[发明专利]一种用于热表面电离质谱的灯丝碳化装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于热表面电离质谱灯丝碳化装置及方法，该装置包括：反应腔室、真空单元、气源、温度测量单元、真空测量单元、灯丝供电单元和圆形挡板，本发明所提供的碳化装置采用了气流分布均匀性设计，在灯丝支架的一端设置圆形挡板，另一端设置气氛入口，利用微漏阀精确控制进气压力，在保证气流均匀性和稳定性的同时，进一步降低了反应气体的消耗量，降低了应用于碳化的碳氢类有毒有害气体的排放；还采用了温度精确控制灯丝碳化反应的设计，保证了不同批次灯丝渗碳效果的均匀性，进一步提升了碳化工艺的可重复性，为超痕量锕系同位素的高精度质谱分析提供了可能。

技术领域

本发明属于无机同位素分析、放射化学领域，尤其涉及一种用于热表面电离质谱的灯丝碳化装置及方法。

背景技术

热表面电离质谱因本底干扰较少，质量分馏效应相对于其他同位素比值测量方法较低，测量精度和准确度较高等诸多优点，被国际公认为是测量锕系核素的“金标准”，但由于锕系核素普遍具有较高的电离电位，热表面电离质谱对锕系核素样品的测量效率极低，从而严重的限制了热表面电离质谱在环境分析、核保障擦拭分析、核取证等具备超痕量量级锕系核素样品(纳克到皮克甚至亚皮克量级)的场景方面的应用。

碳发射剂是热表面电离质谱中最常用的增强发射剂，在质谱测量过程中，灯丝通常处于1000K以上的高温状态，碳发射剂通过碳热还原反应将锕系核素样品由易蒸发损失的氧化物形态转化为难挥发的碳化物形态，从而保证样品能维持到高温状态而不损失；同时，碳发射剂也会与灯丝反应形成碳化物或者固溶体，间接提升灯丝的表面功函数，从而达到提升锕系核素测量效率的目的，质谱测量过程中碳发射剂的总量和碳原子的形态是影响碳化效果和效率增强效果的关键因素，二者的高度可重复性是实现高精度同位素测量的关键。

传统碳发射剂主要通过操作人员人工将饱和蔗糖水、胶体石墨、碳纳米材料或者树脂珠等含碳介质以溶液的形式涂敷在热表面电离质谱的灯丝上，受操作人员技术水平的影响极大，可控性差，不具备高度可重复性的可能；并且溶液形式的碳发射剂极易引入本底，严重影响同位素测量的精确度。因此，目前世界顶尖锕系同位素分析实验室普遍采用气固反应的方法加载碳发射剂，利用灯丝与含碳气氛的高温反应直接对灯丝进行渗碳，该方法能够有效避免人工操作误差，并能通过气氛、压力、灯丝加热电流等工艺条件的调节实现对碳总量和碳原子形态的有效调控，是实现灯丝的高度可重复性碳化最有发展潜力的技术。但目前并无针对热表面电离质谱的商业化市售灯丝碳化装置，世界范围内的公开文献报道中仅有四个实验室具有该项技术，并且因灯丝专用支架和对工艺条件的精确控制要求所限，市售碳化装置也无法通用于此，而根据公开文献报道，现有技术中利用气固反应方法进行灯丝碳化的装置尚存在以下问题：

(1)未考虑反应腔室内气氛分布均匀性对碳化效果的影响，现有碳化装置普遍采用动态气氛，整个碳化反应过程中同时进行着碳化气氛的引入和抽出，必然会在靠近真空泵的抽气口一侧和靠近气源的进气口一侧形成气压差异，这种差异对于渗碳总量的影响较大。若无气流均匀性设计，以容纳一排共4根灯丝的反应腔室为例，在同样的条件下进行碳化，近气源端和近抽气口的碳化灯丝，对于100pg铀的测量效率差距可达约30％-40％，而若灯丝支架搭载的灯丝更多，反应腔室更大，这种差距将更大。

(2)现有装置主要通过控制加载在灯丝上的电流来控制碳化效果，但我们在实验中发现决定碳化效果的关键因素是灯丝温度，灯丝温度取决于灯丝电阻和灯丝电流，而不同规格和批次的灯丝在电阻上是存在差异的。以目前主流使用的精炼灯丝和非精炼灯丝为例，两种灯丝在达到最佳碳化温度时的灯丝加载电流相差约300mA。表1列出了控制电流和控制温度两种方式下，两种规格灯丝对100pg铀的测量效率，可以看到控制电流的方式能达到更高的可重复性。

表1不同控制方式下的铀测量效率