[发明专利]痕量气体同位素富集系统和方法

说明书

本发明采用强流ECR(Electron Cyclotron Resonance)离子源技术，通过高效离化产生约10mA的Ar⁺离子束流，结合有效的离子分离系统来实现氩同位素的分离，富集速度较使用传统离子源技术的方案提高3个量级。使用了烘烤、气体循环及提纯设计，提高了实验结果的精度及最终的富集率。本发明最终能够将³⁹Ar同位素丰度从原始的10^‑16量级提高两个量级，结合同位素定年的技术，有望填补50～1500年区间精确定年的国际空白。本发明也能用于其它类似的同位素富集，只需根据待富集同位素的不同，对离子分离系统的运行参数进行调节即可。

技术领域

本发明属于分离纯化技术领域，具体涉及一种痕量气体同位素富集系统和方法。

背景技术

对于一些极痕量气体同位素，由于丰度太低，往往需要提高其丰度后才能用于下一步工作。而且，有些分析样品数量有限，需要充分富集才能得到分析仪器灵敏度的下限值。以³⁹Ar同位素为例，国际上普遍认为³⁹Ar是50～1500年龄区间同位素定年的最理想工具，但³⁹Ar在自然界中的丰度仅为10^-16量级，即使对于目前最灵敏的分析仪器(原子阱--可以数出原子数目)，10^-16量级的丰度也远远低于分析仪器灵敏度下限(测量时间的限制)，因此，受限于现有设备的灵敏度及工作效率，需要将³⁹Ar的丰度提高1～2个数量级才可能将³⁹Ar作为用于定年的有效工具。采用离子源结合质谱仪技术开展同位素分离或富集的研究早在上世纪就已经在国外实验室开始，但是这些传统的同位素质谱分离或富集方法采用的离子源束流强度一般在μA量级，而且对于像³⁹Ar这样丰度极低的同位素，传统的富集系统很难达到所需的收集量。例如国外实验室对Kr同位素富集，流强约0.5μA，富集目标同位素为⁸¹kr(自然界丰度5×10^-13)和⁸⁵kr(自然界丰度2×10^-11)。但对于10^-16丰度的³⁹Ar，欲使收集到的³⁹Ar的原子数达到10⁴量级，这种μA量级的离子束流强是很难完成的。

发明内容

为了解决现有技术中无法对丰度极低的痕量同位素进行有效富集的问题，本发明提出了一种痕量气体同位素富集系统和方法，可以将痕量同位素的丰度提高2个量级，并且富集速度也显著提高。

为达上述目的，一方面，本发明提供了一种痕量气体同位素富集系统，包括：离子源装置、离子分离装置、同位素收集装置和气体循环及纯化装置，其中所述离子源装置用于产生离子束流，所述离子分离装置用于产生磁场以使离子束流中不同离子按荷质比差异进行分离，所述同位素收集装置用于收集目标离子，所述气体循环及纯化装置用于将通过所述同位素收集装置未被收集的气体输送至所述离子源装置的气体工作通道中。

优选地，所述离子源装置包括离子源、法拉第筒及束流诊断室，优选地，所述离子源为强流ECR离子源，用于产生mA级的离子束流。

优选地，所述分离装置包括通过真空管道依次连接的第一四极磁铁、双向校正铁、二极铁和第二四极磁铁。

优选地，所述气体循环及纯化装置包括多个分子泵、多个NEG泵和循环管道，其中所述分子泵用于系统抽取真空及气体循环，所述NEG泵用于去除活性气体，对气体进行提纯。

优选地，在所述气体循环及纯化装置中，第一分子泵和第一NEG泵均与所述离子源装置中的束流诊断室相连接，第二NEG泵位于所述离子分离装置中二极铁后的真空管道上，第二分子泵与所述同位素收集装置相连接，所述第一分子泵和所述第二分子泵通过循环管道与第三NEG泵及第三分子泵依次连接，所述第三分子泵通过循环管道与所述离子源装置的气体工作通道相连。