RU2213957C2 - System for injection of corrosive gases, for instance, uranium hexafluoride, into mass spectrometer - Google Patents
System for injection of corrosive gases, for instance, uranium hexafluoride, into mass spectrometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2213957C2 RU2213957C2 RU2001118580A RU2001118580A RU2213957C2 RU 2213957 C2 RU2213957 C2 RU 2213957C2 RU 2001118580 A RU2001118580 A RU 2001118580A RU 2001118580 A RU2001118580 A RU 2001118580A RU 2213957 C2 RU2213957 C2 RU 2213957C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- emitter
- uranium hexafluoride
- mass spectrometer
- ion source
- injection
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к системам ввода агрессивных газов в ионный источник масс-спектрометра и может быть использовано, например, при анализе гексафторида урана на изотопный состав в атомной и химической отраслях промышленности. The invention relates to systems for introducing aggressive gases into an ion source of a mass spectrometer and can be used, for example, in the analysis of uranium hexafluoride for isotopic composition in the nuclear and chemical industries.
При анализе агрессивных газов с помощью газового масс-спектрометра наиболее существенное влияние на погрешность измерений оказывает "эффект памяти". Данный эффект обусловлен изменением состава анализируемой пробы вследствие десорбции молекул предыдущих проб с внутренних поверхностей системы ввода и элементов источника ионов. Наиболее интенсивно процессы сорбции и изотопного обмена с твердыми отложениями происходят на поверхности ионизационной камеры источника ионов, температура которой составляет 500÷600К. Для снижения "эффекта памяти" масс-спектрометра агрессивный газ, например гексафторид урана, вводят в источник ионов в виде сформированного молекулярного пучка, что исключает его взаимодействие со стенками ионизационной камеры. When analyzing aggressive gases using a gas mass spectrometer, the “memory effect” has the most significant effect on the measurement error. This effect is due to a change in the composition of the analyzed sample due to desorption of the molecules of previous samples from the internal surfaces of the input system and the elements of the ion source. The most intensive processes of sorption and isotope exchange with solid deposits occur on the surface of the ionization chamber of the ion source, the temperature of which is 500 ÷ 600K. To reduce the “memory effect” of the mass spectrometer, an aggressive gas, such as uranium hexafluoride, is introduced into the ion source in the form of a formed molecular beam, which excludes its interaction with the walls of the ionization chamber.
Известна система ввода ГФУ [1] в источник ионов масс-спектрометра МИ1201 с помощью капилляра, выход которого располагается непосредственно в ионизационной камере источника, при этом молекулы, вылетающие из капилляра по углом более 30o, попадают на стенки камеры.There is a known system for introducing HFCs [1] into the ion source of a MI1201 mass spectrometer using a capillary, the outlet of which is located directly in the ionization chamber of the source, while molecules escaping from the capillary at an angle of more than 30 ° fall on the chamber walls.
Наиболее близким аналогом заявляемой системы является система ввода, используемая в газовых масс-спектрометрах фирмы Finnigan MAT (Германия) [2], в частности в масс-спектрометре MAT-281 [3], и состоящая из нескольких линий ввода газа (обычно одна линия для анализируемой пробы, другие - для стандартных образцов изотопного состава урана (СО)). Каждая линия ввода включает клапан игольчатого типа 1, расширительный баллон 4 (V=0,5 л) и три электромагнитных клапана 2, 3, 5 (фиг.1). Перед вводом ГФУ в источник ионов газ предварительно напускают через клапаны 1, 2 в расширительный баллон 4 до давления 0,15÷0,2 мм рт. ст. После заполнения баллона и закрытия клапана 2 открывают клапан 5, при этом по трубопроводу 7 газ поступает в эмиттер молекулярного пучка (фиг.2). Эмиттер представляет из себя два бруска из нержавеющей стали, в одном из которых прорезан прямоугольный канал длинною 50 мм с поперечным сечением 1х2,5 мм. В канал по всей длине уложены гофрированные и плоские пластины из золотой фольги толщиной 0,025 мм, как показано на фиг. 3. Такая конструкция разбивает весь прямоугольный канал на 50÷60 строго параллельных каналов с размером (диаметром) ~0,12 мм. При данных размерах каналов длина свободного пробега молекул UF6, которая определяется величиной давления перед эмиттером, соизмерима с их размерами и течение газа через эмиттер является молекулярным, что приводит к фокусировке выходящего из эмиттера пучка молекул. Чтобы избавиться от молекул, покидающих молекулярный пучок в результате рассеивания, между эмиттером и ионизационной камерой на расстоянии 10 мм от эмиттера расположена диафрагма с прямоугольным каналом (фиг. 2), длина которого составляет 8 мм, а геометрические размеры сечения равны размерам канала в эмиттере. После прохождения ионизационной камеры молекулярный пучок попадает на криогенный элемент. Молекулы, срезанные диафрагмой, конденсируются на криогенном элементе, расположенным перед ней. Расход гексафторида урана составляет 0,7÷1,0 мг/ч.The closest analogue of the claimed system is the input system used in gas mass spectrometers from Finnigan MAT (Germany) [2], in particular in the MAT-281 mass spectrometer [3], and consisting of several gas supply lines (usually one line for analyzed samples, others for standard samples of the isotopic composition of uranium (CO)). Each input line includes a needle-type valve 1, an expansion cylinder 4 (V = 0.5 l) and three
При определении изотопного состава пробы ГФУ в источник ионов производится последовательный напуск пробы и стандартного образца изотопного состава ГФУ. После каждого напуска ГФУ объем трубопровода 7, длина которого составляет более одного метра, прокачивается турбомолекулярным насосом до давления менее 10-2 Па. Основным материалом, используемым для изготовления данной вакуумной системы ввода ГФУ, является нержавеющая сталь.When determining the isotopic composition of the HFC sample into the ion source, the sample and the standard sample of the HFC isotopic composition are sequentially injected. After each inlet of HFCs, the volume of the
Недостатками наиболее близкого аналога заявляемой системы ввода являются:
1. Большая площадь внутренней поверхности системы ввода, с которой взаимодействует гексафторид урана различного изотопного состава (трубопровод 7, фиг. 1), что вызывает необходимость повышать давление ГФУ в данной части системы (до 0,2 мм рт.ст.) с целью снижения влияния сорбционных процессов на результаты измерений.The disadvantages of the closest analogue of the claimed input system are:
1. A large area of the inner surface of the input system with which uranium hexafluoride of various isotopic composition interacts (
2. Необходимость использования турбомолекулярных насосов для быстрой откачки остатков ГФУ из системы ввода. 2. The need to use turbomolecular pumps to quickly pump out HFC residues from the input system.
3. Сложность конструкции системы ввода, обусловленная необходимостью точного выравнивания давления пробы и СО в системе напуска (в расширительных баллонах). 3. The complexity of the design of the input system, due to the need to accurately equalize the pressure of the sample and CO in the inlet system (in expansion cylinders).
4. Необходимость использования дорогостоящих материалов, в частности золотой фольги, для изготовления эмиттера молекулярного пучка. 4. The need to use expensive materials, in particular gold foil, for the manufacture of a molecular beam emitter.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании более простой и надежной системы молекулярного ввода гексафторида урана в ионный источник, обеспечивающей минимальный "эффект памяти" масс-спектрометра. The problem to which the invention is directed, is to create a simpler and more reliable system of molecular input of uranium hexafluoride into an ion source, providing a minimum "memory effect" of the mass spectrometer.
Поставленная задача в заявляемой системе ввода решена тем, что в ней формирование молекулярного пучка осуществляется при более низких давлениях ГФУ за счет изменения конструкции диафрагмы и эмиттера молекулярного пучка, имеющих каналы прямоугольного сечения, свободного от гофрированных пластин, и установки между эмиттером пучка и отборниками с ГФУ многоклапанного натекателя, состоящего из нескольких электромагнитных клапанов 1 и одного игольчатого клапана 2, расположенных на корпусе натекателя и соединенных между собой, как показано на фиг.4, с помощью цилиндрических каналов в корпусе с диаметрами 1÷2 мм. Корпус многоклапанного натекателя изготовлен из цельного круга нержавеющей стали. Внутренний объем натекателя между клапанами не превышает значения 0,05 см3, что обеспечивает минимальные внутреннюю площадь поверхности натекателя и потери ГФУ при откачке из данного объема.The problem in the inventive input system is solved in that the molecular beam is formed in it at lower HFC pressures by changing the design of the diaphragm and emitter of the molecular beam having rectangular channels, free from corrugated plates, and the installation between the beam emitter and the samplers with HFCs multivalve leakage valve, consisting of several solenoid valves 1 and one
Благодаря включению в систему ввода многоклапанного натекателя достигается преимущество перед известными системами ввода, которое позволяет существенно уменьшить площадь внутренней поверхности вакуумной системы, с которой взаимодействует гексафторид урана различного изотопного состава. К данной части системы относятся внутренний объем многоклапанного натекателя, капилляр 8 и эмиттер молекулярного пучка 4 (фиг.4). Сорбционные процессы, происходящие в области системы до игольчатого клапана 1, не влияют на измерения вследствие высокого давления ГФУ в данной части системы: 50÷80 мм рт. ст. Капилляр 8, соединяющий игольчатый клапан с эмиттером, выполнен в виде никелевой или медной трубки с гладкой внутренней поверхностью и внутренним диаметром 2÷4 мм. Для снижения сорбционной активности поверхности капилляра предпочтительнее использовать трубку из фторопласта марки Ф4МБ, плотно вставленную в медный или никелевый капилляр. Длина капилляра составляет 15÷20 см. Thanks to the inclusion of a multi-valve leakage in the input system, an advantage is achieved over known injection systems, which can significantly reduce the internal surface area of the vacuum system with which uranium hexafluoride of various isotopic composition interacts. This part of the system includes the internal volume of the multivalve leakage,
Уменьшение внутренней площади поверхности системы ввода и ее адсорбционной активности позволяют снизить давление ГФУ за игольчатым клапаном до значений (1÷5)•10-3 мм рт.ст. Это, в свою очередь, позволяет получить молекулярный поток молекул ГФУ в эмиттере 4 с помощью прямоугольного канала 9 (фиг.4) с размером (шириной) 0,5÷1 мм. Оптимальная длина канала эмиттера составляет 30÷50 мм.The decrease in the internal surface area of the input system and its adsorption activity can reduce the pressure of HFCs behind the needle valve to values (1 ÷ 5) • 10 -3 mm Hg This, in turn, allows you to obtain a molecular flow of HFC molecules in the
Для удаления рассеянных молекул между эмиттером 4 и ионизационной камерой 6 установлена диафрагма 5 с прямоугольным каналом на расстоянии 5÷8 мм от эмиттера. Молекулярный пучок после прохождения ионизационной камеры и молекулы, срезанные диафрагмой, конденсируются на криогенных элементах 7 (фиг. 4). To remove scattered molecules between the
При определении изотопного состава пробы ГФУ в источник ионов производится последовательный напуск пробы и стандартного образца изотопного состава ГФУ через игольчатый клапан путем открытия соответствующего электромагнитного клапана многоклапанного натекателя. После каждого напуска ГФУ внутренний объем многоклапанного натекателя откачивают форвакуумным насосом путем открытия клапана 3, при этом открытие игольчатого клапана не меняется. When determining the isotopic composition of the HFC sample into the ion source, the sample and the standard sample of the HFC isotopic composition are sequentially injected through the needle valve by opening the corresponding electromagnetic valve of the multi-valve leakage. After each inlet of HFCs, the internal volume of the multi-valve leakage is pumped out by the foreline pump by opening valve 3, while the opening of the needle valve does not change.
Высота прямоугольного канала эмиттера молекулярного пучка и сечение канала диафрагмы выбираются в зависимости от размеров ионизационной камеры источника ионов. Например, для масс-спектрометра класса МИ1201 (Украина) с поперечным сечением ионизационной камеры 4х12 мм были определены следующие оптимальные размеры системы молекулярного ввода ГФУ: высота и ширина прямоугольного канала эмиттера 0,3÷0,5 мм и 1÷2 мм соответственно; длина канала в эмиттере 25÷50 мм; размеры прямоугольного канала диафрагмы на 20÷40% больше размеров эмиттера; длина канала диафрагмы 4÷7 мм; расстояние между эмиттером и диафрагмой 3÷7 мм; расстояние между диафрагмой и ионизационной камерой не более 12 мм. Расход гексафторида урана в источник ионов масс-спектрометра МИ1201 с предлагаемой системой ввода ГФУ составил 1÷1,5 мг/ч, что свидетельствует о достаточной фокусировке молекулярного пучка. The height of the rectangular channel of the molecular beam emitter and the cross section of the diaphragm channel are selected depending on the size of the ionization chamber of the ion source. For example, for a mass spectrometer of class MI1201 (Ukraine) with a cross section of the ionization chamber 4x12 mm, the following optimal dimensions of the HFC molecular input system were determined: height and width of the emitter rectangular channel 0.3–0.5 mm and 1–2 mm, respectively; channel length in the emitter 25 ÷ 50 mm; the dimensions of the rectangular channel of the diaphragm are 20–40% larger than the dimensions of the emitter;
При относительном методе определения изотопного состава урана в пробе гексафторида урана измерения производят с помощью стандартного образца (СО) с известным изотопным составом. Выполняя поочередные напуски в масс-спектрометр СО и пробы (минимальное количество пар напусков пробы и СО n≥2) и измеряя интенсивности аналитических сигналов, определяют множитель Ei для i-го изотопа, равный усредненному отношению декад пробы и СО:
где декады пробы и СО по i-му изотопу соответственно равны
,
где Ui - интенсивность аналитического сигнала UF5 +, соответствующего i-му изотопу, В;
U8 - интенсивность аналитического сигнала 238UF5 +, В.In the relative method for determining the isotopic composition of uranium in a sample of uranium hexafluoride, measurements are made using a standard sample (CO) with a known isotopic composition. Performing alternate inlets into the mass spectrometer of CO and samples (the minimum number of pairs of inlets of the sample and CO n≥2) and measuring the intensities of the analytical signals, determine the factor E i for the ith isotope equal to the average ratio of the decades of the sample and CO:
where the decades of the sample and CO in the i-th isotope are respectively equal
,
where U i is the intensity of the analytical signal UF 5 + corresponding to the i-th isotope, V;
U 8 - the intensity of the analytical signal 238 UF 5 + , Century
Измеренное значение декады пробы определяют по формуле
D
Перед началом измерения проб с помощью двух стандартных образцов ("верхнего" - CO1 и "нижнего" - СО2) измеряют коэффициенты памяти Mi, которые характеризуют "эффект памяти" масс-спектрометра. Расчет коэффициентов памяти для каждого СО производят по формулам
,
где Di B, Di H - паспортные значения декад большего и меньшего СО;
Di измер - измеренные значения декад, вычисленные согласно выражениям (1-2), в первом случае пробой считают CO1, во втором - СО2.The measured value of the decade of the sample is determined by the formula
D
Before starting the measurement of samples using two standard samples ("upper" - CO 1 and "lower" - CO 2 ) measure the memory coefficients M i , which characterize the "memory effect" of the mass spectrometer. The calculation of the memory coefficients for each WITH produced by the formulas
,
where D i B , D i H - passport values of decades of more and less WITH;
D i measured - measured values of decades, calculated according to the expressions (1-2), in the first case, the breakdown is considered CO 1 , in the second - CO 2 .
Истинное значение декады пробы D
D
Атомная доля i-го изотопа вычисляется по формуле
Пример 1. Проводилось определение коэффициентов памяти на масс-спектрометре MAT-281 (Германия) и МИ1201-АГМ (Украина), оборудованном предлагаемой системой ввода гексафторида урана в ионный источник. В таблице приведены результаты определения коэффициентов памяти по изотопу 235U, рассчитанные по приведенным выше формулам (1-3).True value of sample decade D
D
The atomic fraction of the ith isotope is calculated by the formula
Example 1. The memory coefficients were determined on a mass spectrometer MAT-281 (Germany) and MI1201-AGM (Ukraine), equipped with the proposed system for introducing uranium hexafluoride into an ion source. The table shows the results of determining the memory coefficients from the 235 U isotope, calculated according to the above formulas (1-3).
Данные, приведенные в таблице, свидетельствуют о том, что "эффект памяти" в масс-спектрометре МИ-1201 АГМ с предлагаемой системой ввода ГФУ незначителен и соизмерим с величиной "эффекта памяти" на масс-спектрометре MAT-281. The data in the table indicate that the "memory effect" in the MI-1201 AGM mass spectrometer with the proposed HFC input system is insignificant and comparable with the value of the "memory effect" on the MAT-281 mass spectrometer.
Литература
1. Сысоев А.А., Артаев В.Б., Кащеев В. В. Изотопная масс-спектрометрия. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 288 с.Literature
1. Sysoev AA, Artaev VB, Kashcheev VV Isotope mass spectrometry. - M .: Energoatomizdat, 1993 .-- 288 p.
2. C. Brunne, Advances in mass spectrometry, volume 2, "A new mass spectrometer for precision measurement of the 235U/238U isotopic ratio of UF6", 1963 г., page 230-243.2. C. Brunne, Advances in mass spectrometry,
3. Finnigan MAT, 281 Operating Manual, Bremen, 1986 г. 3. Finnigan MAT, 281 Operating Manual, Bremen, 1986.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001118580A RU2213957C2 (en) | 2001-07-04 | 2001-07-04 | System for injection of corrosive gases, for instance, uranium hexafluoride, into mass spectrometer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2001118580A RU2213957C2 (en) | 2001-07-04 | 2001-07-04 | System for injection of corrosive gases, for instance, uranium hexafluoride, into mass spectrometer |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2001118580A RU2001118580A (en) | 2003-06-20 |
RU2213957C2 true RU2213957C2 (en) | 2003-10-10 |
Family
ID=31988238
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2001118580A RU2213957C2 (en) | 2001-07-04 | 2001-07-04 | System for injection of corrosive gases, for instance, uranium hexafluoride, into mass spectrometer |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2213957C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007042746A3 (en) * | 2005-10-11 | 2007-12-21 | Gv Instr | Ion source preparation system |
-
2001
- 2001-07-04 RU RU2001118580A patent/RU2213957C2/en active
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
FINNIGAN MAT, 28/Operating Manual, Bremen, 1982. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007042746A3 (en) * | 2005-10-11 | 2007-12-21 | Gv Instr | Ion source preparation system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Barkan et al. | High‐precision measurements of 17O/16O and 18O/16O of O2 and O2/Ar ratio in air | |
Werner et al. | Extraction of CO2 from air samples for isotopic analysis and limits to ultra high precision δ18O determination in CO2 gas | |
ATE291276T1 (en) | MULTI-SAMPLE INTRODUCTION MASS SPECTROMETRY | |
CN111307921B (en) | Absolute measurement quadrupole mass spectrum hydrogen isotope gas abundance analysis method and device | |
US3735640A (en) | Apparatus for injecting a sample into a gas chromatograph | |
Sielemann et al. | Quantitative analysis of benzene, toluene, and m‐xylene with the use of a UV–ion mobility spectrometer | |
Kubáň et al. | Flow injection‐capillary electrophoresis system with contactless conductivity detection and hydrostatic pressure generated flow. Application to the quantitative analysis of inorganic anions in water samples | |
JP2012530918A (en) | Functional inspection and variation compensation in mass spectrometry | |
CN109001364B (en) | Double-channel sampling atmosphere HONO determination system and method | |
Sonke et al. | Determination of neodymium–fulvic acid binding constants by capillary electrophoresis inductively coupled plasma mass spectrometry (CE-ICP-MS) | |
CN101470101B (en) | Relative sensitivity calibration system for quadrupole mass spectrometer | |
RU2213957C2 (en) | System for injection of corrosive gases, for instance, uranium hexafluoride, into mass spectrometer | |
Komazaki et al. | Automated measurement system for H2O2 in the atmosphere by diffusion scrubber sampling and HPLC analysis of Ti (IV)–PAR–H2O2 complex | |
CN201152868Y (en) | Relative response calibration system for four polar mass spectra gauge | |
Sperlich et al. | An automated GC-C-GC-IRMS setup to measure palaeoatmospheric δ 13 C-CH 4, δ 15 NN 2 O and δ 18 ON 2 O in one ice core sample | |
US5324938A (en) | Method and apparatus for detecting strippable substances in liquids | |
CN108776194B (en) | Analysis device and gas analyzer | |
Leuenberger et al. | CO2 concentration measurements on air samples by mass spectrometry | |
WO1998054579A1 (en) | Carrierless sequential injection analysis | |
CN108519254B (en) | Sampling flow control device and gas analyzer | |
CN113607769A (en) | Parahydrogen content detection device and method by utilizing nuclear magnetic resonance | |
IlievaáIlcheva et al. | Coulometric detector cell for use with flow injection | |
Bertolini et al. | Optimized sample preparation for isotopic analyses of CO2 in air: systematic study of precision and accuracy dependence on driving variables during CO2 purification process | |
Gehre et al. | Methodical studies for d/h-isotope analysis-a new technique for the direct coupling of sample preparation to an irms | |
RU2240524C1 (en) | Leak detector |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner | ||
PD4A | Correction of name of patent owner |