热电离质谱计信号放大器非线性校正技术

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国工程物理研究院 作者:魏兴俭

  从理论上研究了热电离质谱计法拉第杯接收器放大器的非线性效应,建立了校正的数学模型。应用该模型,可以用一种同位素标准物质直接检验法拉第接收器放大器的非线性,而不用常规的系列同位素标准物质来检验放大器非线性。应用U TB2500 铀同位素标准物质、峰跳扫描质谱测量技术,检验了一台热电离质谱计法拉第接收器放大器的非线性,并对存在的非线性进行了校正。同时,验证了在同位素丰度比值一定的情况下,非线性校正因子是恒定的,它不随离子流信号强度的变化而变化。

  热电离质谱计广泛应用于核工业,地质年代学,环境科学等领域中同位素丰度比值的测量。随着质谱仪器技术的发展,特别是多接收技术的普及,丰度比值测量的精密度得到了很大的提高。但是,测量的准确度仍然受到限制,这是由于存在系统偏差的缘故。多接收热电离质谱技术的主要系统偏差来源有同位素质量分馏效应,多接收器接收效率的差异,放大器增益的差异,放大器非线性等。

  对于同位素质量分馏效应、多接收器效率差异、放大器增益差异的校正,目前有比较充分的研究。质量分馏效应通常应用同位素标准物质校正技术,或者全蒸发技术校正。对多接收器接收效率的校正使用峰跳扫描技术,或者同位素标准物质技术进行校正,也有质谱计应用新型法拉第接收器,它的接收效率为100 %,不需要校正。对于放大器增益的校正,商用质谱计都有自动校正程序,全部使用高稳定的电压源轮流扫描技术进行校正。

  对于接收器放大器非线性的校正,目前国内外普遍采用同位素系列标准物质技术进行校正,校正应用的同位素系列标准有欧共体的IRMM072 系列铀同位素标准物质,美国的NIST、NBL系列铀同位素标准物质 。本项目将系统研究放大器非线性理论,建立新的放大器非线性校正理论模型和校正实验技术。

1、理论研究

1.1、非线性校正模型的建立

  放大器系统非线性是一种在分析仪器放大器电子线路中广泛存在的现象,它表现为系统对小信号的响应畸变。假设放大器的满量程信号强度为V0 ,严格来讲,小于V0 的信号都会产生非线性效应。电子线路的非线性理论和实验研究结果表明,非线性效应服从对数规律。因此,对信号强度的非线性修正模型可以用式(1)表示:

  式中,VL 为经过非线性修正的信号强度; m 为非线性校正常数,对于正常的放大器来说, │m │远小于1 ;V NL 为未经过非线性修正测得的信号强度;V 0 为放大器的满量程信号强度。在进行同位素丰度比值测量时,通过放大器系统得到的同位素丰度比值的测量值用式(2)表示:

  式中, RNL 为未经过非线性修正测得的同位素丰度比值;V 1 为测得的同位素1 离子流的信号强度;V 2 为测得的同位素2 离子流的信号强度。由式(1)和式(2) 得到,经过放大器非线性修正后的同位素丰度比值RL ,示于式(3) :

  式(7) 是最终建立的放大器非线性校正理论模型。根据模型可以得出,只要测量一种同位素丰度比值R 远远偏离1 的同位素标准物质,将标称值RL 及其测量值RNL 代入式(7) ,就可以得到非线性校正常数m ,进而计算出任意丰度比值或任意离子流信号强度下的非线性校正因子,来校正放大器的非线性。与目前国内外普遍采用的系列同位素标准物质校正放大器非线性的技术相比,从测量一系列同位素标准物质到测量一种标准物质,显然能够简化校正过程,减小校正的不确定度。

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4、结论

  热电离质谱计法拉第杯接收器放大器的非线性校正因子可以与比值或离子流信号强度建立对数线性关系,在同位素丰度比值一定的情况下,非线性校正因子不随离子流信号强度的变化而变化。在实验上,可以只用一种铀同位素标准物质UTB2500 ,采用单杯峰跳扫描质谱测量技术实现放大器的非线性校正。

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