CN108226270A - 一种月球样品稀有气体收集和成分分析装置及方法 - Google Patents

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王琎
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Abstract

本发明提出了一种月球样品稀有气体收集和成分分析的装置及方法，满足探月工程地面应用系统月球样品稀有气体收集和气体成分分析的需求，并且所述装置结构简单、操作便捷。本发明的月球样品稀有气体收集和成分分析装置，将月球样品密封室固定在真空容器中，通过月球样品密封室使得月球样品尽可能少受地球上生命活动、水、氧化等因素的影响，保持样品的原始状态；直接在真空样品室中通过盖体解封机构实现月球样品密封室的解封，利用真空容器对月球样品稀有气体进行收集和分析，满足探月工程地面应用系统月球样品稀有气体收集和气体成分分析的需求。

Description

一种月球样品稀有气体收集和成分分析装置及方法
技术领域
本发明涉及真空技术领域，具体是涉及一种月球样品稀有气体收集和分析的装置及方法。
背景技术
研究月球样品及月球样品释放的稀有气体，不仅是获取月球表面形成和演化历史、近地空间小行星撞击历史等的重要内容，更是解译几十亿年以来太阳风演化的唯一可行途径。迄今为止，只有美国和前苏联成功地完成了月球采样返回的任务。美国在Apollo(阿波罗)计划中研制了一种圆柱形的样品封装容器，在月球表面实现了月球样品释放稀有气体的收集，返回地面后，利用质谱分析系统对收集的月球样品稀有气体进行了气体成分分析，成为目前世界上唯一进行了月球样品稀有气体研究工作的国家。但目前在保证月球样品尽可能少受地球上生命活动、水、氧化等因素的影响，保持样品的原始状态下，实现月球样品密封室解封、月球样品释放的稀有气体的收集和气体成分分析的装置和方法还有待完善。
目前，我国探月工程三期正在顺利进行，月球样品的无人采样与返回也指日可待。如何从月球样品中提取更多的科学信息是当前地学界科学家非常关注的问题。月球样品稀有气体的研究工作是进行月球样品研究的第一步。在结合我国探月工程实际情况的条件下，如何实现月球样品稀有气体收集和气体成分分析，是探月工程地面应用系统重点关注的问题之一，也是目前亟待解决的工程问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了本发明提出了一种月球样品稀有气体收集和成分分析的装置及方法，满足探月工程地面应用系统月球样品稀有气体收集和气体成分分析的需求，并且所述装置结构简单、操作便捷。
本发明的月球样品稀有气体收集和成分分析装置，包括真空容器、气体收集容器、月球样品密封室、盖体解封机构、真空阀、真空抽气组件以及质谱仪；
所述月球样品密封室包括盖体和样品容器，盖体和样品容器密封连接；
所述盖体与盖体解封机构匹配连接；
所述气体收集容器通过真空阀与所述真空容器相连；
所述月球样品密封室放在真空容器中，月球样品放在月球样品密封室中；
所述真空抽气组件用于对所述真空容器以及所述气体收集容器进行真空抽气；
所述质谱仪用于对所述真空容器以及所述气体收集容器内的气体成分进行分析。
其中，真空容器内部容积与月球样品密封室内部容积之比小于10:1。
较佳地，真空容器内设有用于固定月球样品密封室的固定安装槽。
进一步地，真空容器的本底压力小于或等于5×10-5Pa，所述气体收集容器的本底压力小于或等于5×10-6Pa；
其中，盖体解封机构安装在真空容器顶部。
其中，所述的真空阀的通径大于或等于40mm。
其中，所述气体收集容器通过2个串联的真空阀与真空容器相连。
采用本发明的月球样品稀有气体收集和成分分析装置的月球样品稀有气体收集和成分分析方法，对月球样品稀有气体进行收集和成分分析，包括如下步骤：
步骤1，初始时，所有真空阀处于关闭状态；
步骤2，打开真空容器的真空抽气组件，将真空容器内的压力抽至5×10-5Pa以下；
步骤3，打开气体收集容器的真空抽气组件，将气体收集容器内的压力抽至5×10- 6Pa以下；
步骤4，关闭真空容器的真空抽气组件，停止对真空容器进行抽气；
利用质谱仪对真空容器内的气体成分进行分析，此时得到的气体成分为真空容器内本底气体的气体成分；
步骤5，利用盖体解封机构将月球样品密封室盖体进行旋转及提升，使盖体与月球样品密封室分离；
步骤6，关闭气体收集容器的真空抽气组件，停止对气体收集容器的抽气；
利用质谱仪对气体收集容器内的气体成分进行分析，此时得到的气体成分为气体收集容器内本底气体的气体成分；
步骤7，打开气体收集容器与真空容器之间的真空阀，一段时间后，关闭真空阀；
步骤8，利用质谱仪对气体收集容器内的气体成分进行分析，此时得到的气体成分为气体收集容器内本底气体和真空容器扩散进入气体收集容器内的气体组成的混合气体的气体成分；
将气体收集容器内混合气体成分和气体收集容器内本底气体的成分以及真空容器内本底气体的气体成分进行对比，判断气体收集容器是否收集到月球样品释放的稀有气体，若有则完成月球样品稀有气体收集，否则重复执行步骤7-8，直至收集到月球样品释放的稀有气体。
其中，所述步骤5中，盖体与月球样品密封室分离后，利用质谱仪对真空容器内的气体成分进行分析，此时得到的气体成分为真空容器内本底气体和月球样品释放的稀有气体组成的混合气体的气体成分；
将真空容器内混合气体的气体成分减掉真空容器内本底气体的气体成分，得到月球样品释放的稀有气体的气体成分；
所述步骤8中，判断气体收集容器是否收集到月球样品释放的稀有气体时，参考得到的月球样品释放的稀有气体的气体成分，检测气体收集容器收集到的气体是否是月球样品释放的稀有气体。
有益效果：
(1)本发明的月球样品稀有气体收集和成分分析装置，将月球样品密封室固定在真空容器中，通过月球样品密封室使得月球样品尽可能少受地球上生命活动、水、氧化等因素的影响，保持样品的原始状态；直接在真空样品室中通过盖体解封机构实现月球样品密封室的解封，利用真空容器对月球样品稀有气体进行收集和分析，满足探月工程地面应用系统月球样品稀有气体收集和气体成分分析的需求。
(2)本发明的月球样品稀有气体收集和成分分析装置，结构简单、操作便捷，并且具有普适性，可以适用于其他珍稀样品释放气体的收集和气体成分分析等。
(3)本发明的月球样品稀有气体收集和成分分析方法，将月球样品密封室固定在真空容器中，通过月球样品密封室使得月球样品尽可能少受地球上生命活动、水、氧化等因素的影响，保持样品的原始状态；直接在真空样品室中通过盖体解封机构实现月球样品密封室的解封，利用真空容器对月球样品稀有气体进行收集和分析，满足探月工程地面应用系统月球样品稀有气体收集和气体成分分析的需求。
附图说明
图1为本发明所述装置的结构原理示意图。
其中，1-真空容器，2-气体收集容器，3-月球样品密封室，4-盖体解封机构，5-质谱仪A，6-质谱仪B，7-真空规A，8-真空规B，9-真空阀A，10-真空阀B，11-真空阀C，12-真空阀D，13-真空阀E，14-真空阀F，15-真空阀J，16-真空阀H，17-真空阀I，18-干泵A，19-干泵B，20-涡轮分子泵A，21-涡轮分子泵B，22-溅射离子泵。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明中月球样品稀有气体收集和成分分析装置包括：真空容器1，气体收集容器2，月球样品密封室3，盖体解封机构4，质谱仪A 5、质谱仪B 6，真空规A 7、真空规B 8，真空阀A 9、真空阀B 10、真空阀C 11、真空阀D 12、真空阀E 13、真空阀F 14、真空阀G 15、真空阀H 16、真空阀I 17，干泵A 18、干泵B 19，涡轮分子泵A 20、涡轮分子泵B 21以及溅射离子泵22。所述月球样品密封室3包括盖体和样品容器，盖体和样品容器密封连接。
本实施例中，真空容器1上设有舱门，真空容器1顶部安装有盖体解封机构4和真空规A 7，侧部安装有质谱仪A 5，在真空容器1内设有月球样品密封室3的固定安装槽，月球样品密封室3通过固定安装槽固定安装在真空容器1内，所述盖体与盖体解封机构4配合连接；涡轮分子泵A 20通过真空阀E 13与真空容器1相连；干泵18通过真空阀F 14与真空容器1相连，通过真空阀I 17与涡轮分子泵A 20相连；为实现真空容器1与气体收集容器2之间良好的隔离性，气体收集容器2通过2个串联的真空阀A 9和真空阀B 10与真空容器1相连；气体收集容器2顶部安装有质谱仪B 6和真空规B 8；涡轮分子泵B 21通过真空阀C 11与气体收集容器2相连；溅射离子泵22通过真空阀D 12与气体收集容器2相连；干泵B 19通过真空阀G15与气体收集容器2相连，通过真空阀H16与涡轮分子泵B 21相连。
真空容器1内部容积与月球样品密封室3内部容积之比小于10:1，利于气体在真空容器1中扩散，更好地实现月球样品稀有气体收集和成分分析；月球样品密封室3包括上、下两个样品室，上样品室的室内体积小于下样品室的室内体积，上、下样品室通过通道相通，上样品室的盖体与盖体解封机构4配合连接；真空阀A 9以及真空阀B 10的通径均大于或等于40mm，利于气体由真空容器(1)到气体收集容器2的快速扩散，快速、有效地实现气体的收集；质谱仪A 5和质谱仪B 6的质量数测量范围为：1amu～50amu，灵敏度优于1×10-6A/Pa，分辨极限小于1amu；真空规A 7以及真空规B 8的压力测量范围为：5×10-7～105Pa；盖体解封机构4可用于高真空环境中，且无油污染，对月球样品无影响，并且盖体解封机构4能够实现轴向连续移动或设定移动距离，移动距离不小于150mm，能够实现绕轴连续旋转或设定旋转角度，转动力矩不小于200N·m；
真空容器1的本底压力小于或等于5×10-5Pa，气体收集容器2的本底压力小于或等于5×10-6Pa；干泵A 18、干泵B 19、涡轮分子泵A 20、涡轮分子泵B 21以及溅射离子泵22均为无油真空泵，无油污染，对月球样品无影响。
采用本发明所述装置进行月球样品稀有气体收集和分析的方法，包括如下步骤：
步骤1，初始时，所有真空阀处于关闭状态；打开真空容器1舱门，将月球样品密封室3固定安装在在真空容器1内，调节盖体解封机构4，使盖体解封机构4上的解封工装与月球样品密封室3的盖体连接固定，随后封闭真空容器1舱门；
步骤2，开启干泵A 18，打开真空阀F 14，观察真空规A 7的读数，待真空规A 7的读数低于10Pa时(本实施案例中真空规A 7的读数为5Pa)，关闭真空阀F 14，打开真空阀I 17和真空阀E 13，开启涡轮分子泵20，将真空容器1内的压力抽至5×10-5Pa以下(通过观察真空规A 7的读数，真空规A 7的读数低于5×10-5Pa，本实施案例中真空规A 7的读数为3.8×10-5Pa)；
步骤3，开启干泵B 19，打开真空阀G 15，观察真空规8的读数，待真空规B 8的读数低于10Pa时(本实施案例中真空规B 8的读数为7.3Pa)，关闭真空阀G 15；打开真空阀H 16和真空阀C 11，开启涡轮分子21，观察真空规B 8的读数，待真空规B 8的读数低于5×10-5Pa时(本实施案例中真空规B 8的读数为4.6×10-5Pa)，打开真空阀D 12，开启溅射离子泵22，观察真空规B 8的读数，待真空规B 8的读数低于5×10-6Pa时(本实施案例中真空规B 8的读数为4.1×10-6Pa)，执行步骤4；
步骤4，关闭真空阀E 13，关闭涡轮分子泵20和干泵A 18，关闭真空阀I 17，停止对真空容器1进行抽气；开启真空容器1上的质谱仪A 5，对真空容器1内的气体成分进行分析，此时得到的气体成分为真空容器1内本底气体的气体成分；
步骤5，利用盖体解封机构4将月球样品密封室3盖体进行旋转及提升，使盖体与月球样品密封室3分离，同时使月球样品密封室3内的月球样品释放的稀有气体会扩散到真空容器1内；开启真空容器1上的质谱仪A 5，对真空容器1内的气体成分进行分析，此时得到的气体成分为真空容器内本底气体和月球样品释放的稀有气体组成的混合气体的气体成分；将真空容器1内混合气体的气体成分减掉真空容器1内本底气体的气体成分，就可得到月球样品释放的稀有气体的气体成分；
步骤6，关闭真空阀C 11和真空阀D 12，关闭溅射离子泵22、涡轮分子泵21和干泵B19，停止对气体收集容器2进行抽气；开启气体收集容器2上的质谱仪B 6，对气体收集容器2内的气体成分进行分析，此时得到的气体成分为气体收集容器2内本底气体的气体成分；
步骤7，打开真空阀A 9和真空阀B 10，使月球样品释放的稀有气体和真空容器1的本底气体扩散进入气体收集容器2内；平衡一段时间(本实施案例中平衡时间为10分钟)，待真空容器1上的真空规A 7读数(本实施案例中真空规A 7读数为4.5Pa)和气体收集容器2上的真空规B8读数(本实施案例中真空规B 8读数为2.1Pa)基本不变时，关闭真空阀A 9和真空阀B 10，完成月球样品稀有气体收集；
步骤8，开启气体收集容器2上的质谱仪B 6，对气体收集容器2内的气体成分进行分析，此时得到的气体成分为气体收集容器2内本底气体和真空容器1扩散进入气体收集容器2内的气体组成的混合气体的气体成分；将气体收集容器2内混合气体成分和气体收集容器2内本底气体的成分以及真空容器1的本底气体成分进行对比，可得知气体收集容器2是否收集到月球样品释放的稀有气体，完成月球样品稀有气体成分分析。
将气体收集容器2内混合气体成分和气体收集容器2内本底气体的成分以及真空容器1的本底气体成分进行对比时，可以参考步骤5得到的月球样品释放的稀有气体的气体成分，检测气体收集容器2收集到的气体是否确定是月球样品释放的稀有气体。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种月球样品稀有气体收集和成分分析装置，其特征在于，包括真空容器(1)、气体收集容器(2)、月球样品密封室(3)、盖体解封机构(4)、真空阀、真空抽气组件以及质谱仪；
所述月球样品密封室(3)包括盖体和样品容器，盖体和样品容器密封连接；
所述盖体与盖体解封机构(4)匹配连接；
所述气体收集容器(2)通过真空阀与所述真空容器(1)相连；
所述月球样品密封室(3)放在真空容器(1)中，月球样品放在月球样品密封室(3)中；
所述真空抽气组件用于对所述真空容器(1)以及所述气体收集容器(2)进行真空抽气；
所述质谱仪用于对所述真空容器(1)以及所述气体收集容器(2)内的气体成分进行分析。
2.如权利要求1所述的一种月球样品稀有气体收集和成分分析装置，其特征在于，所述的真空容器(1)内部容积与月球样品密封室(3)内部容积之比小于10:1。
3.如权利要求1所述的一种月球样品稀有气体收集和成分分析装置，其特征在于，所述真空容器(1)内设有用于固定月球样品密封室(3)的固定安装槽。
4.如权利要求1所述的一种月球样品稀有气体收集和成分分析装置，其特征在于，所述真空容器(1)的本底压力小于或等于5×10-5Pa，所述气体收集容器(2)的本底压力小于或等于5×10-6Pa。
5.如权利要求1所述的一种月球样品稀有气体收集和成分分析装置，其特征在于，所述盖体解封机构(4)安装在真空容器(1)顶部。
6.如权利要求1所述的月球样品稀有气体收集和成分分析装置，其特征在于，所述的真空阀的通径大于或等于40mm。
7.如权利要求1所述的一种月球样品稀有气体收集和成分分析装置，其特征在于，所述气体收集容器(2)通过2个串联的真空阀与真空容器(1)相连。
8.一种月球样品稀有气体收集和成分分析方法，其特征在于，采用如权利要求1-7任一权利要求所述的月球样品稀有气体收集和成分分析装置，对月球样品稀有气体进行收集和成分分析，包括如下步骤：
步骤1，初始时，所有真空阀处于关闭状态；
步骤2，打开真空容器(1)的真空抽气组件，将真空容器(1)内的压力抽至5×10-5Pa以下；
步骤3，打开气体收集容器(2)的真空抽气组件，将气体收集容器(2)内的压力抽至5×10-6Pa以下；
步骤4，关闭真空容器(1)的真空抽气组件，停止对真空容器(1)进行抽气；
利用质谱仪对真空容器(1)内的气体成分进行分析，此时得到的气体成分为真空容器(1)内本底气体的气体成分；
步骤5，利用盖体解封机构(4)将月球样品密封室(3)盖体进行旋转及提升，使盖体与月球样品密封室(3)分离；
步骤6，关闭气体收集容器(2)的真空抽气组件，停止对气体收集容器(2)的抽气；
利用质谱仪对气体收集容器(2)内的气体成分进行分析，此时得到的气体成分为气体收集容器(2)内本底气体的气体成分；
步骤7，打开气体收集容器(2)与真空容器(1)之间的真空阀，一段时间后，关闭真空阀；
步骤8，利用质谱仪对气体收集容器(2)内的气体成分进行分析，此时得到的气体成分为气体收集容器(2)内本底气体和真空容器(1)扩散进入气体收集容器(2)内的气体组成的混合气体的气体成分；
将气体收集容器(2)内混合气体成分和气体收集容器(2)内本底气体的成分以及真空容器(1)内本底气体的气体成分进行对比，判断气体收集容器(2)是否收集到月球样品释放的稀有气体，若有则完成月球样品稀有气体收集，否则重复执行步骤7-8，直至收集到月球样品释放的稀有气体。
9.如权利要求8所述的一种月球样品稀有气体收集和成分分析方法，其特征在于，所述步骤5中，盖体与月球样品密封室(3)分离后，利用质谱仪对真空容器(1)内的气体成分进行分析，此时得到的气体成分为真空容器内本底气体和月球样品释放的稀有气体组成的混合气体的气体成分；
将真空容器(1)内混合气体的气体成分减掉真空容器(1)内本底气体的气体成分，得到月球样品释放的稀有气体的气体成分；
所述步骤8中，判断气体收集容器(2)是否收集到月球样品释放的稀有气体时，参考得到的月球样品释放的稀有气体的气体成分，检测气体收集容器(2)收集到的气体是否是月球样品释放的稀有气体。
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