temperaturen T0 und T1 nahezu stabil. Die Temperatur T2 der
Ionisationskammer 31 erreicht daher schnell nach Beginn
der Erwärmung
ein Gleichgewicht, und die Gleichgewichtstemperatur wird auf einem
stabilen Wert gehalten.
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Für die Verbindungsstange 25,
die versenkte Kappe 26 und die Verschlußkappe 27 können verschiedenartige
Materialien verwandt werden. Wenn ein kleinerer Wärmewiderstand
benötigt
wird, werden hochleitende Metalle, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer
oder Messing, verwandt. Wenn größere Wärmewiderstände benötigt werden,
sind schlechter leitende Metalle, wie beispielsweise Edelstahl,
geeignet. Es ist auch möglich,
den Wärmewiderstand
oder die Wärmeleitung
dadurch einzustellen, daß die Querschnittsfläche der
Bauelemente verändert
wird. Für
die Verschlußkappe 27,
die einen sehr großen Wärmewiderstand
haben muß,
wird daher Edelstahl verwandt, wobei ihre Querschnittsfläche so klein
wie möglich
gewählt
wird, solange eine passende konstruktive Festigkeit gewährleistet
ist.