Ziel dieser Arbeit ist die Konzipierung, Charakterisierung und Validierung einer Ionenquelle, welche durch gezielte Ionenextraktion und Plasmamanipulation hohe Protonierungsraten hervorrufen soll. Als Basisentladung wird ein Wasserstoffplasma bei Niederdruck in einem helikalen Resonator gezündet. Durch ein externes DC-Feld sollen Ionen aus der Raumladungszone des Wasserstoffplasmas bewusst manipuliert, extrahiert und gepulst werden, sodass eine hohe Anzahl an potentiellen Proton-Transfer-Ionen zur Analytionisierung zur Verfügung stehen. Sowohl die Vorabversion wie auch die letztliche Ionenquelle werden durch massen- und zeitaufgelöste Spektrometrie analysiert und charakterisiert.
Inhaltsverzeichnis
- 1. Einführung und Motivation
- 2. Theoretische Grundlagen
- 2.1. Plasmen und deren Anwendung
- 2.1.1. Einführung
- 2.1.2. Grundlegende Definition des Begriffs Plasma
- 2.1.3. Debye-Länge
- 2.1.4. Langmuir-Plasmenfrequenz
- 2.1.5. Egger-Saha-Gleichung
- 2.1.6. Einteilung und Charakterisierung von Plasmen
- 2.1.7. Entstehung von Plasmen und Mechanismen der Ionisierung
- 2.1.8. Helikaler Resonator
- 2.1.9. Plasma-Wandeffekte
- 2.1.10. Elektromagnetische Emission
- 2.2. Manipulation von Ionenbündeln und Ionenoptik
- 2.3. Massenspektrometrie
- 2.3.1. Grundlagen
- 2.3.2. Quadrupol-Massenspekrometer
- 2.3.3. Protonentransfer-Reaktions Massenspetrometrie
- 3. Experimenteller Aufbau
- 3.1. Gase
- 3.2. Flow-Controller
- 3.3. Helikaler Resonator
- 3.3.1. VUV-Lampenkörper
- 3.3.2. Radiofrequenz-Netzteil
- 3.4. Massenspektrometer
- 3.4.1. Hiden Analytics Quadrupol-Massenspektrometer
- 3.4.2. Einlasssystem und Ionenquelle
- 3.5. Primäre und sekundäre Elektronik
- 3.5.1. Elektronik zur Elektrodenpulsung
- 3.5.2. Ionenstrommessung
- 3.6. Spektroskopische Charakterisierung
- 3.6.1. UV/VIS- Spektrometer
- 4. Ergebnisse
- 4.1. Zusammensetzung des Plasmas
- 4.1.1. Spektroskopische Untersuchung
- 4.1.2. Untersuchungen durch Quadrupol-MS
- 4.1.3. Wassercluster
- 4.2. Charakterisierung der Ionenquelle (Quelle A)
- 4.2.1. Langzeitentwicklung der (MS)-Intensität
- 4.2.2. Druckabhängigkeit der Ionenintensität (Quelle A)
- 4.2.3. Einfluss eines DC-Feldes auf das Plasma (Quelle A)
- 4.2.4. Druckabhängigkeit der Cutoff-Spannung
- 4.2.5. Pulsung der Ionenquelle und Ionenextraktion (Quelle A)
- 4.3. Charakterisierung der Ionenquelle (Quelle B)
- 4.3.1. Massenspektrum (Quelle B)
- 4.3.2. Druckabhängigkeit der Ionenintensität (Quelle B)
- 4.3.3. Einfluss eines DC-Feldes auf das Plasma (Quelle B)
- 4.3.4. Pulsung der Ionenquelle und Ionenextraktion (Quelle B)
- 5. Fazit, Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und Charakterisierung einer neuen Ionenquelle für massenspektrometrische Untersuchungen. Das Ziel ist die Erstellung einer Quelle, die für das Sampling im mbar-Bereich geeignet ist und in Kombination mit Chromatographie-Verfahren verwendet werden kann. Die Arbeit untersucht verschiedene Aspekte der Ionenquelle, darunter die Charakterisierung der Plasmazusammensetzung, die Druckabhängigkeit der Ionenintensität und den Einfluss von externen DC-Feldern auf das Plasma.
- Entwicklung und Charakterisierung einer neuen Ionenquelle für massenspektrometrische Untersuchungen
- Untersuchung der Plasmazusammensetzung
- Druckabhängigkeit der Ionenintensität
- Einfluss von externen DC-Feldern auf das Plasma
- Pulsung der Ionenquelle
Zusammenfassung der Kapitel
Kapitel 1: Einführung und Motivation erläutert die Bedeutung der Massenspektrometrie für die Analyse von Produkten und deren chemischen Bestandteilen. Es werden verschiedene Ionisierungsmethoden vorgestellt, darunter die plasma-induzierte-Protonierung über Transferreagenzien. Der Einsatz von Wasserstoff als Plasmagas und die Zündung des Plasmas über eine Atmospheric-Pressure-Photoionization (APPI)-Power-Supply werden als vielversprechende Ansätze vorgestellt.
Kapitel 2: Theoretische Grundlagen liefert ein umfassendes Verständnis der relevanten physikalischen und chemischen Prozesse in Plasmen. Es werden wichtige Konzepte wie die Debye-Länge, die Langmuir-Plasmenfrequenz, die Egger-Saha-Gleichung, die Plasma-Wandeffekte und die elektromagnetische Emission von Plasmen diskutiert. Zudem werden die Manipulation von Ionenbündeln und die Grundlagen der Massenspektrometrie, insbesondere der Quadrupol-Massenspektrometrie und der Protonentransfer-Reaktions-Massenspektrometrie, erläutert.
Kapitel 3: Experimenteller Aufbau beschreibt detailliert die verwendete Apparatur, inklusive der verwendeten Gase, der Flow-Controller, des helikalen Resonators, des Massenspektrometers und der elektronischen Komponenten zur Elektrodenpulsung und Ionenstrommessung. Es werden die beiden Ionenquellen (Quelle A und Quelle B) mit ihren spezifischen Konfigurationen und Messmethoden vorgestellt.
Kapitel 4: Ergebnisse präsentiert die Ergebnisse der durchgeführten Messungen und deren Analyse. Es werden sowohl spektroskopische als auch massenspektrometrische Daten diskutiert, um die Zusammensetzung des Plasmas und das Verhalten der Ionenquelle zu charakterisieren. Die Ergebnisse beleuchten den Einfluss von Druck, Elektrodenspannung und Pulsung auf das Plasma und das Ionensignal.
Kapitel 5: Fazit, Zusammenfassung und Ausblick fasst die wichtigsten Erkenntnisse der Arbeit zusammen und diskutiert die Bedeutung der Ergebnisse für zukünftige Anwendungen. Es werden mögliche Optimierungsansätze für die Ionenquelle und deren Kopplung mit anderen Analysesystemen vorgestellt.
Schlüsselwörter
Die wichtigsten Schlüsselwörter und Fokusthemen dieser Arbeit sind: Ionenextraktion, Wasserstoffplasma, helikaler Resonator, Massenspektrometrie, Protonentransfer-Reaktions-Massenspektrometrie, H3+ -Ionen, Ionenstrommessung, Elektrodenpulsung, Druckabhängigkeit, DC-Feld-Einfluss, Schwebungsphänomen.
- Quote paper
- Tobias Kutsch (Author), 2017, Ionenextraktion aus einem Wasserstoffplasma in einem helikalen Resonator. Konzipierung, Charakterisierung und Validierung einer Ionenquelle, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/386138
