DE4320607A1 - Anordnung zur Spurengasanalyse - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Spuren­ gasanalyse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der US-PS 4 013 913 ist ein Spurengasanalysator be­ kannt, der eine Strahlungsquelle für eine monochromatische Ultraviolett-Strahlung hat. Die Strahlungsquelle hat ein Austrittsfenster zu einer Photoionisationskammer, die koaxial zur Strahlungsquelle angeordnet ist und eine ring­ förmige Katode sowie eine zu dieser koaxial angeordnete Anode hat. Die Anodenspannung beträgt 180-300 V. Während die Anode im Maximum der Energiestrahlung der Strahlungs­ quelle liegt, ist die Katode gegen die Strahlung der Strah­ lungsquelle abgeschirmt.

Das Gas wird entweder seitlich oder koaxial durch die hohle Anode in die Photoionisationskammer eingeleitet. Der Raum zwischen der Anode und der Katode wird von dem Gas im wesentlichen entgegen der Strahlungsrichtung der UV-Strah­ lungsquelle durchströmt und im Bereich des Austrittsfen­ sters der UV-Strahlungsquelle durch die UV-Strahlung ioni­ siert.

Die durch die Katoden als Sammelelektroden eingefangenen ionisierten Teilchen sind ein Maß für die in dem Gas enthal­ tenen ionisierbaren Teilchen. Damit läßt sich z. B. feststel­ len, ob in einem Gas ein Schadstoff enthalten ist oder nicht, ohne allerdings eine qualitative Analyse durchführen zu können.

Die Empfindlichkeit einer solchen Anordnung hängt u. a. davon ab, wie groß die Zahl der Teilchen ist, die die Katode erreichen. Bei der beschriebenen Vorrichtung muß das Gas für den Fall, daß es seitlich in die Photoionisations­ kammer eintritt, zunächst in den Ringraum zwischen Anode und Katode geleitet werden, um ionisiert zu werden, da die ionisierende Wirkung der UV-Strahlung nur in einem kleinen Abstand vom Austrittsfenster der Strahlungsquelle eintritt. Die Strömungsverhältnisse für das Gas sind aber in der bekannten Photoionisationskammer schwer definierbar und dürften auch durch eine Verwirbelung gekennzeichnet sein, die auch noch von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt. Infolge der schwer definierbaren Strömungsverhältnisse ist auch die in den Bereich der ionisierenden Strahlung gelan­ gende Gasmenge nur in gewissen Grenzen bestimmbar und damit ist auch die ionisierte Gasmenge und somit die Meßgenauig­ keit nur in gewissen Grenzen definierbar.

Zusätzlich besteht bei der bekannten Elektrodenanordnung die Gefahr, daß nur ein Teil der ionisierten Teilchen die Katode überhaupt erreicht. Ursache hierfür ist die sehr kleine Ausdehnung der Katode in der Hauptströmungsrichtung des Gases, so daß mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit immer weniger ionisierte Teilchen die Katode erreichen. Die Meßempfindlichkeit dürfte bei dieser Anordnung also von der Strömungsgeschwindigkeit abhängig sein.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei der Gasanalyse mit Hilfe der Photoionisation die Meßgenauigkeit und die -empfindlichkeit zu verbessern.

Erfindungsgemäß wird das durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist eine langgestreckte Anode angeordnet, der eine langgestreckte Katode so zugeord­ net ist, daß zwischen beiden die Ionisationskammer als Strömungskanal ausgebildet ist und daß der Strömungskanal vertikal zu seiner Ausdehnung zwischen der Anode und der Katode beidseitig der Anode und Katode abgedeckt ist. Bei dieser Anordnung besteht der Vorteil, daß sich das Gas zwischen Anode und Katode in einem definierten Strömungska­ nal befindet, in den es an einem Ende ein- und am anderen Ende ausströmt. Während der Weg des Gases zwischen Anode und Katode bei der bekannten Anordnung nur wenige Millime­ ter beträgt, ist der Weg bei der erfindungsgemäßen Anord­ nung ein mehrfaches länger. Auf diesem längeren Weg des Gases ist ausreichend Zeit vorhanden, daß die ionisierten Teilchen auch bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkei­ ten an die Katode gelangen. Die wirksame Katodenfläche wird also gegenüber der bekannten Anordnung wesentlich vergrö­ ßert. Damit ist die Meßempfindlichkeit bei dieser Anordnung wesentlich weniger von der Gasgeschwindigkeit abhängig als bei der bekannten Anordnung.

Bei der bekannten Anordnung ist eine Vergrößerung des Meßsignals kaum möglich, weil sich bei Vergrößerung der Ionisationskammer zur Erhöhung der Anzahl der Ladungsträger auch der Abstand zwischen Anode und Katode vergrößert, wodurch die Feldstärke verringert wird. Somit gelangen kaum mehr Ladungsträger an die Katode. Dieser Widerspruch ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung gelöst, da sich bei der von der Anode und Katode begrenzten Ionisationskammer, ins­ besondere bei der langgestreckten Anordnung, der Elektro­ denabstand nicht ändern muß, wenn die bestrahlte Fläche und damit die Anzahl der Ladungsträger vergrößert werden soll. Infolge des klein bleibenden Elektrodenabstandes gelangt die größere Zahl von Ladungsträgern an die Katode, so daß das Meßsignal vergrößert wird.

Weiterhin besteht der Vorteil, daß in dem Strömungskanal eine laminare Strömung einstellbar ist und die Strömungsver­ hältnisse somit genau definiert sind, so daß auch die Meß­ genauigkeit erhöht wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Anode und die Katode und damit der zwischen diesen gebildete Strö­ mungskanal quer zur Strahlungsrichtung der UV-Strahlungs­ quelle. Bei dieser Anordnung strömt das zu ionisierende Gas im Bereich der Anode und Katode nicht mehr in Strahlungs­ richtung bzw. entgegen der Strahlungsrichtung sondern quer zur Strahlungsrichtung. Dadurch wird erreicht, daß das Gas während der gesamten Zeit, in der es sich im Strömungskanal befindet, von ionisierender Strahlung getroffen wird, wobei die Intensität der Strahlung über diesen Weg lediglich von der Strahlungscharakteristik der Strahlungsquelle abhängt.

Zur Erzielung einer möglichst großen Strahlungsintensität ist es zweckmäßig, Anode und Katode in unmittelbarer Nähe des Austrittsfensters der Strahlungsquelle anzuordnen.

Es ist zweckmäßig, daß Anode und Katode parallel zueinander liegen, so daß ein Strömungskanal konstanter Breite gebil­ det wird. Dabei kann der Verlauf von Anode und Katode sowohl gradlinig als auch kurvenförmig sein.

Es kann zweckmäßig sein, Anoden und Katoden in wechselnder Folge nebeneinander anzuordnen, wodurch die Anzahl der Strömungskanäle erhöht wird und in der Zeiteinheit eine größere Menge Gas ionisiert werden kann. Dadurch kann das Meßsignal weiter vergrößert werden und es entfällt weitge­ hend die Notwendigkeit, den Strahlengang der Lampe zu justieren.

Eine besondere Ausführungsform sieht vor, daß die Katode zweigeteilt ist und daß die Teile beidseitig der Anode in einer Ebene angeordnet sind. Bei dieser Anordnung werden zwei Strömungskanäle gebildet, wodurch auch schon eine größere Menge Gas ionisiert und das Meßsignal zusätzlich vergrößert wird.

Eine Realisierungsvariante der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß die Strömungskanäle zwischen Anode und Katode Durchbrüche in einer Platte aus Isoliermaterial sind, daß die Anode und Katode Teile einer leitenden Schicht auf der Platte sind, daß diese Platte auf jeder Seite von je einer weiteren Platte abgedeckt ist, in denen elektrische Anschlüsse und die Gas-Zu- und -Ableitung vorge­ sehen sind, und daß in der Abdeckplatte, die an das Aus­ trittsfenster der Strahlungsquelle angrenzt, Öffnungen für den Strahlungseintritt in die Strömungskanäle vorgesehen sind.

Dabei ist es zweckmäßig, daß die Öffnungen für den Strah­ lungseintritt Schlitze sind, deren Breite und Länge denen der Strömungskanäle entspricht, und die fluchtend zu diesen angeordnet sind. So wird erreicht, daß weder Anode noch Katode sondern nur das Gas in den Strömungskanälen von der ionisierenden Strahlung getroffen wird. Dadurch wird das Heraus lösen von Elektronen aus dem Katodenmaterial und damit störendes Rauschen vermindert.

Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen erläutert werden.

Es zeigen

Fig. 1 die Anordnung von Anode und Katode und der Ionisationskammer,

Fig. 2 eine Anordnung zur Spurenanalyse,

Fig. 3 das Blockschaltbild eines Gerätes zur Spurenana­ lyse mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht in der dargestellten Ausführungsform aus drei Platten 1, 2 und 3 aus Isolier­ stoff, die nur halb dargestellt sind, wobei die andere Hälfte symmetrisch zu der dargestellten Hälfte ist. Diese haben eine Stärke von weniger als einem Millimeter. Die mittelste Platte 2 hat ein Anodenteil 4.2 und eine zweige­ teilte Katode 5.2, 6.2. Zwischen Anode und Katode sind Strö­ mungskanäle 7.2 und 8.2 angeordnet, die die Ionisationskam­ mer bilden.

In der zugeordneten Platte 3 ist ein Anodenteil 4.3 vorgese­ hen, daß mit dem Anodenteil 4.2 leitend verbunden ist. Weiterhin sind Schlitze 9.3 und 10.3 für den Eintritt des Lichtes in die Strömungskanäle 7.2 und 8.2 vorgesehen. Diese fluchten miteinander, so daß UV-Licht weitgehend nur auf die Strömungskanäle fällt.

Die mittlere Platte 2 wird von der anderen Seite von einer Platte 1 abgedeckt, in der sich die Strömungskanäle 7.2 und 8.2 in Abschnitten 7.1 und 8.1 fortsetzen. Diese Platte hat ebenfalls ein Anodenteil 4.1, das mit den anderen Anodentei­ len leitend verbunden ist und mit diesen somit eine Einheit bildet.

Die Anode und die zweiteilige Katode wird durch eine leitende Schicht 14 auf den isolierenden Platten und in den Durchbrüchen gebildet, die z. B. aus Gold bestehen kann. Zur Kontaktierung mit einer nicht dargestellten Zuleitung sind Anode und Katode mit Kontaktflächen 11 bzw. 12, 13 leitend verbunden.

In der Fig. 2 ist die Anordnung zur Spurengasanalyse mit den erfindungsgemäßen Platten 1 bis 3 im Schnitt dargestellt. Die Anordnung besteht aus einem Grundkörper 15 und einem Oberteil 16, zwischen denen die Platten 1 bis 3 mit Hilfe einer Überwurfmutter 17 und unter Zwischenlage einer Scheibe 18 und von Dichtringen 19 und 20 eingespannt sind. Das zu analysierende Gas wird über ein Saugrohr 21, einen Raum 22, in den ein Filter eingebaut werden kann, und einen Schlitz 23 in der Scheibe 18 den Platten 1 bis 3 zugeführt. Hierzu weist die Platte 1 eine Öffnung 24 auf, die über einer in der Platte 2 vorhandenen Verteilerkammer 25 (Fig. 1) liegt. Durch die Strömungskanäle 7.2, 8.2 wird das Gas quer zur Strahlungsrichtung einer UV-Lampe 26 an dieser vorbeigeleitet und über eine Öffnung 27 in der Platte 3 und über einen Kanal 28 abgeführt.

Anode und Katode sind über Federkontakte 29, die in Isolier­ hülsen 30 angeordnet sind, mit den notwendigen elektrischen Anschlüssen verbunden.

Das Saugrohr 21 ist im Oberteil 16 mittels einer Mutter 31 unter Zwischenlage eines Dichtringes 32 befestigt. Die Anordnung zur kann mittels eines Schraubringes in einem Gerätegehäuse befestigt werden.

Im Blockschaltbild der Fig. 3 ist der prinzipielle Meßauf­ bau dargestellt. Wie in der Fig. 2 bereits angedeutet, ist eine UV-Lampe 26 gegenüber den Platten 1, 2 und 3 mit den darin angeordneten, in der Fig. 3 nicht dargestellten, Strömungskanälen positioniert. Der UV-Lampe ist eine Hoch­ spannungs-Versorgungseinheit 33 zugeordnet. Die in der Fig. 3 nicht dargestellte Anode ist mit einer Spannungsquelle 34 verbunden. Der an der Katode als Sammelelektrode durch die eingefangenen ionisierten Teilchen erzeugte Strom wird über einen Verstärker 35 einer Anzeige 36 zugeführt und ist ein Maß für die Menge eines in dem analysierten Gas enthaltenen Schadstoffes.

Claims (10)

1. Anordnung zur Spurengasanalyse mit einer Strahlungsquel­ le für UV-Licht und mit einer Ionisationskammer und dieser zugeordneten Anode und Katode, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisationskammer innerhalb eines durch mindestens eine Anode (4.1; 4.2; 4.3) und mindestens eine Katode (5.2; 6.2) begrenzten Raumes liegt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine langgestreckte Anode (4.1; 4.2; 4.3) angeordnet ist, der eine langgestreckte Katode (5.2; 6.2) so zugeordnet ist, daß zwischen beiden die Ionisationskammer als Strö­ mungskanal (7.2; 8.2) ausgebildet ist und daß der Strömungs­ kanal (7.2; 8.2) vertikal zu seiner Ausdehnung zwischen der Anode und der Katode beidseitig der Anode und Katode abge­ deckt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode und die Katode und damit der zwischen diesen gebildete Strömungskanal (7.2; 8.2) quer zur Strahlungsrich­ tung der UV-Strahlungsquelle (26) liegen.

4. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Anode und Katode in unmittelba­ rer Nähe des Austrittsfensters der Strahlungsquelle (26) angeordnet sind.

5. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Anode (4.1; 4.2; 4.3) und Katode (5.2; 6.2) parallel zueinander liegen.

6. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf von Anode und Katode gradlinig oder kurvenförmig ist.

7. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Anoden und Katoden in wechseln­ der Folge angeordnet sind.

8. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Katode (5.2, 6.2) zweige­ teilt ist und daß die Teile beidseitig der Anode (4.2, 4.3) in einer Ebene angeordnet sind.

9. Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (7.2; 8.2) zwischen Anode (4.2) und Katode (5.2; 6.2) Durchbrüche in einer Platte (2) aus Isoliermaterial sind, daß die Anode (4.2) und Katode (5.2; 6.2) Teile einer leitenden Schicht (14) auf der Platte (2) sind, daß diese Platte (2) auf jeder Seite von je einer weiteren Platte (1; 3) abgedeckt ist, in denen elektrische Anschlüsse und die Gas-Zu- und -Ableitung vorgesehen sind, und daß in der Abdeckplatte (3), die an das Austrittsfenster der Strahlungsquelle (26) angrenzt, Öffnungen für den Strahlungseintritt in die Strömungskanäle (7.2; 8.2) vorgesehen sind.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen für den Strahlungseintritt Schlitze (9.3; 10.3) sind, deren Breite und Länge denen der Strömungskanä­ le (7.2; 8.2) entspricht, und die fluchtend zu diesen angeordnet sind.