研究采用ELITE SXP-50型低分辨率四極質(zhì)譜計(QMS)在不制備HD標樣的條件下精確測量并計算混合氣體中的氕氘分壓比C_H/C_D的方法。標定結(jié)果表明:QMS對H₂及D₂的響應(yīng)與氕、氘氣體壓力呈良好線性,且有直線斜率K(H₂)= 2K(D₂)的關(guān)系,并據(jù)此推斷K(HD)=1.5K(D₂)。對已知氕氘摩爾比為1.01～4.02的混合氣體試樣進行了測定,計算得到混合氣體中的C_H/C_D比與給定值間的相對偏差小于4.0%。用C_D/ C_H=1.05的標準混合氣體進行了方法驗證,4次測定的C_D/C_H平均值為1.07,與標準值的相對偏差為1.9%。驗證實驗證實:所推斷出的K(HD)=1.5K(D₂) 關(guān)系是可靠的,利用此型號四極質(zhì)譜計可較精確地測定氕、氘混合氣體中的氕氘比C_H/C_D 。

　　氫同位素化合物在生成和分解過程中的同位素效應(yīng)影響制備出的氫同位素核靶的同位素組成,從而影響核靶性能。故在研究制靶用儲氫(同位素) 鈾床和氫(同位素) 化物靶膜生成過程的同位素效應(yīng)時,必須定量分析氫同位素混合氣體中的氕、氘含量。采用氣相色譜法可測定氕氘含量,但色譜柱須在液氮溫度下工作,且測量結(jié)果對色譜柱工作溫度極為敏感,溫度的微小波動將引起測量結(jié)果的較大變化。氕氘含量也可用高分辨率質(zhì)譜儀測量,質(zhì)譜儀雖能將D和H₂相區(qū)分,但因H₂+ D₂=2HD 反應(yīng)達到平衡需要很長時間,而用燒紅的鎢絲催化加速平衡既不方便且費時,因此,HD的標定問題仍難以解決。為此,本工作研究采用分辨率較低的SXP-50型四極質(zhì)譜計在不制備HD 標樣條件下較精確測定混合氣體中的氕氘比C_H/C_D的方法。

1、實驗部分

1.1、實驗原理

　　氕氘混合氣體中存在H₂+D₂=2HD同位素交換反應(yīng),這一反應(yīng)達到平衡的時間很長,而H₂ 和D₂離解為H原子和D 原子的比例又極小,因此,在用四極質(zhì)譜計(QMS) 測量氕氘混合氣體時,在譜圖上通常只出現(xiàn)質(zhì)量數(shù)為2 (對應(yīng)H₂) 、3(對應(yīng)HD) 和4 (對應(yīng)D₂) 的譜峰。在多質(zhì)量數(shù)下,QMS 測得的峰高與相應(yīng)組分的分壓呈正比關(guān)系,即

　　式中: hi 、pi 分別為第i 種組分的峰高(A) 和分壓(kPa) ; Ki 為QMS 對第i 種組分的靈敏度。用純H₂ 和純D₂ 氣分別在QMS 上測取各自的標定曲線, 求出直線斜率K ( H₂ ) 和K(D₂) ,并由K(H₂) 和K(D₂) 導出K(HD) ,然后,利用式(1) 計算出H₂ 、D₂ 和HD 的分壓強p (H₂) 、p (D₂) 、p (HD) ,再由下式計算H₂ 的相對含量:

　　同理,可計算得到HD 和D₂ 的相對含量CHD和CD₂ 。氘的相對含量則為:

　　氕的相對含量CH = 1 - CD 。這樣,可最終計算出注入QMS樣品室內(nèi)的氕氘混合氣體中H和D的含量比CH/CD 。

1.2、實驗裝置

　　實驗裝置由超高真空金屬系統(tǒng)和1 臺EL ITE SXP-50 型四極質(zhì)譜計構(gòu)成(圖1) 。氣體樣品通過分子滲漏閥引入QMS 樣品室。將系統(tǒng)抽真空(約3 ×10^-5Pa) 后,加熱氕化鈾床,釋放一定量氕氣,開啟滲漏閥,讓微量氕氣進入質(zhì)譜計分析室,調(diào)節(jié)滲漏閥,使QMS處于工作真空度5 ×10^-4Pa 下,并保持分析室內(nèi)真空度和測量峰高穩(wěn)定,此時,固定滲漏閥手柄位置,并在整個實驗過程中保持閥門手柄位置固定不變。對于不同的滲漏速率,需分別標定QMS 的靈敏度。

圖1 　實驗裝置

2、實驗結(jié)果

2.1、QMS對氕氣和氘氣的測量靈敏度

　　將系統(tǒng)抽高真空后,加熱氕化鈾床,釋放35 kPa氕氣,因H₂=2H 反應(yīng)生成H 的量較少,在譜圖上只出現(xiàn)H₂ 的譜峰。測量過程中,氕壓依次減少1kPa ,直至3kPa 時止。回收氕氣并重復(fù)測量一次。繪制的H₂ 峰高與H₂ 壓力間的關(guān)系曲線示于圖2 。

圖2 　氕氣的標定曲線　　圖3 　氘氣的標定曲線

　　由圖2 可見: H₂ 峰高與H₂ 壓力間呈現(xiàn)良好線性關(guān)系,QMS 對H₂ 的標定曲線的斜率K(H₂) = 0.087pA·Pa ^{- 1} ; 對氕的2次標定結(jié)果基本重合,它們之間的差異是由2 次測量并非在同一真空度下進行而使分析室的H₂ 本底不同所造成的。同樣,可對氘氣進行標定,繪制出D₂ 峰高與D₂ 氣壓間的關(guān)系曲線(圖3) 。

　　由圖3 可見:D₂ 峰高與D₂ 壓力間呈現(xiàn)良好線性關(guān)系,QMS 對D₂ 的標定曲線的斜率K(D₂) = 0.043 pA·Pa ^{- 1} ,4 次標定結(jié)果基本重合。