Authors:	Hünig, Andreas
Title:	Development, characterization, and first field deployments of a novel aerosol mass spectrometer combining laser ablation and flash vaporization techniques for aircraft application at high altitudes
Online publication date:	26-Jan-2021
Year of first publication:	2021
Language:	english
Abstract:	Aerosol particles are affecting human health and the environment. To estimate the effects, a detailed characterization of these particles is required. Particles can be characterized according to their size, shape, and chemical composition. The latter property can be determined by mass spectrometry. Two main types of mass spectrometers are currently used for in-situ chemical analysis of aerosol particles from the ambient atmosphere. One uses a pulsed laser to vaporize and ionize submicron to micrometer sized single particles before injecting ions into the mass spectrometer. The other uses thermal vaporization and electron impact ionization to analyze small particle ensembles. These ions are also detected by a mass spectrometer. In the here presented novel aerosol mass spectrometer ERICA (acronym for: ERc Instrument for Chemical composition of Aerosols) the two techniques were combined to obtain complementary chemical information about the aerosol. Such an instrumental design is unique. The first part is called ERICA-LAMS (ERICA Laser Ablation Mass Spectrometer) and the second part ERICA-AMS (ERICA Aerosol Mass Spectrometer). After being focused by an aerodynamic lens, the sampled ambient aerosol particles enter a high vacuum chamber, where they are detected by two laser light scattering units, namely the detection units, before they reach the laser ablation region. Here, the particles are vaporized and ionized by a pulsed, frequency quadrupled Nd:YAG laser. The ions are then measured by a bipolar Time-of-Flight mass spectrometer. Particles which are too small to be detected by the detection unit or are missed by the ablation laser continue their travel to the ERICA-AMS section of the instrument, within which they are flash-vaporized on a heated tungsten surface and ionized by electron impact ionization. The resulting positive ions are guided into a Compact Time-of-Flight mass spectrometer. The goal of this work was to set up, characterize, and deploy the ERICA instrument. To characterize the focused detection laser and ablation laser beams, dedicated experiments as well as the particle beam comprehensive laboratory measurements were conducted. For the laser beam characterization, the so-called knife-edge technique was adopted. The detection efficiency of the particle detection units was measured for various aerodynamic lens positions with PSL and ammonium nitrate particles in various sizes (91 nm – 5,145 nm, vacuum aerodynamic diameter). An adopted curve fitting procedure provided the particle beam parameters, such as the particle beam width, the effective detection radius, the particle beam divergence, and the transmission efficiency of the aerodynamic lens. Furthermore, two different particle size calibration functions were compared and validated. In addition, pure chemical substance particles (sodium chloride, ammonium nitrate, gold-spheres, and benz[a]anthracene) were sampled to validate the ERICA-LAMS mass spectra evaluation. By that it was found that the erosion of gold fragments from the gold-plated aircraft inlet is sufficiently low and the inlet reliably deployable. The dimensions of the instrument are 600 mm x 740 mm x 1,400 mm (height x width x length) with a total weight of around 200 kg. The first field deployment of ERICA took place during a test campaign in Kalamata, Greece, from August to September 2016 aboard the Russian high-altitude research aircraft M-55 Geophysica. This was the first aircraft phase of the StratoClim (acronym for: Stratospheric and upper tropospheric processes for better Climate predictions) project. Here, positive and negative ion mass spectra of single particles were concurrently measured in the lower stratosphere for the first time. The results of the data evaluation show that the ERICA-LAMS is capable of measuring elemental carbon and meteoric dust particles in altitudes where these particle types were expected besides organic and inorganic particle types. However, some improvements needed to be implemented to be enable measuring the mass concentration of particulate sulfate, nitrate, ammonium, and organic content quantitatively with the ERICA-AMS. The second aircraft phase was performed in Kathmandu, Nepal, from July to August 2017, where single particle and particle ensemble mass spectra were recorded in altitudes of up to 20 km. Here, nitrate-containing single particles and an enhanced nitrate mass concentration were observed in an aerosol layer that was previously identified as particulate nitrate-consisting layer by a remote sensing instrument. For the first time an AMS type of instrument was operated at such altitudes. By means of ERICA, answers concerning the long- standing scientific question about the chemical composition of ATAL (Asian Tropopause Aerosol Layer) aerosol could be provided and were published 2019 in Nature Geoscience. Furthermore, the data set was investigated for metal-containing particles. Overall, this work documents the high quality of the ERICA instrument and its reliable performance. The field campaigns have shown that the instrument is able to operate continuously under demanding conditions like heat, vibration, and turbulences aboard an aircraft covering an altitude range from mean sea level to 20,477 m above mean sea level, an ambient temperature range from -87 °C to 32 °C, and an ambient pressure range from 55 hPa to 1015 hPa. Thus, design, implementation, and fully autonomous flight operation, especially on a high-altitude aircraft, of ERICA can be considered as veritable experimental success. Aerosolpartikel beeinflussen die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Um diesen Einfluss abschätzen zu können, ist eine detaillierte Charakterisierung dieser Partikel erforderlich. Die Partikel können nach ihrer Größe, Form und chemischen Zusammensetzung charakterisiert werden. Die letztere Eigenschaft kann durch Massenspektrometrie bestimmt werden. Derzeit werden zwei Haupttypen von Massenspektrometern für die chemische in-situ-Analyse von Aerosolpartikeln aus der Umgebungsatmosphäre verwendet. Der erste Typ verwendet einen gepulsten Laser, um einzelne Partikel von Submikron- bis Mikrometergröße zu verdampfen und zu ionisieren, bevor die Ionen in das Massenspektrometer eingespeist werden. Der andere verwendet thermische Verdampfung und Elektronenstoßionisation zur Analyse kleiner Partikelensembles. Diese Ionen werden ebenfalls mit einem Massenspektrometer nachgewiesen. In dem hier vorgestellten neuartigen Aerosol-Massenspektrometer ERICA (Akronym für: ERc Instrument for Chemical composition of Aerosols) wurden die beiden Techniken kombiniert, um komplementäre chemische Informationen des Aerosols zu erhalten. Ein solches instrumentelles Design ist einzigartig. Der erste Teil wird als ERICA-LAMS (ERICA Laser Ablations Mass Spectrometer) und der zweite Teil als ERICA-AMS (ERICA Aerosol Mass Spectrometer) bezeichnet. Nach der Fokussierung durch eine aerodynamische Linse gelangen die beprobten Aerosolpartikel aus der Umgebung in eine Hochvakuumkammer, wo sie von zwei Laserlichtstreuungseinheiten, den Detektionseinheiten, erfasst werden, bevor sie den Laserablationsbereich erreichen. Hier werden die Partikel durch einen gepulsten, frequenzvierfachen Nd:YAG-Laser verdampft und ionisiert. Die so erzeugten Ionen werden mit einem bipolaren Flugzeitmassenspektrometer gemessen. Partikel, die zu klein sind, um von der Detektionseinheit erfasst zu werden, oder die vom Ablationslaser verfehlt werden, gelangen zum ERICA-AMS-Abschnitt des Instruments, wo sie auf einer erhitzten Wolframoberfläche verdampft und durch Elektronenstoßionisation ionisiert werden. Die resultierenden positiven Ionen werden in ein kompaktes Flugzeitmassenspektrometer geleitet. Ziel dieser Arbeit war es das ERICA-Instrument aufzubauen, zu charakterisieren und einzusetzen. Zur Charakterisierung des fokussierten Detektionslasers und der Ablationslaserstrahlen wurden sowohl entsprechende Experimente als auch umfangreiche Labormessungen des Teilchenstrahls durchgeführt. Für die Charakterisierung des Laserstrahls wurde die sogenannte Rasierklingenmethode verwendet. Die Detektionseffizienz der Partikeldetektionseinheiten wurde für verschiedene aerodynamische Linsenpositionen mit PSL- und Ammoniumnitratpartikeln verschiedener Größe (91 nm - 5145 nm, vakuumaerodynamischer Durchmesser) gemessen. Mittels Kurvenanpassungs-verfahren wurden die Partikelstrahlparameter, wie z.B. die Partikelstrahlbreiten, die effektiven Detektionsradii, die Partikelstrahldivergenz und die Transmissionseffizienz der aerodynamischen Linse bestimmt. Darüber hinaus wurden zwei verschiedene Partikelgrößenkalibriermethoden verglichen und validiert. Des Weiteren wurden Partikel reiner chemischer Substanzen (Natriumchlorid, Ammoniumnitrat, Goldpartikel und Benz[a]anthracen) zur Validierung der ERICA-LAMS-Massenspektrenauswertung gemessen. Dabei wurde festgestellt, dass die Freisetzung der Goldfragmente vom vergoldeten Flugzeugeinlass ausreichend gering ist und der Einlass somit zuverlässig einsetzbar ist. Die Abmessungen des Instruments betragen 600 mm x 740 mm x 1.400 mm (Höhe x Breite x Länge) bei einem Gesamtgewicht von rund 200 kg. Der erste Feldeinsatz von ERICA fand während einer Testkampagne in Kalamata, Griechenland, von August bis September 2016 an Bord des russischen Höhenforschungsflugzeugs M-55 Geophysica statt. Dies war die erste Flugzeugphase des StratoClim-Projekts (Akronym für: Stratospheric and upper tropospheric processes for better Climate predictions). Dabei wurden zum ersten Mal simultan positive und negative Massenspektren einzelner Partikel in der unteren Stratosphäre gemessen. Die Ergebnisse der Datenauswertung zeigen, dass das ERICA-LAMS in der Lage ist, neben organischen und anorganischen Partikeltypen auch elementare Kohlenstoff- und Meteoritenstaubpartikel in den Höhenbereichen zu messen, in denen diese Partikeltypen erwartet wurden. Es mussten jedoch noch einige Verbesserungen vorgenommen werden, um die Massenkonzentration von partikulärem Sulfat, Nitrat, Ammonium und organischen Stoffen mit dem ERICA-AMS quantitativ messen zu können. Die zweite Flugzeugphase fand von Juli bis August 2017 in Kathmandu, Nepal, statt, wobei Einzelpartikel- und Partikelensemblemassenspektren in Höhen von bis zu 20 km aufgenommen wurden. Dabei wurden nitrathaltige Einzelpartikel und eine erhöhte Nitratmassenkonzentration in einer Aerosolschicht gemessen, die zuvor mit einem Fernerkundungsinstrument als partikelförmige nitrathaltige Schicht identifiziert worden war. Zum ersten Mal wurde ein Instrument vom AMS-Typ in solchen Höhen betrieben. Mit Hilfe von ERICA konnten Antworten auf die langjährige wissenschaftliche Frage nach der chemischen Zusammensetzung des ATAL-Aerosols (Asian Tropopause Aerosol Layer) gegeben und 2019 in Nature Geoscience veröffentlicht werden. Darüber hinaus wurde der Datensatz auf metallhaltige Partikel untersucht. Insgesamt belegt diese Arbeit die hohe Qualität des ERICA-Instruments und dessen zuverlässige Leistungsfähigkeit. Die Feldkampagnen haben gezeigt, dass das Instrument unter anspruchsvollen Bedingungen wie Hitze, Vibrationen und Turbulenzen an Bord eines Flugzeugs kontinuierlich in einem Höhenbereich von mittlerer Meereshöhe bis 20.477 m über dem Meeresspiegel, einem Umgebungs-temperaturbereich von -87 °C bis 32 °C und einem Umgebungsdruckbereich von 55 hPa bis 1015 hPa betrieben werden kann. Daher können Design, Implementierung und vollständig autonomer Flugbetrieb, insbesondere auf einem Höhenflugzeug, von ERICA als wahrer experimenteller Erfolg angesehen werden.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics 530 Physik 530 Physics 540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-5554
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-openscience-58aafdff-7e8d-4225-8f63-1cc7231304680
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/?language=en
Extent:	xi, 296 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen