氕氘比CH/CD的四极质谱计测量

　　研究采用ELITE SXP-50型低分辨率四极质谱计(QMS)在不制备HD标样的条件下精确测量并计算混合气体中的氕氘分压比C_H/C_D的方法。标定结果表明:QMS对H₂及D₂的响应与氕、氘气体压力呈良好线性,且有直线斜率K(H₂)= 2K(D₂)的关系,并据此推断K(HD)=1.5K(D₂)。对已知氕氘摩尔比为1.01～4.02的混合气体试样进行了测定,计算得到混合气体中的C_H/C_D比与给定值间的相对偏差小于4.0%。用C_D/ C_H=1.05的标准混合气体进行了方法验证,4次测定的C_D/C_H平均值为1.07,与标准值的相对偏差为1.9%。验证实验证实:所推断出的K(HD)=1.5K(D₂) 关系是可靠的,利用此型号四极质谱计可较精确地测定氕、氘混合气体中的氕氘比C_H/C_D 。

　　氢同位素化合物在生成和分解过程中的同位素效应影响制备出的氢同位素核靶的同位素组成,从而影响核靶性能。故在研究制靶用储氢(同位素) 铀床和氢(同位素) 化物靶膜生成过程的同位素效应时,必须定量分析氢同位素混合气体中的氕、氘含量。采用气相色谱法可测定氕氘含量,但色谱柱须在液氮温度下工作,且测量结果对色谱柱工作温度极为敏感,温度的微小波动将引起测量结果的较大变化。氕氘含量也可用高分辨率质谱仪测量,质谱仪虽能将D和H₂相区分,但因H₂+ D₂=2HD 反应达到平衡需要很长时间,而用烧红的钨丝催化加速平衡既不方便且费时,因此,HD的标定问题仍难以解决。为此,本工作研究采用分辨率较低的SXP-50型四极质谱计在不制备HD 标样条件下较精确测定混合气体中的氕氘比C_H/C_D的方法。

1、实验部分

1.1、实验原理

　　氕氘混合气体中存在H₂+D₂=2HD同位素交换反应,这一反应达到平衡的时间很长,而H₂ 和D₂离解为H原子和D 原子的比例又极小,因此,在用四极质谱计(QMS) 测量氕氘混合气体时,在谱图上通常只出现质量数为2 (对应H₂) 、3(对应HD) 和4 (对应D₂) 的谱峰。在多质量数下,QMS 测得的峰高与相应组分的分压呈正比关系,即

　　式中: hi 、pi 分别为第i 种组分的峰高(A) 和分压(kPa) ; Ki 为QMS 对第i 种组分的灵敏度。用纯H₂ 和纯D₂ 气分别在QMS 上测取各自的标定曲线, 求出直线斜率K ( H₂ ) 和K(D₂) ,并由K(H₂) 和K(D₂) 导出K(HD) ,然后,利用式(1) 计算出H₂ 、D₂ 和HD 的分压强p (H₂) 、p (D₂) 、p (HD) ,再由下式计算H₂ 的相对含量:

　　同理,可计算得到HD 和D₂ 的相对含量CHD和CD₂ 。氘的相对含量则为:

　　氕的相对含量CH = 1 - CD 。这样,可最终计算出注入QMS样品室内的氕氘混合气体中H和D的含量比CH/CD 。

1.2、实验装置

　　实验装置由超高真空金属系统和1 台EL ITE SXP-50 型四极质谱计构成(图1) 。气体样品通过分子渗漏阀引入QMS 样品室。将系统抽真空(约3 ×10^-5Pa) 后,加热氕化铀床,释放一定量氕气,开启渗漏阀,让微量氕气进入质谱计分析室,调节渗漏阀,使QMS处于工作真空度5 ×10^-4Pa 下,并保持分析室内真空度和测量峰高稳定,此时,固定渗漏阀手柄位置,并在整个实验过程中保持阀门手柄位置固定不变。对于不同的渗漏速率,需分别标定QMS 的灵敏度。

图1 　实验装置

2、实验结果

2.1、QMS对氕气和氘气的测量灵敏度

　　将系统抽高真空后,加热氕化铀床,释放35 kPa氕气,因H₂=2H 反应生成H 的量较少,在谱图上只出现H₂ 的谱峰。测量过程中,氕压依次减少1kPa ,直至3kPa 时止。回收氕气并重复测量一次。绘制的H₂ 峰高与H₂ 压力间的关系曲线示于图2 。

图2 　氕气的标定曲线　　图3 　氘气的标定曲线

　　由图2 可见: H₂ 峰高与H₂ 压力间呈现良好线性关系,QMS 对H₂ 的标定曲线的斜率K(H₂) = 0.087pA·Pa ^{- 1} ; 对氕的2次标定结果基本重合,它们之间的差异是由2 次测量并非在同一真空度下进行而使分析室的H₂ 本底不同所造成的。同样,可对氘气进行标定,绘制出D₂ 峰高与D₂ 气压间的关系曲线(图3) 。

　　由图3 可见:D₂ 峰高与D₂ 压力间呈现良好线性关系,QMS 对D₂ 的标定曲线的斜率K(D₂) = 0.043 pA·Pa ^{- 1} ,4 次标定结果基本重合。