[发明专利]一种利用常规四级质谱仪准确测量氢、氘、氦分压的方法

说明书

本发明提出一种利用常规四级质谱仪准确测量氢、氘、氦分压的方法，通过选择低(15.4‑24.5eV之间)和高(25.3eV)两种电离能，根据氢气、氘气和氦气三种气体的分子及原子电离阈值不同的特性，区分Hsubgt;2/subgt;supgt;+/supgt;及Dsupgt;+/supgt;对质量数(AMU)2的离子流的贡献，以及Dsubgt;2/subgt;supgt;+/supgt;和Hesupgt;+/supgt;对AMU4的离子流的贡献。在纯氢气、纯氘气和纯氦气的宽范围真空环境下进行四级质谱仪的标定，获得在选定的两种电离能下各种气体压强与AMU2和AMU4的离子流的对应关系。在后续四级质谱仪测量中，同时扫描选定的两种电离能条件下的AMU2和AMU4的离子流，通过分析计算，获得氢气、氘气和氦气的准确分压。

技术领域

本发明专利涉及真空测量领域，具体是利用常规的低分辨率四级质谱仪，通过对氢气、氘气和氦气在选定的两个电离能条件下的标定、测量以及数据处理分析，实现对氢气、氘气和氦气分压准确测量的方法。

背景技术

在核聚变研究装置上，通常会使用氘气和氦气作为实验气体，而氢气是真空室内常规的参与气体，为了装置检漏、杂质清除等目的，需要准确测量氢气、氘气和氦气的气体压强。但是由于氘气(D₂，质量数4.028)与氦气(He，质量数4.003)的质量数非常接近，而氢气(H₂，质量数2.016)与氘原子(D，质量数2.014)的质量数也很接近，常规的四级质谱仪由于分辨率不够，无法直接分辨D₂⁺和He⁺、以及H₂⁺与D⁺，因此无法准确测量氢气、氘气和氦气的准确分压。

目前对氘气和氦气的质谱分辨主要是利用高分辨率质谱仪来实现，包括体积庞大的高分辨率四级质谱仪，以及离子回旋质谱仪等，这些高分辨率质谱仪通常价格昂贵、体积庞大，难以得到广泛应用。另一种区分氘与氦的方式是利用光谱技术，根据氘和氦电离时发射光谱的波长不同的原理，结合实验定量标定，间接实现对氘气和氦气的分辨，但是这种方法不能区分纯氘气与氘的化合物，测量结果不够准确，其应用也受到了限制。

目前使用常规的四级质谱仪区分氘气和氦气主要有两种方法。第一是根据氘气和氦气的分子的电离阈值不同的特点，选择两个电离能，其中较低的电离能仅能电离氘气，较高的电离能则能够电离氘气和氦气，通过实验标定和分析计算，可以实现对氘气和氦气的质谱分辨。第二种方法是选择两个均高于氘气和氦气的电离阈值的电离能，根据氘气和氦气在不同电离能条件下电离截面不同的特点，通过在这两个电离能条件下进行实验标定和分析计算，可以实现对氘气和氦气的质谱分辨。这两种方法都可以实现对氘气和氦气的分压测量，但是无法在含有氘气的真空环境中排除氘对氢气测量的干扰，无法准确测量氢气的分压。

发明内容

为了解决当前氢气、氘气与氦气分压准确测量的成本高、设备体积大、测量不准确等不足，本发明提供了一种利用常规四级质谱仪准确测量氢、氘、氦分压的方法，考虑到常规的四级质谱仪由于分辨率无法准确测量氢气、氘气和氦气，但是通常都具备电离能调节的功能，另外，虽然氘分子与氦分子、以及氢分子与氘原子的质量数很接近，但是这些分子和原子的电离阈值不同，具体如下：H₂⁺15.4eV，D₂⁺15.4eV，He⁺24.5eV，D⁺25.3eV。本发明是根据电离阈值不同的特点，通过选择不同的电离能进行标定和数据分析，可以实现对氢气、氘气和氦气分压的准确测量，为核聚变研究装置及其他真空相关的气体分压测量提供一种方便的、低成本的测量方法。因此利用改变电离能并结合实验标定和数据分析，在常规的低分辨率四级质谱仪上实现对氢气、氘气和氦气的质谱分辨，具有成本低廉、应用广泛的优点，该方法能够方便地以低成本实现对氢气、氘气和氦气气压的准确测量。