DE3515258A1 - Device for generating photoionisation on particles, especially on an aerosol - Google Patents
Device for generating photoionisation on particles, especially on an aerosolInfo
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Abstract
Description
Di Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ErzeugungThe invention relates to a device for generating
uon Photoionisation an Partikeln, insbesondere an einem ærosol.uon photoionization on particles, especially on an ærosol.
Die ersten Beobachtungen der Photoelektonenemission st mmen von A. Joffe (1). Es folgten Versuche von R . A. Millikan (2). Photoelektronenemissionsmessungen ln organischen Verbindungen stammen u.a. von M.The first observations of photoelecton emission were made by A. Joffe (1). Attempts by R. A. Millikan (2). Photoelectron emission measurements In organic compounds originate from M.
Pope (3). Emissionsversuche an polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen sind in einem Report der New York University (4) erwähnt. Neuere Untersuchungen finden sich u.a. bei H. Burtscher et al (5 und 6).Pope (3). Emission tests on polycyclic aromatic hydrocarbons are mentioned in a report from New York University (4). Recent research can be found e.g. in H. Burtscher et al (5 and 6).
Die Photoionisation hat in der Analytik ein breites Anwendungsgebiet gefunden. Ihr Grundgedanke besteht diLrin, daß Lichtquanten, welche eine höhere Energie s s das Austrittspotential des zu untersuchenden Mediums haben, von diesem absorbiert und dadurch Elektronen freigesetzt werden. Das Austrittspotential (Austrittsarbeit) ist eine charakteristische Materialgröße. Durch die Elektronenemission wird das Medium positiv geladen.Photoionization has a wide range of applications in analysis found. Their basic idea consists in the fact that light quanta, which is a higher Energy s s have the exit potential of the medium to be examined, from this are absorbed and thereby electrons are released. The exit potential (work function) is a characteristic material quantity. The electron emission will do that Medium positively charged.
Inl Fall von photoionisierten Teilchen oder Molekühlen werden positiv geladene Teilchen bzw. positive Ionen erhalten. Die positive Ladung kann mit bekannten Mitteln gemessen werden.In the case of photoionized particles or molecules become positive get charged particles or positive ions. The positive charge can be known with Means are measured.
Ein wichtiger in Betracht kommender Anwendungsfall ist die Photoionisation von Teilchen (z. B. Aerosolen).An important application to be considered is photoionization of particles (e.g. aerosols).
und Gasen.and gases.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß eine möglichst intensive Anregung des zu untersuchenden Mediums erfolgt und daß Verschmutzungen <1er Anordnung, insbesondere der Lampe verhindert werden.The invention is based on the object of providing a device of the initially described mentioned type in such a way that the most intense possible stimulation of the to be examined Medium takes place and that contamination <1 arrangement, in particular the lamp be prevented.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung im wesentlichen dadurch gelöst, daß ein für die anregende Wellenlänge durchlässiges Glasrohr vorgesehen ist, durch das ein r.it den zur Photoemission anzuregenden Partikeln beladenes Trägergas (Meßmedium) geleitet wird, daß dieses Glasrohr in einer Brennlinie eines die anregende Wellenlänge gut reflektierenden Hohlraumes mit elliptischem Querschnitt gelagert ist, daß in der anderen "rennlinie parallel eine Lampe angeordnet ist, welche die anregende Wellenlänge emittiert und daß am Gasaustrittsende eine elektrisch isolierte Ionenauffangvorrichtung angebracht ist, die mit dem Eingang eines elektronischen Verstärkers verbunden ist, mit dem die Ladungen der ionisierten Teilchen gemessen werden.According to the invention, this object is essentially achieved by that a transparent glass tube for the exciting wavelength is provided through the one carrier gas loaded with the particles to be excited for photoemission (measuring medium) is directed that this glass tube in a focal line of the exciting wavelength well reflective cavity is stored with an elliptical cross section that in a lamp is arranged parallel to the other "running line", which generates the exciting Wavelength emitted and that an electrically isolated ion trapping device at the gas outlet end attached, which is connected to the input of an electronic amplifier, with which the charges of the ionized particles are measured.
Die Erfindung geht von der physikalischen Tatsache aus, daß in einer Ellipse jeder Lichtstrahl, welcher von einem Brennpunkt ausgeht, in den anderen reflektiert wird. Wenn daher z. B. ein Rohr mit elliptischem Querschnitt genommen und der Länge nach eine stabförteige Lampe in der einen Brennlinie und parallel dazu in dew anderen Brennlinie ein Glasrohr angeordnet wird, so wird eine optimale Lichtübertragung von der Lampe in das Glasrohr erreicht. Wird z.B. ein Gas, welches Substanzen enthält, die durch das Licht der verwendeten Lampe ionisiert werden können, (z. B. Aerosole), durch das Glasrohr geleitet, werden diese Substanzen mit hervorragendem Wirkungsgrad angeregt. Mit einem am Austrittsende des Glasrohres angebrachten Ionenfänger kennen die Ione in bekannter Weise aufgefangen und gemessen werden.The invention is based on the physical fact that in a Ellipse every ray of light that emanates from one focal point into the other is reflected. Therefore, if z. B. taken a tube with an elliptical cross-section and lengthways a rod-shaped lamp in one focal line and parallel for this purpose a glass tube is placed in the other focal line, this is an optimal one Achieved light transmission from the lamp into the glass tube. For example, if a gas which Contains substances that can be ionized by the light from the lamp used, (e.g. aerosols), passed through the glass tube, these substances are excellent Efficiency stimulated. With an ion trap attached to the exit end of the glass tube know the ions are captured and measured in a known way.
Die erfindungsgemäße Anordnung bringt nicht nur den Vorteil einer hervorragenden Anregung, sondern sie verhindert darüberhinaus weitgehend das unangenehme Verschmutzen der Meßanorndung. Dies bezieht sich sowohl auf die Lampen, welche bei nahezu allen anderen Anordnungen mit dem Meßmedium in Berührung kommen, wie auch auf den zylindrischen Analysenraum (Rohr), welcher entweder keinerlei strömungshemmende oder beeinflussende Teile mehr enthält oder nur noch solche Teile, wie beispielsweise Elektroden, Düsen, etc., die optimal nach strömur g stechnischen Gesichtspunkten gestaltet werden können.The arrangement according to the invention not only brings the advantage of a excellent stimulation, but it also largely prevents the unpleasant Soiling of the measuring arrangement. This relates both on the Lamps which in almost all other arrangements come into contact with the medium to be measured come, as well as the cylindrical analysis space (tube), which either does not have any Contains more or less flow-inhibiting or influencing parts or only those parts, such as electrodes, nozzles, etc., which are optimally designed according to flow technology Points of view can be designed.
Durch die vollkommene Trennung des Meßmediums (Aerosols) von der Lichtquelle und die Anordnung der Lampe einerseits und des Meßrohrs andererseits in den Brennlinien des Hohlraums mit elliptischen Querschnitt ergibt sich eine höchste Lichtintensität bei niedriger Lampenleistung. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine kompakte Ausführung.Due to the complete separation of the measuring medium (aerosol) from the light source and the arrangement of the lamp on the one hand and the measuring tube on the other hand in the focal lines the cavity with an elliptical cross-section results in the highest light intensity with low lamp power. The arrangement according to the invention enables a compact Execution.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Hohlraum mit dem elliptischen Querschnitt als Kanal in einem z. B. quaderförmigen Materialblock aus hochreflektierendem Vollmetall ausgebildet.According to an advantageous embodiment of the invention is the Cavity with the elliptical cross section as a channel in a z. B. cuboid Material block made of highly reflective solid metal.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der elliptische Hohlraum durch ein Rohr mit elliptischem Querschnitt gebildet.According to another embodiment of the invention, the is elliptical Cavity formed by a tube with an elliptical cross-section.
Zur Erhöhung der Reflektion bzw. der Selektivität ist in vorteilhafterweise der Hohlraum mit elliptischem Querschnitt innen mit einer hoch reflektierenden metallischen Schicht versehen. In vorteilhafter Weise besteht die hochreflektierende Metallschicht aus Rein-Aluminium.To increase the reflection or the selectivity is advantageous the cavity with an elliptical cross-section inside with a highly reflective metallic Layer provided. The highly reflective metal layer is advantageously made made of pure aluminum.
Entsprechend einem abgewandelten Ausführungsbeispiel besteht der Hohlraum mit dem elliptischen Querschnitt aus einem innen oder außen mit selektiv oder total reflektierenden dielektrischen oder metallischen Spiegeln versehenes Glasrohr.According to a modified embodiment, the cavity exists with the elliptical cross-section from an inside or outside with selective or total glass tube provided with reflective dielectric or metallic mirrors.
Zur Erhöhung der Selektivität ist es zweckmäßig, eine UV-Lampe zu verwenden, deren Lichtwellenlänge an das jeweils zu untersuchende Material bzw. die jeweils zu untersuchenden Teilchen angepasst ist.To increase the selectivity, it is advisable to use a UV lamp use the light wavelength of which is adapted to the material or material to be examined. is adapted to the particular particle to be examined.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das, das Meßmedium führende Glasrohr dtS einem für die jeweilige Wellenlänge der ermittierenden UV-Lampe durchlässigen Quarzglas hergestellt.According to an advantageous embodiment of the invention, the measuring medium leading glass tube dtS one for the respective wavelength of the determining UV lamp made of translucent quartz glass.
Zur weiteren Erhöhung der Selektivität ist es zweckmäßig, ein Filter vorzusehen, das für gegenüber der anregenden Lichtwellenlänge kurzwelligere Strahlung u ndurchlässig, für längerwellige, die Substanz noch dnregende Lichtwellenlänge jedoch durchlässig ist.To further increase the selectivity, it is advisable to use a filter to provide that for radiation that is shorter-wave compared to the exciting light wavelength impermeable, for longer-wave light wavelengths that still stimulate the substance but is permeable.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Filter in der Ebene der kurzen Achse des elliptischen Querschnittes ungeordnet.According to one embodiment, the filter is in the plane of the short Axis of the elliptical cross-section disordered.
Gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel ist das Filter als Filterrohr um die Lampe angeordnet.According to a modified embodiment, the filter is a filter tube arranged around the lamp.
Nach einem anderen abgewandelten Ausführungsbeispiel ist das Filter als Rohr um das Meßrohr angeordnet.According to another modified embodiment, the filter is arranged as a tube around the measuring tube.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist das, das Meßmedium führende, Rohr mit Elektroden zur Erzeugung eines achsialen und/der radialen Potentialfeldes versehen.According to a further development of the invention, the measuring medium leading, Tube with electrodes for generating an axial and / or radial potential field Mistake.
Um Kondensationen zu vermeiden, ist es zweckmäßig, um das das Meßmedium führende Rohr eine Heizwendel anzubringen.In order to avoid condensation, it is advisable to use the measuring medium leading pipe to attach a heating coil.
Wird bei einem Anwencq gsbeispiel ein kleiner Teil eines Abgas-Aerosols (z. B. eines Kraftfahrzeuges oder einer Verbrennungsanlage) unmittelbar "in situ" mit einer geeigneten Sonde entnommen und ggf. nach Verdünnung mit Luft durch das Glasrohr der erfindungsgemäßen Anordnung geleitet und als Lampe eine ozonfreie Quecksilberdampf-Niederdrucklampe mit einer bevorzugten Emission von 254 nm verwendet, so werden beim Vorhandensein von mit polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAHs) beschichteten Teilchen diese zur Photoemission angeregt. Die so geladenen Partikel werden mit einem Ionenfänger gesammelt und der Strom gemessen. Der gemessene Strom, welcher beispielsweise den Verbrennungsgrad widerspiegelt, kann zur Anzeige g bracht und/oder zur Regelung des Verbrennungsprozesses herangezogen werden.Is a small part of an exhaust gas aerosol in an application example (e.g. a motor vehicle or an incineration plant) directly "in situ" removed with a suitable probe and, if necessary after dilution with air, through the Glass tube of the arrangement according to the invention passed and an ozone-free mercury vapor low-pressure lamp as the lamp with a preferred emission of 254 nm are used, if present of particles coated with polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) these stimulated to photoemission. The particles charged in this way are captured by an ion trap collected and the current measured. The measured current, which, for example, the Reflects degree of combustion, can be brought to the display and / or to control of the combustion process can be used.
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt: Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel in schematischer Schnittdarstellung, Fig. 2 die Anordnung nach Fig. 1 im Längsschnitt, Fig. 3 die Anordnung nach Fig. 1 oder 2 im Querschnitt, Fig. 4 eine Anordnung mit zusätzlichen Filtern im Querschnitt und Fig. 5 eine Anordnung mit anderer Filteranordnung, ebenfalls im Querschnitt.Details, features and advantages of the invention are based on the Drawing explained in more detail. It shows: FIG. 1 an exemplary embodiment in schematic form Sectional view, FIG. 2 shows the arrangement according to FIG. 1 in longitudinal section, 3 shows the arrangement according to FIG. 1 or 2 in cross section, FIG. 4 shows an arrangement with additional filters in cross section and FIG. 5 shows an arrangement with a different filter arrangement, also in cross section.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung ist der Hohlraum mit elliptischen Querschnitt durch ein elliptisches Rohr 1 gebildet. Im elliptischen Hohlraum ist eine Lampe 2, beispielweise eine Quecksilberdampf-Niederdrucklampe in Richtung der einen Brennlinie des elliptischen Hohlraumes angeordnet. Parallel dazu ist, in der Richtung der zweiten Brennlinie des elliptischen Hohlraumes ein Meßrohr 3, beispielsweise aus Quarzglas angebracht.In the embodiment shown in Fig. 1 of an inventive Arrangement is the cavity with an elliptical cross-section through an elliptical tube 1 formed. A lamp 2, for example a low-pressure mercury vapor lamp, is located in the elliptical cavity arranged in the direction of one focal line of the elliptical cavity. Parallel to this is, in the direction of the second focal line of the elliptical cavity a Measuring tube 3, for example made of quartz glass.
Ein Meßmedium (z.B. Aerosol) wird an einem Eintritt 7 in das Meßrohr 3 eingeleitet und verläßt das Meßrohr 3 bei einem Austritt 8. Vor dem Austrittsende 8 ist eine Ionenfänger-Elektrode 4 vorgesehen, die mit einem elektronischen Verstärker 5 verbunden ist, der wiederum mit einer Anzeige- und Auswerteeinheit 6 in Verbindung steht.A measuring medium (e.g. aerosol) is introduced into the measuring tube at an inlet 7 3 initiated and leaves the measuring tube 3 at an exit 8. Before the exit end 8, an ion trap electrode 4 is provided, which is connected to an electronic amplifier 5 is connected, which in turn is connected to a display and evaluation unit 6 stands.
Während bei dem in den Zeichnungsfiguren darstellten Ausführungsbeispiel der elliptische Hohlraum durch -in Rohr 1 gebildet ist, ist es auch möglich, den elliptischen Hohlraum als Kanal in einem z. B. quaderförmigen Materialblock auszubilden. Dabei kann dieses Material beispielsweise aus einem hochreflektierenden Vollmetall bestehen. Der elliptische Hohlraum kann aber auch mit einer hochreflektierenden Metallschicht 11, beispielsweise aus Rein-Aluminium, versehen sein, wie in Fig. 5 dargestellt.While in the embodiment shown in the drawing figures the elliptical cavity is formed by -in tube 1, it is also possible to use the elliptical cavity as a channel in a z. B. to form a cuboid block of material. This material can be made of a highly reflective solid metal, for example exist. The elliptical cavity can also be made with a highly reflective one Metal layer 11, for example made of pure aluminum, provided be, as shown in FIG.
Der Hohlraum mit elliptischem Querschnitt kann ferner durch ein innen oder außen mit selektiv oder total reflektierenden dielektischen oder metallischen Spiegeln ver-sehenem Glasrohr 1 gebildet sein, wobei die Spiegel etwa der Spiegelfiäche 11 in Fig. 5 entsprechen. Infolge der realen Querschnitte der in den Brennlinien des Hohlraumes des elliptischen Querschnittes angeordneten Lampe 2 und des Meßrohres 3 ist es, gemäß. einem einfachen Ausführungsbeispiel, auch möglich, die Exzentrizität gegen Null gehen zu lassen, so daß der Hohlraum mit dem elliptischen Querschnitt zu einem Hohlraum mit nahezu oder vollständigem Kreisquerschnitt entartet.The cavity with an elliptical cross section can also be through an inside or outside with selectively or totally reflective dielectric or metallic Mirror provided glass tube 1 be formed, the mirror approximately the mirror surface 11 in FIG. 5 correspond. As a result of the real cross-sections in the focal lines of the cavity of the elliptical cross-section arranged lamp 2 and the measuring tube 3 it is, according to. a simple embodiment, also possible, the eccentricity to go to zero, so that the cavity with the elliptical cross-section degenerates into a cavity with almost or completely circular cross-section.
Die für eine jeweils vorliegende Meßaufgabe zweckmäßigste Wellenlänge oder der jeweils benötigte Wellenlängenbereich kann sowohl durch die Wahl der Lampe 2, wie durch die Wahl des Material, aus dem das Glasrohr 3 besteht, erhalten werden. Ferner ist eine Beeinflussung der Licht anregung durch die Anordnung geeigneter Filter möglich. Verschiedene mögliche Filterausbildungen und --anordnungen sind in den Fig. 3, 4 und 5 dargestellt.The most suitable wavelength for a given measuring task or the required wavelength range can be determined both by the choice of lamp 2, as obtained by the choice of the material from which the glass tube 3 is made. Furthermore, influencing the light excitation by the arrangement is more suitable Filter possible. There are various possible filter designs and arrangements shown in FIGS. 3, 4 and 5.
Beispielsweise kann ein Filter 12 in der Ebene der kurzen Achse des elliptischen Hohlraumes als optische Trennwand zwischen Rohr 3 und Lampe 2 angeordnet sein.For example, a filter 12 in the plane of the short axis of the elliptical cavity arranged as an optical partition between tube 3 and lamp 2 be.
Es ist auch möglich, Filter 13 um das Meßrohr 3 bzw.It is also possible to fit the filter 13 around the measuring tube 3 or
ein Filter 14 in Rohrform um die Lampe 2 anzuordnen.a filter 14 in the shape of a tube around the lamp 2 to be arranged.
Es ist auch möglich, das Glasrohr 3 aus einem Quarzglas auszubilden, welches selektiv auf verschiedene Wellenlängen wirkt, beispielsweise derart, daß es das kurzwellige Licht nicht durchläßt, während das längerwellige Licht, das nur noch die zu untersuchenden S abstanzen anregt, ungehindert ins Innere des Rohres 3 eintreten kann.It is also possible to form the glass tube 3 from a quartz glass, which selectively on different Wavelengths acts, for example so that it does not let the short-wave light through, while the longer-wave Light that only stimulates the S to be examined, unhindered into the interior of the pipe 3 can occur.
Um Kondensationen zu verhindern, ist in zweckmäßiger Weise das das Meßmedium führende Rohr 3 mit einem Heizwendel 15 umgeben.To prevent condensation, this is conveniently done The pipe 3 carrying the measuring medium is surrounded by a heating coil 15.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann, zur Erhöhung der Selektivität, dem Gaseintritt 7 ein ansich bekannter Gas- oder Hochdruckflüssigkeitschromatograph vorgeschaltet sein.The invention is not limited to the illustrated and described exemplary embodiments limited. For example, to increase the selectivity, the gas inlet 7 a gas or high pressure liquid chromatograph known per se is connected upstream be.
Je nach Anwendungsfall kann die Lampe 2 eine kontinuierliche Lampe oder eine Blitzlampe sein.Depending on the application, the lamp 2 can be a continuous lamp or be a flashlight.
Die Erfindung umfasst alle fachmännischen Weiterbildungen, Abwandungen und Vereinfachungen, sowie Teil-und Unterkombinationen der beschriebenen und/oder dargestellten Merkmale und Maßnahmen.The invention includes all professional developments and modifications and simplifications, as well as partial and sub-combinations of the described and / or features and measures shown.
B e z u g s z e i c h e n 1 i s t e 1 Rohr mit elliptischem Querschnitt 2 Lampe 3 Meßrohr 4 Ionenfänger-Elektrode 5 elektronischer Verstärker 6 Anzeige- bzw. Auswerteeinheit 7 Meßmedium-Eintritt 8 Meßmedium-Austritt 9 Brennpunkt des elliptischen Querschnittes bzw. Brennlinie des Rohrs mit elliptischem Querschnitt 10 Brennpunkt des elliptischen Querschnittes bzw. Brennlinie des Rohrs mit elliptischem Querschnitt 11 Spiegel schicht 12 Filter in der Ebene der kurzen Achse 13 Filter um Glasrohr 14 Filter um UV-Lampe 15 Heizwendel - L e e r s e i t e - SIGNS 1 i s t e 1 Tube with an elliptical cross-section 2 lamp 3 measuring tube 4 ion trap electrode 5 electronic amplifier 6 display or evaluation unit 7 measuring medium inlet 8 measuring medium outlet 9 focal point of elliptical cross-section or focal line of the tube with elliptical cross-section 10 Focal point of the elliptical cross-section or focal line of the tube with elliptical Cross section 11 mirror layer 12 filter in the plane of the short axis 13 filter around glass tube 14 filter around UV lamp 15 heating coil - L e r s e i t e -
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