氕氘比CH/CD的四极质谱计测量(2)

2010-01-30 蒋昌勇 中国工程物理研究院核物理与化学研究所

2.2、QMS 对氘化氕( HD) 的测量灵敏度

  因一般实验室无分压搅拌系统,无法制备纯HD 气体,所以不能用纯HD气对HD进行标定。

  在此情况下, 据已测出的K(H2) =2 K(D2),Mr(H2) =1/2Mr(D2),推断QMS对各组分的标定曲线的斜率与其质量数呈线性关系。对HD,则有K(HD)=1.5K(D2)。

2.3、自制混合气体的测量

  将氕化铀床和氘化铀床加热释放出一定量的氕气和氘气, 配制成摩尔比分别为1.01 、2.00 、3.00 和4.02 的氕氘混合气体,用质谱计测量质量数为1 ( H+) 、2(H2、D+)、3(HD) 、4 (D2) 的峰高。由氕气、氘气的标定结果可知:H+ 和D+ 量较低,D+ 相对H2 而言可以忽略,质量数为2 的峰可以认为是H2 峰。质量数为3(HD) 的峰高比H2 及D2 的峰高低1 个数量级以上,计算时忽略。根据K(H2) 和K(D2) 以及导出的K (HD) ,计算出的氕氘比CH/ CD 分别为0.97 、2. 06 、3. 12 、4. 06 。计算值与给定值间的相对偏差小于4.0 %。测量数据和计算结果列于表1 。

表1  不同摩尔比混合气体的测量峰高与CH/CD计算值

不同摩尔比混合气体的测量峰高与CH/CD计算值

2.4、氕氘标准样品的测量

  将氕氘标准样品罐与系统的连结管道和系统(包括分析管道) 抽高真空后,从氕氘标准样品罐中释放出压强p 分别为29. 6 、13. 3 、16. 0和17. 4 kPa 的一定量混合气体,使用质谱计测量谱峰高度h(H2)、h(D2 ) 、h ( HD) ,并计算CD/ CH 。测量数据和计算结果列于表2 。从表2 可知:4 次测量并计算的氘氕比CD/CH平均值为1.07 。标准样品的实际比例CD/CH 为1.05 ,两者的相对偏差为1.9 %。

表2  标准混合气体的峰高测量值与CD/CH 计算值

标准混合气体的峰高测量值与CD/ CH 计算值

2.5、K( HD) 的实验验证

  由于K (HD) 的值并非由实验标定得到,而是根据实际标定的K(H2) = 2 K (D2) 推断出K(HD) = 1. 5 K(D2) 。这一推断结果的可靠性必须得以验证。为此,对K ( HD) 进行如下验证实验。

  首先,在25 ℃下对仪器进行标定,标定的结果为: K (D2)=0.097pA/Pa,K(H2)=0.192pA/Pa。然后,分别加热氕化铀床和氘化铀床,释放2.47 kPa 氕气和4.94 kPa 氘气。充分混合,加热并放置较长时间,待其达到平衡后,在25 ℃下测量HD 的峰高h(HD)。用25℃下H2 + D2=2HD反应的平衡常数3.26计算出HD在混合气体中的分压p(HD=3.14kPa。25℃下QMS测得HD峰高h(HD)=0.457nA ,由此计算出K(HD)=0.145pA/Pa。可以看出K(HD)=1.5K(D2),与推断的关系相符合。这表明:根据K(H2) 与K(D2)的关系推断出的K(HD)=1.5K(D2)的关系式是可靠的。

3 、结束语

  利用四极质谱计对纯氕和纯氘测量的灵敏度间的关系,推断出仪器对HD 的灵敏度为对氘的灵敏度的1.5 倍,这一关系得到了实验证实。这样,在用四极质谱计仅对氕和氘进行标定后,可测量出不同平衡状态下的氕氘混合气体中的氕、氘相对含量CH 、CD 及CH/ CD 。