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Diagnostische Werkzeuge

Neben theoretischen Modellen bildet das Experiment das Wesen der naturwissenschaftlichen Arbeit. Für die Methodenentwicklung in der Atmospährendruck Ionisation (Atmospheric Pressure Ionization - API) bringen wir besondere experimentelle Techniken zum Einsatz, die einen direkten Blick auf die Bedingungen innerhalb von Atmosphärendruck-Ionenquellen und damit auch die Verifikation von theoretischen Annahmen und Simulationsergebnissen ermöglicht.

Ionenakzeptanzverteilungen (Distribution of Ion Acceptance - DIA)

Atmosphärendruck Laser Ionisation (APLI) ermöglicht die räumlich definiterte und von elektrischen Feldern unabhängige Erzeugung von Ionen. Durch einfaches Fokussieren und Verschieben des ionisierenden Laserstrahls ist es relativ einfach, ein ganzes Raumgebiet systematisch abzutasten und so ein raumaufgelöstes Ionensignal zu erhalten. Das Ergebnis einer solchen Messung nennen wir Ionenakzeptanzverteilung (engl. Distribution of Ion Acceptance - DIA).

Die genaue Gestalt der erhaltenen Verteilungen hängt von den elektrischen Feldern und der Gasdynamik im untersuchen Gebiet ab, da die Bewegung der Ionen bei Atmosphärendruck (AP) von beiden bestimmt werden. DIA Messungen haben wir bislang vor allem für zwei Anwendungen verwendet. Einerseits erlauben sie die Bestimmung des Raumbereiches aus dem Ionen in den Massenanalysator eines AP-Massenspektrometers gelangen und der Einflüsse verschiedener Parameter (elektrische Felder, Gasflüsse und Temperaturen) auf diese Zone. Dies ist hilfreich bei der Optimierung von Atmosphärendruck-Ionenquellen (API-Quellen) für analytische Fragestellungen, die hohe Empfindlichkeit und damit auch einen möglichst effizienten Ionentransfer von der Ionenquelle in den Massenanalysator erfordern.

Andererseits stellen DIA Messungen eine sehr leistungsfähige Methode zur Verifikation numerischer Simulationen der Bewegung von Ionen in AP-Ionenquellen dar, was sich inzwischen auch zur primären Anwendung von DIA Messungen entwickelt hat.

Räumaufgelöste Ionenakzeptanzverteilung (DIA)

Raum und Zeitaufgelöste Messungen

Aufgrund der benötigten großen Leistungsdichte erfordert APLI gepulste Lasersysteme. Daher sind nicht nur raumaufgelöste sondern auch zeitaufgelöste Messungen der Ionenakzeptanzverteilung möglich, denn Ionen werden nur im sehr kurzen Laserpuls gebildet. Damit ist der Bereich in der Ionen entstehen nicht nur räumlich sondern auch zeitlich begrenzt. Zeichnet man nun die Zeitdifferenz zwischen Laserpuls und Ankunft der Ionen in einem Detektor, wie beispielsweise einem AP-Massenspektrometer, auf erhält man zusätzlich zur räumlichen Verteilung auch die Verteilung der Transferzeiten der Ionen vom Ort des Entstehens bis zum Detektor. Damit werden die oben beschriebenen DIA Messungen um die Bestimmung der Ionentransferzeiten erweitert, die direkt von den individuellen Trajektorien der Ionen abhängen. Damit ermöglichen Transferzeitmessungen einen noch unmittelbareren Blick auf die Bewegungen von Ionen unter Atmosphärendruck.

Diese zeitaufgelösten Daten können ebenfalls für die Verifikation von numerischen Simulationen herangezogen werden und ermöglichen die Optimierung des zeitlichen Verhaltens von AP-Ionenquellen.

PIV - Particle image velocimetry

Die Particle Image Veloctimetry (PIV) ist ein Verfahren mit dem Gasströmungen unmittelbar untersucht und sichtbar gemacht werden können. Dabei werden sehr feine Partikel, beispielsweise sehr feine Öltropfen, in den zu untersuchenden Gasstrom gebracht. Diese sind so leicht, das ihre Massenträgheit vernachlässigbar ist, ihre Bewegungen bilden direkt die Strömungsstruktur des Gases ab. Macht man in kurzem zeitlichen Abstand zwei Fotos dieser Partikel, kann durch geeignete Bildverarbeitungsmethoden aus der Verschiebung der Partikelpositionen auf den beiden Bildern auf die Bewegung des strömenden Gases zurückgeschlossen werden.

In Zusammenarbeit mit dem Institut für Turboarbeitsmaschinen und Strahlantriebe der RWTH Aachen, welches hier die PIV Experimente durchgeführt hat, konnten wir die Methode zur erfolgreichen Verifikation komplexer fluiddynamischer Simulationen in Atmosphärendruck Ionenquellen nutzen.