CN108479394A - 痕量气体同位素富集系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明采用强流ECR(Electron Cyclotron Resonance)离子源技术，通过高效离化产生约10mA的Ar⁺离子束流，结合有效的离子分离系统来实现氩同位素的分离，富集速度较使用传统离子源技术的方案提高3个量级。使用了烘烤、气体循环及提纯设计，提高了实验结果的精度及最终的富集率。本发明最终能够将³⁹Ar同位素丰度从原始的10^‑16量级提高两个量级，结合同位素定年的技术，有望填补50～1500年区间精确定年的国际空白。本发明也能用于其它类似的同位素富集，只需根据待富集同位素的不同，对离子分离系统的运行参数进行调节即可。

Description

痕量气体同位素富集系统和方法

技术领域

本发明属于分离纯化技术领域，具体涉及一种痕量气体同位素富集系统和方法。

背景技术

对于一些极痕量气体同位素，由于丰度太低，往往需要提高其丰度后才能用于下一步工作。而且，有些分析样品数量有限，需要充分富集才能得到分析仪器灵敏度的下限值。以³⁹Ar同位素为例，国际上普遍认为³⁹Ar是50～1500年龄区间同位素定年的最理想工具，但³⁹Ar在自然界中的丰度仅为10^-16量级，即使对于目前最灵敏的分析仪器(原子阱--可以数出原子数目)，10^-16量级的丰度也远远低于分析仪器灵敏度下限(测量时间的限制)，因此，受限于现有设备的灵敏度及工作效率，需要将³⁹Ar的丰度提高1～2个数量级才可能将³⁹Ar作为用于定年的有效工具。采用离子源结合质谱仪技术开展同位素分离或富集的研究早在上世纪就已经在国外实验室开始，但是这些传统的同位素质谱分离或富集方法采用的离子源束流强度一般在μA量级，而且对于像³⁹Ar这样丰度极低的同位素，传统的富集系统很难达到所需的收集量。例如国外实验室对Kr同位素富集，流强约0.5μA，富集目标同位素为⁸¹kr(自然界丰度5×10^-13)和⁸⁵kr(自然界丰度2×10^-11)。但对于10^-16丰度的³⁹Ar，欲使收集到的³⁹Ar的原子数达到10⁴量级，这种μA量级的离子束流强是很难完成的。

发明内容

为了解决现有技术中无法对丰度极低的痕量同位素进行有效富集的问题，本发明提出了一种痕量气体同位素富集系统和方法，可以将痕量同位素的丰度提高2个量级，并且富集速度也显著提高。

为达上述目的，一方面，本发明提供了一种痕量气体同位素富集系统，包括：离子源装置、离子分离装置、同位素收集装置和气体循环及纯化装置，其中所述离子源装置用于产生离子束流，所述离子分离装置用于产生磁场以使离子束流中不同离子按荷质比差异进行分离，所述同位素收集装置用于收集目标离子，所述气体循环及纯化装置用于将通过所述同位素收集装置未被收集的气体输送至所述离子源装置的气体工作通道中。

优选地，所述离子源装置包括离子源、法拉第筒及束流诊断室，优选地，所述离子源为强流ECR离子源，用于产生mA级的离子束流。

优选地，所述分离装置包括通过真空管道依次连接的第一四极磁铁、双向校正铁、二极铁和第二四极磁铁。

优选地，所述气体循环及纯化装置包括多个分子泵、多个NEG泵和循环管道，其中所述分子泵用于系统抽取真空及气体循环，所述NEG泵用于去除活性气体，对气体进行提纯。

优选地，在所述气体循环及纯化装置中，第一分子泵和第一NEG泵均与所述离子源装置中的束流诊断室相连接，第二NEG泵位于所述离子分离装置中二极铁后的真空管道上，第二分子泵与所述同位素收集装置相连接，所述第一分子泵和所述第二分子泵通过循环管道与第三NEG泵及第三分子泵依次连接，所述第三分子泵通过循环管道与所述离子源装置的气体工作通道相连。

优选地，所述痕量气体同位素富集系统包括热烘烤装置，所述热烘烤装置包括设置在真空靶室和真空管道外表面的加热片以及放置在收集靶内的加热棒。

优选地，所述同位素收集装置与所述离子分离装置之间安装有超高真空插板阀。

另一方面，本发明还提供了一种痕量气体同位素富集方法，包括：

将痕量气体同位素富集系统抽真空，然后对痕量气体同位素富集系统进行热烘烤；

将痕量气体电离产生mA级的离子束流；

将离子束流进行分离并收集目标同位素；

将未被收集的气体纯化并循环至离子源进行连续多次富集。

优选地，所述痕量气体为Ar气体。

优选地，所述离子束流的强度为1-100mA。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的同位素富集系统采用2.45GHz强流电子回旋共振(ECR)离子源技术能够产生mA级的离子束，富集速度较使用传统离子源技术提高了约三个量级；

(2)本发明的同位素富集系统中的收集靶使用了旋转设计，能够实现较大量的同位素收集，并且能够在不破坏真空的情况下连续开展多次富集实验，提高了工作效率；

(3)本发明的同位素富集系统采用气体循环及纯化系统来实现同位素气体的循环离化，提高了同位素富集率，例如，本发明的同位素富集系统可将³⁹Ar同位素的丰度(原丰度10^-16量级)提高2个量级，结合同位素定年的技术，有望填补50～1500年区间精确定年的国际空白；

(4)本发明的同位素富集系统也能用于其它类似的同位素富集，为其他类似研究提高精度提供技术借鉴。

附图说明

图1为本发明的同位素富集系统的结构示意图。

附图标记说明：

1-离子源；2-第一法拉第筒；3-束流诊断室；4-第一分子泵；5-第一NEG泵；6-第一四极铁；7-双向校正铁；8-二极铁；9-第二NEG泵；10-第二四极铁；11-超高真空插板阀；12-第二法拉第筒；13-第二分子泵；14-收集靶装置；15-束流垃圾桶；16-束流剖面测量装置；17-真空角阀；18-机械泵；19-第三NEG泵；20-第三分子泵。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的富集系统除了包含最基本的离子源装置、分离装置和同位素富集装置，还包含有热烘烤装置和气体循环及纯化装置。热烘烤装置通过加热烘烤，可以去除腔体内部原有杂质气体的影响，显著降低环境本底噪声，提高富集结果的精度。ECR离子源的单次离化率约20％，通过气体循环及纯化装置，可以将目标气体离化率提高到80％以上，也即是目标同位素富集率(收集到的同位素原子个数与原有的同位素原子个数之比)可以达到80％以上。

如图1所示，本发明的痕量气体同位素富集系统包括热烘烤装置、离子源装置、分离装置、同位素收集装置和气体循环及纯化装置。离子源引出的离子束经过离子分离装置传输及分离后进入同位素收集装置。

(1)热烘烤装置

热烘烤装置主要包括放置在真空靶室和真空管道外表面的加热片以及放置在收集靶内的加热棒。使用机械泵和分子泵将整个富集系统的真空抽至10^-8mbar量级，然后热烘烤系统在200℃条件下对富集系统进行约24小时热烘烤，完成烘烤后关闭机械泵与分子泵之间的角阀。这样既保证极低的真空工作环境，又除去水蒸气及其它杂质气体，确保有用的离子束流进行高效的传输。

(2)离子源装置

离子源装置主要包括离子源1、第一法拉第筒2及束流诊断室3。离子源1优选为ECR离子源，用于产生mA级的离子束流，例如1-100mA。在一实施例中，离子源为2.45GHz强流ECR离子源。ECR离子源通过对气体高效离化产生高密度等离子体，这些等离子体被引出后到达束流诊断室3，第一法拉第筒2在此处可以对引出束流进行监测。

(3)离子分离装置

离子分离装置与束流诊断室3连接，主要包括依次连接的第一四极铁6、双向校正铁7、二极铁8、第二四极铁10及真空管道。第一四极铁6、二极铁8和第二四极铁10的组合能够实现束流的有效分离，双向校正铁7可以对束流位置偏差进行校正。通过束流光学系统的优化设计，同位素离子束可以实现高效的传输与分离。

(4)同位素收集装置

同位素收集装置与离子分离装置相连，主要包括第二法拉第筒12、收集靶装置14、束流垃圾桶15和束流剖面测量装置16，束流经过离子分离装置的光学传输及分离后进入同位素收集装置。使用束流剖面测量装置16对进入收集装置的各同位素离子束位置进行标定。由于束流剖面测量装置16和收集靶装置14的空间位置有重叠，因此完成标定后需要撤下束流剖面测量装置16再安装收集靶装置14。根据位置标定，欲收集的同位素将沉积到收集靶装置14内，不需要收集的同位素将通过收集靶装置14上为其留出的空隙位置，阻止在后端的束流垃圾桶15上。第二法拉第筒12位于收集靶装置14的前面，定时将弱流法拉第筒插入来测量收集中的同位素离子流强，根据流强变化可以判断同位素富集的进度。

同位素收集装置与离子分离装置之间安装有超高真空插板阀11，当完成收集实验要取出收集靶时，关闭超高真空插板阀11，超高真空插板阀11前端的真空将不受影响，下次实验只需对超高真空插板阀11后的同位素收集装置抽取真空并烘烤。收集靶装置14采用旋转设计，能够在不破坏真空的情况下，通过旋转将不同的实验结果收集在靶薄膜表面的不同位置，大大提高了工作效率。

(5)气体循环及纯化装置

气体循环及纯化装置主要包括三个分子泵、三个NEG(non-evaporative getter)泵及循环管道。第一分子泵4和第一NEG泵5均与束流诊断室3相连接，第二NEG泵9位于二极铁8后的真空管道上，第二分子泵13位于同位素收集装置后端的上部。第一分子泵4和第二分子泵13通过循环管道与第三NEG泵19及第三分子泵20依次连接。束流诊断室3中的气体通过第一分子泵4和循环管道进入第三NEG泵19，收集装置中的气体通过第二分子泵13和循环管道进入第三NEG泵19，诊断室中的气体和收集装置中的气体经过第三NEG泵19提纯后进入第三分子泵20。第三分子泵20通过循环管道与离子源装置的气体工作通道相连，能够将循环气体送入离子源重新进行离化。

机械泵18与第一分子泵4及第二分子泵13之间装有角阀17。富集系统准备工作时需要抽取真空，此时角阀17处于打开状态，使用机械泵18及第一分子泵4及第二分子泵13共同抽取真空。当真空度达到工作要求范围，关闭角阀17，富集系统内部与外界之间实现隔离。此时所有的分子泵及NEG泵开始工作，三个分子泵共同推动气体循环，NEG泵能够对气体进行提纯(剔除氢、氧等活性气体)。通过连续循环及纯化，能够显著提高氩同位素的富集率。

在一个实施例中，以5mL标准状态Ar样品，Ar⁺流强为10mA，对³⁹Ar进行富集。³⁹Ar同位素在大气中含量为10^-16量级，由于不对99.6％的⁴⁰Ar元素进行收集，因此循环后的Ar原子总量可以看做不变。5mL标准状态Ar气体原子数为1.344×10²⁰，10mA流强Ar⁺每分钟离化的Ar原子数为3.75×10¹⁸。因此，每分钟离化原子数占样品总原子数2.8％，未被离化的原子占原子总数的97.2％。则第n分钟，未被离化的³⁹Ar占总数的比例为0.972ⁿ，此时富集率(收集到的同位素原子数与其初始同位素原子数之比)即为(1-0.972ⁿ)。由此可得，运行1小时³⁹Ar富集率为81％。假设使用10μA的Ar⁺，要达到81％的富集率则需要连续运行1000小时。考虑到系统的真空漏率等因素，实际工作中采用微安级流强是不可能达到如此高的富集率，因此本富集系统对于样品量较少且单次离化后富集原子数难以达到分析仪器下限的情况有很大优势。

本发明的痕量气体同位素富集系统采用2.45GHz强流电子回旋共振(ECR)离子源技术可产生百毫安量级Ar⁺离子束流，富集速度较传统方法提高3个量级。使用了烘烤、气体循环及提纯设计，提高了实验结果的精度及最终的富集率。本发明最终能够将³⁹Ar同位素丰度从原始的10^-16量级提高两个量级，结合同位素定年的技术，有望填补50～1500年区间精确定年的国际空白。

由于不同元素的同位素种类、离子荷质比、丰度等会有差异，根据欲富集同位素的不同，对离子分离装置的运行参数、收集靶的位置等进行微调，本发明的同位素富集系统即可用于不同同位素的富集。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种痕量气体同位素富集系统，包括：离子源装置、离子分离装置、同位素收集装置和气体循环及纯化装置，其中所述离子源装置用于产生离子束流，所述离子分离装置用于产生磁场以使离子束流中不同离子按荷质比差异进行分离，所述同位素收集装置用于收集目标离子，所述气体循环及纯化装置用于将通过所述同位素收集装置未被收集的气体输送至所述离子源装置的气体工作通道中。

2.如权利要求1所述的痕量气体同位素富集系统，其特征在于，所述离子源装置包括离子源、法拉第筒及束流诊断室，优选地，所述离子源为强流ECR离子源，用于产生mA级的离子束流。

3.如权利要求1所述的痕量气体同位素富集系统，其特征在于，所述离子分离装置包括通过真空管道依次连接的第一四极磁铁、双向校正铁、二极铁和第二四极磁铁。

4.如权利要求1所述的痕量气体同位素富集系统，其特征在于，所述气体循环及纯化装置包括多个分子泵、多个NEG泵和循环管道，其中所述分子泵用于系统抽取真空及气体循环，所述NEG泵用于去除活性气体，对气体进行提纯。

5.如权利要求4所述的痕量气体同位素富集系统，其特征在于，在所述气体循环及纯化装置中，第一分子泵和第一NEG泵均与所述离子源装置中的束流诊断室相连接，第二NEG泵位于所述离子分离装置中二极铁后的真空管道上，第二分子泵位于所述同位素收集装置后端的上部，所述第一分子泵和所述第二分子泵通过循环管道与后端的第三NEG泵及第三分子泵相连接，所述第三分子泵通过循环管道与所述离子源装置的气体工作通道相连。

6.如权利要求1所述的痕量气体同位素富集系统，其特征在于，所述痕量气体同位素富集系统包括热烘烤装置，所述热烘烤装置包括设置在真空靶室和真空管道外表面的加热片以及放置在收集靶内的加热棒。

7.如权利要求1所述的痕量气体同位素富集系统，其特征在于，所述同位素收集装置与所述离子分离装置之间安装有超高真空插板阀。

8.一种痕量气体同位素富集方法，包括：

将痕量气体同位素富集系统抽真空，然后对痕量气体同位素富集系统进行热烘烤；

将痕量气体电离产生mA级的离子束流；

将离子束流进行分离并收集目标同位素；

将未被收集的气体纯化并循环至离子源进行连续多次富集。

9.如权利要求8所述的痕量气体同位素富集方法，其特征在于，所述痕量气体为Ar气体。

10.如权利要求8所述的痕量气体同位素富集方法，其特征在于，所述离子束流的强度为1-100mA。