DE2720300B2

DE2720300B2 - Verfahren und Gerät zur Untersuchung von Gasen

Info

Publication number: DE2720300B2
Application number: DE2720300A
Authority: DE
Inventors: Eduard Dr.Rer.Nat. 5100 Aachen Bailitis
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1977-05-06
Filing date: 1977-05-06
Publication date: 1979-06-21
Also published as: JPS53138792A; CH638046A5; DE2720300A1; GB1603284A; US4170892A; DE2720300C3; FR2389885A1; FR2389885B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung von Gaser, anhand der mittleren Molekulargeschwindigkeit über die Knudsen-Strömung sowie ein Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die sogenannte Knudsen-Methode ermöglicht die Bestimmung von Dampfdrücken und davon thermodynamisch oder gaskinetisch abzuleitenden Kenndaten durch Messung der Ausströmgeschwindigkeit eines Gases durch eine kleine Öffnung von bekannter Größe (cf. Pratt und A ld red, Torsion-effusion apparatus for the study of vapour preisures of alloys, Jorunal of Scientific lnstr., Vol. 36, Nov. 1959, S. 465).

Ausgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät für die Untersuchung von Gasen nach Knudsen zu entwickeln, das meßtechnisch höchsten Ansprüchen gerecht wird, für Arbeiten mit kleinsten Substanzmengen, insbesondere im Bereich der Atomphysik geeignet ist und sich gleichwohl durch apparative Einfachheit auszeichnet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch ge-

V) kennzeichnet, daß man einerseits ein Bezugsgas und andererseits das zu untersuchende Gas in definierter Menge pro Zeiteinheit in eine erste Zone von bekanntem Volumen und aus dieser ersten Zone durch eine Knudsen-Strömung mit variablem effektivem Querschnitt in eine zweite Zone mit bekanntem Druck strömen läßt, die Gasmenge oder eine dazu proportionale Größe in der ersten Zone nach Erreichen eines ersten stationären Zustandes mißt, den effektiven Querschnitt der Knudsen-Strömung spontan verändert.

die Messung für den danach erreichten zweiten stationären Zustand wiederholt und die Differenz der Werte der beiden stationären Zustände sowie den Gradienten des Meßwertes im Anschluß an die Querschnittsveränderung bestimmt.

Vorzugsweise erfolgt die Änderung des effektiven Querschnittes in Richtung einer Vergrößerung. Die gefundenen Daten lassen sich besonders einfach auswerten, wenn man das Volumen der ersten Zone, den

Druck in der zweiten Zone und den Gaszufluß in die erste Zone konstant hält.

Zur Gewinnung einer Meßreihe ist es zweckmäßig, die Querschnittsveränderung mehrmals vorzunehmen und jeweils den Gradienten und die Differenz zwischen dem neuen und einem vorhergehenden stationären Zustand zu bestimmen.

Die Änderung und insbesondere Vergrößerung des effektiven Querschnittes erfolgt vorzugsweise jeweils um den gleiche.i Betrag oder Faktor, jedoch kann — insbesondere wenn ein Rechner zur Auswertung der Ergebnisse zur Verfügung steht — auch eine variable Einsteilung des effektiven Querschnittes vorgesehen sein.

Bei den vorgenannten Meßwerten bzw. ihrer Differenz und dem Gradienten der Meßwertsänderung wird es sich regelmäßig um die· betreffenden Größen der Gasdichte handeln. Es können jedoch auch hierzu proportionale Werte gemessen werden, bei geladenen Teilchen beispielsweise die Zahl der Ladungen, bei radioaktiven Gasen die Strahlung usw. Ausgewertet wird in jedem Fall die intensität der von einem geeigneten Meßgerät abgegebenen Signale. Aus ihnen sind je nach den vorgegebenen Parame'ern die verschiedenen, in den grundlegenden Gleichungen enthaltenen Größen rechnerisch zugänglich.

In erster Linie interessiert dabei das Molekulargewicht, auch (relative) Molmasse genannt.

Nach dem Maxwellschen Verteilungsgesetz ist das Quadrat der mittleren Molekelgeschwindigkcit nach folgender Gleichung vom Molekulargewicht abhängig:

w² =

Hieraus folgt, daß die Molekulargewichte zweier verschiedener Gase den Quadraten ihrer mittleren Molekelgeschwindigkeiten umgekehrt proportional sind.

Bis herab zu einigen Millibar ist nun nach dem Gesetz von Hagen— Poiseui Me die durch ein Hindernis strömende Gasmenge proportional dem mittleren Gasdruck. Bei weiter sinkendem Druck abei durchläuft die Durchflußmenge ein Minimum und wird bei etwa 0,0013 mbar konstant und unabhängig von weiterer Drucksenkung. Im Bereich dieser »Knudsenschen Strömung« beträgt die mittlere freie Weglänge der Gasmolekeln mindestens einige Zentimeter, und die innere Reibung des Gases verschwindet. Dieses Phänomen macht sich die Erfindung zunutze. Vorzugsweise beträgt das Vakuum bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 1,3x10~⁸ bis 10"¹², insbesondere 10-^l0 Bar; in diesem Bereich ist sichergestelll, daß die mittlere freie Weglänge der Gasmolekeln gröOer ist als die Apparateabmessungen, während andererseits Drücke in dieser Größenordnung noch wirtschaftlich erreichbar sind und ohne allzu große Schwierigkeiten technisch beherrscht werden können.

Im Normalfall wird man das Gas ohne zusätzliche Beeinflussung durch die Vakuumzone strömen lassen, so daß in den effektiven Querschnitt außer der Fläche keine weiteren Parameter eingehen. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, zur Unterscheidung verschiedener Sorten von Gaspartikeln diese beim Durchgang durch die Vakuumzone dem Einfluß elektrischer oder magnetischer Felder zu unterwerfen, gegebenenfalls nach vorheriger Anregung etwa durch Ionisation oder Bestrahlung mit IR- odei UV-Licht etc.

Der Quotient des effektiven Querschnitts (bzw. die Summe von mehreren effektiven Querschnitten) und dem Volumen der ersten Zone

A =

σ ·+· (I₁ + σ₂

ist jeweils konstant. Auf diese Konstante wird weiter unten noch eingegangen werden.

ίο Der effektive Querschnitt beeinflußt direkt die durchströmende Gasmenge, und diese wiederum über die Zeit die erreichbare Auflösung, d. h. je kleiner der effektive Querschnitt ist, desto größer ist die erzielbare Auflösung, desto kleiner ist andererseits jedoch der meßbare Intensitätsunterschied.

Für die Auswertung der Meßkurven, bei denen es sich, wie weiter unten noch erläutert wird, meistens um e-Funktionen handelt bzw. zur Bestimmung der Tangentenfunktionen, ist der Einsatz eines modernen Elektronenrechners zweckmäßig, wenn nicht bereits die graphische Aufzeichnung der Meßw >ne die gewünschte Aufklärung liefert, indem etwa bei 'ialblogarithrnischer Einteilung des Kurvenmaßstabes gerade Linien erhalten werden.

Ein Gerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine Vakuumkammer mit bestimmten Volumen auf, die durch einen angeschlossenen Vorrat mit Gas beschickbar ist und über wenigstens zwei wahlweise und unabhängig voneinander zu öffnende

jo und zu schließende Ventile an eine Saugpumpe angeschlossen ist sowie einen Sensor zur Bestimmung der in ihr herrschenden Gasdichte enthält.

Zweckmäßigerweise haben die Nebenventile den gleichen effektiven Querschnitt.

Da die Erfindung Aussagen über die mittlere Molekelgeschwindigkeit eines Gases macht, kann sie überall dort Anwendung finden, wo diese gaskinetische Größe hervortritt. Der zur Messung erforderliche Gasfluß ist klein, ca. 10¹³ Molekel/sec.

Eine vorteilhafte Anwendung ist die Kombination mit einem Massenspektrometer, der lediglich durch ein ent:^rechend konstruiertes Zusatzgerät zu ergänzen ist. Die Meßwerte erlauben eine klare Zuordnung der Spektrallinien. Die Methode ist in der Lage zu unterscheiden, welchen Molekeln die Linien in einem Massenspektrum angehören.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist die massenspektrometrische Untersuchung von organischen Substanzen. In der Ionenquelle kann ein organisches Molekel in

^r>o viele Radikale oder Bruchstücke zerfallen, so daß ein linienreiches Spektrum entsteht. Die Linie des Muttermolekels ist des öfteren nicht so stark ausgeprägt wie die Nebenlinien. Mit Hilfe der Erfindung kann man feststellen, welchen Molekeln die Nebenlinien zuzuordnen sind, und für die Strukturanalyse zusätzliche Informationen erha'ten.

Im anorganischen Bereich läßt sich die Methode zur Untersuchung von Cluster einsetzen.
Ferner kann man schnell und genau Molekularge-

bo wichtsbestimmung^n durchführen, z. B. beim Studium der Kohlevergasung. Bei bekannter Molekelgeschwindigkeit bzw. Molmasse sind umgekehrt Rückschlüsse auf die Natur des untersuchten Gases möglich, so daß weitere Anwendungen auf reaktionskinetischem und

h5 photochemischen Gebiet denkbar sind.

Weil die erfindungsgemaße Vorrichtung sehr robust aufgebaut werden kann, ist auch eine direkte Uniersuchung der Gase in einem Kernreaktor möglich.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung ist im nachstehenden anhand der Zeichnung in bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In den Fig. I bis 4 sind schematisch einige Geräte bzw. Versuchsanordnungen für die Durchführung der Erfindung gezeigt.

Zunächst sei F i g. I betrachtet.

Eine Vakuumkammer I mit dem Volumen V ist an eine Leistungsfähige Pumpe 2 angeschlossen und kann über eine größere Öffnung (Ventil .S^ sorgfältig ausgepumpt werden. Zwischen der Vakuumkammer 1 und der Pumpe 2 sind außer dem Hauptventil S zwei Nebenventile 5| und Si angeordnet, die unabhängig voneinander geöffnet und geschlossen werden können und im offenen Zustand die effektiven Querschnitte », und O₂ haben.

Mit der Eintrittsseite der Kammer 1 ist ein Gasvorrat 3 über ein Feinregulierventil 4 verbunden. Zweckmäßigerweise ist das gesamte Gerät als Ultrahochvakuum-Apparatur erstellt.

Die Einströmrate des Gases von /V Molekel/sec wird so bernessen und der Druck in der Kammer so eingestellt, daß bei geschlossenem Hauptventil S und einem offenen Nebenventil eine reine Knudsen-Strömung vorliegt. Vorzugsweise wird man in einem Druckgebiet von 1,3 χ 10~⁸ bis 10"^l2 Bar arbeiten.

Die Einströmrate Λ/wird mittels des Regulierventils 4 konstant gehalten. Nach einer gewissen Zeit stellt sich ein stationärer Zustand ein. bei dem ebensovielc Molekel in die Kammer 1 einströmen wie von der Pumpe 2 abgesaugt werden. Die Leistungsfähigkeit der Pumpe wird so bemessen, daß die Rückströmung aus der Pumpe 2 in die Kammer 1 vernachlässigt werden kann.

An einer Stelle der Kammer 1 oder in einem Ansatz an dieser ist ein Sensor 5 angebracht, der ein der Gasdichte proportionales elektrisches Signal

J = k c

für ein Meßgerät oder einen Schreiber abgibt, worin c die Gasdichte und Ader Proportionalitätsfaktor bzw. die Eichkonstante bedeuten.

Der Sensor 5 kann eine bekannte Vorrichtung sein, welche eine der Gasdichte proportionale elektrische, magnetische, optische oder radioaktive Eigenschaft des Gases mißt, z. B. indem man Gas in einem kleinen Raumgcbiet ionisiert und den lonenstrom mißt.

Die Meßinstrumente sind so zu wählen, daß die Zeitkonstante kleiner, vorzugsweise einige Zahlenpotenzen kleiner ist als die resultierende Zeitkonstante

aus der effektiven Öffnung und dem Volumen bei

der Versuchstemperatur T. Damit ist auch die zu wählende Apparatekonstante bzw. die Auslegung des Gerätes größenordnungsmäßig gegeben.

Ein konstantes Signal J₃ am Ausgang des Sensors 5 zeigt den stationären Zustand an. Nachdem dieser stationäre Zustand J, erreicht ist, wird das zweite Nebenventil spontan geöffnet und die Zeit gemessen. Die Gasdichte in der Kammer 1 nimmt ab und strebt einem neuen stationären Wert ]_c zu; diesen Vorgang kann man am Schreiber verfolgen. Die Differenz

U = J_a-J_e

des zweiten Ncbenventils folgt einer Exponentialfunktion.

Die Änderung des Meßwertes bei / = 0 nach der öffnung des zweiten Nebenventils ist

(dJ/dr),._o.

Diese Größe entnimmt man graphisch aus der Schreibkurve oder man ermittelt sie mit Hilfe eines Rechners, der die Meßwerte direkt auswertet. Aus den ίο beiden Größen /d/und (dj/d(),.o ergibt sich die von der Gasart unabhängige Apparatekonstante A nach der Beziehung

A =

4(dJ df), _-„
I J w

kann experimentell unmittelbar bestimmt werden. Die Änderung des Meßwertes nach dem spontanen Öffnen ii ist die mittlere Molekelgcschwindigkeit des untersuchten Gases bei der absoluten Temperatur T. Diese Temperatur T wird während der Messung

-'" konstant gehalten.

In fig. 1 ist ein Thermometer mit 6 und die Ionenquelle mit 7 bezeichnet.

Die mittlere Molekelgeschwindigkcit tv läßt sich aus der obigen Formel (I) berechnen, wenn das Molekular-

->"> gewicht des Gases bekannt ist. Zur Bestimmung der Apparatekonstante A braucht man also nur die Größen AJ und (d//di^,,n gemäß den Gleichungen (3) und (4) für ein definiertes Gas. beispielsweise Sauerstoff zu messen.

Führt man die Messung nun mit einem unbekannten Gas bei derselben Temperatur Tdurch, so erhält man aus den gemäß (3) und (4) gewonnenen Größen nach Einsetzen der Apparatekonstante aus der Gleichung (5) die mittlere Molekelgeschwindigkeit des unbekannten Gases sowie aus der Formel (1) sein Molekulargewicht.

i") Von besonderem Vorteil ist die Anwendung der Erfindung bei einem Massenspektrometer. Die Ionenquelle des Massenspektrometer ist so einjustiert, daß das elektrische Ausgangssignal in einem gewissen Druckbereich proportional der partiellen Gasdichte ist;

■in sie kann deshalb hier als Sensor dienen. Für jede lonenart. welche in der Ionenquelle erzeugt wird, findet man am Ausgang im Spektrum eine Linie, aus welcher man die Molmasse berechnen kann. Gasmolekel, welche in der Ionenquelle des Massenspektrometers in Ionen

^J5 umgewandelt werden, können erhebliche physikalische und chemische Veränderungen erfahren. Das Spektrum ist daher meistens reicher an Linien, als es der tatsächlichen Gaszusammensetzung entspricht.

Zur Bestimmung der Apparatekonstante wird man

w die Anzeige auf die Sauerstofflinie einstellen und die Messung nach dem oben beschriebenen Verfahren durchführen. Bei den Messungen mit einer Einstellung auf eine andere Linie kann man für die Berechnung von W die massenspektrometrisch angezeigte Molmasse einsetzen. Für alle reellen Gase, welche bei einem Experiment durch die Vakuumkammer fließen, wird man ein und dieselbe Apparatekonstante A finden. Ist die Anzeige jedoch zufällig auf eine Linie der Fragment-Ionen eingestellt, welche außerhalb der Ionenquelle nicht existieren, eine kurze Lebensdauer haben und nicht in dem Gasfluß vertreten sind, so ergibt sich statt A stets ein kleinerer Wert B. Beide stehen in der Beziehung A/B=\y., worin χ der Teilungsfaktor der Muttermolekel ist. Hierdurch wird eine zusätzliche Information für die Linienzuordnung im Massenspektrum gewonnen.

Auch zur Untersuchung von Clustem läßt sich die Erfindung benutzen. Cluster sind Großmolekeln, in

denen mehrere leichte Molekeln in einer Einheit zusammengeschlossen sind. Ist CD ein zweiatomiges Gasmolekel, so ist. falls dieses Gas Cluster bildet, das Großmolekel (CD)_x. worin χ die Anzahl der Einzelmolckeln je Cluster ergibt. Die Molekel werden durch van der Waals'sche Kräfte zusammengehalten, deren Bindungsenergie gering ist. In der Ionenquelle zerfällt dah^r ein Cluster teilweise oder vollständig in seine Bestandteile und hat als Ganzes kaum eine selbständige Linie im Spektrum.

Bei Untersuchungen nach der Vorrichtung gemäß l·' i g. 2 ist die Ionenquelle 7 als Emitter des Molekels CD anzusehen, fulls ein Clusterfliiß durch die Kammer I hergestellt ist. Die Mcßkurve erweist sich als zusammengesetzte e-Funktion.

Bei einem stationären Zustand liegt in der Kammer I neben dem Cluster (CD)_x auch das Gas CD vor. Nach der Öffnung des /weiten Ncbcnventils fließen die leichteren Gasmolekeln schneller aus der Kammer I ;il·. die schweren Cluster. Die Dichteabnahme bei t = 0 ist überwiegend durch die Dichteänderung der Komponente CD bestimmt. Aus der Dichteänderung und den bekannten Versuchsbedingungen kann man die F-IuD-kurve der leichten Komponente kalkulieren und von der experimentellen Gc.imtkurve abziehen. Die Differenzkurve ist die Fliißkurve der schweren Komponente, welche gesucht wird.

Die oben beschriebene Korrektur erschwert jedoch die Auswertung und stellt eine zusätzliche Fehlerquelle dar. Es wurde deshalb eine Meßanordnung konstruiert, bei welcher Clusterfragmente auf die Messung keinen oder einen stark reduzierten Einfluß haben. Eine solche Anordnung ist in F i g. 3 gezeigt.

Hier ist das Quadrupol 8 oder ein anderes Massenspektrometer mit der Ionenquelle 7 in einer gesonderten Meßkammer 1' untergebracht. Die Meßkammer Γ wird durch ein zweites Pumpsystem 2' evakuiert.

Um eine Rückströmung von der Meßkammer Γ in die Flußkammer 1 möglichst kein zu halten, muß man den Druck in der Meßkammer Γ ein bis zwei Zehnerpotenzen kleiner einstellen als in der Flußkammer 1. Durch eine kleine Öffnung S_n, gelangt das Gas als Molekelstrahl von der Flußkammer I in die Meßkammer I'. Die Ionenquelle 7 des Masaenspektrometers wird in dem Srahl einjustiert, und zwar ist sie axial zum Strahl angeordnet. Die aus der Ionenquelle 7 fließenden Clusterfragmente werden von der Pumpe 2 der Meßkammer Γ erheblich schneller abgepumpt als in der einfachen Anordnung nach Fig. 2. Den Anstieg des Partialdrucks der Fragmentmolekel in der Meßkammer

Tabelle 1

Γ kann man noch durch die eingebauten Kühlwändc 9, welche mit einem Kühlmittel aus einem Kryostat, flüssiger Luft oder flüssigem Helium gekühlt werden, so stark herabsetzen, daß der Rückfluß in der Ionenquelle

-> vernachlässigt werden kann. Dadurch wird erreicht, daß der massenspektrometrische Anzeiger direkt die CIusterdichte in der Flußkammer 1 angibt und eine zusätzliche rechnerische Korrektur nicht notwendig ist.

F i g. 4 zeigt eine ähnliche Anordnung wie die F i g. 3.

ίο Hier steht jedoch die Ionenquelle 7 senkrecht zum Molekelstrahl. der durch die kleine Öffnung S_m fließt.

Ferner ist das entbehrliche Nebenventil 52 weggelassen.

Ähnlich wie Cluster zerfallen auch Kohlenwasser-

stoffmolekeln in der Ionenquelle, so daß man bei

r, Untersuchungen nach der klassischen Massenspektrometrie für die Zuordnung der Linien zur Muttermolekel auf zusätzliche Informationen angewiesen ist. Die kann man erfindungsgemäß erhalten: Da die Radikale der Kohlenwasserstoffe des öfteren auch als selbständige

..ι Molekeln existieren können, ist bei der Untersuchung dieser Substanzen die gleiche Maßnahme zu ergreifen wie bei der Untersuchung von Güstern.

In den nachfolgenden Beispielen wurde eine zylindrische Vakuumkammer aus ViA-Stahl mit einem VoIu-

j-, men von ca. 40 000 cm³, einem Durchmesser von ca. 40 cm und einer Flöhe von ca. 35 cm benutzt. Die Öffnungsquerschnittc der Nebenventile betrugen je ca. 2 cm J.

Sn B e i s ρ i e 1 I

Eine SIMS-Auger-Vakuumkammer wurde durch Einbau von zwei Nebenventilen erweitert. Die Versuchsanordnung entspricht der in Fig. 2 schematisch

j-, dargestellten Apparatur. Bei einer konstanten Einlaßrate wurde für Gase Oj, N2, NO, A und CO2 der Gradient (aJlat),„olAJ nach dem Öffnen des zweiten Nebenventils und die Differenz A] bei einem Druck von ca. 10 -^|0 Bar und einer Temperatur von 298 K gemessen.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Die Zahlenwerte der Spalte 2 ergeben, daß die Linie 14 und 28 aus ein und demselben Molekel stammen. Das gleiche gilt für die Linien 16 und 32 und 20 und 40. Die Spalte 6 ergibt für die Linien 14, 16 und 20 einen Faktor

-r, von 2. Diese sind daher aus dem Molekel der Linien 28. 32 und 40 in der Ionenquelle entstanden. Die 14 und 16 durch die Spaltung des Stickstoffs bzw. Sauerstoffmolekels, die 20 aus dem Argonmolekel mit einer doppelten Ladung. Die doppelgeladenen Ionen äußern sich bei

-,o dieser Methode im gleichen Sinne wie eine Halbierung des Molekels.

m/e	(A Jl At)₁^₀₁₄ J	(t)"	1,52	1,43	2
14	0,761	1,06	1,42	1,43	2
16	0.715	0,99	1,26	1,44	2
20	0,630	0,87	1,07	1,01	1
28	0,763	1,06	1,03	.00	1
30	0,752	1,03	1,00	,00	1
32	0,720	1,00	0,89	,00	1
40	0,639	0,89	0.84	.03	1
44	0.593	0.82

Anmerkungen zur Tabelle 1:

Spalte 1: die Linien im Massenspektrum, m/e.

Spalte 2: das experimental! ermittelte Verhältnis von (UJIaI)₁^I J. Es ist ein aus mehreren Messungen gebildeter Mittelwert. Der mittlere Meßfehler liegt bei ca. 1 %.

10

Spalte 3: das aufSauerstoffbezogene Verhältnis der mittleren Geschwindigkeit (K/wj2)m-

Spalte 4: das aus den gaskinetischen Daten berechnete Verhältnis (wAvjih·

Spalte 5: das Verhältnis /κ der Zahlenwerte aus der Spalte 4 zu Spalte 3.

Spalte 6: der Teilungsfaktor κ des Molekels in der Ionenquelle.

Beispiel 2

Als Gas wurde Tetrachlorkohlenstoff untersucht.

In einem Massenspektrometer liefert CCU ein linienreiches Spektrum. Man findet intensive Linien bei den atomaren Masseneinheiten 35. 37, 47. 49; 82, 84, 86 und 117. 119, 121. 123, welche die Fragment-Ionen des CCU-Molekels sind. Diese werden in der Ionenquelle überwiegend durch den Elektronenstoß gebildet.

Das CCU-Spektrum wurde nach der oben beschriebenen Methode ausgewertei. Die Fiußrate von CCI4 wurde konstant gehalten, bei einer konstanten Temperatur wurde die zeitliche Änderung der Linienintensitäten nach dem öffnen des /weiten Ventils experimentell ermittelt. Eine halblogariihmische Auftragung über die Zeit ergibt ein und dieselbe Steilheit für die Linien 35. 37; 47, 49; 82. 84, 86 und 117. 119. 121, 123. Aufgrund dieses Ergebnisses ist sofort die klare Aussage möglich, daß diese Linien ein und demselben Muttermolckei angehören.

Zur Auffindung der Muttermolekel wird mit derselben Apparatur eine Messung z. B. mit Sauerstoff unter

gleichen Flußbedingungen und der gleichen Temperatur durchgeführt.

fragt man nun die Änderung der .Sauerstofflinie in die halblogarithmische Darstellung ein. so erhalt man ebenfalls eine Gerade, die den Anfang der CCU-Geraden schneidet, jedoch steiler verlauft als diese. Man kann nun beide Messungen graphisch vergleichen. Die rechnerische Auswertung ergibt, daß die Masse der Muttermoickei zwischen

32 = 150

und

atomaren Masseneinheiten liegen muß. In dem Spektrum sind tatsächlich schwache Linien bei 152. 154. 156, so 158 und 160 zu finden, welche den Mutlermolekeln von CCI₄ angehören.

Hier/u 4 HIaIt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Untersuchung von Gasen anhand der mittleren Molekulargeschwindigkeit über die Knudsen-Strömung, dadurch gekennzeichne ti daß man einerseits ein Bezugsgas und andererseits das zu untersuchende Gas in definierter Menge pro Zeiteinheit in eine erste Zone von bekanntem Volumen und aus dieser ersten Zone durch eine Knudsen-Strömung mit variablem effektivem Querschnitt in eine zweite Zone mit bekanntem Druck strömen läßt, die Gasmenge oder eine dazu proportionale Größe in der ersten Zone nach Erreichen eines ersten stationären Zustandes mißt, den effektiven Querschnitt der Knudsen-Strömung spontan verändert, die Messung für den danach erreichten zweiten stationären Zustand wiederholt und die Differenz der Werte der beiden stationären Zustände sowie den Gradienten des Meßwertes im Anschluß an die Querschnittsveränderung bestimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des effektiven Querschnittes in Richtung einer Vergrößerung erfolgt

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen der ersten Zone, der Druck in der zweiten Zone und/oder der Gaszufluß in die erste Zone konstant gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung einer Meßreihe die Querschiiittsveränderung mehrmals vorgenommen und jeweils der Grad; nt und die Differenz zwischen dem neuen ^M,nd einem vorhergehenden stationären Zustand bestimmt κ'·ά.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung und insbesondere Vergrößerung des effektiven Querschnittes jeweils um den gleichen Betrag oder Faktor erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdichte bzw. die Dichteänderung als Funktion dir Zeit oder hierzu proportionale Größen gemessen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuum 1,3xlO-⁸ bis 10-'², insbesondere 10-'°Bar beträgt.

8. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vakuumkammer (1) mit bestimmtem Volumen (v), die durch einen angeschlossenen Vorrat (3) mit Gas beschickbar ist und über wenigstens zwei wahlweise und unabhängig voneinander zu öffnende und zu schließende Ventile (S, S\, S2 ■■■) an eine Saugpumpe angeschlossen ist, sowie einen Sensor (5) zur Bestimmung der in ihr herrschenden Gasdichte enthält.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (J|, S₂) den gleichen effektiven Querschnitt haben.

10. Gerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmrate der Gase aus dem Vorrat (3) in die Kammer (I) mittels eines Regulierventils (4) konstanthaltbar ist.

11. Gerät nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch Ventil (S) und einer daran

angesetzten Verbindung zu einer Vakuumpumpe.

12. Gerät nach einem der Ansprüche 8 bis II, dadurch gekennzeichnet, daß es als ultrahochvakuumsicher ausgebildet ist.

13. Gerät nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor die Ionenquelle (7) eines angeschlossenen Massenspektrometer (8) vorgesehen ist.

14. Gerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) oder/und der Massenspektrometer (8) in einer Meßkammer (Γ) angeordnet ist, welche durch eine kleine effektive öffnung (S_n,) von der Flußkammer (1) getrennt ist, wobei die ionenquelle (7) hinter der Öffnung (S_nJ in dem Molekelstrahl liegt

15. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenspektrometer (8) axial zum Molekelstrahl angeordnet ist

16. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenspektrometer (8) normal zum Molekelstrahl angeordnet ist.

17. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (1') auf einen Druck bringbar ist, der um etwa 1 bis 2 Zehnerpotenzen niedriger ist als der Druck in der Flußkammer (1).