研究采用ELITE SXP-50型低分辨率四極質譜計(QMS)在不制備HD標樣的條件下精確測量并計算混合氣體中的氕氘分壓比C_H/C_D的方法。標定結果表明:QMS對H₂及D₂的響應與氕、氘氣體壓力呈良好線性,且有直線斜率K(H₂)= 2K(D₂)的關系,并據此推斷K(HD)=1.5K(D₂)。對已知氕氘摩爾比為1.01～4.02的混合氣體試樣進行了測定,計算得到混合氣體中的C_H/C_D比與給定值間的相對偏差小于4.0%。用C_D/ C_H=1.05的標準混合氣體進行了方法驗證,4次測定的C_D/C_H平均值為1.07,與標準值的相對偏差為1.9%。驗證實驗證實:所推斷出的K(HD)=1.5K(D₂) 關系是可靠的,利用此型號四極質譜計可較精確地測定氕、氘混合氣體中的氕氘比C_H/C_D 。

　　氫同位素化合物在生成和分解過程中的同位素效應影響制備出的氫同位素核靶的同位素組成,從而影響核靶性能。故在研究制靶用儲氫(同位素) 鈾床和氫(同位素) 化物靶膜生成過程的同位素效應時,必須定量分析氫同位素混合氣體中的氕、氘含量。采用氣相色譜法可測定氕氘含量,但色譜柱須在液氮溫度下工作,且測量結果對色譜柱工作溫度極為敏感,溫度的微小波動將引起測量結果的較大變化。氕氘含量也可用高分辨率質譜儀測量,質譜儀雖能將D和H₂相區分,但因H₂+ D₂=2HD 反應達到平衡需要很長時間,而用燒紅的鎢絲催化加速平衡既不方便且費時,因此,HD的標定問題仍難以解決。為此,本工作研究采用分辨率較低的SXP-50型四極質譜計在不制備HD 標樣條件下較精確測定混合氣體中的氕氘比C_H/C_D的方法。

1、實驗部分

1.1、實驗原理

　　氕氘混合氣體中存在H₂+D₂=2HD同位素交換反應,這一反應達到平衡的時間很長,而H₂ 和D₂離解為H原子和D 原子的比例又極小,因此,在用四極質譜計(QMS) 測量氕氘混合氣體時,在譜圖上通常只出現質量數為2 (對應H₂) 、3(對應HD) 和4 (對應D₂) 的譜峰。在多質量數下,QMS 測得的峰高與相應組分的分壓呈正比關系,即

　　式中: hi 、pi 分別為第i 種組分的峰高(A) 和分壓(kPa) ; Ki 為QMS 對第i 種組分的靈敏度。用純H₂ 和純D₂ 氣分別在QMS 上測取各自的標定曲線, 求出直線斜率K ( H₂ ) 和K(D₂) ,并由K(H₂) 和K(D₂) 導出K(HD) ,然后,利用式(1) 計算出H₂ 、D₂ 和HD 的分壓強p (H₂) 、p (D₂) 、p (HD) ,再由下式計算H₂ 的相對含量:

　　同理,可計算得到HD 和D₂ 的相對含量CHD和CD₂ 。氘的相對含量則為:

　　氕的相對含量CH = 1 - CD 。這樣,可最終計算出注入QMS樣品室內的氕氘混合氣體中H和D的含量比CH/CD 。

1.2、實驗裝置

　　實驗裝置由超高真空金屬系統和1 臺EL ITE SXP-50 型四極質譜計構成(圖1) 。氣體樣品通過分子滲漏閥引入QMS 樣品室。將系統抽真空(約3 ×10^-5Pa) 后,加熱氕化鈾床,釋放一定量氕氣,開啟滲漏閥,讓微量氕氣進入質譜計分析室,調節滲漏閥,使QMS處于工作真空度5 ×10^-4Pa 下,并保持分析室內真空度和測量峰高穩定,此時,固定滲漏閥手柄位置,并在整個實驗過程中保持閥門手柄位置固定不變。對于不同的滲漏速率,需分別標定QMS 的靈敏度。

圖1 　實驗裝置

2、實驗結果

2.1、QMS對氕氣和氘氣的測量靈敏度

　　將系統抽高真空后,加熱氕化鈾床,釋放35 kPa氕氣,因H₂=2H 反應生成H 的量較少,在譜圖上只出現H₂ 的譜峰。測量過程中,氕壓依次減少1kPa ,直至3kPa 時止。回收氕氣并重復測量一次。繪制的H₂ 峰高與H₂ 壓力間的關系曲線示于圖2 。

圖2 　氕氣的標定曲線　　圖3 　氘氣的標定曲線

　　由圖2 可見: H₂ 峰高與H₂ 壓力間呈現良好線性關系,QMS 對H₂ 的標定曲線的斜率K(H₂) = 0.087pA·Pa ^{- 1} ; 對氕的2次標定結果基本重合,它們之間的差異是由2 次測量并非在同一真空度下進行而使分析室的H₂ 本底不同所造成的。同樣,可對氘氣進行標定,繪制出D₂ 峰高與D₂ 氣壓間的關系曲線(圖3) 。

　　由圖3 可見:D₂ 峰高與D₂ 壓力間呈現良好線性關系,QMS 對D₂ 的標定曲線的斜率K(D₂) = 0.043 pA·Pa ^{- 1} ,4 次標定結果基本重合。