Система ввода агрессивных газов, например гексафторида урана, в масс-спектрометр

 

Изобретение относится к системам ввода агрессивных газов в ионный источник масс-спектрометра. Техническим результатом является создание простой и эффективной системы ввода химически активных газов, например гексафторида урана в ионный источник, обеспечивающей минимальный "эффект памяти" масс-спектрометра. Гексафторид урана вводится в ионный источник в виде сформированного молекулярного пучка. Использование в составе устройства многоклапанного натекателя обеспечивает формирование молекулярного пучка с помощью эмиттера и диафрагмы с прямоугольными каналами сечения при давлении гексафторида урана в области формирования пучка порядка 10^-3 мм рт.ст. Значения коэффициентов памяти, соответствующие изотопу ²³⁵U, при использовании системы ввода составляют менее 1,003, при содержании изотопа 0,5÷5%, атомных. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

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.

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.

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 30^o, попадают на стенки камеры.

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.

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.

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.

2. Необходимость использования турбомолекулярных насосов для быстрой откачки остатков ГФУ из системы ввода.

3. Сложность конструкции системы ввода, обусловленная необходимостью точного выравнивания давления пробы и СО в системе напуска (в расширительных баллонах).

4. Необходимость использования дорогостоящих материалов, в частности золотой фольги, для изготовления эмиттера молекулярного пучка.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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 ≥2) и измеряя интенсивности аналитических сигналов, определяют множитель E_i для i-го изотопа, равный усредненному отношению декад пробы и СО: где декады пробы и СО по i-му изотопу соответственно равны , где U_i - интенсивность аналитического сигнала UF₅ ⁺, соответствующего i-му изотопу, В; U₈ - интенсивность аналитического сигнала ²³⁸UF₅ ⁺, В.

Измеренное значение декады пробы определяют по формуле D^изм_i = E_i•D^co_i (2) Перед началом измерения проб с помощью двух стандартных образцов ("верхнего" - CO₁ и "нижнего" - СО₂) измеряют коэффициенты памяти M_i, которые характеризуют "эффект памяти" масс-спектрометра. Расчет коэффициентов памяти для каждого СО производят по формулам ,
где D_i ^B, D_i ^H - паспортные значения декад большего и меньшего СО;
D_{i измер} - измеренные значения декад, вычисленные согласно выражениям (1-2), в первом случае пробой считают CO₁, во втором - СО₂.

Истинное значение декады пробы D^пр_iист с учетом коэффициента памяти определяют по формуле (в случае измерения пробы с СО₂)
D^пр_iистин = D^H_i+M^H_i•(D^изм_iпр-D^H_i) (4)
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).

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.

Литература
1. Сысоев А.А., Артаев В.Б., Кащеев В. В. Изотопная масс-спектрометрия. - М.: Энергоатомиздат, 1993. - 288 с.

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.

3. Finnigan MAT, 281 Operating Manual, Bremen, 1986 г.

Формула изобретения

1. Система ввода агрессивных газов, например гексафторида урана, в ионизационную камеру источника ионов масс-спектрометра в виде сформированного молекулярного пучка, содержащая эмиттер пучка с каналом прямоугольного сечения, диафрагму, расположенную между эмиттером и ионизационной камерой, молекулярный пучок после прохождения ионизационной камеры и молекулы, срезанные диафрагмой, конденсируются на криогенных элементах, отличающаяся тем, что между эмиттером пучка и отборниками с гексафторидом урана установлен многоклапанный натекатель, содержащий один игольчатый и несколько электромагнитных клапанов, закрепленных на корпусе натекателя и соединенных между собой с помощью выполненных в корпусе каналов с диаметрами 1-2 мм, указанный натекатель соединен с эмиттером пучка, а высота прямоугольного канала эмиттера пучка составляет 0,2-0,5 мм.

2. Система ввода по п.1, отличающаяся тем, что корпус многоклапанного натекателя изготовлен из цельного круга нержавеющей стали.

3. Система ввода по п.1, отличающаяся тем, что клапан откачки многоклапанного натекателя соединен с форвакуумным насосом.

4. Система ввода по п.1, отличающаяся тем, что многоклапанный натекатель соединен с эмиттером пучка с помощью медного или никелевого капилляра, диаметр и длина которого составляют 2÷4 и 100÷150 мм, соответственно.

5. Система ввода по п.4, отличающаяся тем, что в капилляр плотно вставлена трубка из фторопласта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5