氦同位素組成惰性氣體質譜測定方法

  氦為元素周期表中的零族元素，因其化學性質不活潑，不參與各種化學反應過程，因此它們的同位素組成的變化幾乎不受複雜的化學反應過程影響。已有研究表明，氦在地球大氣圈、地殼、上地幔和下地幔各圈層具有不同的同位素比值，變化範圍可達3個數量級，因此，氦同位素作為地質過程和物質來源的天然示蹤劑倍受重視。
  在地球演化中，利用氦同位素比值的不同來研究地幔的演化和結構特征；在地震預報中，根據地震帶氦同位素的的背景值突然遠離大氣值的現象來進行地震的預測；在天然氣勘探和成因研究中，根據天然氣中氦同位素比值的分布規律，可以對尋找天然氣藏起到很好的指示作用。
  我國對氦同位素組成的研究主要是受限於分析設備，近幾年伴隨著一批高、精、尖的儀器引進，氦同位素分析技術展已在分析的準確度和精確度方麵都取得了很大的進發展。美國熱電公司生產的HeLixSFT型惰性氣體質譜儀，用於開展樣品中氦同位素組成及其它惰性氣體同位素組成的分析測試及研究工作。
  HeLixSFT是一種新型的、采用分叉分離飛行管道設計的惰性氣體質譜儀，這種設計使得儀器對測量氦同位素組成有極高的分辨率、精確度與準確度。儀器主要是由樣品製備係統、純化係統和測試係統組成。 樣品製備係統主要包括①雙真空加熱爐，外部真空由金屬擴散泵獲得，內部真空由渦輪分子泵獲得；②激光熔樣裝置，能夠實現微區熔樣提取氣體。兩者均可實現階段升溫加熱，最高溫度可達1800℃，滿足各類地質樣品的分析要求。
 樣品純化係統為雙路純化係統，其超高真空由分子泵機組和離子泵實現，極限真空可達10－8Pa。樣品由四個鋯鋁泵，一個活性炭冷阱進行多級純化，鋯鋁泵在400℃可以除去大N2、O2、CO、CO2和碳氫化合物等氣體，常溫下可以吸附Ｈ２，因此，通常是兩個鋯鋁泵在常溫下工作，而另外兩個鋯鋁泵則是在400℃下工作，保證了所測氣體能夠被充分純化。活性炭冷阱則主要是為了分離不同的惰性氣體，當在活性炭冷阱上冷卻至液氮溫度時，可吸附Ar、Kr、Xe，此時係統內隻剩下He、Ｎｅ，由於兩者質荷比相差較大，互不幹擾測定，所以此時兩者可進入質譜進行氦同位素的測量。為了方便空氣標準氣體和氣體樣品中的氦同位素組成，純化係統帶有容量為１μＬ小體積，由４組電磁閥來實現此體積的控製。
  樣品的測試係統為主機部分，主機的真空由分子泵機組和離子泵來實現，采用在３５０℃對整個係統進行４８ｈ的分子泵去氣後，然後對係統在３５０℃下進行４８ｈ的離子泵去氣，係統的真空度優於１０－８Ｐａ。離子源采用Ｎｉｅｒ離子源，可最大化地對氣體分子進行離子化，這樣就使得儀器有極高的靈敏度，其靈敏度對於Ｈｅ在８００μＡ阱電流時好於２×１０－４ａｍｐｓ／Ｔｏｒｒ，對於Ａｒ在２００μＡ阱電流時好於１×１０－３ａｍｐｓ／Ｔｏｒｒ。
  因為一般樣品中氦含量極低，所以分析係統內部極微的放氣率或者漏氣率就會對實驗結果造成很大的影響。HeLixSFT在這方麵有著很大的優勢。首先，在離子源附近設計了鋯鋁泵，進一步除去經純化係統後極微量的Ｈ２，避免Ｈ２對Ｈｅ同位素的測量產生的幹擾；其次，僅有７００ｃｍ３的飛行管道體積以及管道內表麵特殊的拋光處理，使儀器在靜態真空條件下，用倍增器測量４０Ａｒ本底值，其靜態氣體上升率小於１×１０－１２ｃｃＳＴＰ／ｍｉｎ，通過對３６Ａｒ測定，其背景值小於５×１０－１４ｃｃＳＴＰ，保證了氦同位素測量具有極高的準確度。 質譜主機的磁場半徑為３５ｃｍ，偏轉角度為１２０°，法拉第杯的分辨率＞４００，離子計數器分辨率＞７００，獨特的分離管道設計，不僅保證了儀器能夠將３Ｈｅ和４Ｈｅ分開，而且可將ＨＤ＋Ｈ３峰與３Ｈｅ峰完全分開，這些特點既保證了儀器有很高的分辨率，又避免氣體之間相互幹擾。