可攜式質譜計的製作方法

2023-09-10 05:54:05 1

專利名稱：可攜式質譜計的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種氣體分析領域，特別是一種可攜式質譜計。
技術背景氦在地殼中的含量極少，在整個宇宙中按質量計佔23%，在空氣 中的含量為0.0005%，氦(He)有兩種天然同位素，分別是氦3^He)、 氦4 (4He)，其中自然界中存在的氦基本上全是4He， 一般所稱He 的濃度就是"He的濃度。He主要有三種來源地幔中原始氦，地殼 中放射性成因氦，以及大氣中的氦。由於放射性礦產蓄積了放射性元 素，經a衰變後會產生iHe;以及斷層破壞土壤形成高滲漏帶和油氣 水邊界垂向運移，所以可以通過測量He來監測地質災害和探測隱覆 的礦產。現有的測氦儀主要採用質譜分析的手段，由真空泵、質譜分析系 統、電源等幾部分構成，為了提高解析度，通常採用增大軌道半徑的 方式，也就必然導致了測氦儀體積增大，此外，現有測氦儀採用了多 級真空泵對測氦儀抽真空，也使得測氦儀的整體更加龐大。 發明內容本發明克服了上述缺點，提供了一種結構小巧、使用方便、實用 性強的可攜式質譜計。本發明解決其技術問題所採取的技術方案是 一種可攜式質譜 計，包括真空泵、進樣系統、質譜分析系統、電源單元和數據採集處 理單元，所述質譜分析系統的進氣口與所述採樣系統相連，進氣系統
將採樣氣體引入所述質譜分析系統，所述質譜分析系統將獲得的電信 號輸入到所述數據採集處理單元，所述電源單元向所述質譜分析系統 提供工作電壓。所述進樣系統可採用四個真空閥門，其中的三個與一個針筒狀注 入口串聯，串聯後的兩端中的任一端與採樣氣體聯通，所述三個真空閥門中的一個為針閥，所述針筒狀注入口和針閥位於串聯的另兩個閥 門之間，第四個真空閥門連接在所述質譜分析系統和所述針閥之間。 所述真空泵可為鈦離子泵，所述鈦離子泵的出氣口可通過高壓真 空夾剪密封。所述電源單元可包括DC/DC電源和電源控制模塊，通過所述電 源控制模塊控制所述DC/DC電源向所述質譜分析系統供電輸出電 壓。所述質譜分析系統可離子光學系統的磁式質譜分析系統。所述數據採集處理單元可包括信號放大模塊、數據分析模塊和存 儲/顯示模塊，通過放大模塊將質譜分析系統輸出的電量信號放大後 由數據分析模塊和標準氣體的值進行比較，最後在存儲/顯示模塊中 實現存儲或/和顯示。所述質譜分析系統中離子流的磁偏轉角可為129° 131° ，入 射角可為55° 57° 。本發明將從野外的井、泉逸出氣和斷層氣連續流過氣路，使氦和 氫氣連續不斷滲入進樣系統，使進樣系統內的氦和氫等氣體含量的變 化引起質譜分析系統輸出電壓的變化。與傳統的利用氣相色譜方法的 設備相比較，具有精簡便攜、靈敏度和精密度高、穩定性和線性度好、 測試範圍寬、抗幹擾性強、信息量大、能連續測定、電量化輸出等優
點，實現了氣相色譜法和質譜法無法實現的功能。


圖1為本發明的結構原理圖；圖2為本發明中進樣系統的結構示意圖；圖3為本發明中質譜分析系統的結構示意圖；圖4為本發明中質譜分析系統的工作原理圖。
具體實施方式
如圖1中所示，本發明主要由鈦離子泵、進樣系統、質譜分析系 統、電源、電源控制單元和數據採集處理單元構成。所述鈦離子泵的出氣口通過一個高壓真空夾剪密封，進氣口與所 述質譜分析系統內的空間連通，所述質譜分析系統的樣品注入口與進 樣系統連接，本發明在攜帶至野外之前，首先通過外接真空系統與所 述鈦離子泵構成的多級真空系統對進樣系統和質譜分析系統抽真空， 在所述質譜分析系統中達到真空值要求後，通過所述高壓真空夾剪將 所述鈦離子泵的進氣口密封，再通過所述鈦離子泵的繼續運轉使得所 述質譜分析系統始終保持所需的真空度。這樣省去了多個真空泵的重 量和體積，在將所述測氦儀帶出野外實地測量使用時，也更加輕便和 便攜。所述進樣系統如圖2中所示，由四個真空閥門A、 B、 C、 D構 成，將被測樣品與環境空氣分隔開，保證測量的準確性。其中的三個 真空閥門、即閥門A、 B、 C與針筒狀注入口I串聯，兩端中任一端 與採樣氣體的進樣口聯通，其中，所述針筒狀注入口I位於串聯的閥 門B、 C之間，也與採樣氣體的進樣口聯通，所述閥門B為針閥或帶 有針閥的開關，用於對進樣氣體限流，第四個真空閥門D連接在所
述質譜分析系統的樣品注入口和針筒狀注入I之間。採樣氣體可以通 過閥門A或閥門B或針筒狀注入口 I的多種方式，注入到所述各閥 門間的空腔，再通過所述閥門B的開啟注入到所述質譜分析系統中。 所述進樣系統採用儘可能少的真空閥門個數，達到最佳的密封隔離效 果，也達到減輕重量的目的。所述質譜分析系統為磁式質譜分析系統，如圖3中所示，質譜分 析系統的內部是超高真空，所述鈦離子泵7從所述質譜分析系統的電 離室2處連接，使所述質譜分析系統內保持真空度，從所述進樣系統 送出的氣體樣品從樣品注入口 l注入後，經管道進入電離室2，電離 室2中的燈絲加熱後形成電子云，這些電子束通過電離，與樣品氣體 碰撞，氣體分子被電離，形成帶電的離子，在加速電壓的作用下以一 定速度進入偏轉管並產生偏轉，在偏轉管4中沿軌跡T偏轉飛行，最 後進入法拉第筒5中，最後通過引出電極6將法拉第筒5收集到的被 電離的氦粒子數量轉化為電量信號輸出到所述數據採集處理單元。所 述質譜分析系統的質譜原理如圖4中所示，當採樣氣體經過電離、加 速後形成以一定速度運動的離子流，其中包括氫、氦、氧、氮、二氧 化碳等多種氣體粒子，當他們進入磁鐵3產生的磁場後，會產生一定 的偏轉，不同的帶電離子會沿不同的半徑運動，其運動半徑與粒子的 質量成正比，質量越大的粒子運動半徑越大，粒子離開磁場時將沿不 同的方向運動，最後落在接收板的不同的位置，形成按照質量分散開 的離子流的譜。這樣通過調整電離加速室2中加速電壓的高低，可以 改變粒子束的速度，從而改變粒子的偏轉半徑，將各項參數調整到適 當的值時，能使所有的氦粒子進入法拉第筒5中，而其它的氣體粒子 不能進入。其中所述電離後的離子流的入射和出射角為56° ，即入
射方向與所述磁場的垂線方向之間夾角為56° ，也即圖中所示的所述入射方向的垂線與磁場方向之間的夾角a為56° ，而離子流的磁 偏轉角，即入射方向的垂線與接收板(即法拉第筒)之間的夾角e為 130° ，從而達到接收帶點粒子的最佳分辨本領，採用本發明中的所 述離子光學質譜計，在不增大離子流飛行軌道半徑、也即不增大質譜 計的體積前提下，保證了質譜檢測的靈敏度和分辨本領。所述磁鐵3 採用永久磁鐵，形成穩定的磁場。所述數據採集處理單元包括信號放大模塊、數據分析模塊和存儲 /顯示模塊，所述數據分析模塊可以採用單片機、MCU、 CPU等微處 理器，對採集到的數據進行處理，通過放大模塊將電量信號放大後由 數據分析模塊和標準氣體的值進行比較，就可以計算出氣體中的氦含 量，最後在顯示屏上顯示，或存儲在存儲設備中，以便上傳並進一步 處理。所述電源採用DC/DC電源，由一個電源控制模塊輸出的電壓值， 所述電源控制模塊可與所述數據分析模塊採用同一微處理器實現控 制。由於電源採用DC/DC電源，輸出為100V 1200V，通過所述電 源控制模塊控制輸出350V 400V和800V 900V進行掃描，繪製出 氦和氫等多種氣體的質譜圖。與現有的交流電源相比，省去了變壓器、 整流器等設備，使測氦儀的整體體積和重量進一步減少，滿足便攜的 需要。便攜測氦儀在地震預報方面更具有實用價值，能夠廣泛應用於地 震、火山、滑坡等地質災害的監測，活動斷層、油氣藏、放射性礦產 的探測，管線滲漏探測與氣體中氦含量測定，資源、環境、軍工、大 氣與海洋有關的科研院所和教學機構實驗分析使用。
以上對本發明所提供的可攜式質譜計進行了詳細介紹，本文中應 用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的 說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想；同時，對於本領 域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用範圍 上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的 限制。
權利要求
1. 一種可攜式質譜計，其特徵在於包括真空泵、進樣系統、質譜分析系統、電源單元和數據採集處理單元，所述質譜分析系統的進氣口與所述採樣系統相連，進氣系統將採樣氣體引入所述質譜分析系統，所述質譜分析系統將獲得的電信號輸入到所述數據採集處理單元，所述電源單元向所述質譜分析系統提供工作電壓。
2. 根據權利要求1所述的可攜式質譜計，其特徵在於所述進樣 系統採用四個真空閥門，其中的三個與一個針筒狀注入口串聯，串聯 後的兩端中的任一端與採樣氣體聯通，所述三個真空閥門中的一個為 針閥，所述針筒狀注入口和針閥位於串聯的另兩個閥門之間，第四個 真空閥門連接在所述質譜分析系統和所述針閥之間。
3. 根據權利要求1所述的可攜式質譜計，其特徵在於所述真空 泵的出氣口通過高壓真空夾剪密封。
4. 根據權利要求1所述的可攜式質譜計，其特徵在於所述電源 單元包括DC/DC電源和電源控制模塊，通過所述電源控制模塊控制 所述DC/DC電源向所述質譜分析系統供電輸出電壓。
5. 根據權利要求1所述的可攜式質譜計，其特徵在於所述質譜 分析系統採用離子光學系統的磁式質譜分析系統。
6. 根據權利要求1~5中任一項所述的可攜式質譜計，其特徵在於所述數據採集處理單元包括信號放大模塊、數據分析模塊和存儲/顯示模塊，通過放大模塊將質譜分析系統輸出的電量信號放大後由數據分析模塊和標準氣體的值進行比較，最後在存儲/顯示模塊中實 現存儲或/和顯示
7. 根據權利要求6所述的可攜式質譜計，其特徵在於所述質譜分析系統中離子流的磁偏轉角為129° 131° 。
8. 根據權利要求6所述的可攜式質譜計，其特徵在於所述質譜 分析系統中離子流的入射角為55。 57° 。
9. 根據權利要求1~5中任一項所述的可攜式質譜計，其特徵在 於所述真空泵採用鈦離子泵。
全文摘要
本發明涉及一種氣體分析領域，特別是一種可攜式質譜計，包括真空泵、進樣系統、質譜分析系統、電源單元和數據採集處理單元，所述質譜分析系統的進氣口與所述採樣系統相連，進氣系統將採樣氣體引入所述質譜分析系統，所述質譜分析系統將獲得的電信號輸入到所述數據採集處理單元，所述電源單元向所述質譜分析系統提供工作電壓。本發明通過真空泵維持質譜分析系統中的高真空度，將野外的井、泉逸出氣和斷層氣連續流過氣路，使氦和氫氣連續不斷滲入進樣系統，使進樣系統內的氦和氫氣含量的變化引起質譜分析系統輸出電壓的變化。與傳統的利用氣相色譜方法的設備相比較，具有精簡便攜、靈敏度和精密度高、穩定性和線性度好、測試範圍寬等優點。
文檔編號G01N27/62GK101398406SQ20071016424
公開日2009年4月1日 申請日期2007年9月30日 優先權日2007年9月30日
發明者孔令昌 申請人:孔令昌