[發明專利]一種利用常規四級質譜儀準確測量氫、氘、氦分壓的方法

有效

• 申請號: 202110111092.0
• 申請日: 2021-01-27
• 公開（公告）號: CN112924522B
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發明（設計）人: 余耀偉;陳躍;曹斌;王俊儒;左桂忠;胡建生
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N27/62
• 分類號: G01N27/62
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 張乾楨

本發明提出一種利用常規四級質譜儀準確測量氫、氘、氦分壓的方法，通過選擇低(15.4?24.5eV之間)和高(25.3eV)兩種電離能，根據氫氣、氘氣和氦氣三種氣體的分子及原子電離閾值不同的特性，區分Hsubgt;2/subgt;supgt;+/supgt;及Dsupgt;+/supgt;對質量數(AMU)2的離子流的貢獻，以及Dsubgt;2/subgt;supgt;+/supgt;和Hesupgt;+/supgt;對AMU4的離子流的貢獻。在純氫氣、純氘氣和純氦氣的寬范圍真空環境下進行四級質譜儀的標定，獲得在選定的兩種電離能下各種氣體壓強與AMU2和AMU4的離子流的對應關系。在后續四級質譜儀測量中，同時掃描選定的兩種電離能條件下的AMU2和AMU4的離子流，通過分析計算，獲得氫氣、氘氣和氦氣的準確分壓。

技術領域

本發明專利涉及真空測量領域，具體是利用常規的低分辨率四級質譜儀，通過對氫氣、氘氣和氦氣在選定的兩個電離能條件下的標定、測量以及數據處理分析，實現對氫氣、氘氣和氦氣分壓準確測量的方法。

背景技術

在核聚變研究裝置上，通常會使用氘氣和氦氣作為實驗氣體，而氫氣是真空室內常規的參與氣體，為了裝置檢漏、雜質清除等目的，需要準確測量氫氣、氘氣和氦氣的氣體壓強。但是由于氘氣(D₂，質量數4.028)與氦氣(He，質量數4.003)的質量數非常接近，而氫氣(H₂，質量數2.016)與氘原子(D，質量數2.014)的質量數也很接近，常規的四級質譜儀由于分辨率不夠，無法直接分辨D₂⁺和He⁺、以及H₂⁺與D⁺，因此無法準確測量氫氣、氘氣和氦氣的準確分壓。

目前對氘氣和氦氣的質譜分辨主要是利用高分辨率質譜儀來實現，包括體積龐大的高分辨率四級質譜儀，以及離子回旋質譜儀等，這些高分辨率質譜儀通常價格昂貴、體積龐大，難以得到廣泛應用。另一種區分氘與氦的方式是利用光譜技術，根據氘和氦電離時發射光譜的波長不同的原理，結合實驗定量標定，間接實現對氘氣和氦氣的分辨，但是這種方法不能區分純氘氣與氘的化合物，測量結果不夠準確，其應用也受到了限制。

目前使用常規的四級質譜儀區分氘氣和氦氣主要有兩種方法。第一是根據氘氣和氦氣的分子的電離閾值不同的特點，選擇兩個電離能，其中較低的電離能僅能電離氘氣，較高的電離能則能夠電離氘氣和氦氣，通過實驗標定和分析計算，可以實現對氘氣和氦氣的質譜分辨。第二種方法是選擇兩個均高于氘氣和氦氣的電離閾值的電離能，根據氘氣和氦氣在不同電離能條件下電離截面不同的特點，通過在這兩個電離能條件下進行實驗標定和分析計算，可以實現對氘氣和氦氣的質譜分辨。這兩種方法都可以實現對氘氣和氦氣的分壓測量，但是無法在含有氘氣的真空環境中排除氘對氫氣測量的干擾，無法準確測量氫氣的分壓。

發明內容

為了解決當前氫氣、氘氣與氦氣分壓準確測量的成本高、設備體積大、測量不準確等不足，本發明提供了一種利用常規四級質譜儀準確測量氫、氘、氦分壓的方法，考慮到常規的四級質譜儀由于分辨率無法準確測量氫氣、氘氣和氦氣，但是通常都具備電離能調節的功能，另外，雖然氘分子與氦分子、以及氫分子與氘原子的質量數很接近，但是這些分子和原子的電離閾值不同，具體如下：H₂⁺15.4eV，D₂⁺15.4eV，He⁺24.5eV，D⁺25.3eV。本發明是根據電離閾值不同的特點，通過選擇不同的電離能進行標定和數據分析，可以實現對氫氣、氘氣和氦氣分壓的準確測量，為核聚變研究裝置及其他真空相關的氣體分壓測量提供一種方便的、低成本的測量方法。因此利用改變電離能并結合實驗標定和數據分析，在常規的低分辨率四級質譜儀上實現對氫氣、氘氣和氦氣的質譜分辨，具有成本低廉、應用廣泛的優點，該方法能夠方便地以低成本實現對氫氣、氘氣和氦氣氣壓的準確測量。