DE10306900A1 - Gas analysis spectrometer, e.g. for use as fire alarm or internal air quality monitoring, has laser and chamber with unit to generate potential gradient, optical crystal, resonator and ion collector - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer mit einer Laseranordnung zur Gasanalyse gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The present invention relates a spectrometer with a laser arrangement for gas analysis according to the preamble of claim 1.
Spektrometer werden in vielen Bereichen der Technik zur Analyse von Stoffen eingesetzt. Spektrometer können beispielsweise dazu dienen, Brände zu detektieren oder auch gesundheitsschädliche Stoffe frühzeitig zu erkennen. Insbesondere in Flugzeugen ist die frühzeitige Branddetektion von großer Bedeutung, da ein Fehlalarm mit extrem hohen Kosten verbunden ist, insbesondere wenn dadurch eine Notlandung verursacht wird.Spectrometers are used in many areas Technique used for the analysis of substances. For example, spectrometers can serve fires to detect or even harmful substances early on to recognize. Especially in airplanes is the early Fire detection of large Meaning, because a false alarm is associated with extremely high costs, especially if it causes an emergency landing.
Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist die Messung der Luftqualität in Flugzeugen und anderen Transportmitteln für Passagiere. Befindet sich beispielsweise ein Flugzeug in der Warteposition wird im Innenraum häufig ein sehr unangenehmer Geruch wahrgenommen, der durch die laufenden Triebwerke verursacht wird, wobei sich in diesen Fällen z.B. Hydrauliköl in der Luft befindet. Die rechtzeitige und sichere Detektion störender oder gar gesundheitsschädlicher Stoffe in Passagierräumen ist deshalb eine wichtige Voraussetzung für die Verbesserung der Luftqualität.Another important application is the measurement of air quality in airplanes and other means of transport for passengers. For example an aircraft in the waiting position is often in the interior very unpleasant smell perceived by the running engines caused in these cases, e.g. Hydraulic oil in the Air is located. The timely and safe detection of disturbing or even harmful to health Fabrics in passenger spaces is therefore an important prerequisite for improving air quality.
Weitere wichtige Anwendungen sind Sicherheitsüberprüfungen von Personen oder Sachen in Bezug auf das Vorhandensein gefährlicher Stoffe, wie beispielsweise Sprengstoff, oder die Vorwarnung bei der Entstehung von Bränden.Other important applications are Security checks by Persons or things related to the presence of dangerous Substances, such as explosives, or the prewarning the emergence of fires.
Als Spektrometer sind beispielsweise Ionenmobilitätsspektrometer bekannt, bei denen Moleküle zunächst ionisiert und anschließend über ein Potentialgefälle beschleunigt werden. Die Ionen werden einem Ionenkollektor zugeführt und es wird die zeitliche Verteilung des Ionenstroms gemessen, die durch die unterschiedliche Beweglichkeit der verschiedenen Ionen verursacht wird. Zur Ionisierung werden in den meisten Fällen radioaktive Quellen verwendet. Dies ist jedoch relativ unspezifisch und führt zu einer schlechten Auflösung der verschiedenen Moleküle.As a spectrometer, for example Ion mobility spectrometer in which molecules are first ionized and then over potential gradient be accelerated. The ions are fed to an ion collector and the time distribution of the ion current is measured by the causes different mobility of different ions becomes. For ionization, radioactive sources are used in most cases. This is however relatively unspecific and leads to a bad resolution of the different molecules.
Daher wurde versucht, die Ionisierung mit Laserstrahlen herbeizuführen. Dabei bestehen jedoch verschiedenartige Probleme: Zum einen müssen möglichst viele Moleküle ionisiert werden um einen großen Strom am Kollektor zu erzeugen, weshalb eine effiziente Wechselwirkung zwischen den Laserstrahlen und den Molekülen notwendig ist. Zum anderen sind zur wellenlängenselektiven Ionisation abstimmbare Laser erforderlich. Insgesamt führt dies zu einer relativ großen Bauweise und in vielen Fällen zu einer geringen Messgenauigkeit bzw. einer geringen Sicherheit hinsichtlich der erzielten Messergebnisse. D.h., die Selektivität ist in vielen Fällen gering, was bei der spezifischen Erkennung bestimmter Stoffe nachteilhaft ist und eine frühzeitige und sichere Erkennung gefährlicher Stoffe oder eine sichere Branddetektion erschwert.Therefore, the ionization was tried with laser beams. However, there are various problems: First, as possible many molecules be ionized by a big one To generate electricity at the collector, which is why an efficient interaction between the laser beams and the molecules is necessary. On the other hand are to wavelength selective Ionization tunable lasers required. Overall, this leads to a relatively large one Construction and in many cases too a low accuracy of measurement or low safety in terms the results obtained. That is, the selectivity is in many cases low, which is disadvantageous in the specific detection of certain substances is and an early one and safe detection of dangerous Substances or reliable fire detection.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Spektrometer zur Gasanalyse zu schaffen, das eine kleine Bauweise und dennoch eine hohe Selektivität aufweist und mit dem eine sichere und frühzeitige Detektion gefährlicher Stoffe, insbesondere in Flugzeugen, möglich ist.It is therefore the object of the present invention to create a spectrometer for gas analysis that has a small construction and yet a high selectivity and with the safe and early detection of dangerous Substances, especially in aircraft, is possible.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Spektrometer zur Gasanalyse gemäß Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.This task is solved by the spectrometer for gas analysis according to claim 1. Other provide advantageous features, aspects and details of the invention from the dependent ones claims, the description and the drawing.
Das erfindungsgemäße Spektrometer zur Gasanalyse umfasst eine Kammer zur Aufnahme eines zu analysierenden Gases, eine Laseranordnung zur Erzeugung von Ionen in dem Gas mittels ionisierender Laserstrahlung, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Potentialgefälles in der Kammer, um die erzeugten Ionen zu beschleunigen, und einen Ionenkollektor zur Detektion der beschleunigten Ionen, wobei innerhalb der Kammer mindestens ein optischer Kristall angeordnet ist und in der Kammer ein optischer Resonator integriert ist, um innerhalb der Kammer die ionisierende Laserstrahlung zu erzeugen.The spectrometer according to the invention for gas analysis comprises a chamber for receiving a gas to be analyzed, a laser arrangement for generating ions in the gas by means of ionizing Laser radiation, a device for generating a potential gradient in the chamber to accelerate the ions generated, and an ion collector for detecting the accelerated ions, being inside the chamber at least one optical crystal is arranged and in the chamber An optical resonator is integrated to within the chamber to generate the ionizing laser radiation.
Das erfindungsgemäße Spektrometer hat aufgrund der o.g. Merkmale eine sehr hohe Nachweisempfindlichkeit und eine hohe Selektivität und kann dennoch in miniaturisierter Bauweise gefertigt werden. Durch die Integration des optischen Resonators in die Kammer und durch den innerhalb der Kammer angeordneten optischen Kristall wird insbesondere eine miniaturisierte Bauweise und gleichzeitig eine Vergrößerung der Wechselwirkungslänge zwischen der ionisierenden Laserstrahlung und den zu ionisierenden Stoffen, beispielsweise Molekülen, erreicht. Es ergibt sich eine sehr hohe Effizienz bei der Ionisierung der durch den Gasstrom eingeführten Moleküle und eine sehr hohe Selektivität.The spectrometer according to the invention has due the o.g. Features a very high detection sensitivity and a high selectivity and can still be manufactured in miniaturized design. By integrating the optical resonator in the chamber and through the optical crystal disposed within the chamber in particular a miniaturized design and at the same time a Magnification of the Interaction length between the ionizing laser radiation and the ionizing Substances, such as molecules, reached. This results in a very high efficiency in the ionization the introduced by the gas flow molecules and a very high selectivity.
Da die Ionen direkt in dem integrierten Resonator gebildet werden können, werden diese unmittelbar dem Potentialgefälle folgen und können entsprechend ihrer Ionenmobilität auf dem Ionendetektor zeitlich getrennt erfasst werden.Since the ions are integrated directly in the Resonator can be formed These will immediately follow the potential gradient and can accordingly their ion mobility be recorded separately on the ion detector.
Vorzugsweise ist der optische Kristall zur Wellenlängentransformation einer von außen in die Kammer eingekoppelten Lichtstrahlung in die ionisierende Laserstrahlung ausgestaltet. Dabei wird die eingekoppelte Strahlung beispielsweise durch einen oder mehrere optisch nichtlineare Prozesse in eine andere Wellenlänge transformiert, beispielsweise in die frequenzverdoppelte Wellenlänge. Durch die transformierte Strahlung, die im Resonator verbleibt, wird eine sehr hohe Photonenflussdichte erreicht, was zur sehr hohen Effizienz bei der Ionisierung beiträgt. Diese im Resonator verbleibende Strahlung kann deshalb besonders vorteilhaft für die spektroskopische Anwendung verwendet werden.Preferably, the optical crystal is to the wavelength transformation one from the outside into the chamber coupled light radiation into the ionizing Laser radiation designed. This is the coupled radiation for example, by one or more optically non-linear processes into a different wavelength transformed, for example in the frequency doubled wavelength. By the transformed radiation remaining in the resonator becomes a achieved very high photon flux density, resulting in very high efficiency contributes to the ionization. This radiation remaining in the resonator can therefore be particularly advantageous for the spectroscopic application can be used.
Bevorzugt dient der optische Kristall zur Durchführung eines optisch-parametrischen Prozesses, einer Summenfrequenzmischung und/oder einer Frequenzverdopplung. Der optische Kristall kann insbesondere ein nichtlinearer Kristall sein. Dadurch kann Laserstrahlung beispielsweise im sichtbaren Wellenlängenbereich eingekoppelt werden und innerhalb des fest in das Spektrometer bzw. Ionenmobilitätsspektrometer integrierten Resonators in kürzerwellige Strahlung umgewandelt werden, wobei der Resonator für diesen Wellenlängenbereich resonant ist.Preferably, the optical crystal is used to perform an optical parametric process, a sum frequency mixing and / or a frequency doubling. The optical crystal may be, in particular, a nonlinear crystal. Thereby For example, laser radiation can be coupled in in the visible wavelength range and converted into shorter-wave radiation within the resonator integrated into the spectrometer or ion mobility spectrometer, the resonator being resonant for this wavelength range.
Vorzugsweise liegt die ionisierende Laserstrahlung, die im Resonator hin- und zurückreflektiert wird und/oder umläuft, im UV-Bereich. Diese innerhalb des Resonators mehrfach reflektierte oder umlaufende Strahlung kann somit dazu genutzt werden, die in den Laserresonator des Spektrometers durch einen geeigneten Gasstrom eingeführten Moleküle mit einer besonders hohen Effizienz und mit besonders hoher Selektivität zu ionisieren.Preferably, the ionizing Laser radiation, which is reflected back and forth in the resonator and / or circulates, in the UV range. This multiple reflected within the resonator or circulating radiation can thus be used in the the laser resonator of the spectrometer by a suitable gas flow introduced Molecules with to ionize a particularly high efficiency and with particularly high selectivity.
Der optische Kristall kann bevorzugt auch als ein Laserkristall ausgestaltet sein, der im Betrieb die ionisierende Laserstrahlung erzeugt. Bevorzugt umfasst dabei das Spektrometer eine Einrichtung zum optischen und/oder elektrischen Pumpen des optischen Kristalls. Vorteilhafterweise wird der optische Kristall im Betrieb durch einen von außen eingekoppelten Lichtstrahl optisch gepumpt, um die ionisierende Laserstrahlung zu erzeugen.The optical crystal may be preferred Also be designed as a laser crystal, the ionizing in operation Laser radiation generated. In this case, the spectrometer preferably comprises a device for optical and / or electrical pumping of optical crystal. Advantageously, the optical crystal becomes in operation by one from the outside coupled light beam optically pumped to the ionizing To generate laser radiation.
Vorteilhafterweise ist die Frequenz der ionisierenden Laserstrahlung abstimmbar. Da der Ionisierungsvorgang wellenlängenabhängig ist, kann durch diese zusätzliche Maßnahme eine noch höhere Selektivität bei der Ionisierung der zu erfassenden Stoffmoleküle erzielt werden. Dadurch ergibt sich eine noch weiter verbesserte Messgenauigkeit.Advantageously, the frequency the ionizing laser radiation tunable. Because the ionization process is wavelength dependent, can through this additional measure an even higher one selectivity achieved in the ionization of the substance molecules to be detected become. This results in a still further improved measurement accuracy.
Bevorzugt umfasst der Resonator ein oder mehrere Spiegel, die in der Wandung der Kammer, beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten, integriert sind. Der Resonator kann auch als Ringresonator ausgebildet sein. Die Spiegel sind vorteilhafterweise für die Wellenlänge der von außen eingekoppelten Lichtstrahlung durchlässig und für die Wellenlänge der ionisierenden Laserstrahlung im Wesentlichen undurchlässig. Dadurch kann Lichtstrahlung oder Laserstrahlung bei einer oder mehreren Wellenlängen mittels der bei diesen Wellenlängen hochtransmittierenden Spiegeln in den Resonator eingekoppelt werden, der durch eine besonders hohe Reflexion der Resonatorspiegel bei einer oder mehreren anderen Wellenlängen charakterisiert ist, die die ionisierende Strahlung bilden. Dadurch kann die in die Ionisierungswellenlänge transformierte Strahlung im Resonator verbleiben und dort die besonders hohe Photonenflussdichte für die spektroskopische Anwendung erzeugen.Preferably, the resonator comprises a or more mirrors located in the wall of the chamber, for example on opposite Pages, are integrated. The resonator can also act as a ring resonator be educated. The mirrors are advantageously for the wavelength of the from the outside coupled light radiation permeable and for the wavelength of ionizing laser radiation substantially impermeable. Thereby can light radiation or laser radiation at one or more wavelength by means of at these wavelengths highly transmissive mirrors are coupled into the resonator, the by a particularly high reflection of the resonator at one or more other wavelengths is characterized form the ionizing radiation. As a result, the transformed into the ionization wavelength Radiation remain in the resonator and there the particularly high photon flux density for the generate spectroscopic application.
Vorteilhafterweise umfasst das Spektrometer eine Einrichtung zur Laufzeitmessung der Ionen, um ein Laufzeitmassenspektrum zu erzeugen. Damit können die in dem Resonator gebildeten Ionen, die dem Potentialgefälle folgen, entsprechend ihrer Ionenmobilität auf dem Detektor bzw. Ionendetektor zeitlich getrennt erfasst und in Form eines Laufzeit-Massenspektrums gemessen bzw. dargestellt werden.Advantageously, the spectrometer comprises a Device for transit time measurement of the ions to a transit time mass spectrum to create. With that you can the ions formed in the resonator that follow the potential gradient, according to their ion mobility recorded on the detector or ion detector separated in time and measured or represented in the form of a transit time mass spectrum.
Vorteilhafterweise kann auch Laserstrahlung von einem spektral schmalbandigen Laser oder Single-Frequency-Laser beispielsweise in den Resonator des Spektrometers eingekoppelt werden, wobei sich diese Resonanzstrahlung im Resonzfall zu einer hohen, im Resonator umlaufenden Photonendichte aufbaut. Dies kann nun dazu genutzt werden, entweder direkt die in der Kammer vorhandenen Stoffe oder Stoffgruppen zu ionisieren bzw. optisch anzuregen oder durch einen geeigneten optisch-nichtlinearen Prozess im Spektrometer eine für die Ionisation bzw. für die Messung optimal geeignete Wellenlänge zu erzeugen.Advantageously, laser radiation of a spectrally narrow-band laser or single-frequency laser For example, be coupled into the resonator of the spectrometer, wherein this resonance radiation in the case of resonance to a high, builds up in the resonator circulating photon density. This can now be done be used, either directly the substances present in the chamber or To ionize or optically stimulate substance groups or by a suitable optically nonlinear process in the spectrometer one for the ionization or for the Measurement to produce optimally suitable wavelength.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand
von
Die Reihen von Elektroden
Die gegenüberliegenden Spiegel
Durch die Anordnung der Spiegel
Der zwischen den beiden Spiegeln
Die Frequenzkonversion durch den
nichtlinearen oder optischen Kristall
Die ionisierende Laserstrahlung S
kann beispielsweise auch abstimmbar sein. Zu diesem Zweck wird der
nichtlineare Kristall
In der Wandung
Die im Resonator umlaufende, hin-
und zurückreflektierte
Laserstrahlung S ionisiert die durch die Einlassöffnung
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist
der optische Kristall
Es ist jedoch auch möglich, den
Laserkristall
Zusammengefasst könnenalso ein oder mehrere nichtlineare
Kristalle und/oder Laserkristalle in dem optischen Resonator angeordnet
sein, der aus mindestens zwei Spiegeln
Im Betrieb wird beispielsweise ein
gepulster Laserstrahl S erzeugt, dessen Wellenlänge z.B. bei 266 nm liegt,
wobei die Spiegel
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