DE2720300A1

DE2720300A1 - Verfahren und geraet zur untersuchung von gasen

Info

Publication number: DE2720300A1
Application number: DE19772720300
Authority: DE
Inventors: Eduard Dr Rer Nat Bailitis
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1977-05-06
Filing date: 1977-05-06
Publication date: 1978-11-09
Also published as: FR2389885A1; DE2720300C3; JPS53138792A; GB1603284A; CH638046A5; DE2720300B2; FR2389885B1; US4170892A

Description

27.4.1977 K 206

Anmelder: Kernforschungsanlage Jülich

Gesellschaft mit beschränkter Haftung 5170 Jülich

Verfahren und Gerät zur Untersuchung von Gasen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung von Gasen anhand der mittleren Molekulargeschwindigkeit, sowie ein Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bekanntlich kann man die Dichte eines Gases aus der Geschwindigkeit bestimmen, mit der es durch eine Öffnung ausströmt, deren Durchmesser klein ist gegenüber der mittleren freien Weglänge der Gasmoleküle. Man misst hierzu die Effusion eines Bezugsgases und die des zu untersuchenden Gases. Nach dem Graham'sehen Gesetz verhalten sich die Quadrate der Effusionsgeschwindigkeit umgekehrt proportional wie die Gasdichten. So füllt man bei dem Effusiometer nach Bunsen-Schilling nacheinander oder gleichzeitig Vergleichsund Meßgas in ein oder zwei Behälter, bringt sie auf Überdruck und mißt die Zeiten, die die Gase zum Ausströmen durch die feinen Öffnungen benötigen.

Aus den so gewonnenen Werten lassen sich aufgrund thermodynamischer und gaskinetischer Überlegungen leicht das Atom- bzw. Molekulargewicht und andere Daten berechnen.

Die Genauigkeit der bekannten Effusionsmethode ist jedoch unbefriedigend, und der Substanzverbrauch ist beispielsweise für Messungen im Bereich der Atomphysik viel zu groß.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Gerät zu entwickeln, das meßtechnisch auch höchsten Ansprüchen gerecht wird und sich gleichwohl durch apparative Einfachheit auszeichnet.

809845 /OA 1 9

~ ?& 272Ό300

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man einerseits ein Bezugsgas und andererseits das zu untersuchende Gas in definierter Menge pro Zeiteinheit in eine erste Zone von bekanntem Volumen und aus dieser ersten Zone durch eine Knudsen-Strömung mit variablem effektivem Querschnitt in eine zweite Zone mit bekanntem Druck strömen läßt, die Gasmenge oder eine dazu proportionale Größe in der ersten Zone nach Erreichen eines ersten stationären Zustandes mißt,den effektiven Querschnitt der Knudsen-Strömung spontan verändert, die Messung für den danach erreichten zweiten stationären Zustand wiederholt und die Differenz der Werte der beiden stationären Zustände sowie den Gradienten des Meßwertes im Anschluß an die Querschnittsveränderung bestimmt.

Vorzugsweise erfolgt die Änderung des effektiven Querschnittes in Richtung einer Vergrößerung. Die gefundenen Daten lassen sich besonders einfach auswerten, wenn man das Volumen der ersten Zone, den Druck in der zweiten Zone und den Gaszufluß in die erste Zone konstant hält.

Zur Gewinnung einer Meßreihe ist es zweckmäßig, die Querschnittsveränderung mehrmals vorzunehmen und jeweils den Gradienten und die Differenz zwischen dem neuen und einem vorhergehenden stationären Zustand zu bestimmen.

Die Änderung und insbesondere Vergrößerung des effektiven Querschnittes erfolgt vorzugsweise jeweils um den gleichen Betrag oder Faktor, jedoch kann - insbesondere wenn ein Rechner zur Auswertung der Ergebnisse zur Verfügung steht - auch eine variable Einstellung des effektiven Querschnittes vorgesehen sein.

Bei den vorgenannten Meßwerten bzw. ihrer Differenz und dem Gradienten der Meßwertsänderung wird es sich regelmäßig um die betreffenden Größen der Gasdichte handeln. Es können jedoch auch hierzu proportionale Werte gemessen werden, bei geladenen Teilchen beispielsweise die Zahl der Ladungen, bei radioaktiven Gasen die Strahlung, usw. Ausgewertet wird in jedem Fall die Intensität der von einem geeigneten Meßgerät abgegebenen Signale. Aus ihnen sind je nach den vorgegebenen Parametern die verschiedenen, in den grundlegenden Gleichungen enthaltenen Größen rechnerisch zugänglich.

809845/0419

In erster Linie interessiert dabei das Molekulargewicht, auch (relative) Molmasse genannt.

Nach dem Maxwell'sehen Verteilungsgesetz ist das Quadrat der mittleren Molekelgeschwindigkeit nach folgender Gleichung vom Molekulargewicht abhängig:

_w^ ₌ _8_RT_ _n)

Hieraus folgt, daß die Molekulargewichte zweier verschiedener Gase den Quadraten ihrer mittleren Molekelgeschwindigkeiten umgekehrt ^proportional sind.

Bis herab zu einigen Torr ist nun nach dem Gesetz von Hagen-Poiseuille die durch ein Hindernis strömende Gasmenge proportional dem mittleren Gasdruck. Bei weiter sinkendem Druck aber durchläuft die Durchflußmenge ein Minimum und wird bei etwa 1/1000 Torr konstant und unabhängig von weiterer Drucksenkung. Im Bereich dieser Knudsen'sehen Strömung" beträgt die mittlere freie Weglänge der Gasmolekeln mindestens einige Zentimeter, und die innere Reibung des Gases verschwindet. Dieses Phänomen macht sich die Erfindung zu Nutze. Vorzugsweise beträgt das Vakuum bei der Durchführung

-5 -9 -7

des erfindungsgemäßen Verfahrens 10 bis 10 , insbesondere 10 Torr; in diesem Bereich ist sichergestellt, daß die mittlere freie Weglänge der Gasmolekeln größer ist als die Apparateabmessungen, während andererseits Drücke in dieser Größenordnung noch wirtschaftlich erreichbar sind und ohne allzu große Schwierigkeiten technisch beherrscht werden können.

Im Normalfall wird man das Gas ohne zusätzliche Beeinflussung durch die Vakuumzone strömen lassen, so daß in den effektiven Querschnitt außer der Fläche keine weiteren Parameter eingehen. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, zur Unterscheidung verschiedener Sorten von Gaspartikeln diese beim Durchgang durch die Vakuumzone dem Einfluß elektrischer oder magnetischer Felder zu unterwerfen, gegebenenfalls nach vorheriger Anregung etwa durch Ionisation oder Bestrahlung mit IR- oder UV-Licht etc.

Der Quotient des effektiven Querschnitts (bzw. die Summe von mehreren effektiven Querschnitten) und dem Volumen der ersten Zone

809845/04 19

- y^

A = ^ —

ist jeweils konstant. Auf diese Konstante wird weiter unten noch eingegangen werden.

Der effektive Querschnitt beeinflusst direkt die durchströmende Gasmenge, und diese wiederum über die Zeit die erreichbare Auflösung, d.h. je kleiner der effektive Querschnitt ist, desto größer ist die erzielbare Auflösung, desto kleiner ist andererseits jedoch der meßbare Intensitätsunterschied.

Für die Auswertung der Meßkurven, bei denen es sich, wie weiter unten noch erläutert wird, meistens um e-Funktionen handelt, bzw. zur Bestimmung der Tangentenfunktionen, ist der Einsatz eines modernen Elektronenrechners zweckmäßig, wenn nicht bereits die graphische Aufzeichnung der Meßwerte die gewünschte Aufklärung liefert, indem etwa bei halblogarithmischer Einteilung des Kurvenmaßstabes gerade Linien erhalten werden.

Ein Gerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine Vakuumkammer mit bestimmten Volumen V auf, die durch einen angeschlossenen Vorrat mit Gas beschickbar ist und über wenigstens zwei wahlweise und unabhängig voneinander zu öffnende und zu schließende Ventile an eine Saugpumpe angeschlossen ist sowie einen Sensor zur Bestimmung der in ihr herrschenden Gasdichte enthält.

Zweckmäßigerweise haben die Nebenventile den gleichen effektiven Querschnitt.

Da -die Erfindung Aussagen über die mittlere Molekelgeschwindigkeit eines Gases macht, kann sie überall dort Anwendung finden, wo diese gaskinetische Größe hervortritt. Der zur Messung erforderliche Gasfluß ist klein, ca. 10 Molekel/sec.

Eine vorteilhafte Anwendung ist die Kombination mit einem Massenspektrometer, der lediglich durch ein entsprechend konstruiertes Zusatzgerät zu ergänzen ist. Die Meßwerte erlauben eine klare Zuordnung der Spektrallinien. Die Methode ist in der Lage zu unterscheiden, welchen Molekeln die Linien in einem Massenspektrum angehören.

809845/0419

- JeT-

Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist die massenspektrometrische Untersuchung von organischen Substanzen. In der Ionenquelle kann ein organisches Molekel in viele Radikale oder Bruchstücke zerfallen, so daß ein linienreiches Spektrum entsteht. Die Linie des Muttermolekels ist des öfteren nicht so stark ausgeprägt wie die Nebenlinien. Mit Hilfe der Erfindung kann man feststellen, welchen Molekeln die Nebenlinien zuzuordnen sind, und für die Strukturanalyse zusätzliche Informationen erhalten.

Im anorganischen Bereich läßt sich die Methode zur Untersuchung von Cluster einsetzen.

Ferner kann man schnell und genau Molekulargewichtsbestimmungen durchführen, z.B. beim Studium der Kohlevergasung. Bei bekannter Molekelgeschwindigkeit bzw. Molmasse sind umgekehrt Rückschlüsse auf die Natur des untersuchten Gases möglich, so daß weitere Anwendungen auf reaktionskinetischem und photochemischen Gebiet denkbar sind.

Weil die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr robust aufgebaut werden kann, ist auch eine direkte Untersuchung der Gase in einem Kernreaktor möglich.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist im nachstehenden anhand der Zeichnung in bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

In den Fig. 1 bis 4 sind schematisch einige Geräte bzw. Versuchsanordnungen für die Durchführung der Erfindung gezeigt.

809845/OA19

Zunächst sei Fig. 1 betrachtet.

Eine Vakuumkammer 1 mit dem Volumen V ist an eine leistungsfähige Pumpe 2 angeschlossen und kann über eine größere öffnung (Ventil S) sorgfältig ausgepumpt werden. Zwischen der Vakuumkammer 1 und der Pumpe 2 sind außer dem Hauptventil S zwei Nebenventile S₁ und S_ angeordnet, die unabhängig voneinander geöffnet und geschlossen werden können und im offenen Zustand die effektiven Querschnitte ^₁ und CT₂ haben.

Mit der Eintrittsseite der Kammer 1 ist ein Gasvörrat 3 über ein Feinregulierventil 4 verbunden. Zweckmäßigerweise ist das gesamte Gerät als Ultrahochvakuum-Apparatur erstellt.

Die Einströmrate des Gases von N Molekel/sec wird so bemessen und der Druck in der Kammer so eingestellt, daß bei geschlossenem Hauptventil S und einem offenen Nebenventil eine reine Knudsen-Strömung vorliegt. Vorzugsweise wird man in einem Druckgebiet

-5 -9
von 10 bis 10 Torr arbeiten.

Die Einströmrate N wird mittels des Regulierventils 4 konstant gehalten. Nach einer gewissen Zeit stellt sich ein stationärer Zustand ein, bei dem ebensoviele Molekel in die Kammer 1 einströmen wie von der Pumpe 2 abgesaugt werden. Die Leistungsfähigkeit der Pumpe wird so bemessen, daß die Rückströmung aus der Pumpe 2 in die Kammer 1 vernachlässigt werden kann.

An einer Stelle der Kammer 1 oder in einem Ansatz an dieser ist ein Sensor 5 angebracht, der ein der Gasdichte proportionales elektrisches Signal

J = k.c (2)

für ein Meßgerät oder einen Schreiber abgibt, worin c die Gasdichte und k der Proportionalitätsfaktor bzw. die Eichkonstante bedeuten.

Der Sensor 5 kann eine bekannte Vorrichtung sein, welche eine der Gasdichte proportionale elektrische, magnetische, optische oder radioaktive Eigenschaft des Gases misst, z.B. indem man Gas in

809845/CU19

einem kleinen Raumgebiet ionisiert und den Ionenstrom misst.

Die Messinstrumente sind so zu wählen, daß die Zeitkonstante kleiner, vorzugsweise einige Zahlenpotenzen kleiner ist als die

4 V

resultierende Zeitkonstante —— aus der effektiven öffnung und

or· w

dem Volumen bei der Versuchstemperatur T. Damit ist auch die zu wählende Apparatekonstante bzw. die Auslegung des Gerätes größenordnungsmäßig gegeben.

Ein konstantes Signal J am Ausgang des Sensors 5 zeigt den stati-

el

onären Zustand an. Nachdem dieser stationäre Zustand J erreicht

ist, wird das zweite Nebenventil spontan geöffnet und die Zeit gemessen. Die Gasdichte in der Kammer 1 nimmt ab und strebt einem neuen stationären Wert J zu; diesen Vorgang kann man am Schreiber verfolgen. Die Differenz

Δ ^J = ^Ja - ^Je ⁽³⁾

kann experimentell unmittelbar bestimmt werden. Die Änderung des Messwertes nach dem spontanen öffnen des zweiten Nebenventils folgt einer Exponentialfunktion.

Die Änderung des Messwertes bei t = 0 nach der öffnung des zweiten Nebenventils ist

(dJ/dt)_t=0 (4)

Diese Größe entnimmt r-iaii graphisch aus der Schreibkurve oder man ermittelt sie mit Hilfe eines Rechners, der die Messwerte direkt auswertet. Aus den beiden Größen Λ J und (dJ/dt).__Q ergibt sich die von der Gasart unabhängige Apparatekonstante A nach der Beziehung 4(dJ/dt).__n

A = ^2_ ₍5)

W ist die mittlere Molekelgeschwindigkeit des untersuchten Gases bei der absoluten Temperatur T. Diese Temperatur T wird während der Messung konstant gehalten.

In Fig. 1 ist ein Thermometer mit 6 und die Ionenquelle mit 7 bezeichnet.

809845/0419

Die mittlere Molekelgeschwindigkeit w lässt sich aus der obigen Formel (1) berechnen, wenn das Molekulargewicht des Gases bekannt ist. Zur Bestimmung der Apparatekonstante A braucht man also nur die Größen /J und (dJ/dt)_t=0 gemäß den Gleichungen (3) und (4) für ein definiertes Gas, beispielsweise Sauerstoff zu messen.

Führt man die Messung nun mit einem unbekannten Gas bei derselben Temperatur T durch, so erhält man aus den gemäß (3) und (4) gewonnenen Größen nach Einsetzen der Apparatekonstante aus der Gleichung (5) die mittlere Molekelgeschwindigkeit des unbekannten Gases sowie aus der Formel (1) sein Molekulargewicht.

Von besonderem Vorteil ist die Anwendung der Erfindung bei einem Massenspektrometer. Die Ionenquelle des Massenspektrometers ist so einjustiert, daß das elektrische Ausgangssignal in einem gewissen Druckbereich proportional der partiellen Gasdichte ist; sie kann deshalb hier als Sensor dienen. Für jede Ionenart, welche in der Ionenquelle erzeugt wird, findet man am Ausgang im Spektrum eine Linie, aus welcher man die Molmasse berechnen kann. Gasmolekel, welche in der Ionenquelle des Massenspektrometers in Ionen umgewandelt werden, können erhebliche physikalische und chemische Veränderungen erfahren. Das Spektrum ist daher meistens reicher an Linien als es der tatsächlichen Gaszusammensetzung entspricht.

Zur Bestimmung der Apparatekonstante wird man die Anzeige auf die Sauerstofflinie einstellen und die Messung nach dem oben beschriebenen Verfahren durchführen. Bei den Messungen mit einer Einstellung auf eine andere Linie kann man für die Berechnung von w die massenspektrometrisch angezeigte Molmasse einsetzen. Für alle reellen Gase, welche bei einem Experiment durch die Vakuumkammer fließen, wird man ein und dieselbe Apparatekonstante A finden. Ist die Anzeige jedoch zufällig auf eine Linie der Fragment-Ionen eingestellt, welche außerhalb der Ionenquelle nicht existieren, eine kurze Lebensdauer haben und nicht in dem Gasfluß vertreten sind, so ergibt sich statt A stets ein kleinerer Wert B. Beide stehen in der Beziehung A/B =\ K , worin t der Teilungsfaktor der Muttermolekel ist. Hierdurch wird eine zusätzliche Information für die Linienzuordnung im Massenspektrum gewonnen.

809845/0419

Auch zur Untersuchung von Clustern läßt sich die Erfindung benutzen. Cluster sind Großmolekeln, in denen mehrere leichte Molekeln in einer Einheit zusammengeschlossen sind. Ist CD ein zweiatomiges Gasmolekel, so ist, falls dieses Gas Cluster bildet, das Großmolekel (CD) , worin χ die Anzahl der Einzelmolekeln je Cluster ergibt. Die Molekel werden durch van der Waai'sche Kräfte zusammengehalten, deren Bindungsenergie gering ist. In der Ionenquelle zerfällt daher ein Cluster teilweise oder vollständig in seine Bestandteile und hat als Ganzes kaum eine selbständige Linie im Spektrum.

Bei Untersuchungen nach der Vorrichtung gemäß Fig. 2 ist die Ionenquelle 7 als Emitter des Molekes CD anzusehen, falls ein Clusterfluß durch die Kammer 1 hergestellt ist. Die Messkurve erweist sich als zusammengesetzte e-Funktion.

Bei einem stationären Zustand liegt in der Kammer 1 neben dem Cluster (CD) auch das Gas CD vor. Nach der öffnung des zweiten Nebenventils fließen die leichteren Gasmolekeln schneller aus der Kammer1 als die schweren Cluster. Die Dichteabnahme bei t=0 ist überwiegend durch die Dichteänderung der Komponente CD bestimmt. Aus der Dichteänderung und den bekannten Versuchsbedingungen kann man die Flußkurve der leichten Komponente kalkulieren und von der experimentellen Gesamtkurve abziehen. Die Differenzkurve ist die Flußkurve der schweren Komponente, welche gesucht wird.

Die oben beschriebene Korrektur erschwert jedoch die Auswertung und stellt eine zusätzliche Fehlerquelle dar. Es wurde deshalb eine Meßanordnung konstruiert, bei welcher Clusterfragmente auf die Messung keinen oder einen stark reduzierten Einfluß haben. Eine solche Anordnung ist in Fig. 3 gezeigt.

Hier ist das Quadrupol 8 oder ein anderes Massenspektrometer mit der Ionenquelle 7 in einer gesonderten Meßkammer 1' untergebracht. Die Meßkammer 1' wird durch ein zweites Pumpsystem 2' evakuiert.

809845/0419

Um eine Rückströmung von der Meßkammer 1' in die Flußkammer 1 möglichst klein zu halten, muß man den Druck in der Meßkammer 1' ein bis zwei Zehnerpotenzen kleiner einstellen als in der Flußkammer 1. Durch eine kleine öffnung S gelangt das Gas als Molekelstrahl von der Flußkammer 1 in die Meßkammer 1'. Die Ionenquelle des Massenspektrometers wird in dem Strahl einjustiert, und zwar ist sie axial zum Strahl angeordnet. Die aus der Ionenquelle 7 fließenden Clusterfragmente werden von der Pumpe 2" der Meßkammer 1' erheblich schneller abgepumpt als in der einfachen Anordnung nach Fig. 2. Den Anstieg des Partialdrucks der Fragmentmolekel in der Meßkammer 1¹ kann man noch durch die eingebauten Kühlwände 9, welche mit einem Kühlmittel aus einem Kryostat, flüssiger Luft oder flüssigem Helium gekühlt werden, so stark herabsetzen, daß der Rückfluß in der Ionenquelle vernachlässigt werden kann. Dadurch wird erreicht, daß der massenspektrometrische Anzeiger direkt die Clusterdichte in der Flußkammer 1 angibt und eine zusätzliche rechnerische Korrektur nicht notwendig ist.

Fig. 4 zeigt eine ähnliche Anordnung wie die Fig. 3. Hier steht jedoch die Ionenquelle 7 senkrecht zum Molekelstrahl, der durch die kleine öffnung S fließt. Ferner ist das entbehrliche Neben-

ventil S~ weggelassen.

Ähnlich wie Cluster zerfallen auch Kohlenwasserstoffmolekeln in der Ionenquelle, so daß man bei Untersuchungen nach der klassischen Massenspektrometrie für die Zuordnung der Linien zur Muttermolekel auf zusätzliche Informationen angewiesen ist. Die kann man erfindungsgemäß erhalten: Da die Radikale der Kohlenwasserstoffe des öfteren auch als selbständige Molekeln existieren können, ist bei der Untersuchung dieser Substanzen die gleiche Maßnahme zu ergreifen wie bei der Untersuchung von Clustern.

In den nachfolgenden Beispielen wurde eine zylindrische Vakuumkammer aus VpA Stahl mit einem Volumen von ca. 40000 cm³ , einem Durchmesser von ca. 40 cm und einer Höhe von ca. 35 cm benutzt. Die Öffnungsquerschnitte der Nebenventile betrugen ja ca. 2 cm².

809845/0419

Beispiel 1

Eine SIMS-Auger-Vakuumkammer wurde durch Einbau von zwei Nebenventilen erweitert. Die Versuchsanordnung entspricht der in Fig.2 schematisch dargestellten Apparatur. Bei einer konstanten Einlassrate wurde für Gase O_, N₃, NO, A und CO₃ der Gradient (dJ/dt) _ nach dem öffnen des zweiten Nebenventils und die Differenz Δ J

_ Q

bei einem Druck von ca. 7.10 Torr und einer Temperatur von 298 K gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusanunengestellt.

Die Zahlenwerte der Spalte 2 ergeben, daß die Linie 14 und 28 aus ein und demselben Molekel stammen. Das gleiche gilt für die Linien 16 und 32, und 20 und 40. Die Spalte 6 ergibt für die Linien 14, 16 und 20 einen Faktor von 2. Diese sind daher aus dem Molekel der Linien 28, 32 und 40 in der Ionenquelle entstanden. Die 14 und 16 durch die Spaltung des Stickstoffs bzw. Sauerstoffmolekels, die 20 aus dem Argonmolekel mit einer doppelten Ladung. Die doppelgeladenen Ionen äußern sich bei dieser Methode im gleichen Sinne wie eine Halbierung des Molekels.

Tabelle 1.

m/e (dJ/dt)

14	0,761
16	0.715
20	0.630
28	0.763
30	0,752
32	0,720
40	0,639
44	0,593

1,06	1.52	1.43	2
0,99	1,42	1.43	2
0_?B7	1,26	1,44	2
1,06	1,07	1,01	1
1,03	1,03	*!,>**	1
l,oo	l,oo	*l,co*	1
0,89	0.89	1 co	1
0,82	0,84	1,03

809845/CH19

Anmerkungen zur Tabelle 1:

Spalte 1 : die Linien im Massenspektrum, m/e;

2 : das experimentell ermittelte Verhältnis von

(dJ/dt) _n/ J. Es ist ein aus mehreren Messungen

"C — U

gebildeter Mittelwert. Der mittlere Meßfehler liegt bei ca. 1 %.

3 : das auf Sauerstoff bezogene Verhältnis der mittleren

Geschwindigkeit (w/w₃₂)

4 : das aus den gaskinetischen Daten berechnete

Verhältnis (w/Woo^n

5 : das Verhältnis 'Γ$Ζ der Zahlenwerte aus der Spalte 4

zu Spalte 3.

6 : der Teilungsfaktor?cdes Molekels in der Ionenquelle.

Beispiel 2

Als Gas wurde Tetrachlorkohlenstoff untersucht.

In einem Massenspektrometer liefert CCl. ein linienreiches Spektrum. Man findet intensive Linien bei den atomaren Masseneinheiten 35, 37, 47, 49; 82, 84, 86 und 117, 119, 121, 123, welche die Fragment-Ionen des CCl.-Molekels sind. Diese werden in der Ionenquelle überwiegend durch den Elektronenstoss gebildet.

Das CCl.-Spektrum wurde nach der oben beschriebenen Methode ausgewertet. Die Flußrate von CCl. wurde konstant gehalten, bei einer konstanten Temperatur wurde die zeitliche Änderung der Linienintensitäten nach dem öffnen des zweiten Ventils experimentell ermittelt. Eine halblogarithmische Auftragung über die Zeit ergibt ein und dieselbe Steilheit für die Linien 35, 37; 47,49; 82, 84, 86 und 117, 119, 121, 123. Aufgrund dieses Ergebnisses ist sofort die klare Aussage möglich, daß diese Linien ein und demselben Muttermolekel angehören.

809845/0419

Zur Auffindung der Muttermolekel wird mit derselben Apparatur eine Messung z.B. mit Sauerstoff unter gleichen Flussbedingungen und der gleichen Temperatur durchgeführt.

Trägt man nun die Änderung der Sauerstofflinie in die halblogarithmische Darstellung ein, so erhält man ebenfalls eine Gerade, die den Anfang der CCl.-Geraden schneidet, jedoch steiler verläuft als diese. Man kann nun beide Messungen graphisch vergleichen. Die rechnerische Auswertung ergibt, daß die Masse der Muttermolekel zwischen

/2Td) ' ^{32 = 150}
und

³² = ¹⁶²

atomaren Masseneinheiten liegen muß. In dem Spektrum sind tatsächlich schwache Linien bei 152, 154, 156, 158 und 160 zu finden, welche den Muttermolekeln von CCl. angehören.

809845/0419

L e e r s e i \ e

Claims

272030Q

Kernforschungsanlage Jülich GmbH 27.4.1977

K 206

Patentansprüche

Verfahren zur Untersuchung von Gasen anhand der mittleren Molekulargeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß man einerseits ein Bezugsgas und andererseits das zu untersuchende Gas in definierter Menge pro Zeiteinheit in eine erste Zone von bekanntem Volumen und aus dieser ersten Zone durch eine Knudsen-Strömung mit variablem effektivem Querschnitt in eine zweite Zone mit bekanntem Druck strömen läßt, die Gasmenge oder eine dazu proportionale Größe in der ersten Zone nach Erreichen eines ersten stationären Zustandes mißt, den effektiven Querschnitt der Knudsen-Strömung spontan verändert, die Messung für den danach erreichten zweiten stationären Zustand wiederholt und die Differenz der Werte der beiden stationären Zustände sowie den Gradienten des Meßwertes im Anschluß an die Querschnittsveränderung bestimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des effektiven Querschnittes in Richtung einer Vergrößerung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das Volumen der ersten Zone, den Druck in der zweiten Zone und/oder den Gaszufluß in die erste Zone konstant hält.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Gewinnung einer Meßreihe die Querschnittsveränderung mehrmals vornimmt und jeweils den Gradienten und die Differenz zwischen dem neuen und einem vorhergehenden stationären Zustand bestimmt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung und insbesondere Vergrößerung des effektiven Querschnittes jeweils um den gleichen Betrag oder Faktor erfolgt.

809845/0419
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Gasdichte bzw. die Dichteänderung als Funktion der Zeit oder hierzu proportionale Größen misst.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

-5 -9 gekennzeichnet, daß das Vakuum 10 bis 10 , insbesondere

10~⁷ Torr beträgt.
8. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vakuumkammer (1) mit bestimmten Volumen (V), die durch einen angeschlossenen Vorrat (3) mit Gas beschickbar ist und über wenigstens zwei wahlweise und unabhängig voneinander zu öffnende und zu schließende Ventile (S, S-, S_ ...) an eine Saugpumpe angeschlossen ist, sowie einen Sensor (5) zur Bestimmung der in ihr herrschenden Gasdichte enthält.
9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (S₁, S₂) den gleichen effektiven Querschnitt haben.
10. Gerät nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einströmrate der Gase aus dem Vorrat (3) in die Kammer (1) mittels eines Regulierventils (4) konstanthaltbar ist.
Gerät nach einem der Ansprüche 8 - 10, dadurch gekennzeichnet, daß es über eine größere Öffnung (Ventil S) auspumpbar ist.
12. Gerät nach einem der Ansprüche 8-11, dadurch gekennzeichnet, daß es als Ultrahochvakuum-Apparatur erstellt ist.
13. Gerät nach einem der Ansprüche 8 - 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor die Ionenquelle (7) eines angeschlossenen Massenspektrometer (8) vorgesehen ist.

809845/0419
14. Gerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (7) oder/und der Massenspektrometer (8) in einer Meßkammer (I¹) angeordnet ist, welche durch eine kleine effektive Öffnung (S ) von der Flusskammer (1) getrennt ist, wobei die Ionenquelle (7) hinter der Öffnung (S )
in dem Molekelstrahl liegt.
15. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenspektrometer (8) axial zum Molekelstrahl angeordnet ist.
16. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Massenspektrometer (8) normal zum Molekelstrahl angeordnet ist.
17. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (I') auf einen Druck bringbar ist, der - in

Torr ausgedrückt - um etwa 1 bis 2 Zehnerpotenzen niedriger ist als der Druck in der Flusskammer (1).

809845/0419