EP0453808A1

EP0453808A1 - Einrichtung zur Analyse von Gasgemischen mittels Massenspektrometrie

Info

Publication number: EP0453808A1
Application number: EP91104957A
Authority: EP
Inventors: Werner Dr. Lindinger
Original assignee: Ionentechnik GmbH
Current assignee: Ionentechnik GmbH
Priority date: 1990-04-05
Filing date: 1991-03-28
Publication date: 1991-10-30
Also published as: JPH04242063A

Abstract

Beschrieben wird eine Einrichtung zur Analyse von Gasgemischen, mit einer Ionenquelle (1) zur Erzeugung verschiedener Ionenarten, mit einem Reaktionsraum (2), in welchem die Ionen mit Komponenten des zu untersuchenden Gemisches reagieren, und mit einem Massenspektrometer (3) zur Untersuchung der entstehenden Reaktionsprodukte. Zwischen Ionenquelle (1) und Reaktionsraum (2) ist ein Wien'sches Filter (5) vorgesehen, welches wahlweise jeweils eine der gleichzeitig in der Ionenquelle (1) erzeugten Ionenart zum Reaktionsraum (2) durchtreten läßt und den Durchgang für die übrigen Ionenarten sperrt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Analyse von Gasgemischen, mit einer Ionenquelle zur Erzeugung verschiedener Ionenarten, deren freie Weglänge größer ist als die Geräteabmessungen der Ionenquelle, mit einem Reaktionsraum, in welchem die Ionen mit Komponenten des zu untersuchenden Gemisches reagieren, und mit einem Massenspektrometer zur Untersuchung der entstehenden Reaktionsprodukte.
Bei der Untersuchung von Ionen-Molekülrekationen 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 Veränderung des getroffenen Moleküls, z.B. durch Dissoziation, kommen. Masse und Ladung der Reaktionsprodukte lassen sich in einem Massenspektrometer analysieren. Dies geschieht heute primär zu dem Zweck, die Wirkungsquerschnitte der verschiedenen Ionen-Molekülreaktionen bei verschiedenen Energien festzustellen.
Aus AT-PS 384 678 ist auch bereits der Vorschlag bekannt, mit einem Ionenstrahl die Abgase von Verbrennungsprozessen simultan auf CO, NO und NO₂ zu untersuchen. Wesentliche Voraussetzung ist die Verwendung einer Ionenquelle, welche Ionen mit einer Energie unter 10 eV, vorzugsweise unter 2 eV, aussendet, welche einerseits die relevanten Schadstoffe ionisieren, andererseits aber die Komponenten des Gasgemisches nicht dissoziieren.
Eine bekannte Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens verwendet als Primärionen abwechselnd Kr⁺- und Xe⁺-Ionen. Für verschiedene Untersuchungen - allerdings nicht für die Untersuchung der Folgeprodukte von Verbrennungen - 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, die erste Ionenart völlig aus dem System zu entfernen, bevor die nächst Ionenart eingeführt wird. Da im Bereich der Ionenquelle die freie Weglänge des Gases größer sein soll als die Geräteabmessungen, der Druck also ohnehin auch im Betrieb nicht über 10⁻⁵ Torr liegen darf, hat die bekannte Vorgangsweise zwei Nachteile: zunächst läßt sich ein gewisser Restanteil der ursprünglich verwendeten Ionenart schwer ganz beseitigen, außerdem dauert der Übergang zwischen den Ionenarten auch dann erhebliche Zeit, wenn man eine gewisse Kontamination und damit Verfälschung des Ergebnisses in Kauf nimmt.
Die Erfindung versucht nicht mehr, wie dies bisher geschehen 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 verfügbar zu halten, diese zwischen Ionenquelle und Reaktionsraum jedoch zu selektieren.
Aus US-A-3 668 383 ist bereits eine Einrichtung bekannt geworden, welche es erlaubt, Gasgemische zu analysieren, indem die Reaktionsprodukte von Primärionen mit dem zu untersuchenden Gas entsprechend ihrer Triftgeschwindigkeit in einm Puffergas selektiert werden. Hier liegt es nahe, die verschiedenen Triftgeschwindigkeiten im ohnedies vorhandenen inerten Puffergas auch zur Auswahl einer bestimmten Primärionen-Art zu verwenden. 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 bei einer Ionenquelle, in welcher ein sehr niedriger Druck herrscht, die austretenden Ionen die selbe kinetische Energie und damit je nach ihrer Masse unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen. Ihre Selektion ist dadurch auch dann möglich, wenn nicht wie bei der Einrichtung nach US-A-3 668 383 ein Puffergas zur Selektionierung nach unterschiedlichen Triftgeschwindigkeiten vorhanden ist bzw. verwendet werden kann. Erfindungsgemäß dient zur Selektion das bekannte Wien'sche Filter, welches aus zueinander und zur Bewegungsrichtung der Teilchen normal stehenden elektrischen und magnetischen Feldern besteht. Bei gegebener Stärke des elektrischen und magnetischen Feldes geht dann jene Ionenart unabgelenkt durch, für welche die Beziehung v = E/B gilt. Abmessungen 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 Erfindung die gestellte Aufgabe somit dadurch, daß in an sich bekannter Weise zwischen Ionenquelle und Reaktionsraum eine Filtereinrichtung vorgesehen ist, welche wahlweise jeweils eine der gleichzeitig in der Ionenquelle erzeugten Ionenarten zum Reaktionsraum durchtreten läßt und den Durchgang für die übrigen Ionenarten sperrt, und daß die Filtereinrichtung ein Wien'sches Filter ist, dessen elektrische oder magnetische Feldstärke auf verschiedene Werte einstellbar ist.
Einzelheiten der Erfindung werden anschließend anhand einer schematischen Darstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung erläutert.
Die wesentlichen bekannten Bestandteile der dargestellten Einrichtung sind eine Ionenquelle 1, ein Reaktionsraum 2 sowie eine Massenspektrometeranordnung 3. Die niederenergetischen Primärionen können mit einer Ionenquelle 1 erzeugt werden, die auf dem Prinzip des Elektronenstoßes basiert. Derartige Ionenquellen werden beispielsweise von der Firma Balzers unter der Bestellnummer BG 528 370 T vertrieben. Ein an die Ionenquelle 1 anschließendes Oktopol-System erzeugt ein hochfrequentes Feld, welches den Ionenstrahl am Auseinanderlaufen hindert. Anschließend gelangen die Ionen in die Reaktionskammer 2, in welche das zu untersuchende Gas eingeführt wird. Zur Untersuchung des aus der Reaktionskammer kommenden Strahls dient ein Quadrupol-Massenspektrometer 3, welches nur Ionen bestimmter Masse zu einer bekannten Auswerteelektronik durchläßt. Die Dichte des zu untersuchenden Gases im Reaktionsbereich liegt typischerweise in der Größenordnung von 10⁻² Torr, wogegen im Bereich der Ionenquelle und des Massenspektrometers die freie Weglänge des Gases größer sein soll als die Geräteabmessungen, also ein Vakuum von beispielsweise 10⁻⁵ Torr aufrechterhalten wird.
Im übrigen kann eine detaillierte Beschreibung der durch die Erfindung verbesserten Einrichtung unterbleiben, da solche Einrichtungen, wie erwähnt, zum Studium spezieller Ionen-Molekülreaktionen bereits verwendet worden sind. Beispielsweise findet sich eine schematische Darstellung einer verwendbaren Anordnung zusammen mit Literaturhinweisen, welche einzelne Details erläutern, 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 Ionenquelle 1 gleichzeitig dauernd alle Ionenarten zu erzeugen, welche zu Untersuchungen mittels der dargestellten Einrichtung benötigt werden, jedoch jeweils nur eine Ionenart durch eine Filtereinrichtung 4 in den Reaktionsraum 2 gelangen zu lassen. Die einfachste Ausführung eines solchen Filters 4 ist das bekannte Wien'sche 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 angedeutet ist.
Die Kraft auf ein Ion mit der Ladung e, die vom elektrischen Feld ausgeübt wird, ist eE , die vom Magnetfeld ausgeübte Kraft evB. Nur wenn die beiden Kräfte gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet sind, kommt es zu keiner Ablenkung der in Richtung von der Ionenquelle 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 Bedingung v = E/B jeweils nur für eine Ionenart so gut erfüllt, daß die Ionen durch die Blende 6 des Reaktionsraumes 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, beispielsweise He⁺, Xe⁺, Kr⁺, wahlweise zum unabgelenkten Durchtritt durch die Blende 6 führen.

Claims

Einrichtung zur Analyse von Gasgemischen, mit einer Ionenquelle zur Erzeugung verschiedener Ionenarten,deren freie Weglänge größer ist als die Geräteabmessungen der Ionenquelle, mit einem Reaktionsraum, in welchem die Ionen mit Komponenten des zu untersuchenden Gemisches reagieren, und mit einem Massenspektrometer zur Untersuchung der entstehenden Reaktionsprodukte, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise 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, und daß die Filtereinrichtung (4) ein Wien'sches Filter ist, dessen elektrische oder magnetische Feldstärke auf verschiedene Werte einstellbar ist.