DE4203166C2 - Vorrichtung zur Analyse von Gasen oder Gasgemischen, insbesondere von Spurengasen, mittels Infrarotspektroskopie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse von Gasen und Gasgemischen, insbesondere von Spurengasen, mittels Infrarotspektroskopie, bestehend aus einer Infrarotlichtquelle, einer Detektoreinheit für das beeinflußte Infrarotlicht sowie einer im Strahlengang des Infrarot­ lichtes zwischen der Infrarotlichtquelle und der Detektoreinheit angeordneten, mit einer das Infrarotlicht reflektieren­ den, glatten kugelförmigen Innenfläche versehenen Probenkammer. Eine derartige Vorrichtung ist aus DE 40 37 495 A1 bekannt.

Bei der Durchführung chemisch-analytischer Messungen mit Hilfe der Fourier-Transformations-Infrarot-Spektro­ skopie (FTIR) an Gasen oder Gasgemischen, in denen Substanzen mit Anteilen im ppm- oder ppb-Bereich analysiert werden sollen, tritt häufig das Problem auf, daß die vorhandenen Substanzmengen nicht groß genug sind, um durch Wechselwirkung mit dem eingestrahlten Infrarotlicht Signale zu erzeugen, die oberhalb der Ansprechschwelle der nachgeschalteten Detektoreinheit liegen. In diesen Fällen wird die Nachweisempfindlich­ keit der verwendeten Analysatoren dadurch erhöht, daß die Weglänge, die das Infrarotlicht in dem zu analysie­ renden Gas oder Gasgemisch zurückzulegen hat, ver­ größert wird. Dies geschieht entweder durch die Verwen­ dung sogenannter Langweg-Gasküvetten, bei denen in der Probenkammer angeordnete Spiegel den Lichtweg durch Mehrfachreflexion vervielfachen und die beispielsweise in der DE 40 02 436 A1 beschrieben sind, oder aber, wie bei der Vorrichtung der eingangs genannten Art, durch die Verwendung einer von der sogenannten ULBRICHTschen Kugel abgeleiteten kugelförmigen Gasmeßküvette mit infrarotreflektierenden Innenbeschichtung.

Die Vorteile einer solchen, aus der eingangs genannten DE 40 37 495 A1 bekannten Vorrichtung liegen dabei in erster Linie in der großen Weglänge, die das Infrarotlicht in dem zu analysierenden Gasgemisch zurückzulegen hat. Während bei herkömmlichen heizbaren Langweg-Gasküvetten diese Weglänge in der Regel zwischen 0,1 und 7,2 Metern beträgt, legt das Licht im Inneren einer kugelförmigen Probenkammer Wegstrecken zurück, die bis zu einer hohen Anzahl von Kugeldurchmessern reichen. Zugleich bietet diese Vorrichtung den Vorteil, daß sich auf einfache Weise eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung in der Probenkammer erzielen läßt.

Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung liegt jedoch in ihrem komplizierten Aufbau, insbesondere darin, daß zur Einstellung unterschiedlicher Meßstrecken für den ein­ fallenden Infrarotstrahl die Infrarotlichtquelle und die Detektoreinheit relativ zueinander bewegbar angeordnet sind, wobei der Lichtquelle und dem Detektor in räum­ lich voneinander getrennten Bereichen der Probenkammer jeweils ein separates Ein- bzw. Austrittsfenster in der Probenkammer zugeordnet sind. Dadurch ist eine ver­ gleichsweise komplizierte Halterung für das Proben­ kammergehäuse erforderlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der ein­ gangs genannten Art so auszubilden, daß sie einen möglichst einfachen und kompakten Aufbau aufweist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan­ spruchs 1. Dadurch, daß die Ein- und Auskopplung des Infrarotlichtstrahles bei der erfindungsgemäßen Vor­ richtung über eine einzige Fensteröffnung in der Probenkarner erfolgt, vor der ein Winkelspiegel ange­ ordnet ist, wird eine feste räumliche Zuordnung von Infrarotlichtquelle, Probenkammer und Detektoreinheit er­ reicht, durch die sich eine vom Einfallswinkel des divergenten Infrarotlichtstrahles unabhängige mittlere Weglänge einstellt. Eine Variation dieser mittleren Weglänge und damit der Empfindlichkeit der Meßanordnung läßt sich auf einfache Weise erreichen, indem die Intensität des einfallenden Lichtes und damit die Anzahl der Reflexionen, die einen nennenswerten Beitrag zur Gesamtintensität des in die Detektoreinheit gestreuten Lichtes liefern, verändert wird.

Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die der Infrarotlichtquelle zugewandte Fläche des Winkel­ spiegels so angeordnet ist, daß die von ihr ausgehenden Strahlen unter einem von der Normalen verschiedenen Auftreffwinkel auf die Kugeloberfläche fallen, wird sichergestellt, daß durch die damit verbundene Mehrfachreflexion an der Kugelinnenfläche die zur Erzielung der angestrebten hohen Nachweisempfindlich­ keit erforderliche Verlängerung des Strahlenganges im Inneren der Kugel erreicht wird.

Zwar ist auch bereits aus der US-PS 3 319 071 für den gleichen Zweck eine Vorrichtung mit einer kugelförmigen Probenkammer bekannt, bei der eine gezielte Mehrfach­ reflexion durch einen schrägen Strahlungseinfall er­ zeugt wird, jedoch erfolgt bei dieser bekannten Vor­ richtung die Ein- und Auskopplung der Strahlung an ver­ schiedenen Stellen der Kugel und ohne die Verwendung eines Winkelspiegels oder Prismas. Zudem ist die Innen­ fläche der Kugel bei dieser bekannten Anordnung nicht glatt, sondern mit einer Vielzahl von Vertiefungen ver­ sehen.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Anordnung einer Festkörperschleuse an der Probenkammer vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, Feststoffe in die Probenkammer einzubringen und auf diese Weise auch solche gasförmigen Produkte zu analysieren, die bei der Reaktion eines Gases oder Gasgemisches mit Feststoffen oder an Katalysatoroberflächen entstehen. Dabei stellt es eine besonders vorteilhafte Maßnahme dar, daß der Probenträger für diese Feststoffe heiz- und/oder kühl­ bar ausgebildet ist.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figur zeigt in schematischer Weise ein Infrarot-Spektrometer für die Analyse von Spurengasen in geschnittener Darstellung.

Die wesentlichen Komponenten dieser Anordnung sind eine Infrarotlichtquelle 1, eine Probenkammer 2 eine nach­ geschaltet Detektoreinheit 3 sowie ein Winkelspiegel 4. Da die Infrarotlichtquelle 1, die Detektoreinheit 3 und der Winkelspiegel 4 an sich bekannte Komponenten darstellen, sind sie in der Zeichnung nur schematisch dargestellt, und es soll auf ihren Aufbau hier nicht näher eingegangen werden. Die Probenkammer 2 besteht aus einer Kugel, entweder aus Glas oder aus einem metallischen Werkstoff, die mit zwei im Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels rechtwinklig zuein­ ander angeordneten Stutzen 5 und 6 versehen ist. Sofern die Kugel als Glaskolben ausgebildet ist, weist sie auf ihrer Innenseite eine reflektierende Beschichtung aus Metall auf, die auf chemischem oder galvanischem Weg bzw. durch Aufdampfen aufgebracht wurde. In diesem Fall, in dem die Kugel als Metallkolben ausgebildet ist, ist die Innenfläche poliert, um auf diese Weise das angestrebte Reflexionsvermögen für das eingestrahlte Infrarotlicht zu erzielen.

In beiden Fällen ist die Probenkammer 2 druck- und vakuumfest ausgebildet, was dadurch erreicht wird, daß der Stutzen 6 durch eine für Infrarotlicht durchlässige planparallele Platte 7 verschlossen ist, während am Stutzen 5 sowohl ein beheizbares Gaseinlaßsystem 8 als auch ein Manipulator 9 mit einem Probenträger 10 für Feststoffe angeordnet sind. Der Manipulator 9 ist über einen Flansch 11 am Stutzen 5 angeordnet und mittels einer Linearführung 12 translatorisch bewegbar gehaltert. Der Probenträger 10 erstreckt sich dabei durch ein Ventil 13 hindurch in das Innere der Proben­ kammer 2. Weiterhin ist im Bereich des Manipulators 9 an einem T-förmigen Ansatz 14 eine Vakuumpumpe an­ schließbar. Im Inneren der Probenkammer 2 ist schließ­ lich noch ein Abschirmblech 15 vorgesehen.

Der Manipulator 9 bzw. der Probenträger 10 ist über Anschlüsse 16 und 17 kühl- und heizbar ausgebildet. Außerdem befindet sich die gesamte Probenkammer 2 in einem thermisch isolierten Gehäuse 18, das über eine Heizvorrichtung 19 aufheizbar ist, wobei die Temperatur über ein Thermoelement 20, das mit einem Regler 21 für die Heizvorrichtung 19 zusammenwirkt, kontrolliert werden kann und wobei zusätzlich ein Ventilator 22 für eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung sorgt.

Nachdem die Probenkammer 2 zunächst evakuiert wird, wird sie anschließend über das Gaseinlaßsystem 8 mit dem zu analysierenden Gas bzw. Gasgemisch gefüllt und auf die vorgesehene Meßtemperatur gebracht. Das von der Infrarotlichtquelle 1 ausgesandte Infrarotlicht, dessen Strahlengang durch Pfeile markiert ist, fällt über den Winkelspiegel 4 in die Probenkammer 2, wo es diffus gestreut und an der Innenwand der Probenkammer vielfach reflektiert wird. Dabei kommt es zu einer intensiven Wechselwirkung mit dem zu analysierenden Spurengas, wodurch die Infrarotstrahlung auf bekannte, für das jeweilige Gas charakteristische Weise verändert wird. Anschließend wird die Infrarotstrahlung, die durch die Platte 7 hindurch auf den Winkelspiegel 4 fällt, der Detektor­ einheit 3 zugeführt und dort mittels Fourier-Trans­ formation aus dem Zeit- in den Frequenzraum auf bekannte Weise analysiert. Alternativ zur Fourier- Transformations-Spektroskopie kann auch das Detek­ tions-Verfahren mit anderen IR-Detektoren (Sitter- Spektrometer oder Interferenz-Bandfilter) eingesetzt werden.

Für einen speziellen Anwendungsfall zum Nachweis der flüchtigen Reaktionsprodukte SiO₂ mit Hydrazin in Flüssig-Fest-Reaktion mit nachfolgender Verdampfung der Produkte ist vorgesehen, daß durch das Einbringen eines entsprechenden Feststoffes auf den Probenträger 10 sich mit der vorstehend beschriebenen Anordnung auch solche Spurengase analysieren lassen, die nach einer Kondensations-Reaktion am Festkörper ausschließlich in der Gasphase stabil sind. Auf diese Weise können Silizium-Verbindungen in Hydrazin nachgewiesen werden, die infolge der chemischen Aggressivität dieser als Raketentreibstoff verwendeten Substanz aus den in Tankbehältern eingesetzten Membranen herausgelöst werden und die insofern als Kontamination im Hydrazin unerwünscht sind, als sie zu Ablagerungen an den Einspritzdüsen führen können, mit denen das Hydrazin zwecks katalytischer Zersetzung in einen Prozeßraum eingespritzt wird.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Analyse von Gasen und Gasgemischen, insbesondere von Spurengasen, mittels Infrarot­ spektroskopie, bestehend aus einer Infrarotlicht­ quelle, einer Detektoreinheit für das beeinflußte Infrarotlicht sowie einer im Strahlengang des Infrarotlichtes zwischen der Infrarotlichtquelle und der Detektoreinheit angeordneten, mit einer das Infrarotlicht reflektierenden, glatten kugel­ förmigen Innenfläche versehenen Probenkammer, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Winkelspiegel (4) vorgesehen ist, der außerhalb der Probenkammer (2) vor einem durch eine planparallele, für das Infra­ rotlicht durchlässige Platte (7) verschlossenen und an der Probenkammer (2) angebrachten Stutzen (6) angeordnet ist, durch den das von der Infrarotlichtquelle (1) kommende Infrarotlicht in die Probenkammer (2) ein­ koppelbar und nach Durchlaufen der Probenkammer (2) aus dieser zur Detektoreinheit (3) auskoppelbar ist und daß die der Infrarotlichtquelle (1) zugewandte Fläche des Winkelspiegels (4) so angeordnet ist, daß die von ihr reflektierte Infrarotstrahlung unter einem von der Normalen verschiedenen Auf­ treffwinkel auf die Kugelinnenfläche fällt, wo­ durch eine Mehrfachreflexion der Infrarotstrahlung zur Verlängerung des Weges der Infrarotstrahlung in der Probenkammer (2) erzeugbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß an einem weiteren, zum erstgenannten Stutzen (6) etwa rechtwinklig angeordneten Stutzen (5) der Probenkammer (2) ein Manipulator (9) mit einem Probenträger (10) für Feststoffe trans­ latorisch bewegbar gehaltert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Probenträger (10) durch ein im weiteren Stutzen (5) angeordnetes Ventil (13) hindurch in das Innere der Probenkammer (2) beweg­ bar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Manipulator (9) und der Probenträger (10) mit Einrichtungen zum Kühlen und Aufheizen versehen sind.