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Gasspurennachwelsgerät mit einem Nikrowellenspektrgraphen Die Erfindung
bezieht sich auf ein Gasspurennachweisg.erät mit einem Mikrowellenspektrographen,
bei dem die amplitudenmodulierte Mikrowellenenergie in Abhängigkeit vom Absorptionsspektrum
des Gases detektiert wird.
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Der Nachweis von Gasen, insbesondere in der Luftatmosphäre, nimmt
eine besondere Stellung in den spezifischen Nachweisverfahren ein. Die hierfür in
Frage kommenden Verfahren, wie z.B.
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chemische Analyse, die Elektrolyse, die Infrarotspektrzskopie und
die Massenspektroskopie sind jeweils nur für wenige Stcffe
als spezifische
Nachweismethode brauchbar. Die Anzahl der Stoffe, die jeweils spezifisch mit einem
Verfahren nachgewiesen werden können, ist gering.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gasspurennachweisgerät zu
schaffen, mit dem ein Nachweis geführt werden kann, der molekülspezifisch, sehr
empfindlich für Gasspuren, kontinuierlich, für viele Stoffe anwendbar, sofort anzeigend
und unabhängig von anderen Stoffen ist. Chemische Verfahren sind dafür ungeeignet,
da ein spezifischer Nachweis mit spezifischen Reagenziengeführt werden muß. Die
Elektrolyse ist ionenspezifisch und liefert nur für wenige Substanzen einen Nachweis.
Massenspektrokopische Verfahren gestatten den Nachweis von bestimmten Radikalen
oder Atomgruppen. Die Infrarotspektroskopie gestattet aufgrund der Schwingungsspektren
der Moleküle zwar einen spezifischen Nachweis, wegen der geringen Auflösung dieses
Verfahrens und der Uberlagerung der Banden versagt diese Methode jedoch öfters.
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Demgegenüber wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Mikrowellengenerator
auf wählbare charakteristischen -Absorptionsspektrallinien des aufzuspürenden Gases
entsprechende Frequenzen- einstellbar und die als Mikrowellenhohlleiter ausgebildete
Meßzelle auf konstanten Unterdruck eingestellt ist.
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Mit einem solchen Mikrowellenspektrographen können die an sich bekannten
Rotationsspektren von Gasen nachgewiesen werden, indem
die entsprechenden
Mikrowellenfrequenzen am HF-Oszillator Sestgelegt und der Reihe nach abgegeben werden.
Die Energien der Rotationstibergänge liegen im Bereich von 1 bis 300 Gllz. Die Rotationskonstante
ist charakteristisch für ein Molekül und bestimmt die Frequenzen des Absorptionsspektrums
des Moleküls im Mikrowellenbereich. Sie wird mit 3 bezeichnet und ihre Dimension
ist Hz.
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B = r h 8kr21 I, das Trägheitsmoment des Moleküls steht im Nenner
dieses Ausdrucks. Ändert sich I, z.B.-dadurch, daß ein Atom durch ein Isotop ersetzt
wird, so ändert sich die Frequenz der Absorptionslinien der Rotationsübergänge.
Diese Frequenzänderungon sind im allgemeinen schon so. groß, daß sie leicht nachgewiesen
werden können. Damit können Änderungen im Molekülbau erst recht mit der Messung
der Rotationsspektren nachgewiesen werden.
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Für ein bestimmtes Gas kann ein AbsorptionskoeffizientXdefiniert werden.
Es gilt der Ausdruck
N = Anzahl der Moleküle/cm3 der Absorptionszelle f - Anzahl der Moleküle im niederen,
anregbaren Zustand |g|= gemitteltes Dipolmoment über die drei Hauptträgheitsachsen
v
= Frequenz v0 = Resonanzfrequenz = = Linienbreitenparameter c = Lichtgeschwindigkeit
kT= Boltzmann Konstante.
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Dieser Ausdruck kann so interpretiert werden, daß die Dämpfung, die
die Mikrowellen beim Durchgang durch die Meßzelle erfahren, von dem Dipolmoment,
der Anzahl der Moleküle und der Höhe der eingestrahlten Frequenz abhängt. Das Dipolmoment
p des Moleküls ist fest vorgegeben. Die eingestrahlte Frequenz v kann aus technischen
Gründen nicht beliebig erhöht werden. Zur Verminderung der Linienbreite wird in-der
Zelle ein optimaler Druck eingestellt. Damit liegt aber bei definiertem Volumen
der Meßzelle die Anzahl der vorhandenen Moleküle v und damit der für einen bestimmten
Stoff geltende Absorptionskoeffizient g fest. Zu dessen Vergrößerung kann das Volumen
der Meßzelle vergrößert werden. Selbst für schwach absorbierende Gase sind die nötigen
Neßzellenvergrößerungen technisch realisierbar.
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Die Figur der Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel im Blockschaltbild.
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Das zu untersuchende Gas, z.B. Luft, mit den entrechenden Gasspuren,
wird über eine geeignete Pump- und Dosiereinrichtung 1,2 in eine als Nikrowellenhohlleiter
ausgebildete Meßzelle 3 gebracht. Durch die Meßzelle wird die Mikrowellenenergie
ltit
einer festen oder mehreren verschiedenen Frequenzen geschickt,
deren Einstellung sich nach den einzelnen erfaßt werden sollenden Gasen richtet.
Die Frequenzeinstellung und -änderung kann sehr schnell erfolgen, so daß ein schneller
Nachweis möglich ist. Das Gas absorbiert beiden Frequenzen Energie, an denen die
Rotation der Moleküle zu einer höheren Umdrehungszahl angeregt wird. Die Messungen
selbst finden zweckmäßigerweise im Frequenzbereich zwischen 8 und 40 GHz statt.
Die Meßzelle 3 wird als Hohlleiter hergestellt. Die Abmessungen der Meßzelle können
individuell variiert werden. Parallel zur Breitseite der Meßzelle ist eine Elektrode
eingeführt, die mit einem niederfrequen-ten Wechselfeld von 200 kHz gespeist wird.
Dieses Wechselfeld ruft eine zusätzliche Riöhtungsquantelung des Moleküls und damit
eine Veränderung der Absorption hervor. Diese Richtungsquantelung der Moleküle im
elektrischer. Stark-Feld entspricht einer trägergesteuerten Amplitudenmodulation.
Diese Modulation tritt nur auf, wenn eine Absorption stattfindet.
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Somit -erhält der Detektor 4 am Ausgang der Meßzelle 3 nur dann ein
200 l:Hz-Signal, wenn eine Modulation stattfindet, d.h. ein Gas mit der entsprechenden
Spektrallinie vorhanden ist.
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Die Modulationsfrequenz kann im Prinzip zwischen einem und 300 kHz
gewählt werden. Da die Kapazität der Meßzelle 3 eine große Last darstellt, muß der
Leistung des Modulators 5, dessen Frequenz von einem Oszillator 6 erzeugt wird,
besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Die Zuführung des Modulationsspannung
wird
an der Schmalseite der Meßzelle vorgenommen.
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Das an den Detektor 4 gelangende Signal - in der Regel besteht der
Detektor aus einer speziellen Mikrowellengleichrichterdiode -wird über einen schmalbandigen
Vorverstärker 7, der mit einem mechanischen Filter 8 ausgestattet ist, in 9 verstärkt,
und das Signal zur Gleichrichtung an einen phasenempfindlichen Gleichrichter 10
weitergeleitet und angezeigt. In der Meßzelle 3 selbst wird durch einen geeigneten
Regler 11 ein konstanter Unterdruck erzeugt, der an einem Manometer 12 angezeigt
werden kann.
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An den Oszillator 6 müssen besondere Anforderungen gestellt werden,
denn er muß klein im Volumen, frequenzstabil und leicht durchstimmbar bzw. auf feste
Frequenzen setzbar sein. Beim Ausführungsbeispiel wird ein Festkörper-Oszillator
verwendet.
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Aus der Grundwelle eines variablen Mikrowellen-Oszillators im GHz-Bereich
wirdAüber eine Step-Recovery-Diode ein Kammspektrum erzeugt und mit Hilfe eines
abstimmbaren YIG-Filters die Oberwelle der gewünschten Frequenz ausgesiebt. Die
genauen Frequenzen werden im Grundoszillator eingestellt.
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Es kann auch ein YIG-abgestimmter GUNN-Oszillator alsMikrowellen-Generator
im Bereich zwischen 8 und 18 GHz in der Grundwelle been trieb/und hiervon die Frequenz
der ersten Oberwelle erzeugt werden. Die Stabilität und die Leistung dieses Typs
eines Oszillators genügen den Anforderungen eines Kleinstmikrowellenspektrggraphen
ohne weiteres.Zusätzlich kann noch ein Phasenschieber 13 zwischen
Oszillator
6 und Gleichrichter 10 vorgesehen sein.
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Die Anzeige, ob bei den vorgegebenen Mikrowellenfrequenzen charakteristische
Spektrallinien auftreten und somit das aufzuspürende Gas vorhanden ist, kann durch
Zeigerinstrumente oder durch eine Lampenanzeige 15 erfolgen, z.B. in der Art, daß
eine oder mehrere Lampen in Abhängigkeit von den Mikrowellenfrequenzen aufleuchten,
wenn die gesuchten Gase vorhanden sind.
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Für einen Nachweis von Methanol hatte die Meßzelle ein Volumen von
ca. 270 cm3, während die Modulationsfrequenz 200 kHz, die Nikrowellenfreqyienz 9
936 IEz, der Druck in der Meßzelle 0,8 Torr und die Modulationsspaimung 34-0 Vss
betrug, wobei die Menge an Methanol 3*5lg war.
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Patentansprüche: