DE4110714A1

DE4110714A1 - DEVICE FOR MEASURING THE ABSOLUTE TEMPERATURE OF SOLID, LIQUID OR GASEOUS BODIES

Info

Publication number: DE4110714A1
Application number: DE19914110714
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr Laakmann; Georg J Dipl-Phys Schmitz; Klaus Dipl Ing Hoffmann; Ulf Trociewitz
Original assignee: Access eV
Current assignee: Access eV
Priority date: 1991-04-03
Filing date: 1991-04-03
Publication date: 1992-10-15
Also published as: WO1992017755A1

Abstract

The instrument proposed includes a device with which the speed distribution of gas-phase particles of a material can be determined, the mass of the gas-phase particles also being determined either simultaneously or with a given time lag. Given the particle mass and speed distribution, the absolute temperature can then be calculated using Maxwell's speed-distribution curve.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device according to the preamble of patent claim 1.

Für die Messung von Temperaturen sind bereits zahlreiche Einrichtungen vorgeschlagen worden; die auf zum Teil unterschiedlichen Prinzipien beruhen. So gibt es beispielsweise mehrere Temperaturmeßgeräte, die sich die physikalische Eigenschaft der meisten Stoffe zunutzen machen; ihre Ausdehnung mit der Temperatur zu ändern. Zu diesen Geräten zäh len das Gasdruckthermometer, das Dampfdruckthermometer, das Flüssigkeitsthermometer und das Bimetallthermometer. Andere Temperaturmeßgeräte beruhen auf dem physikali schen Effekt, daß manche Stoffe in Abhängigkeit von der Temperatur Strom erzeugen, z. B. die Thermoelemente, oder ihren elektrischen Widerstand ändern, z. B. das Wider standsthermometer. Bei einer weiteren Gruppe von Temperaturmeßgeräten spielen die Änderungen von physikalisch-chemischen Zuständen in Abhängigkeit von der Temperatur eine Rolle, z. B. bei Thermokreiden oder Flüssigkeitskristallen.Numerous devices have already been proposed for measuring temperatures been; which are based on partly different principles. For example, there is several temperature gauges that reflect the physical property of most substances make use of; to change their extent with temperature. Tough on these devices len the gas pressure thermometer, the steam pressure thermometer, the liquid thermometer and the bimetal thermometer. Other temperature measuring devices are based on the physi effect that some substances generate electricity depending on the temperature, e.g. B. the thermocouples, or change their electrical resistance, for. B. the cons level thermometer. In another group of temperature measuring devices, the Changes in physico-chemical states depending on the temperature a role, e.g. B. with thermal chalks or liquid crystals.

Allen diesen Temperaturmeßgeräten ist gemeinsam, daß sie zunächst keine absolute, son dern eine relative Temperatur messen. Zur Absolutaussage bedarf es noch der Fixierung eines Bezugspunkts und einer Skala, d. h. einer Unterteilung. Ein solcher Bezugspunkt kann beispielsweise der Eis- oder Siedepunkt des Wassers sein. Als Skalen wurden u. a. die Internationale Praktische Temperaturskala (IPTS), die thermodynamische Tempera turskala und die strahlungstheoretische Temperaturskala vorgeschlagen. Während sich die praktische Temperaturskala mit Hilfe eines Gasthermometers mit einem idealen Gas als Arbeitsmittel realisieren läßt, wird bei der strahlungstheoretischen Temperaturskala von der Strahlung eines schwarzen Körpers Gebrauch gemacht. Die thermodynamische Tem peraturskala zeichnet sich dadurch aus, daß sie vom Carnot′schen Kreisprozeß einer Wär memaschine ausgeht; deren Wirkungsgrad vom Arbeitsmedium unabhängig schließlich nur noch eine Funktion zu zwei Temperaturen ist. Eine direkte Bestimmung der absoluten Temperatur von beliebigen Stoffen ist indessen mit Hilfe der bekannten Skala nur schwer zu realisieren.All these temperature measuring devices have in common that they do not initially have an absolute son measure a relative temperature. Fixation is still required for the absolute statement a reference point and a scale, d. H. a subdivision. Such a point of reference can be, for example, the ice or boiling point of the water. As scales u. a. the International Practical Temperature Scale (IPTS), the thermodynamic tempera turskala and the radiation theoretical temperature scale proposed. While the practical temperature scale using a gas thermometer with an ideal gas as Work equipment can be realized on the radiation temperature scale of the radiation of a black body. The thermodynamic tem peraturskala is characterized in that it from the Carnot cycle of a heat memo runs out; their efficiency regardless of the working medium is only a function for two temperatures. A direct determination of the absolute However, the temperature of any substance is difficult using the known scale to realize.

Ein Verfahren für die Bestimmung der absoluten Temperatur eines zu messenden Körpers, bei dem ein Vergleichskörper herangezogen wird, dessen thermische Kapazität bekannt ist, wenn der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen dem Vergleichskörper und dem zu messenden Körper bekannt ist, wurde bereits vorgeschlagen (PCT/SE 87/00 249 = WO 87/07 372). Hierbei wird die Temperaturdifferenz zwischen dem zu messenden Körper und dem Bezugskörper gemessen und die absolute Temperatur des zu messenden Körpers über eine mathematische Gleichung ermittelt, in der die Zeit eine Rolle spielt. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß ein Bezugskörper mit bekannter Wärmekapazität benötigt wird.A method for determining the absolute temperature of a body to be measured, using a reference block whose thermal capacity is known, if the heat transfer coefficient between the comparison body and the measuring body is already proposed (PCT / SE 87/00 249 = WO 87/07 372). Here the temperature difference between the body to be measured and measured the reference body and the absolute temperature of the body to be measured above determined a mathematical equation in which time plays a role. The disadvantage is this method that a reference body with a known heat capacity is required.

Eine andere Bestimmung der absoluten Temperatur wäre dadurch möglich, daß eine Glei chung, in welcher die absolute Temperatur mit anderen und bestimmbaren Größen er scheint; nach der absoluten Temperatur aufgelöst wird. Solche Gleichungen finden sich in der kinetischen Gastheorie. Ein ideales Gas ist hiernach dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen wie Punktteilchen der klassischen Mechanik ohne jede Wechselwirkung behan delt werden. Für dieses Gas gilt das bekannte Boyle-Mariottsche GesetzAnother determination of the absolute temperature would be possible if a glide in which the absolute temperature with other and determinable quantities seems; after the absolute temperature is resolved. Such equations can be found in of kinetic gas theory. An ideal gas is characterized in that the Particles like point particles of classical mechanics without any interaction be delt. The well-known Boyle-Mariotts law applies to this gas

p · V = p₀ V₀ = const bei T = const (I)pV = p₀ V₀ = const at T = const (I)

d. h. das Produkt Druck (p, p₀) × Volumen, (V, V₀) ist bei gleicher Temperatur bei einem idealen Gas konstant. Wird der Druck konstant gehalten und die Temperatur verändert, so gilt das Gesetz von Gay-Lussacd. H. the product pressure (p, p₀) × volume, (V, V₀) is at the same temperature at one ideal gas constant. If the pressure is kept constant and the temperature is changed, so Gay-Lussac's law applies

d. h. mit steigender Temperatur nimmt auch das Gasvolumen zu. d. H. the gas volume increases with increasing temperature.

Durch weitere Umformungen dieser Gleichungen (vgl. z. B. G. Wedler, Lehrbuch der phy sikalischen Chemie; 2. Aufl.; Weinheim 1985; S 20; bzw. Bergmann-Schäfer: Lehrbuch der Experimentalphysik Band 1, 9. Aufl., 1974, S. 585) erhält man die allgemeine Gasglei chungBy further transforming these equations (see e.g. G. Wedler, textbook of the phy physical chemistry; 2nd ed.; Weinheim 1985; S 20; or Bergmann-Schäfer: textbook Experimentalphysik Volume 1, 9th Edition, 1974, p. 585) gives the general gas glide chung

p · V = n R · T (III)pV = n RT (III)

wobei R die allgemeine Gaskonstante und n die Stoffmenge ist.where R is the general gas constant and n is the amount of substance.

Während die Gleichungen (I) und (II) nur den Zusammenhang zwischen zwei Zustands variablen p.V bzw. v.T zeigen, zeigt die Gleichung (III) den Zusammenhang zwischen den drei Zustandsvariablen p; V und T. Aus der Gleichung (III) könnte durch Auflösen nach T die Temperatur ermittelt werden, wenn p und V bekannt wären. Bei den meisten Stoffen, deren Temperatur ermittelt werden soll, sind p und V jedoch nicht bekannt. Eine Messung des Drucks wäre bei vielen Stoffen überdies mit einem großen Aufwand verbun den und insbesondere bei Festkörpern kaum realisierbar. Das Produkt n·R in der vorste henden Gleichung 111 läßt sich zur Konstanten k zusammenfassen, die als Boltzmannsche
Konstante k = 1,38066·10^-23 J K^-1 oder 8,6178·10^-5 eV·K^-1 bekannt ist, worin K = Kelvin, eV = Elektronvolt und J = Joule. Es gilt somitWhile equations (I) and (II) only show the relationship between two state variables pV and vT, equation (III) shows the relationship between the three state variables p; V and T. From equation (III) the temperature could be determined by solving for T if p and V were known. However, p and V are not known for most substances whose temperature is to be determined. A measurement of the pressure would be connected with a lot of effort for many substances and especially with solids it would be difficult to achieve. The product n · R in equation 111 above can be summarized as a constant k, which is Boltzmann's
Constant k = 1.38066 · 10 ^-23 JK ^-1 or 8.6178 · 10 ^-5 eV · K ^{-1 is} known, where K = Kelvin, eV = electron volt and J = Joule. So it applies

p · V = k · T (IV)pV = kT (IV)

Aus dieser Gleichung enthält nach wie vor die - insbesondere bei sehr niedrigen Drücken - schwer bestimmbare Größe p, so daß eine Ermittlung der absoluten Temperatur T über die Gleichung IV kaum praktikabel ist.This equation still contains the - especially at very low pressures - difficult to determine size p, so that a determination of the absolute temperature T over the Equation IV is hardly practical.

Eine weitere Möglichkeit der Bestimmung der absoluten Temperatur bestünde darin, die mittlere kinetische Energie eines Teilchenensembles unter Berücksichtigung des Gleich verteilungssatzes, nach dem jeder Freiheitsgrad, der in die Energie eines Systems eingeht, im Mittel dann 1/2 kT beiträgt,Another way of determining the absolute temperature would be to use the mean kinetic energy of a particle ensemble considering the same distribution theorem, according to which every degree of freedom that goes into the energy of a system, then on average contributes 1/2 kT,

E_kin·mit = 3/2 k T = 1/2 m v_mit² (V)E _{kin · with} = 3/2 k T = 1/2 mv _with ² (V)

auszuwerten, d. h. nach T aufzulösen, wodurch sichevaluate, d. H. to dissolve after T, whereby

ergibt. results.

Hierin bedeuten m die Masse eines Teilchens des Teilchenensembles und v_mit die mittlere Geschwindigkeit. Um aus der Gleichung VI die absolute Temperatur bestimmen zu kön nen, müssen also m und v_mit bekannt sein. Ist der zu messende Stoff bekannt, ist auch m bekannt und das Problem reduziert sich auf die Bestimmung von v_mit. Die mittlere Ge schwindigkeit läßt sich jedoch nicht direkt messen; da sie eine statistische Aussage über die Geschwindigkeiten einer Vielzahl von Teilchen ist. Ansonsten ist bei vielen Stoffen, insbesondere Stoffgemischen, die Masse m nicht bekannt.Herein mean the mass m of a particle of the Teilchenensembles and v average _with the speed. To nen determine the absolute temperature from the equation VI Koen, so must be m and v _with known. If the substance to be measured is known, m is also known and the problem is reduced to the determination of v _with . However, the average speed cannot be measured directly; because it is a statistical statement about the speeds of a large number of particles. Otherwise, the mass m is not known for many substances, in particular mixtures of substances.

Ist indessen bekannt, wie sich die einzelnen Geschwindigkeiten der Teilchen eines Ensembles verteilen, so läßt sich die mittlere Geschwindigkeit aus dieser Verteilung ermit teln. Eine solche Verteilung wird für ein im thermischen Gleichgewicht befindliches dünnes Gas durch die Maxwell-Verteilung des Geschwindigkeitsbetrags angegeben (J. A. Campbell. Allgemeine Chemie. 2. Aufl., 1985, S. 253).However, is it known how the individual velocities of the particles differ Distribute ensembles, so the average speed can be determined from this distribution teln. Such a distribution is for one in thermal equilibrium thin gas indicated by the Maxwell distribution of the speed amount (J.A. Campbell. General Chemistry. 2nd ed., 1985, p. 253).

In dieser Gleichung bedeuten:In this equation:

dN/N = Bruchteil der Moleküle mit Geschwindigkeit zwischen v und v+dv
m = Masse
v = Geschwindigkeit
T = absolute Temperatur
π, k = KonstantendN / N = fraction of the molecules with velocity between v and v + dv
m = mass
v = speed
T = absolute temperature
π, k = constants

Die wahrscheinlichste, weil das Maximum der Verteilungskurve bildende Geschwindigkeit (Greiner, Neise, Stöcker: Theoretische Physik, Band 9, Thermodynamik und Statistische Mechanik, 1987, S. 179) ergibt sich durch Differenzieren der Gleichung (VII) nach (V) und Nullsetzen der ersten Ableitung:The most likely because the maximum of the distribution curve forming speed (Greiner, Neise, Stöcker: Theoretical Physics, Volume 9, Thermodynamics and Statistical Mechanics, 1987, p. 179) results from differentiating equation (VII) from (V) and zeroing the first derivative:

Kann diese wahrscheinlichste Geschwindigkeit meßtechnisch ermittelt werden, so läßt sich hieraus die absolute Temperatur nach der FormelIf this most probable speed can be determined by measurement, then from this the absolute temperature according to the formula

bestimmen. Die meßtechnische Ermittlung der wahrscheinlichsten Geschwindigkeit ist relativ einfach, wenn die Geschwindigkeitsverteilung als solche meßtechnisch erfaßt wird, d. h., wenn diese Verteilung z. B. als Kurve auf einem Oszilloskop darstellbar ist.determine. The measurement of the most probable speed is relative simple, if the speed distribution as such is measured, d. i.e. if this distribution e.g. B. can be represented as a curve on an oscilloscope.

Die mittlere Geschwindigkeit ergibt sich (vgl. Greiner, Neise, Stöcker, Theoretische Physik, Band 9, Thermodynamik und Statistische Mechanik, 1987, S. 180) zuThe average speed is obtained (see Greiner, Neise, Stöcker, Theoretical Physics, Volume 9, Thermodynamics and Statistical Mechanics, 1987, p. 180)

während sich die mittlere quadratische Geschwindigkeit (vgl. Greiner, Neise, Stöcker, a. a. O., S. 180) zuwhile the mean quadratic speed (cf. Greiner, Neise, Stöcker, a. a. O., p. 180)

ergibt. Die mittlere kinetische Energie eines Moleküls beträgt unter Beachung von Glei chung (XII)results. The average kinetic energy of a molecule is taking into account Gli chung (XII)

Aus dem Vorstehenden folgt, daß die absolute Temperatur stets dann ermittelt werden kann, wenn entweder die Maximalgeschwindigkeit oder die mittlere Geschwindigkeit oder die mittlere quadratische Geschwindigkeit und die Masse bekannt sind. Bei Kenntnis der Geschwindigkeitsverteilungsfunktion können diese Werte der Kurve entnommen werden.It follows from the above that the absolute temperature is then always determined can if either the maximum speed or the medium speed or the mean quadratic speed and mass are known. With knowledge of Speed distribution function, these values can be taken from the curve.

Die eigentliche Problematik der Bestimmung der absoluten Temperatur besteht somit dar in, sowohl eine Geschwindigkeitsart (v_max, v_mit oder v_q) bzw. die Geschwindigkeitsver teilung als auch die Masse meßtechnisch zu erfassen. Von besonderer Bedeutung ist dabei die Messung der Geschwindigkeitsverteilung, weil diese auch dann noch erforderlich ist, wenn die Massen des zu messenden Stoffs bereits bekannt sind und deshalb nicht mehr ge messen werden müssen. Sind die Massen nicht bekannt, können für ihre Bestimmung Mas sensprektrometer verwendet werden.The actual problem of determining the absolute temperature is therefore to measure both a type of speed (v _max , v _with or v _q ) or the speed distribution and the mass. The measurement of the velocity distribution is of particular importance because this is still necessary if the masses of the substance to be measured are already known and therefore no longer need to be measured. If the masses are not known, mass spectrometers can be used to determine them.

Von den drei Geschwindigkeitsarten läßt sich aus einer gemessenen Geschwindigkeitsver teilungsfunktion am einfachsten und schnellsten die wahrscheinlichste Geschwindigkeit ermitteln. Sie ist einerseits als Maximum der Verteilungskurve direkt ersichtlich und kann andererseits durch Differentiation rechnerisch ermittelt werden.Of the three types of speed, a measured speed ver sharing function easiest and fastest the most likely speed determine. On the one hand, it can be seen directly as the maximum of the distribution curve and can on the other hand, can be determined mathematically by differentiation.

Es ist bereits eine Anordnung zur Untersuchung der Geschwindigkeitsverteilung bekannt, mit welcher die Zahl von Molekülen in jedem Geschwindigkeitsbereich "abgezählt" wer den kann. Hierbei strömt ein Gas aus einem Behälter durch Kollimatorschlitze und trifft als Kollimator-Bündel auf eine erste rotierende Scheibe, die an ihrem Umfang eine Ausspa rung aufweist (Alonso/Finn, Physik, 2. Auflage, 1988, S. 259). Mit dieser ersten rotieren den Scheibe ist eine zweite rotierende Scheibe über eine Achse starr gekoppelt, die an ih rem Umfang ebenfalls eine Aussparung aufweist, die jedoch gegenüber der Aussparung der ersten Scheibe um einen Winkel R winkelversetzt ist. Wenn Gasmoleküle mit einer be stimmten Temperatur aus dem Gasbehälter und durch die Kollimatorschlitze auf die Schei ben gelangen, so passieren sie nur dann beide Aussparungen dieser Scheiben, wenn ihre Geschwindigkeit v=sω/R, wobei s = Abstand der beiden Scheiben voneinander und w die Winkelgeschwindigkeit der Scheiben. Wenn entweder ω oder R verändert werden, werden Teilchen verschiedener Geschwindigkeit an einem Detektor registriert, der sich in der Ver längerungslinie der Kollimatorschlitze befindet. Werden für verschiedene Geschwindigkei ten v verschiedene Beobachtungen durchgeführt, erhält man die Geschwindigkeitsvertei lung. Durch kontinuierliches Verändern von ω bei gleichbleibendem Abstand der Scheiben treffen Moleküle mit verschiedenen Geschwindigkeiten auf den Detektor, so daß sich eine Kurve für die Geschwindigkeitsverteilung ergibt. Eine Massenbestimmung erfolgt hierbei jedoch nicht, so daß auch die absolute Temperatur nicht bestimmt werden kann. Außerdem lassen sich bei Stoffen mit verschiedenen Atomen bzw. Molekülen keine exakten Ge schwindigkeitskurven ermitteln, die sich auf eine Atomart beziehen.An arrangement for examining the speed distribution is already known, with which the number of molecules in each speed range is "counted" that can. Here, a gas flows from a container through collimator slots and hits as Collimator bundle on a first rotating disc, the Ausspa on its circumference tion (Alonso / Finn, Physik, 2nd edition, 1988, p. 259). Rotate with this first a second rotating disk is rigidly coupled to the disk via an axis connected to it Rem circumference also has a recess, but opposite the recess the first disc is angularly offset by an angle R. If gas molecules with a be matched temperature from the gas container and through the collimator slots on the Schei ben, they only pass both recesses in these disks if their Velocity v = sω / R, where s = distance between the two disks and w the Angular velocity of the disks. If either ω or R are changed, be Particles of different speeds registered on a detector that is in the ver extension line of the collimator slots. Are for different speeds If ten different observations have been made, the velocity distribution is obtained lung. By continuously changing ω while maintaining the distance between the panes molecules hit the detector at different speeds, so that a Curve for the speed distribution results. A mass determination takes place here however not so that the absolute temperature cannot be determined either. Furthermore no exact Ge can be found for substances with different atoms or molecules determine velocity curves that relate to an atom type.

Bei einem weiteren bekannten Molekularstrahlapparat zur Untersuchung der Geschwindig keitsverteilung bei Silberatomen ist statt zweier rotierender Scheiben eine rotierende Trommel vorgesehen, welche auf ihrer Innenseite eine Anlagerungsfläche für Silberatome besitzt (Frederick Reif; Berkeley Physik Kurs, Band 5; Statistische Physik, 2. Auflage, 1981, S. 149). Hier wird in einem Schmelzofen Silber erhitzt, bis es gasförmig ist. Sodann wird es über Kollimatorspalten durch die Öffnung eines rotierenden Hohlzylinders auf die besagte Anlagerungsfläche gegeben. Sind die Silberatome durch die Öffnung des Hohl zylinders getrieben, so kommt es nur noch auf ihre Geschwindigkeit an, welche Zeit sie brauchen, um die gegenüberliegende Seite der Zylindertrommel zu erreichen. Schnelle Atome erreichen sie früher als langsame. Da die Trommel rotiert, werden Moleküle mit verschiedenen Geschwindigkeiten auf verschiedene Stellen der Zylinderinnenseite treffen und an diesen Stellen hängenbleiben. Wird später die Dicke der abgelagerten Silberschicht als Funktion der Strecke auf der Trommelinnenfläche gemessen, dann erhält man daraus ein Maß für die Geschwindigkeitsverteilung der Atome. Auch bei diesem bekannten Appa rat werden die Massen nicht ermittelt, so daß eine Temperaturbestimmung lediglich bei vorheriger genauer Kenntnis der verwendeten Probe möglich ist. Hinzu kommt, daß aus der Geschwindigkeitsverteilung keine mittlere oder eine andere Geschwindigkeit ermittelt wird. Außerdem läßt sich bei diesem Verfahren kaum eine Geschwindigkeitsverteilungs kurve gewinnen, aus der bestimmte Geschwindigkeiten entnommen werden können.In another known molecular beam apparatus for examining the speed distribution of silver atoms is a rotating one instead of two rotating disks Drum provided, which has an attachment surface for silver atoms on its inside owns (Frederick Reif; Berkeley Physics Course, Volume 5; Statistical Physics, 2nd edition, 1981, p. 149). Here silver is heated in a melting furnace until it is gaseous. Then it is placed on the collimator columns through the opening of a rotating hollow cylinder given said attachment area. Are the silver atoms through the opening of the hollow driven by cylinders, it only depends on your speed, what time you need to reach the opposite side of the cylinder drum. Fast Atoms reach them earlier than slow ones. As the drum rotates, molecules become with it different speeds meet different places on the inside of the cylinder and get stuck in these places. Later the thickness of the deposited silver layer measured as a function of the distance on the inner surface of the drum, then you get from it a measure of the speed distribution of the atoms. Even with this well-known Appa advice, the masses are not determined, so that a temperature determination only at prior precise knowledge of the sample used is possible. Add to that that no average or any other speed is determined in the speed distribution becomes. In addition, a speed distribution can hardly be achieved with this method win curve from which certain speeds can be taken.

Eine weitere Vorrichtung zur Bestimmung der Geschwindigkeitsverteilung wurde von Miller und Kusch vorgeschlagen (Gerd Wedler, Lehrbuch der Physikalischen Chemie, 2. Aufl., 1985, S. 680). Wie bei den vorbeschriebenen Vorrichtungen wird hierbei ein Atom- oder Molekülstrahl zunächst ausgeblendet und dann über einen Geschwindigkeitsanalysa tor auf einen Detektor gegeben. Der Geschwindigkeitsanalysator besteht hierbei aus einem massiven Zylinder, in dessen Oberfläche eng nebeneinanderliegende, schraubenförmige Nuten mit konstanter Steigung eingefräst sind. Bei einer bestimmten Rotationsfrequenz können nur Atome oder Moleküle, deren Geschwindigkeit in einem eng begrenzten Be reich liegt, die Nut passieren und auf den Detektor treffen. Durch Variation der Rotations frequenz läßt sich so die Geschwindigkeitsverteilung messen. Auch bei dieser Vorrichtung findet indessen keine Massenbestimmung und somit auch keine Temperaturbestimmung aus der Maxwell sehen Geschwindigkeitsverteilung heraus statt. Hinzu kommt, daß bei Mischstoffen, die mehrere Atomsorten enthalten, eine genaue Ermittlung der Temperatur überhaupt nicht möglich ist.A further device for determining the speed distribution was proposed by Miller and Kusch (Gerd Wedler, Textbook of Physical Chemistry, 2nd ed., 1985, p. 680). As with the devices described above, an atomic or molecular beam is first blanked out and then applied to a detector via a speed analyzer. The speed analyzer consists of a solid cylinder, in the surface of which closely milled helical grooves with a constant pitch are milled. At a certain rotation frequency, only atoms or molecules whose speed is in a very limited range can pass through the groove and hit the detector. The speed distribution can be measured by varying the rotational frequency. In this device, too, however, there is no mass determination and therefore no temperature determination from the Maxwell velocity distribution. In addition, it is not possible to determine the temperature precisely in the case of mixtures containing several types of atom.

Außer Einrichtungen zur Bestimmung der Geschwindigkeitsverteilung sind auch Einrich tungen für die Bestimmung von Massen bekannt (Wutz, Adam, Walcher: Theorie und Pra xis der Vakuumtechnik, 4. Auflage, 1988, S. 432 ff.; Edelmann: Vakuumtechnik, 1985, S. 181 bis 194) Neben dem Magnetfeld-Massenspektrometer, dem Zykloiden-Massen spektrometer, dem Flugzeit- oder Laufzeit-Massenspektrometer, dem Laufzeit-Resonanz- Massenspektrometer, dem Omegatron-Massenspektrometer und dem Monopol-Massen spektrometer ist insbesondere das Quadrupol-Massenspektrometer für die Bestimmung von Massen geeignet. Ein Quadrupol-Massenspektrometer oder Massenfilter besteht im Idealfall aus vier hyperbolischen Zylinderflächen, die in der Praxis jedoch meist durch kreiszylindrische Röhren oder Stäbe ersetzt werden. An jeweils zwei dieser Stäbe liegt ei ne Gleichspannung und eine dieser überlagerte Wechselspannung (Wutz u. a., S. 436, vgl. auch US-PS 31 47 445). Tritt in dieses Vierpolfeld ein Teilchen mit einer bestimmten La dung und einer bestimmten Masse ein, das - aus einer Ionenquelle kommend - durch die Spannung beschleunigt worden ist, so führt es in diesem Feld eine komplizierte Schwin gung um eine Achse parallel zu den Rohren oder Stäben aus. Die Amplitude dieser Schwingung und damit der Abstand der Teilchenbahn von dieser Achse ist entweder be grenzt oder sie wächst über alle Grenzen, so daß die Teilchen auf die als Elektroden wir kenden Stäbe treffen und aus dem Ionenbündel ausscheiden. Von den Teilchen, die auf sta bilen Bahnen laufen, gehen alle diejenigen durch das "Filter" hindurch, wenn die Amplitu de kleiner als ein bestimmter Wert ist. Es gibt somit stabile Ionenbahnen, bei denen die Io nen um die Symmetrieachse der vier Stäbe Schwingungen ausführen, deren Amplitude ei nen Maximalwert nicht überschreitet, und es gibt instabile Ionenbahnen, bei denen die Schwingungsamplitude der Ionen so zunimmt, daß die Ionen auf die Stäbe treffen und ent laden werden. In einer vorgegebenen Feldkonfiguration entscheidet nur die spezifische Masse m/Ne, ob die Ionenbahnen stabil oder instabil sind. Am Ausgang des Kanals, der durch den Zwischenraum zwischen den vier Stäben gebildet wird, befindet sich in der Re gel ein Faraday-Becher, der mit einem Verstärker in Verbindung steht. Statt eines Faraday bechers wird oft ein Sekundärelektronenvervielfacher eingesetzt, bei dem die auftreffenden Ionen aus einer Konverterelektrode Elektronen auslösen. Der Vorteil des Multipliers be steht darin, daß kleinere Partialdrucke gemessen werden können und eine Verkürzung der Meßzeit ermöglicht wird. Durch Änderung der Spannungsverhältnisse an der Elektrode des Quadrupol-Massenspektrometers kann ein bestimmter Massenbereich durchfahren, al so ein Massenspektrum aufgenommen werden.In addition to devices for determining the speed distribution, there are also devices known for the determination of masses (Wutz, Adam, Walcher: theory and Pra xis der vacuum technology, 4th edition, 1988, p. 432 ff .; Edelmann: vacuum technology, 1985, p. 181 to 194) In addition to the magnetic field mass spectrometer, the cycloid masses spectrometer, the time-of-flight or transit time mass spectrometer, the transit time resonance Mass spectrometer, the Omegatron mass spectrometer and the monopole mass Spectrometer is especially the quadrupole mass spectrometer for the determination suitable by masses. A quadrupole mass spectrometer or mass filter consists of Ideally consisting of four hyperbolic cylinder surfaces, which in practice, however, are usually characterized by circular cylindrical tubes or rods can be replaced. There is an egg on each of two of these rods ne DC voltage and an AC voltage superimposed on it (Wutz et al., p. 436, cf. also US-PS 31 47 445). Enter a particle with a certain La in this four-pole field and a certain mass, which - coming from an ion source - through the Tension has been accelerated, so it leads to a complicated swing in this field around an axis parallel to the pipes or rods. The amplitude of this Vibration and thus the distance of the particle path from this axis is either be borders or it grows beyond all borders so that the particles are referred to as electrodes hitting rods and exiting the ion bundle. From the particles on sta if the amplitudes de is less than a certain value. There are therefore stable ion trajectories in which the Io NEN execute vibrations around the axis of symmetry of the four rods, whose amplitude ei does not exceed a maximum value, and there are unstable ion trajectories in which the Vibration amplitude of the ions increases so that the ions hit the rods and ent will load. In a given field configuration, only the specific one decides Mass m / Ne, whether the ion trajectories are stable or unstable. At the exit of the channel, the formed by the space between the four bars is in the right gel is a Faraday cup that is connected to an amplifier. Instead of a Faraday cup is often used a secondary electron multiplier, in which the incident Ions trigger electrons from a converter electrode. The advantage of the multiplier be is that smaller partial pressures can be measured and a shortening of the Measuring time is made possible. By changing the voltage conditions at the electrode the quadrupole mass spectrometer can travel through a certain mass range, al such a mass spectrum can be recorded.

Es ist außerdem ein Massenspektrometer bekannt, das eine Ionenkammer und eine Einrich tung zum unterbrochenen und aufeinanderfolgenden Beschleunigen bzw. Abbremsen von Ionen aufweist (US-PS 26 42 535). Da die Beschleunigung der Ionen von ihren Massen abhängt, können auf diese Weise ihre Massen bestimmt werden. Ein bezüglich seiner Zu sammensetzung zu analysierendes Gas tritt in einen evakuierten Raum ein, wird dort ioni siert und mittels eines elektrischen Feldes durch eine Elektrode hindurch in Richtung eines Targets beschleunigt. Dabei wird den Gasteilchen über die Beschleunigungsspannung eine feste, kinetische Energie zugeführt. Aufgrund der unterschiedlichen Massenzahlen des zu analysierenden Gases erhalten die verschiedenen Atomarten bei dieser festen Energie unterschiedliche Endgeschwindigkeiten, so daß eine Bestimmung der Massen über die Bestimmung von Geschwindigkeiten erfolgt. Notwendige Voraussetzung hierfür ist, daß die aufgrund der Temperatur bestehende Geschwindigkeits- bzw. Energieverteilung ver nachlässigbar ist. Eine Möglichkeit, die absolute Temperatur über die Geschwindigkeits verteilung zu bestimmen, ist hierbei also nicht möglich.A mass spectrometer is also known, which has an ion chamber and a device device for interrupted and successive acceleration or braking of Has ions (US-PS 26 42 535). Because the acceleration of the ions by their masses depends, their masses can be determined in this way. One as to his zu composition gas to be analyzed enters an evacuated room, becomes ioni there Siert and by means of an electric field through an electrode in the direction of a Targets accelerated. The gas particles become one via the acceleration voltage fixed, kinetic energy supplied. Due to the different mass numbers of the Analyzing gas preserves the different types of atoms with this solid energy different final speeds, so that a determination of the masses over the Determination of speeds takes place. A necessary prerequisite for this is that the existing speed or energy distribution due to the temperature is negligible. One way to get the absolute temperature over the speed It is therefore not possible to determine distribution here.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der es möglich ist, die absolute Temperatur eines Stoffes mit Hilfe der Erfassung von Eigen schaften der von diesem Stoff ausgehenden Teilchen zu ermitteln.The object of the invention is therefore to create a device with which it is possible to measure the absolute temperature of a substance by using Eigen properties of the particles originating from this substance.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkanalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved in accordance with the features of patent claim 1.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß durch die bloße Be rücksichtigung von Massen und den Geschwindigkeiten von Teilchenensembles auf deren absolute Temperatur rückgeschlossen werden kann. Bei einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung werden die Massen selbst gemessen, so daß auch die Temperaturermittlung realer, d. h. verunreinigter Proben möglich ist. Da die Temperaturermittlung aus der Ge schwindigkeitsverteilung bei einer selektierten Massenzahl erfolgt, kann auch die Tempe ratur eines Körpers dieser Massenzahl, der sich in einer heißeren Umgebung befindet, be rührungslos bestimmt werden. Mit der Erfindung ist es auch möglich, die Temperatur von Festkörpern in einem Vakuum berührungslos zu bestimmen, wenn mindestens eines der Elemente, aus welchem dieser Festkörper besteht, einen hinreichenden Dampfdruck be sitzt, was bei den meisten Metallen in weiten Temperaturbereichen der Fall ist. Ferner las sen sich die Temperaturen realer Gase, z. B. H₂, N₂, O₂, bei Drücken von < 10^-1 Pa eben falls berührungslos bestimmen, da sich die Energie gemäß dem Gleichverteilungssatz mit je 1/2 k T auf jeden inneren Freiheitsgrad verteilt und somit die Bestimmung der kineti schen Energie, d. h. der Geschwindigkeit einer einzigen Raumrichtung hinreichend für ei ne Temperaturmessung ist. Durch die berührungslose Messung wird weitgehend vermie den, daß die zu messende Temperatur von der Meßsonde beeinflußt wird. Die Temperatur von Festkörpern, Flüssigkeiten und Gasen, deren Atome z. B. in einem Quadrupolmassen spektrometer (QMS) absorbiert werden, z. B. Metallatome, wird nicht beeinflußt.The advantage achieved by the invention is, in particular, that the absolute temperature can be inferred from the mere consideration of masses and the speeds of particle ensembles. In a special embodiment of the invention, the masses are measured themselves, so that the temperature can also be determined for real, ie contaminated, samples. Since the temperature is determined from the speed distribution at a selected mass number, the temperature of a body of this mass number that is in a hotter environment can also be determined without contact. With the invention, it is also possible to determine the temperature of solids in a vacuum without contact if at least one of the elements from which this solid is made has a sufficient vapor pressure, which is the case with most metals in wide temperature ranges. Furthermore, the temperatures of real gases, e.g. B. H ₂ , N ₂ , O ₂ , at pressures of <10 ^-1 Pa also determine if contactless, since the energy is distributed according to the equal distribution theorem with 1/2 k T each internal degree of freedom and thus the determination of the kinetic rule Energy, ie the speed of a single spatial direction is sufficient for a temperature measurement. The non-contact measurement largely avoids that the temperature to be measured is influenced by the measuring probe. The temperature of solids, liquids and gases, the atoms of which, for. B. in a quadrupole mass spectrometer (QMS) are absorbed, for. B. metal atoms is not affected.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im fol genden näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are shown in the drawing and are in fol described in more detail. Show it:

Fig. 1 eine Kurvendarstellung der Geschwindigkeitsverteilung von Atomen/Mole külen nach Maxwell; FIG. 1 is a graph showing the velocity distribution of atoms / mole cules to Maxwell;

Fig. 2 eine Kurvendarstellung der Energieverteilung von Atomen/Molekülen; Fig. 2 is a graph showing the energy distribution of atoms / molecules;

Fig. 3 eine Kurvendarstellung der Geschwindigkeitsverteilung; bei welcher die wahr scheinlichste, die mittlere und die quadratische Geschwindigkeit angegeben sind; Fig. 3 is a graph showing the velocity distribution; at which the most probable, the mean and the quadratic speed are given;

Fig. 4 ein mit einem Faraday-Meßkopf aufgenommenes Massenspektrum eines Gasgemisches;A picked-up with a Faraday measuring head mass spectrum of a gas mixture FIG. 4;

Fig. 5 eine erste Anordnung für die Messung der Masse und der Geschwindigkeit gasförmiger Moleküle; bei welcher ein Quadrupolmassenspektrograph zu sammen mit einer elektrostatischen Ablenkunggeladener Teilchen eingesetzt wird; Fig. 5 shows a first arrangement for measuring the mass and the speed of gaseous molecules; in which a quadrupole mass spectrometer is used together with an electrostatic deflection of charged particles;

Fig. 6 eine schematische Darstellung des Verlaufs von Teilchen bei einer Anordnung gemäß Fig. 5, die durch elektrische Felder abgelenkt werden; FIG. 6 shows a schematic illustration of the course of particles in an arrangement according to FIG. 5, which are deflected by electric fields;

Fig. 7 eine zweite Anordnung für die Messung der Masse und der Geschwindigkeit eines gasförmigen Stoffes, bei welcher die Flugzeit von Molekülen ermittelt und ein Quadrupolmassenspektrograph eingesetzt wird; Fig. 7 shows a second arrangement for measuring the mass and the velocity of a gaseous substance, wherein the flight time of molecules is determined and used a Quadrupolmassenspektrograph;

Fig. 8 eine dritte Anordnung für die Messung der Masse und der Geschwindigkeit gasförmiger Moleküle mittels kombinierter elektrischer und magnetischer Ablenkung und unter Einsatz eines Quadrupolmassenspektrographen; Fig. 8 shows a third arrangement for the measurement of the mass and the speed of gaseous molecules by a combined electric and magnetic deflection, and using a Quadrupolmassenspektrographen;

Fig. 9 eine Anordnung für die Messung der Temperatur eines Gegenstands, der beim Messen berührt wird; und Figure 9 shows an arrangement for measuring the temperature of an object, which is touched during measurement. and

Fig. 10 eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Messen von Molekül-Masse und Molekül-Geschwindigkeit. Fig. 10 shows a device for simultaneous measurement of molecular weight and molecular-speed.

In der Fig. 1 ist die Geschwindigkeitsverteilung für Stickstoff bei 100 K (Kurve 101) und 300 K (Kurve 102) dargestellt. Während die Abszisse die Geschwindigkeit der Stickstoff- Moleküle in Metern pro Sekunde angibt, ist auf der Ordinate die Anzahl der Moleküle mit der Geschwindigkeit v; bezogen auf die Gesamtzahl der Moleküle, angegeben. Charakteri stisch für die Kurven 101 und 102 ist die Tatsache, daß mit zunehmender Temperatur das Maximum der Kurve abnimmt und sich gleichzeitig zu höherer Geschwindigkeit hin ver lagert. Wegen des Faktors v² ist die Kurve nicht symmetrisch in bezug auf die Lage des Maximums, d. h. die höheren Geschwindigkeiten sind gegenüber den niedrigeren begün stigt. Zu beachten ist, daß die Geschwindigkeitsverteilung bei einer vorgegebenen abso luten Temperatur von der Molekülmasse abhängt.In FIG. 1, the velocity distribution for nitrogen at 100 K (curve 101) and 300 K is shown (curve 102). While the abscissa shows the speed of the nitrogen molecules in meters per second, the ordinate shows the number of molecules with the speed v; based on the total number of molecules. Characteristic for the curves 101 and 102 is the fact that the maximum of the curve decreases with increasing temperature and at the same time is stored at a higher speed. Because of the factor v ² , the curve is not symmetrical with respect to the position of the maximum, ie the higher speeds are begün compared to the lower. It should be noted that the velocity distribution at a given absolute temperature depends on the molecular mass.

Unabhängig von der Molekülmasse ist dagegen die Verteilung der Molekülenergien, wie es in der Fig. 2 dargestellt ist. Auf der Abszisse der Fig. 2 ist die Energie in Elektronenvolt angegeben, während die Ordinate die Anzahl der Moleküle mit einer bestimmten Energie angibt. Die Kurven 101, 102 der Fig. 1 ergeben sich aus den Kurven 103,104 der Fig. 2, wenn man die Energie durch die Geschwindigkeit substituiert, also E=1/2 m v² bzw. dE = m v d v setzt. Die Formel für die Energieverteilung lautet dannIn contrast, the distribution of the molecular energies, as shown in FIG. 2, is independent of the molecular mass. The abscissa of FIG. 2 shows the energy in electron volts, while the ordinate shows the number of molecules with a certain energy. The curves 101 , 102 of FIG. 1 result from the curves 103, 104 of FIG. 2 if the energy is substituted by the speed, that is to say E = 1/2 mv ² or dE = mvdv. The formula for energy distribution is then

Die obige Gleichung VII, welche die Kurven 101, 102 in Fig. 1 erfüllt, beschreibt die Ge schwindigkeitsverteilung von Teilchen, die drei Freiheitsgrade der Translation haben. Die Geschwindigkeitsverteilung gemäß Gleichung VII gibt deshalb die Wahrscheinlichkeit da für an, daß v irgendeine Richtung im Raum und v+dv hat.Equation VII above, which satisfies curves 101 , 102 in FIG. 1, describes the velocity distribution of particles having three degrees of freedom of translation. The velocity distribution according to equation VII therefore indicates the probability that v has any direction in space and v + dv.

In der Fig. 3 ist noch einmal eine Kurvendarstellung gezeigt, die im wesentlichen der Kur vendarstellung gemäß Fig. 1 entspricht. Die Kurve 110 zeigt die Geschwindigkeitsvertei lung von 106 Sauerstoffmolekülen bei 73 K, während die Kurve 111 die Geschwindig keitsverteilung von 106 Sauerstoffmolekülen bei 273 K darstellt. Mit "v_max" ist die wahr scheinlichste Geschwindigkeit mit der maximalen Verteilung, mit v die mittlere Geschwin digkeit und mit die mittlere quadratische Geschwindigkeit eines Moleküls be zeichnet. Die Anzahl der Moleküle innerhalb eines bestimmten Geschwindigkeitsbereichs, z. B. zwischen 300 und 600 m/s, wird durch die Fläche innerhalb des entsprechenden Aus schnitts der jeweiligen Kurve repräsentiert. Die Gesamtfläche unter der Kurve 110 bzw. 111 entspricht der Gesamtzahl 10 ⁶ der Moleküle. Diese Fläche ist bei jeder Temperatur dieselbe, da sich die Kurven auf jeweils dieselbe Anzahl von Teilchen beziehen.In Fig. 3, a curve representation is shown again, which corresponds essentially to the Kur vendarstellung according to FIG. 1. Curve 110 shows the speed distribution of 106 oxygen molecules at 73 K, while curve 111 shows the speed distribution of 106 oxygen molecules at 273 K. "V _max " denotes the most probable velocity with the maximum distribution, v denotes the mean velocity and with the mean quadratic velocity of a molecule. The number of molecules within a certain speed range, e.g. B. between 300 and 600 m / s, is represented by the area within the corresponding section from the respective curve. The total area under curve 110 or 111 corresponds to the total number 10 ^{6 of} the molecules. This area is the same at any temperature because the curves refer to the same number of particles.

In der Fig. 4 ist das Massenspektrum eines Testgases dargestellt, das mit einem Faraday- Meßkopf eines Quadrupol-Massenspektrometers aufgenommen wurde. Die Betriebsart war hierbei "konstante Empfindlichkeit" und nicht - was auch möglich gewesen wäre - "konstante Linienbreite". Auf entsprechende Weise können auch die Massen von Fegierungen oder anderen zusammengesetzten Stoffen ermittelt werden. Die Ordinate be zeichnet die Intensität eines empfangenen Signals, das von der Masse abhängt, während die Abszisse auf die Masse hinweist. Geht man von einem binären Stoff aus, der zwei Atomarten enthält, erhält man in der Fig. 4 mindestens zwei Amplituden- oder "Peak"-Be reiche, wobei die Energien dieser beiden Atomarten gemäß Gleichung XIV verteilt sind. Diese Energieverteilung zeigt zwar keine explizite Abhängigkeit von der Masse, doch ist eine direkte experimentelle Bestimmung dieser Energieverteilung nicht ohne weiteres durchführbar. Ein Ausweg ergibt sich durch die Substitution der Energie über die Formel E=1/2 m v², was zu Gleichung VII führt, welche die Maxwell-Verteilung definiert.In FIG. 4, the mass spectrum of a test gas is shown, which was taken up with a Faraday measuring head of a quadrupole mass spectrometer. The operating mode was "constant sensitivity" and not - which would also have been possible - "constant line width". The masses of embrittlement or other compound substances can also be determined in a corresponding manner. The ordinate denotes the intensity of a received signal that depends on the mass, while the abscissa indicates the mass. If one assumes a binary substance which contains two types of atoms, one obtains at least two amplitude or "peak" ranges in FIG. 4, the energies of these two types of atoms being distributed according to equation XIV. Although this energy distribution shows no explicit dependency on the mass, a direct experimental determination of this energy distribution cannot be carried out easily. One way out is by substituting the energy with the formula E = 1/2 mv ² , which leads to Equation VII, which defines the Maxwell distribution.

Die nunmehr auftretende explizite Massenabhängigkeit führt bei einem binären Stoff dazu, daß zwei Atomarten, wenn sie sich auf der gleichen Temperatur befinden, zwar die gleiche Energieverteilung, jedoch eine unterschiedliche Geschwindigkeitsverteilung aufweisen. Wird keine Massenbestimmung oder -selektion durchgeführt, so entspricht die gemessene Geschwindigkeitsverteilungskurve der Überlagerung der Geschwindigkeitsverteilungskur ven der beiden Atomarten. Eine Bestimmung der absoluten Temperatur wäre somit nicht möglich.The now explicit mass dependency leads to that two types of atoms, if they are at the same temperature, are the same Energy distribution, but have a different speed distribution. If no mass determination or selection is carried out, the measured one corresponds Velocity distribution curve of the superposition of the velocity distribution curve ven of the two types of atoms. A determination of the absolute temperature would therefore not be possible possible.

In der Fig. 5 ist das Prinzip einer Anordnung 1 dargestellt, mit welcher die Geschwindig keitsverteilung und die Massen von Teilchen ermittelt werden können. Diese Anordnung 1 weist eine Vakuumkammer 2 auf, in der sich ein Behälter 3 mit einem gasförmigen, flüssi gen oder festen Stoff 4 befindet. Das Vakuum der Kammer soll kleiner als 10^-1 Pa sein, damit sich eine mittlere freie Weglänge der TeilchenIn FIG. 5 illustrates the principle of an arrangement 1 is shown, with which the VELOCITY speed distribution and the masses can be determined from the particles. This arrangement 1 has a vacuum chamber 2 , in which there is a container 3 with a gaseous, liquid or solid substance 4 . The vacuum of the chamber should be less than 10 ^-1 Pa, so that there is an average free path of the particles

von etwa 1 m ergibt. Derartige Druckbereiche sind z. B. beim Vakuumschmelzen von Metallen üblich. Metalldämpfe bilden bei diesen Drücken ein monoatomares ideales Gas. Der Stoff 4 hat ei ne bestimmte Temperatur und sendet deshalb Teilchen mit einer bestimmten Geschwindig keitsverteilung aus, was durch einen Pfeil 5 angedeutet ist. Wichtig hierbei ist, daß gemäß der Erfindung die absolute Temperatur des Stoffs 4 auch dann ermittelt werden kann, wenn sich seine Temperatur von der Temperatur der Umgebung, z. B. des Behälters 3, unter scheidet. Beispielsweise kann der Stoff 4 eine Temperatur von 1000°C haben, während der Behälter 3 eine Temperatur von 1200°C besitzt. Voraussetzung hierfür ist lediglich, daß der Behälter 3 aus einem anderen Material als der Stoff 4 besteht, so daß die Masse als Unterscheidungskriterium herangezogen werden kann. of about 1 m. Such pressure areas are e.g. B. common in vacuum melting of metals. At these pressures, metal vapors form a monoatomic ideal gas. The substance 4 has a certain temperature and therefore sends out particles with a certain speed distribution, which is indicated by an arrow 5 . It is important here that, according to the invention, the absolute temperature of the substance 4 can also be determined if its temperature is different from the temperature of the environment, e.g. B. the container 3 , under separates. For example, the substance 4 can have a temperature of 1000 ° C, while the container 3 has a temperature of 1200 ° C. The only requirement for this is that the container 3 is made of a different material than the substance 4 , so that the mass can be used as a differentiating criterion.

Das Grundprinzip der Anordnung 1 besteht darin, daß ein Teilchenensemble des Stoffs 4 ionisiert und dann in seine Geschwindigkeiten und Massen separiert wird. Von den Teil chen; die dem Stoff 4 entweichen, wird durch die Blende 6 ein Teilchenbündel oder -ensemble ausgeblendet, das sich dann in Richtung der Geschwindigkeit v auf der Geraden 7 fortbewegt. Die zumeist elektrisch neutralen Teilchen des Teilchenbündels oder -ensembles werden nun ionisiert. Hierzu ist eine Ionisierungseinrichtung 33 vorgesehen, die durch einen Glühemissionsdraht 8 und zwei Elektroden 9, 10 dargestellt ist. Bei dieser Ionisierungseinrichtung 33 kann es sich um eine solche handeln, die bei handelsüblichen Quadrupolmassenspektrometern vorgesehen ist. Es ist sogar möglich, die bei dem Quadru polmassenspektrometer in der Anordnung 1 vorhandene Ionisierungseinrichtung auszubau en und hinter der Blende 6 anzuordnen.The basic principle of arrangement 1 is that a particle ensemble of substance 4 is ionized and then separated into its velocities and masses. From the particles; that escape the substance 4 , the aperture 6 fades out a bundle of particles or ensemble, which then moves in the direction of the speed v on the straight line 7 . The mostly electrically neutral particles of the particle bundle or ensemble are now ionized. For this purpose, an ionization device 33 is provided, which is represented by a glow emission wire 8 and two electrodes 9 , 10 . This ionization device 33 can be one that is provided in commercially available quadrupole mass spectrometers. It is even possible to expand the ionization device present in the arrangement 1 in the Quadru polar mass spectrometer and to arrange it behind the aperture 6 .

Die neutralen Teilchen aus dem Behälter 3 werden mittels Stoß durch die Elektronen der Ionisierungseinrichtung 33 ionisiert, wobei zu beachten ist, daß die Geschwindigkeitskom ponente der ionisierten Teilchen in Richtung der Linie 7 durch auftreffende Elektronen nicht verändert wird, weil der Geschwindigkeitsvektor dieser stoßenden Elektronen senk recht zur Linie 7 verläuft. Die zumindest theoretisch gegebene Wahrscheinlichkeit, daß ein sich horizontal bewegendes Elektron frontal durch ein aus dem Behälter 3 kommendes Teilchen angestoßen wird, so daß sich die Geschwindigkeit dieses Teilchens in Richtung der Linie 7 verändert, ist vernachlässigbar gering.The neutral particles from the container 3 are ionized by means of an impact by the electrons of the ionization device 33 , it being noted that the velocity component of the ionized particles in the direction of line 7 is not changed by incident electrons, because the velocity vector of these impacting electrons is perpendicular runs to line 7 . The at least theoretically given probability that a horizontally moving electron is hit frontally by a particle coming out of the container 3 , so that the speed of this particle changes in the direction of the line 7, is negligible.

Die Ionisierungsquelle 33 weist vorzugsweise eine konstante Elektronenemission auf, so daß das Teilchenensemble aus dem Gefäß 3 über die Zeit möglichst gleichmäßig ionisiert wird. Der ionisierte Teilchenstrahl durchläuft nun eine Blende 11, welche die auftretenden Streuungen unterdrückt und somit ein unerwünschtes Bedampfen von Teilen der Anord nung 1 verhindert.The ionization source 33 preferably has a constant electron emission, so that the particle ensemble from the vessel 3 is ionized as evenly as possible over time. The ionized particle beam now passes through an aperture 11 , which suppresses the scattering that occurs and thus prevents unwanted vapor deposition of parts of the arrangement 1 .

Durch die Impakt- oder Stoßionisation und durch die an den Elektroden 9, 10 liegende Spannung wird der aus der Ionisierungseinrichtung 33 austretende Ionenstrahl geringfügig aus der Achse 7 gelenkt. Diese Ablenkung wird durch einen nachgeschalteten Kompensa tionskondensator wieder rückgängig gemacht, an dessen Platte 12, 58 eine Gleichspannung liegt, deren Betrag mit der an den Elektroden 9,10 liegenden Spannung korreliert ist. Die Polaritäten der beiden Spannungen sind jedoch entgegengerichtet. Nachdem der ionisierte Teilchenstrahl wieder die ursprüngliche Geschwindigkeitsrichtung eingenommen hat, ge langt er durch zwei Ablenkplatten 13, 14, die - in die Zeichenebene betrachtet - einander gegenüberliegen. Im Vergleich zu den Platten 9, 10 bzw. den Platten 12, 58 des Kondensa tors sind die Ablenkplatten 13, 14 um 90 Grad versetzt. Diese Anordnung empfiehlt sich, weil auf diese Weise mit denjenigen Komponenten des Impulses eines Teilchens gearbeitet werden kann, die nicht durch die Stoßionisation in der Ionenerzeugungseinrichtung beein flußt wurden. Die an den Ablenkplatten 13, 14 liegende Spannung wird aus einem Funk tionsgenerator 15 gespeist. Sie steigt z. B. linear an oder ist eine Sägezahnspannung.The ion beam emerging from the ionization device 33 is deflected slightly out of the axis 7 by the impact or impact ionization and by the voltage applied to the electrodes 9 , 10 . This deflection is reversed by a downstream compensation capacitor, on the plate 12 , 58 of which there is a DC voltage, the amount of which is correlated with the voltage across the electrodes 9 , 10 . However, the polarities of the two voltages are opposite. After the ionized particle beam has returned to the original speed direction, it reaches ge through two baffles 13 , 14 , which - viewed in the plane of the drawing - lie opposite each other. In comparison to the plates 9 , 10 and the plates 12 , 58 of the capacitor, the deflector plates 13 , 14 are offset by 90 degrees. This arrangement is recommended because in this way it is possible to work with those components of the momentum of a particle that have not been influenced by the impact ionization in the ion generating device. The lying on the baffles 13 , 14 voltage is fed from a radio tion generator 15 . It increases z. B. linear or is a sawtooth voltage.

Für die Erfindung von besonderer Bedeutung ist es nun, daß durch Anlegen einer Span nung an die Platten 13, 14 ein Teil der ionisierten Teilchen, die aufgrund ihrer niedrigeren Geschwindigkeit stärker abgelenkt werden als die schnelleren, ausgeblendet wird. Diese langsamen Teilchen laufen dann gegen eine nachgeschaltete Blende 16 und gelangen nicht mehr auf ein Quadrupolmassenspektrometer 17, mit dem die Massen der Teilchen be stimmt werden können. Das bedeutet, daß ab einer bestimmten Grenzgeschwindigkeit nur die schnellen bis schnellsten Teilchen aus einem Teilchenensemble vom Quadrupol massenspektrometer 17 nachgewiesen werden. Nimmt die an den Platten 13, 14 liegende Spannung z. B. linear zu, so werden mit der Zeit mehr und mehr geladene Teilchen ausge blendet, bis am Ende gar keine Teilchen mehr das Massenspektrometer erreichen. Da die geladenen Teilchen einen Strom darstellen, ergibt sich ein Stromverlauf, wie er z. B. auf einem Oszillographen 19 dargestellt werden kann: bei niedrigen Spannungswerten ist der Strom hoch und nimmt dann nichtlinear mit wachsender Spannung an den Platten 13, 14 ab.It is of particular importance for the invention that a part of the ionized particles, which are deflected more strongly than the faster ones due to their lower speed, is hidden by applying a voltage to the plates 13 , 14 . These slow particles then run against a downstream aperture 16 and no longer reach a quadrupole mass spectrometer 17 with which the masses of the particles can be determined. This means that from a certain limit speed only the fastest to fastest particles from a particle ensemble are detected by the quadrupole mass spectrometer 17 . Takes the voltage on the plates 13 , 14 z. B. linearly, so more and more charged particles are faded out over time until no more particles reach the mass spectrometer at the end. Since the charged particles represent a current, there is a current profile as it is e.g. B. can be displayed on an oscillograph 19 : at low voltage values, the current is high and then decreases non-linearly with increasing voltage on the plates 13 , 14 .

Die Zahl der auf den Quadrupolmassenspektrometer 17 gelangenden Teilchen kann sehr klein sein, so daß es sich empfiehlt, zum Nachweis dieser Teilchen zwischen Quadrupol massenspektrometer 17 und Oszillographen 19 einen Sekundärelektronenvervielfacher 18 als Verstärkungselement vorzusehen.The number of entering the quadrupole mass spectrometer 17 particles can be very small, so that it is advisable for the detection of these particles between quadrupole mass analyzer 17 and to provide a secondary electron multiplier 18 as a reinforcing element oscillograph 19th

Bei einem Stoff, der sich aus verschiedenen Atomarten zusammensetzt, treffen bei einer thermischen Energieverteilung zu einem festen Zeitpunkt gleichzeitig langsame und schwere sowie schnelle und leichte Teilchen auf das Massenspektrometer 17 auf. Um die Geschwindigkeit nur einer Teilchensorte zu erfassen, z. B. nur einer schweren oder nur einer leichten Teilchensorte, erfolgt im Massenspektrometer 17 eine Filterung der entspre chenden Teilchensorte. Das Massenspektrometer 17 wird also als Massenfilter benutzt, um bei einer vorgegebenen Spannung am Massenspektrometer den zeitlichen Verlauf der Intensität dieser einen Teilchensorte zu erfassen. Die Ionen werden durch eine am Eingang des Massenspektrometers 17 anliegende Extraktionsspannung in das Massenspektrometer 17 hineingesaugt, durchlaufen dort - wenn es sich um ein Quadrupolmassenspektrometer handelt - das Stabsystem und erzeugen das Signal einer einzigen Massenzahl, die durch die Spannung am Spektrometer vorgewählt ist. Dieses Signal gelangt zum Nachweis in den Sekundärelektronenvervielfacher 18.In the case of a substance which is composed of different types of atoms, slow and heavy as well as fast and light particles simultaneously strike the mass spectrometer 17 with a thermal energy distribution at a fixed point in time. To measure the speed of only one type of particle, e.g. B. only a heavy or only a light particle type, is carried out in the mass spectrometer 17 filtering the corre sponding particle type. The mass spectrometer 17 is thus used as a mass filter in order to record the time course of the intensity of this one particle type at a predetermined voltage on the mass spectrometer. The ions are sucked by a applied to the input of the mass spectrometer 17 extraction voltage in the mass spectrometer 17, run through there - if it is a quadrupole mass spectrometer - the rod system and produce the signal of a single mass number is selected by the voltage at the spectrometer. This signal arrives in the secondary electron multiplier 18 for detection.

Ionen, die durch das Quadrupolmassenspektrometer 17 hindurchtreten, werden also durch ein Extraktionsfeld am Eingang des Spektrometers 17 in das Spektrometer 17 hineinge saugt und dort entsprechend ihrer Masse nachgewiesen.Ions passing through the quadrupole mass spectrometer 17 are so hineinge by an extraction field at the entrance of the spectrometer 17 in the spectrometer 17 sucks and there accordingly their mass detected.

Die vom Oszillographen 19 dargestellte I/U-Kurve zeigt mittelbar die Geschwindigkeits verteilung der geladenen Teilchen. Um die Geschwindigkeitsverteilung unmittelbar dar stellen zu können, wird die I/U-Kurve nach U differenziert. Dies kann mit einem Lock-In- Verstärker 20 geschehen. Das Ergebnis der Differenzierung ist die Maxwell′sche Ge schwindigkeitsverteilung, wie sie durch ein Oszilloskop oder einen Oszillographen 21 dar gestellt wird.The I / U curve shown by the oscillograph 19 shows indirectly the speed distribution of the charged particles. In order to be able to directly represent the speed distribution, the I / U curve is differentiated according to U. This can be done with a lock-in amplifier 20 . The result of the differentiation is the Maxwell'sche Ge speed distribution, as it is represented by an oscilloscope or an oscillograph 21 .

Wird die Kurve, welche die Geschwindigkeitsverteilung darstellt, kalibriert, so kann aus ihr die Geschwindigkeitsverteilung direkt abgelesen werden. Es ist jedoch zu betonen, daß die Proportionalitätsfaktoren, welche die Kurve im Oszillographen 21 und die tatsächliche Geschwindigkeitskurve miteinander verbinden, für die Temperaturbestimmung unwichtig sind, da allein aufgrund der Lage des Verteilungsmaximums bereits die absolute Tempera tur bestimmt werden kann.If the curve representing the speed distribution is calibrated, the speed distribution can be read directly from it. However, it should be emphasized that the proportionality factors, which connect the curve in the oscillograph 21 and the actual speed curve, are unimportant for the temperature determination, since the absolute temperature can already be determined solely on the basis of the position of the distribution maximum.

Es ist möglich, die Werte v_mit, v_mq und v_max (vgl. die Gleichungen IX, X, XI) aus der Kurve zu ermitteln und bei Kenntnis der Masse der Teilchen die absolute Temperatur mit Hilfe eines Rechners 22 zu berechnen.It is possible to determine the values v _mit , v _mq and v _max (see equations IX, X, XI) from the curve and, if the mass of the particles is known, to calculate the absolute temperature using a computer 22 .

Da die Massen der Teilchen auf herkömmliche Art mit dem Quadrupolmassenspektrome ter 17 ermittelt werden, ist die Berechnung der absoluten Temperatur durchführbar.Since the masses of the particles are determined in a conventional manner with the quadrupole mass spectrometer 17 , the calculation of the absolute temperature can be carried out.

In der Fig. 6 ist die linke Seite der Anordnung gemäß Fig. 5 noch einmal im Prinzip und perspektivisch dargestellt. Die aus dem Behälter 3 austretenden Teilchen 54 gelangen durch eine Öffnung 55 in der Blende 6 in den Bereich einer Ionisierungsvorrichtung 33, welche hier durch die Platten 9, 10 symbolisiert ist. In der Ionisierungsvorrichtung 33 wer den die zunächst neutralen und in der Regel aus mehreren Atomarten bzw. Isotopen dessel ben Materials bestehenden Teilchen ionisiert, und zwar in positiv geladene Ionen. Wegen des Beschusses mit Elektronen werden einige der Teilchen etwas aus ihrer ursprünglichen Bahn ausgelenkt. Diese positiv geladenen Ionen 56 gelangen sodann zur Blende 11, wo ein Teil von ihnen durch eine Öffnung 57 dieser Blende 11 die Horizontalablenkung 12, 58 er reichen. Dort werden sie in Richtung auf die negativ geladene Platte 58 abgelenkt. Die schweren Teilchen in dem Teilchenensemble 59 werden dabei weniger stark abgelenkt als die leichten Teilchen, die sich in demselben Ensemble befinden. Die Ablenkung des Teil chenensembles 59 in der Horizontalablenkung 12, 58 ist ebenso groß wie die Ablenkung des Teilchenensembles in der Ionisierungsvorrichtung 9, 10, so daß der ursprüngliche Ab lenkungsfehler kompensiert wird. FIG. 6 shows the left side of the arrangement according to FIG. 5 again in principle and in perspective. The particles 54 emerging from the container 3 pass through an opening 55 in the diaphragm 6 into the region of an ionization device 33 , which is symbolized here by the plates 9 , 10 . In the ionization device 33, who neutralizes the initially neutral particles, which usually consist of several atom types or isotopes of the same material, into positively charged ions. Because of the bombardment with electrons, some of the particles are deflected somewhat from their original path. These positively charged ions 56 then arrive at the aperture 11 , where part of them reach the horizontal deflection 12 , 58 through an opening 57 of this aperture 11 . There they are deflected towards the negatively charged plate 58 . The heavy particles in the particle ensemble 59 are deflected less than the light particles which are in the same ensemble. The deflection of the partial chenensembles 59 in the horizontal deflection 12 , 58 is as large as the deflection of the particle ensemble in the ionization device 9 , 10 , so that the original deflection error is compensated for.

Das nun wieder in seiner alten Bahn befindliche Teilchenensemble 71 wird jetzt durch die Vertikalablenkung 13, 14 nach oben abgelenkt, wo sich die negative Elektrode 14 befindet. Der aus der Vertikalablenkung 13, 14 heraustretende Teilstrahl 78 tritt durch eine Öffnung 79 in der Blende und gelangt zum Quadrupol-Massenspektrometer 17, das an seinem Ein gang eine nicht dargestellte negative Gitterelektrode aufweist, welche die Teilchen des Teilchenensembles 80, soweit sie positiv geladen sind, in das Spektrometer 17 hineinzieht. Neutrale und negative Teilchen 81 fliegen über das Spektrometer 17 hinweg. Der aus posi tiv geladenen Teilchen bestehende Strahl 78 wird bei sich linear verändernder Spannung an den Platten 13, 14 einmal mehr und einmal weniger nach oben gelenkt. Von einer ge wissen Spannung an werden deshalb nur noch die schnellen Teilchen durch die Öffnung 79 gelangen, während die langsamen auf die Blende 16 aufprallen. Nimmt also die Span nung an den Platten von Null auf einen bestimmten Wert linear zu, so gelangen zuerst alle Teilchen zum Massenspektrometer 17, dann nur noch die schnellen, so daß sich ein U/J- Verhältnis ergibt, wie es im Block der Fig. 19 dargestellt ist. Da der Teilchenstrahl 80 im mer noch aus verschiedenen Atomarten mit unterschiedlichen Massen bestehen kann, wer den nicht nur die langsamen Teilchen durch die Spannung an den Platten 13, 14 stärker ab gelenkt, sondern auch die leichteren. Die Verteilung der Teilchengeschwindigkeiten im Strahl 80 ist deshalb eine aus mehreren Einzelgeschwindigkeitsverteilungen - entsprechend den verschiedenen Massenzählen - zusammengesetzte Geschwindigkeitsverteilung, welche etwa die Kurvenform von zwei oder mehreren sich überlappenden Maxwell′schen Ge schwindigkeitsverteilungskurven hat. Diese Geschwindigkeitsverteilung kann mittelbar durch ein J/U-Verhältnis abgebildet werden, wobei U die Spannung an den Platten 13, 14 und J der durch die Teilchen des Strahls 80 gebildete Strom ist.The particle ensemble 71 , which is now in its old path again, is now deflected upwards by the vertical deflection 13 , 14 , where the negative electrode 14 is located. The partial beam 78 emerging from the vertical deflection 13 , 14 passes through an opening 79 in the aperture and arrives at the quadrupole mass spectrometer 17 , which has at its input a negative grid electrode, not shown, which contains the particles of the particle ensemble 80 , insofar as they are positively charged , draws into the spectrometer 17 . Neutral and negative particles 81 fly over the spectrometer 17 . The beam 78 consisting of positively charged particles is deflected upwards and downwards once more and less when the voltage on the plates 13 , 14 changes linearly. From a known voltage, only the fast particles will therefore pass through the opening 79 , while the slow particles will collide with the aperture 16 . So if the voltage on the plates increases linearly from zero to a certain value, then all the particles first reach the mass spectrometer 17 , then only the fast ones, so that a U / J ratio results, as shown in the block of FIG. 19 is shown. Since the particle beam 80 can still consist of different types of atoms with different masses, who not only deflects the slow particles more by the voltage on the plates 13 , 14 , but also the lighter ones. The distribution of the particle velocities in the beam 80 is therefore a velocity distribution composed of several individual velocity distributions - corresponding to the different mass counts - which has approximately the curve shape of two or more overlapping Maxwell's Ge velocity distribution curves. This velocity distribution can be represented indirectly by a J / U ratio, where U is the voltage at the plates 13 , 14 and J is the current formed by the particles of the beam 80 .

Aus dem mehratomigen Ensemble mit der zusammengesetzten Geschwindigkeitsvertei lung werden durch das Massenspektrometer 17 nur diejenigen Atome mit derselben und vorgegebenen Massenzahl herausgefiltert. Sie erscheinen als Strahl 82 am Ausgang des Massenspektrometers 17. Dieser Strahl 82 wird einem Sekundärelektronenvervielfacher 18 zugeführt, der mehrere Dynoden 83 bis 91 aufweist, denen eine Elektrode 19 nachgeschal tet ist, die über einen Widerstand 92 an Masse 93 liegt. Das vom Sekundärelektronenver vielfacher gelieferte Signal 94 kann durch eine in der Fig. 6 nicht dargestellte Schaltungs anordnung weiterverarbeitet werden. Es handelt sich bei diesem Signal 94 um ein Strom signal, welches die in dem Strahl 82 befindliche Teilchenmenge repräsentiert, wobei dieses Stromsignal von der Spannung an den Platten 13, 14 abhängt. Indem dieser Strom 94 nach der zeitlich veränderlichen Spannung U an den Platten 13, 14 differenziert wird, ergibt sich die Geschwindigkeitsverteilung der von dem Massenspektrometer 17 selektierten Atomart.From the multi-atom ensemble with the composite speed distribution, only those atoms with the same and predetermined mass number are filtered out by the mass spectrometer 17 . They appear as a beam 82 at the output of the mass spectrometer 17 . This beam 82 is fed to a secondary electron multiplier 18 which has a plurality of dynodes 83 to 91 , which is followed by an electrode 19 which is connected to ground 93 via a resistor 92 . The signal 94 supplied by the secondary electron multiplier can be further processed by a circuit arrangement not shown in FIG. 6. This signal 94 is a current signal which represents the quantity of particles in the beam 82 , this current signal depending on the voltage at the plates 13 , 14 . By differentiating this current 94 according to the time-varying voltage U on the plates 13 , 14 , the speed distribution of the atom type selected by the mass spectrometer 17 results.

Bei Kenntnis dieser Geschwindigkeitsverteilung und der Massenzahl läßt sich nun leicht die absolute Temperatur ermitteln. Eine mögliche Methode, aus der bekannten Geschwin digkeitsverteilung und Masse die absolute Temperatur zu bestimmen, besteht darin, die ge messene Geschwindigkeitsverteilungskurve an die theoretische Maxwell′sche Verteilungs kurve durch Verändern von Parametern anzupassen (sog. Methode der "least squares fit"). Bei einer anderen Methode werden aus der gemessenen Verteilungskurve bestimmte Ge schwindigkeiten abgelesen oder rechnerisch ermittelt, z. B. die wahrscheinlichste Ge schwindigkeit oder eine andere der in der Fig. 3 dargestellten Geschwindigkeiten.Knowing this speed distribution and the number of masses, it is now easy to determine the absolute temperature. One possible method of determining the absolute temperature from the known speed distribution and mass is to adapt the measured speed distribution curve to the theoretical Maxwell distribution curve by changing parameters (so-called "least squares fit" method). In another method, certain speeds are read or calculated from the measured distribution curve, e.g. B. the most likely Ge speed or another of the speeds shown in FIG. 3.

In der Fig. 7 ist eine weitere Anordnung 98 dargestellt, mit der es möglich ist, die Tempe ratur von Stoffen zu bestimmen. Diese Anordnung 98 stimmt in vielen Punkten mit der Anordnung 1 gemäß Fig. 5 überein, weshalb die einander entsprechenden Einrichtungen mit denselben Bezugszahlen versehen wurden. Im Unterschied zur Anordnung 1 beruht die Anordnung 98 der Fig. 7 auf einer Messung der Flugzeit geladener Teilchen zwischen zwei definierten Punkten. Diese beiden Punkte werden durch die Elektroden 9,10 der Ioni sierungseinrichtung 33 einerseits und die Mitte des Quadrupolmassenspektrometers 17 an dererseits gebildet. Der Abstand zwischen den Elektroden 9,10 und dem Massenspektro meter 17 beträgt beispielsweise L=150 mm. Nachdem die Teilchen des z. B. gasförmigen Stoffs 4, dessen Temperatur gemessen werden soll, den Behälter 3 verlassen haben, gelan gen sie zur Ionisierungseinrichtung 33, die mit einem Steuergitter 24 versehen ist und ge pulst wird. Ein am Steuergitter angelegtes negatives Rechtecksignal gestattet nun für einen sehr kurzen Zeitraum - bezogen auf die Flugzeit der Teilchen von der Ionisierungseinrich tung 33 zum Massenspektrometer 17 - die Ionisierung des Neutralteilchenstrahls. Die auf diese Weise erzeugten Ionenpakete bestehen aus Ionen unterschiedlicher Geschwindig keiten, die zu verschiedenen Zeiten mit unterschiedlichen Intensitäten das Massenspektro meter 17 erreichen. Durch den Puls sind der Beginn und das Ende der Ionisierung der zu messenden Teilchen festgelegt. Der ionisierende Elektronenpuls erzeugt somit ein Ionen paket, das sich innerhalb eines Strahls neutraler Teilchen bewegt. Ionen; die am Ort der Io nisierungseinrichtung 8, 9, 10 unterschiedliche Geschwindigkeiten haben, kommen nach Durchlaufen der Wegstrecke L zu unterschiedlichen Zeiten mit einer charakteristischen In tensitätsverteilung am Massenspektrometer 17 an. Es entsteht also auf diese Weise ein Flugzeitspektrum, das bei bekannter Driftstrecke L auf eine Maxwell′sche Verteilungs funktion zurückgeführt werden kann.In Fig. 7, another arrangement 98 is shown with which it is possible to determine the temperature of substances. This arrangement 98 corresponds in many points to the arrangement 1 according to FIG. 5, which is why the corresponding devices have been provided with the same reference numbers. In contrast to arrangement 1 , arrangement 98 of FIG. 7 is based on a measurement of the flight time of charged particles between two defined points. These two points are formed by the electrodes 9, 10 of the ionization device 33 on the one hand and the center of the quadrupole mass spectrometer 17 on the other. The distance between the electrodes 9, 10 and the mass spectrometer 17 is, for example, L = 150 mm. After the particles of the z. B. gaseous substance 4 , the temperature of which is to be measured, have left the container 3 , gelan conditions to the ionization device 33 , which is provided with a control grid 24 and is pulsed ge. A negative square wave signal applied to the control grid now permits the ionization of the neutral particle beam for a very short period of time - based on the flight time of the particles from the ionization device 33 to the mass spectrometer 17 . The ion packets generated in this way consist of ions of different speeds which reach the mass spectrometer 17 at different times with different intensities. The start and end of the ionization of the particles to be measured are determined by the pulse. The ionizing electron pulse thus generates an ion packet that moves within a beam of neutral particles. Ions; which have different speeds at the location of the ionization device 8 , 9 , 10 arrive at the mass spectrometer 17 with a characteristic intensity distribution after passing through the distance L at different times. This creates a time-of-flight spectrum that can be traced back to a Maxwell distribution function if the drift distance L is known.

Das so ermittelte Flugzeitspektrum kann auf einen Oszillographen 25 dargestellt werden, der seinerseits mit einem Rechner 26 verbunden ist. Die auf dem Oszillographen 25 sicht bare Kurve J ∼ N (t) hat im Prinzip dieselbe Form wie die Kurve dJ/dN ∼ N(v) auf dem Oszillographen 21 in Fig. 5. Der Zusammenhang zwischen der Flugzeit und dem Strom er gibt sich dadurch, daß das Ionenpaket eine elektrische Ladung beinhaltet, die sich in der Zeit "entlädt", weil zeitlich nacheinander zuerst die schnellen, dann die mittleren und lang samen Ionen den Strom bilden. Aus der Darstellung des Oszillographen 25 ist dies deutlich zu erkennen, wo der Strom zunächst - wenn die schnellen Ionen am Massenspektrographen 17 eintreffen - relativ klein ist und dann anwächst, wenn die große Masse der mittelschnel len Ionen ankommt. Die Stromkennlinie flacht anschließend wieder ab, wenn die langsa men Ionen eintreffen, bis sie schließlich ganz endet, weil die letzten Ionen des Ionenpakets angekommen sind. Die Massenselektion ist bei der Anordnung 98 der Fig. 7 dieselbe wie bei der Anordnung 1 gemäß Fig. 5.The time-of-flight spectrum determined in this way can be displayed on an oscillograph 25 , which in turn is connected to a computer 26 . The curve J ∼ N (t) visible on the oscillograph 25 has in principle the same shape as the curve dJ / dN ∼ N (v) on the oscillograph 21 in FIG. 5. The relationship between the flight time and the current is given in that the ion packet contains an electrical charge that "discharges" in time, because in succession first the fast ions, then the medium and slow ions form the current. From the representation of the oscillograph 25 , this can be clearly seen where the current is initially relatively small when the fast ions arrive at the mass spectrometer 17 and then increases when the large mass of the medium-fast ions arrives. The current characteristic then flattens out again when the slow ions arrive until it ends completely because the last ions of the ion packet have arrived. The mass selection in arrangement 98 in FIG. 7 is the same as in arrangement 1 in FIG. 5.

In der Fig. 8 ist eine Anordnung dargestellt, die im wesentlichen der Anordnung gemäß Fig. 5 entspricht. Im Gegensatz zu der Anordnung gemäß Fig. 5 weist jedoch die Anord nung gemäß Fig. 8 noch ein zusätzliches Magnetfeld B auf, das auf dem elektrischen Feld E der Ablenkplatten 13, 14 senkrecht steht. Eine derartige Kombination aus variablem elektrostatischem und magnetischem Feld dient als Geschwindigkeitsfilter. Die durch das feste B-Feld hindurchtretenden Ionen erfahren je nach Größe ihres Geschwindigkeitsbe trags eine mehr oder weniger starke Ablenkung aufgrund der Lorentzkraft.In the Fig. 8 illustrates an arrangement which is substantially the arrangement of FIG. 5 corresponds. In contrast to the arrangement according to FIG. 5, however, the arrangement according to FIG. 8 also has an additional magnetic field B, which is perpendicular to the electrical field E of the baffle plates 13 , 14 . Such a combination of a variable electrostatic and magnetic field serves as a speed filter. The ions passing through the fixed B field experience a more or less strong deflection due to the Lorentz force, depending on the size of their velocity.

Mit Hilfe des einstellbaren E-Feldes zwischen den Ablenkplatten 13, 14 ist es möglich, die Ablenkung durch das Magnetfeld für bestimmte Geschwindigkeiten rückgängig zu ma chen. Nur diejenigen Felder, für die dies zutrifft, gelangen durch die Blende 16. Alle ande ren geladenen Teilchen treffen auf die Blende 16 auf.With the help of the adjustable E-field between the baffles 13 , 14 , it is possible to undo the deflection by the magnetic field for certain speeds. Only those fields for which this is the case pass through the aperture 16 . All other charged particles hit the aperture 16 .

Eine Variation des E-Feldes in einem bestimmten Bereich entspricht einem Durchscannen von Ionengeschwindigkeiten im interessierenden Geschwindigkeitsintervall. Es ergibt sich deshalb am Ausgang des Massenspektrometers 17 eine Geschwindigkeitsverteilungsfunk tion, deren Intensität von der Größe des Zeitintervalls abhängt, in dem das E-Feld durch fahren wird.A variation of the E-field in a certain area corresponds to a scanning of ion velocities in the velocity interval of interest. There is therefore a speed distribution function at the output of the mass spectrometer 17 , the intensity of which depends on the size of the time interval in which the E field will travel through.

Die weitere Verarbeitung der Signale erfolgt, wie bei der Anordnung gemäß Fig. 5 mittels eines Sekundärelektronenvervielfachers 18, eines Oszillographen 29 und eines Rechners 22.The signals are further processed, as in the arrangement according to FIG. 5, by means of a secondary electron multiplier 18 , an oscillograph 29 and a computer 22 .

In der Fig. 9 ist eine weitere Anordnung dargestellt, die weitgehend der Anordnung gemäß Fig. 7 entspricht, weshalb die Blöcke 25 und 26 weggelassen wurden. Im Gegensatz zu dieser ist sie jedoch nicht für eine berührungslose Messung ausgelegt. Vielmehr weist sie ein Rohr 30 auf, das mit der Vakuumkammer 2 in Verbindung steht und mit einem Ende mit dem zu messenden Stoff 40 in Berührung gebracht wird. Am einen Ende des Rohres befindet sich ein Vergleichsstoff 31, der mit der Probe 40 über das Rohr 30 im thermi schen Kontakt steht. Durch eine kleine Blende 41 treten Teilchen des auf die Temperatur der Probe 40 gebrachten Vergleichsstoffs 31 in die Vakuumkammer 2 ein und die Tempe ratur des Vergleichsstoffs wird ermittelt. FIG. 9 shows a further arrangement which largely corresponds to the arrangement according to FIG. 7, for which reason blocks 25 and 26 have been omitted. In contrast to this, however, it is not designed for non-contact measurement. Rather, it has a tube 30 which is connected to the vacuum chamber 2 and is brought into contact with the substance 40 to be measured at one end. At one end of the tube there is a comparative material 31 which is related to the sample 40 via the pipe 30 in contact thermi rule. Through a small orifice 41 , particles of the comparative substance 31 brought to the temperature of the sample 40 enter the vacuum chamber 2 and the temperature of the comparative substance is determined.

Bei einer anderen, hier nicht dargestellten Variante der Erfindung befindet sich der Behäl ter mit dem temperaturmäßig zu messenden Stoff außerhalb der Vakuumkammer, wobei nur ein kleiner Verbindungsweg von dem Stoff zur Vakuumkammer vorhanden sein muß.In another variant of the invention, not shown here, the container is located ter with the temperature-sensitive substance outside the vacuum chamber, where only a small connection path from the substance to the vacuum chamber must be present.

Die Fig. 10 zeigt noch einmal im Detail die wesentlichsten Elemente der Fig. 5, 7 bis 9. Der Übersicht halber ist hier allerdings die E-B-Feldkombination gemäß Fig. 7 nicht ein gezeichnet. Die Probe 4 in dem Behälter 3 ist auf der rechten Seite eines zylindrischen Ge häuses 35 dargestellt, in dem sich verschiedene Vorrichtungen befinden. Das Gehäuse 35 selbst und alle Elemente in ihm sowie der Behälter 3 befinden sich unter Vakuum. Auf der linken Seite ist mit 60 eine Turbopumpe angedeutet. FIG. 10 shows again in detail the essential elements of FIGS. 5, 7 to 9. For clarity, the EB-field combination is here, however, as shown in FIG. 7 is not one drawn. The sample 4 in the container 3 is shown on the right side of a cylindrical Ge housing 35 , in which there are various devices. The housing 35 itself and all elements in it and the container 3 are under vacuum. A turbopump is indicated at 60 on the left-hand side.

Eine Ionisierungseinrichtung 52 mit Steuergitter 53 ist mit zwei Haltevorrichtungen 50, 51 an einem Traggestell 38, 39 befestigt. Links von dieser Ionisierungseinrichtung 52 schlie ßen sich Ablenkplatten 61, 62 an, die mit Halteelementen 45, 46 am Traggestell 38, 39 be festigt sind. An diese Ablenkplatten 61, 62 schließt sich eine Blende 42 an, die ebenfalls über ein Halteelement 63 mit dem Traggestell 38,39 verbunden ist. Die Ablenkplatten 61, 62 erfüllen hierbei dieselbe Aufgabe wie der Kompensationskondensator 12 gemäß den Ausführungsformen der Fig. 5, 7 bis 9. Mit 64, 65 sind Keramikplatten bezeichnet, welche die Ablenkplatten 61, 62 gegenüber dem Gestell 38, 39 isolieren.An ionization device 52 with a control grid 53 is fastened to a support frame 38 , 39 with two holding devices 50 , 51 . To the left of this ionization device 52 are baffles 61 , 62 , which are fastened to the support frame 38 , 39 with holding elements 45 , 46 . These baffles 61, 62 is an aperture 42 follows, which is also connected via a holding element 63 with the supporting frame 38,39. The baffle plates 61 , 62 perform the same task as the compensation capacitor 12 according to the embodiments of FIGS. 5, 7 to 9. With 64 , 65 ceramic plates are designated which isolate the baffle plates 61 , 62 from the frame 38 , 39 .

Links von der Blende 42 ist eine weitere Ablenkeinheit dargestellt, deren Ablenkplatten gegenüber den Ablenkplatten 61, 62 um 90 Grad gedreht sind. Wegen dieser Drehung er kennt man in der Fig. 10 nur eine der beiden Ablenkplatten, nämlich die Ablenkplatte 66. Diese Ablenkplatten, die den Platten 13, 14 in Fig. 5 entsprechen, sind über Keramikele mente 47, 48 und Halteelemente 67, 68 mit dem Traggestell 38, 39 verbunden.A further deflection unit is shown to the left of the diaphragm 42 , the deflection plates of which are rotated by 90 degrees with respect to the deflection plates 61 , 62 . Because of this rotation he is known in FIG. 10 only one of the two baffles, namely the baffle 66th These baffles, which correspond to the plates 13 , 14 in FIG. 5, are connected via ceramic elements 47 , 48 and holding elements 67 , 68 to the support frame 38 , 39 .

Eine nachgeschaltete Blende 43, die über Halteelemente 69, 70 mit dem Traggestell 38, 39 verbunden ist, entspricht funktionsmäßig der Blende 16 in Fig. 5. Auf dieser Blende 43 kann eine Vorrichtung für die Erzeugung einer E-B-Feldkombination vorgesehen sein, die hier jedoch nicht dargestellt ist. Mit 49 ist ein Massenspektrometer bezeichnet, auf dem sich ein Extraktionsgitter 71 befindet, mit dem Ionen in das Massenspektrometer 49 einge saugt werden.A downstream diaphragm 43 , which is connected to the support frame 38 , 39 via holding elements 69 , 70 , corresponds functionally to the diaphragm 16 in FIG. 5. A device for generating an EB field combination can be provided on this diaphragm 43 , but here is not shown. 49 with a mass spectrometer is referred to, on which there is an extraction grid 71 with which ions are sucked into the mass spectrometer 49 .

Der Flansch 37, 73 zur Turbopumpe 60, vor dem sich eine Platte 44 befindet, bildet den Abschluß des Gehäuses 35, das über einen Ansatz 76 und ein Verbindungselement 74 mit diesem Flansch 37, 73 in Verbindung steht. Eine entsprechende Verbindung besteht auf der rechten Seite des Gehäuses 35, wo der Flansch 36 über ein Teil 75 und einen Ansatz 77 mit dem Gehäuse 35 verbunden ist. Ein Tragring 40a ist dem Teil 75 vorgeschaltet.The flange 37 , 73 to the turbopump 60 , in front of which there is a plate 44 , forms the end of the housing 35 , which is connected to this flange 37 , 73 via a shoulder 76 and a connecting element 74 . A corresponding connection exists on the right side of the housing 35 , where the flange 36 is connected to the housing 35 via a part 75 and an extension 77 . A support ring 40 a is connected upstream of part 75 .

Für die erfindungsgemäße Bestimmung der absoluten Temperatur ist es an sich unerheb lich, ob zuerst die Geschwindigkeitsverteilung und dann die Masse oder zuerst die Masse und dann die Geschwindigkeitsverteilung oder ob Masse und Geschwindigkeitsverteilung gleichzeitig ermittelt werden. Wichtig ist lediglich, daß eine bestimmte Masse einer be stimmten Geschwindigkeitsverteilung zugeordnet ist.It is in itself irrelevant for the determination of the absolute temperature according to the invention Lich, whether first the speed distribution and then the mass or first the mass and then the speed distribution or whether mass and speed distribution can be determined simultaneously. It is only important that a certain mass of a be agreed speed distribution is assigned.

Mit der Erfindung ist es leicht möglich, die durch eine erste Messung ermittelten absoluten Temperaturen durch eine zweite Messung zu überprüfen. Hierzu wird beispielsweise die absolute Temperatur zunächst über eine erste Masse bestimmt, die sich in dem zu messen den Stoff befindet. Sodann wird dieselbe Bestimmung über eine zweite Masse durchge führt. Stimmen die beiden Meßergebnisse überein, so ist dies ein Anzeichen dafür, daß die durchgeführte Messung korrekt ist.With the invention it is easily possible to determine the absolute values determined by a first measurement Check temperatures by a second measurement. For example, the absolute temperature is initially determined via a first mass that can be measured in the the fabric. The same determination is then carried out over a second mass leads. If the two measurement results match, this is an indication that the performed measurement is correct.

Claims

1. Device for measuring temperatures of gaseous, liquid or solid substances, characterized by the combination of the following features:

a) a vacuum chamber ( 2 );
b) a substance ( 4 , 40 , 30 ) whose temperature is to be measured;
c) a device for measuring the speed distribution of particles of the substance to be measured ( 4 , 40 , 30 );
d) a device which, taking into account the determined speed distribution and the mass of the particles, determines the absolute temperature of the substance ( 4 ).

2. Device for measuring temperatures of gaseous, liquid or solid substances, characterized by the combination of the following features:

a) a vacuum chamber ( 2 );
b) a substance ( 4 , 40 , 30 ) whose temperature is to be measured;
c) a mass filter ( 17 ), which filters particles that emanate from the substance ( 4 , 40 , 30 ) according to their mass in such a way that only one type of particle appears at the outlet of the mass filter ( 17 );
d) a device which determines the speed distribution of the particles passing through the mass filter ( 17 );
e) a device ( 22 ) which, taking into account the speed distribution and the mass of the particles determined by the mass filter ( 17 ), determines the absolute temperature of the particles.

3. Apparatus according to claim 1 or claim 2, characterized in that the total Ge pressure of the vacuum chamber ( 2 ) is less than 10 ^-1 Pa.

4. The device according to claim 1, characterized in that the mass of the material to be measured ( 4 , 40 , 30 ) is taken into account as a known size by the device ( 22 ) for determining the absolute temperature.

5. Apparatus according to claim 1 or claim 2, characterized in that the mass of the substance to be measured ( 4 ) measured by a mass measuring device ( 17 ) and the device ( 22 ) is supplied.

6. The device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the absolute temperature over the most probable speed (v max <from the determined th speed distribution is calculated.

7. The device according to claim l or claim 2, characterized in that the absolute temperature over the average speed (v) from the determined speed distribution is calculated.

8. The device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the absolute temperature over the mean quadratic speed) from the ermit speed distribution is calculated.

9. The device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the Er averaging the absolute temperature by adjusting the measured speed distribution to the theoretical Maxwellian velocity distribution curve follows.

10. The device according to claim 1 or claim 2, characterized by

a) an ionization device ( 33 ) which temporarily or continuously ionizes at least some of the particles of the substance ( 4 );
b) a deflection unit ( 13 , 14 , 15 ) which deflects the ionized particles as a function of their speed, and
c) a device ( 17 , 18 ) which registers the impact of particles depending on their mass.

11. The device according to claim 10, characterized in that the deflection unit ( 27 ) has a magnetic field.

12. The apparatus according to claim 10, characterized in that an aperture ( 6 ) is arranged between the substance ( 4 ) and the ionization chamber ( 33 ).

13. The apparatus according to claim 10, characterized in that the ionization device ( 33 ) generates charged particles, preferably electrons, which are accelerated perpendicular to the direction of travel of the particles of the substance ( 4 ).

14. The apparatus according to claim 10, characterized in that between the ionization device ( 33 ) and the deflection unit ( 13 , 14 ) a further deflection unit ( 12 ) is seen before, which the influence of ionization on the transverse component of the Ge speeds of the particles of Substance ( 4 ) compensated by the ionization device ( 33 ).

15. The apparatus according to claim 10, characterized by

a) a device ( 18 ) which converts the incident and mass-selected particles into an electric current;
b) a device ( 19 ) which represents this current as a function of the deflecting size of the deflecting unit ( 13 , 14 , 15 );
c) a device ( 20 ) which differentiates the current according to the deflecting variable and thereby determines the speed distribution curve;
d) a device ( 22 ) which calculates the absolute temperature of the substance ( 4 ) from the determined speed distribution curve.

16. The apparatus according to claim 10, characterized in that the deflection unit ( 13 , 14 , 15 ), which deflects the particles as a function of their speed, has two electrodes ( 13 , 14 ) which with an at least occasionally linearly increasing voltage ( U (t)) are supplied.

17. The apparatus according to claim 10 and claim 16, characterized in that in addition to the deflection unit ( 13 , 14 , 15 ) which generates an electric field, a deflection unit ( 27 ) is provided which generates a static magnetic field which the electric field is superimposed.

18. The apparatus according to claim 1 or claim 2, characterized in that the substance to be measured ( 4 ) is in a container ( 3 ), the container ( 3 ) being arranged in a vacuum chamber ( 2 ).

19. The apparatus according to claim 1 or claim 2, characterized in that the substance to be measured ( 4 ) is in a container which is arranged outside the vacuum chamber ( 2 ), wherein a passage for gaseous particles of the substance ( 4 ) from the container to the vacuum chamber is provided.

20. The apparatus according to claim 1 or claim 2, characterized in that the substance to be measured ( 6 ) is outside the vacuum chamber and with a tube ( 30 ) has thermal contact ( 31 ), which has an aperture ( 32 ) with the vacuum chamber ( 2 ) communicates.

21. The apparatus according to claim 1, characterized by

a) an ionization device ( 8 , 9 , 10 , 24 ) which ionizes at least a part of a beam of particles within a short period of time relative to the flight time of a particle from the substance ( 4 ) for the device for detecting the speed distribution;
b) from the ionization device ( 8,9,10,24 ) a distance L away A device ( 17 , 28 , 25 ) which receives an ensemble of ionized particles and the number of impinging and selected by their mass particles per unit time determined;
c) a device ( 26 ) which calculates the absolute temperature from the arrival time distribution of the particle ensemble determined in this way, which corresponds to the speed distribution of the incident particles.

21. The apparatus according to claim 2, characterized in that the mass filter ( 17 ) is a quadrupole mass spectrometer.

22. The apparatus according to claim 21, characterized in that the device for Detect the velocity distribution instead of an ionization device using a mecha African vibrator contains.

23. The device according to claim 22, characterized in that the determination of Velocity distribution is carried out by measuring the flight time of the particles whose Start time is specified via a mechanical chopper.

24. The device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the Ge speed distribution for a first mass of the substance ( 4 ) and for a second mass of the substance ( 4 ) is determined and that determined from the two masses or speed distributions absolute temperatures can be compared.