DE4106574A1 - Molekularstrahlseparator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Molekularstrahlseparator.

Molekularstrahlseparatoren werden typischerweise zur Trennung eines Trägergases von einer gasförmigen Probe zur weiteren Analyse verwendet. Bei einem wichtigen Anwendungsfall ist der Molekularstrahlseparator zwischen dem Ausgang eines Gaschroma­ tographen und dem Eingang der Ionenquelle eines Massenspektro­ meters geschaltet. Der Separator soll die Probe anreichern und wünschenswerterweise eine maximale Anreicherung sowie einen maximalen Durchsatz der Probe erreichen. Mit Durchsatz ist der Anteil der Probe gemeint, der von dem Einlaß zu dem Auslaß des Separators übertragen wird.

Eine bekannte Gestaltung eines Molekularstrahlseparators ist in dem US-Patent 39 57 470 (Dawes) offenbart. Dieser Separator weist einen einstückigen Glasbestandteil auf, der ein Paar genau ausgerichteter Eingangs- und Ausgangsrohre mit einem feinen Evakuierungsspalt zwischen deren offenen gegenüberlie­ genden Enden und eine umgebende Hülle aufweist, die eine Eva­ kuierungskammer bildet und einen rohrförmigen Auslaß zum An­ schluß an eine Vakuumpumpe besitzt. Diese Gestaltung hat den Vorteil, daß sie aus einem einzigen Glasrohrleitungsstück her­ gestellt werden kann, das entweder zur Gewährleistung einer Fluchtung mit einer Überbrückung versehen ist, wenn ein Spalt vollständig durch die Rohrleitung geschnitten wird, oder das mit einem Querschlitz zur Bildung des Spaltes versehen ist. Eine Düsenöffnung kann an dem Spalt in dem Einlaßabschnitt der Rohrleitung vorgesehen sein.

Ein Separator der allgemeinen in dem US-Patent 39 57 470 of­ fenbarten Art hat sich einige Jahre lang als zufriedenstellend erwiesen. Es haben sich jedoch zahlreiche Beschränkungen erge­ ben, die dessen optimale Anwendung bei modernen Kapillarsäu­ len-Gaschromatographen verhindern. Die vorhandenen Molekular­ strahlseparatoren erreichen eine Strömung, die typischerweise in dem Bereich von 20 bis 50 ml/min liegt, eine Einschränkung, die teilweise von der minimalen Spaltbreite von etwa 100 µm und von einer minimalen Einlaßöffnung an dem Spalt in einer gleichen Größenordnung herrührt. Kapillarsäulenströmungen sind typischerweise im wesentlichen kleiner als 20 ml/min, und eine Anwendungspraxis zur Überwindung dieses Problems bestand dar­ in, die Strömung von dem Gaschromatographen mit zusätzlichem Trägergas stromaufseitig von dem Separator zu vergrößern. Die­ se Handhabung wirkt jedoch der Produktivität entgegen und ver­ ringert leicht den resultierenden Durchsatz des Separators.

Vorbekannte einteilige Separatoren haben zwei andere Nachtei­ le, die aus ihrer körperlichen Form resultieren. In Fällen, in denen variable Düsenöffnungen und/oder Evakuierungsspalte vor­ gesehen sein sollen, um unterschiedlichen Eingangsgasen oder Eingangsquellen anpassend Rechnung zu tragen, muß die gesamte Einheit ausgetauscht werden. Es existiert auch ein Problem bei der Reinigung der Einheiten, wenn sie in dem Bereich der Dü­ senöffnung bzw. des Spaltes verstopfen.

Mit der Erfindung soll demzufolge ein verbesserter Molekular­ strahlseparator verfügbar gemacht werden, der wenigstens teil­ weise einen oder mehrere der vorgenannten Nachteile verrin­ gert.

Bei der Verbesserung des Aufbaus eines Molekularstrahlsepara­ tors muß gewährleistet werden, daß es möglich bleibt, genau und zuverlässig den Evakuierungsspalt zu gestalten, da die Vorbestimmbarkeit dieses Spaltes wichtig zur Sicherung eines zuverlässigen Betriebs des Separators ist. In vielen Anwen­ dungsfällen ist es ferner wünschenswert, beispielsweise bei der Verbindung eines Gaschromatographen mit einem Massenspek­ trometer, daß der Strömungsweg eine inerte Verbindung bildet.

Die Erfindung schafft demgemäß einen Molekularstrahlseparator, der ein Gehäuse enthält, das eine Evakuierungskammer bildet. Eine Bohrung in dem Gehäuse durchquert die Kammer derart, daß die Bohrung zwei Abschnitte an gegenüberliegenden Seiten der Kammer aufweist. In diese Bohrungssegmente sind jeweils Rohre, deren gegenüberliegende Enden innerhalb der Kammer in direkter oder indirekter Anlage sind, in einer festen Passung derart eingesetzt, daß die Bohrung der Rohre im wesentlichen fluch­ ten. Die Bohrungen der Rohre sind an den gegenüberliegenden Enden offen, und wenigstens eines der gegenüberliegenden Enden ist derart gestaltet, daß es einen vorbestimmten Spalt zwischen den gegenüberliegenden Enden der Rohrbohrungen bil­ det.

Die Gestaltung wenigstens eines der gegenüberliegenden Enden der Rohre zur Bildung eines vorbestimmten Spaltes weist vor­ teilhaft ein planares bzw. ebenes Ende des Rohres auf, das unter einem vorbestimmten Winkel zur Rohrlängsachse gebildet ist, der zur Schaffung des benötigten Evakuierungsspaltes aus­ gewählt ist. Bei dieser Konfiguration ist die Seitenfläche des Rohres, die dann einen spitzen Winkel zwischen der Rohraußen­ fläche und dem planaren Ende bildet, vorzugsweise schräg abge­ schnitten, um einen senkrechten Flächenabschnitt zu gestalten, der das tatsächliche Ende des Rohres bildet, um auf diese Wei­ se einen scharfen Rand zu vermeiden, der sonst in das andere Rohr stechen würde. Selbstverständlich können auch andere Kon­ figurationen verwendet werden, beispielsweise eine akurate Falzung an dem Ende des Rohres. In jedem Fall wird die Zuver­ lässigkeit des Spalts durch einen genauen Abstand zwischen den beiden Bohrungen gewahrt, wenn die Rohre in innenseitige Be­ rührung gebracht werden.

Die Rohre besitzen vorzugsweise eine relativ inerte Bohrungs­ oberfläche, beispielsweise aus Glas bzw. Silizium. Eines der Rohre, vorzugsweise dasjenige, das nicht zur Bildung des vor­ bestimmten Spaltes gestaltet ist, besitzt eine verengte Boh­ rung an dem Ende, das zu dem Spalt mündet, um eine Einlaßdü­ senöffnung zu bilden.

Das Gehäuse kann durch ein in etwa T-förmiges Element vorgese­ hen sein, bei dem der Stamm eine Blindbohrung zur Bildung der Evakuierungskammer besitzt und die Arme die äußeren Enden der Querbohrung enthalten. Die entfernten Enden des Stammes und die äußeren Enden der Arme können Standardarmaturen zum An­ schluß des Separators an ein Vakuumsystem und an Glaskapillar­ leitungen aufweisen.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise weggeschnittene Ansicht eines Moleku­ larstrahlseparators gemäß einer bevorzugten Ausge­ staltung der Erfindung in einer Anordnung in einer Glaskapillarleitung, die beispielsweise den Ausgang eines Gaschromatographen mit dem Eingang eines Mas­ senspektrometers verbindet; und

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils von Fig. 1.

Der dargestellte Molekularstrahlseparator 10 besitzt ein T- Gehäuseteil 12 mit einem zylindrischen Stamm 14 und koaxialen zylindrischen Armen 16, 17. Eine Blindbohrung 15 in dem Stamm 14 erstreckt sich zu dem entfernt liegenden Ende des Stamms über die Lage der Arme 16, 17 hinaus und bildet eine Evakuie­ rungskammer 18. Eine Bohrung 20 erstreckt sich koaxial in den Armen 16, 17 und durchtritt die Kammer derart, daß die Bohrung 20 in zwei Bohrabschnitte 20a, 20b an gegenüberliegenden Sei­ ten der Kammer 18 aufgeteilt ist.

In einem festen Sitz in den Bohrungsabschnitten 20a, 20b sind jeweils innen Glas- bzw. Silizium-beschichtete Rohre 22, 24 eingesetzt, die von den Außenenden der Arme 16, 17 vorstehen, sich jedoch in die Kammer 18 derart erstrecken, daß die gegen­ überliegenden inneren Endflächen 23, 25 sich in direkter An­ lage innerhalb der Kammer 18 befinden. Die Rohre 22, 24 können alternativ aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt sein, das im wesentlichen innen inert für den erforderlichen Zweck ist, beispielsweise rostfreier Stahl, oder ein Material, das innen mit Gold beschichtet ist. Durch Vorsehen von Rohren 22, 24 in einem festen Sitz in den Bohrungssegmenten 20a, 20b, sind die entsprechenden Bohrungen 22a, 24a der Rohre exakt fluchtend ausgerichtet. Diese Bohrungen sind an ihren inneren gegenüberliegenden Enden offen.

Bei dem Rohr 22, das als Einlaßrohr dient, ist die Bohrung 22a an ihrem inneren Ende zur Bildung einer Düsenöffnung 30 mit verringertem Durchmesser verengt. Die Endfläche 23 des Rohres 22 enthält die Düsenöffnung 30 und ist im wesentlichen senk­ recht zur Rohrachse gebildet. Andererseits ist die Endfläche 25 des Rohres 24 so gestaltet, daß sie einen vorbestimmten Spalt 35 zwischen den gegenüberliegenden offenen Enden der Rohre 22, 24 bildet. In diesem Fall weist die Gestaltung die Bildung der Endfläche 25 als planare Fläche unter einem vor­ bestimmten Winkel von weniger als 90° zur Längsachse des Roh­ res 24 auf. Der resultierende eingeschlossene spitze Winkel an einem Ende des Rohres zwischen der außen gekrümmten Fläche des Rohres und der Innenfläche 25 ist zur Bildung eines senkrech­ ten Segments 25a der Fläche 25 (Fig. 2) schräg abgeschnitten. Dies wird vorgenommen, um einen scharfen Rand zu vermeiden, der sonst in die Endfläche 23 des Rohres 22 stechen würde.

Die Rohre 22, 24 können in ihrer Lage in den entsprechenden Bohrungsabschnitten während der Herstellung befestigt werden. Für die Rohre ist jedoch ein fester Gleitsitz typischer und vorteilhafter, damit sie ersetzt und durch andere Rohre ausge­ tauscht werden können, die unterschiedliche Bohrungen bzw. Düsenöffnungen oder unterschiedliche Winkeleinschnitte für die Endfläche 25 und demzufolge unterschiedlich dimensionierte Spalte 35 besitzen. In diesem Fall werden die Rohre in ihrer Stellung mittels Endarmaturen 40, 40′ gehalten, welche Innen­ gewinde aufweisen, die in Außengewinde an den Armen 16, 17 eingreifen und jeweils eine Dichtung, wie beispielsweise einen graphitisierten Gefäßring (vespel ring) bzw. eine graphiti­ sierte Buchse 43. An dem Ende des Rohres 22 greift die Buchse 43 an eine Hülse 48 an, die um das entsprechende Rohr herum befestigt ist. Die Hülse 48 selbst sitzt in einem kurzen Boh­ rungsabschnitt 49 mit großem Durchmesser an dem Außenende des Bohrungsabschnitts 20a. Diese Anordnung stellt die Endfläche 23 im wesentlichen in die Mitte der Kammer 18 ein. Anderer­ seits trägt das Rohr 24 keine Hülse, um zu gewährleisten, daß sie soweit eingeschoben werden kann, bis ihre Endfläche 25 fest gegen die Endfläche 23 anliegt. Das Rohr 24 wird durch den einschließenden Druck der Buchse 43 in einem festen Ein­ griff der Endarmatur 40′ gehalten. Selbstverständlich kann diese Anordnung auch derart umgekehrt werden, daß die Hülse 48 sich auf dem Rohr 24 befindet.

An Ort und Stelle würde der Molekularstrahlseparator 10 typi­ scherweise derart angeordnet, daß das Einlaßrohr 22 mit der glasbeschichteten Rohrleitung bzw. Siliziumrohrleitung 9 oder einem anderen geeigneten inerten Rohr von der Kapillarsäule eines Gaschromatographen in Verbindung steht und daß das Aus­ laßrohr 24 mit einer glasbeschichteten bzw. Siliziumrohrlei­ tung 8 in Verbindung steht, die zu dem Eingang eines Massen­ spektrometers führt. Die Endarmaturen 40, 40′ bestehen aus irgendeinem passenden Typ zur Herstellung dieser Verbindung, und es können alternative Armaturen für unterschiedliche Arten von Rohrleitungen vorgesehen sein. Der Stamm 14 des zweiteili­ gen Gehäuses 12 ist dichtend an der Armatur 41 mittels einer geeigneten Unterdruckleitung 7 mit einer Vakuumpumpe verbun­ den. Die Probe in gasförmiger Form in einem Trägergas wird dann kontinuierlich längs des Rohres 22 zu der Düsenöffnung 30 geleitet. Ein wesentlicher Anteil der Probenart, der Durchsatz des Separators, strömt weiter in eine Leitung 24, und ein grö­ ßerer Anteil des Trägergases tritt in die Evakuierungskammer beim Spalt 35 ein.

Die dargestellte Anordnung besitzt zahlreiche wichtige Vortei­ le. Da die Rohre sich im endseitigen Kontakt befinden und der Spalt durch irgendeine geeignete genaue Gestaltung des Endes eines der beiden Rohre vorbestimmt werden kann, können zuver­ lässige und vorbestimmbare Spaltgrößen hinunter bis auf 10 µm geschaffen werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der ebene Winkelschnitt zur Bildung der Endfläche 25 mit erheblicher Genauigkeit hergestellt werden. In einem typischen Fall, der ein Rohr 24 mit 350 µm Innendurchmesser verwendet, läge der Winkelschnitt für die meisten Anwendungsfälle in dem Bereich von 70 bis 88° bezüglich der Achse des Rohres 24. Da die Düsenöffnung 30 vorgefertigt werden kann, kann sie klein bis auf 10 µm gestaltet werden, verglichen mit einem typischen Minimum von 100 µm bei Separatoren nach dem Stand der Technik. Mit diesen Ausgestaltungen können Gaskapillarströmungen in einer niedrigen Größe von 1 ml/min erfolgreich in den Separa­ tor eingeführt werden. Die Rohre können aus Rohren mit größe­ rem Durchmesser bestehen, die eine Gegenbohrung aufweisen, um die Düsenöffnung 30 zu bilden, und in einigen Fällen kann eine weitere Öffnung an der Endfläche 25 in dem Auslaßrohr 24 vor­ gesehen sein.

Aufgrund ihrer inneren Glasbeschichtung bilden die Rohre 22, 24 eine inerte Verbindung zwischen dem Gaschromatographen und dem Massenspektrometer. Die Kombination von separaten Einlaß- und Auslaßrohren in einer akuraten Querbohrung ermöglicht die erforderliche genaue Ausrichtung der Einlaß- und Auslaßkanäle und ermöglicht zudem die Vorfertigung des Spaltes und der Roh­ re für einen Austausch zur Variierung der Größe des Spaltes und/oder der Größe der Düsenöffnung. Falls zudem eine Verstop­ fung auftritt, kann der Aufbau leicht zerlegt, gereinigt und wieder zusammengesetzt werden. Da das T-Stück-Gehäuse aus ei­ nem passenden Metall hergestellt werden kann, ist die Kon­ struktion allgemein robuster als beispielsweise die Glasein­ heit gemäß dem US-Patent 39 57 470.

Bei einer Adaption des dargestellten Aufbaus kann der Aufbau mit den Armaturen 40 innerhalb eines außen abgedichteten Ge­ häuses montiert werden. Der Stamm 14 fehlt und stattdessen öffnet sich die Kammer 18 durch die Seite der Einheit direkt zu dem Inneren des Gehäuses. Das Gehäuse ist seinerseits mit einer Vakuumpumpe zum Evakuieren des Inneren des Gehäuses und demgemäß mit der Kammer 18 verbunden. Diese Anordnung kann als vollständige Einheit beispielsweise in einem Verbindungsstück zwischen dem Auslaß eines Gaschromatographen und dem Einlaß eines Massenspektrometers eingesetzt werden.

In günstiger Weise müssen gemäß einer Modifikation die Endflä­ chen 23, 25 nicht notwendigerweise in direkter Berührung ste­ hen, sondern können sich auch in indirekter Anlage befinden, beispielsweise durch die Anlage entsprechender Flächen oder Ränder eines Zwischenteils. Gemäß einer anderen Alternative kann eines der Rohre ein Zwischenelement halten, das unmittel­ bar durch das andere Rohr beaufschlagt wird.

Claims (10)

1. Molekularstrahlseparator (10), bestehend aus
einem Gehäuse (12), in dem eine Evakuierungskammer (18) gebildet ist;
einer Bohrung (20) in dem Gehäuse (12), die die Kammer (18) durchquert, wobei die Bohrung (20) zwei Bohrungsab­ schnitte (20a, 20b) an gegenüberliegenden Seiten der Kam­ mer (18) aufweist; und
Rohren (22, 24), deren gegenüberliegende Enden sich in­ nerhalb der Kammer (18) in direkter oder indirekter An­ lage befinden und die jeweils in die Bohrungsabschnitte (20a, 20b) derart in einer festen Passung eingesetzt sind, daß die Bohrungen (22a, 24a) der Rohre (22, 24) annähernd zueinander ausgerichtet sind, wobei die Bohrun­ gen der Rohre (22, 24) an den gegenüberliegenden Enden offen sind;
wobei wenigstens eines der gegenüberliegenden Enden der Rohre (22, 24) zur Bildung eines vorbestimmten Spaltes (35) zwischen den gegenüberliegenden Enden der Rohrboh­ rungen (22a, 24a) ausgebildet ist.

2. Molekularstrahlseparator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gestaltung wenigstens eines der gegen­ überliegenden Enden der Rohre (22, 24) ein planares Ende (25) des Rohres aufweist, das unter einem vorbestimmten Winkel zur Längsachse des Rohres gebildet ist, der zur Schaffung des vorbestimmten Spaltes (35) ausgewählt ist.

3. Molekularstrahlseparator nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Seite des Rohres (24), welche einen spitzen Winkel zwischen der außen gekrümmten Fläche des Rohres und dem planaren Ende aufweist, vorzugsweise zur Bildung eines senkrechten Flächensegments (25a), das das tatsächliche Ende des Rohres (24) bildet, zur Vermeidung einer scharfen in das andere Rohr (22) stechenden Kante schräg abgeschnitten ist.

4. Molekularstrahlseparator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gestaltung wenigstens eines der erwähn­ ten gegenüberliegenden Enden einen akuraten Falz auf­ weist.

5. Molekularstrahlseparator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (22, 24) gleitend entfernbar in den Bohrungssegmenten (20a, 20b) zum Austausch durch andere Rohre für das Variieren des Spalts (35) montiert sind.

6. Molekularstrahlseparator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Rohre (22, 24) an dem zu dem Spalt (35) mündenden Ende zur Bildung einer Düsenöffnung (30) eine verengte Bohrung besitzt.

7. Molekularstrahlseparator nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Rohr (22) mit der Düsenöffnung (30) nicht das zur Bildung des vorbestimmten Spalts (35) vor­ gesehene Rohr (24) ist.

8. Molekularstrahlseparator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) in Form eines in etwa T-förmigen Teils vorgesehen ist, bei dem der Stamm (14) eine Blindbohrung (15), die die Evakuierungskammer (18) bildet, aufweist und die Arme (16, 17) die äußeren Enden der jeweiligen Bohrungssegmen­ te (20a, 20b) enthalten.

9. Molekularstrahlseparator nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das entfernte Ende des Stammes (14) und die äußeren Enden der Arme (16, 17) Standardarmaturen (40, 40′) zur Befestigung des Separators (10) an ein Vakuumsy­ stem und eine Kapillarrohrleitung tragen.

10. Molekularstrahlseparator nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das T-förmige Element innerhalb eines Ge­ häuses angeordnet ist, dessen Inneres evakuierbar ist, wobei die Blindbohrung (15) mit dem evakuierbaren Inneren kommuniziert.