CN101398406B - 便携式质谱计 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气体分析领域，特别是一种便携式质谱计，包括真空泵、进样系统、质谱分析系统、电源单元和数据采集处理单元，所述质谱分析系统的进气口与所述采样系统相连，进气系统将采样气体引入所述质谱分析系统，所述质谱分析系统将获得的电信号输入到所述数据采集处理单元，所述电源单元向所述质谱分析系统提供工作电压。本发明通过真空泵维持质谱分析系统中的高真空度，将野外的井、泉逸出气和断层气连续流过气路，使氦和氢气连续不断渗入进样系统，使进样系统内的氦和氢气含量的变化引起质谱分析系统输出电压的变化。与传统的利用气相色谱方法的设备相比较，具有精简便携、灵敏度和精密度高、稳定性和线性度好、测试范围宽等优点。

Description

便携式质谱计
技术领域
本发明涉及一种气体分析领域，特别是一种便携式质谱计。
背景技术
氦在地壳中的含量极少，在整个宇宙中按质量计占23％，在空气中的含量为0.0005％，氦(He)有两种天然同位素，分别是氦3(3He)、氦4(4He)，其中自然界中存在的氦基本上全是4He，一般所称He的浓度就是4He的浓度。He主要有三种来源：地幔中原始氦，地壳中放射性成因氦，以及大气中的氦。由于放射性矿产蓄积了放射性元素，经α衰变后会产生4He；以及断层破坏土壤形成高渗漏带和油气水边界垂向运移，所以可以通过测量He来监测地质灾害和探测隐覆的矿产。
现有的测氦仪主要采用质谱分析的手段，由真空泵、质谱分析系统、电源等几部分构成，为了提高分辨率，通常采用增大轨道半径的方式，也就必然导致了测氦仪体积增大，此外，现有测氦仪采用了多级真空泵对测氦仪抽真空，也使得测氦仪的整体更加庞大。
发明内容
本发明克服了上述缺点，提供了一种结构小巧、使用方便、实用性强的便携式质谱计。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种便携式质谱计，包括真空泵、进样系统、质谱分析系统、电源单元和数据采集处理单元，所述质谱分析系统的进气口与所述进样系统相连，所述进样系统将采样气体引入所述质谱分析系统，所述质谱分析系统将获得的电信号输入到所述数据采集处理单元，所述电源单元向所述质谱分析系统提供工作电压。
所述进样系统可采用四个真空阀门，其中的三个与一个针筒状注入口串联，串联后的两端中的任一端与采样气体联通，所述三个真空阀门中的一个为针阀，所述针筒状注入口和针阀位于串联的另两个阀门之间，第四个真空阀门连接在所述质谱分析系统和所述针阀之间。
所述真空泵可为钛离子泵，所述钛离子泵的出气口可通过高压真空夹剪密封。
所述电源单元可包括DC/DC电源和电源控制模块，通过所述电源控制模块控制所述DC/DC电源向所述质谱分析系统供电输出电压。
所述质谱分析系统可离子光学系统的磁式质谱分析系统。
所述数据采集处理单元可包括信号放大模块、数据分析模块和存储/显示模块，通过放大模块将质谱分析系统输出的电量信号放大后由数据分析模块和标准气体的值进行比较，最后在存储/显示模块中实现存储或/和显示。
所述质谱分析系统中离子流的磁偏转角可为129°～131°，入射角可为55°～57°。
本发明将从野外的井、泉逸出气和断层气连续流过气路，使氦和氢气连续不断渗入进样系统，使进样系统内的氦和氢等气体含量的变化引起质谱分析系统输出电压的变化。与传统的利用气相色谱方法的设备相比较，具有精简便携、灵敏度和精密度高、稳定性和线性度好、测试范围宽、抗干扰性强、信息量大、能连续测定、电量化输出等优点，实现了气相色谱法和质谱法无法实现的功能。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2为本发明中进样系统的结构示意图；
图3为本发明中质谱分析系统的结构示意图；
图4为本发明中质谱分析系统的工作原理图。
具体实施方式
如图1中所示，本发明主要由钛离子泵、进样系统、质谱分析系统、电源、电源控制单元和数据采集处理单元构成。
所述钛离子泵的出气口通过一个高压真空夹剪密封，进气口与所述质谱分析系统内的空间连通，所述质谱分析系统的样品注入口与进样系统连接，本发明在携带至野外之前，首先通过外接真空系统与所述钛离子泵构成的多级真空系统对进样系统和质谱分析系统抽真空，在所述质谱分析系统中达到真空值要求后，通过所述高压真空夹剪将所述钛离子泵的进气口密封，再通过所述钛离子泵的继续运转使得所述质谱分析系统始终保持所需的真空度。这样省去了多个真空泵的重量和体积，在将所述测氦仪带出野外实地测量使用时，也更加轻便和便携。
所述进样系统如图2中所示，由四个真空阀门A、B、C、D构成，将被测样品与环境空气分隔开，保证测量的准确性。其中的三个真空阀门、即阀门A、B、C与针筒状注入口I串联，两端中任一端与采样气体的进样口联通，其中，所述针筒状注入口I位于串联的阀门B、C之间，也与采样气体的进样口联通，所述阀门B为针阀或带有针阀的开关，用于对进样气体限流，第四个真空阀门D连接在所述质谱分析系统的样品注入口和针筒状注入I之间。采样气体可以通过阀门A或阀门B或针筒状注入口I的多种方式，注入到所述各阀门间的空腔，再通过所述阀门B的开启注入到所述质谱分析系统中。所述进样系统采用尽可能少的真空阀门个数，达到最佳的密封隔离效果，也达到减轻重量的目的。
所述质谱分析系统为磁式质谱分析系统，如图3中所示，质谱分析系统的内部是超高真空，所述钛离子泵7从所述质谱分析系统的电离室2处连接，使所述质谱分析系统内保持真空度，从所述进样系统送出的气体样品从样品注入口1注入后，经管道进入电离室2，电离室2中的灯丝加热后形成电子云，这些电子束通过电离，与样品气体碰撞，气体分子被电离，形成带电的离子，在加速电压的作用下以一定速度进入偏转管并产生偏转，在偏转管4中沿轨迹T偏转飞行，最后进入法拉第筒5中，最后通过引出电极6将法拉第筒5收集到的被电离的氦粒子数量转化为电量信号输出到所述数据采集处理单元。所述质谱分析系统的质谱原理如图4中所示，当采样气体经过电离、加速后形成以一定速度运动的离子流，其中包括氢、氦、氧、氮、二氧化碳等多种气体粒子，当他们进入磁铁3产生的磁场后，会产生一定的偏转，不同的带电离子会沿不同的半径运动，其运动半径与粒子的质量成正比，质量越大的粒子运动半径越大，粒子离开磁场时将沿不同的方向运动，最后落在接收板的不同的位置，形成按照质量分散开的离子流的谱。这样通过调整电离加速室2中加速电压的高低，可以改变粒子束的速度，从而改变粒子的偏转半径，将各项参数调整到适当的值时，能使所有的氦粒子进入法拉第筒5中，而其它的气体粒子不能进入。其中所述电离后的离子流的入射和出射角为56°，即入射方向与所述磁场的垂线方向之间夹角为56°，也即图中所示的所述入射方向的垂线与磁场方向之间的夹角α为56°，而离子流的磁偏转角，即入射方向的垂线与接收板(即法拉第筒)之间的夹角β为130°，从而达到接收带点粒子的最佳分辨本领，采用本发明中的所述离子光学质谱计，在不增大离子流飞行轨道半径、也即不增大质谱计的体积前提下，保证了质谱检测的灵敏度和分辨本领。所述磁铁3采用永久磁铁，形成稳定的磁场。
所述数据采集处理单元包括信号放大模块、数据分析模块和存储/显示模块，所述数据分析模块可以采用单片机、MCU、CPU等微处理器，对采集到的数据进行处理，通过放大模块将电量信号放大后由数据分析模块和标准气体的值进行比较，就可以计算出气体中的氦含量，最后在显示屏上显示，或存储在存储设备中，以便上传并进一步处理。
所述电源采用DC/DC电源，由一个电源控制模块输出的电压值，所述电源控制模块可与所述数据分析模块采用同一微处理器实现控制。由于电源采用DC/DC电源，输出为100V～1200V，通过所述电源控制模块控制输出350V～400V和800V～900V进行扫描，绘制出氦和氢等多种气体的质谱图。与现有的交流电源相比，省去了变压器、整流器等设备，使测氦仪的整体体积和重量进一步减少，满足便携的需要。
便携测氦仪在地震预报方面更具有实用价值，能够广泛应用于地震、火山、滑坡等地质灾害的监测，活动断层、油气藏、放射性矿产的探测，管线渗漏探测与气体中氦含量测定，资源、环境、军工、大气与海洋有关的科研院所和教学机构实验分析使用。
以上对本发明所提供的便携式质谱计进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种便携式质谱计，其特征在于：包括真空泵、进样系统、质谱分析系统、电源单元和数据采集处理单元，所述质谱分析系统的进气口与所述进样系统相连，所述进样系统将采样气体引入所述质谱分析系统，所述质谱分析系统将获得的电信号输入到所述数据采集处理单元，所述电源单元向所述质谱分析系统提供工作电压，所述进样系统采用四个真空阀门，其中的三个与一个针筒状注入口串联，串联后的两端中的任一端与采样气体联通，所述三个真空阀门中的一个为针阀，所述针筒状注入口和针阀位于串联的另两个阀门之间，第四个真空阀门连接在所述质谱分析系统和所述针阀之间，所述真空泵为钛离子泵。
2.根据权利要求1所述的便携式质谱计，其特征在于：所述真空泵的出气口通过高压真空夹剪密封。
3.根据权利要求1所述的便携式质谱计，其特征在于：所述电源单元包括DC/DC电源和电源控制模块，通过所述电源控制模块控制所述DC/DC电源向所述质谱分析系统供电输出电压。
4.根据权利要求1所述的便携式质谱计，其特征在于：所述质谱分析系统采用离子光学系统的磁式质谱分析系统。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的便携式质谱计，其特征在于：所述数据采集处理单元包括信号放大模块、数据分析模块和存储/显示模块，通过放大模块将质谱分析系统输出的电量信号放大后由数据分析模块和标准气体的值进行比较，最后在存储/显示模块中实现存储或/和显示。
6.根据权利要求5所述的便携式质谱计，其特征在于：所述质谱分析系统中离子流的磁偏转角为129°～131°。
7.根据权利要求5所述的便携式质谱计，其特征在于：所述质谱分析系统中离子流的入射角为55°～57°。
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