DE10306900B4

DE10306900B4 - Spectrometer with laser arrangement for gas analysis

Info

Publication number: DE10306900B4
Application number: DE10306900.3A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Johann (FH) Göbel; Prof. Dr. Peuser Peter
Original assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Current assignee: Spherea De GmbH
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2003-02-18
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2023-02-19
Also published as: DE10306900A1

Abstract

Spektrometer (10) zur Gasanalyse, mit einer Kammer (21) zur Aufnahme eines zu analysierenden Gases; einer Einrichtung zur Erzeugung von Ionen in dem Gas mittels ionisierender Laserstrahlung (S), einer Einrichtung (12a, 12b) zur Erzeugung eines Potentialgefälles in der Kammer (21), um die erzeugten Ionen zu beschleunigen, und einem Ionenkollektor (13) zur Detektion der beschleunigten Ionen; dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeugung von Ionen mindestens einen innerhalb der Kammer (21) angeordneten optischen Kristall (31) und einen in die Kammer (21) integrierten optischen Resonator (14a, 14b) umfasst, um die ionisierende Laserstrahlung (S) innerhalb der Kammer (21) zu erzeugen.Spectrometer (10) for gas analysis, comprising a chamber (21) for receiving a gas to be analyzed; a device for generating ions in the gas by means of ionizing laser radiation (S), means (12a, 12b) for generating a potential gradient in the chamber (21) to accelerate the ions generated, and an ion collector (13) for detecting the accelerated ions; characterized in that the means for generating ions comprises at least one optical crystal (31) disposed within the chamber (21) and an optical resonator (14a, 14b) integrated with the chamber (21) for confining the ionizing laser radiation (S) within to produce the chamber (21).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spektrometer mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Ionen mittels Laserstrahlung zur Gasanalyse gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The present invention relates to a spectrometer with a device for generating ions by means of laser radiation for gas analysis according to the preamble of patent claim 1.

Spektrometer werden in vielen Bereichen der Technik zur Analyse von Stoffen eingesetzt. Spektrometer können beispielsweise dazu dienen, Brände zu detektieren oder auch gesundheitsschädliche Stoffe frühzeitig zu erkennen. Insbesondere in Flugzeugen ist die frühzeitige Branddetektion von großer Bedeutung, da ein Fehlalarm mit extrem hohen Kosten verbunden ist, insbesondere wenn dadurch eine Notlandung verursacht wird.Spectrometers are used in many areas of technology for the analysis of substances. For example, spectrometers can be used to detect fires or detect harmful substances at an early stage. Especially in airplanes, early fire detection is of great importance, since a false alarm is associated with extremely high costs, especially if an emergency landing is thereby caused.

Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist die Messung der Luftqualität in Flugzeugen und anderen Transportmitteln für Passagiere. Befindet sich beispielsweise ein Flugzeug in der Warteposition wird im Innenraum häufig ein sehr unangenehmer Geruch wahrgenommen, der durch die laufenden Triebwerke verursacht wird, wobei sich in diesen Fällen z. B. Hydrauliköl in der Luft befindet. Die rechtzeitige und sichere Detektion störender oder gar gesundheitsschädlicher Stoffe in Passagierräumen ist deshalb eine wichtige Voraussetzung für die Verbesserung der Luftqualität.Another important application is the measurement of air quality in airplanes and other means of transport for passengers. If, for example, an aircraft is in the waiting position, a very unpleasant odor is often perceived in the interior, which is caused by the engines running, in which case, for example. B. hydraulic oil is in the air. The timely and safe detection of disturbing or even harmful substances in passenger areas is therefore an important prerequisite for improving air quality.

Weitere wichtige Anwendungen sind Sicherheitsüberprüfungen von Personen oder Sachen in Bezug auf das Vorhandensein gefährlicher Stoffe, wie beispielsweise Sprengstoff, oder die Vorwarnung bei der Entstehung von Bränden.Other important applications are security checks of persons or property with regard to the presence of hazardous substances, such as explosives, or the warning of the occurrence of fires.

Als Spektrometer sind beispielsweise Ionenmobilitätsspektrometer bekannt, bei denen Moleküle zunächst ionisiert und anschließend über ein Potentialgefälle beschleunigt werden. Die Ionen werden einem Ionenkollektor zugeführt und es wird die zeitliche Verteilung des Ionenstroms gemessen, die durch die unterschiedliche Beweglichkeit der verschiedenen Ionen verursacht wird. Zur Ionisierung werden in den meisten Fällen radioaktive Quellen verwendet. Dies ist jedoch relativ unspezifisch und führt zu einer schlechten Auflösung der verschiedenen Moleküle.As a spectrometer ion mobility spectrometer, for example, are known in which molecules are first ionized and then accelerated over a potential gradient. The ions are fed to an ion collector and the time distribution of the ion current caused by the different mobility of the different ions is measured. For ionization, radioactive sources are used in most cases. However, this is relatively nonspecific and results in poor resolution of the various molecules.

Daher wurde versucht, die Ionisierung mit Laserstrahlen herbeizuführen. Dabei bestehen jedoch verschiedenartige Probleme: Zum einen müssen möglichst viele Moleküle ionisiert werden um einen großen Strom am Kollektor zu erzeugen, weshalb eine effiziente Wechselwirkung zwischen den Laserstrahlen und den Molekülen notwendig ist. Zum anderen sind zur wellenlängenselektiven Ionisation abstimmbare Laser erforderlich. Insgesamt führt dies zu einer relativ großen Bauweise und in vielen Fällen zu einer geringen Messgenauigkeit bzw. einer geringen Sicherheit hinsichtlich der erzielten Messergebnisse. D. h., die Selektivität ist in vielen Fällen gering, was bei der spezifischen Erkennung bestimmter Stoffe nachteilhaft ist und eine frühzeitige und sichere Erkennung gefährlicher Stoffe oder eine sichere Branddetektion erschwert.Therefore, an attempt was made to induce ionization with laser beams. However, there are various problems: On the one hand, as many molecules as possible have to be ionized in order to generate a large current at the collector, which is why an efficient interaction between the laser beams and the molecules is necessary. On the other hand tunable lasers are required for wavelength-selective ionization. Overall, this leads to a relatively large construction and in many cases to a low accuracy of measurement or a low level of safety with regard to the measurement results obtained. In other words, the selectivity is low in many cases, which is disadvantageous in the specific detection of certain substances and makes early detection of dangerous substances dangerous or reliable fire detection difficult.

Aus der DE 197 07 732 A1 ist eine Vorrichtung zum Nachweis von Teilchen mit einem Laserresonator, einer optischen Pumpquelle und einem Lasermedium, das von der optischen Pumpquelle angeregt wird, um im Laserresonator Laserlicht zu erzeugen, bekannt, wobei sich ein mit Teilchen beschickbarer Prüfbereich innerhalb des Laserresonators in der Bahn des Laserlichtes befindet, um das Licht in dem Prüfbereich durch die Teilchen zu beeinflussen und das beeinflusste Licht als Nachweis für das Vorhandensein der Teilchen zu verwenden.From the DE 197 07 732 A1 is an apparatus for detecting particles having a laser resonator, an optical pumping source and a laser medium excited by the optical pumping source to produce laser light in the laser cavity, wherein a particle-loading test area within the laser cavity is located in the path of the laser light to influence the light in the test area through the particles and to use the affected light as evidence of the presence of the particles.

Aus der RU 2 085 908 C1 ist ein Spektrometer zum Erfassen kleiner Gaskonzentrationen in einer unbekannten Gasprobe und zum Bestimmen einer Reihe von spektroskopischen Parametern dieses Gases durch eine Absorptionslinienform des Gases bekannt. Dabei wird das Gas in einen Laserresonator einer Laseranordnung angeordnet.From the RU 2 085 908 C1 For example, a spectrometer is known for detecting small gas concentrations in an unknown gas sample and for determining a series of spectroscopic parameters of that gas by an absorption line shape of the gas. In this case, the gas is arranged in a laser resonator of a laser arrangement.

Aus der RU 1 429 881 C ist ein Laser mit einer intrakavitären Erzeugung der zweiten Harmonischen bekannt, welcher eine Phasenshiftplatte zwischen Endspiegeln der Kavität und ein nicht-lineares optisches Element aufweist.From the RU 1 429 881 C For example, a second harmonic generation intracavitary laser is known having a phase shift plate between end mirrors of the cavity and a non-linear optical element.

Aus der US 5 451 787 ist ebenfalls eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Gasdetektion mittels Laserlicht durch Untersuchung eines charakteristischen Musters von Lichtabsorption und Lichtemission durch die Gase bekannt. Es wird eine mittels eines akustooptischen Kristalles abstimmbare Lichtquelle verwendet.From the US 5,451,787 Also, an apparatus and a method for detecting gas by means of laser light by examining a characteristic pattern of light absorption and light emission by the gases is known. It is used a tunable by means of an acousto-optic crystal light source.

Aus der GB 2 262 990 A ist ein Spektrometer zur Gasanalyse bekannt, welches eine Kammer zur Aufnahme eines zu analysierenden Gases, eine externe Laseranordnung zum Einleiten von ionisierender Laserstrahlung in die Kammer zur Erzeugung von Ionen in dem Gas und eine Einrichtung zur Erzeugung eines Potentialgefälles in der Kammer, um die erzeugten Ionen zu beschleunigen, sowie einen Ionenkollektor zur Detektion der beschleunigten Ionen aufweist.From the GB 2 262 990 A a spectrometer for gas analysis is known, which comprises a chamber for receiving a gas to be analyzed, an external laser arrangement for introducing ionizing laser radiation into the chamber for generating ions in the gas and means for generating a potential gradient in the chamber around the generated ions to accelerate, as well as having an ion collector for detecting the accelerated ions.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Spektrometer zur Gasanalyse zu schaffen, das eine kleine Bauweise und dennoch eine hohe Selektivität aufweist und mit dem eine sichere und frühzeitige Detektion gefährlicher Stoffe, insbesondere in Flugzeugen, möglich ist.Object of the present invention is to provide a spectrometer for gas analysis, which has a small construction and yet a high selectivity and with the safe and early detection of hazardous substances, especially in aircraft, is possible.

Diese Aufgabe wird gelöst durch das Spektrometer zur Gasanalyse gemäß Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.This object is achieved by the spectrometer for gas analysis according to claim 1. Further advantageous features, aspects and details of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings.

Das erfindungsgemäße Spektrometer zur Gasanalyse umfasst eine Kammer zur Aufnahme eines zu analysierenden Gases, eine Einrichtung zur Erzeugung von Ionen in dem Gas mittels ionisierender Laserstrahlung, eine Einrichtung zur Erzeugung eines Potentialgefälles in der Kammer, um die erzeugten Ionen zu beschleunigen, und einen Ionenkollektor zur Detektion der beschleunigten Ionen, wobei die Einrichtung zur Erzeugung von Ionen mindestens einen innerhalb der Kammer angeordneten optischen Kristall aufweist und einen in der Kammer integrierten optischen Resonator aufweist, um innerhalb der Kammer die ionisierende Laserstrahlung zu erzeugen.The spectrometer for gas analysis according to the invention comprises a chamber for receiving a gas to be analyzed, a device for generating ions in the gas by means of ionizing laser radiation, means for generating a potential gradient in the chamber to accelerate the ions generated, and an ion collector for detection the accelerated ion, wherein the means for generating ions comprises at least one disposed within the chamber optical crystal and having an integrated in the chamber optical resonator to generate within the chamber, the ionizing laser radiation.

Das erfindungsgemäße Spektrometer hat aufgrund der o. g. Merkmale eine sehr hohe Nachweisempfindlichkeit und eine hohe Selektivität und kann dennoch in miniaturisierter Bauweise gefertigt werden. Durch die Integration des optischen Resonators in die Kammer und durch den innerhalb der Kammer angeordneten optischen Kristall wird insbesondere eine miniaturisierte Bauweise und gleichzeitig eine Vergrößerung der Wechselwirkungslänge zwischen der ionisierenden Laserstrahlung und den zu ionisierenden Stoffen, beispielsweise Molekülen, erreicht. Es ergibt sich eine sehr hohe Effizienz bei der Ionisierung der durch den Gasstrom eingeführten Moleküle und eine sehr hohe Selektivität.The spectrometer according to the invention has due to the o. Features a very high detection sensitivity and high selectivity and can still be manufactured in miniaturized design. The integration of the optical resonator into the chamber and through the optical crystal arranged inside the chamber achieves, in particular, a miniaturized design and at the same time an increase in the interaction length between the ionizing laser radiation and the substances to be ionized, for example molecules. It results in a very high efficiency in the ionization of the introduced by the gas flow molecules and a very high selectivity.

Da die Ionen direkt in dem integrierten Resonator gebildet werden können, werden diese unmittelbar dem Potentialgefälle folgen und können entsprechend ihrer Ionenmobilität auf dem Ionendetektor zeitlich getrennt erfasst werden.Since the ions can be formed directly in the integrated resonator, they will immediately follow the potential gradient and can be detected separately in time according to their ion mobility on the ion detector.

Vorzugsweise ist der optische Kristall zur Wellenlängentransformation einer von außen in die Kammer eingekoppelten Lichtstrahlung in die ionisierende Laserstrahlung ausgestaltet. Dabei wird die eingekoppelte Strahlung beispielsweise durch einen oder mehrere optisch nichtlineare Prozesse in eine andere Wellenlänge transformiert, beispielsweise in die frequenzverdoppelte Wellenlänge. Durch die transformierte Strahlung, die im Resonator verbleibt, wird eine sehr hohe Photonenflussdichte erreicht, was zur sehr hohen Effizienz bei der Ionisierung beiträgt. Diese im Resonator verbleibende Strahlung kann deshalb besonders vorteilhaft für die spektroskopische Anwendung verwendet werden.Preferably, the optical crystal for wavelength transformation of a coupled from the outside into the chamber light radiation is configured in the ionizing laser radiation. In this case, the coupled-in radiation is transformed, for example, by one or more optically non-linear processes into another wavelength, for example into the frequency-doubled wavelength. Due to the transformed radiation, which remains in the resonator, a very high photon flux density is achieved, which contributes to the very high efficiency in the ionization. This radiation remaining in the resonator can therefore be used particularly advantageously for spectroscopic application.

Bevorzugt dient der optische Kristall zur Durchführung eines optisch-parametrischen Prozesses, einer Summenfrequenzmischung und/oder einer Frequenzverdopplung. Der optische Kristall kann insbesondere ein nichtlinearer Kristall sein. Dadurch kann Laserstrahlung beispielsweise im sichtbaren Wellenlängenbereich eingekoppelt werden und innerhalb des fest in das Spektrometer bzw. Ionenmobilitätsspektrometer integrierten Resonators in kürzerwellige Strahlung umgewandelt werden, wobei der Resonator für diesen Wellenlängenbereich resonant ist.Preferably, the optical crystal is used to perform an optical parametric process, a sum frequency mixing and / or a frequency doubling. The optical crystal may be, in particular, a nonlinear crystal. As a result, laser radiation can be coupled in, for example, in the visible wavelength range and be converted into shorter-wave radiation within the resonator integrated into the spectrometer or ion mobility spectrometer, wherein the resonator is resonant for this wavelength range.

Vorzugsweise liegt die ionisierende Laserstrahlung, die im Resonator hin- und zurückreflektiert wird und/oder umläuft, im UV-Bereich. Diese innerhalb des Resonators mehrfach reflektierte oder umlaufende Strahlung kann somit dazu genutzt werden, die in den Laserresonator des Spektrometers durch einen geeigneten Gasstrom eingeführten Moleküle mit einer besonders hohen Effizienz und mit besonders hoher Selektivität zu ionisieren.The ionizing laser radiation, which is reflected back and / or back in the resonator, is preferably in the UV range. This multiply reflected or circulating within the resonator can thus be used to ionize the introduced into the laser resonator of the spectrometer by a suitable gas flow molecules with a particularly high efficiency and with very high selectivity.

Der optische Kristall kann bevorzugt auch als ein Laserkristall ausgestaltet sein, der im Betrieb die ionisierende Laserstrahlung erzeugt. Bevorzugt umfasst dabei das Spektrometer eine Einrichtung zum optischen und/oder elektrischen Pumpen des optischen Kristalls. Vorteilhafterweise wird der optische Kristall im Betrieb durch einen von außen eingekoppelten Lichtstrahl optisch gepumpt, um die ionisierende Laserstrahlung zu erzeugen.The optical crystal can preferably also be designed as a laser crystal which generates the ionizing laser radiation during operation. In this case, the spectrometer preferably comprises a device for optically and / or electrically pumping the optical crystal. Advantageously, the optical crystal is optically pumped during operation by a light beam coupled in from the outside in order to generate the ionizing laser radiation.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des Spektrometers ist die Frequenz der ionisierenden Laserstrahlung abstimmbar. Da der Ionisierungsvorgang wellenlängenabhängig ist, kann durch diese zusätzliche Maßnahme eine noch höhere Selektivität bei der Ionisierung der zu erfassenden Stoffmoleküle erzielt werden. Dadurch ergibt sich eine noch weiter verbesserte Messgenauigkeit.In a preferred embodiment of the spectrometer, the frequency of the ionizing laser radiation is tunable. Since the ionization process is wavelength-dependent, an even higher selectivity in the ionization of the substance molecules to be detected can be achieved by this additional measure. This results in a still further improved measurement accuracy.

Bevorzugt umfasst der Resonator einen oder mehrere Spiegel, die in der Wandung der Kammer, beispielsweise auf gegenüberliegenden Seiten, integriert sind. Der Resonator kann auch als Ringresonator ausgebildet sein. Die Spiegel sind vorteilhafterweise für die Wellenlänge der von außen eingekoppelten Lichtstrahlung durchlässig und für die Wellenlänge der ionisierenden Laserstrahlung im Wesentlichen undurchlässig. Dadurch kann Lichtstrahlung oder Laserstrahlung bei einer oder mehreren Wellenlängen mittels der bei diesen Wellenlängen hochtransmittierenden Spiegeln in den Resonator eingekoppelt werden, der durch eine besonders hohe Reflexion der Resonatorspiegel bei einer oder mehreren anderen Wellenlängen charakterisiert ist, die die ionisierende Strahlung bilden. Dadurch kann die in die Ionisierungswellenlänge transformierte Strahlung im Resonator verbleiben und dort die besonders hohe Photonenflussdichte für die spektroskopische Anwendung erzeugen.Preferably, the resonator comprises one or more mirrors which are integrated in the wall of the chamber, for example on opposite sides. The resonator can also be designed as a ring resonator. The mirrors are advantageously permeable to the wavelength of the light radiation coupled in from the outside and substantially impermeable to the wavelength of the ionizing laser radiation. As a result, light radiation or laser radiation at one or more wavelengths can be coupled into the resonator by means of the mirrors highly transmissive at these wavelengths, which is characterized by a particularly high reflection of the resonator mirrors at one or more other wavelengths which form the ionizing radiation. As a result, the radiation transformed into the ionization wavelength can remain in the resonator where it generates the particularly high photon flux density for the spectroscopic application.

Vorteilhafterweise umfasst das Spektrometer eine Einrichtung zur Laufzeitmessung der Ionen, um ein Laufzeitmassenspektrum zu erzeugen. Damit können die in dem Resonator gebildeten Ionen, die dem Potentialgefälle folgen, entsprechend ihrer Ionenmobilität auf dem Detektor bzw. Ionendetektor zeitlich getrennt erfasst und in Form eines Laufzeit-Massenspektrums gemessen bzw. dargestellt werden.Advantageously, the spectrometer comprises a device for transit time measurement of the ions, to generate a transit time mass spectrum. Thus, the ions formed in the resonator, which follow the potential gradient, can be detected separately in time according to their ion mobility on the detector or ion detector and measured or represented in the form of a transit time mass spectrum.

Vorteilhafterweise kann auch Laserstrahlung von einem spektral schmalbandigen Laser oder Single-Frequency-Laser beispielsweise in den Resonator des Spektrometers eingekoppelt werden, wobei sich diese Resonanzstrahlung im Resonzfall zu einer hohen, im Resonator umlaufenden Photonendichte aufbaut. Dies kann nun dazu genutzt werden, entweder direkt die in der Kammer vorhandenen Stoffe oder Stoffgruppen zu ionisieren bzw. optisch anzuregen oder durch einen geeigneten optisch-nichtlinearen Prozess im Spektrometer eine für die Ionisation bzw. für die Messung optimal geeignete Wellenlänge zu erzeugen.Advantageously, laser radiation from a spectrally narrow-band laser or single-frequency laser, for example, can be coupled into the resonator of the spectrometer, wherein this resonant radiation builds up in the case of resonance to a high, circulating in the resonator photon density. This can now be used either to directly ionize or optically excite the substances or groups of substances present in the chamber or to generate by means of a suitable optically nonlinear process in the spectrometer an optimum wavelength for the ionization or for the measurement.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand von 1 beschrieben, die den Aufbau eines Spektrometers gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Schnittansicht zeigt.The invention will be described below by way of example with reference to FIG 1 which shows the construction of a spectrometer according to a particularly preferred embodiment of the invention schematically in a sectional view.

1 zeigt ein Spektrometer 10 als besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Das Spektrometer 10 dient zur Gasanalyse bzw. zur Analyse von Stoffen, die in einem Gas enthalten sind. Eine Kammer 21 dient zur Aufnahme des zu analysierenden Gases in ihrem Innenraum 22. Eine Anordnung von einer Vielzahl sich gegenüberliegender Elektroden 12a, 12b, die jeweils in einer Reihe angeordnet sind, bildet zusammen mit einer in der Figur nicht dargestellten Spannungsquelle eine Einrichtung zur Erzeugung eines Potentialgefälles. Durch das Potentialgefälle werden Ionen, die in das Potentialgefälle eintreten, beschleunigt. In der Kammer 21 ist ein optischer Resonator integriert, der durch sich gegenüberliegende Spiegel 14a, 14b gebildet wird oder als Ringresonator ausgebildet ist. Weiterhin befindet sich in dem Innenraum 22 der Kammer 21 ein optischer Kristall 31. Durch den Resonator 14a, 14b und den optischen Kristall 31 wird im Betrieb die Laserstrahlung S zur Ionisierung des Gases erzeugt. D. h., der Kristall 31 und der in der Kammer integrierte Resonator 14a, 14b bilden bzw. sind Teil einer Laseranordnung zur Erzeugung von Ionen in dem Gas mittels der ionisierenden Laserstrahlung S. 1 shows a spectrometer 10 as a particularly preferred embodiment of the invention. The spectrometer 10 Used for gas analysis or analysis of substances contained in a gas. A chamber 21 serves to receive the gas to be analyzed in its interior 22 , An arrangement of a plurality of opposing electrodes 12a . 12b , which are each arranged in a row, together with a voltage source, not shown in the figure, means for generating a potential gradient. The potential gradient accelerates ions that enter the potential gradient. In the chamber 21 an optical resonator is integrated, which by opposite mirror 14a . 14b is formed or formed as a ring resonator. Furthermore, located in the interior 22 the chamber 21 an optical crystal 31 , Through the resonator 14a . 14b and the optical crystal 31 In operation, the laser radiation S is generated for ionization of the gas. That is, the crystal 31 and the resonator integrated in the chamber 14a . 14b form or are part of a laser arrangement for generating ions in the gas by means of the ionizing laser radiation S.

Die Reihen von Elektroden 12a, 12b, die im Betrieb ein Potentialgefälle erzeugen, bilden eine Beschleunigungsstrecke B für die durch die Laserstrahlung S erzeugten Ionen, die in Form einer Ionenwolke 19 gebildet werden. Am Ende der Beschleunigungsstrecke B ist in der Kammer 21 ein Ionenkollektor 13 angeordnet, der zur Detektion der beschleunigten Ionen dient. Der Ionenkollektor 13 ist beispielsweise als separate Elektrode ausgestaltet und elektrisch mit einer Detektions- oder einer Analyseeinrichtung verbunden, die in der Figur nicht dargestellt ist.The rows of electrodes 12a . 12b , which generate a potential gradient during operation, form an acceleration path B for the ions generated by the laser radiation S, which are in the form of an ion cloud 19 be formed. At the end of the acceleration section B is in the chamber 21 an ion collector 13 arranged, which serves for the detection of the accelerated ions. The ion collector 13 is configured for example as a separate electrode and electrically connected to a detection or an analysis device, which is not shown in the figure.

Die gegenüberliegenden Spiegel 14a, 14b, die den optischen Resonator bilden, sind jeweils in einer Wandung 21a der Kammer 21 integriert. Die Spiegel 14a, 14b sind dabei derart angeordnet und geformt, dass der ionisierende Laserstrahl S vielfach zwischen den Spiegeln 14a, 14b hin- und herreflektiert wird. Zu diesem Zweck haben ein oder mehrere der Spiegel 14a, 14b z. B. gewölbte Reflexionsflächen bzw. sind konkav ausgebildet. D. h., der Laserstrahl S durchläuft eine Vielzahl von Weglängen zwischen den Spiegeln 14a, 14b, so dass die in dem Gas zurückgelegte Wegstrecke des Laserstrahls S sehr groß ist und dadurch eine besonders effektive Wechselwirkung des Laserstrahls S mit dem Gas erzielt wird.The opposite mirrors 14a . 14b , which form the optical resonator, are each in a wall 21a the chamber 21 integrated. The mirror 14a . 14b are arranged and shaped such that the ionizing laser beam S often between the mirrors 14a . 14b is reflected back and forth. For this purpose, have one or more of the mirrors 14a . 14b z. B. curved reflection surfaces or are concave. That is, the laser beam S passes through a plurality of path lengths between the mirrors 14a . 14b , so that the distance traveled in the gas of the laser beam S is very large and thereby a particularly effective interaction of the laser beam S is achieved with the gas.

Durch die Anordnung der Spiegel 14a, 14b in der Wandung 21a der Kammer 21 befinden sich die Reflexionsflächen für den Laserstrahl S im Innenraum 22 der Kammer 21, in dem sich auch das zu analysierende Gas befindet. Die Spiegel 14a, 14b tragen eine hochreflektierende Schicht zur Reflexion der Strahlung S, deren Wellenlänge bevorzugt im UV-Bereich liegt. Die Spiegel 14a, 14b sind derart ausgestaltet, dass ein Lichtstrahl L von außen in die Kammer 21 in den Raum zwischen den beiden Spiegeln 14a, 14b, d. h., in den Resonator, eintreten kann. Zu diesem Zweck ist mindestens einer der Spiegel durchlässig für den eingekoppelten Lichtstrahl L bzw. für Licht mit der Frequenz des Lichtstrahls L, die beispielsweise im sichtbaren Wellenlängenbereich liegt.By the arrangement of the mirrors 14a . 14b in the wall 21a the chamber 21 are the reflection surfaces for the laser beam S in the interior 22 the chamber 21 , which also contains the gas to be analyzed. The mirror 14a . 14b carry a highly reflective layer for reflection of the radiation S whose wavelength is preferably in the UV range. The mirror 14a . 14b are configured such that a light beam L from the outside into the chamber 21 in the space between the two mirrors 14a . 14b , ie, in the resonator, can enter. For this purpose, at least one of the mirrors is permeable to the coupled-in light beam L or to light at the frequency of the light beam L, which lies, for example, in the visible wavelength range.

Der zwischen den beiden Spiegeln 14a, 14b angeordnete optische Kristall 31 ist beispielsweise ein nichtlinearer Kristall, der dazu dient, die in den Resonator eingekoppelte Lichtstrahlung L innerhalb des Ionenmobilitätsspektrometers 10, d. h. innerhalb des im Spektrometer 10 fest integrierten Resonators, in kürzerwellige Strahlung umzuwandeln. Diese umgewandelte Strahlung, deren Wellenlänge vorzugsweise im UV-Bereich liegt, bildet die ionisierende Laserstrahlung S. Der Resonator ist somit für den Wellenlängenbereich der umgewandelten Strahlung resonant.The between the two mirrors 14a . 14b arranged optical crystal 31 is, for example, a nonlinear crystal which serves to couple the light radiation L coupled into the resonator within the ion mobility spectrometer 10 , ie within the in the spectrometer 10 permanently integrated resonator, to convert it into shorter-wave radiation. This converted radiation, whose wavelength is preferably in the UV range, forms the ionizing laser radiation S. The resonator is thus resonant for the wavelength range of the converted radiation.

Die Frequenzkonversion durch den nichtlinearen oder optischen Kristall 31 kann beispielsweise durch einen optisch-parametrischen Prozess oder durch Summenfrequenzmischung erfolgen. Vorteilhafterweise wird die Frequenz des in den Resonator eingekoppelten Lichtstrahls L verdoppelt.The frequency conversion by the nonlinear or optical crystal 31 can be done for example by an optical parametric process or by sum frequency mixing. Advantageously, the frequency of the light beam L coupled into the resonator is doubled.

Die ionisierende Laserstrahlung S kann beispielsweise auch abstimmbar sein. Zu diesem Zweck wird der nichtlineare Kristall 31 entsprechend ausgerichtet oder er ist mit einer Einrichtung zur Temperaturregulierung gekoppelt, so dass er temperiert werden kann.The ionizing laser radiation S may also be tunable, for example. For this purpose, the non-linear crystal 31 aligned or he is coupled with a device for temperature regulation, so that it can be tempered.

In der Wandung 21a der Kammer 21 ist eine Einlassöffnung 23 angeordnet, die zur Zuleitung des zu analysierenden Gases in den Innenraum 22 der Kammer 21 dient. Dabei ist die Einlassöffnung 23 am einen Ende der Kammer 21 derart angeordnet, dass das in den Innenraum der Kammer 22 einströmende Gas zunächst den durch die Spiegel 14a, 14b gebildeten Resonator durchströmt, der sich am Beginn der Beschleunigungsstrecke B befindet. Eine Auslassöffnung 24 dient zur Ableitung des Gases aus dem Innenraum 22 der Kammer 21 und befindet sich an dem der Einlassöffnung 23 gegenüberliegenden Ende der Kammer 21.In the wall 21a the chamber 21 is an inlet opening 23 arranged to supply the gas to be analyzed in the interior 22 the chamber 21 serves. Here is the inlet opening 23 at one end of the chamber 21 arranged such that in the interior of the chamber 22 inflowing gas first through the mirror 14a . 14b flows formed resonator, which is located at the beginning of the acceleration section B. An outlet opening 24 serves to drain the gas from the interior 22 the chamber 21 and is located at the inlet opening 23 opposite end of the chamber 21 ,

Die im Resonator umlaufende, hin- und zurückreflektierte Laserstrahlung S ionisiert die durch die Einlassöffnung 23 mittels des Gasstromes G in den Ionenmobilitätsspektrometer-Laserresonator eingeführten Moleküle. Da der Ionisierungsvorgang wellenlängenabhängig ist, können die zu erfassenden Stoffmoleküle mit einer hohen Selektivität ionisiert werden. D. h., die Ionen werden durch die beschriebene Anordnung direkt in dem in das Ionenmobilitätspektrometer integrierten Resonator gebildet, der gleichzeitig Bestandteil des Ionenmobilitätsspektrometers ist, und folgen unmittelbar dem in der Kammer 21 bzw. im Spektrometer 10 vorhandenen Potentialgefälle. Sie treffen entsprechend ihrer jeweiligen spezifischen Ionenmobilität auf den Ionenkollektor 13, wo sie mittels einer Zeitmesseinrichtung zeitlich getrennt erfasst werden und anschließend aus den Messdaten ein Laufzeit-Massenspektrum erzeugt wird.The laser radiation S circulating in the resonator, reflected back and forth, ionizes the radiation through the inlet opening 23 molecules introduced by the gas flow G into the ion mobility spectrometer laser resonator. Since the ionization process is wavelength-dependent, the substance molecules to be detected can be ionized with a high selectivity. That is, the ions are formed by the described arrangement directly in the integrated in the ion mobility spectrometer resonator, which is also part of the ion mobility spectrometer, and immediately follow that in the chamber 21 or in the spectrometer 10 existing potential gradient. They strike the ion collector according to their specific ion mobility 13 where they are recorded separately in time by means of a time measuring device and then from the measured data a transit time mass spectrum is generated.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist der optische Kristall 31, der im Resonator 14, 14b angeordnet ist, ein Laserkristall, der die für die Ionisierung der Moleküle geeignete Strahlung erzeugt. Beispielsweise können als optische Kristalle LISAF- oder auch LICAF-Kristalle oder andere Kristalle verwendet werden. Es ist aber auch möglich dotierte Kristalle zu verwenden, wie beispielsweise Colquiriite. Der eingekoppelte Lichtstrahl L ist in diesem Fall ein Pumpstrahl zum optischen Pumpen des Laserkristalls 31. Der als Pumpstrahl dienende Lichtstrahl L kann z. B. im UV-Bereich liegen. Die durch den Laserkristall 31 erzeugte Strahlung kann ebenfalls im UV-Bereich liegen, jedoch eine andere Wellenlänge aufweisen als der Pumpstrahl.In another preferred embodiment, the optical crystal 31 in the resonator 14 . 14b is arranged, a laser crystal which generates the radiation suitable for the ionization of the molecules. For example, as optical crystals LISAF or LICAF crystals or other crystals can be used. But it is also possible to use doped crystals, such as Colquiriite. The coupled light beam L in this case is a pump beam for optically pumping the laser crystal 31 , The serving as a pump beam light beam L can, for. B. in the UV range. The through the laser crystal 31 Radiation generated can also be in the UV range, but have a different wavelength than the pump beam.

Es ist jedoch auch möglich, den Laserkristall 31 elektrisch zu pumpen, wobei ein Halbleiter-Laser verwendet wird.However, it is also possible to use the laser crystal 31 to pump electrically using a semiconductor laser.

Zusammengefasst können also ein oder mehrere nichtlineare Kristalle und/oder Laserkristalle in dem optischen Resonator angeordnet sein, der aus mindestens zwei Spiegeln 14a, 14b besteht, die fester Bestandteil der Kammer 21 bzw. der Kammerwandung 21a sind. D. h., die Strahlung S zur Ionisierung wird im Resonator innerhalb der Kammer 21 erzeugt. Dadurch ist es möglich, Spurenstoffe mit hoher Nachweisempfindlichkeit und hoher Selektivität nachzuweisen, wobei gleichzeitig eine Miniaturisierung der Anordnung erreicht wird.In summary, therefore, one or more non-linear crystals and / or laser crystals can be arranged in the optical resonator, which consists of at least two mirrors 14a . 14b exists, the integral part of the chamber 21 or the chamber wall 21a are. That is, the radiation S for ionization is in the resonator within the chamber 21 generated. This makes it possible to detect trace substances with high detection sensitivity and high selectivity, at the same time miniaturization of the arrangement is achieved.

Im Betrieb wird beispielsweise ein gepulster Laserstrahl S erzeugt, dessen Wellenlänge z. B. bei 266 nm liegt, wobei die Spiegel 14a, 14b für diese Frequenz undurchlässig bzw. hochreflektierend sind. Der eingekoppelte Lichtstrahl L oder Pumpstrahl hat dabei z. B. eine Frequenz von 532 nm.In operation, for example, a pulsed laser beam S is generated whose wavelength z. B. at 266 nm, wherein the mirrors 14a . 14b are impermeable or highly reflective for this frequency. The coupled light beam L or pump beam has z. B. a frequency of 532 nm.

Claims

Spectrometer ( 10 ) for gas analysis, with a chamber ( 21 ) for receiving a gas to be analyzed; a device for generating ions in the gas by means of ionizing laser radiation (S), a device ( 12a . 12b ) for generating a potential gradient in the chamber ( 21 ) to accelerate the generated ions, and an ion collector ( 13 ) for detecting the accelerated ions; characterized in that the means for generating ions at least one within the chamber ( 21 ) arranged optical crystal ( 31 ) and one in the chamber ( 21 ) integrated optical resonator ( 14a . 14b ) to the ionizing laser radiation (S) within the chamber ( 21 ) to create.

Spectrometer according to claim 1, characterized in that the optical crystal ( 31 ) for wavelength transformation from the outside into the chamber ( 21 ) coupled to the light radiation (L) in the ionizing laser radiation (S) is configured.

Spectrometer according to claim 1 or 2, characterized in that the optical crystal ( 31 ) is used to perform an optical parametric process, a sum frequency mixing and / or a frequency doubling.

Spectrometer according to one of the preceding claims, characterized in that the optical crystal ( 31 ) is a nonlinear crystal.

Spectrometer according to one of the preceding claims, characterized in that the optical crystal ( 31 ) is a laser crystal, which generates the ionizing laser radiation (S) during operation.

Spectrometer according to one of the preceding claims, characterized in that the Resonator one or more mirrors ( 14a . 14b ), which in the wall ( 21a ) the chamber ( 21 ) are integrated.

Spectrometer according to one of the preceding claims, characterized in that the resonator comprises one or more mirrors ( 14a . 14b ) transmissive to the wavelength of a light radiation (L) coupled in from the outside and substantially impermeable to the wavelength of the ionizing laser radiation (S).

Spectrometer according to one of the preceding claims, characterized by a device ( 17 ) for optically or electrically pumping the optical crystal ( 31 ).

Spectrometer according to one of the preceding claims, characterized in that the optical crystal ( 31 ) is optically pumped in operation by the externally coupled light beam (L) to produce the ionizing laser radiation (S).

Spectrometer according to one of the preceding claims, characterized by a device for transit time measurement of the ions in order to generate a transit time mass spectrum.