CN108303457B - 一种用于电离层H、He同位素测量的仪器和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及同位素分析技术领域，具体涉及一种用于电离层H、He同位素测量的仪器和方法。利用金箔接受电离层轰击收集H、He等离子体，在密闭空间下对所述金箔加热将所述H、He等离子体释放为混合中性气体，在所述密闭空间内对所述混合中性气体电离分析其同位素组成得到H、He同位素的混合信号；吸附所述混合中性气体中的氢气，对剩余气体进行电离分析He同位素组成，通过计算得到H同位素的信号。本发明提供的测量仪器和方法实现了对电离层等离子体同位素原位测量测试分析从无到有的突破。
Description
技术领域
本发明涉及同位素分析技术领域，具体涉及一种用于电离层H、He同位素测量的仪器和方法。
背景技术
电离层是指离地面60km延伸大约1000km的范围内，该层大气以H、He元素为主且多处于部分或全部电离状态，分析电离层中H、He同位素分析有助于研究地球气体逃逸和行星挥发分演化等重大科学问题。目前还没有一种有效对电离层等离子体同位素分析测试的手段。因此设计一套可搭载在卫星上能够就位分析测试H、He等离子体同位素的仪器和方法非常有必要。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种用于电离层H、He同位素测量的仪器和方法。使用本发明仪器和方法可实现搭载在卫星上就位分析测量电离层等离子体H、He同位素。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于电离层H、He同位素测量的仪器，所述仪器包括壳体、等离子收集盖体、气体同位素分析装置；
所述壳体中空且一端开口，所述盖体可移动的盖合所述壳体的开口端形成密闭空间；
所述等离子收集盖体包括第一侧和第二侧，盖合时，所述第一侧与所述壳体的开口端接触；
所述第一侧连接有加热装置，可控制所述加热装置为所述第一侧加热；
所述气体同位素分析装置设置在所述壳体内；
所述气体同位素分析装置包括气体电离装置、质量分离装置、离子收集装置和氢气吸附装置；
所述气体电离装置、质量分离装置和离子收集装置依次连接；
所述氢气吸附装置设置在所述质量分离装置的内部。
进一步地，所述第一侧由金箔做成；所述第二侧材料为耐高温陶瓷或刚玉；所述加热装置为阻值为10～100欧姆的电阻丝；所述壳体的材质为金属。
进一步地，所述第一侧边缘设置有金垫圈。
进一步地，所述仪器还包括控制所述等离子收集盖体移动、压紧的盖体移动部件。
进一步地，所述盖体移动部件为机械臂。
进一步地，所述气体电离装置为EI离子源，所述质量分离装置为四级杆；所述离子接收装置为法拉第杯和电子倍增器；所述氢气吸附装置为锆铝泵。
进一步地，所述仪器搭载在位于电离层的卫星上。
一种用于电离层H、He同位素测量的方法，所述方法为利用金接受电离层轰击收集H、He等离子体，在密闭空间下对所述金加热将所述H、He等离子体释放为混合中性气体，在所述密闭空间内对所述混合中性气体电离分析其同位素组成得到信号一；吸附所述混合中性气体中的氢气，对剩余气体进行电离分析其同位素组成得到信号二；
所述信号二即为He同位素的信号，利用所述信号二对所述信号一计算得到H同位素的信号。
进一步地，所述电离分析包括选择特定质荷比的离子，将所述特定质荷比的离子转换为电信号；所述特定质荷比包括2、3、4。
进一步地，所述方法使用上述仪器，所述方法包括以下步骤：
1)H、He等离子体收集：在卫星在等离子层飞行过程中，利用所述等离子收集盖体接受等离子体的撞击来收集所述等离子层中的等离子体；
2)H、He混合气体释放：当等离子体积攒到一定程度后，将等离子收集盖体并与所述壳体盖合，压实密封，然后加热所述等离子收集盖体使接受的等离子体以中性气体分子的形式释放出来进入所述壳体的内部；
3)H、He气体电离：利用气体电离装置将所述中性气体分子电离并以一定的初始速度进入所述质量分离装置；
4)离子分析：所述质量分离装置选择固定质荷比的离子依次飞离质量分离装置；
5)离子接收：利用所述离子接收器将不同质荷比的离子信号转化为电信号；
6)H气去除：完成所述步骤5)后打开质量分离装置壳体中的所述氢气吸附装置吸附H并得到纯净的He；
7)He同位素分析：重复步骤3)～步骤5)测得He同位素；
8)H同位素计算：利用步骤5)和步骤7)的测量数据进行计算得到H同位素。
本发明的有益技术效果：
本发明提供的测量仪器和方法实现了对电离层等离子体同位素原位测量测试分析从无到有的突破。
附图说明
图1、本发明实施例1中用于电离层H、He同位素测量的测量仪结构示意图；
其中①等离子收集盖体、②.盖体移动部件、③.壳体、④.气体电离装置、⑤.质量分离装置、⑥.离子接收装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
一种用于电离层H、He同位素的测量仪，所述仪器主要包括壳体、等离子收集装置、机械臂、气体处理装置、气体电离装置、质量分离装置、离子接收装置；
等离子收集装置，内壁由金箔做成且具有加热功能，在收集等离子体时可以接受轰击，在气体分析时可以加热将等离子释放为中性气体，内壁(第一侧)边缘为金垫圈(与内壁金箔隔离)用于气体处理装置接触压实后起密封作用，外壁(第二侧)由耐高温陶瓷做成用来屏蔽等离子体轰击；金垫圈通过刀口法兰密封在内壁边缘，但密封方式不限于刀口法兰密封。
机械臂，用于连接等离子收集装置和壳体，机械臂至少含有一个传动装置和一个转动装置用于等离子收集装置打开、闭合、压实等动作；等离子收集装置包括第一侧和第二侧，盖合时，等离子收集装置的第一侧与壳体接触。
壳体内设置有气体电离装置、质量分离装置、离子接收装置，内部还含有一个含有氢气吸附剂的装置；氢气吸附装置可为但不限于锆铝泵。
气体电离装置，可用EI离子源，该装置可以将气体处理装置中的中性粒子电离、加速、聚焦，使其进入质量分离装置；
质量分离装置，可用四极杆，选择特定质荷比的离子通过四极杆，质谱由四根带有直流电压(DC)和叠加的射频电压(RF)的准确平行杆构成，相对的一对电极是等电位的，两对电极之间电位相反。当一组质荷比不同的离子沿平行杆轴向进入由DC和RF组成的电场时，只有满足特定条件的离子作稳定振荡通过四极杆，从而实现质量分离的作用；
离子收集装置，将从质量分离装置中分离出来的离子信号转化为电信号的装置。为了分析丰度差别较大的同位素，离子接收器需要根据不同的量程搭配使用法拉第杯和电子倍增器。法拉第杯是一种金属制设计成杯状，用来测量带电粒子入射强度的一种真空侦测器。测得的电流可以用来判定入射电子或离子的数量，针对大信号离子；电子倍增器是一种灵敏，响应快的检测器系统，它是由离子落在阴极上产生二次电子通过级联放大，最终得到电信号的装置，用于检测低信号离子。
利用该仪器电离层就位分析H、He同位素的方法如下：
1)H、He等离子体收集：在卫星在等离子层飞行过程中，等离子收集装置上的内壁金箔保持与飞行器飞行方向一致用来接受等离子的照射，利用等离子接收装置接收等离子体的撞击来收集等离子层中的等离子体；
2)H、He混合气体释放：当等离子体积攒到一定程度后(大约照射8min左右，以加热释放的气体量满足分析仪器的最低检测限，此时间可调控)，然后利用机械臂旋转等离子收集装置使其与等离子收集装置开口平行，再然后传动机械臂使等离子收集装置紧密扣在壳体上(等离子收集装置与壳体的盖合分离过程不限于使用机械臂的方法，其它可实现的方式均可)，然后加热(大约加热10min左右，此时间可调控)等离子接收装置使接收的H、He等离子体以中性气体分子的形式释放出来；
3)H、He气体电离：利用气体电离装置(不限于EI离子源其它气体电离装置也可)将中性气体分子电离并以一定的初始速度进入质量分离装置装置(不限于四级杆，其它离子分离的装置即可)；
4)离子分析：质量分离装置选择质荷比为2、3、4的离子依次飞离质量分离装置；
5)离子接收：利用离子接收器将不同质荷比的离子信号转化为电信号；
6)H气去除：完成步骤5)后打开质量分离装置中的锆铝泵吸附装置中的H并得到纯净的He；
7)He同位素分析：重复步骤3)～步骤5)测得He同位素；
8)H同位素计算：利用步骤5)和步骤7)的测量数据进行计算得到H同位素。
所述步骤4)中，分析H、He混合气体时，质量分离装置选择质荷比为2(H2 +和4He++)、3(HD+和3He+)、4(4He+)的离子依次飞离质量分离装置；H吸附后分析He气体时，质量分离装置选择质荷比为2(4He++)、3(3He+)、4(4He·)的离子依次飞离质量分离装置。
Claims (6)
1.一种用于电离层H、He同位素测量的仪器，其特征在于，所述仪器搭载在位于电离层的卫星上，所述仪器包括壳体、等离子收集盖体、气体同位素分析装置；
所述壳体中空且一端开口，所述盖体可移动的盖合所述壳体的开口端形成密闭空间；
所述等离子收集盖体包括第一侧和第二侧，盖合时，所述第一侧与所述壳体的开口端接触；
所述第一侧连接有加热装置，可控制所述加热装置为所述第一侧加热；
所述气体同位素分析装置设置在所述壳体内；
所述气体同位素分析装置包括气体电离装置、质量分离装置、离子收集装置和氢气吸附装置；
所述气体电离装置、质量分离装置和离子收集装置依次连接；
所述第一侧材料为金；所述第二侧材料为耐高温陶瓷或刚玉；所述加热装置为阻值为10～100欧姆的电阻丝；所述壳体的材质为金属；
所述第一侧边缘设置有金垫圈；
所述仪器还包括控制所述等离子收集盖体移动、压紧的盖体移动部件。
2.如权利要求1所述仪器，其特征在于，所述盖体移动部件为机械臂。
3.如权利要求1所述仪器，其特征在于，所述气体电离装置为EI离子源，所述质量分离装置为四级杆；所述离子接收装置为法拉第杯和电子倍增器；所述氢气吸附装置为锆铝泵。
4.一种用于电离层H、He同位素测量的方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1-3任一项所述的用于电离层H、He同位素测量的仪器，所述方法利用金接受电离层轰击收集H、He等离子体，在密闭空间下对所述金加热将所述H、He等离子体释放为混合中性气体，在所述密闭空间内对所述混合中性气体电离分析其同位素组成得到信号一；吸附所述混合中性气体中的氢气，对剩余气体进行电离分析其同位素组成得到信号二；
所述信号二即为He同位素的信号，利用所述信号二对所述信号一计算得到H同位素的信号。
5.如权利要求4所述方法，其特征在于，所述电离分析包括选择特定质荷比的离子，将所述特定质荷比的离子转换为电信号；所述特定质荷比包括2、3、4。
6.如权利要求5所述方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
1)H、He等离子体收集：在卫星在等离子层飞行过程中，利用所述等离子收集盖体接受等离子体的撞击来收集所述等离子层中的等离子体；
2)H、He混合气体释放：当等离子体积攒到一定程度后，将等离子收集盖体并与所述壳体盖合，压实密封，然后加热所述等离子收集盖体使接受的等离子体以中性气体分子的形式释放出来进入所述壳体的内部；
3)H、He气体电离：利用气体电离装置将所述中性气体分子电离并以一定的初始速度进入所述质量分离装置；
4)离子分析：所述质量分离装置选择固定的质荷比的离子依次飞离质量分离装置；
5)离子接收：利用所述离子接收器将不同质荷比的离子信号转化为电信号；
6) H气去除：完成所述步骤5)后打开壳体中的所述氢气吸附装置吸附H并得到纯净的He；
7)He同位素分析：重复步骤3)～步骤5)测得He同位素；
8)H同位素计算：利用步骤5)和步骤7)的测量数据进行计算得到H同位素。
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