WO1992017755A1 - Instrument for measuring the absolute temperature of solids, liq uids or gases - Google Patents

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WO1992017755A1
WO1992017755A1 PCT/DE1992/000258 DE9200258W WO9217755A1 WO 1992017755 A1 WO1992017755 A1 WO 1992017755A1 DE 9200258 W DE9200258 W DE 9200258W WO 9217755 A1 WO9217755 A1 WO 9217755A1
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mass
speed
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Jochen Laakmann
Georg J. Schmitz
Klaus Hoffmann
Ulf Trociewitz
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Access E.V.
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/44Energy spectrometers, e.g. alpha-, beta-spectrometers
    • H01J49/443Dynamic spectrometers
    • H01J49/446Time-of-flight spectrometers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/40Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using ionisation of gases

Definitions

  • the invention relates to a device according to the preamble of patent claim 1.
  • thermometer there are several temperature measuring devices that take advantage of the physical properties of most substances to change their expansion with temperature. These devices include the gas pressure thermometer, the steam pressure thermometer, the liquid thermometer and the bimetal thermometer. Other temperature measuring devices are based on the physical effect that some substances generate electricity depending on the temperature, e.g. B. the thermocouples, or change their electrical resistance, for. B. the resistance thermometer. In another group of temperature measuring devices, the changes in physico-chemical states depending on the temperature play a role, e.g. B. with thermal chalks or liquid crystals.
  • thermodynamic temperature scale is characterized by the fact that it starts from the Camot cycle process of a heat machine, the efficiency of which is independent of the working medium, and is ultimately only a function of two temperatures.
  • a direct determination of the absolute temperature of any substance is difficult to achieve using the known scale.
  • equations (I) and (II) only show the relationship between two state variables p. V or v. Show T
  • 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 also involve a great deal of effort with many substances and would hardly be feasible, in particular with solids.
  • This equation still contains the variable p, which is difficult to determine, particularly at very low pressures, so that determination of the absolute temperature T using equation IV is hardly practical.
  • a further possibility for determining the absolute temperature would be to calculate the mean kinetic energy of a particle ensemble taking into account the uniform distribution law, according to which each degree of freedom that enters the energy of a system then contributes 1/2 kT on average,
  • m is the mass of a particle of the particle ensemble and v m j t is the mean velocity.
  • m and v mjt must therefore be known. If the substance to be measured is also known, m is also known and the problem is reduced to the determination of v mj t. However, the average speed cannot be measured directly, since 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.
  • the absolute temperature can be calculated from the formula
  • the determination of the most probable speed by measurement technology is relatively simple if the speed distribution is recorded as such by measurement technology, ie. H. if this distribution z. B. can be represented as a curve on an oscilloscope.
  • the absolute temperature can always be determined if either the maximum speed or the mean speed or the mean square speed and the mass are known. If the speed distribution function is known, these values can be taken from the curve.
  • the actual problem of determining the absolute temperature therefore consists in measuring both a type of speed (v- j - ⁇ , v mjt or v q ) or the speed distribution as well as the mass.
  • the measurement of the speed distribution is of particular importance because it is still necessary if the masses of the substance to be measured are already known and therefore no longer have to be measured. If the masses are not known, mass spectrometers can be used to determine them.
  • the most probable speed can be determined most easily and quickly from a measured speed distribution function. On the one hand, it is directly visible as the maximum of the distribution curve and, on the other hand, it can be determined mathematically by differentiation.
  • a rotating drum which has an attachment surface for silver atoms on its inside (Frederick Reif; Berkeley Physics Course, Volume 5, Statistical Physics, 2nd edition. 1981, p. 149).
  • silver is heated in a melting furnace until it is gaseous. It is then passed through collimator gaps through the opening of a rotating hollow cylinder onto said attachment surface. If the silver atoms are driven through the opening of the hollow cylinder, all that matters is their speed. what time it takes to reach the opposite side of the cylinder drum. They reach faster atoms earlier than slow ones.
  • a further device for determining the speed distribution has been proposed by Miller and Kusch (Gerd Wedler. Textbook of Physical Chemistry, 2nd ed., 1985, p. 680).
  • 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 narrowly limited range can pass the groove and hit the detector. The speed distribution can thus 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's velocity distribution. In addition, it is not possible to determine the temperature precisely in the case of mixtures containing several types of atom.
  • the quadrupole mass spectrometer is particularly suitable for the determination of masses.
  • a quadrupole mass spectrometer or mass filter ideally consists of four hyperbolic cylindrical surfaces, which in practice, however, are mostly replaced by circular cylindrical tubes or rods. There is a direct voltage and an alternating voltage superimposed on each of these two rods (Wutz et al., P. 436, cf. also US Pat. No. 3,147,445). If a particle with a certain charge and a certain mass enters this four-pole field, which - coming from an ion source - has been accelerated by the voltage, this field leads to a complicated oscillation about an axis parallel to the tubes or rods.
  • the amplitude of this oscillation and thus the distance of the particle path from this axis is either limited or it grows over all limits, so that the particles hit the rods acting as electrodes and separate from the ion bundle. Of the particles that run on stable orbits, all those pass through the "filter" when the amplitude is less than a certain value. There are thus stable ion trajectories in which the ions execute vibrations around the axis of symmetry of the four rods, the amplitude of which does not exceed a maximum value, and there are unstable ion trajectories in which the oscillation amplitude of the ions increases so that the ions on the Hit rods and be unloaded.
  • a mass spectrometer which has an ion chamber and a device for interrupted and successive acceleration or braking of ions (US Pat. No. 2,642,535). Since the acceleration of the ions depends on their masses, their masses can be determined in this way.
  • a gas to be analyzed with regard to its composition enters an evacuated room, where it is ionized. Siert and accelerated by means of an electric field through an electrode in the direction of a target. A fixed, kinetic energy is supplied to the gas particles via the acceleration voltage. Due to the different mass numbers of the gas to be analyzed, the various types of atoms receive different final velocities at this fixed energy, so that the masses are determined by determining velocities. A necessary prerequisite for this is that the speed or energy distribution existing due to the temperature is negligible. It is therefore not possible to determine the absolute temperature via the speed distribution.
  • the object of the invention is therefore to create a device with which it is possible to determine the absolute temperature of a substance with the aid of the detection of properties of the particles emanating from this substance.
  • the advantage achieved by the invention is, in particular, that the absolute temperature can be deduced from the mere consideration of masses and the speeds of particle ensembles.
  • the masses themselves are measured 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 which is in a hotter environment can also be determined without contact. With the invention it is also possible to determine the temperature of solid bodies in a vacuum without contact if at least one of the elements from which this solid body has a sufficient vapor pressure, which is the case with most metals in wide temperature ranges.
  • the temperatures of real gases e.g. B.
  • H2, N2, 02 also determine contactlessly at pressures of ⁇ 10 "1 Pa, since the energy is distributed according to the equal distribution theorem with 1/2 k T each to each degree of freedom and thus the determination of the kinetic 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.
  • QMS quadrupole mass spectrometer
  • FIG. 1 shows a graph of the velocity distribution of atoms / molecules according to Maxwell
  • FIG. 5 shows a first arrangement for the measurement of the mass and the velocity of gaseous molecules, in which a quadrupole mass spectrograph is used together with an electrostatic deflection of charged particles;
  • 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 shows a second arrangement for measuring the mass and the velocity of a gaseous substance, in which the flight time of molecules is determined and a quadrupole mass spectrograph is used;
  • the distribution of the molecular energies is independent of the molecular mass.
  • the abscissa of FIG. 2 shows the energy in electron volts, while the ordinate indicates the number of molecules with a certain energy.
  • E 1/2 mv 2
  • dE mvdv.
  • Equation VII above which fulfills curves 101, 102 in FIG. 1, describes the speed distribution of particles which have three degrees of freedom of translation.
  • the velocity distribution according to equation VH therefore indicates the probability that v has any direction in space and v + dv.
  • FIG. 3 again shows a curve representation which essentially corresponds to the curve representation according to FIG. 1.
  • Curve 110 shows the speed distribution of Oxygen molecules at 73 K
  • curve 111 represents the speed distribution of 10 "oxygen molecules at 273 K.
  • v ma ⁇ the most likely speed is with the maximum distribution, with v the mean speed and with n v ) _r_it ⁇ em itt ⁇ ere square velocity is characterized be ⁇ of a molecule.
  • the number of molecules within a specific speed range for. example, between 300 and 600 m / s, is represented by the area within the corresponding Aus ⁇ section of the respective curve. Total the total number of molecules corresponds to 10 ⁇ under curve 110 or 111. This area is the same at every temperature, since the curves refer to the same number of particles.
  • This arrangement 1 has a vacuum chamber 2, in which there is a container 3 with a gaseous, liquid or solid substance 4.
  • Such pressure ranges are, for example, during vacuum melting At these pressures, metal vapors form a monoatomic ideal gas.
  • the substance 4 has a certain temperature and therefore emits particles with a certain speed distribution, which is indicated by an arrow 5.
  • the absolute temperature of the substance 4 can also be determined if its temperature differs from the temperature of the environment, for example of the container 3.
  • the substance 4 can have a temperature of 1000 ° C. while the container 3 has a temperature of 1200 ° C.
  • the container 3 is made of a different material than the material 4, so that the mass can be used as a distinguishing criterion ann.
  • the basic principle of arrangement 1 is that a particle ensemble of substance 4 is ionized and then separated into its velocities and masses. A particle bundle or ensemble of the particles escaping from the substance 4 is masked out by the diaphragm 6 and then moves along the straight line 7 in the direction of the speed v.
  • 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 quadmolar mass spectrometers. It is even possible to remove the ionization device present in the arrangement 1 in the quadrupole mass spectrometer and to arrange it behind the diaphragm 6.
  • the neutral particles from the container 3 are ionized by means of an impact by the electrons of the ionization device 33, whereby it should be noted that the velocity component of the ionized particles in the direction of the line 7 is not changed by incident electrons, because the velocity vector of these impacting electrons decreases ⁇ runs right 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.
  • 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.
  • the ion beam emerging from the ionizing 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 its plate 12, 58 there is a DC voltage, the amount of which is correlated with the voltage applied to the electrodes 9, 10. However, the polarities of the two voltages are opposite.
  • the ionized particle beam After the ionized particle beam has returned to the original direction of velocity, it passes through two deflection plates 13, 14 which, viewed in the plane of the drawing, cross each other opposite. In comparison to the plates 9, 10 and the plates 12, 58 of the capacitor, the deflection plates 13, 14 are offset by 90 degrees.
  • the voltage at the deflection plates 13, 14 is fed from a function generator 15. It increases z. B. linear or is a sawtooth voltage.
  • the number of particles reaching the quadmolar mass spectrometer 17 can be very small, so that it is advisable to provide a secondary electron multiplier 18 as a reinforcing element for the detection of these particles between the quadrupole mass spectrometer 17 and the oscillograph 19.
  • the mass spectrometer 17 In the case of a substance which is composed of different types of atoms, slow and heavy as well as fast and light particles hit the mass spectrometer 17 at the same time with a thermal energy distribution. To measure the speed of only one type of particle, e.g. B. only a heavy or only a light type of tissue, in the mass spectrometer 17 the corresponding particle type is filtered. The mass spectrometer 17 is thus used as a mass filter in order to record the time course of the intensity of this one type of particle at a predetermined voltage on the mass spectrometer.
  • the mass spectrometer 17 is thus used as a mass filter in order to record the time course of the intensity of this one type of particle at a predetermined voltage on the mass spectrometer.
  • the ions are through one at the entrance Extraction voltage present in the mass spectrometer 17 is sucked into the mass spectrometer 17, there - if it is a quadmolar mass spectrometer - pass through the rod system and generate the signal of a single mass number, which is preselected by the voltage on the spectrometer. This signal goes to the detection in the Se_a ⁇ nd-Lrelek multiplier 18.
  • Ions that pass through the quadrature mass spectrometer 17 are thus sucked into the spectrometer 17 through an extraction field at the entrance of the spectrometer 17 and detected there according to their mass.
  • the I / U curve represented by the oscillograph 19 indirectly shows the velocity distribution of the charged particles.
  • 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 Maxwell's speed distribution, as represented by an oscilloscope or an oscillograph 21.
  • the speed distribution can be read directly from it.
  • the proportionality factors which connect the curve in the oscillograph 21 and the actual speed curve to one another 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.
  • 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 area of an ionization device 33, which here is caused by the Plates 9, 10 is symbolized.
  • the ionization device 33 ionizes 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 reach the aperture 11, where some of them reach the horizontal deflection 12, 58 through an opening 57 in this aperture 11. There they are deflected towards the negatively charged plate 58.
  • the heavy particles in the particle ensemble 59 are deflected less strongly than the light particles that are in the same ensemble.
  • the deflection of the particle ensemble 59 in the horizontal deflection 12, 58 is as great as the deflection of the particle ensemble in the ionization device 9, 10, so that the original deflection error is compensated for.
  • the particle ensemble 71 which is now in its old path again, is now deflected upward 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 diaphragm and arrives at the quadmole mass spectrometer 17, which has at its entrance a negative grid electrode, not shown, which, as far as it is positively charged, has the particles of the particle ensemble 80 are drawn into the spectrometer 17.
  • Neutral and negative particles 81 fly over the spectrometer 17.
  • the beam 78 consisting of positively charged particles is directed once more and once less with the linearly changing voltage on the plates 13, 14. From a certain voltage, therefore, only the fast particles will pass through the opening 79, while the slow particles will hit the aperture 16.
  • the particle beam 80 can still consist of different atom types with different masses, not only the slow particles are deflected more strongly 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 numbers - which has approximately the curve shape of two or more overlapping Maxwell's velocity distribution curves. This speed distribution can be represented indirectly by a J / U ratio, where U is the voltage on the plates 13. 14 and J is the current formed by the particles of beam 80.
  • arrangement 98 of FIG. 7 shows a further arrangement 98 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.
  • arrangement 98 of FIG. 7 attempts to measure the flight time of charged particles between two defined points. These two points are formed by the electrodes 9, 10 of the ionizing device 33 on the one hand and the center of the quadripolar mass spectrometer 17 on the other hand.
  • gaseous substance 4 the temperature of which is to be measured, have left the container 3, they reach the ionizing device 33, which is provided with a control grid 24 and is pulsing.
  • 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 produced in this way consist of ions of different speeds which reach the mass spectrometer 17 at different times with different intensities.
  • the pulse determines the start and end of the ionization of the particles to be measured.
  • 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 ionizing device 8, 9, 10, arrive at the mass spectrometer 17 at different times after passing through the distance L with a characteristic intensity distribution.
  • a time-of-flight spectrum m thus arises in this way, which can be traced back to a Maxwell distribution function given a known drift distance L.
  • 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 er ⁇ is given by the fact that the ion packet contains an electrical charge which "discharges" in time, because in succession first the fast ions, then the medium and slow ions form the current.
  • This can be clearly seen from the representation of the oscillograph 25, 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-speed 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 of FIG. 7 is the same as in arrangement 1 according to
  • the arrangement according to FIG. 8 shows an arrangement which essentially corresponds to the arrangement according to FIG. 5.
  • the arrangement according to FIG. 8 also has an additional magnetic field B which is perpendicular to the electric field E of the deflection plates 13, 14.
  • Such a combination of a variable electrostatic and magnetic field serves as Speed filter.
  • the ions passing through the fixed B field experience, depending on the size of their velocity a more or less strong distraction due to the Lorentz force.
  • 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 is traversed.
  • the signals are further processed by means of a secondary electron multiplier 18, an oscillograph 29 and a computer 22.
  • 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.
  • it is not designed for a measurement without famous. Rather, it has a tube 30 which is connected to the vacuum chamber 2 and is brought into contact with one end with the substance 40 to be measured. At one end of the tube there is a reference substance 31 which is in thermal contact with the sample 40 via the tube 30. Particles of the comparison substance 31 brought to the temperature of the sample 40 enter the vacuum chamber 2 through a small aperture 41 and the temperature of the comparison substance is determined.
  • the container with the substance to be measured in terms of temperature is located outside the vacuum chamber, only a small connecting path from the substance to the vacuum chamber having to be present.
  • FIG. 10 once again shows in detail the most important elements of FIGS. 5, 7 to 9. For the sake of clarity, however, the EB field combination according to FIG. 7 is not shown.
  • the sample 4 in the container 3 is shown on the right side of a cylindrical housing 35 in which various devices are located.
  • 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.
  • An ionization device 52 with a control grid 53 is fastened to a support frame 38, 39 with two holding devices 50, 51.
  • This deflector plate 61, 62 is followed by a diaphragm 42, which is also connected to the support frame 38, 39 via a holding element 63.
  • 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.
  • 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, only one of the two deflection plates can be seen in FIG. 10, namely the deflection plate 66.
  • These deflection plates which correspond to the plates 13, 14 in FIG. 5, are connected via ceramic elements 47, 48 and holding elements 67, 68 connected to the support frame 38, 39.
  • 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, but here is not shown.
  • 49 denotes a mass spectrometer on which there is an extraction grid 71 with which ions are sucked into the mass spectrometer 49.
  • 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-hand 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 40a is connected upstream of the part 75.
  • the absolute temperature is first determined via a first mass which is located in the substance to be measured. The same determination is then carried out using a second mass. If the two measurement results match, this is an indication that the measurement carried out is correct.

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

EIJNRICHTU G ZUM MESSEN DER ABSOLUTEN TEMPERATUR VON FESTEN, FLÜSSIGEN ODER GASFÖRMIGEN KÖRPERN DEVICE FOR MEASURING THE ABSOLUTE TEMPERATURE OF SOLID, LIQUID, OR GASEOUS BODIES
Beschreibungdescription
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 been proposed for the measurement of temperatures, which are based in part on different principles. For example, there are several temperature measuring devices that take advantage of the physical properties of most substances to change their expansion with temperature. These devices include the gas pressure thermometer, the steam pressure thermometer, the liquid thermometer and the bimetal thermometer. Other temperature measuring devices are based on the physical effect that some substances generate electricity depending on the temperature, e.g. B. the thermocouples, or change their electrical resistance, for. B. the resistance thermometer. In another group of temperature measuring devices, the changes in physico-chemical states depending on the temperature play a role, e.g. B. with thermal chalks or liquid crystals.
Allen diesen Temperaturmeßgeräten ist gemeinsam, daß sie zunächst keine absolute, son- dem 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 Camot' sehen 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 measure an absolute but a relative temperature. In order to make an absolute statement, a reference point and a scale, ie a subdivision, are also required. Such a reference point can be, for example, the ice or boiling point of the water. The international practical temperature scale (IPTS), the thermodynamic temperature scale and the radiation-theoretical temperature scale were proposed as scales. While the practical temperature scale with the help of a gas thermometer with an ideal gas as If tools can be realized, use is made of the radiation from a black body on the radiation-theoretical temperature scale. The thermodynamic temperature scale is characterized by the fact that it starts from the Camot cycle process of a heat machine, the efficiency of which is independent of the working medium, and is ultimately only a function of two temperatures. However, a direct determination of the absolute temperature of any substance is difficult to achieve using the known scale.
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 87/00249 = WO 87/07372). 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 body whose thermal capacity is known when the heat transfer coefficient between the reference body and the body to be measured is known, has already been proposed (PCT / SE 87/00249 = WO 87/07372). The temperature difference between the body to be measured and the reference body is measured and the absolute temperature of the body to be measured is determined using a mathematical equation in which time plays a role. A disadvantage of this method is 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 fmden sich in der kinetischen Gastheorie. Ein ideales Gas ist hiemach dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen wie Punktteilchen der klassischen Mechanik ohne jede Wechselwirkung behan¬ delt werden. Für dieses Gas gilt das bekannte Boyle-Mariott'sche Gesetz p . V = po VQ = const bei T = const (I)Another determination of the absolute temperature would be possible in that an equation in which the absolute temperature appears with different and determinable quantities is resolved according to the absolute temperature. Such equations are found in kinetic gas theory. An ideal gas is characterized in that the particles are treated like point particles of classical mechanics without any interaction. The well-known Boyle-Mariott law p applies to this gas. V = po VQ = const at T = const (I)
d. h. das Produkt Druck (p, pg) x Volumen (V, VQ) 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, pg) x volume (V, VQ) is constant at the same temperature for an ideal gas. If the pressure is kept constant and the temperature is changed, Gay-Lussac's law applies
V = ΪV0 p = const (II)V = ΪV 0 p = const (II)
T0 T 0
d. h. mit steigender Temperatur nimmt auch das Gasvolumen zu. 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¬ chung p . V = n R . T (HI) wobei R die allgemeine Gaskonstante und n die Stoffmenge ist.ie the gas volume increases with increasing temperature. By further transforming these equations (see, for example, BG Wedler, Textbook of Physical Chemistry, 2nd ed., Weinheim 1985, p. 20, or Bergmann-Schäfer. Textbook of Experimental Physics Volume 1, 9th ed., 1974 , P. 585) gives the general gas equation p. V = n R. T (HI) 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 in läßt sich zur Konstanten k zusammenfassen, die als Boltzmann'sche 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 somit p . V = k . T (IV)While equations (I) and (II) only show the relationship between two state variables p. V or v. Show T, 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 also involve a great deal of effort with many substances and would hardly be feasible, in particular with solids. The product n. R in the above equation in can be summarized as a constant k, which as Boltzmann's constant k = 1.38066. 10 -23 JK "is 1 or 8.6178. 10" 5 eV. K "1 is known, in which K = Kelvin, eV = electron volt and J = Joule. Hence p. V = k. T (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 variable p, which is difficult to determine, particularly at very low pressures, so that determination of the absolute temperature T using 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,A further possibility for determining the absolute temperature would be to calculate the mean kinetic energy of a particle ensemble taking into account the uniform distribution law, according to which each degree of freedom that enters the energy of a system then contributes 1/2 kT on average,
Ekin . mit = 3/2 k T = l/2 vmit 2 (V)Ekin. with = 3/2 k T = l / 2 v with 2 (V)
auszuwerten, d. h. nach T aufzulösen, wodurch sichevaluate, d. H. to dissolve after T, whereby
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ergibt Hierin bedeuten m die Masse eines Teilchens des Teilchenensembles und vmjt die mittlere Geschwindigkeit. Um aus der Gleichung VI die absolute Temperatur bestimmen zu kön¬ nen, müssen also m und vmjt bekannt sein. Ist der zu messende Stoff bekannt, ist auch m bekannt und das Problem reduziert sich auf die Bestimmung von vmjt- 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.
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results Here m is the mass of a particle of the particle ensemble and v m j t is the mean velocity. In order to be able to determine the absolute temperature from equation VI, m and v mjt must therefore be known. If the substance to be measured is also known, m is also known and the problem is reduced to the determination of v mj t. However, the average speed cannot be measured directly, since 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, if it is known how the individual speeds of the particles of an ensemble are distributed, the average speed can be determined from this distribution. Such a distribution is given for a thin gas in thermal equilibrium by the Maxwell distribution of the amount of velocity (J. A. Campbell, Allgemeine Chemie, 2nd ed., 1985, p. 253).
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In dieser Gleichung bedeuten: dN/N = Bruchteil der Moleküle mit Geschwindigkeiten zwischen v und v + dv m = Masse v = GeschwindigkeitIn this equation: dN / N = fraction of the molecules with velocities between v and v + dv m = mass v = velocity
T = absolute Temperatur π. k = KonstantenT = absolute temperature π. k = constants
Die wahrscheinlichste, weil das Maximum der Verteilungskurve bildende Geschwindkeit (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). is obtained by differentiating equation (VII) according to (V) and zeroing the first derivative:
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Kann diese wahrscheinlichste Geschwindigkeit meßtechnisch ermittelt werden, so läßt sich hieraus die absolute Temperatur nach der Formel
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If this most probable speed can be determined by measurement, the absolute temperature can be calculated from the formula
T = vm, * - (x,T = v m , * - (x,
bestimmen. Die meßtechnische Ermittlung der wahrscheinlichsten Geschwindigkeit ist re¬ lativ 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 determination of the most probable speed by measurement technology is relatively simple if the speed distribution is recorded as such by measurement technology, ie. H. if this distribution z. B. can be represented as a curve on an oscilloscope.
Die mittlere Geschwindigkeit ergibt sich (vgl. Greiner, Neise, Stöcker, Theoretische Phy¬ sik, Band 9, Thermodynamik und Statistische Mechanik, 1987, S. 180) zuThe mean speed results (cf. Greiner, Neise, Stöcker, Theoretical Physics, Volume 9, Thermodynamics and Statistical Mechanics, 1987, p. 180)
Vmit '= 1 — mm** — ππ (XI) V with ' = 1 - mm ** - ππ (XI)
während sich die mittlere quadratische Geschwindigkeit (vgl. Greiner, Neise, Stöcker, a. a. O., S. 180) zuwhile the mean quadratic speed increases (see Greiner, Neise, Stöcker, loc. cit., p. 180)
_ f3 3kkTT (xπ)_ f3 3kkTT (xπ)
V mq " ~\ K mm ergibt. Die mittlere kinetische Energie eines Moleküls beträgt unter Beachtung von Glei¬ chung (XII)V mq " ~ \ K mm results. The average kinetic energy of a molecule is, taking into account equation (XII)
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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 Kenntais der Geschwmdigkeitsverteilungsfunktion können diese Werte der Kurve entnommen werden.It follows from the above that the absolute temperature can always be determined if either the maximum speed or the mean speed or the mean square speed and the mass are known. If the speed distribution function is known, these values can be taken from the curve.
Die eigentliche Problematik der Bestimmung der absoluten Temperatur besteht somit dar¬ in, sowohl eine Geschwindigkeitsart (v-j--^, vmjt oder vq) 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 therefore consists in measuring both a type of speed (v- j - ^, v mjt or v q ) or the speed distribution as well as the mass. The measurement of the speed distribution is of particular importance because it is still necessary if the masses of the substance to be measured are already known and therefore no longer have 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, the most probable speed can be determined most easily and quickly from a measured speed distribution function. On the one hand, it is directly visible as the maximum of the distribution curve and, on the other hand, it 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 Θ 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 Θ , wobei s = Abstand der beiden Scheiben voneinander und ω die Winkelgeschwindigkeit der Scheiben. Wenn entweder ω oder Θ verändert werden, werden Teilchen verschiedener Geschwindigkeit an einem Detektor registriert, der sich in der Ver¬ längerungslinie der Koltimatorschlitze 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 can be "counted". Here, a gas flows from a container through collimator slots and, as a collimator bundle, strikes a first rotating disk which has a recess on its circumference (Alonso / Finn, Physik, 2nd edition, 1988, p. 259). A second rotating disk is rigidly coupled to this first rotating disk via an axis, which likewise has a recess on its circumference, but which is offset by an angle gegenüber with respect to the recess of the first disk if gas molecules with a certain one Temperature from the gas container and through the collimator slots on the disks, they only pass through both recesses of these disks if their speed v = sω Θ, where s = distance between the two disks from one another and ω the angular velocity of the disks. If either ω or Θ is changed, particles of different speeds are registered on a detector located in the extension line of the collimator slots. If different observations are made for different speeds, the speed distribution is obtained. By continuously changing ω with a constant distance between the disks, molecules hit the detector at different speeds, so that a curve for the speed distribution results. However, a mass determination is not carried out so that the absolute temperature cannot be determined either. In addition, no exact speed curves can be determined for substances with different atoms or molecules 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 mögüch ist. Hinzu kommt, daß aus der Geschwindigkeitsverteilung keine mittlere oder eine andere Geschwindigkeit ermittelt wird. Außerdem läßt sich bei diesem Verfahren kaum eine Geschwindigkeitsverteilung s- kurve gewinnen, aus der bestimmte Geschwindigkeiten entnommen werden können.In another known molecular beam apparatus for examining the speed distribution of silver atoms, instead of two rotating disks, a rotating drum is provided which has an attachment surface for silver atoms on its inside (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. It is then passed through collimator gaps through the opening of a rotating hollow cylinder onto said attachment surface. If the silver atoms are driven through the opening of the hollow cylinder, all that matters is their speed. what time it takes to reach the opposite side of the cylinder drum. They reach faster atoms earlier than slow ones. As the drum rotates, molecules will hit different places on the inside of the cylinder at different speeds and get stuck at these places. If the thickness of the deposited silver layer is measured later as a function of the distance on the inner surface of the drum, then this gives a measure of the speed distribution of the atoms. Even with this known apparatus, the masses are not determined, so that a temperature determination is only possible with prior precise knowledge of the sample used. In addition, no average or any other speed is determined from the speed distribution. In addition, with this method it is hardly possible to obtain a speed distribution curve from which specific 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 has been 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 narrowly limited range can pass the groove and hit the detector. The speed distribution can thus 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's 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 3 147 445). Tritt in dieses Vierpolfeld ein Teilchen mit einer bestimmten La¬ dung und einer bestimmten Masse ein, das - aus einer lonenquelle 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 lonenbahnen, 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 Partialdrücke 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, devices for determining masses are also known (Wutz, Adam, Walcher: Theory and Practice of Vacuum Technology. 4th Edition, 1988, pp. 432 ff .; Edelmann: Vacuum Technology. 1985. Pp. 181 to 194) In addition to the magnetic field mass spectrometer, the cycloid mass 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, the quadrupole mass spectrometer is particularly suitable for the determination of masses. A quadrupole mass spectrometer or mass filter ideally consists of four hyperbolic cylindrical surfaces, which in practice, however, are mostly replaced by circular cylindrical tubes or rods. There is a direct voltage and an alternating voltage superimposed on each of these two rods (Wutz et al., P. 436, cf. also US Pat. No. 3,147,445). If a particle with a certain charge and a certain mass enters this four-pole field, which - coming from an ion source - has been accelerated by the voltage, this field leads to a complicated oscillation about an axis parallel to the tubes or rods. The amplitude of this oscillation and thus the distance of the particle path from this axis is either limited or it grows over all limits, so that the particles hit the rods acting as electrodes and separate from the ion bundle. Of the particles that run on stable orbits, all those pass through the "filter" when the amplitude is less than a certain value. There are thus stable ion trajectories in which the ions execute vibrations around the axis of symmetry of the four rods, the amplitude of which does not exceed a maximum value, and there are unstable ion trajectories in which the oscillation amplitude of the ions increases so that the ions on the Hit rods and be unloaded. In a given field configuration, only the specific mass m / Ne decides whether the ion trajectories are stable or unstable. At the exit of the channel, which is formed by the space between the four rods, there is generally a Faraday cup which is connected to an amplifier. Instead of a Faraday cup, a secondary electron multiplier is often used, in which the impinging ions trigger electrons from a converter electrode. The advantage of the multiplier is that smaller partial pressures can be measured and the measuring time can be shortened. By changing the voltage conditions at the electrode of the quadrupole mass spectrometer, a certain mass range can be traversed, ie a mass spectrum can be recorded.
Es ist außerdem ein Massenspektrometer bekannt, das eine lonenkammer und eine Einrich¬ tung zum unterbrochenen und aufeinanderfolgenden Beschleunigen bzw. Abbremsen von Ionen aufweist (US -PS 2 642 535). 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 for interrupted and successive acceleration or braking of ions (US Pat. No. 2,642,535). Since the acceleration of the ions depends on their masses, their masses can be determined in this way. A gas to be analyzed with regard to its composition enters an evacuated room, where it is ionized. Siert and accelerated by means of an electric field through an electrode in the direction of a target. A fixed, kinetic energy is supplied to the gas particles via the acceleration voltage. Due to the different mass numbers of the gas to be analyzed, the various types of atoms receive different final velocities at this fixed energy, so that the masses are determined by determining velocities. A necessary prerequisite for this is that the speed or energy distribution existing due to the temperature is negligible. It is therefore not possible to determine the absolute temperature via the speed distribution.
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 determine the absolute temperature of a substance with the aid of the detection of properties of the particles emanating from this substance.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen 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. Femer las¬ sen sich die Temperaturen realer Gase, z. B. H2, N2, 02, 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 deduced from the mere consideration of masses and the speeds of particle ensembles. In a special embodiment of the invention, the masses themselves are measured 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 which is in a hotter environment can also be determined without contact. With the invention it is also possible to determine the temperature of solid bodies in a vacuum without contact if at least one of the elements from which this solid body has a sufficient vapor pressure, which is the case with most metals in wide temperature ranges. The temperatures of real gases, e.g. B. H2, N2, 02, also determine contactlessly at pressures of <10 "1 Pa, since the energy is distributed according to the equal distribution theorem with 1/2 k T each to each degree of freedom and thus the determination of the kinetic 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 example, in a quadrupole mass spectrometer (QMS) are absorbed, e.g. B. metal atoms is not affected.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im fol¬ genden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Kurvendarstellung der Geschwindigkeitsverteilung von Atomen/Mole¬ külen nach Maxwell;Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing and are described in more detail below. 1 shows a graph of the velocity distribution of atoms / molecules according to Maxwell;
Fig. 2 eine Kurvendarstellung der Energieverteilung von Atomen Molekülen;2 shows a graph of the energy distribution of atom molecules;
Fig. 3 eine Kurvendarstellung der Geschwindigkeitsverteilung, bei welcher die wahr¬ scheinlichste, die mittlere und die quadratische Geschwindigkeit angegeben sind;3 shows a graph of the speed distribution, in which the most probable, the mean and the quadratic speed are indicated;
Fig. 4 ein mit einem Faraday-Meßkopf aufgenommenes Massenspektrum eines Gasgemisches;4 shows a mass spectrum of a gas mixture recorded with a Faraday measuring head;
Fig. 5 eine erste Anordnung für die Messung der Masse und der Geschwindigkeit gasförmiger Moleküle, bei welcher ein Quadrupolmassenspektrograph zu- sammen mit einer elektrostatischen Ablenkung geladener Teilchen eingesetzt wird;5 shows a first arrangement for the measurement of the mass and the velocity of gaseous molecules, in which a quadrupole mass spectrograph 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;7 shows a second arrangement for measuring the mass and the velocity of a gaseous substance, in which the flight time of molecules is determined and a quadrupole mass spectrograph is used;
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 Qiiadrupolmassenspektrographen; Fig. 9 eine Anordnung für die Messung der Temperatur eines Gegenstands, der beim Messen berührt wird; und8 shows a third arrangement for the measurement of the mass and the velocity of gaseous molecules by means of combined electrical and magnetic deflection and using a Qiiadrupol mass spectrograph; 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-Geschwindigkeit10 shows a device for the simultaneous measurement of molecular mass and molecular velocity
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.1 shows the velocity distribution for nitrogen at 100 K (curve 101) and 300 K (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 of curves 101 and 102 is the fact that the maximum of the curve decreases with increasing temperature and at the same time changes towards higher speed. stores. Because of the factor v 2 , the curve is not symmetrical with respect to the position of the maximum, ie the higher speeds are favored over the lower ones. It should be noted that the speed 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 indicates 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 VH gibt deshalb die Wahrscheinlichkeit da¬ für an, daß v irgendeine Richtung im Raum und v + dv hat.Equation VII above, which fulfills curves 101, 102 in FIG. 1, describes the speed distribution of particles which have three degrees of freedom of translation. The velocity distribution according to equation VH 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
Figure imgf000013_0002
Sauerstoffmolekülen bei 73 K, während die Kurve 111 die Geschwindig¬ keitsverteilung von 10" Sauerstoffmolekülen bei 273 K darstellt Mit "vmaχ" ist die wahr¬ scheinlichste Geschwindigkeit mit der maximalen Verteilung, mit v die mittlere Geschwin¬ digkeit und mit nv )_r_it ^e mittϊere 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^ der Moleküle. Diese Fläche ist bei jeder Temperatur dieselbe, da sich die Kurven auf jeweils dieselbe Anzahl von Teilchen beziehen.
FIG. 3 again shows a curve representation which essentially corresponds to the curve representation according to FIG. 1. Curve 110 shows the speed distribution of
Figure imgf000013_0002
Oxygen molecules at 73 K, while curve 111 represents the speed distribution of 10 "oxygen molecules at 273 K. With" v maχ "the most likely speed is with the maximum distribution, with v the mean speed and with n v ) _r_it ^ em ittϊ ere square velocity is characterized be¬ of a molecule. the number of molecules within a specific speed range, for. example, between 300 and 600 m / s, is represented by the area within the corresponding Aus¬ section of the respective curve. Total the total number of molecules corresponds to 10 ^ under curve 110 or 111. This area is the same at every temperature, since 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 Quadmpol-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 Legierungen 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.4 shows the mass spectrum of a test gas which was recorded with a Faraday measuring head of a quadmole mass spectrometer. The operating mode was "constant sensitivity" and not - which would also have been possible - "constant line width". The masses of alloys or other compound substances can also be determined in a corresponding manner. The ordinate denotes the intensity of a received signal, which depends on the mass, while the abscissa indicates the mass. If one starts from a binary substance that contains two types of atoms, in FIG. 4 at least two amplitudes or " Peak "areas, the energies of these two types of atoms being distributed according to equation XIV. Although this energy distribution does not show an explicit dependence on 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 Geschwindigkertsverteilungskurve der Überlagerung der Geschwindigkeitsverteilungskur- ven der beiden Atomarten. Eine Bestimmung der absoluten Temperatur wäre somit nicht möglich.The now explicit mass dependence leads to the fact that two atom types, when they are at the same temperature, have the same energy distribution but a different velocity distribution with a binary substance. If no mass determination or selection is carried out, the measured speed distribution curve corresponds to the superposition of the speed distribution curves of the two atom types. It would not be possible to determine the absolute temperature.
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 IQ"-1- Pa sein, damit sich eine mittlere freie Weglänge der Teilchen 1 = v/z = 1/4 2 π v von etwa 1 m ergibt. Derartige Dmckbereiche 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. 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 Ionisie ngseinrichtung 33 vorgesehen, die durch einen Glühemissionsdraht 8 und zwei Elektroden 9, 10 dargestellt ist. Bei dieser Ionisiemngseinrichtung 33 kann es sich um eine solche handeln, die bei handelsüblichen Quadmpolmassenspektrometem vorgesehen ist. Es ist sogar möglich, die bei dem Quadru- polmassenspek rometer in der Anordnung 1 vorhandene Ionisiemngseinrichtung auszubau¬ en und hinter der Blende 6 anzuordnen.5 shows the principle of an arrangement 1 with which the speed distribution and the masses of particles can be determined. 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 IQ " - 1 - Pa, so that there is an average free path of the particles 1 = v / z = 1/4 2 π v of about 1 m. Such pressure ranges are, for example, during vacuum melting At these pressures, metal vapors form a monoatomic ideal gas. The substance 4 has a certain temperature and therefore emits particles with a certain speed distribution, which is indicated by an arrow 5. It is important here that according to the According to the invention, the absolute temperature of the substance 4 can also be determined if its temperature differs from the temperature of the environment, for example of the container 3. 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 material 4, so that the mass can be used as a distinguishing criterion ann. The basic principle of arrangement 1 is that a particle ensemble of substance 4 is ionized and then separated into its velocities and masses. A particle bundle or ensemble of the particles escaping from the substance 4 is masked out by the diaphragm 6 and then moves along the straight line 7 in the direction of the speed v. 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 quadmolar mass spectrometers. It is even possible to remove the ionization device present in the arrangement 1 in the quadrupole mass spectrometer and to arrange it behind the diaphragm 6.
Die neutralen Teilchen aus dem Behälter 3 werden mittels Stoß durch die Elektronen der Ionisiemngseinrichtung 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, whereby it should be noted that the velocity component of the ionized particles in the direction of the line 7 is not changed by incident electrons, because the velocity vector of these impacting electrons decreases ¬ runs right 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 Iomsiemngseinrichtung 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 lonenerzeugungseinrichtung 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 ionizing 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 its plate 12, 58 there is a DC voltage, the amount of which is correlated with the voltage applied to the electrodes 9, 10. However, the polarities of the two voltages are opposite. After the ionized particle beam has returned to the original direction of velocity, it passes through two deflection plates 13, 14 which, viewed in the plane of the drawing, cross each other opposite. In comparison to the plates 9, 10 and the plates 12, 58 of the capacitor, the deflection 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 were not influenced by the impact ionization in the ion generating device. The voltage at the deflection plates 13, 14 is fed from a function 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 Quadmpolmassenspektrometer 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 hegende 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 Stromv erlauf, 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 by applying a voltage to the plates 13, 14 a part of the ionized particles, which are deflected more strongly than the faster ones due to their lower speed, is masked out. These slow particles then run against a downstream diaphragm 16 and no longer reach a quadmolar 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 to, more and more charged particles are faded out over time, until at the end no more particles reach the mass spectrometer. Since the charged particles represent a current, there is a current course, such as that shown in FIG. 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 Quadmpolmassenspektrometer 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 particles reaching the quadmolar mass spectrometer 17 can be very small, so that it is advisable to provide a secondary electron multiplier 18 as a reinforcing element for the detection of these particles between the quadrupole mass spectrometer 17 and the oscillograph 19.
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 Teüchensorte, erfolgt im Massenspektrometer 17 eine Filterung der entspre¬ chenden Teilchensorte. Das Massenspektrometer 17 wird also als Massenfϊlter 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 Quadmpolmassenspektrometer 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 Se_aιnd-Lrelek-ronenvervielfacher 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 hit the mass spectrometer 17 at the same time with a thermal energy distribution. To measure the speed of only one type of particle, e.g. B. only a heavy or only a light type of tissue, in the mass spectrometer 17 the corresponding particle type is filtered. The mass spectrometer 17 is thus used as a mass filter in order to record the time course of the intensity of this one type of particle at a predetermined voltage on the mass spectrometer. The ions are through one at the entrance Extraction voltage present in the mass spectrometer 17 is sucked into the mass spectrometer 17, there - if it is a quadmolar mass spectrometer - pass through the rod system and generate the signal of a single mass number, which is preselected by the voltage on the spectrometer. This signal goes to the detection in the Se_aιnd-Lrelek multiplier 18.
Ionen, die durch das Quadmpolmassenspektrometer 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 that pass through the quadrature mass spectrometer 17 are thus sucked into the spectrometer 17 through an extraction field at the entrance of the spectrometer 17 and detected there according to their mass.
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' sehe Ge- schwindigkeitsverteilung, wie sie durch ein Oszilloskop oder einen Oszillographen 21 dar¬ gestellt wird.The I / U curve represented by the oscillograph 19 indirectly shows the velocity 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 Maxwell's speed distribution, as 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 to one another 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 möghch. die Werte vmjt, vmq und vmaχ (vgl. die Gleichungen IX, X, XI) aus der Kurve zu ermitteln und bei Kenntais der Masse der Teilchen die absolute Temperatur mit Hilfe eines Rechners 22 zu berechnen.It is possible. determine the values v mjt , v m q and v maχ (cf. equations IX, X, XI) from the curve and, if the mass of the particles is characteristic, calculate the absolute temperature using a computer 22.
Da die Massen der Teilchen auf herkömmliche Art mit dem Quad polmassenspektrome- 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 quad polar 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 Beschüsses 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 Ionisiemngsvorrichtung 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 area of an ionization device 33, which here is caused by the Plates 9, 10 is symbolized. In the ionization device 33 ionizes 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 reach the aperture 11, where some of them reach the horizontal deflection 12, 58 through an opening 57 in this aperture 11. There they are deflected towards the negatively charged plate 58. The heavy particles in the particle ensemble 59 are deflected less strongly than the light particles that are in the same ensemble. The deflection of the particle ensemble 59 in the horizontal deflection 12, 58 is as great 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 Quadmpol-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 Massenzahlen - zusammengesetzte Geschwindigkeitsverteilung, welche etwa die Kurvenform von zwei oder mehreren sich überlappenden Maxwell 'sehen 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 upward 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 diaphragm and arrives at the quadmole mass spectrometer 17, which has at its entrance a negative grid electrode, not shown, which, as far as it is positively charged, has the particles of the particle ensemble 80 are drawn into the spectrometer 17. Neutral and negative particles 81 fly over the spectrometer 17. The beam 78 consisting of positively charged particles is directed once more and once less with the linearly changing voltage on the plates 13, 14. From a certain voltage, therefore, only the fast particles will pass through the opening 79, while the slow particles will hit the aperture 16. If the voltage on the plates increases linearly from zero to a certain value, then first all particles get to 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 atom types with different masses, not only the slow particles are deflected more strongly 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 numbers - which has approximately the curve shape of two or more overlapping Maxwell's velocity distribution curves. This speed distribution can be represented indirectly by a J / U ratio, where U is the voltage on the plates 13. 14 and J is the current formed by the particles of 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 Se-ainda^elektrόnenvervielfacher 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 velocity 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 Se-ainda ^ electron multiplier 18, which has several dynodes 83 to 91, to which an electrode 19 is connected, which is connected to ground 93 via a resistor 92 . The signal 94 supplied by the secondary electron multiplier can be processed further 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' sehe 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 consists in adapting the measured speed distribution curve to the theoretical Maxwell's distribution curve by changing parameters (so-called "least squares fit" method). ). In another method, certain speeds are read from the measured distribution curve or calculated, e.g. B. the most likely speed or another of the speeds shown in FIG. 3.
In der Fig. 7 ist eine weitere Anordnung 98 dargestellt, mit der es möghch 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 bemht 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¬ siemngseinrichtung 33 einerseits und die Mitte des Quadmpolmassenspektrometers 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 Iomsie-^ngseinrichtung 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 Ionisiemng 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 Ionisiemng 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¬ nisiemngseinrichtung 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 Flugzeitspekt m, das bei bekannter Driftstrecke L auf eine Maxwell' sehe Verteilungs¬ funktion zurückgeführt werden kann.7 shows a further arrangement 98 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 attempts to measure the flight time of charged particles between two defined points. These two points are formed by the electrodes 9, 10 of the ionizing device 33 on the one hand and the center of the quadripolar mass spectrometer 17 on the other hand. 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, they reach the ionizing device 33, which is provided with a control grid 24 and is pulsing. 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 produced in this way consist of ions of different speeds which reach the mass spectrometer 17 at different times with different intensities. The pulse determines the start and end of the ionization of the particles to be measured. 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 ionizing device 8, 9, 10, arrive at the mass spectrometer 17 at different times after passing through the distance L with a characteristic intensity distribution. A time-of-flight spectrum m thus arises in this way, which can be traced back to a Maxwell distribution function given a known drift distance L.
Das so ermittelte Flugzeitspektmm 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 lonenpaket 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 Stromkennhnie flacht anschließend wieder ab, wenn die langsa- men Ionen eintreffen, bis sie sch eßüch ganz endet, weil die letzten Ionen des lonenpakets 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 er¬ is given by the fact that the ion packet contains an electrical charge which "discharges" in time, because in succession first the fast ions, then the medium and slow ions form the current. This can be clearly seen from the representation of the oscillograph 25, 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-speed 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 of FIG. 7 is the same as in arrangement 1 according to 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 aufgmnd der Lorentzkraft.8 shows an arrangement which essentially corresponds to the arrangement according to FIG. 5. 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 electric field E of the deflection plates 13, 14. Such a combination of a variable electrostatic and magnetic field serves as Speed filter. The ions passing through the fixed B field experience, depending on the size of their velocity a more or less strong distraction due to the Lorentz force.
Mit Hilfe des einstellbaren E-Feldes zwischen den Ablenkplatten 13, 14 ist es möghch, 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 deflection plates 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 is traversed.
Die weitere Verarbeitung der Signale erfolgt wie bei der Anordnung gemäß Fig. 5 mittels eines Sekundärelektronenvervielfachers 18, eines Oszillographen 29 und eines Rechners 22.As in the arrangement according to FIG. 5, the signals are further processed 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 berühmngslose 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 a measurement without famous. Rather, it has a tube 30 which is connected to the vacuum chamber 2 and is brought into contact with one end with the substance 40 to be measured. At one end of the tube there is a reference substance 31 which is in thermal contact with the sample 40 via the tube 30. Particles of the comparison substance 31 brought to the temperature of the sample 40 enter the vacuum chamber 2 through a small aperture 41 and the temperature of the comparison 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 with the substance to be measured in terms of temperature is located outside the vacuum chamber, only a small connecting path from the substance to the vacuum chamber having to 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 once again shows in detail the most important elements of FIGS. 5, 7 to 9. For the sake of clarity, however, the EB field combination according to FIG. 7 is not shown. The sample 4 in the container 3 is shown on the right side of a cylindrical housing 35 in which various devices are located. 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 Ionisiemngseinrichtung 52 mit Steuergitter 53 ist mit zwei Haltevorrichtungen 50, 51 an einem Traggestell 38, 39 befestigt. Links von dieser Ionisiemngseinrichtung 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 Ausfühmngsformen 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 there are deflection plates 61, 62, which are fastened to the support frame 38, 39 with holding elements 45, 46. This deflector plate 61, 62 is followed by a diaphragm 42, which is also connected to the support frame 38, 39 via a holding element 63. 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, only one of the two deflection plates can be seen in FIG. 10, namely the deflection plate 66. These deflection plates, which correspond to the plates 13, 14 in FIG. 5, are connected via ceramic elements 47, 48 and holding elements 67, 68 connected 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. On this diaphragm 43, a device for generating an EB field combination can be provided, but here is not shown. 49 denotes a mass spectrometer 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-hand 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 40a is connected upstream of the 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.For the determination of the absolute temperature according to the invention, it is in itself irrelevant whether first the speed distribution and then the mass or first the mass and then the speed distribution or whether mass and speed distribution are determined simultaneously. It is only important that a certain mass of a certain agreed speed distribution is assigned.
Mit der Erfindung ist es leicht möghch, 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 check the absolute temperatures determined by a first measurement by a second measurement. For this purpose, for example, the absolute temperature is first determined via a first mass which is located in the substance to be measured. The same determination is then carried out using a second mass. If the two measurement results match, this is an indication that the measurement carried out is correct.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Vorrichtung zum Messen von Temperaturen gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) eine Vakuumkammer (2); b) einen Stoff (4, 40, 30), dessen Temperatur gemessen werden soll; c) eine Einrichtung zum meßtechnischen Erfassen der Geschwindigkeitsverteilung von Teilchen des zu messenden Stoffs (4, 40, 30); d) eine Einrichtung, welche unter Berücksichtigung der ermittelten Geschwindigkeitsver- teilung und der Masse der Teilchen die absolute Temperatur des Stoffs (4) ermittelt.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 determines the absolute temperature of the substance (4) taking into account the determined speed distribution and the mass of the particles.
2. Vorrichtung zum Messen von Temperaturen gasförmiger, flüssiger oder fester Stoffe, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: a) eine Vakuumkammer (2); b) einen Stoff (4, 40, 30), dessen Temperatur gemessen werden soll; c) ein Massenfilter (17), welches Teilchen, die von dem Stoff (4, 40, 30) ausgehen, nach ihrer Masse derart filtert, daß nur eine Teilchenart am Ausgang des Massefilters (17) er¬ scheint; . d) eine Vorrichtung, welche die Geschwindigkeitsverteilung der durch das Massefilter (17) hindurchtretenden Teilchen ermittelt; e) eine Einrichtung (22), welche unter Berücksichtigung der Geschwindigkeitsverteilung und der durch das Massefilter (17) ermittelten Masse der Teilchen die absolute Temperatur der Teilchen ermittelt.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. Vorrichtung nach Anspmch 1 oder Anspmch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ge¬ samtdruck der Vakuumkammer (2) kleiner als 10" Pa ist.3. Device according to Anspmch 1 or Anspmch 2, characterized in that the total pressure of the vacuum chamber (2) is less than 10 " Pa.
4. Vorrichtung nach Anspmch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des zu messen¬ den Stoffs (4, 40, 30) als bekannte Größe von der Einrichtung (22) zur Ermittlung der ab- soluten Temperatur berücksichtigt wird.4. Apparatus according to Anspmch 1. characterized in that the mass of the substance to be measured (4, 40, 30) is taken into account as a known quantity by the device (22) for determining the absolute temperature.
5. Vorrichtung nach Anspmch 1 oder Anspmch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse des zu messenden Stoffs (4) durch ein Massenmeßgerät (17) gemessen und der Ein¬ richtung (22) zugeführt wird. 5. Anspmch 1 or Anspmch 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. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspmch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die absolute Temperatur über die wahrscheinlichste Geschwindigkeit (vmaχ) aus der ermittel¬ ten Geschwindigkeitsverteilung errechnet wird.6. The device according to claim 1 or Anspmch 2, characterized in that the absolute temperature over the most likely speed (v maχ ) is calculated from the determined speed distribution.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die absolute Temperatur über die mittlere Geschwindigkeit (v) aus der ermittelten Geschwin¬ digkeitsverteilung errechnet wird.7. The device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the absolute temperature over the average speed (v) is calculated from the determined speed distribution.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspmch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die absolute Temperatur über die mittlere quadratische Geschwindigkeit (/v2) aus der ermit¬ telten Geschwindigkeitsverteilung errechnet wird.8. The device according to claim 1 or Anspmch 2, characterized in that the absolute temperature over the mean square speed (/ v 2 ) is calculated from the determined speed distribution.
9. Vorrichtung nach Anspmch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Er¬ mittlung der absoluten Temperatur durch die Anpassung der gemessenen Geschwindig- keitsverteilung an die theoretische Maxwell' sehe Geschwindigkeitsverteilungskurve er¬ folgt9. The device according to claim 1 or claim 2, characterized in that the determination of the absolute temperature is carried out by adapting the measured speed distribution to the theoretical Maxwell 'see speed distribution curve
10. Vorrichtung nach Anspmch 1 oder Anspmch 2, gekennzeichnet durch a) eine Ionisiemngseinrichtung (33), welche wenigstens einen Teil der Teilchen des Stoffs (4) zeitweise oder kontinuierlich ionisiert; b) eine Ablenkeinheit (13, 14, 15), welche die ionisierten Teilchen in Abhängigkeit von ihrer Geschwindigkeit ablenkt und c) eine Einrichtung (17, 18), welche das Auftreffen von Teilchen in Abhängigkeit von ihrer Masse registriert.10. Apparatus 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 depending on their speed and c) a device (17, 18) which registers the impact of particles depending on their mass.
11. Vorrichtung nach Anspmch 10. dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheit (27) ein Magnetfeld aufweist.11. The device according to Anspmch 10. characterized in that the deflection unit (27) has a magnetic field.
12. Vorrichtung nach Anspmch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stoff (4) und der Ionisierungskammer (33) eine Blende (6) angeordnet ist.12. The device according to Anspmch 10, characterized in that an aperture (6) is arranged between the substance (4) and the ionization chamber (33).
13. Vorrichtung nach Anspmch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionisierungsein¬ richtung (33) geladene Teilchen, vorzugsweise Elektronen erzeugt, die senkrecht zur Lauf¬ richtung der Teilchen des Stoffs (4) beschleunigt werden. 14. Vorrichtung nach Anspmch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Ionisie¬ rungseinrichtung (33) und der Ablenkeinheit (13, 13. The apparatus according to Anspmch 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 Anspmch 10, characterized in that between the ionization device (33) and the deflection unit (13,
14) eine weitere Ablenkeinheit (12) vor¬ gesehen ist, welche den Einfluß der Ionisierung auf die Transversalkomponente der Ge¬ schwindigkeiten der Teilchen des Stoffs (4) durch die Ionisiemngseinrichtung (33) kom- pensiert.14) a further deflection unit (12) is provided which compensates for the influence of the ionization on the transverse component of the speeds of the particles of the substance (4) by the ionization device (33).
15. Vorrichtung nach Anspmch 10, gekenrizeichnet durch a) eine Einrichtung (18), welche die auftreffenden und nach Massen selektierten Teilchen in einen elektrischen Strom umformt; b) eine Einrichtung (19), welche diesen Strom in Abhängigkeit von der ablenkenden Größe der Ablenkeinheit (13, 14, 15) darstellt; c) eine Einrichtung (20), welche den Strom nach der ablenkenden Größe differenziert und dadurch die Geschwmdigkeitsverteüungskurve ermittelt; d) eine Einrichtung (22), welche aus der ermittelten Geschwindigkeitsverteilungskurve die absolute Temperatur des Stoffs (4) errechnet.15. Device according to Anspmch 10, marked 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 increase curve; d) a device (22) which calculates the absolute temperature of the substance (4) from the determined speed distribution curve.
16. Vorrichtung nach Anspmch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheit (13, 14, 15), welche die Teilchen in Abhängigkeit von ihrer Geschwindigkeit ablenkt, zwei Elektroden (13, 14) aufweist, die mit einer wenigstens zeitweise linear ansteigenden Span- nung (U(t)) versorgt werden.16. The device according to Anspmch 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)) can be supplied.
17. Vorrichtung nach Anspruch 10 und Anspmch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zu¬ sätzlich zu der Ablenkeinheit (13, 14, 15), die ein elektrisches Feld erzeugt, eine Ablenk¬ einheit (27) vorgesehen ist, die ein statisches Magnetfeld erzeugt, das dem elektrischen Feld überlagert ist.17. The apparatus according to claim 10 and Anspmch 16, characterized in that in addition to the deflection unit (13, 14, 15) which generates an electrical field, a deflection unit (27) is provided which generates a static magnetic field, that is superimposed on the electric field.
18. Vorrichtung nach Anspmch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zu messende Stoff (4) in einem Behälter (3) befindet, wobei der Behälter (3) in einer Vakuumkammer (2) angeordnet ist.18. The apparatus according to Anspmch 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. Vorrichtung nach Anspmch 1 oder Anspmch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zu messende Stoff (4) in einem Behälter befindet, der außerhalb der Vakuumkammer (2) angeordnet ist, wobei eine Passage für gasförmige Teilchen des Stoffs (4) vom Behälter zur Vakuumkammer vorgesehen ist. 19. The device according to Anspmch 1 or Anspmch 2, characterized in that the substance to be measured (4) is located in a container which is arranged outside the vacuum chamber (2), with a passage for gaseous particles of the substance (4) from the container to the vacuum chamber is provided.
20. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der zu messende Stoff (6) außerhalb der Vakuumkammer befindet und mit einem Rohr (30) thermischen Kontakt (31) hat, das über eine Blende (32) mit der Vakuumkammer (2) in Verbindung steht.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) via an aperture (32) with the vacuum chamber (2) communicates.
21. Vorrichtung nach Anspmch 1, gekennzeichnet durch a) eine Ionisiemngseinrichtung (8, 9, 10, 24), welche innerhalb eines relativ zur Flugzeit eines Teilchens von dem Stoff (4) zur Einrichtung für die Erfassung der Geschwindigkeits¬ verteilung kurzen Zeitraums wenigstens einen Teil eines Strahls von Teilchen ionisiert; b) eine von der Ionisierungseinrichtung (8, 9, 10, 24) um eine Entfernung L entfernte Ein¬ richtung (17, 28, 25), welche ein Ensemble von ionisierten Teilchen empfängt und die Zahl der auftreffenden und nach ihrer Masse selektierten Teilchen pro Zeiteinheit ermittelt; c) eine Einrichtung (26), welche aus der Ankunftszeitverteilung des so bestimmten Teil¬ chenensembles, die der Geschwindigkeitsverteilung der auftreffenden Teilchen entspricht die ab solute Temperatur errechnet.21. The apparatus according to claim 1, characterized by a) an ionization device (8, 9, 10, 24) which, within a short period of time relative to the flight time of a particle, from the substance (4) to the device for detecting the speed distribution Part of a beam of particles ionized; b) a device (17, 28, 25) distant from the ionization device (8, 9, 10, 24) by a distance L, which device receives an ensemble of ionized particles and the number of impinging particles per mass selected Unit of 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 velocity distribution of the impacting particles.
21. Vorrichtung nach Anspmch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Massefilter (17) ein Quadmpolmassenspektrometer ist.21. The device according to Anspmch 2, characterized in that the mass filter (17) is a quadmolar mass spectrometer.
22. Vorrichtung nach Anspmch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Eimichtung zum Erfassen der Geschwindigkeitsverteilung statt einer Ionisiemngsvorrichtung einen mecha¬ nischen Zerhacker enthält.22. Device according to Anspmch 21, characterized in that the egg device for detecting the speed distribution contains a mechanical chopper instead of an ionization device.
23. Vorrichtung nach Anspmch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Geschwindigkeitsverteilung über die Messung der Flugzeit der Teilchen erfolgt, deren23. The device according to Anspmch 22, characterized in that the determination of the speed distribution is carried out by measuring the flight time of the particles whose
Startzeiψunkt über einen mechanischen Zerhacker vorgegeben ist.Starting time is specified via a mechanical chopper.
24. Vorrichtung nach Anspmch 1 oder Anspmch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ge¬ schwindigkeitsverteilung für eine erste Masse des Stoffs (4) und für eine zweite Masse des Stoffs (4) bestimmt wird und daß die aus den beiden Massen bzw. Geschwindigkeitsvertei¬ lungen bestimmten absoluten Temperaturen miteinander verglichen werden. 24. The device according to Anspmch 1 or Anspmch 2, characterized in that the speed distribution is determined for a first mass of the substance (4) and for a second mass of the substance (4) and that the two masses or speed distribution absolute absolute temperatures.
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US2642535A (en) * 1946-10-18 1953-06-16 Rca Corp Mass spectrometer
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US4473748A (en) * 1981-03-18 1984-09-25 Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha Neutral particle analyzer

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