[發明專利]一種用于熱表面電離質譜的燈絲碳化裝置及方法

有效

• 申請號: 202111410245.8
• 申請日: 2021-11-23
• 公開（公告）號: CN114093746B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 羅立力;劉雪梅;湯磊;卜文庭;郝樊華
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院核物理與化學研究所
• 主分類號: H01J49/04
• 分類號: H01J49/04;H01J49/00;G01N27/626
• 代理公司: 中國工程物理研究院專利中心 51210
• 代理人: 仲萬珍

本發明公開了一種用于熱表面電離質譜燈絲碳化裝置及方法，該裝置包括：反應腔室、真空單元、氣源、溫度測量單元、真空測量單元、燈絲供電單元和圓形擋板，本發明所提供的碳化裝置采用了氣流分布均勻性設計，在燈絲支架的一端設置圓形擋板，另一端設置氣氛入口，利用微漏閥精確控制進氣壓力，在保證氣流均勻性和穩定性的同時，進一步降低了反應氣體的消耗量，降低了應用于碳化的碳氫類有毒有害氣體的排放；還采用了溫度精確控制燈絲碳化反應的設計，保證了不同批次燈絲滲碳效果的均勻性，進一步提升了碳化工藝的可重復性，為超痕量錒系同位素的高精度質譜分析提供了可能。

技術領域

本發明屬于無機同位素分析、放射化學領域，尤其涉及一種用于熱表面電離質譜的燈絲碳化裝置及方法。

背景技術

熱表面電離質譜因本底干擾較少，質量分餾效應相對于其他同位素比值測量方法較低，測量精度和準確度較高等諸多優點，被國際公認為是測量錒系核素的“金標準”，但由于錒系核素普遍具有較高的電離電位，熱表面電離質譜對錒系核素樣品的測量效率極低，從而嚴重的限制了熱表面電離質譜在環境分析、核保障擦拭分析、核取證等具備超痕量量級錒系核素樣品(納克到皮克甚至亞皮克量級)的場景方面的應用。

碳發射劑是熱表面電離質譜中最常用的增強發射劑，在質譜測量過程中，燈絲通常處于1000K以上的高溫狀態，碳發射劑通過碳熱還原反應將錒系核素樣品由易蒸發損失的氧化物形態轉化為難揮發的碳化物形態，從而保證樣品能維持到高溫狀態而不損失；同時，碳發射劑也會與燈絲反應形成碳化物或者固溶體，間接提升燈絲的表面功函數，從而達到提升錒系核素測量效率的目的，質譜測量過程中碳發射劑的總量和碳原子的形態是影響碳化效果和效率增強效果的關鍵因素，二者的高度可重復性是實現高精度同位素測量的關鍵。

傳統碳發射劑主要通過操作人員人工將飽和蔗糖水、膠體石墨、碳納米材料或者樹脂珠等含碳介質以溶液的形式涂敷在熱表面電離質譜的燈絲上，受操作人員技術水平的影響極大，可控性差，不具備高度可重復性的可能；并且溶液形式的碳發射劑極易引入本底，嚴重影響同位素測量的精確度。因此，目前世界頂尖錒系同位素分析實驗室普遍采用氣固反應的方法加載碳發射劑，利用燈絲與含碳氣氛的高溫反應直接對燈絲進行滲碳，該方法能夠有效避免人工操作誤差，并能通過氣氛、壓力、燈絲加熱電流等工藝條件的調節實現對碳總量和碳原子形態的有效調控，是實現燈絲的高度可重復性碳化最有發展潛力的技術。但目前并無針對熱表面電離質譜的商業化市售燈絲碳化裝置，世界范圍內的公開文獻報道中僅有四個實驗室具有該項技術，并且因燈絲專用支架和對工藝條件的精確控制要求所限，市售碳化裝置也無法通用于此，而根據公開文獻報道，現有技術中利用氣固反應方法進行燈絲碳化的裝置尚存在以下問題：

(1)未考慮反應腔室內氣氛分布均勻性對碳化效果的影響，現有碳化裝置普遍采用動態氣氛，整個碳化反應過程中同時進行著碳化氣氛的引入和抽出，必然會在靠近真空泵的抽氣口一側和靠近氣源的進氣口一側形成氣壓差異，這種差異對于滲碳總量的影響較大。若無氣流均勻性設計，以容納一排共4根燈絲的反應腔室為例，在同樣的條件下進行碳化，近氣源端和近抽氣口的碳化燈絲，對于100pg鈾的測量效率差距可達約30％-40％，而若燈絲支架搭載的燈絲更多，反應腔室更大，這種差距將更大。

(2)現有裝置主要通過控制加載在燈絲上的電流來控制碳化效果，但我們在實驗中發現決定碳化效果的關鍵因素是燈絲溫度，燈絲溫度取決于燈絲電阻和燈絲電流，而不同規格和批次的燈絲在電阻上是存在差異的。以目前主流使用的精煉燈絲和非精煉燈絲為例，兩種燈絲在達到最佳碳化溫度時的燈絲加載電流相差約300mA。表1列出了控制電流和控制溫度兩種方式下，兩種規格燈絲對100pg鈾的測量效率，可以看到控制電流的方式能達到更高的可重復性。

表1不同控制方式下的鈾測量效率