DE2939286C2 - Gerät zum Feststellen gas- oder dampfförmiger Spurenelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Meßgeräte dieser Art werden zum Feststellen der Anwesenheit geringer Konzentrationen bestimmter Gase oder Dämpfe in Luft oder anderen Gasgemischen bzw. Dämpfen eingesetzt. Aus der US-PS 38 35 328 ist ein für diese Zwecke geeignetes Meßgerät bekannt, bei dem das zu untersuchende Gas zunächst an einer ionisierenden Strahlungsquelle vorbei und dann durch eine Rekombinationszone zu einem lonenkollektor strömt.

Eine weitere Einrichtung zum Feststellen gerinfügiger Gas- und Dampfmengen bildet eine Laufzeitröhre. Hier werden die Gase zunächst in der gleichen Weise ionisiert, wie in einer lonisationszelle. Die entstehenden Ionen werden dann einem elektrischen Feld ausgesetzt, welches Ionen in vorgegebener Richtung wandern läßt. Ionen unterschiedlicher Art können auf Grund ihrer unterschiedlichen Wanderungsgeschwindigkeit oder Mobilität im elektrischen Feld voneinander getrennt und gemessen werden. Entsprechend ihrer Laufzeit werden durch elektrische Verschlüsse oder Gitter die einzelnen Ionengruppen voneinander getrennt.

US-PS 36 26 181 beschreibt ein Gerät gemäß Gattungsbegriff, bei dem die ionisierende Strahlungsquelle und die Blende synchron aber phasenverschoben impulsweise derart gesteuert werden, daß die Blende während der Dauer des Erregerpulses für die Strahlungsquelle und auch während der sich anschließenden Impulspause zunächst geschlossen ist und erst kurz vor dem Auftreten des nächsten Erregerimpulses für eine ggf. veränderbare Zeitspanne geöffnet wird. Auf diese Weise werden Ionengruppen vorgegebener Mobilität auf ihrem Weg zur Kollektorelektrode hindurchgelassen.

Weiterhin ist in der älteren DE-OS 28 27 120 ein Meßgerät dieser Art beschrieben, bei dem zwischen Strahlungsquelle und Kollektorelektrode eine Rekombinationszone und eine Laufzeitzone in Reihe geschaltet sind Dabei dient in der einen Ausführungsform die lonisationszelle als Vorfilter, welches den Einfluß der meisten, möglicherweise störenden lonenast beseitigt und einen beträchtlichen Anteil der interessierenden Ionen hindurchläßt. Diese ausgewählten Ionen gelangen dann in die Laufzeiizone, in der sie auf Gi und ihrer Beweglichkeit klassifiziert werden. Bei einer anderen in der DE-OS 28 27 120 beschriebenen Ausführungsform durchströmt das Gas erst die Laufzeitzone und anschließend die Rekombinationszone.

Aufgabe der Erfindung ist es, Empfindlichkeit und Wirkungsgrad von Geräten der eingangs genannten Art weiter zu verbessern. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung.

Durch die Verwendung einer ersten Laufzeitzone mit einem Gitter, dessen Leiter auf konstanten elektrischen Potentialen liegen, zusammen mit einer zweiten Laufzeitzone, deren Gitterleiter mit modulierten Steuerpotentialen versorgt werden, erzielt die Erfindung eine beträchtliche Verbesserung der Wirkungsweise eines solchen Spurengasdetektors. In der Laufzeitzone mit an konstantes Potential angeschlossenen Gitterleitern, wirkt das Gitter elektrisch wie die Stauscheiben einer lonisationszelle, an denen leichte Ιυι.εη hoher Mobilität eingefangen werden, während eine große Anzahl schwerer Ionen geringer Mobilität hindurchfließen. Die Verwendung einer Laufzeitzone anstelle einer lonisationszelle hat den Vorteil, daß eine größere Anzahl von Ionen durch die auf konstantem Potential liegenden Gitter hindurchgelangen, als durch die Rekombinationszone einer lonisationszelle. Hierdurch wird sowohl die Empfindlichkeit als auch die Stabilität der Meßanordnung verbessert. Durch Zufuhr modulierter Potentiale an die Gitterleiter in der anderen Laufzeitzone wirken diese als elektrischer Verschlu der nur bestimmte Ionenpakete vorgegebener Mobilität hindurchläßt, wähi end andere Ionen am Durchgang gehindert werden.

Die zu untersuchende Gasprobe wird an einer radioaktiven Strahlungsquelle vorbeigeführt, wobei ein Teil des Gases ionisiert wird. Die auf diese Weise erzeugten Ionen wandern unter dem Einfluß eines konstanten Potentials in die erste Laufzcitzone. In dieser wird ein Gitter auf konstantem Potential gehalten. Abwechselnde Leiter dieses Gitters befinden sich auf unterschiedlichen konstanten Potentialen, so daß in erster Linie Ionen hoher Mobilität abgelenkt und vom Gitter gesammelt werden, während Ionen niedriger Mobilität durch das Gitter hindurchfliegen. Sie wandern durch die erste Laufzeitzone zur zweiten Laufzeitzone und gelangen zu einem ebenen elektrischen Verschluß, der bestimmte Gruppen oder Pakete von Ionen in die zweite Laufzeitzone hindurchläßt. Die verschiedenen Ionenarten wandern mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten entspre-

chend der jeweiligen ionenmobilität Somit gelangen Ionen unterschiedlicher Mobilität zu unterschiedlichen Zeiten an der Kollektorelektrode an, wobei die durch die Wanderungsgeschwindigkeit der betreffenden Ionen beeinflußte Eintreffzeit an der Kollektorelektrode durch die Ionenmobilität bestimmt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Diese wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispieles erläutert

Das Meßgerät weist ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 10 aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Polytetrafluoräthylen auf. Auf der einen Seite des Gehäuses befindet sich eine Strahlungsquelle 14, bestehend aus einem Metallschirm, an welchem eine radioaktiv strahlende Folie befestigt ist Die zu untersuchende Gasprobe gelangt in Richtung des Pfeils 17 in das Gehäuse 10, strömt um die Strahlungsquelle 14 herum zu einer öffnung 21 in einer elektrisch leitenden Platte 20. Diese Platte trennt die Strahlungsquelle 14 von der Laufzeitzone 30 Am «romabgelegenen Ende der Laufzeitzone 30 befindet sich ein Bereich 15, in dem sich der Probengasstrom mit in Richtung des Pfeils 18 in das Gehäuse 10 eingeführter reiner Luft oder Gas mischt

Mehrere Leiterringe 22 bis 26 sind im gegenseitigen Abstand innerhalb der Laufzeitzone 30 angeordnet und über einen Spannungsteiler 40 an eine Spannungsquelle 45 angeschlossen. Hierdurch entsteht ein lineares elektrisches Feld zwischen der Platte 20 und dem am weitesten stromabgelegenen Leiterring 26 arn Ende der Laufzeitzone 30. Ein elektrisch leitendes Gitter 31 liegt quer zum Gasstrom zwischen den Leiterringen 22 und 23 am stromaufwärtsgelegenen Ende der Laufzeitzone 30. Es besteht aus mehreren elektrischen Leitern, welche abwechselnd miteinander verbunden und an Klemmen 31a und 316 angeschlossen sind, denen unterschiedliche Spannungen bzw. Potentiale zugeführt werden können. Damit liegen aufeinanderfolgende Leiter immer abwechselnd a^f unterschiedlichem Potential.

Eine zweite Laufzeitzone 50 schließt sich stromab an die erste Laufzeiizöne 30 an. Hier sorgen Lc-terringe 51 bis 55 in Verbindung mit einem Spannungsteiler 60 und der Stromquelle 45 für die Erzeugung eines linearen elektrischen Feldes längs der Laufzeitzone. Eine Kollektorelektrocie 70 befindet sich am stromabgelegenen Ende der zweiten Laufzeitzone 50. Sie ist an den Fußpunki des zwischen die Stromversorgungsklemme 45 und Massepotential eingeschalteten Spannungsteilers 40,60 angeschlossen.

Ein Gegenstrom reiner Luft fließt ständig in Richtung des Pfeils i8 in das Gehäuse 10 hinein und verhindert lonen-Molekül-Reakiionen in der Laufzeitzone 50. Die beiden Gasströme vermischen sich im Bereich 35, und das hierbei entstehende Gasgemisch wird in Richtung des Pfeils YIa durch die öffnung 19 herausgepumpt. Bei einer anderen gleichermaßen wirkungsvollen Betriebsweise wird das Probengas durch die Öffnung 19 in Gegenrichtung zum Pfeil 17a eingebracht, mischt sich im Bereich 35 mit der in Richtung des Pfeils 18 zugeführten reinen Luft, und das Gemisch fließt in Gegenrichtung zum Pfeil 17 zur Strahlungsquelle 14 hin und an dieser vorbei. Dort werden die Spurengase ionisiert und die Ionen bewegen sich auf Grund des elektrischen Feldes innerhalb der Lauizeitzone in Richtung des Pfeils 17 zum Gitter 31, der Blende 61 und zum Kollektor 70.

Eine gitterförmige Bfende 61 befindet sich in der zweiten Laufzeitzone 50 zwischen den Leiterringen 51 und 52 und erstreckt sich senkrecht zur Richtung des Gasstrom!-,. Wie im Fail des Gitters 31 in der Laufzeitzone 30 sind auch bei der Gitterblende 61 aufeinanderfolgende Leiter abwechselnd untereinander verbunden, so daß aufeinanderfolgenden Leitern über die Klemmen 61a und 61ώ jeweils unterschiedliche Potentiale zugeführt werden können. Die Kollektorelektrode 70 ist an den einen Eingang eines Verstärkers 68 angeschlossen, der an seinem Ausgang 69 das Meßsignal liefert

to Im gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel kommt das Probengas in Richtung des Pfeils 17 an und gelangt an der radioaktiven Strahlenquelle 14 vorbei in die Laufzeitzone 30. Es wird von der Strahlungsquelle 14 durch Ladungsübertragung ionisiert Die entstehenden Ionen bewegen sich unter dem Einfluß eines konstanten elektrischen Feldes durch die Laufzeitzone 30. Ein weiterer, die Bewegung der Ionen unterstützender Einfluß rührt vom konstanten Gasstrom durch das Gehäuse 10 her. Im Vergleich zum Einfluß des elektrischen Feldes ist dieser Einfluß auf die Bewegung der Ionen jedoch gering. Das Gitter 31 wird -ils ebener elektrischer Verschluß betrieben. Durch Anltgen geeigneter konstanter Potentiale an die Klemmen 31a und 31 b wird der Verschluß teilweise geöffnet und läßt nur Ioi.en geringer Mobilität hindurch in die Laufzeitzone 30. Das Gitter j 1 mit unterschiedlichen Potentialen an abwechselnd aufeinanderfolgenden Leitern wirkt ähnlich wie die Rekombinationszone einer Ionisationszelle. Das heißt das Gitter arbeitet wie Stuuscheiben, welche leichte Ionen hoher Mobilität einfangen, während eine größere Anzahl schwerer Ionen geringer Mobilität hindurchströmen zur zweiten Laufzeitzone 50. Hauptvorteil der Verwendung eines Gitters 31 im Vergleich zur Wirkung einer Rekombinationszone ist die erreichte wesentlich höhere Konzentration bzw. Anzahl von Ionen, welche nicht vom Gitter 31 eingefangen werden, sondern zur Gitterblende 61 gelangen. Damit wird die Empfindlichkeit und Stabilität des Meßge-äts merklich verbessert.

Die aus der ersten Laufzeitzone 30 heraustretende lor Jn gelangen in die zweite Laufzeitzone 50. Auch dort stehen sie unter dem Einfluß eines linearen elektrischen Feldes, hervorgerufen durch die Spannungsquelle 45 in Verbindung mit den Spannungsteilern 40 und 60, dessen Abgriffe an die Leiterringe 51 bis 55 angeschlossen sind. An aufeinanderfolgende Leiter der Gitterblende 61 werden abwechselnd kurzzeitig unterschiedliche Spannungen gelegt, so daß kurzzeitig ein Potentialunterschied zwischen benachbarten Leitern entsteht, während das Durchschnittspotential der gesamten Gitterblende gleich dem iinearen Feldpotential in Höhe des Gitters ist. Die von der l.aufzeitzone 30 kommenden die Zone 15 durchlaufenden Ionen erreichen die Gitterblende 61 in einem gleichmäßigen Strom. Durch Anlegen geeigneter Potentiale an die Klemmen 61a und 616 der Gitterblende 61 öffnet dieser elektrische Verschluß kurzzeitig und läßt bestimmte Gruppen oder Pakete von Ionen in die zweite Laufzeitzone 50 hindurch. |edc Ionenart bev/egt sich mit einer für ihre Mobilität charakteristischen Geschwindigkeit. Sind mehrere lonenarten vorhanden, so können sie auf Grund ihror unterschiedlichen Ankunftszeit an der KollektJrelektrode 70 voneinander unterschieden bzw. getrennt werden. Am Ausgang 69 des an die Kollektorelektrode 70 angeschlossenen Verstärkers 68 entsteht ein Signal, welches für das Vorhandensein bestimmter Ionen in der Gasprobe kennzeichnend ist.
Bei der bisherigen Beschreibung der bevorzugten

Ausführungsform wurde das Gitter 31 in der Laufzeitzone 30 mit konstantem Potential beaufschlagt, wähj rend am Gitter 61 in der anderen Laufzeitzone 50 ein

! moduliertes Steuersignal lag. Das Meßgerät gemäß der

Erfindung arbeitet jedoch auch dann zufriedenstellend, wenn das Gitter 31 an modulierte Spannungen und das Gitter 61 an konstante Spannung gelegt wird. Während im gezeigten Ausführungsbeispiel die Laufzeitzonen 30 und 50 ungefähr die gleiche Größe haben, so ist dies für die Wirkungsweise der Erfindung nicht unbedingt erforderlich. Vielmehr können sich beide Laufzeitzonen sowohl hinsichtlich ihrer Länge als auch ihres Durchmessers voneinander unterscheiden. Die örtliche Positionierung des Gitters 31 und die ihm zugeführten konstanten Potentiale können vorteilhaft so ausgewählt werden, daß sie einen gewünschten Einfluß auf die erzeugten und durch die Laufzeitzone 30 laufenden Ionen haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Gerät zum Feststellen geringfügiger Mengen von Gasen oder Dämpfen in Luh. oder anderen Gasgemischen mit einer Kammer zum Durchleiten des Gasstroms;

einer zwischen Kammereinlaß und Kammerauslaß angeordneten ersten Laufzeitzone;
einer am einen Ende dieser Laufzeitzone vorgesehenen ionisierenden Strahlungsquelle;
einer Kollektorelektrode;

einer Vorrichtung zur Erzeugung eines die Ionen zur Kollektorelektrode bewegenden elektrischen Feldes;

einer in der Laufzeitzone angeordneten elektrischen Blende, welche zu vorgegebenen Zeiten geöffnet wird und dabei durch ihre Mobilität bestimmte Ionengruppen auf dem Weg zur Kollektorelektrode hindurchL^t;

»wniv viii\.i uiv Γχιΐί,αίιΐ uvi Uli- t^uubmui CICMIUUC erreichenden Ionen messenden Vorrichtung,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Strahlungsquelle (14) und Kollektorelektrode (70) in Reihe mit der ersten Laufzeitzone (30) zwischen dieser und der Kollektorelektrode eine zweite Laufzeitzone (50) vorgesehen und in der nicht die Blende (61) aufweisenden Laufzeitzone (30) ein aus mehreren Leitern bestehendes Gitter (31) angeordnet ist, wobei die einzelnen Leiter auf vorgegebenen elektrischen Poter'ialen liegen, um Ionen höherer Mobilität anzuziehen und Ionen geringerer Mobilität hindurchzulassen.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (31) in der ersten Laufzeitzone (30) und die elektrische Blende (61) in der zweiten Laufzeitzone (50) angeordnet ist.

3. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (31) in der zweiten Laufzeitzone und die elektrische Blende (61) in der ersten Laufzeitzone angeordnet ist.