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EP0112858A1 - Method and device producing molecular beams and use of this method. - Google Patents

Method and device producing molecular beams and use of this method.

Info

Publication number
EP0112858A1
EP0112858A1 EP83901909A EP83901909A EP0112858A1 EP 0112858 A1 EP0112858 A1 EP 0112858A1 EP 83901909 A EP83901909 A EP 83901909A EP 83901909 A EP83901909 A EP 83901909A EP 0112858 A1 EP0112858 A1 EP 0112858A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
evaporation
molecules
carrier gas
gas jet
jet nozzle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP83901909A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0112858B1 (en
Inventor
Edward William Schlag
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
WEYSSENHOFF HANNS VON
Original Assignee
WEYSSENHOFF HANNS VON
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by WEYSSENHOFF HANNS VON filed Critical WEYSSENHOFF HANNS VON
Publication of EP0112858A1 publication Critical patent/EP0112858A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0112858B1 publication Critical patent/EP0112858B1/en
Expired legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H3/00Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/02Molecular or atomic-beam generation, e.g. resonant beam generation

Definitions

  • the invention is based on a method for generating molecular beams, in which a Prohensbstanz is converted (evaporated) by supplying energy from the non-gaseous phase into the gaseous phase, the free molecules resulting from the transfer are mixed with a carrier gas and the carrier gas the molecules of the proth substance are cooled adiabatically by expansion of a beam of the carrier gas.
  • the invention further relates to a device for carrying out the above-mentioned method, comprising a gas jet nozzle for generating a carrier gas jet, a carrier gas supply device for supplying the carrier gas to the gas jet nozzle, an evaporation and mixing chamber for transferring a sample substance from the non-gaseous to the gaseous phase (evaporation) and for admixing this phase to the carrier gas, and an energy supply device for supplying evaporation energy to the evaporation and mixing chamber.
  • any molecular beams can be generated which consist of a carrier gas, which is usually a noble gas, such as argon, and molecules added to the carrier gas, provided that these molecules are of a volatile substance that can be vaporized at a temperature is at which the molecules do not decompose at all, that is, if they are thermally stable molecules.
  • a carrier gas which is usually a noble gas, such as argon
  • molecular beams are produced by means of a method and a device of the type mentioned above, which are only known for thermally stable molecules, by evaporating or otherwise evaporating the molecules in the carrier gas atmosphere, for example in an argon atmosphere, and after the formation of a molecular beam by means of a gas jet nozzle, they are jointly cooled by expansion, so that they thereby obtain a very low temperature, which is particularly suitable for their examination by means of mass spectroscopy or other molecular or ion examination methods.
  • the evaporation of the molecules added to the carrier gas takes place in the upstream of the gas jet nozzle provided evaporation and mixing chamber by simple thermal heating in the latter directly in front of the gas jet nozzle, through which the mixture of the molecules to be examined and the carrier gas emerges and forms the gas jet, if provided the volatile substance, which consists of the molecules to be examined or contains these molecules, does not evaporate on its own due to its vapor pressure at room temperature.
  • Preferred examination methods by means of which such molecular beams are examined, are examination by means of tunable laser radiation either in fluorescence or by multiphoton ionization (MPI) by mass spectroscopy.
  • MPI multiphoton ionization
  • thermally unstable molecules have been evaporated directly into a vacuum, i.e. without carrier gas, whereby these thermally unstable molecules were more or less decomposed.
  • an ionization and an examination by ion examination methods such as, for example, mass spectrometric methods, took place.
  • thermally unstable molecules there are a number of methods, most of which have been developed in recent times, with which these thermally unstable molecules can be evaporated directly into vacuum under ionization and examined by mass spectrometry.
  • the most important methods here are, for example
  • the present invention is intended to generate molecular beams with large, thermally unstable molecules which exist under normal conditions.
  • Such molecules can never form in the molecular beam by mere addition, as is the case with the aforementioned complexes, but must be introduced as such into a molecular beam.
  • US Pat. No. 4,091,256 describes a method and a device in which so much energy is supplied to a substance that the substance decomposes down to the individual atoms and thus provides a beam of neutral atoms. Large, thermally unstable molecules cannot be converted into the gas phase at all without decomposition using this method and this device.
  • a non-volatile substance is to be understood in particular as a substance which is non-volatile under normal conditions (20 ° C. and 1 bar).
  • the invention is based on the object of developing a method of the type mentioned in such a way that it is possible to bring large, thermally unstable molecules, that is to say molecules of substances which cannot be vaporized without decomposition, undamaged into a molecular beam which, for spectroscopic purposes, especially mass spectroscopy.
  • the carrier gas supply device supplies the carrier gas to the gas jet nozzle upstream of the latter at a temperature which is substantially lower than the evaporation or
  • the decomposition temperature of the sample substance is that the evaporation and mixing chamber, at least with the part in which the molecules are mixed into the carrier gas, is arranged downstream of and adjacent to the outlet opening of the gas jet nozzle, and that the energy supply device emits high energy in pulsed operation.
  • thermally unstable molecules are to be understood to mean molecules of those substances whose molecules already disintegrate at temperatures which are far below the evaporation temperature.
  • the molecules are evaporated off under conditions in which there are more undecomposed molecules in the gas phase than corresponds to the thermodynamic equilibrium at the prevailing temperature, while in the state of thermodynamic equilibrium no undecomposed molecules in the case of substances, consisting of large, thermally unstable molecules.
  • the second process consists in exposing the evaporated, thermally unstable molecules to heat dissipation in the carrier gas jet immediately after they have evaporated, by exposing the expanding carrier gas jet to a temperature which is substantially lower than the evaporation or decomposition temperature of the large, thermally unstable molecules is admixed, namely they are introduced into the area of the "cool" carrier gas jet in which this begins to expand. This prevents these thermally unstable molecules from disintegrating after the transition to the gas phase.
  • the "stabilization cooling” that occurs here is to be distinguished from the adiabatic cooling, which takes place later and has a completely different purpose, the molecules to be examined cool down to an examination temperature of a few degrees Kelvin.
  • the invention makes it possible to generate molecular beams in which the large, thermally unstable molecules are available undamaged for a variety of tests, in particular for optical spectroscopy, for reaction kinetics, in which molecular beams are known to be widely used for test purposes be, as well as for mass spectrometry.
  • evaporation or “evaporation” or “evaporation” should be understood to mean all types of converting molecules into the gas phase; this transfer can therefore take place both from the solid substance which contains the molecules to be examined or consists of these molecules, and from a surface on which the 2-molecules are attached or adsorbed.
  • the large, thermally unstable molecules are preferably vaporized by means of laser radiation; This type of evaporation has the advantage that it is particularly possible to carry out the very rapid, relatively high temperature evaporation of the large, thermally unstable molecules.
  • Another preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the large, thermally unstable molecules are each evaporated into a carrier gas jet pulse by means of evaporation pulses.
  • the molecules can be well examined without the substance from which they are evaporated being continuously heated and thus largely decomposed; rather, only the top layer of the substance is always heated to the high evaporation temperature which serves for rapid evaporation.
  • the large, thermally unstable molecules get directly into the relatively cool carrier gas jet which is at the beginning of its expansion after they have passed into the gas phase, they are preferably vaporized by a sample surface which runs essentially parallel to the axis of the carrier gas jet and is adjacent to the outlet opening of the gas jet nozzle , this sample surface nevertheless not protruding into the carrier gas jet, so that an undisturbed expansion of the carrier gas jet is made possible.
  • the device for carrying out the method according to the invention is preferably designed such that the large, thermally unstable molecules are exposed to the stabilization cooling mentioned immediately after their entry into the gas phase, in such a way that the evaporation point in from the outlet opening of the gas jet nozzle a longitudinal distance that is less than or equal to 20 times the effective diameter of the Outlet opening is arranged laterally from the outlet opening, the longitudinal distance being that along the axis of the gas jet nozzle and the effective diameter being the diameter corresponding to a circular outlet opening.
  • the effective diameter in the above sense means the diameter of a circular outlet opening which has the same area of outflow as the annular outlet opening.
  • the evaporation point is preferably arranged at a transverse distance from the axis of the gas jet nozzle which is less than or equal to 20 times, preferably less than or equal to 10 times, the effective diameter of the outlet opening.
  • the transverse distance be less than half the longitudinal distance.
  • the device can furthermore be designed such that the evaporation and mixing chamber has a preferably cylindrical expansion channel for the carrier gas jet, downstream of the outlet opening of the gas jet nozzle, on or in the wall of which the evaporation point is provided.
  • These evaporation parts can in particular be provided in an obliquely, preferably perpendicularly, to the axis of the gas jet nozzle arranged sample channel, which is formed in the side wall of the expansion channel.
  • a laser beam channel lying in the axial extension of the sample channel can be formed in the side wall of the expansion channel.
  • the distance of the sample surface from the side wall of the expansion channel is preferably less than or equal to the diameter of the sample channel, the sample diameter preferably being equal to the diameter of the sample channel.
  • Figure 1 is a graph showing the relationship between evaporation and decomposition of large, thermally unstable molecules
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through a gas jet nozzle and part of an evaporation and mixing chamber, as are preferably used to carry out the method according to the invention
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of a device according to the invention with the adjoining field plates of a mass spectrometer, but without the device with which the evaporation energy is supplied to the sample located in the evaporation and mixing chamber;
  • Figure 4 shows an embodiment of the device with which the evaporation energy is generated and supplied to the sample
  • FIG. 5 to 12 test results in curve form, as they have been obtained by means of the method and the device according to the invention.
  • FIG. 1 in which the natural logarithm of the reaction constant k for the decomposition (straight line I) and for the evaporation (straight line II) is shown schematically as a function of the reciprocal of the absolute temperature T are shown.
  • the evaporation or evaporation of thermally unstable molecules can be done by extremely rapid heating, as is caused by a very short laser pulse with a high power density.
  • the distribution of energy over the three evaporation processes, evaporation, decomposition and ionization, depends mainly on the following factors when bombarded with laser radiation: laser energy density, pulse duration and nature of the sample.
  • laser energy density The influence of the laser wavelength on the evaporation process seems to be of minor importance; However, it cannot be ruled out that particularly high evaporation rates can be achieved with specific wavelengths, for example in the infrared (resonance desorption).
  • the CO 2 laser (wavelength 10.6 ⁇ m) should be preferred to the alternative neodymium YAG laser (wavelength 1.06 ⁇ m), because at 10.6 / um most of the large organic anic molecules vibrational bands, which is not the case at 1.06 ⁇ m.
  • a molecular beam is a bundled stream of molecules that move in a preferred direction essentially without jolts. The freedom from bumps is also given for free expansion into a vacuum, but the preferred direction is generally missing here.
  • the vaporized molecules are admixed to a carrier gas jet immediately after it emerges from a pulsed gas jet nozzle.
  • the still “hot” molecules initially experience collisions with the carrier gas atoms and are thus deactivated by "stabilization cooling", so that the likelihood of a subsequent unimolecular decay greatly decreases.
  • stabilization cooling so that the likelihood of a subsequent unimolecular decay greatly decreases.
  • the initial nozzle jet changes into a molecular jet after a short running distance.
  • This device for generating a pulsed, doped molecular beam has the following four main components:
  • a gas jet nozzle 1 which in the present embodiment is designed as an electromagnetically pulsed nozzle valve and is used to generate a carrier gas jet, for example an argon jet;
  • a carrier gas supply device 4 for supplying the carrier gas to the gas jet nozzle 1; from this carrier Gas supply device 4 is shown in the drawing, namely in Figure 3, only the connecting piece through which the carrier gas is supplied to the gas jet nozzle 1.
  • a molecular beam is generated, of which only the axis 5 is shown, which at the same time represents the axis of the gas jet nozzle 1 and accordingly also the carrier gas jet emerging therefrom and the axis of the carrier gas jet and the mixed gas jet existing in these evaporated molecules, which after adiabatic expansion becomes the molecular jet.
  • the ionizing laser is a tunable dye laser that is pumped by a Q-switched neodymium-YAG laser.
  • the impulse operation of the nozzle jet (this is how the entire jet is referred to here, which becomes the carrier gas jet via the mixed gas jet to the molecular jet) is not an absolutely necessary feature of the method according to the invention, but it is of extremely important practical importance in order to maintain a sufficient vacuum with a reasonable pumping effort.
  • a continuous jet of carrier gas for example made of argon, would have no practical meaning anyway because of the pulsed evaporation.
  • Important for the functioning of the method is an exact temporal correlation of the nozzle jet, the evaporation laser pulse and the ionization laser pulse, which is carried out by standard electronic circuits.
  • the individual structural units are now explained in more detail below, and then, for example, structural dimensions and preferred optimized operating data are specified.
  • the gas jet nozzle is first described in detail with reference to FIGS. 2 and 3:
  • the gas jet nozzle 1 is designed as a nozzle valve, in the present case it is a commercial electromagnetically operated valve from Bosch, which was originally intended for the operation of fuel injection engines.
  • This nozzle valve has an annular outlet opening 6 which is delimited on the inside by a cylindrical end of a valve tappet 7 and on the outside by a cylindrical opening of a valve seat cylinder 8.
  • a conical valve surface 9 connects to the cylindrical end of the valve tappet 7, which cooperates with a complementary conical valve seat surface 10, which adjoins the cylindrical opening of the valve seat cylinder 8.
  • the nozzle valve is reworked so that the valve seat cylinder 8 is freely accessible and is provided with an external thread 11 for screwing on the evaporation and mixing chamber 2.
  • the annular outlet opening 6 has a radial ring width of approximately 0.1 mm and an outer ring diameter of approximately 1 mm, so that a corresponding ring-shaped carrier gas jet is generated.
  • the distance between the valve surface 9 and the valve seat surface 10 when the nozzle valve is open is approximately 0.1 mm.
  • the nozzle valve is operated electromagnetically so that a carrier gas pulse of approx. 1 msec duration with rising and falling edges of approximately 200 ⁇ sec is produced. This is achieved by electrical pulses of 500 ⁇ sec that are applied to the magnetic winding of the nozzle valve.
  • FIGS. 2 and 3 which, at least with regard to its essential part in which the evaporation and mixing takes place, is arranged downstream of the outlet opening 6 of the gas jet nozzle 1 and adjacent to this outlet opening:
  • the evaporation and mixing chamber 2 has a cylindrical expansion channel 12 for the carrier gas jet, the axis of which coincides with the axis 5 of the nozzle jet and which forms an enlarged, downstream extension of the outlet opening 6 of the gas jet nozzle 1 and connects one end directly to the outlet opening 6 .
  • the other end of the expansion channel 12 merges into a vacuum for further expansion of the jet.
  • the evaporation point 13 is provided, which in the present case is formed by the surface of a sample 14 pressed into a pill.
  • This evaporation point 13 is provided in a sample channel 15 which is arranged perpendicular to the axis 5 of the gas jet nozzle 1 and is formed in the lateral wall of the expansion channel 12.
  • the evaporation and mixing chamber 2 has a laser beam channel 16, which is also formed in the lateral wall of the expansion channel 12, specifically in the axial extension of the sample channel 15 on the side of the expansion channel 12 opposite the latter is explained below with reference to Figure 4, the evaporation energy supplied.
  • the diameter of the latter is substantially larger than the outer diameter of the outlet opening 6. So that the molecules from the sample 14 to the The following conditions are preferably met for the purposes of stabilizing cooling as directly as possible in the expanding carrier gas jet and in an area of the latter which is as close as possible to the beginning of the expansion:
  • the longitudinal distance a of the evaporation point 13 from the outlet opening 6 of the gas jet nozzle 1 is less than or equal to 20 times the effective diameter of the outlet opening 6.
  • the distance between the outlet opening 6 and the projection point P of the center M is below the longitudinal distance a Evaporation point 13 to understand the axis 5 of the jet.
  • the concept of the effective diameter of the outlet opening 6 has already been explained above.
  • the transverse distance b of the evaporation point 13 from the axis 5 of the nozzle jet is less than or equal to 20 times, preferably less than or equal to 10 times the effective diameter of the outlet opening 6.
  • the transverse distance b is preferably less than half the longitudinal distance a.
  • the distance c of the evaporation point 13 from the side wall of the expansion channel 12 is less than or equal to the diameter d of the sample channel 15, which is preferably filled in by the sample 13 in its entire cross section.
  • the evaporation and mixing chamber 2 consists of a cylindrical block made of stainless steel, which has a threaded bore 17 which is concentric with the expansion channel 12 and by means of which it is screwed onto the external thread 11 of the valve seat cylinder 8.
  • Preferred Ab Measurements of this cylindrical block, of the expansion channel 12 and of the sample channel 15 and laser beam channel 16 passing through from the expansion channel on the outside of the cylindrical block are as follows:
  • Diameter e of the laser beam channel 2.5 mm
  • Diameter d of the sample channel 2.5 mm
  • Diameter g of the expansion channel 2.5 mm axial length h of the expansion channel: 5 mm minimum distance i of the inner wall of the sample and laser beam channel from the face of the cylindrical block facing away from the gas jet nozzle: 1.5 mm diameter m of the evaporation and mixing chamber: 30 mm thickness n of the evaporation and mixing chamber: 13 mm
  • the evaporation and mixing chamber 2 can be modified in such a way that at the location of the pressed sample 14 there is a strip coated with the sample substance, which can consist, for example, of copper or Teflon etc., on which the evaporation laser beam 18 acting on the laser beam channel 16 (see FIG. 4) is guided past, so that the surface exposed to the evaporation laser beam can thereby be constantly renewed by continuously or stepwise moving the belt; however, this embodiment is not shown in the drawing.
  • This energy supply device 3 comprises, as an energy source, a laser 19, which in the present case is a pulsed CO 2 - TEA laser which, with a beam cross section of 2.3 x 2.5 cm, has evaporation laser beam pulses of 0.3 J / cm 2 and 1 / usec duration returns.
  • the repetition frequency is variable in the range from 0 to 10 pulses / second.
  • the evaporation laser beam 18 is, as shown in the not to scale drawing of Figure 4, deflected immediately after its exit from the laser 19 by a first gold-coated, flat deflection mirror 20 by 90 and via a first iris diaphragm 21 to a second flat gold-coated Deflecting mirror 22 and via a second iris diaphragm 23 and a third flat gold-coated deflecting mirror 24 are directed to a likewise gold-coated concave mirror 25.
  • the two variable iris diaphragms 21 and 23 are provided to attenuate the evaporation laser beam 18, namely, as shown in FIG. 4, an iris diaphragm 21 is attached directly to the output of the laser 19 and the other iris diaphragm 23 is located in the vicinity of the third deflection mirror 24.
  • the evaporation laser beam 18 is directed through a window 26 into the interior of the vacuum space 27 containing the evaporation and mixing chamber and through the laser beam channel 16 onto the evaporation point 13, i.e. concentrated on the surface of the sample 14.
  • the sample 14 is not exactly in the focal point of the concave mirror 25. Rather, the distance of the concave mirror 25 from the evaporation point 13 can be changed, and this change allows the energy density of the evaporation laser beam 18 impinging on the surface of the sample 14 to be varied in a simple manner.
  • ionization laser beam 28 This is done by means of an ionization laser beam 28, which is indicated in FIG. 3 in the plane of the drawing, but actually runs perpendicular to the plane of the drawing.
  • a neodymium-YAG dye laser system from Quanta Ray is used to generate this ionization laser beam 28.
  • This laser system works optimally at a pulse repetition frequency of 10 Hertz and delivers pulses of approx. 10 nsec duration.
  • the basic wavelength of the YAG laser which is at 1064 nm and its harmonics, which go up to the fourth harmonic, which is at 266 nm
  • the entire range from approx. 800 to 240 nm can be covered by suitable choice of dye as well as doubling and frequency mixing .
  • the ionization laser beam 28 is focused on the intersection A of the molecular beam with the ion-optical axis 29 of the time-of-flight mass spectrometer by means of a lens, not shown, which preferably has a focal length of 20 cm or 50 cm. In the present embodiment, this intersection point A is at a distance r of 2.7 cm from the outlet opening 6 for the carrier gas jet.
  • the field plates 30 to 33 and a part of the drift tube 34 of a time-of-flight mass spectrometer of conventional design are indicated, which form a pulling field for extracting the ions generated at the intersection point A, a single lens and a drift space, the latter being provided by aperture plates 35 36 and 37, which are provided in the field plates 31, 32 and 33, are separated from the molecular beam.
  • the perforated screens 35, 36 and 37 have, for example, a diameter s of 5 mm each.
  • a secondary electron multiplier (not shown).
  • the ions are detected via a preamplifier either on a fast oscillograph or on a TRANSIENT DIGITIZER (Tectronix), which is a device that registers and digitizes very fast processes (nanoseconds to picoseconds).
  • a preamplifier either on a fast oscillograph or on a TRANSIENT DIGITIZER (Tectronix), which is a device that registers and digitizes very fast processes (nanoseconds to picoseconds).
  • the molecular beam space has a buffer volume of approx. 6 1, so that the chamber pressure does not increase so much with every gas pulse; it is kept at a mean pressure of approx. 1.3 / ubar with a Roots pump with a suction capacity of 1000 m 3 / h and with a suitable backing pump.
  • the pressure in the drift chamber is kept below 0.013 / ubar by a diffusion pump.
  • the gas jet nozzle 1 is screwed as a structural unit into an essentially hollow cylindrical socket 38, which in turn is attached to a larger flange 43, which is attached to a larger flange 43 and a spacer ring 40 and seals 41, 42 tubular part 44 (see Figure 4) is provided.
  • This tubular part which is not shown in FIG. 3, is located laterally at a distance from the evaporation and mixing chamber 2 and supports the window 26 via a corresponding holder 45.
  • anthracene (2) retinal (vitamin A aldehyde) and (3) tryptophan (an amino acid)
  • the measurement curves in FIGS. 7 to 12 are proof that thermally unstable molecules could actually be converted into a molecular beam without being destroyed.
  • Anthracene was detected in the molecular beam both by fluorescence and by a mass spectrum.
  • Figure 5 shows a resonance fluorescence spectrum at 0-0
  • the narrow band - approx. 0.1 nm wide - is characteristic of a molecule cooled to a few K.
  • the substance was introduced as a compact in the sample channel of the evaporation chamber.
  • Figure 6 shows a mass spectrum of anthracene. It essentially contains the mother mass and a calibration peak of toluene, which has been mixed in trace amounts with the argon. The wavelength of the ionization laser was 266 nm. It should be pointed out that an anthracene molecule is not in itself a thermally unstable molecule, rather anthracene has only been chosen as an example for the functioning of adiabatic cooling; It was found that this adiabatic cooling works even when the molecules are introduced into the carrier gas downstream of the gas jet nozzle.
  • Figure 8 shows a spectrum in which almost only the mother ion of the retinais appears.
  • the evaporation chamber had been thoroughly cleaned and filled with a fresh retinal sample.
  • the incident wavelength was again 266 nm, but with a lower intensity than in FIG. 7.
  • the retinal spectra of the following two figures were obtained with an ionizing wavelength of 355 nm, specifically in FIG. 9 at high energy density and in FIG. 10 at low energy density. It can be seen that the fragmentation depends strongly on the intensity and does not result from the evaporation process.
  • the last two pictures show mass spectra of tryptophan.
  • the ionization wavelength is 266 nm
  • the spectrum of FIG. 11 is recorded with a compact, that of FIG. 12 with a tryptophan coating on copper strips. The other conditions are the same.

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Abstract

Procédé et dispositif pour la production de faisceaux moléculaires comportant de grandes molécules instables thermiquement, dans lequel les molécules passent de la phase non gazeuse à la phase gazeuse par apport d'énergie et sont mélangées à un gaz porteur et refroidies par expansion adiabatique avec le gaz porteur. Les grandes molécules passent de la phase non gazeuse à la phase gazeuse à une telle température à laquelle leur taux d'évaporation est plus grand que leur taux de décomposition. L'énergie pour faire passer les grosses molécules thermiquement instables de la phase non volatile à la phase gazeuse est apportée si rapidement que les grosses molécules thermiquement instables, à une température supérieure à la température de décomposition, passent de la phase non volatile à la phase gazeuse, dans laquelle leur taux d'évaporation est supérieur au taux de décomposition. Ces molécules sont amenées, à l'état gazeux, dans une région d'un courant de gaz porteur dans laquelle elles commencent à se dilater, la température de ce courant de gaz étant essentiellement inférieure à la température d'évaporation resp. de décomposition des grandes molécules instables thermiquement.Process and device for the production of molecular beams comprising large thermally unstable molecules, in which the molecules change from the non-gas phase to the gas phase by supply of energy and are mixed with a carrier gas and cooled by adiabatic expansion with the gas carrier. Large molecules change from non-gas phase to gas phase at such a temperature where their rate of evaporation is greater than their rate of decomposition. The energy to move the large thermally unstable molecules from the non-volatile phase to the gas phase is supplied so rapidly that the large thermally unstable molecules, at a temperature above the decomposition temperature, change from the non-volatile phase to the gas phase. gas, in which their rate of evaporation is greater than the rate of decomposition. These molecules are brought, in the gaseous state, into a region of a stream of carrier gas in which they begin to expand, the temperature of this stream of gas being essentially lower than the temperature of evaporation resp. decomposition of large thermally unstable molecules.

Description

Verfahren und Einrichtung zum Erzeugen von MolekularstrahlenMethod and device for generating molecular beams
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Erzeugen von Molekularstrahlen, bei dem eine Prohensübstanz durch Zuführen von Energie aus der nichtgasförmigen in die gasförmige Phase überführt (verdampft) wird, die heim Überführen ent stehenden freien Moleküle der Prohensubstanz einem Trägergas beigemischt werden und das Trägergas mit den Molekülen der Prohensubstanz durch Expansion eines Strahles des Trägergases adiabatisch gekühlt wird.The invention is based on a method for generating molecular beams, in which a Prohensbstanz is converted (evaporated) by supplying energy from the non-gaseous phase into the gaseous phase, the free molecules resulting from the transfer are mixed with a carrier gas and the carrier gas the molecules of the proth substance are cooled adiabatically by expansion of a beam of the carrier gas.
Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens, umfassend eine Gasstrahldüse zum Erzeugen eines Trägergasstrahls, eine Trägergaszuführungsvorrichtung zum Zuführen des Trägergases zu der Gasstrahldüse, eine Abdampfungs- und Mischkammer zum Überführen einer Prohensubstanz aus der nichtgasförmigen in die gasförmige Phase (Verdampfen) und zum Beimischen dieser Phase zu dem Trägergas, und eine Energiezuführungseinrichtung zum Zuführen von Abbdampfungsenergie zu der Abdamp fungs- und Mischkammer.The invention further relates to a device for carrying out the above-mentioned method, comprising a gas jet nozzle for generating a carrier gas jet, a carrier gas supply device for supplying the carrier gas to the gas jet nozzle, an evaporation and mixing chamber for transferring a sample substance from the non-gaseous to the gaseous phase (evaporation) and for admixing this phase to the carrier gas, and an energy supply device for supplying evaporation energy to the evaporation and mixing chamber.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Einrichtung sind bekannt, beispielsweise aus der US-Z-Chemical Physics Letters, Vol. 77, Nr. 3, Seiten 448 bis 451. Nach dem derzeitigen Stand der Technik lassen sich beliebige Molekularstrahlen erzeugen, die aus einem Trägergas, welches meist ein Edelgas, wie zum Beispiel Argon, ist, und dem Trägergas beigemischten Molekülen bestehen, sofern diese Moleküle von einer flüchtigen Substanz sind, die bei einer Temperatur verdampfbar ist, bei der sich die Moleküle überhaupt noch nicht zersetzen, d.h. also, sofern es sich um thermisch stabile Moleküle handelt.Such a method and such a device are known, for example from US-Z-Chemical Physics Letters, Vol. 77, No. 3, pages 448 to 451. According to the current state of the art, any molecular beams can be generated which consist of a carrier gas, which is usually a noble gas, such as argon, and molecules added to the carrier gas, provided that these molecules are of a volatile substance that can be vaporized at a temperature is at which the molecules do not decompose at all, that is, if they are thermally stable molecules.
Insbesondere werden nach dem Stand der Technik Molekularstrahlen mittels eines Verfahrens und einer Einrichtung der oben genannten Art, die nur für thermisch stabile Moleküle bekannt sind, hergestellt, indem die Moleküle in der Trägergasatmosphäre, zum Beispiel in einer Argonatmosphäre, verdampft oder in sonstiger Weise abgedampft und nach der Ausbildung eines MolekularStrahls mittels einer Gasstrahldüse gemeinsam durch Expansion adiabatisch gekühlt werden, so daß sie dadurch eine sehr tiefe Temperatur erhalten, die zu ihrer Untersuchung mittels Massenspektroskopie oder sonstiger Molekül- oder Ionenuntersuchungsmethoden besonders geeignet ist.In particular, according to the prior art, molecular beams are produced by means of a method and a device of the type mentioned above, which are only known for thermally stable molecules, by evaporating or otherwise evaporating the molecules in the carrier gas atmosphere, for example in an argon atmosphere, and after the formation of a molecular beam by means of a gas jet nozzle, they are jointly cooled by expansion, so that they thereby obtain a very low temperature, which is particularly suitable for their examination by means of mass spectroscopy or other molecular or ion examination methods.
Die Abdampfung der dem Trägergas beigemischten Moleküle erfolgt in der stromaufwärts von der Gasstrahldüse vorgesehe nen Abdampfungs- und Mischkammer durch einfache thermische Aufheizung in letzterer unmittelbar vor der Gasstrahldüse, durch die das Gemisch aus den zu untersuchenden Molekülen und dem Trägergas austritt und den Gasstrahl bildet, sofern die flüchtige Substanz, welche aus den zu untersuchenden Molekülen besteht oder diese Moleküle enthält, nicht aufgrund ihres Dampfdrucks bei Raumtemperatur von selbst verdampft.The evaporation of the molecules added to the carrier gas takes place in the upstream of the gas jet nozzle provided evaporation and mixing chamber by simple thermal heating in the latter directly in front of the gas jet nozzle, through which the mixture of the molecules to be examined and the carrier gas emerges and forms the gas jet, if provided the volatile substance, which consists of the molecules to be examined or contains these molecules, does not evaporate on its own due to its vapor pressure at room temperature.
Bevorzugte Untersuchungsmethoden, mittels deren solche Mole kularstrahlen untersucht werden, sind Untersuchung mittels abstimmbarer Laserstrahlung entweder in Fluoreszenz oder durch Multiphoton-Ionisation (MPI) massenspektroskopisch. Das vorgenannte Verfahren und die Einrichtung zu dessen Durchführung sind nicht für thermisch instabile Moleküle geeignet, also für nichtflüchtige Moleküle, die sich beim Aufheizen zersetzen, bevor sie einen ausreichenden Dampf druck erreicht haben.Preferred examination methods, by means of which such molecular beams are examined, are examination by means of tunable laser radiation either in fluorescence or by multiphoton ionization (MPI) by mass spectroscopy. The aforementioned method and the device for carrying it out are not suitable for thermally unstable molecules, that is to say for non-volatile molecules which decompose when heated before they have reached a sufficient vapor pressure.
Zur Untersuchung von thermisch instabilen Molekülen konnten bisher keine Molekularstrahlen erzeugt werden, sondern es erfolgte eine Verdampfung von solchen thermisch instabilen Molekülen direkt ins Vakuum, d.h. ohne Trägergas, wobei diese thermisch instabilen Moleküle mehr oder weniger zersetzt wurden. Anschließend an die Verdampfung erfolgte eine Ionisation und eine Untersuchung durch Ionenuntersuchungsmethoden, wie zum Beispiel massenspektrometrische Methoden.To date, it has not been possible to generate molecular beams for the investigation of thermally unstable molecules, but rather such thermally unstable molecules have been evaporated directly into a vacuum, i.e. without carrier gas, whereby these thermally unstable molecules were more or less decomposed. After the evaporation, an ionization and an examination by ion examination methods, such as, for example, mass spectrometric methods, took place.
Zu einer solchen Verdampfung und Ionisation von thermisch instabilen Molekülen gibt es eine Reihe von meist in neuester Zeit entwickelten Verfahren, mit denen diese thermisch instabilen Moleküle direkt unter Ionisation ins Vakuum abgedampft und massenspektrometrisch untersucht werden können. Als wichtigste Methoden seien hier beispielsweise dieFor such evaporation and ionization of thermally unstable molecules, there are a number of methods, most of which have been developed in recent times, with which these thermally unstable molecules can be evaporated directly into vacuum under ionization and examined by mass spectrometry. The most important methods here are, for example
"Blitz"-Pyrolyse, die Versprühung einer Lösung ("Elektrospray") mit sofortiger Verdampfung des Lösungsmittels, die Feiddesorption und -ionisation, die chemische Ionisation, der Beschüß mit schnellen Atomen und die Laserdesorption genannt. Alle diese Verfahren sind bisher mit unterschiedlichem Erfolg zur direkten Ionisation thermisch instabiler Moleküle angewandt worden. Sie haben den erheblichen Nachteil, daß Ionen erzeugt werden und daß außerdem diese Ionen zum Teil Fragmente und zum Teil Anlagerungsionen sind, wobei sehr häufig "kationisierte" Muttermoleküle auftreten, d.h. Mutterionen, an die zusätzlich ein anderes Ion, zum Beispiel ein Proton oder Alkaliion, angelagert ist. Hierbei bilden sich außerdem nicht immer dieselben Bruchstücke und Anlagerungskomplexe, so daß Rückschlüsse auf die unzersetzten Moleküle, über die eigentlich Untersuchungsergebnisse gewonnen werden sollen , schwierig und nicht sicher sowie teilweise unmöglich sind. Es mag zwar sein, daß möglicherweise bei den meisten der erwähnten Methoden auch neutrale Moleküle im unzersetzten Zustand mit abgedampft werden, insbesondere bei der Laserabdampfung, jedoch ist es bisher nicht gelungen, solche thermisch instabile Moleküle direkt nachzuweisen, zumal diese Moleküle nicht als Molekularstrahl vorliegen und vor dem eigentlichen Nachweis doch noch zersetzt werden, zum Beispiel durch Ionisation.Called "flash" pyrolysis, the spraying of a solution ("electrospray") with immediate evaporation of the solvent, the enemy desorption and ionization, the chemical ionization, the bombardment with fast atoms and the laser desorption. All of these methods have so far been used with varying degrees of success for the direct ionization of thermally unstable molecules. They have the considerable disadvantage that ions are generated and that these ions are also partly fragments and partly add-on ions, with "cationized" mother molecules very often occurring, ie mother ions to which another ion, for example a proton or alkali ion, is additionally attached. is attached. In addition, the same fragments and attachment complexes do not always form, so that it is difficult and not certain to draw conclusions about the undecomposed molecules via which the test results are supposed to be obtained are partially impossible. It may be that with most of the methods mentioned, neutral molecules in the undecomposed state may also be evaporated, especially with laser evaporation, but it has not yet been possible to directly detect such thermally unstable molecules, especially since these molecules are not in the form of a molecular beam and be decomposed before the actual detection, for example by ionization.
Aus der Zeitschrift für Naturforschung, Band 36a, 1981, Seiten 1338 bis 1339 und Band 35a, 1980, Seiten 1429 bis 1430 sowie aus der Zeitschrift "Chemical Physics Letters", Vol. 77, Nr. 3, Seiten 448 bis 451 ist zwar jeweils ein Verfahren zum Erzeugen von gepulsten Molekularstrahlen bekannt, jedoch enthalten die nach diesem jeweiligen Verfahren erzeugten Molekularstrahlen keine thermisch instabilen Moleküle.From the journal for natural research, volume 36a, 1981, pages 1338 to 1339 and volume 35a, 1980, pages 1429 to 1430 and from the journal "Chemical Physics Letters", Vol. 77, No. 3, pages 448 to 451 respectively a method for generating pulsed molecular beams is known, but the molecular beams generated by this particular method do not contain thermally unstable molecules.
Im einzelnen handelt es sich bei dem in der Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 36a, 1981, Seiten 1338 bis 1339 beschriebenen Verfahren um die Verdampfung einer flüchtigen Substanz, die bereits bei Raumtemperatur einen hohen Dampfdruck besitzt, nämlich um die Verdampfung von Benzol. Diese Substanz wird in das Trägergas, das im vorliegenden Falle Argon ist, hineinverdampft, und anschließend wird aus der so erhaltenen Mischung ein Molekularstrahl gebildet, wobei sich keinerlei Schwierigkeiten ergeben, worauf bereits weiter oben hingewiesen wurde. Für das in der Zeitschrift "Chemical Physics Letters", Vol. 77, Nr. 3, Seiten 448 bis 451 beschriebene Verfahren gilt das gleiche, wobei hier nur eine andere flüchtige Substanz, nämlich Diacetyl, verwendet wird; außerdem wird bei diesem Verfahren der gepulste Molekularstrahl mittels eines Magnetventils erzeugt. Im Prinzip gilt dasselbe auch für das Verfahren, das in der Zeitschrift für Naturforschung, Band 35a, 1980, Seiten 1429 bis 1430 beschrieben ist, jedoch mit der Abweichung, daß hier die Sub stanz, mittels deren ein Molekularstrahl ausgebildet werden soll, erwärmt wird, wobei zum überführen dieser Substanz, bei der es sich vorliegend um Anthracen handelt, in die Gasphase eine Erwärmung auf eine Temperatur erfolgt, die weit unterhalb der Zersetzungstemperatur liegt.Specifically, the process described in the journal for natural research, vol. 36a, 1981, pages 1338 to 1339 is the evaporation of a volatile substance which has a high vapor pressure even at room temperature, namely the evaporation of benzene. This substance is evaporated into the carrier gas, which is argon in the present case, and then a molecular beam is formed from the mixture thus obtained, with no problems whatsoever, as already mentioned above. The same applies to the method described in the journal "Chemical Physics Letters", Vol. 77, No. 3, pages 448 to 451, only one other volatile substance, namely diacetyl, being used here; In addition, the pulsed molecular beam is generated by means of a solenoid valve in this method. In principle, the same applies to the method described in the journal for natural research, volume 35a, 1980, pages 1429 to 1430, but with the difference that the sub punch, by means of which a molecular beam is to be formed, is heated, with this substance, which is anthracene in the present case, being heated to a temperature in the gas phase which is far below the decomposition temperature.
Bei der Ausbildung eines Molekularstrahls aus dem Substanzdampf-Trägergas-Gemisch entstehen bei den Verfahren, wie sie in der Zeitschrift für Naturforschung, Band 36a, 1981, Seiten 1338 bis 1339 und Band 35a, 1980, Seiten 1429 bis 1430 beschrieben sind, zwar, erst nachdem der Molekularstrahl erzeugt worden ist, diesem Molekularstrahl als Nebenprodukte Komplexe der erwähnten Substanz mit dem Trägergas. Diese Komplexe sind vor der Ausbildung des Molekular strahls überhaupt nicht vorhanden, insbesondere nicht vor der Abkühlung durch die Expansion des Trägergasstrahls, sondern sie bilden sich erst infolge dieser starken Abkühlung. Diese Komplexe, bei denen es sich nicht um große, thermisch instabile Moleküle handelt, sind unter Normalbedingungen nicht existent und nur insofern interessant, als daran sehr schwache Van der Waals-Wechselwirkungskräfte untersucht werden können. Mit der vorliegenden Erfindung dagegen sollen Molekularstrahlen mit unter Normalbedingungen existenten großen, thermisch instabilen Molekülen erzeugt werden. Derartige Moleküle können sich niemals durch bloße Anlagerung, wie das bei den vorerwähnten Komplexen der Fall ist, erst im Molekularstrahl bilden, sondern sie müssen als solche in einen Molekularstrahl eingebracht werden.When a molecular beam is formed from the substance vapor / carrier gas mixture, the processes described in the journal for natural research, volume 36a, 1981, pages 1338 to 1339 and volume 35a, 1980, pages 1429 to 1430 do not occur until the first time after the molecular beam has been generated, this molecular beam as by-products complexes of the mentioned substance with the carrier gas. These complexes are not present at all before the formation of the molecular beam, in particular not before cooling due to the expansion of the carrier gas jet, but they only form as a result of this strong cooling. These complexes, which are not large, thermally unstable molecules, do not exist under normal conditions and are only interesting in that very weak Van der Waals interaction forces can be investigated. By contrast, the present invention is intended to generate molecular beams with large, thermally unstable molecules which exist under normal conditions. Such molecules can never form in the molecular beam by mere addition, as is the case with the aforementioned complexes, but must be introduced as such into a molecular beam.
Weiter ist es aus der US-Patentschrift 4 259 572 zwar bekannt, große, thermische empfindliche Moleküle zu untersuchen, jedoch wird die Substanz, welche diese Moleküle enthält, nicht in Form von neutralen Molekülen, sondern vielmehr in Form von Molekülionen in die Gasphase gebracht. Das Verfahren nach der US-Patentschrift 4 259 572 hat infolgedessen den erheblichen Nachteil, daß keine unversehrten, großen, thermisch instabilen Moleküle in der Gasphase untersucht werden können. Hinsichtlich dieses Verfahrens gelten die obigen Ausführungen über die in neuester Zeit entwickelten Verfahren zur Verdampfung und Ionisation von thermisch instabilen Molekülen.Furthermore, it is known from US Pat. No. 4,259,572 to investigate large, thermally sensitive molecules, but the substance which contains these molecules is not brought into the gas phase in the form of neutral molecules, but rather in the form of molecular ions. The process according to US Pat. No. 4,259,572 consequently has the considerable disadvantage that no intact, large, thermally unstable molecules in the gas phase can be investigated. With regard to this method, the above statements apply to the recently developed methods for the vaporization and ionization of thermally unstable molecules.
Schließlich sind in der US-Patentschrift 4 091 256 ein Verfahren und eine Einrichtung beschrieben, bei der einer Substanz soviel Energie zugeführt wird, daß sich die Substanz bis zu den einzelnen Atomen zersetzt und so einen Strahl neutraler Atome liefert. Große, thermisch instabile Moleküle können mit diesem Verfahren und dieser Einrichtung überhaupt nicht unzersetzt in die Gasphase übergeführt werden.Finally, US Pat. No. 4,091,256 describes a method and a device in which so much energy is supplied to a substance that the substance decomposes down to the individual atoms and thus provides a beam of neutral atoms. Large, thermally unstable molecules cannot be converted into the gas phase at all without decomposition using this method and this device.
Unter einer nichtflüchtigen (nonvolatile) Substanz soll insbesondere eine Substanz verstanden werden, die unter Normalbedingungen (20°C und 1 bar) nichtflüchtig ist.A non-volatile substance is to be understood in particular as a substance which is non-volatile under normal conditions (20 ° C. and 1 bar).
Bei der Temperatur, bei der nach dem Verfahren, das in der Zeitschrift für Naturforschung, Band 36a, 1981, Seiten 1338 bis 1339 beschrieben ist, das Anthracen verdampft wird, liegt ein Gleichgewicht von festem Anthracen und Anthracendampf vor. Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß es möglich wird, große, thermisch instabile Moleküle, also Moleküle von nicht ohne Zersetzung verdampf baren Substanzen, unversehrt in einen Molekularstrahl zu bringen, der für spektroskopische Zwecke, insbesondere die Massenspektroskopie, nutzbar ist.At the temperature at which the anthracene is evaporated according to the method described in the journal for natural research, volume 36a, 1981, pages 1338 to 1339, there is a balance of solid anthracene and anthracene vapor. The invention is based on the object of developing a method of the type mentioned in such a way that it is possible to bring large, thermally unstable molecules, that is to say molecules of substances which cannot be vaporized without decomposition, undamaged into a molecular beam which, for spectroscopic purposes, especially mass spectroscopy.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das eingangs genannte Verfahren dadurch gelöst, daß zum Erzeugen von Molekularstrahlen mit großen, thermisch instabilen Molekülen die Energie impulsförmig in einer solchen Höhe zugeführt wird, daß die Probensubstanz schneller verdampft als sich zersetzt, daß die Temperatur des Trägergasstrahles in einem Bereich des Strahles, in dem dieser zu expandieren beginnt, wesentlich geringer als die Zersetzungstemperatur der Probensübstanz eingestellt wird und daß die freigesetzten Moleküle der Probensubstanz unmittelbar in diesen Bereich des Trägergasstrahles gebracht werden.This object is achieved in accordance with the invention by the method mentioned at the outset that in order to generate molecular beams with large, thermally unstable molecules, the energy is supplied in pulses at such a height that the sample substance evaporates faster than decomposes that the temperature of the carrier gas jet is in a range of the jet in which it begins to expand is set significantly lower than the decomposition temperature of the sample substance and that the released molecules of the sample substance are brought directly into this area of the carrier gas jet.
Die zugrundeliegende Aufgabe wird ferner gemäß der eingangs genannten Einrichtung dadurch gelöst, daß zur Erzeugung eines Molekularstrahles, der große, thermisch instabile Moleküle enthält, die Trägergaszuführungsvorrichtung das Trägergas der Gasstrahldüse stromaufwärts von letzterer mit einer Temperatur zuführt, die wesentlich geringer als die Abdampfungs- bzw. Zersetzungstemperatur der Probensubstanz ist, daß die Abdampfungs- und Mischkammer zumindest mit dem Teil, in dem die Beimischung der Moleküle zum Trägergas erfolgt, stromabwärts von der Austrittsöffnung der Gasstrahldüse sowie benachbart zu derselben angeordnet ist und daß die Energiezuführungseinrichtung eine hohe Energie im Impulsbetrieb abgibt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sollen unter thermisch instabilen Molekülen Moleküle von solchen Substanzen verstanden werden, deren Moleküle schon bei Temperaturen zerfallen, die weit unterhalb der Verdampfungstemperatur liegen. Diese Substanzen haben also einen Dampfdruck, der weit unterhalb desjenigen Dampfdruckes liegt, welcher erforderlich wäre, damit die Moleküle bei Raumtemperatur in die Gasphase übergehen. Unter "großen" Molekülen sollen im Rahmen der Erfindung insbesondere Moleküle verstanden werden, deren Molekulargewicht 100 oder mehr beträgt.The underlying object is further achieved according to the device mentioned at the outset in that, in order to generate a molecular beam which contains large, thermally unstable molecules, the carrier gas supply device supplies the carrier gas to the gas jet nozzle upstream of the latter at a temperature which is substantially lower than the evaporation or The decomposition temperature of the sample substance is that the evaporation and mixing chamber, at least with the part in which the molecules are mixed into the carrier gas, is arranged downstream of and adjacent to the outlet opening of the gas jet nozzle, and that the energy supply device emits high energy in pulsed operation. In the context of the present invention, thermally unstable molecules are to be understood to mean molecules of those substances whose molecules already disintegrate at temperatures which are far below the evaporation temperature. These substances therefore have a vapor pressure that is far below the vapor pressure that would be required for the molecules to go into the gas phase at room temperature. In the context of the invention, “large” molecules are to be understood in particular as molecules whose molecular weight is 100 or more.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Abdampfen der Moleküle also unter solchen Bedingungen, bei denen sich mehr unzersetzte Moleküle in der Gasphase befinden als es dem thermodynamischen Gleichgewicht bei der herrschenden Temperatur entspricht, während im Zustand des thermodynamischen Gleichgewichts überhaupt keine unzersetzten Moleküle im Falle von Substanzen, die aus großen, thermisch instabilen Molekülen bestehen, vorhanden sind. In the process according to the invention, the molecules are evaporated off under conditions in which there are more undecomposed molecules in the gas phase than corresponds to the thermodynamic equilibrium at the prevailing temperature, while in the state of thermodynamic equilibrium no undecomposed molecules in the case of substances, consisting of large, thermally unstable molecules.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren und in der Einrichtung nach der Erfindung finden aufgrund der Konzeption der Erfindung zwei wesentliche Vorgänge in Kombination statt, wodurch die Erzeugung von Molekularstrahlen mit unzersetzten großen, thermisch instabilen Molekülen ermöglicht wird:In the method according to the invention and in the device according to the invention, two essential processes take place in combination due to the conception of the invention, which enables the generation of molecular beams with undecomposed large, thermally unstable molecules:
(1) Es wird eine sehr schnelle Verdampfung der Substanz durchgeführt, welche aus den großen, thermisch instabilen Molekülen besteht oder diese Moleküle enthält, und zwar erfolgt die Verdampfung so schnell, daß sich der Hauptteil der Moleküle hierbei nicht zersetzen kann. Ein solches sehr schnelles Verdampfen ist, wie weiter unten unter Bezugnahme auf die Figur 1 näher erläutert werden wird, an sich bekannt; es eröffnet jedoch allein noch nicht die Möglichkeit, die gewünschten Molekularstrahlen, welche die großen, thermisch instabilen Moleküle unzersetzt enthalten, zu erzeugen, weil die verdampften Moleküle infolge der bei der Verdampfung aufgenommenen Energie kurz nach der Verdampfung in der Gas phase zerfallen.(1) The substance, which consists of the large, thermally unstable molecules or contains these molecules, is evaporated very quickly, and the evaporation takes place so quickly that the majority of the molecules cannot decompose. Such a very rapid evaporation is known per se, as will be explained in more detail below with reference to FIG. 1; however, it alone does not open up the possibility of generating the desired molecular beams which contain the large, thermally unstable molecules without decomposition, because the evaporated molecules decay shortly after the evaporation in the gas phase as a result of the energy absorbed during the evaporation.
(2) Der zweite Vorgang besteht darin, daß die verdampften, thermisch instabilen Moleküle sofort nach ihrer Verdampfung einer Wärmeabführung im Trägergasstrahl ausgesetzt werden, indem sie dem expandierenden Trägergasstrahl, dessen Temperatur wesentlich geringer als die Abdampfungs- bzw. Zersetzungstemperatur der großen, thermisch instabilen Moleküle ist, beigemischt werden, und zwar werden sie in denjenigen Bereich des "kühlen" Träger gasstrahls eingeführt, in welchem dieser zu expandieren beginnt. Dadurch wird verhindert, daß diese thermisch instabilen Moleküle nicht nachträglich nach dem Übergang in die Gasphase zerfallen können. Die hierbei erfolgende "Stabilisierungskühlung" ist zu unterscheiden von der adiabatischen Kühlung, die erst später erfolgt und den ganz anderen Zweck hat, die zu untersuchenden Moleküle auf eine Untersuchungstemperatur von wenigen Grad Kelvin abzukühlen.(2) The second process consists in exposing the evaporated, thermally unstable molecules to heat dissipation in the carrier gas jet immediately after they have evaporated, by exposing the expanding carrier gas jet to a temperature which is substantially lower than the evaporation or decomposition temperature of the large, thermally unstable molecules is admixed, namely they are introduced into the area of the "cool" carrier gas jet in which this begins to expand. This prevents these thermally unstable molecules from disintegrating after the transition to the gas phase. The "stabilization cooling" that occurs here is to be distinguished from the adiabatic cooling, which takes place later and has a completely different purpose, the molecules to be examined cool down to an examination temperature of a few degrees Kelvin.
Es erscheint an dieser Stelle wichtig, darauf hinzuweisen, daß nach dem Stande der Technik, bei dem, wie bereits weiter oben erwähnt wurde, die Moleküle in der Trägergasatmosphäre, zum Beispiel in einer Argonatmosphäre, stromaufwärts von der Gasstrahldüse verdampft werden, das Trägergas infolge der Tatsache, daß es beim Vorgang einer thermischen Abdampfung der zu untersuchenden Moleküle gemeinsam mit diesen erhitzt wird, "heiß" ist und dadurch mit zur Zersetzung der thermisch instabilen Moleküle beiträgt. Erst nachdem sich das Trägergas und die verdampften Moleküle in der Abdampfungsund Mischkammer im Falle einer thermischen Abdampfung bei verhältnismäßig hoher Temperatur vermischt haben, bei welcher Vermischung also thermisch instabile Moleküle zerfallen, selbst wenn ein gewisser Prozentsatz unzersetzt verdampft sein sollte, werden die zu untersuchenden Moleküle gemeinsam mit dem Trägergas durch die Gasstrahldüse expandiert. Infolgedessen ist es nach dem Stande der Technik tatsächlich nicht möglich, Molekularstrahlen zu erzeugen, die unzersetzte große, thermisch instabile Moleküle enthalten.It appears important at this point to point out that according to the prior art, in which, as already mentioned above, the molecules in the carrier gas atmosphere, for example in an argon atmosphere, are evaporated upstream from the gas jet nozzle, the carrier gas as a result of the The fact that during the process of thermal evaporation of the molecules to be examined is heated together with them, is "hot" and thus contributes to the decomposition of the thermally unstable molecules. Only after the carrier gas and the vaporized molecules have mixed in the evaporation and mixing chamber in the case of thermal evaporation at a relatively high temperature, at which mixing thermally unstable molecules disintegrate, even if a certain percentage should have evaporated without being decomposed, do the molecules to be examined become common expanded with the carrier gas through the gas jet nozzle. As a result, it is actually not possible in the prior art to generate molecular beams that contain undecomposed large, thermally unstable molecules.
Im Gegensatz hierzu wird es durch die Erfindung ermöglicht, Molekularstrahlen zu erzeugen, in denen die großen, thermisch instabilen Moleküle unzerstört für vielfältige Untersuchungen zur Verfügung stehen, insbesondere für die optische Spektroskopie, für die Reaktionskinetik, in der bekanntermaßen in weitem Umfang Molekularstrahlen zu Untersuchungszwecken angewandt werden, sowie für die Massenspektrometrie. Im Rahmen der Erfindung sollen unter "verdampfen" bzw. "Abdampfung" oder "Verdaπpfung" alle Arten des Überführens von Molekülen in die Gasphase verstanden werden; dieses Überführen kann also sowohl vom festen Stoff, der die zu untersuchenden Moleküle enthält oder aus diesen Molekülen besteht, als auch von einer Oberfläche, an welcher die 2-loleküle angelagert oder adsorbiert sind, erfolgen. Vorzugsweise werden die großen, thermisch instabilen Moleküle mittels Laserstrahlung verdampft ; diese Art der Abdampfung hat den Vorteil, daß es damit besonders gut möglich ist, die sehr schnelle, bei relativ hoher Temperatur erfolgende Verdampfung der großen, thermisch instabilen Moleküle durchzuführen.In contrast to this, the invention makes it possible to generate molecular beams in which the large, thermally unstable molecules are available undamaged for a variety of tests, in particular for optical spectroscopy, for reaction kinetics, in which molecular beams are known to be widely used for test purposes be, as well as for mass spectrometry. In the context of the invention, “evaporation” or “evaporation” or “evaporation” should be understood to mean all types of converting molecules into the gas phase; this transfer can therefore take place both from the solid substance which contains the molecules to be examined or consists of these molecules, and from a surface on which the 2-molecules are attached or adsorbed. The large, thermally unstable molecules are preferably vaporized by means of laser radiation; This type of evaporation has the advantage that it is particularly possible to carry out the very rapid, relatively high temperature evaporation of the large, thermally unstable molecules.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die großen, thermisch instabilen Moleküle mittels Abdampfungsimpulsen jeweils in einen TrägergasStrahlimpuls verdampft werden. Auf diese Weise können die Moleküle gut untersucht werden, ohne daß die Substanz, aus der heraus sie verdampft werden, dauernd aufgeheizt und damit weitgehendst zersetzt wird; vielmehr wird immer nur die oberste Schicht der Substanz auf die hohe, zur schnellen Verdampfung dienenden Verdampfungstemperatur erhitzt.Another preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the large, thermally unstable molecules are each evaporated into a carrier gas jet pulse by means of evaporation pulses. In this way, the molecules can be well examined without the substance from which they are evaporated being continuously heated and thus largely decomposed; rather, only the top layer of the substance is always heated to the high evaporation temperature which serves for rapid evaporation.
Damit die großen, thermisch instabilen Moleküle unmittelbar in den am Beginn seiner Expansion befindlichen, verhältnismäßig kühlen Trägergasstrahl gelangen, nachdem sie in die Gasphase übergetreten sind, werden sie vorzugsweise von einer im wesentlichen parallel zur Achse des Trägergasstrahls verlaufenden, der Austrittsöffnung der Gasstrahldüse benachbarten Probenfläche verdampft, wobei diese Probenfläche trotzdem nicht in den Trägergasstrahl hineinragt, damit eine ungestörte Expansion des Trägergasstrahls ermöglicht wird.So that the large, thermally unstable molecules get directly into the relatively cool carrier gas jet which is at the beginning of its expansion after they have passed into the gas phase, they are preferably vaporized by a sample surface which runs essentially parallel to the axis of the carrier gas jet and is adjacent to the outlet opening of the gas jet nozzle , this sample surface nevertheless not protruding into the carrier gas jet, so that an undisturbed expansion of the carrier gas jet is made possible.
Die weiter oben in ihrem grundsätzlichen Aufbau bereits angegebene Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, damit die großen, thermisch instabilen Moleküle sofort nach ihrem Eintritt in die Gasphase der erwähnten Stabilisierungskühlung ausgesetzt werden, vorzugsweise so ausgebildet, daß die Verdampfungsstelle von der Austrittsöffnung der Gasstrahldüse in einem Längsabstand, der kleiner als der oder gleich dem 20fachen effektiven Durchmesser der Austrittsöffnung ist, seitlich von der Austrittsöffnung angeordnet ist, wobei der Längsabstand derjenige entlang der Achse der Gasstrahldüse und der effektive Durchmesser der einer kreisförmigen Austrittsöffnung entsprechende Durchmesser ist. Wenn also die Austrittsöffnung der Gasstrahldüse einen ringförmigen Querschnitt hat, dann ist unter dem effektiven Durchmesser im vorstehenden Sinne der Durchmesser einer kreisförmigen Austrittsöffnung zu verstehen, welche flächenmäßig den gleichen Ausströmungsquerschnitt wie die ringförmige Austrittsöffnung hat.The device for carrying out the method according to the invention, which has already been given above in its basic structure, is preferably designed such that the large, thermally unstable molecules are exposed to the stabilization cooling mentioned immediately after their entry into the gas phase, in such a way that the evaporation point in from the outlet opening of the gas jet nozzle a longitudinal distance that is less than or equal to 20 times the effective diameter of the Outlet opening is arranged laterally from the outlet opening, the longitudinal distance being that along the axis of the gas jet nozzle and the effective diameter being the diameter corresponding to a circular outlet opening. So if the outlet opening of the gas jet nozzle has an annular cross section, then the effective diameter in the above sense means the diameter of a circular outlet opening which has the same area of outflow as the annular outlet opening.
Weiter ist, ebenfalls zu dem Zweck der Sicherstellung einer möglichst sofortigen Stabilisierungskühlung vorzugsweise die Verdampfungsstelle von der Achse der Gasstrahldüse in einem Querabstand angeordnet, der kleiner als der oder gleich dem 20fachen, vorzugsweise kleiner als der oder gleich dem 10fachen, effektiven Durchmesser der Austrittsöffnung ist.Furthermore, likewise for the purpose of ensuring the most immediate possible stabilization cooling, the evaporation point is preferably arranged at a transverse distance from the axis of the gas jet nozzle which is less than or equal to 20 times, preferably less than or equal to 10 times, the effective diameter of the outlet opening.
Es ist besonders zu bevorzugen, daß der Querabstand kleiner als die Hälfte des Längsabstands ist.It is particularly preferred that the transverse distance be less than half the longitudinal distance.
Die Einrichtung kann weiterhin so ausgebildet sein, daß die Abdampfungs- und Mischkammer einen stromabwärts an die Austrittsöffnung der Gasstrahldüse anschließenden, vorzugsweise zylindrischen Expansionskanal für den Trägergasstrahl aufweist, an oder in dessen Wandung die Abdampfungsstelle vorgesehen ist. Diese Abdampfungssteile kann insbesondere in einem schräg, vorzugsweise senkrecht, zur Achse der Gasstrahldüse angeordneten Probenkanal vorgesehen sein, der in der seitlichen Wandung des Expansionskanals ausgebildet ist.The device can furthermore be designed such that the evaporation and mixing chamber has a preferably cylindrical expansion channel for the carrier gas jet, downstream of the outlet opening of the gas jet nozzle, on or in the wall of which the evaporation point is provided. These evaporation parts can in particular be provided in an obliquely, preferably perpendicularly, to the axis of the gas jet nozzle arranged sample channel, which is formed in the side wall of the expansion channel.
Bei diesem Aufbau kann, wenn die Abdampfung durch Laserstrahlung erfolgt, in der seitlichen Wandung des Expansionskanals ein in der axialen Verlängerung des Probenkanals liegender Laserstrahlkanal ausgebildet sein. Die Entfernung der Probenoberfläche von der seitlichen Wandung des Expansionskanals ist bevorzugt kleiner als der oder gleich dem Durchmesser des Probenkanals, wobei der Probendurchmesser vorzugsweise gleich dem Durchmesser des Probenkanals ist.With this construction, if the evaporation takes place by means of laser radiation, a laser beam channel lying in the axial extension of the sample channel can be formed in the side wall of the expansion channel. The distance of the sample surface from the side wall of the expansion channel is preferably less than or equal to the diameter of the sample channel, the sample diameter preferably being equal to the diameter of the sample channel.
Die Erfindung sei nachstehend unter Bezugnahme auf die Fi guren 1 bis 12 der Zeichnung anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform und der damit erzielten Versuchsergebnisse näher erläutert; es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to Figures 1 to 12 of the drawing using a particularly preferred embodiment and the test results achieved thereby; show it:
Figur 1 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen Verdampfung und Zersetzung von großen, thermisch instabilen Molekülen;Figure 1 is a graph showing the relationship between evaporation and decomposition of large, thermally unstable molecules;
Figur 2 einen Längsschnitt durch eine Gasstrahldüse und einen Teil einer Abdampfungs- und Mischkammer, wie sie vorzugsweise zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung verwendet werden;FIG. 2 shows a longitudinal section through a gas jet nozzle and part of an evaporation and mixing chamber, as are preferably used to carry out the method according to the invention;
Figur 3 eine Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung mit den daran anschließenden Feldplatten eines Massenspektrometers, jedoch ohne die Einrichtung, mit welcher die Abdampfung energie zu der in der Abdampfungs- und Mischkammer befindlichen Probe zugeführt wird;FIG. 3 shows a preferred embodiment of a device according to the invention with the adjoining field plates of a mass spectrometer, but without the device with which the evaporation energy is supplied to the sample located in the evaporation and mixing chamber;
Figur 4 eine Ausführungsform der Einrichtung, mit der die Abdampfungsenergie erzeugt und zur Probe zugeführt wird; undFigure 4 shows an embodiment of the device with which the evaporation energy is generated and supplied to the sample; and
Figuren 5 bis 12 Untersuchungsergebnisse in Kurvenform, wie sie mittels des Verfahrens und der Einrichtung nach der Erfindung gewonnen worden sind.Figures 5 to 12 test results in curve form, as they have been obtained by means of the method and the device according to the invention.
Es sei zunächst auf Figur 1 Bezug genommen, worin der natürliche Logarithmus der Reaktionskonstanten k für die Zersetzung (Gerade I) und für die Verdampfung (Gerade II) schematisch in Abhängigkeit vom Kehrwert der absoluten Temperatur T dargestellt sind. Danach ist es, wie von R.J. Cotter in der Arbeit "Mass Spectrometry of Nonvolatile Compounds" ("Massenspektrometrie von nichtflüchtigen Verbindungen") in Anal. Chem. 52 (1980) 1589A gezeigt wurde, so, daß bei großen, thermisch instabilen Molekülen die Verdampfung eine höhere Aktivierungsenergie besitzt als die Zersetzung, so daß also die Rate der Verdampfung mit der Temperatur schneller zunimmt als die der Zersetzung. Somit wird ab einer bestimmten Temperatur die Verdampfungsrate größer als die Zersetzungsrate, nämlich ab dem Schnittpunkt der beiden Geraden I und II nach höheren Temperaturen zu.Reference is first made to FIG. 1, in which the natural logarithm of the reaction constant k for the decomposition (straight line I) and for the evaporation (straight line II) is shown schematically as a function of the reciprocal of the absolute temperature T are shown. After that, it's like in RJ's work "Mass Spectrometry of Nonvolatile Compounds"("Mass Spectrometry of Non-Volatile Compounds") in Anal. Chem. 52 (1980) 1589A was shown so that with large, thermally unstable molecules the evaporation has a higher activation energy than the decomposition, so that the rate of evaporation increases with temperature faster than that of the decomposition. Thus, from a certain temperature, the evaporation rate becomes greater than the decomposition rate, namely from the intersection of the two straight lines I and II to higher temperatures.
Geht man nun sehr schnell auf eine sehr hohe Temperatur, so werden die meisten Moleküle verdampfen, ehe sich genügend viel Energie in den inneren Schwingungsmoden angesammelt hat, die zur Dissoziation führen kann. Neben diesen beiden, neutrale Teilchen betreffenden Reaktionswegen gibt es verschiedene Ionisierungswege, die u.a. zu den schon erwähnten energetisch günstigen "kationisierten" Spezies führen.If you go very quickly to a very high temperature, most of the molecules will evaporate before enough energy has accumulated in the internal vibration modes that can lead to dissociation. In addition to these two neutral pathways, there are various ionization pathways that include lead to the energetically favorable "cationized" species already mentioned.
Die Abdampfung bzw. Verdampfung thermisch instabiler Moleküle kann durch äußerst schnelle Aufheizung erfolgen, wie sie durch einen sehr kurzen Laserimpuls mit hoher Leistungsdichte bewirkt wird. Die Verteilung der Energie auf die drei Abdampfungsvorgänge Verdampfung, Zersetzung und Ionisation hängt bei Beschüß mit Laserstrahlung hauptsächlich von folgenden Faktoren ab: Laser-Energiedichte, Impulsdauer und Beschaffenheit der Probe. Der Einfluß der Laserwellenlänge auf den Abdampfungsprozeß scheint von untergeordneter Bedeutung zu sein; es ist jedoch nicht auszuschließen, daß probenspezifisch mit bestimmten Wellenlängen, zum Beispiel im Infrarot, besonders hohe Verdampfungsraten erzielt werden können (Resonanzdesorption). Von diesem Standpunkt aus ist dem CO2-Laser (Wellenlänge 10,6 μm) der Vorzug vor dem alternativen Neodym-YAG-Laser (Wellenlänge 1,06 μm) zu geben, denn bei 10,6 /um besitzen die meisten großen org-anischen Moleküle Schwingungsbanden, was bei 1,06 μm nicht der Fall ist. Ein Molekularstrahl ist ein gebündelter Strom von Molekülen, die sich im wesentlichen stoßfrei in einer Vorzugsrichtung bewegen. Die Stoßfreiheit ist zwar auch bei der freien Expansion ins Vakuum gegeben, aber hier fehlt im allgemeinen die Vorzugsrichtung. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die verdampften Moleküle einem Trägergasstrahl unmittelbar nach dessen Austritt aus einer gepulsten Gasstrahldüse beigemischt. Hierbei erfahren die noch "heißen" Moleküle zunächst Stöße mit den Trägergasatomen und werden somit durch eine "Stabilisierungskühlung" desaktiviert, so daß die Wahrscheinlichkeit eines nachfolgenden unimolekularen Zefalls stark abnimmt. Durch weitere adiabatische Expansion geht der anfängliche Düsenstrahl nach kurzer Laufstrecke in einen Molekularstrahl über.The evaporation or evaporation of thermally unstable molecules can be done by extremely rapid heating, as is caused by a very short laser pulse with a high power density. The distribution of energy over the three evaporation processes, evaporation, decomposition and ionization, depends mainly on the following factors when bombarded with laser radiation: laser energy density, pulse duration and nature of the sample. The influence of the laser wavelength on the evaporation process seems to be of minor importance; However, it cannot be ruled out that particularly high evaporation rates can be achieved with specific wavelengths, for example in the infrared (resonance desorption). From this point of view, the CO 2 laser (wavelength 10.6 μm) should be preferred to the alternative neodymium YAG laser (wavelength 1.06 μm), because at 10.6 / um most of the large organic anic molecules vibrational bands, which is not the case at 1.06 μm. A molecular beam is a bundled stream of molecules that move in a preferred direction essentially without jolts. The freedom from bumps is also given for free expansion into a vacuum, but the preferred direction is generally missing here. In the method according to the invention, the vaporized molecules are admixed to a carrier gas jet immediately after it emerges from a pulsed gas jet nozzle. The still "hot" molecules initially experience collisions with the carrier gas atoms and are thus deactivated by "stabilization cooling", so that the likelihood of a subsequent unimolecular decay greatly decreases. Through further adiabatic expansion, the initial nozzle jet changes into a molecular jet after a short running distance.
Es sei nun anhand der Figuren 2 bis 4 eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung näher erläutert. Diese Einrichtung zum Erzeugen eines gepulsten, dotierten Molekularstrahls weist vor allem die folgenden vier Baueinheiten auf:A particularly preferred embodiment of a device according to the invention will now be explained in more detail with reference to FIGS. 2 to 4. This device for generating a pulsed, doped molecular beam has the following four main components:
(1) eine Gasstrahldüse 1, die vorliegend in ihrer bevorzugten Ausführungsform als elektromagnetisch gepulstes Düsenventil ausgebildet ist und zum Erzeugen eines Träger gasstrahls, zum Beispiel eines Argonstrahls, dient;(1) a gas jet nozzle 1, which in the present embodiment is designed as an electromagnetically pulsed nozzle valve and is used to generate a carrier gas jet, for example an argon jet;
(2) eine Abdampfungs- und Mischkammer 2 zur Beimischung der von einer Probe abgedampften Moleküle zu dem Trägergasstrahl; und(2) an evaporation and mixing chamber 2 for admixing the molecules evaporated from a sample to the carrier gas jet; and
(3) eine Energiezuführungseinrichtung 3 zum Zuführen von Ab dampfungsenergie zu der Abdampfungs- und Mischkammer 2, deren Hauptbauteil ein gepulster CO2-Laser (TEA-Laser) ist; sowie(3) an energy supply device 3 for supplying vaporization energy to the evaporation and mixing chamber 2, the main component of which is a pulsed CO 2 laser (TEA laser); such as
(4) eine TrägergaszuführungsVorrichtung 4 zum Zuführen des Trägergases zu der Gasstrahldüse 1; von dieser Träger gaszuführungsvorrichtung 4 ist in der Zeichnung, nämlich in Figur 3, nur der Anschlußstutzen dargestellt, über den das Trägergas zu der Gasstrahldüse 1 zugeführt wird.(4) a carrier gas supply device 4 for supplying the carrier gas to the gas jet nozzle 1; from this carrier Gas supply device 4 is shown in the drawing, namely in Figure 3, only the connecting piece through which the carrier gas is supplied to the gas jet nozzle 1.
Mittels dieser vier Baueinheiten, deren dargestellte bevorzugte Ausführungsformen weiter unten näher erläutert sind, wird ein Molekularstrahl erzeugt, von dem nur die Achse 5 dargestellt ist, die gleichzeitig die Achse der Gasstrahldüse 1 und demgemäß auch des daraus austretenden Trägergasstrahls sowie die Achse des aus dem Trägergasstrahl und den in diesen hinein verdampften Molekülen bestehenden Mischgasstrahls ist, aus dem nach der adiabatischen Expansion der Molekularstrahl wird.By means of these four structural units, the preferred embodiments of which are illustrated in more detail below, a molecular beam is generated, of which only the axis 5 is shown, which at the same time represents the axis of the gas jet nozzle 1 and accordingly also the carrier gas jet emerging therefrom and the axis of the carrier gas jet and the mixed gas jet existing in these evaporated molecules, which after adiabatic expansion becomes the molecular jet.
Zum Nachweis der Eigenschaften des Molekularstrahls ist vorliegend ein Flugzeit-Massenspektrometer mit Laser-Multiphoton-Ionisation vorgesehen, von dem im unteren Teil der Figur 3 einige Feldplatten und ein Teil des Driftrohrs angedeutet sind. Der ionisierende Laser ist ein abstimmbarer Farbstofflaser, der von einem Q-geschalteten Neodym-YAG-Laser gepumpt wird.To demonstrate the properties of the molecular beam, a time-of-flight mass spectrometer with laser multiphoton ionization is provided in the present case, of which some field plates and part of the drift tube are indicated in the lower part of FIG. The ionizing laser is a tunable dye laser that is pumped by a Q-switched neodymium-YAG laser.
Der Impulsbetrieb des Düsenstrahls (so wird hier der gesamte Strahl bezeichnet, der vom Trägergasstrahl über den Mischgasstrahl zum Molekularstrahl wird) ist kein absolut notwendiges Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens, er ist aber zur Aufrechterhaltung eines ausreichenden Vakuums mit vertretbarem Pumpaufwand von äußerst wichtiger praktischer Bedeutung. Ein kontinuierlicher Trägergasstrahl, beispielsweise aus Argon, hätte hier wegen der gepulsten Abdampfung ohnehin keinen praktischen Sinn. Wichtig für das Funktionieren des Verfahrens ist eine genaue zeitliche Korrelation des Düsenstrahls, des Abdampfungs-Laserimpulses und des Ionisations-Laserimpulses, die durch elektronische Standardschaltungen durchgeführt wird. Es seien nun nachstehend die einzelnen Baueinheiten näher erläutert und anschließend daran beispielsweise bauliche Abmessungen sowie bevorzugte optimierte Betriebsdaten angegeben.The impulse operation of the nozzle jet (this is how the entire jet is referred to here, which becomes the carrier gas jet via the mixed gas jet to the molecular jet) is not an absolutely necessary feature of the method according to the invention, but it is of extremely important practical importance in order to maintain a sufficient vacuum with a reasonable pumping effort. A continuous jet of carrier gas, for example made of argon, would have no practical meaning anyway because of the pulsed evaporation. Important for the functioning of the method is an exact temporal correlation of the nozzle jet, the evaporation laser pulse and the ionization laser pulse, which is carried out by standard electronic circuits. The individual structural units are now explained in more detail below, and then, for example, structural dimensions and preferred optimized operating data are specified.
Als erstes sei die Gasstrahldüse anhand der Figuren 2 und 3 in Einzelheiten beschrieben:The gas jet nozzle is first described in detail with reference to FIGS. 2 and 3:
Die Gasstrahldüse 1 ist als Düsenventil ausgebildet, und zwar ist es im vorliegenden Fall ein kommerzielles elektromagnetisch betriebenes Ventil der Firma Bosch, das ursprünglich für den Betrieb von Treibstoff-Einspritzmotoren bestimmt war. Dieses Düsenventil besitzt eine ringförmige Austrittsöffnung 6, die innen von einem zylindrischen Ende eines Ventilstößels 7 und außen von einer zylindrischen Öffnung eines Ventilsitzzylinders 8 begrenzt ist. Nach dem Inneren der Gasstrahldüse 1 zu schließt sich an das zylindrische Ende des Ventilstößels 7 eine konische Ventilfläche 9 an, die mit einer komplementären konischen Ventilsitzfläche 10 zus-ammenwirkt, welche sich an die zylindrische Öffnung des Ventilsitzzylinders 8 anschließt. Das Düsenventil ist so umgearbeitet, daß der Ventilsitzzylinder 8 frei zugänglich und mit einem Außengewinde 11 zum Aufschrauben der Abdampfungs- und Mischkammer 2 versehen ist.The gas jet nozzle 1 is designed as a nozzle valve, in the present case it is a commercial electromagnetically operated valve from Bosch, which was originally intended for the operation of fuel injection engines. This nozzle valve has an annular outlet opening 6 which is delimited on the inside by a cylindrical end of a valve tappet 7 and on the outside by a cylindrical opening of a valve seat cylinder 8. Towards the inside of the gas jet nozzle 1, a conical valve surface 9 connects to the cylindrical end of the valve tappet 7, which cooperates with a complementary conical valve seat surface 10, which adjoins the cylindrical opening of the valve seat cylinder 8. The nozzle valve is reworked so that the valve seat cylinder 8 is freely accessible and is provided with an external thread 11 for screwing on the evaporation and mixing chamber 2.
In der vorliegenden Ausführungsform hat die ringförmige Austrittsöffnung 6 eine radiale Ringbreite von etwa 0,1 mm und einen äußeren Ringdurchmesser von etwa 1 mm, so daß ein entsprechender ringförmiger Trägergasstrahl erzeugt wird. Der Abstand zwischen der Ventilfläche 9 und der Ventilsitzflache 10 im geöffneten Zustand des Düsenventils beträgt etwa 0,1 mm. Das Düsenventil wird elektromagnetisch so betrieben, daß ein Trägergasimpuls von ca. 1 msec Dauer mit An- und Abstiegsflanken von etwa 200 μsec entsteht. Das wird durch elektrische Impulse von 500 μsec erreicht, die auf die Magnetwicklung des Düsenventils gegeben werden. Als nächstes sei ebenfalls anhand der Figuren 2 und 3 die Abdampfungs- und Mischkammer 2 näher erläutert, die, zumindest hinsichtlich ihres wesentlichen Teils, in dem die Abdampfung und Mischung stattfindet, stromabwärts von der Austrittsöffnung 6 der Gasstrahldüse 1 sowie benachbart dieser Austrittsöffnung angeordnet ist:In the present embodiment, the annular outlet opening 6 has a radial ring width of approximately 0.1 mm and an outer ring diameter of approximately 1 mm, so that a corresponding ring-shaped carrier gas jet is generated. The distance between the valve surface 9 and the valve seat surface 10 when the nozzle valve is open is approximately 0.1 mm. The nozzle valve is operated electromagnetically so that a carrier gas pulse of approx. 1 msec duration with rising and falling edges of approximately 200 μsec is produced. This is achieved by electrical pulses of 500 μsec that are applied to the magnetic winding of the nozzle valve. Next, the evaporation and mixing chamber 2 will also be explained in more detail with reference to FIGS. 2 and 3, which, at least with regard to its essential part in which the evaporation and mixing takes place, is arranged downstream of the outlet opening 6 of the gas jet nozzle 1 and adjacent to this outlet opening:
Die Abdampfungs- und Mischkammer 2 weist einen zylindrischen Expansionskanal 12 für den Trägergasstrahl auf, dessen Achse mit der Achse 5 des Düsenstrahls zusammenfällt und der eine erweiterte, stromabwärtige Verlängerung der Austrittsöffnung 6 der Gasstrahldüse 1 bildet sowie mit seinem einen Ende direkt an die Austrittsöffnung 6 anschließt. Das andere Ende des Expansionskanals 12 geht zur weiteren Expansion des Düsenstrahls ins Vakuum über.The evaporation and mixing chamber 2 has a cylindrical expansion channel 12 for the carrier gas jet, the axis of which coincides with the axis 5 of the nozzle jet and which forms an enlarged, downstream extension of the outlet opening 6 of the gas jet nozzle 1 and connects one end directly to the outlet opening 6 . The other end of the expansion channel 12 merges into a vacuum for further expansion of the jet.
An oder in der Wandung des Expansionskanals 12 ist die Abdampfungsstelle 13 vorgesehen, die im vorliegenden Falle von der Oberfläche einer zu einer Pille gepreßten Probe 14 gebildet wird. Diese Abdampfungsstelle 13 ist in einem senkrecht zur Achse 5 der Gasstrahldüse 1 angeordneten Probenkanal 15 vorgesehen, der in der seitlichen Wandung des Expansionskanals 12 ausgebildet ist.On or in the wall of the expansion channel 12, the evaporation point 13 is provided, which in the present case is formed by the surface of a sample 14 pressed into a pill. This evaporation point 13 is provided in a sample channel 15 which is arranged perpendicular to the axis 5 of the gas jet nozzle 1 and is formed in the lateral wall of the expansion channel 12.
Weiterhin besitzt die Abdampfungs- und Mischkammer 2 einen Laserstrahlkanal 16, der ebenfalls in der seitlichen Wandung des Expansionskanals 12 ausgebildet ist, und zwar in der axialen Verlängerung des Probenkanals 15 auf der letzterem gegenüberliegenden Seite des Expansionskanals 12. Durch diesen Laserstrahlkanal 16 wird, wie weiter unten anhand der Figur 4 erläutert ist, die Abdampfungsenergie zugeführt.Furthermore, the evaporation and mixing chamber 2 has a laser beam channel 16, which is also formed in the lateral wall of the expansion channel 12, specifically in the axial extension of the sample channel 15 on the side of the expansion channel 12 opposite the latter is explained below with reference to Figure 4, the evaporation energy supplied.
Damit eine ungestörte Expansion des Trägergasstrahls im Expansionskanal 12 erfolgen kann, ist der Durchmesser des letzteren wesentlich größer als der äußere Durchmesser der Austrittsöffnung 6. Damit die Moleküle von der Probe 14 zum Zwecke der Stabilisierungskühlung möglichst unmittelbar in den expandierenden Trägergasstrahl sowie in einen Bereich des letzteren, der dem Beginn der Expansion möglichst nahe ist, verdampft werden, sind vorzugsweise folgende Bedin gungen erfüllt:So that an undisturbed expansion of the carrier gas jet can take place in the expansion channel 12, the diameter of the latter is substantially larger than the outer diameter of the outlet opening 6. So that the molecules from the sample 14 to the The following conditions are preferably met for the purposes of stabilizing cooling as directly as possible in the expanding carrier gas jet and in an area of the latter which is as close as possible to the beginning of the expansion:
(1) Der Längsabstand a der Abdampfungsstelle 13 von der Austrittsöffnung 6 der Gasstrahldüse 1 ist kleiner als der oder gleich dem 20fachen effektiven Durchmesser der Austrittsöffnung 6. Hierbei ist unter dem Längsabstand a der Abstand zwischen der Austrittsöffnung 6 und dem Projektionspunkt P der Mitte M der Abdampfungsstelle 13 auf die Achse 5 des Düsenstrahls zu verstehen. Der Begriff des effektiven Durchmessers der Austrittsöffnung 6 wurde weiter oben bereits erläutert.(1) The longitudinal distance a of the evaporation point 13 from the outlet opening 6 of the gas jet nozzle 1 is less than or equal to 20 times the effective diameter of the outlet opening 6. Here, the distance between the outlet opening 6 and the projection point P of the center M is below the longitudinal distance a Evaporation point 13 to understand the axis 5 of the jet. The concept of the effective diameter of the outlet opening 6 has already been explained above.
(2) Der Querabstand b der Abdampfungsstelle 13 von der Achse 5 des Düsenstrahls ist kleiner als der oder gleich dem 20fachen, vorzugsweise kleiner als der oder gleich dem 10fachen, effektiven Durchmesser der Austrittsöffnung 6.(2) The transverse distance b of the evaporation point 13 from the axis 5 of the nozzle jet is less than or equal to 20 times, preferably less than or equal to 10 times the effective diameter of the outlet opening 6.
(3) Der Querabstand b ist vorzugsweise kleiner als die Hälfte des Längsabstands a.(3) The transverse distance b is preferably less than half the longitudinal distance a.
(4) Die Entfernung c der Abdampfungsstelle 13 von der seitlichen Wandung des Expansionskanals 12 ist kleiner als der oder gleich dem Durchmesser d des Probenkanals 15, der vorzugsweise im gesamten Querschnitt von der Probe 13 ausgefüllt wird.(4) The distance c of the evaporation point 13 from the side wall of the expansion channel 12 is less than or equal to the diameter d of the sample channel 15, which is preferably filled in by the sample 13 in its entire cross section.
In der vorliegenden Ausführungsform besteht die Abdampfungsund Mischkammer 2 aus einem zylindrischen Block aus Edelstahl, der eine zum Expansionskanal 12 konzentrische Gewindebohrung 17 hat, mittels deren er auf das Außengewinde 11 des Ventilsitzzylinders 8 aufgeschraubt ist. Bevorzugte Ab messungen dieses zylindrischen Blocks, des Expansionskanals 12 sowie des von dem Expansionskanal an der Außenseite des zylindrischen Blocks durchgehenden Probenkanals 15 und Laserstrahlkanals 16 sind folgende:In the present embodiment, the evaporation and mixing chamber 2 consists of a cylindrical block made of stainless steel, which has a threaded bore 17 which is concentric with the expansion channel 12 and by means of which it is screwed onto the external thread 11 of the valve seat cylinder 8. Preferred Ab Measurements of this cylindrical block, of the expansion channel 12 and of the sample channel 15 and laser beam channel 16 passing through from the expansion channel on the outside of the cylindrical block are as follows:
Durchmesser e des Laserstrahlkanals: 2,5 mm Durchmesser d des Probenkanals: 2,5 mmDiameter e of the laser beam channel: 2.5 mm Diameter d of the sample channel: 2.5 mm
Durchmesser g des Expansionskanals: 2,5 mm axiale Länge h des Expansionskanals: 5 mm minimaler Abstand i der Innenwandung des Proben- und Laserstrahlkanals von der der GasStrahldüse abgewandten Stirnfläche des zylindrischen Blocks: 1,5 mm Durchmesser m der Abdampfungs- und Misch kammer: 30 mm Dicke n der Abdampfungs- und Mischkammer: 13 mmDiameter g of the expansion channel: 2.5 mm axial length h of the expansion channel: 5 mm minimum distance i of the inner wall of the sample and laser beam channel from the face of the cylindrical block facing away from the gas jet nozzle: 1.5 mm diameter m of the evaporation and mixing chamber: 30 mm thickness n of the evaporation and mixing chamber: 13 mm
Es sei darauf hingewiesen, daß die Abdampfungs- und Mischkammer 2 in der Weise abgewandelt sein kann, daß an der Stelle der gepreßten Probe 14 ein mit der Probensubstanz beschichtetes Band, - das zum Beispiel aus Kupfer oder Teflon etc. bestehen kann, an dem durch den Laserstrahlkanal 16 einwirkenden Abdampfungs-Laserstrahl 18 (siehe Figur 4) vorbeigeführt wird, so daß dadurch die dem Abdampfungs-Laserstrahl ausgesetzte Oberfläche ständig erneuert werden kann, indem das Band kontinuierlich oder schrittweise weiterbewegt wird; diese Ausführungsform ist jedoch in der Zeichnung nicht dargestellt.It should be pointed out that the evaporation and mixing chamber 2 can be modified in such a way that at the location of the pressed sample 14 there is a strip coated with the sample substance, which can consist, for example, of copper or Teflon etc., on which the evaporation laser beam 18 acting on the laser beam channel 16 (see FIG. 4) is guided past, so that the surface exposed to the evaporation laser beam can thereby be constantly renewed by continuously or stepwise moving the belt; however, this embodiment is not shown in the drawing.
Nunmehr sei die Energiezuführungseinrichtung 3 näher beschrieben, mit der die großen, thermisch instabilen Moleküle bei einer Temperatur verdampft werden, bei der die Verdampfungsrate dieser Moleküle größer als deren Zersetzungsrate ist: Diese Energiezuführungseinrichtung 3 umfaßt als Energiequelle einen Laser 19, der im vorliegenden Falle ein gepulster CO2- TEA-Laser ist, welcher bei einem Strahlquerschnitt von 2,3 x 2,5 cm Abdampfungs-Laserstrahlimpulse von 0,3 J/cm2 und 1 /usec Dauer liefert. Die Wiederholungsfrequenz ist im Bereich von 0 bis 10 Impulse/Sekunde variabel. Der Abdampfungs -Laserstrahl 18 wird, wie in der nicht maßstabsgerechten Zeichnung der Figur 4 dargestellt ist, unmittelbar nach seinem Austritt aus dem Laser 19 durch einen ersten goldbe schichteten, ebenen Umlenkspiegel 20 um 90 umgelenkt und über eine erste Irisblende 21 auf einen zweiten ebenen goldbeschichteten Umlenkspiegel 22 sowie über eine zweite Irisblende 23 und einen dritten ebenen goldbeschichteten Umlenkspiegel 24 auf einen ebenfalls goldbeschichteten Hohlspiegel 25 gelenkt. Die beiden variablen Irisblenden 21 und 23 sind zur Abschwächung des Abdampfungs-Laserstrahls 18 vorgesehen, und zwar ist, wie die Figur 4 zeigt, eine Irisblende 21 unmittelbar am Ausgang des Lasers 19 und die andere Irisblende 23 in der Nähe des dritten Umlenkspiegels 24 angebracht.The energy supply device 3, with which the large, thermally unstable molecules are vaporized at a temperature at which the vaporization rate of these molecules is greater than their decomposition rate, will now be described in more detail: This energy supply device 3 comprises, as an energy source, a laser 19, which in the present case is a pulsed CO 2 - TEA laser which, with a beam cross section of 2.3 x 2.5 cm, has evaporation laser beam pulses of 0.3 J / cm 2 and 1 / usec duration returns. The repetition frequency is variable in the range from 0 to 10 pulses / second. The evaporation laser beam 18 is, as shown in the not to scale drawing of Figure 4, deflected immediately after its exit from the laser 19 by a first gold-coated, flat deflection mirror 20 by 90 and via a first iris diaphragm 21 to a second flat gold-coated Deflecting mirror 22 and via a second iris diaphragm 23 and a third flat gold-coated deflecting mirror 24 are directed to a likewise gold-coated concave mirror 25. The two variable iris diaphragms 21 and 23 are provided to attenuate the evaporation laser beam 18, namely, as shown in FIG. 4, an iris diaphragm 21 is attached directly to the output of the laser 19 and the other iris diaphragm 23 is located in the vicinity of the third deflection mirror 24.
Mittels des Hohlspiegels 25 wird der Abdampfungs-Laserstrahl 18 durch ein Fenster 26 in das Innere des die Abdampfungsund Mischkammer enthaltenden Vakuumraums 27 sowie durch den Laserstrahlkanal 16 auf die Abdampfungsstelle 13, d.h. auf die Oberfläche der Probe 14, konzentriert. Es ist jedoch zu beachten, daß sich die Probe 14 nicht genau im Brennpunkt des Hohlspiegels 25 befindet. Vielmehr kann der Abstand des Hohlspiegels 25 von der Abdampfungsstelle 13 verändert werden, und durch diese Änderung kann die Energiedichte des auf die Oberfläche der Probe 14 auftreffenden Abdampfungs-Laserstrahls 18 in einfacher Weise variiert werden.By means of the concave mirror 25, the evaporation laser beam 18 is directed through a window 26 into the interior of the vacuum space 27 containing the evaporation and mixing chamber and through the laser beam channel 16 onto the evaporation point 13, i.e. concentrated on the surface of the sample 14. However, it should be noted that the sample 14 is not exactly in the focal point of the concave mirror 25. Rather, the distance of the concave mirror 25 from the evaporation point 13 can be changed, and this change allows the energy density of the evaporation laser beam 18 impinging on the surface of the sample 14 to be varied in a simple manner.
Es seien nachstehend bevorzugte Daten der Energiezuführungseinrichtung nach Figur 4 angegeben: Abstand p zwischen den beiden Irisblenden: ca. 2,5 m Bereich, innerhalb dessen der Abstand q zwischen dem Hohlspiegel und der Abdampfungsstelle einstellbar ist: 30 - 45 cm Brennweite des Hohlspiegels: 28 cmPreferred data of the energy supply device according to FIG. 4 are given below: Distance p between the two iris diaphragms: approx. 2.5 m range within which the distance q between the concave mirror and the evaporation point can be set: 30 - 45 cm focal length of the concave mirror: 28 cm
Material des Fensters: BariumfluoridWindow material: barium fluoride
Um den erhaltenen Molekularstrahl in dem bereits erwähnten Flugzeit-Massenspektrometer zu untersuchen, muß dieser ionisiert werden, was an der in Figur 3 mit A bezeichnetenIn order to investigate the molecular beam obtained in the time-of-flight mass spectrometer already mentioned, it must be ionized, which is indicated by A in FIG
Stelle mittels eines Ionisierungs-Laserstrahls 28 geschieht, der in Figur 3 in der Zeichnungsebene angedeutet ist, jedoch tatsächlich senkrecht zur Zeichnungsebene verläuft. Zum Erzeugen dieses Ionisierungs-Laserstrahls 28 dient ein Neodym-YAG-Farbstoff-Lasersystem der Firma Quanta Ray. Dieses Lasersystem arbeitet optimal bei einer Impulswiederholungsfrequenz von 10 Hertz und liefert Impulse von ca. 10 nsec Dauer. Neben der Grundwellenlänge des YAG-Lasers, die bei 1064 nm liegt und deren Harmonischen, die bis zur vierten Harmonischen gehen, welche bei 266 nm liegt, kann durch geeignete Farbstoffwahl sowie Verdopplung und Frequenzmischung der gesamte Bereich von ca. 800 bis 240 nm überdeckt werden. Der Ionisierungs-Laserstrahl 28 wird mittels einer nichtdargestellten Linse, die vorzugsweise eine Brennweite von 20 cm oder 50 cm hat, auf den Schnittpunkt A des Molekularstrahls mit der ionenoptischen Achse 29 des Flugzeit-Massenspektrometers fokussiert. Dieser Schnittpunkt A befindet sich in der vorliegenden Ausführungsform in einer Entfernung r von 2,7 cm von der Austrittsöffnung 6 für den Trägergasstrahl.This is done by means of an ionization laser beam 28, which is indicated in FIG. 3 in the plane of the drawing, but actually runs perpendicular to the plane of the drawing. A neodymium-YAG dye laser system from Quanta Ray is used to generate this ionization laser beam 28. This laser system works optimally at a pulse repetition frequency of 10 Hertz and delivers pulses of approx. 10 nsec duration. In addition to the basic wavelength of the YAG laser, which is at 1064 nm and its harmonics, which go up to the fourth harmonic, which is at 266 nm, the entire range from approx. 800 to 240 nm can be covered by suitable choice of dye as well as doubling and frequency mixing . The ionization laser beam 28 is focused on the intersection A of the molecular beam with the ion-optical axis 29 of the time-of-flight mass spectrometer by means of a lens, not shown, which preferably has a focal length of 20 cm or 50 cm. In the present embodiment, this intersection point A is at a distance r of 2.7 cm from the outlet opening 6 for the carrier gas jet.
In Figur 3 sind die Feldplatten 30 bis 33 und ein Teil des Driftrohrs 34 eines Flugzeit-Massenspektrometers herkömmlicher Bauart angedeutet, die ein Zugfeld zur Extraktion der im Schnittpunkt A erzeugten Ionen, eine Einzellinse und einen Driftraum bilden, wobei letzterer durch Lochblenden 35, 36 und 37, die in den Feldplatten 31, 32 und 33 vorgesehen sind, von dem Molekularstrahl getrennt .ist. Die Lochblenden 35, 36 und 37 haben beispielsweise einen Durchmesser s von jeweils 5 mm. Am Ende der Driftstrecke, die zum Beispiel 25 cm beträgt, befindet sich ein nichtdargestellter Sekundärelektronenvervielfacher. Der Nachweis der Ionen geschieht über einen Vorverstärker wahlweise auf einem schnellen Oszillographen oder einem TRANSIENT DIGITIZER (Tectronix) , der ein Gerät ist, welches sehr schnell (Nanosekunden bis Picosekunden) ablaufende Vorgänge registriert und digitalisiert.In FIG. 3, the field plates 30 to 33 and a part of the drift tube 34 of a time-of-flight mass spectrometer of conventional design are indicated, which form a pulling field for extracting the ions generated at the intersection point A, a single lens and a drift space, the latter being provided by aperture plates 35 36 and 37, which are provided in the field plates 31, 32 and 33, are separated from the molecular beam. The perforated screens 35, 36 and 37 have, for example, a diameter s of 5 mm each. At the end of the drift distance, which is, for example, 25 cm, there is a secondary electron multiplier (not shown). The ions are detected via a preamplifier either on a fast oscillograph or on a TRANSIENT DIGITIZER (Tectronix), which is a device that registers and digitizes very fast processes (nanoseconds to picoseconds).
Der Molekularstrahlraum hat ein Puffervolumen von ca. 6 1, damit der Kammerdruck bei jedem Gasimpuls momentan nicht so stark ansteigt; er wird mit einer Roots-Pumpe mit einer Saugleistung von 1000 m3 /h und mit einer geeigneten Vorpumpe auf einem mittleren Druck von ca. 1,3/ubar gehalten. Der Druck im Driftraum wird durch eine Diffusionspumpe unterhalb von 0,013/ubar gehalten.The molecular beam space has a buffer volume of approx. 6 1, so that the chamber pressure does not increase so much with every gas pulse; it is kept at a mean pressure of approx. 1.3 / ubar with a Roots pump with a suction capacity of 1000 m 3 / h and with a suitable backing pump. The pressure in the drift chamber is kept below 0.013 / ubar by a diffusion pump.
Wie die Figur 3 außerdem zeigt, ist die GasStrahldüse 1 als Baueinheit in eine im wesentlichen hohlzylindrische Fassung 38 eingeschraubt, die ihrerseits über einen damit einstückigen Flansch 39 und einen Abstandsring 40 sowie Dichtungen 41, 42 an einem größeren Flansch 43 befestigt ist, der an einem rohrförmigen Teil 44 (siehe Figur 4) vorgesehen ist. Dieser rohrförmige Teil, der in Figur 3 nicht dargestellt ist, befindet sich seitlich im Abstand von der Abdampfungs- und Mischkammer 2 und trägt über eine entsprechende Halterung 45 das Fenster 26.As FIG. 3 also shows, the gas jet nozzle 1 is screwed as a structural unit into an essentially hollow cylindrical socket 38, which in turn is attached to a larger flange 43, which is attached to a larger flange 43 and a spacer ring 40 and seals 41, 42 tubular part 44 (see Figure 4) is provided. This tubular part, which is not shown in FIG. 3, is located laterally at a distance from the evaporation and mixing chamber 2 and supports the window 26 via a corresponding holder 45.
Schließlich seien nachstehend anhand der Figuren 5 bis 12 Testversuche, die mit dem Verfahren und der Einrichtung nach der Erfindung durchgeführt wurden, und deren Ergebnisse angegeben: Die Erzeugung eines Molekularstrahls wurde mit drei verschiedenen Substanzen nachgewiesen:Finally, the following are given below with reference to FIGS. 5 to 12 test tests which were carried out with the method and the device according to the invention and the results thereof: The generation of a molecular beam has been demonstrated with three different substances:
(1) Anthrazen (2) Retinal (Vitamin A-Aldehyd) und (3) Tryptophan (eine Aminosäure)(1) anthracene (2) retinal (vitamin A aldehyde) and (3) tryptophan (an amino acid)
Die Meßkurven der Figuren 7 bis 12 sind der Nachweis dafür, daß thermisch instabile Moleküle tatsächlich unzerstört in einen Molekularstrahl übergeführt werden konnten.The measurement curves in FIGS. 7 to 12 are proof that thermally unstable molecules could actually be converted into a molecular beam without being destroyed.
Das Anthrazen wurde im Molekularstrahl sowohl durch Fluoreszenz als auch durch ein Massenspektrum nachgewiesen.Anthracene was detected in the molecular beam both by fluorescence and by a mass spectrum.
Figur 5 zeigt ein Resonanzfluoreszenzspektrum beim 0-0Figure 5 shows a resonance fluorescence spectrum at 0-0
Übergang in den 1. angeregten Elektronenzustand des Anthrazens.Transition to the 1st excited electron state of anthracene.
Typische Versuchsbedingungen waren:Typical test conditions were:
Verzögerung zwischen Ventilöffnung und YAG-Laser: 1,3 msec,Delay between valve opening and YAG laser: 1.3 msec,
Verzögerung zwischen CO2-Laser und YAG-Laser: 500/usec,Delay between CO 2 laser and YAG laser: 500 / usec,
Argondruck 0,5 bar, Photonmultiplier-Spannung: 1800 V, Leistungsdichte des CO2-Lasers: ca. 1 MW/cm2. Die schmale Bande - ca. 0,1 nm breit - ist charakteristisch für ein auf wenige K gekühltes Molekül.Argon pressure 0.5 bar, photon multiplier voltage: 1800 V, power density of the CO 2 laser: approx. 1 MW / cm 2 . The narrow band - approx. 0.1 nm wide - is characteristic of a molecule cooled to a few K.
Die folgenden Abbildungen (Figuren 6 bis 11 ) zeigen Massenspektren, die unter folgenden Bedingungen aufgenommen wurden:The following figures (Figures 6 to 11) show mass spectra that were recorded under the following conditions:
Verzögerung zwischen Ventilöffnung und YAG-Laser: 880/usec, Verzögerung zwischen CO2-Laser und YAG-Laser: 350/usec, Leistungsdichte des CO2-Lasers auf der Probe: ca. 1,2 MW/cm2 , Argondruck 0,3 - 0,4 bar, Elektronenvervielfacher: 3000 V. Die Substanz war als Preßling in den Probenkanal der Abdamp fungskammer eingebracht.Delay between valve opening and YAG laser: 880 / usec, delay between CO 2 laser and YAG laser: 350 / usec, power density of the CO 2 laser on the sample: approx.1.2 MW / cm 2 , argon pressure 0, 3 - 0.4 bar, electron multiplier: 3000 V. The substance was introduced as a compact in the sample channel of the evaporation chamber.
Figur 6 zeigt ein Massenspektrum von Anthrazen. Es enthält im wesentlichen die Muttermasse sowie einen Eichpeak von Toluol, das dem Argon in Spuren beigemischt wurde. Die Wellenlänge des Ionisierungslasers war 266 nm. Es sei darauf hingewiesen, daß ein Anthrazenmolekül an sich kein thermisch instabiles Molekül ist, vielmehr ist Anthrazen nur als Beispiel für das Funktionieren der adiabatischen Kühlung gewählt worden; es wurde daran festgestellt, daß diese adiabatische Kühlung auch bei Einführung der Moleküle in das Trägergas stromabwärts von der Gasstrahldüse funktioniert.Figure 6 shows a mass spectrum of anthracene. It essentially contains the mother mass and a calibration peak of toluene, which has been mixed in trace amounts with the argon. The wavelength of the ionization laser was 266 nm. It should be pointed out that an anthracene molecule is not in itself a thermally unstable molecule, rather anthracene has only been chosen as an example for the functioning of adiabatic cooling; It was found that this adiabatic cooling works even when the molecules are introduced into the carrier gas downstream of the gas jet nozzle.
In Figur 7 erscheinen zugleich die Muttermassen von Retinal, Anthrazen und Toluol. Die letzteren beiden waren noch von dem vorhergehenden Versuch her vorhanden. Daneben erscheint ein Peak bei Masse 35, der wahrscheinlich von der Fragmentierung des Retinais herrührt. Die Wellenlänge des Ionisierungslasers war 266 nm.The mother masses of retinal, anthracene and toluene also appear in FIG. The latter two were still present from the previous attempt. A peak appears at mass 35, probably due to fragmentation of the retina. The wavelength of the ionization laser was 266 nm.
Ein Spektrum, in dem fast nur noch das Mutterion des Retinais erscheint, zeigt Figur 8. Hier war die Abdampfungskajamer mer gründlich gereinigt und mit einer frischen Retinalprobe gefüllt worden. Die eingestrahlte Wellenlänge war wiederum 266 nm, jedoch mit kleinerer Intensität als in Figur 7.Figure 8 shows a spectrum in which almost only the mother ion of the retinais appears. Here, the evaporation chamber had been thoroughly cleaned and filled with a fresh retinal sample. The incident wavelength was again 266 nm, but with a lower intensity than in FIG. 7.
Die Retinalspektren der folgenden beiden Abbildungen wurden mit einer lonisierxingswellenlänge von 355 nm gewonnen, und zwar in Figur 9 bei hoher und Figur 10 bei niedriger Energiedichte . Man sieht, daß die Fragmentierung stark von der Intensität abhängt und nicht vom Abdampfungsprozeß herrührt.The retinal spectra of the following two figures were obtained with an ionizing wavelength of 355 nm, specifically in FIG. 9 at high energy density and in FIG. 10 at low energy density. It can be seen that the fragmentation depends strongly on the intensity and does not result from the evaporation process.
Die letzten beiden Abbildungen zeigen Massenspektren von Tryptophan. Die Ionisierungswellenlänge ist 266 nm. Das Spektrum der Figur 11 ist mit einem Preßling, das der Figur 12 mit einer Tryptophanbeschichtung auf Kupferbänd aufgenommen. Die sonstigen Bedingungen sind die gleichen.The last two pictures show mass spectra of tryptophan. The ionization wavelength is 266 nm The spectrum of FIG. 11 is recorded with a compact, that of FIG. 12 with a tryptophan coating on copper strips. The other conditions are the same.
Die Ergebnisse dokumentieren deutlich, daß mit der angegebenen Methode Molekularstrahlen von Argon mit beigemischten thermisch instabilen Molekülen, zum Beispiel Retinal und Tryptophan, hergestellt werden können.The results clearly document that the specified method can be used to produce molecular beams of argon with admixed thermally unstable molecules, for example retinal and tryptophan.
Abschließend sei darauf hingewiesen, daß Molekularstrahlen in der Chemie vielfache Anwendung zur Aufklärung von Molekülstrukturen und Reaktionsmechanismen, in der Spektroskopie und der Massenspektroskopie etc. finden. Ihre Anwendungsmöglichkeit ist umso umfangreicher, je mehr chemisch und biologisch interessante Moleküle in den Strahl gebracht werden können. Diese Zahl ist durch die erfindungsgemäße Einrichtung und das Verfahren nach der Erfindung um eine beträchtliche, bisher nicht zugängliche Klasse von Molekülen erweitert worden. Dies führt zu neuartigen Anwendungsmöglichkeiten von Molekularstrahlen im wissenschaftlichen, analytischen und technischen Bexeich, sowohl in der Chemie als auch in Biologie, Medizin und verwandten Wissenschaften. In conclusion, it should be pointed out that molecular beams are widely used in chemistry to elucidate molecular structures and reaction mechanisms, in spectroscopy and mass spectroscopy, etc. The more chemically and biologically interesting molecules that can be brought into the beam, the more they can be used. This number has been expanded by the device according to the invention and the method according to the invention by a considerable, previously inaccessible class of molecules. This leads to new applications for molecular beams in scientific, analytical and technical fields, both in chemistry and in biology, medicine and related sciences.

Claims

Patentansprüche Claims
1. Verfahren zum Erzeugen von Molekularstrahlen, bei dem1. A method of generating molecular beams in which
a) eine Probensubstanz durch Zuführen von Energie aus der nichtgasförmigen in die gasförmige Phase überführt (verdampft) wird;a) a sample substance is converted (evaporated) by supplying energy from the non-gaseous to the gaseous phase;
b) die beim Überführen entstehenden freien Moleküle der Probensubstanz einem Trägergas beigemischt werden;b) the free molecules of the sample substance formed during the transfer are mixed with a carrier gas;
c) das Trägergas mit den Molekülen der Probensubstanz durch Expansion eines Strahles des Trägergases adiabatisch gekühlt wird;c) the carrier gas with the molecules of the sample substance is cooled adiabatically by expansion of a beam of the carrier gas;
dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen von Molekularstrahlen mit großen, thermisch instabilen Molekülencharacterized in that for generating molecular beams with large, thermally unstable molecules
d) die Energie impulsförmig in einer solchen Höhe zugeführt wird, daß die Probensubstanz schneller verdampft als sich zersetzt;d) the energy is supplied in pulses at such a height that the sample substance evaporates faster than it decomposes;
e) die Temperatur des Trägergasstrahles in einem Bereich des Strahles, in dem dieser zu expandieren beginnt, wesentlich geringer als die Zersetzungstemperatur der Probensubstanz eingestellt wird;e) the temperature of the carrier gas jet in a region of the jet in which it begins to expand is set significantly lower than the decomposition temperature of the sample substance;
f) die freigesetzten Moleküle der Probensubstanz unmittelbar in diesen Bereich des Trägergasstrahles gebracht werden. f) the released molecules of the sample substance are brought directly into this area of the carrier gas jet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probensubstanz mittels gepulster Laserstrahlung verdampft wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the sample substance is evaporated by means of pulsed laser radiation.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägergasstrahl impulsförmig erzeugt wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the carrier gas jet is generated in pulse form.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Moleküle von einer Im wesentlichen parallel zur Achse des Trägergasstrahles verlaufenden, der Austrittsöffnung (6) einer Gasstrahldüse (1) zum Erzeugen des Trägergasstrahles benachbarten Probenfläche als Verdampfungsstelle (13) verdampft werden.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the molecules from a substantially parallel to the axis of the carrier gas jet, the outlet opening (6) of a gas jet nozzle (1) for generating the carrier gas jet adjacent sample surface are evaporated as an evaporation point (13).
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Gasstrahldüse (1) zum Erzeugen eines Trägergasstrahls, eine Trägergaszuführungsvorrichtung (4) zum Zuführen des Trägergases zu der Gasstrahldüse (1), eine Abdampfungs- und Mischkammer (2) zum Überführen einer Prohensubstanz aus der nichtgasförmigen in die gasförmige Phase (Verdampfen) und zum Beimischen dieser Phase zu dem Trägergas, und eine Energiezuführungseinrichtung (3) zum Zuführen von Abdampfungsenergie zu der Abdampfungs- und Misehkämmer (2), dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Molekularstrahles, der große, thermisch instabile Moleküle enthält,5. Device for performing the method according to one of the preceding claims, comprising a gas jet nozzle (1) for generating a carrier gas jet, a carrier gas supply device (4) for supplying the carrier gas to the gas jet nozzle (1), an evaporation and mixing chamber (2) for transfer a Prohensubst from the non-gaseous into the gaseous phase (evaporation) and for admixing this phase to the carrier gas, and an energy supply device (3) for supplying evaporation energy to the evaporation and mixing chamber (2), characterized in that for generating a molecular beam, which contains large, thermally unstable molecules
a) die Trägergaszuführungsvorrichtung (4) das Trägergas der Gasstrahldüse (1) stromaufwärts von letzte rer mit einer Temperatur zuführt, die wesentlich geringer als die Abdampfungs- bzw. Zersetzungstemperatur der Probensubstanz ist;a) the carrier gas supply device (4) the carrier gas of the gas jet nozzle (1) upstream from the last rer supplies at a temperature which is significantly lower than the evaporation or decomposition temperature of the sample substance;
b) die Abdampfungs- und Mischkammer (2) zumindest mit dem Teil, in dem die Beimischung der Moleküle zum Trägergas erfolgt, stromabwärts von der Austritts öffnung (6) der Gasstrahldüse (1) sowie benachbart zu derselben angeordnet ist undb) the evaporation and mixing chamber (2) is arranged at least with the part in which the molecules are added to the carrier gas, downstream of the outlet opening (6) of the gas jet nozzle (1) and adjacent to it, and
c) die Energiezuführungseinrichtung (3) eine hohe Energie im Impulsbetrieb abgibt.c) the energy supply device (3) emits high energy in pulse mode.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Abdampfungsstelle (13) der großen, thermisch instabilen Moleküle von der Austrittsöffnung (6) der Gasstrahldüse (1) in einem Längsabstand (a), der kleiner als der oder gleich dem 20fachen effektiven Durchmesser der Austrittsöffnung (6) ist, seitlich von der Austrittsöffnung (6) angeordnet ist, wobei der Längsabstand (a) derjenige entlang der Achse (5) der Gasstrahldüse (1) 6. Device according to claim 5, characterized in that the evaporation point (13) of the large, thermally unstable molecules from the outlet opening (6) of the gas jet nozzle (1) at a longitudinal distance (a) which is less than or equal to 20 times the effective diameter the outlet opening (6) is arranged laterally from the outlet opening (6), the longitudinal distance (a) being that along the axis (5) of the gas jet nozzle (1)
und der effektive Durchmesser der einer kreisförmigen Austrittsöffnung entsprechende Durchmesser ist.and the effective diameter is the diameter corresponding to a circular exit opening.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch g ek e n n z e i c h n e t , daß die Abdampfungsstelle (13) von der Achse (5) der Gasstrahldüse (1) in einem Querabstand (b) angeordnet ist, der kleiner als der oder gleich dem 20fachen, vorzugsweise kleiner als der oder gleich dem lOfachen, effektiven Durchmesser der Austrittsöffnung (6) ist.7. Device according to claim 5 or 6, characterized in that the evaporation point (13) from the axis (5) of the gas jet nozzle (1) is arranged at a transverse distance (b) which is less than or equal to 20 times, preferably is smaller than or equal to ten times the effective diameter of the outlet opening (6).
8. Einrichtung nach Anspruch 6 und 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Querabstand (b) kleiner als die Hälfte des Längsabstands (a) ist.8. Device according to claim 6 and 7, characterized in that the transverse distance (b) is less than half the longitudinal distance (a).
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Abdampfungsund Mischkammer (2) einen stromabwärts an die Austrittsöffnung (6) der Gasstrahldüse (1) anschließenden, vorzugsweise zylindrischen, Expansionskanal (12) für den Trägergasstrahl aufweist, an oder in dessen Wandung die Abdampfungsstelle (13) vorgesehen ist.9. Device according to one of claims 5 to 8, characterized in that the evaporation and mixing chamber (2) has a downstream, preferably cylindrical, expansion channel (12) for the carrier gas jet downstream of the outlet opening (6) of the gas jet nozzle (1) in the wall of which the evaporation point (13) is provided.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Abdampfungsstelle (13) in einem schräg, vorzugsweise senkrecht, zur Achse (5) der Gasstrahldüse (1) angeordneten Probenkanal (15) vorgesehen ist, der in der seitlichen Wandung des Expansionskanals (12) ausgebildet ist.10. Device according to claim 9, characterized in that the evaporation point (13) in an oblique, preferably perpendicular to the axis (5) of the gas jet nozzle (1) arranged sample channel (15) is provided, which in the side wall of the expansion channel (12th ) is trained.
11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in der seitlichen Wandung des Expansionskanals (12) ein in der axialen Verlängerung des Probenkanals (15) liegender Laserstrahlkanal (16) ausgebildet ist. 11. The device according to claim 9, characterized in that in the lateral wall of the expansion channel (12) in the axial extension of the sample channel (15) lying laser beam channel (16) is formed.
12. Einrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch g ek e n n z e i c h n e t , daß die Entfernung (c) der Abdampfungsstelle (13) von der seitlichen Wandung des Expansionskanals (12) kleiner als der oder gleich dem Durchmesser (d) des Probenkanals (15) ist, wobei der Probendurchmesser vorzugsweise gleich letzterem ist.12. The device according to claim 10 or 11, characterized in that the distance (c) of the evaporation point (13) from the side wall of the expansion channel (12) is less than or equal to the diameter (d) of the sample channel (15) , wherein the sample diameter is preferably the same as the latter.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Gasstrahldüse (1) als elektromagnetisch betätigbares Düsenventil ausgebildet ist. 13. Device according to one of claims 5 to 12, characterized in that the gas jet nozzle (1) is designed as an electromagnetically actuated nozzle valve.
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