Knudsen-Effusions-Massenspektrometrie

Der Dampfdruck über einer flüssigen oder festen Probe ist eine wesentliche physikalische Eigenschaft. Dieser kann mit der Knudsen-Effusions-Massenspektrometrie (KEMS) exakt bestimmt werden. Dampfdrücke zwischen 1x10-10 – 1 mbar können in einem Temperaturbereich zwischen 20 – 3000 °C gemessen werden. Die massenspektrometrische Untersuchung der Dampfphase ermöglicht zudem die Analyse der Zusammensetzung der Gasspezies. Ist die Temperaturabhängigkeit des Dampfdruckes bekannt, können fundamentale thermodynamische Daten ermittelt werden. Dazu zählen die Enthalpie, die Entropien und die Gibbs-Energie. Diese sind für die Werkstoffentwicklung nach der "Integrated Computational Materials Engineering" (ICME) Methode von größter Wichtigkeit.

Bei einer KEMS-Messung wird eine Materialprobe in einer Knudsen-Zelle erhitzt. Diese hat einen Innendurchmesser von 7 – 10 mm. Der Tiegel ist mit einem Deckel verschlossen. Im Deckel befindet sich eine kleine Öffnung von ca. 0,5 bis 1 mm. In der Knudsen-Zelle entsteht nun eine Gasphase, die sich mit der Probe im thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Aufgrund des Gleichgewichtes stellt sich ein konstanter Dampfdruck in der Gasphase ein.

Durch die sehr kleine Knudsen-Öffnung entweicht aus der Knudsen-Zelle nur zufällig eine geringe Anzahl an Atomen und Molekülen. Das thermodynamische Gleichgewicht wird dabei praktisch nicht gestört. Dieser Vorgang wird als Effusion bezeichnet. Anschließend werden die entwichenen Moleküle durch Elektronenbeschuss ionisiert und in einem Potentialfeld beschleunigt. Mittels eines Massenspektrometers können die Moleküle nun gemäß ihrem Masse-zu-Ladung-Verhältnis getrennt und durch den Analysator charakterisiert werden. Aus der Analyse können die aus der Knudsen-Zelle effundierten Spezies identifiziert sowie quantifiziert werden.

Prinzipielle Funktionsweise der Knudsen-Effusion-Massenspektrometrie