WO1993008589A1 - Einrichtung zur analyse von gasgemischen - Google Patents

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WO1993008589A1
WO1993008589A1 PCT/AT1992/000129 AT9200129W WO9308589A1 WO 1993008589 A1 WO1993008589 A1 WO 1993008589A1 AT 9200129 W AT9200129 W AT 9200129W WO 9308589 A1 WO9308589 A1 WO 9308589A1
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Werner Lindinger
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Ionen-Technik Analytik Gmbh Ita
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0011—Sample conditioning
    • G01N33/0013—Sample conditioning by a chemical reaction
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/02—Details
    • H01J49/10—Ion sources; Ion guns
    • H01J49/14—Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers
    • H01J49/145—Ion sources; Ion guns using particle bombardment, e.g. ionisation chambers using chemical ionisation

Definitions

  • the invention relates to a device for analyzing gas mixtures, with an ion source, with a reaction space in which the primary ions generated in the ion source react with components of the mixture to be examined, and with a mass spectrometer for examining the reaction Products.
  • ions eg Kr + , He +
  • the interaction between ions and molecules can consist of simple charge exchange. However, there can also be a chemical change in the molecule hit, for example by dissociation.
  • Mass and charge of the reaction products can be analyzed in a mass spectrometer. This is done primarily for the purpose of determining the cross sections of the different ion-molecule reactions at different energies.
  • a known device for carrying out this method uses Kr + and Xe + ions alternately as primary ions. He + can also be used for various investigations - but not for the investigation of the subsequent products of burnings. Especially for them Investigation of air pollution has proven to be expedient to investigate one and the same gas first, for example with Kr + ions, then with Xe + ions.
  • Kr + ions Kr + ions
  • Xe + ions Xe + ions.
  • the amount of gas present in the ion source can be very small when only Kr + and Xe + ions are used, the gas change takes at least 10 seconds due to the limited pumping power.
  • the ion beam obtained from the ion source contains contaminants or residual gases undesirable types of ions are still added.
  • H 3 0 + ions have been reacted with gases, which also play a role as emissions from internal combustion engines, it would be quite impossible with the known procedure in the ion process alternately source H 3 0 + ions on the one hand, Kr + or Xe + ions on the other hand.
  • the predominant emission of H 3 0 + ions from the ion source presupposes that water vapor present in the region of the ion source undergoes a large number of ion reactions before the ions emerge from the ion source.
  • the pressure required for this in the ion source is typically a few 10 ⁇ 2 - 10 "1 Torr. It would be completely impossible to completely remove such amounts of water vapor within reasonable periods of time that residues of the operation of the ion source with noble gas approximately 10 ⁇ 6 torr no longer bother.
  • the invention no longer tries, as has hitherto been the case, to remove the primary ions initially used, for example by increasing them to shorten the pump power as much as possible. Rather, the basic idea of the invention is to permanently allow all types of ions to be used in the ion source, but to select them between the ion source and the reaction space.
  • the invention assumes that ions which have the same kinetic energy have different velocities depending on their mass. Minor differences in the output energy can be put into perspective by accelerating all ions emerging from the ion source by the same electrical potential.
  • the dimensions and field strengths of the device are of course to be coordinated with one another in such a way that the types of ions for which the relationship is not fulfilled are deflected so strongly be that they no longer get into the entrance panel of the reaction chamber.
  • the object of the invention thus achieves the object in that the ion source has an operating state in which ions generated from filled water vapor take part in reactions, as a result of which H 3 0 + ions form in the ion source , and in a manner known per se, a filter device is provided between the ion source and the reaction space, which can selectively pass one of the primary ion types generated simultaneously in the ion source from different neutral atoms or molecules to the reaction space and the passage for the others Locks primary ion species.
  • a particular advantage of the device according to the invention lies in the possibility of using H 3 0 + ions for examining, for example, automobile exhaust gases. This makes it possible to determine exhaust gas components which cannot be detected with krypton and xenon ions. In particular, these are components that are contained in so-called bio-fuel or occur when they are used as pollutants, for example formaldehyde and methanol.
  • the number for the analysis of interesting proton exchange reactions, by means of which H 3 0 + releases a proton and becomes H 2 0, is very large overall. The transitions should be mentioned as significant
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device according to the invention with a Wien filter
  • FIG. 2 shows a more realistic representation of the device according to FIG. 1 with the acceleration filter connected upstream of the Vienna filter in vertical section
  • FIG. 3 is a representation of the potential curve of a device slightly modified compared to FIG. 2
  • FIG. 4 is an exemplary embodiment with a modified filter device.
  • the essential known components of the device shown are an ion source 1, a reaction space 2 and a mass spectrometer arrangement 3.
  • the low-energy primary ions can be generated with an ion source 1, which is based on the principle of electron impact.
  • ion sources are sold, for example, by the Balzers company under the order number BG 528 370 T.
  • the ions reach the reaction chamber via a lens system, where the ions are prevented from diverging by a high-frequency field.
  • the gas to be examined is introduced into this reaction chamber 2.
  • a quadrupole mass spectrometer 3 is used to examine the beam coming from the reaction chamber, which only allows ions of a certain mass to pass to known electronic evaluation systems.
  • the density of the gas to be investigated in the reaction area is typically in the order of 10 "3 to 10 ⁇ 2 Torr, whereas in the area of the mass spectrometer the free path length of the gas should be greater than the device dimensions, that is to say a vacuum of, for example, 10 ⁇ 5 Torr is maintained.
  • a detailed description of improved by the invention means underblei- "ben since such facilities, as mentioned, specifically to study ion-molecule reactions have been used.
  • a schemati ⁇ specific representation of a useful arrangement is together with literature references, which explain individual details, in a work by H. Villinger, JH Futrell, A. Saxer, R. Richter and W. Lindinger in J. Chem. Phys. 80 (6), March 15, 1984.
  • New and inventive is the proposal to continuously generate all ion types in the ion source 1 which are required for investigations by means of the device shown, but only one type of ion reaches the reaction space 2 through a filter device 4 to let.
  • the arrangement of a filter device between the ion source and the reaction space has advantages regardless of the use of different types of ions. If no mass filter is provided, then the energy of the electrons in the ion source must be kept at very small values in order not to ionize reactant gases flowing back, which then falsify the measurement. In practice, this means that the ion energy must be kept below the occurrence potential of nitrogen. With such low energies, the cross section for the ionization of krypton and xenon, for example, is very low. The yield is also fluctuating, since small changes in the electron energy lead to large fluctuations in the degree of ionization. The installation of a primary mass filter between the ion source and the reaction space allows the electron energy in the ionization source to be between 70 and 100 eV. at The cross sections have a maximum of this value, which makes the ion source both effective and stable.
  • a simple embodiment of such a filter 4 is the well-known Wien's filter, which consists of a capacitor 5, which generates an electric field E, and a magnet, the field B of which is normal to the plane of the drawing and is made up of dots is indicated.
  • Typical for a Vienna filter that can be used are a length of 3 - 4 cm, a magnetic field of 100 - 300 Gauss and a voltage of 10 - 100 volts.
  • This voltage should be switchable between preselected values which, for the ion types in question, for example He + , Xe + , Kr + , optionally lead to undeflected passage through the aperture 6.
  • the individual ions have the same kinetic energy. In the thermal energy sector, this condition is difficult to meet, as well the absolute speed differences due to the different masses small.
  • the ions are therefore accelerated before they reach the filter device 4 and then slowed down again to the energy of a few eV required in the reaction space.
  • the ion source shown in FIG. 2 has a heating cathode 7 and an anode 8 as essential elements.
  • the electrons generated by the heating cathode 7 are drawn through the window 9 of the anode into its cylindrical interior, where primary ions are generated by impacts against the neutral gas. Excess electrons arrive at the electrode 14 arranged symmetrically to the heating cathode 7.
  • the ions formed are drawn off through the opening 10.
  • the plates 11-13 accelerate the ions in the direction of the filter device 4, which has electrodes 5 and magnets 15.
  • the ions are decelerated through the aperture 16 and passed on to the reaction zone.
  • FIG. 3 The acceleration and deceleration of the ions which takes place in a device which essentially corresponds to FIG. 2 but has four plates can be seen from FIG. 3, in which those potentials are written which lead to the passage through the filter device 4 for a certain type of ion. If another type of ion is to be let through, the voltage applied to the electrodes 5 of the filter device 4 must be changed.
  • the capacitor 5 can be dispensed with.
  • the ions leave the filter device 4 at a right angle, provided that they have a certain speed and mass. It it is thus possible to use permanent magnets in the filter device, since the speed of the ions can be achieved by applying the desired potential to the filter device 4.
  • FIG. 4 A corresponding embodiment of the device according to the invention is shown in FIG. 4.

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Abstract

Beschrieben wird eine Einrichtung zur Analyse von Gasgemischen, mit einer Ionenquelle (1), mit einem Reaktionsraum (2), in welchem die in der Ionenquelle (1) erzeugten Ionen mit Komponenten des zu untersuchenden Gemisches reagieren, und mit einem Massenspektrometer (3) zur Untersuchung der entstehenden Reaktionsprodukte, wobei die Ionenquelle (1) einen Betriebszustand aufweist, in welchem aus eingefülltem Wasserdampf erzeugte Ionen an Reaktionen teilnehmen, als deren Folge in der Ionenquelle (1) H3O+-Ionen entstehen, und wobei zwischen Ionenquelle (1) und Reaktionsraum (2) eine Filtereinrichtung (4) vorgesehen ist, welche wahlweise jeweils eine der gleichzeitig in der Ionenquelle (1) erzeugten Ionenarten zum Reaktionsraum (2) durchtreten läßt und den Durchgang für die übrigen Ionenarten sperrt.

Description

Einrichtung zur Analyse von Gasgemischen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Analyse von Gasgemischen, mit einer Ionenquelle, mit einem Reaktionsraum, in welchem die in der lonenguelle erzeugten Primärionen mit Komponenten des zu untersu¬ chenden Gemisches reagieren, und mit einem Massenspek- trometer zur Untersuchung der entstehenden Reaktions- produkte.
Bei der Untersuchung von Ionen-Molekülreaktionen werden Ionen (z.B. Kr+, He+) definierter Energie auf neutrale Moleküle gerichtet. Die Wechselwirkung zwischen Ionen und Molekül kann dabei im einfachen Ladungsaustausch bestehen. Es kann jedoch auch zu einer chemischen Ver¬ änderung des getroffenen Moleküls, z.B. durch Dissozia¬ tion, kommen. Masse und Ladung der Reaktionsprodukte lassen sich in einem Massenspektrometer analysieren. Dies geschieht heute primär zu dem Zweck, die Wirkungs¬ querschnitte der verschiedenen Ionen-Molekülreaktionen bei verschiedenen Energien festzustellen.
Aus AT-A 384 678 ist auch bereits der Vorschlag be- kannt, mit Ionen-Molekül-Reaktionen die Abgase von Ver¬ brennungsprozessen simultan auf CO, NO und N02 zu un¬ tersuchen. Wesentliche Voraussetzung ist die Verwendung von Ionen mit einer Energie unter 10 eV, vorzugsweise unter 2 eV, aussendet, welche einerseits die relevanten Schadstoffe ionisieren, andererseits aber die Komponen¬ ten des Gasgemisches nicht dissoziieren.
Eine bekannte Einrichtung zur Durchführung dieses Ver¬ fahrens verwendet als Primärionen abwechselnd Kr+- und Xe+-Ionen. Für verschiedene Untersuchungen - allerdings nicht für die Untersuchung der Folgeprodukte von Ver¬ brennungen - ist auch He+ verwendbar. Vor allem für die Untersuchung von Luftverunreinigungen hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, ein und dasselbe Gas zunächst beispielsweise mit Kr+-Ionen, anschließend mit Xe+-Ionen zu untersuchen. Beim Wechsel von der einen zur anderen Ionenart ist es dabei nötig, Gas, aus dem die erste Ionenart erzeugt wird, völlig aus dem System zu entfernen, bevor das nächste Gas eingeführt wird. Obwohl bei Verwendung lediglich von Kr+- und Xe+-Ionen die in der Ionenquelle vorhandene Gasmenge sehr gering sein kann, dauert der Gaswechsel infolge der begrenzten Pumpleistungen mindestens 10 sec. Außerdem sind in dem aus der Ionenquelle gewonnenen Ionenstrahl aufgrund von Kontaminationen bzw. Restgasen immer noch unerwünschte Ionensorten beigemischt.
Obwohl es zahlreiche wissenschaftliche Untersuchungen gibt, in denen H30+-Ionen mit Gasen zur Reaktion ge¬ bracht worden sind, welche auch als Emissionen von Ver¬ brennungsmotoren eine Rolle spielen, wäre es bei der bekannten Vorgangsweise ganz unmöglich, in der Ionen¬ quelle abwechselnd H30+-Ionen einerseits, Kr+- oder Xe+-Ionen andererseits zu erzeugen. Die überwiegende Emission von H30+-Ionen aus der Ionenquelle setzt näm¬ lich voraus, daß im Bereich der Ionenquelle vorhandener Wasserdampf eine Vielzahl von Ionenreaktionen durch¬ macht, bevor die Ionen aus der Ionenquelle austreten. Der hiefür notwendige Druck in der Ionenquelle beträgt typischerweise einige 10~2 - 10"1 Torr. Es wäre gänz¬ lich unmöglich, innerhalb vertretbarer Zeiträume derar- tige Mengen Wasserdampf so vollständig zu entfernen, daß Reste davon den Betrieb der Ionenquelle mit Edelgas bei etwa 10~6 Torr nicht mehr stören.
Die Erfindung versucht nicht mehr, wie dies bisher ge- schehen ist, die Zeit für die Entfernung der zunächst verwendeten Primärionen beispielsweise durch Erhöhung der Pumpleistung möglichst zu verkürzen. Grundgedanke der Erfindung ist es vielmehr, dauernd alle wahlweise zur Anwendung kommenden Ionenarten in der Ionenquelle zuzulassen, diese zwischen Ionenquelle und Reaktions- räum jedoch zu selektieren.
Aus US-A-3 668 383 ist bereits eine Einrichtung bekannt geworden, welche es erlaubt, Gasgemische zu analysie¬ ren, indem die Reaktionsprodukte von Primärionen mit dem zu untersuchenden Gas entsprechend ihrer Driftge¬ schwindigkeit in einem Puffergas selektiert werden. Hier liegt es nahe, die veschiedenen Driftgeschwindig¬ keiten im ohnedies vorhandenen inerten Puffergas auch zur Auswahl einer bestimmten Primärionen-Art zu verwen- den. Daß eine gewisse Auswahl getroffen werden muß, liegt insbesondere dann nahe, wenn das zu untersuchende Gas selbst entweder allein oder mit einem zusätzlich zur Erzeugung von Primärionen dienenden Gas bereits in die Ionenquelle eingebracht wird.
Die Erfindung geht demgegenüber davon aus, daß Ionen, welche die gleiche kinetische Energie haben, je nach ihrer Masse unterschiedliche Geschwindigkeiten aufwei¬ sen. Geringfügige Unterschiede in der Ausgangsenergie können dabei relativiert werden, indem alle aus der ϊonenquelle austretenden Ionen durch dasselbe elektri¬ sche Potential beschleunigt werden. Vorzugsweise dient zur Selektion das bekannte Wien'sehe Filter, welches aus zueinander und zur Bewegungsrichtung der Teilchen normal stehenden elektrischen und magnetischen Feldern besteht. Bei gegebener Stärke des elektrischen und ma¬ gnetischen Feldes geht dann jene Ionenart unabgelenkt durch, für welche die Beziehung v = E/B gilt. Abmessun¬ gen und Feldstärken der Einrichtung sind natürlich so aufeinander abzustimmen, daß die Ionenarten, für welche die Beziehung nicht erfüllt ist, so stark abgelenkt werden, daß sie nicht mehr in die Eingangsblende des Reaktionsraumes gelangen.
Insgesamt löst die gegenständliche Erfindung die ge- stellte Aufgabe somit dadurch, daß die Ionenquelle einen Betriebszustand aufweist, in welchem aus einge¬ fülltem Wasserdampf erzeugte Ionen an Reaktionen teil¬ nehmen, als deren Folge in der Ionenquelle H30+-Pri- märionen entstehen, und daß in an sich bekannter Weise zwischen Ionenquelle und Reaktionsraum eine Filterein¬ richtung vorgesehen ist, welche wahlweise jeweils eine der gleichzeitig in der lonenguelle aus verschiedenen neutralen Atomen oder Molekülen erzeugten Primärionen- arten zum Reaktionsraum durchtreten läßt und den Durch- gang für die übrigen Primärionenarten sperrt.
Der Artikel von H.KAMBARA und I.KANOMATA "Determination of Impurities in Gases by Atmospheric Pressure lonization Mass Spectrometry" in Analytical Chemistry Vol. 49, No.2; February 1977, Seiten 270-275 erwähnt zwar H30+-Ionen, nicht jedoch als Primärionen zum Be¬ schüß von Neutralionen einer Reaktionskammer, wie dies beim Erfindungsgegenstand der Fall ist, sondern als bloße Reaktionsprodukte.
Der Artikel von M.F.MAHMOOD "An experimental technique for measurement of emission cross sections of excited state species in ion-molecule reactions" in Rev. Sei. Instrum. 61(11), November 1990, Seiten 3378-3380 be- schreibt zwar die Idee, die Primärionen nach der lonen¬ guelle zu beschleunigen, dann in einem Wien-Filter zu selektieren und anschließend vor der Reaktionskammer wieder abzubremsen, allerdings werden bei dieser be¬ kannten Einrichtung nicht gleichzeitig aus verschie- denen neutralen Atomen oder Molekülen in der Ionen¬ quelle Primärionen erzeugt. Es besteht lediglich die Möglichkeit, hintereinander verschiedene Gase in der Ionenquelle einzulassen. Die gleichzeitige Bereitstel¬ lung verschiedener Primärionen aus verschiedenen neu¬ tralen Atomen und Molekülen ist damit nicht möglich.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrich¬ tung liegt in der Möglichkeit, H30+-Ionen zur Untersu¬ chung beispielsweise von Autoabgasen zu verwenden. Da¬ mit ist es möglich, Abgaskomponenten festzustellen, welche mit Krypton- und Xenon-Ionen nicht nachweisbar sind. Insbesondere handelt es sich um Komponenten, die in sogenanntem Biosprit enthalten sind oder bei dessen Verwendung als Schadstoffe auftreten, beispielsweise Formaldehyd und Methanol. Die Zahl für die Analyse in- teressanter Protonentauschreaktionen, durch welche H30+ ein Proton abgibt und zu H20 wird, ist insgesamt sehr groß. Als bedeutsam erwähnt seien beispielsweise die Übergänge
CH20 zu CH30+ HCOOH zu CH302 +
CH3OH ZU CH50+
C2H4 zu C2H5 +
C2H5OH ZU C2H?0+
Figure imgf000007_0001
C4H2 ZU C4H3 +
C4H8 zu C4H9 +
H2S ZU H3S+
H2S04 ZU H304S+
NH3 ZU NH4 + wobei alle diese Beispiele von praktischer Bedeutung sind. Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anschließend anhand der Zeichnung erläutert. In dieser ist
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungs- gemäßen Einrichtung mit Wien'schem Filter, Fig. 2 eine realistischere Darstellung der Einrichtung nach Fig. 1 mit dem Wien'sehen Filter vorgeschalteter Beschleuni¬ gungsstrecke im Vertikalschnitt, Fig. 3 ist eine Dar¬ stellung des Potentialverlaufs einer gegenüber Fig. 2 geringfügig abgeänderten Einrichtung, Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel mit geänderter Filtereinrichtung.
Die wesentlichen bekannten Bestandteile der dargestell¬ ten Einrichtung sind eine Ionenquelle l, ein Reaktions- räum 2 sowie eine Massenspektrometeranordnung 3. Die niederenergetischen Primärionen können mit einer Ionen¬ quelle 1 erzeugt werden, die auf dem Prinzip des Elek¬ tronenstoßes basiert. Derartige Ionenquellen werden beispielsweise von der Firma Balzers unter der Bestell- nummer BG 528 370 T vertrieben. In der Ionenquelle ge¬ langen die Ionen über ein Linsensystem in die Reak¬ tionskammer, wo die Ionen durch ein Hochfrequenz-Feld am Auseinanderlaufen gehindert werden. In diese Reak¬ tionskammer 2 wird das zu untersuchende Gas eingeführt. Zur Untersuchung des aus der Reaktionskammer kommenden Strahls dient ein Quadrupol-Massenspektrometer 3, wel¬ ches nur Ionen bestimmter Masse zu einer bekannten Aus¬ werteelektronik durchläßt. Die Dichte des zu untersu¬ chenden Gases im Reaktionsbereich liegt typischerweise in der Größenordnung von lO""3 bis 10~2 Torr, wogegen im Bereich des Massenspektro eters die freie Weglänge des Gases größer sein soll als die Geräteabmessungen, also ein Vakuum von beispielsweise 10~5 Torr aufrechterhal¬ ten wird. Im übrigen kann eine detaillierte Beschreibung der durch die Erfindung verbesserten Einrichtung unterblei-" ben, da solche Einrichtungen, wie erwähnt, zum Studium spezieller Ionen-Molekülreaktionen bereits verwendet worden sind. Beispielsweise findet sich eine schemati¬ sche Darstellung einer verwendbaren Anordnung zusammen mit Literaturhinweisen, welche einzelne Details erläu¬ tern, in einer Arbeit von H. Villinger, J.H. Futrell, A. Saxer, R. Richter und W. Lindinger in J.Chem.Phys. 80 (6), 15. März 1984.
Neu und erfinderisch ist der Vorschlag, in der -Ionen¬ quelle 1 gleichzeitig dauernd alle Ionenarten zu erzeu¬ gen, welche zu Untersuchungen mittels der dargestellten Einrichtung benötigt werden, jedoch jeweils nur eine Ionenart durch eine Filtereinrichtung 4 in den Reak¬ tionsraum 2 gelangen zu lassen.
Die Anordnung einer Filtereinrichtung zwischen Ionen- quelle und Reaktionsraum hat unabhängig von der Verwen¬ dung verschiedener Ionenarten Vorteile. Ist kein Mas¬ senfilter vorgesehen, so muß nämlich die Energie der Elektronen in der Ionenquelle auf sehr kleinen Werten gehalten werden, um keine rückströmenden Reaktantgase zu ionisieren, die dann die Messung verfälschen. Prak¬ tisch bedeutet dies, daß die Ionenenergie unterhalb des Auftrittspotentials von Stickstoff gehalten werden muß. Bei so niedrigen Energien ist der Wirkungsquerschnitt für die Ionisation beispielsweise von Krypton und Xenon sehr niedrig. Die Ausbeute ist überdies schwankend, da kleine Änderungen der Elektronenenergie zu großen Schwankungen im Ionisationsgrad führen. Der Einbau ei¬ nes primären Massenfilters zwischen Ionenquelle und Re¬ aktionsraum erlaubt es, die Elektronenenergie in der Ionisationsquelle zwischen 70 und 100 eV zu legen. Bei diesem Wert haben die Wirkungsquerschnitte ein Maximum, wodurch die lonenquelle sowohl effektiv wie stabil ist.
Eine einfache Ausführung eines solchen Filters 4 (vgl. Fig. 1) ist das bekannte Wien'sehe Filter, welches aus einem Kondensator 5 besteht, welcher ein elektrisches Feld E erzeugt, und aus einem Magneten, dessen normal zur Zeichenebene verlaufendes Feld B durch Punkte ange¬ deutet ist.
Die Kraft auf ein Ion mit der Ladung e, die vom elek¬ trischen Feld ausgeübt wird, ist eE , die vom Magnet¬ feld ausgeübte Kraft evB. Nur wenn die beiden Kräfte gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet sind, kommt es zu keiner Ablenkung der in Richtung von der Ionen¬ quelle 1 zur Reaktionskammer 2 strömenden Teilchen. Da die einzelnen Ionen die gleiche kinetische Energie m v2/2, jedoch, verschiedene Masse haben, unterscheiden sie sich deutlich in ihrer Geschwindigkeit. Aufgrund dieser unterschiedlichen Geschwindigkeit ist die Bedin¬ gung v = E/B jeweils nur für eine Ionenart so gut er¬ füllt, daß die Ionen durch die Blende 6 des Reaktions¬ raumes 2 gelangen.
Typisch für einen verwendbaren Wien-Filter sind eine Länge von 3 - 4 cm, ein Magnetfeld von 100 - 300 Gauß und eine Spannung von 10 - 100 Volt. Diese Spannung soll zwischen vorgewählten Werten umschaltbar sein, welche für die in Frage kommenden Ionenarten, bei- spielsweise He+, Xe+, Kr+, wahlweise zum unabgelenkten Durchtritt durch die Blende 6 führen.
Für das Funktionieren der dargestellten Einrichtung ist es wesentlich, daß die einzelnen Ionen die gleiche ki- netische Energie haben. Im thermischen Energiebereich ist diese Bedingung schwer zu erfüllen, außerdem sind die absoluten Geschwindigkeitsunterschiede aufgrund der unterschiedlichen Massen gering. Vorteilhafterweise werden daher die Ionen, vor sie die Filtereinrichtung 4 erreichen, beschleunigt und anschließend wieder auf die im Reaktionsraum geforderte Energie von einigen eV ab¬ gebremst.
Die in Fig. 2 dargestellte lonenguelle weist als we¬ sentliche Elemente eine Heizkathode 7 und eine Anode 8 auf. Die von der Heizkathode 7 erzeugten Elektronen werden durch das Fenster 9 der Anode in deren zylindri¬ schen Innenraum gezogen, wo durch Stöße gegen das Neu- tralgas Primärionen erzeugt werden. Überschüssige Elek¬ tronen gelangen zu der symmetrisch zur Heizkathode 7 angeordneten Elektrode 14. Die gebildeten Ionen werden durch die Öffnung 10 abgezogen. Die Platten 11 - 13 be¬ schleunigen die Ionen in Richtung Filtereinrichtung 4, welche Elektroden 5 und Magnete 15 aufweist. Durch die Blende 16 werden die Ionen abgebremst und zum Reak- tionsrau weitergeleitet.
Die in einer im wesentlichen Fig. 2 entsprechenden, je¬ doch vier Platten aufweisenden Einrichtung erfolgende Beschleunigung und Abbremsung der Ionen ist aus Fig. 3 ersichtlich, in welcher jene Potentiale angeschrieben sind, welche für eine bestimmte Ionenart zum Durchgang durch die Filtereinrichtung 4 führen. Wenn eine andere Ionenart durchgelassen werden soll, ist die an den Elektroden 5 der Filtereinrichtung 4 anliegende Span- nung zu verändern.
Wenn man eine Umlenkung der Ionen durch die Filterein¬ richtung 4 in Kauf nimmt, kann auf den Kondensator 5 verzichtet werden. In diesem Fall verlassen die Ionen die Filtereinrichtung 4 im rechten Winkel, soferne sie eine bestimmte Geschwindigkeit und Masse aufweisen. Es ist damit möglich, in der Filtereinrichtung Permanent¬ magnete zu verwenden, da die Geschwindigkeit der Ionen durch Anlegung des gewünschten Potentials an die Fil¬ tereinrichtung 4 erzielbar ist.
Eine entsprechende Ausführung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in Fig. 4 dargestellt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Einrichtung zur Analyse von Gasgemischen, mit einer Ionenquelle, mit einem Reaktionsraum, in welchem die in der Ionenquelle erzeugten Primärionen mit Komponenten des zu untersuchenden Gemisches reagieren, und mit einem Massenspektrometer zur Untersuchung der entstehenden Re¬ aktionsprodukte, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen¬ quelle einen Betriebszustand aufweist, in welchem aus eingefülltem Wasserdampf erzeugte Ionen an Reaktionen teilnehmen, als deren Folge in der Ionenquelle H30+-Pri- märionen entstehen, und daß in an sich bekannter Weise zwischen Ionenquelle und Reaktionsraum eine Filterein¬ richtung vorgesehen ist, welche wahlweise jeweils eine der gleichzeitig in der lonenguelle aus verschiedenen neutralen Atomen oder Molekülen erzeugten Primärionenar- ten zum Reaktionsraum durchtreten läßt und den Durchgang für die übrigen Primärionenarten sperrt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Ionenquelle austretenden Ionen vor dem Ein¬ tritt in die Filtereinrichtung durch ein elektrisches Potential beschleunigt werden.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Filtereinrichtung ein Wien'sches Filter ist, dessen elektrische oder magnetische Feldstärke auf verschiedene Werte einstellbar ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Filtereinrichtung ein konstantes Magnetfeld erzeugt, welches ihre Ionen in den Reaktionsraum führt, die um einen vorgegebenen Winkel, insbesondere um 90°, umgelenkt werden.
PCT/AT1992/000129 1991-10-21 1992-10-21 Einrichtung zur analyse von gasgemischen WO1993008589A1 (de)

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