氦同位素組成惰性氣體質(zhì)譜測(cè)定方法

  氦為元素周期表中的零族元素，因其化學(xué)性質(zhì)不活潑，不參與各種化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，因此它們的同位素組成的變化幾乎不受復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程影響。已有研究表明，氦在地球大氣圈、地殼、上地幔和下地幔各圈層具有不同的同位素比值，變化范圍可達(dá)3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，氦同位素作為地質(zhì)過(guò)程和物質(zhì)來(lái)源的天然示蹤劑倍受重視。
  在地球演化中，利用氦同位素比值的不同來(lái)研究地幔的演化和結(jié)構(gòu)特征；在地震預(yù)報(bào)中，根據(jù)地震帶氦同位素的的背景值突然遠(yuǎn)離大氣值的現(xiàn)象來(lái)進(jìn)行地震的預(yù)測(cè)；在天然氣勘探和成因研究中，根據(jù)天然氣中氦同位素比值的分布規(guī)律，可以對(duì)尋找天然氣藏起到很好的指示作用。
  我國(guó)對(duì)氦同位素組成的研究主要是受限于分析設(shè)備，近幾年伴隨著一批高、精、尖的儀器引進(jìn)，氦同位素分析技術(shù)展已在分析的準(zhǔn)確度和精確度方面都取得了很大的進(jìn)發(fā)展。美國(guó)熱電公司生產(chǎn)的HeLixSFT型惰性氣體質(zhì)譜儀，用于開展樣品中氦同位素組成及其它惰性氣體同位素組成的分析測(cè)試及研究工作。
  HeLixSFT是一種新型的、采用分叉分離飛行管道設(shè)計(jì)的惰性氣體質(zhì)譜儀，這種設(shè)計(jì)使得儀器對(duì)測(cè)量氦同位素組成有極高的分辨率、精確度與準(zhǔn)確度。儀器主要是由樣品制備系統(tǒng)、純化系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)組成。 樣品制備系統(tǒng)主要包括①雙真空加熱爐，外部真空由金屬擴(kuò)散泵獲得，內(nèi)部真空由渦輪分子泵獲得；②激光熔樣裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)微區(qū)熔樣提取氣體。兩者均可實(shí)現(xiàn)階段升溫加熱，最高溫度可達(dá)1800℃，滿足各類地質(zhì)樣品的分析要求。
 樣品純化系統(tǒng)為雙路純化系統(tǒng)，其超高真空由分子泵機(jī)組和離子泵實(shí)現(xiàn)，極限真空可達(dá)10－8Pa。樣品由四個(gè)鋯鋁泵，一個(gè)活性炭冷阱進(jìn)行多級(jí)純化，鋯鋁泵在400℃可以除去大N2、O2、CO、CO2和碳?xì)浠衔锏葰怏w，常溫下可以吸附Ｈ２，因此，通常是兩個(gè)鋯鋁泵在常溫下工作，而另外兩個(gè)鋯鋁泵則是在400℃下工作，保證了所測(cè)氣體能夠被充分純化?；钚蕴坷溱鍎t主要是為了分離不同的惰性氣體，當(dāng)在活性炭冷阱上冷卻至液氮溫度時(shí)，可吸附Ar、Kr、Xe，此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)只剩下He、Ｎｅ，由于兩者質(zhì)荷比相差較大，互不干擾測(cè)定，所以此時(shí)兩者可進(jìn)入質(zhì)譜進(jìn)行氦同位素的測(cè)量。為了方便空氣標(biāo)準(zhǔn)氣體和氣體樣品中的氦同位素組成，純化系統(tǒng)帶有容量為１μＬ小體積，由４組電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)此體積的控制。
  樣品的測(cè)試系統(tǒng)為主機(jī)部分，主機(jī)的真空由分子泵機(jī)組和離子泵來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用在３５０℃對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行４８ｈ的分子泵去氣后，然后對(duì)系統(tǒng)在３５０℃下進(jìn)行４８ｈ的離子泵去氣，系統(tǒng)的真空度優(yōu)于１０－８Ｐａ。離子源采用Ｎｉｅｒ離子源，可最大化地對(duì)氣體分子進(jìn)行離子化，這樣就使得儀器有極高的靈敏度，其靈敏度對(duì)于Ｈｅ在８００μＡ阱電流時(shí)好于２×１０－４ａｍｐｓ／Ｔｏｒｒ，對(duì)于Ａｒ在２００μＡ阱電流時(shí)好于１×１０－３ａｍｐｓ／Ｔｏｒｒ。
  因?yàn)橐话銟悠分泻ず繕O低，所以分析系統(tǒng)內(nèi)部極微的放氣率或者漏氣率就會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成很大的影響。HeLixSFT在這方面有著很大的優(yōu)勢(shì)。首先，在離子源附近設(shè)計(jì)了鋯鋁泵，進(jìn)一步除去經(jīng)純化系統(tǒng)后極微量的Ｈ２，避免Ｈ２對(duì)Ｈｅ同位素的測(cè)量產(chǎn)生的干擾；其次，僅有７００ｃｍ３的飛行管道體積以及管道內(nèi)表面特殊的拋光處理，使儀器在靜態(tài)真空條件下，用倍增器測(cè)量４０Ａｒ本底值，其靜態(tài)氣體上升率小于１×１０－１２ｃｃＳＴＰ／ｍｉｎ，通過(guò)對(duì)３６Ａｒ測(cè)定，其背景值小于５×１０－１４ｃｃＳＴＰ，保證了氦同位素測(cè)量具有極高的準(zhǔn)確度。 質(zhì)譜主機(jī)的磁場(chǎng)半徑為３５ｃｍ，偏轉(zhuǎn)角度為１２０°，法拉第杯的分辨率＞４００，離子計(jì)數(shù)器分辨率＞７００，獨(dú)特的分離管道設(shè)計(jì)，不僅保證了儀器能夠?qū)ⅲ常龋搴停矗龋宸珠_，而且可將ＨＤ＋Ｈ３峰與３Ｈｅ峰完全分開，這些特點(diǎn)既保證了儀器有很高的分辨率，又避免氣體之間相互干擾。