氦同位素组成惰性气体质谱测定方法

  氦为元素周期表中的零族元素，因其化学性质不活泼，不参与各种化学反应过程，因此它们的同位素组成的变化几乎不受复杂的化学反应过程影响。已有研究表明，氦在地球大气圈、地壳、上地幔和下地幔各圈层具有不同的同位素比值，变化范围可达3个数量级，因此，氦同位素作为地质过程和物质来源的天然示踪剂倍受重视。
  在地球演化中，利用氦同位素比值的不同来研究地幔的演化和结构特征；在地震预报中，根据地震带氦同位素的的背景值突然远离大气值的现象来进行地震的预测；在天然气勘探和成因研究中，根据天然气中氦同位素比值的分布规律，可以对寻找天然气藏起到很好的指示作用。
  我国对氦同位素组成的研究主要是受限于分析设备，近几年伴随着一批高、精、尖的仪器引进，氦同位素分析技术展已在分析的准确度和精确度方面都取得了很大的进发展。美国热电公司生产的HeLixSFT型惰性气体质谱仪，用于开展样品中氦同位素组成及其它惰性气体同位素组成的分析测试及研究工作。
  HeLixSFT是一种新型的、采用分叉分离飞行管道设计的惰性气体质谱仪，这种设计使得仪器对测量氦同位素组成有极高的分辨率、精确度与准确度。仪器主要是由样品制备系统、纯化系统和测试系统组成。 样品制备系统主要包括①双真空加热炉，外部真空由金属扩散泵获得，内部真空由涡轮分子泵获得；②激光熔样装置，能够实现微区熔样提取气体。两者均可实现阶段升温加热，最高温度可达1800℃，满足各类地质样品的分析要求。
 样品纯化系统为双路纯化系统，其超高真空由分子泵机组和离子泵实现，极限真空可达10－8Pa。样品由四个锆铝泵，一个活性炭冷阱进行多级纯化，锆铝泵在400℃可以除去大N2、O2、CO、CO2和碳氢化合物等气体，常温下可以吸附Ｈ２，因此，通常是两个锆铝泵在常温下工作，而另外两个锆铝泵则是在400℃下工作，保证了所测气体能够被充分纯化。活性炭冷阱则主要是为了分离不同的惰性气体，当在活性炭冷阱上冷却至液氮温度时，可吸附Ar、Kr、Xe，此时系统内只剩下He、Ｎｅ，由于两者质荷比相差较大，互不干扰测定，所以此时两者可进入质谱进行氦同位素的测量。为了方便空气标准气体和气体样品中的氦同位素组成，纯化系统带有容量为１μＬ小体积，由４组电磁阀来实现此体积的控制。
  样品的测试系统为主机部分，主机的真空由分子泵机组和离子泵来实现，采用在３５０℃对整个系统进行４８ｈ的分子泵去气后，然后对系统在３５０℃下进行４８ｈ的离子泵去气，系统的真空度优于１０－８Ｐａ。离子源采用Ｎｉｅｒ离子源，可最大化地对气体分子进行离子化，这样就使得仪器有极高的灵敏度，其灵敏度对于Ｈｅ在８００μＡ阱电流时好于２×１０－４ａｍｐｓ／Ｔｏｒｒ，对于Ａｒ在２００μＡ阱电流时好于１×１０－３ａｍｐｓ／Ｔｏｒｒ。
  因为一般样品中氦含量极低，所以分析系统内部极微的放气率或者漏气率就会对实验结果造成很大的影响。HeLixSFT在这方面有着很大的优势。首先，在离子源附近设计了锆铝泵，进一步除去经纯化系统后极微量的Ｈ２，避免Ｈ２对Ｈｅ同位素的测量产生的干扰；其次，仅有７００ｃｍ３的飞行管道体积以及管道内表面特殊的抛光处理，使仪器在静态真空条件下，用倍增器测量４０Ａｒ本底值，其静态气体上升率小于１×１０－１２ｃｃＳＴＰ／ｍｉｎ，通过对３６Ａｒ测定，其背景值小于５×１０－１４ｃｃＳＴＰ，保证了氦同位素测量具有极高的准确度。 质谱主机的磁场半径为３５ｃｍ，偏转角度为１２０°，法拉第杯的分辨率＞４００，离子计数器分辨率＞７００，独特的分离管道设计，不仅保证了仪器能够将３Ｈｅ和４Ｈｅ分开，而且可将ＨＤ＋Ｈ３峰与３Ｈｅ峰完全分开，这些特点既保证了仪器有很高的分辨率，又避免气体之间相互干扰。