Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3984
Bläsner, Martin
Entwicklung eines bipolaren flugzeuggetragenen Aerosolmassenspektrometers
VII, 99 S., 2002
Diese Arbeit hat die Entwicklung eines Aerosolmassenspektrometers zum Gegenstand,
welches entworfen wurde, um Aerosole in der oberen Troposphäre und der unteren
Stratosphäre zu untersuchen. Das Messgerät mit dem Namen SPLAT (Single Particle Laser
Ablation Time of flight mass spectrometer) wurde für den Einbau in Forschungsflugzeuge
mit einer Flughöhe von ca. 10 km entwickelt. Das SPLAT-System soll die Größe
und die chemische Zusammensetzung einzelner Aerosolpartikel aus der Umgebungsluft
bestimmen. Die Kenntnis dieser Parameter ist bedeutsam, da sie z.B. eine wichtige Rolle
bei heterogenen chemischen Reaktionen, beim Ozonabbau und bei der Wolkenbildung
spielen. Direkte Effekte von Aerosolpartikeln, wie z.B. Streuung und Absorption vom
Sonnenlicht liefern je nach Größe und Zusammensetzung einen positiven oder negativen
Strahlungsantrieb zum Klima. Die Trennung der Partikel von der Gasphase wird beim
SPLAT -System über ein differentiell bepumptes Einlasssystem erreicht. Im Rezipienten
erfolgt unter Hochvakuumbedingungen die Größenanalyse mittels einer Laserstrahlanordnung.
Durch zwei Laserstrahlen wird die Geschwindigkeit jedes einzelnen Partikels
gemessen. Die Geschwindigkeit ist ein Maß für den aerodynamischen Durchmesser des
Partikels. Außerdem dient die Laserstrahlanordnung dazu, einen Excimer-Laser zu
triggern. Erreicht das Partikel die Mitte des Massenspektrometers, wird es durch einen
Laserpuls des Excimer-Lasers verdampft und ionisiert. Die sich dadurch bildenden Ionen
werden dann im Flugzeit-Massenspektrometer nachgewiesen, wodurch sich ihre Masse
bestimmen läßt. Durch den bipolaren Aufbau des Massenspektrometers können
sowohl die negativen als auch die positiven Ionen eines Partikels nachgewiesen werden.
So werden erstmals weitreichende Analysen der Größe und der Zusammensetzung von
Einzelpartikeln im Flugbetrieb möglich. Die Funktionsfähigkeit des Messgerätes wurde
bei zahlreichen Labormessungen mit Partikeln bekannten Durchmessers und bekannter
chemischer Zusammensetzung nachgewiesen. Diese Messungen dienten darüberhinaus
dazu, das Messgerät zu kalibrieren. Die Teilnahme an der MINOS Messkampagne auf
der Insel Kreta im Jahr 2001 lieferte erste Messergebnisse von Aerosolpartikeln aus der
Umgebungsluft.
The aim of this thesis is the development of an aerosol mass spectrometer designed to
determine aerosols in upper troposphere and the lowermost stratosphere. The
instrument named SPLAT (Single Particle Laser Ablation Time of flight mass spectrometer)
was developed for the integration in a research aircraft for a flight altitude of about 10
km. The SPLAT system should be able to provide information about the size and the
chemical composition of an individual aerosol particle from ambient air. The knowledge
of this parameter is of relevance, because of its important role for heterogeneous chemical
reactions, for ozone depletion and for cloud formation. Direct effects of aerosol particles,
like e.g. scattering and absorption of sunlight, may cause a negative or positive forcing
of climate in dependence of size and composition. A differentially pumped inlet system
separates the particles from the gas phase within the SPLAT system. At high vacuum
conditions the sizing takes place through a laser ray configuration. Two laser rays
measure the velocity of every individual particle. The velocity depends on the aerodynamic
diameter of the particle. Further, the laser configuration triggers an excimer laser. A
pulse of the excimer laser vaporizes and ionizes the particle when it reaches the middle
of the mass spectrometer. To determine the mass of the ions formed, they are detected
in a time-of-flight mass spectrometer. Both the negative and positive ions of a particle
can be detected, because of the bipolar construction of the mass spectrometer. Thereby
for the first time extensive studies of the size and the chemical composition of individual
aerosol particles are possible for in-flight conditions. The efficiency of the instrument
was verified in numerous laboratory measurements with particles of known diameter and
known chemical composition. These measurements are further used to calibrate the
instrument. The participation in the MINOS field campaign on the island of Crete yielded
the first measurements in ambient aerosol particles.
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