УСТРОЙСТВО ВВОДА ГАЗОВ И ИХ СМЕСЕЙ В МАСС-СПЕКТРОМЕТР

Полезная модель относится к геохимии и аналитической химии и может быть использована при определении состава высоколетучих соединений в газово-жидких, расплавных и твердофазных включениях в минералах и породах и изучения вариаций изотопного состава кислорода, азота, углерода, серы, водорода и благородных газов и их элементных соотношений.
13
2
4
2
6
3
8
Известна установка пробоподготовки и ввода в масс-спектрометр газов флюидных включений для анализа газового состава и измерения значений δC и δD в разных компонентах (CO, CH, CH, CH) флюидных включений в геологических образцах, включающая рабочую вакуумную камеру, состоящую из соединенных между собой верхней и нижней частей и медной прокладки, установленной между ними, размещенный на нижней части камеры с возможностью поворота (на шарнирах) диск с ячейками для расположения образцов и установленные над ними в ячейках бойки, средство перемещения бойков, выполненное в виде пневмоприводов со штоками (толкателями), взаимодействующими с бойками, поворотный двигатель с валом, соединенным с помощью ключа с диском, средства вывода выделившегося газа и определения его состава, выполненные в виде масс-спектрометров, контроллер, соединенный со средствами перемещения бойков и поворотным двигателем и вакуумный пост [Патент США №5286651, G01N 33/24, G01V 5/00, опубл. 11.05.1993 г.].
2
2
2
Известная установка плохо защищена от эффекта обратной сорбции, который неизбежно приводит к изотопному фракционированию и искажению реального изотопного состава выделенных газов (в основном это относится к HO, SO, CO и углеводородным газам). Кроме того, она не предназначена для подготовки азота и благородных газов для изотопного анализа, что сужает ее функциональные возможности.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является устройство ввода газов и их смесей в масс-спектрометр, включающее узел вскрытия ампулы с исследуемым газом, соединенный с вакуумным постом и масс-спектрометром трубопроводами [Авт. Свид СССР №1714719, кл. H01J 49/00, G01N 35/06, опубл. 1992 г.].
Устройство для ввода проб в масс-спектрометр при анализе газовыделения материалов содержит рабочую камеру, соединенную с системой откачки, держатель со стеклянными ампулами для исследуемой пробы, выполненный наклонным с возможностью поочередной подачи ампул в рабочую камеру, электромагнитный блок захвата и разрушения ампул, выполненный в виде неподвижного ножа и приемного полукольца, расположенного под держателем ампул, установленного с возможностью возвратно-поступательного перемещения в сторону ножа и механически связанного с электромагнитным толкателем. Ампулы для исследуемой пробы снабжены дополнительной внутренней оболочкой из пористой меди, коаксиальной наружной оболочке.
Известное устройство не позволяет транспортировать пробу газа в потоке гелия в масс-спектрометр, что существенно снижает чувствительность анализа; не позволяет избежать эффекта сорбции на внутренних поверхностях системы (особенно критично для воды), что приводит к существенному изотопному фракционированию и, таким образом, невозможности получения надежных изотопных данных.
Задачей изобретения является обеспечение возможности изотопного и элементного анализа микроколичеств отдельных газов и газовых смесей с высокой воспроизводимостью результатов измерений.
Поставленная задача достигается тем, что устройство ввода газов и их смесей в масс-спектрометр, включающее узел вскрытия ампулы с исследуемым газом, соединенный с вакуумным постом и масс-спектрометром трубопроводами, дополнительно содержит блок коммутации газовых потоков, блок деления исследуемой пробы газа и блок подачи гелия в устройство, блок деления пробы соединен трубопроводами через двухходовой вентиль с узлом вскрытия ампулы, а через трехходовой вентиль и тройник с блоком коммутации газовых потоков, блок подачи гелия соединен через блок коммутации и трехходовой вентиль с узлом вскрытия ампулы, причем блок коммутации газовых потоков, узел вскрытия ампулы, блок деления исследуемой пробы газа и трубопроводы снабжены нагревателями.
Преимущественно блок деления исследуемой пробы газа выполнен в виде капиллярной петли.
Преимущественно узел вскрытия ампулы может быть выполнен в виде металлического корпуса, установленного в нем коаксиально бойка с механизмом его перемещения, защитной микронной сетки, расположенной в верхней боковой части корпуса, и соединенной с корпусом гильзой для размещения ампулы с исследуемым газом, содержащей пружину для перемещения ампулы в зону бойка, при этом гильза соединена трубопроводами с блоком подачи гелия.
Осуществление нагрева всего устройства при вскрытии ампулы с газом и транспортировке газа в масс-спектрометр хорошо защищает от эффекта сорбции на внутренних поверхностях узлов и трубок, который неизбежно приводит к изотопному фракционированию и искажению реального изотопного состава выделенных газов, а снабжение узла вскрытия ампулы защитной микронной сеткой из нержавеющей стали предохраняет трубопроводы от стеклянной пыли.
Транспортировка пробы газа в масс-спектрометр в потоке гелия повышает чувствительность анализа.
Снабжение системы блоком деления исследуемой пробы газа позволяет при достаточном количестве газа оперативно проводить повторный изотопный анализ, проверяя, таким образом, воспроизводимость и улучшая точность получаемых данных.
На фиг. 1 представлена схема устройства.
На фиг. 2 - общий вид в разрезе узла вскрытия ампулы.
Устройство (см. фиг. 1) состоит из узла I вскрытия ампулы с исследуемым газом, блока II деления исследуемой пробы газа, блока III коммутации газовых потоков, вакуумного поста IV, соединенных с масс-спектрометром и блоком подачи гелия (на чертеже не показаны).
Узел I вскрытия ампулы с исследуемым газом (см. фиг. 2) состоит из металлического корпуса 1, установленного в нем коаксиально бойка 2 с механизмом его перемещения, выполненным в виде сильфонного узла 3 и подающего винта 4, и соединенной с корпусом 1 гильзой 5 с ампулой 6 с исследуемым газом, содержащей фиксирующую ампулу 6 пружину 7, защитную микронную сетку 8 (см. Фиг. 1), расположенную в верхней боковой части металлического корпуса 1 узла вскрытия ампулы.
Гильза 5 соединена через трубопровод 9 с блоком подачи гелия для транспортировки газа из вскрытой ампулы 6 в масс-спектрометр.
Трубопровод 10, соединяющий вакуумный пост IV и узел I вскрытия ампулы 6 снабжен клапаном 11 (см. фиг. 1).
Узел I вскрытия ампулы снабжен нагревателем 12.
Блок II деления исследуемой пробы газа выполнен в виде капиллярной петли 13, соединенной с узлом I вскрытия ампулы с исследуемым газом трубопроводом 14 и блоком III коммутации газовых потоков через двухходовой клапан 15 и трехходовой клапан 16 и снабжен нагревателем 17.
Блок III коммутации газовых потоков выполнен в виде шестипортового крана 18, снабженного нагревателем 19, и соединенного с блоком подачи блоком подачи гелия чистого гелия и масс-спектрометром (на чертеже не показаны).
Целесообразно вакуумный пост IV снабдить датчиком давления (на чертеже не показан). Снабжение вакуумного поста датчиком давления позволяет оценивать степень чистоты системы и готовности к транспортировке газа в потоке гелия. Таким образом, исключаются ввод недостаточно чистого газа, излишняя потеря времени на очистку системы от поверхностных загрязнений и увеличивается точность измерений.
Устройство работает следующим образом.
Ампулу 6 (фиг. 1, фиг. 2) с исследуемым газом (жидкостью) помещают в гильзу 5 узла вскрытия ампулы I. Затем гильзу 5 подсоединяют к корпусу 1 узла I вскрытия ампулы 6, соединенному через трубопровод 10 и клапан 11 с вакуумным постом IV, и откачивают через клапан 11 на фор-вакуум при прогреве нагревателями 12, 17, 19 до 180-200°C в течение 5-10 минут для удаления поверхностно-адсорбированных атмосферных газов; причем ампула 6 подается с помощью пружины 7 в положение готовности к вскрытию в узле I вскрытия ампулы 6.
Затем перекрывают клапан 11 и переключают шестипортовый кран 18 в положение «продувка системы», чтобы продуть систему чистым гелием в течение 2-3 минут. После этого на масс-спектрометре дают команду «приступить к анализу» и через 70-80 сек. вращением винта 4 боек 2 перемещается в направлении ампулы 6 и разрушает ее при открытом клапане 15 и клапане 16 повернутом в положение «продувка системы». В результате пары воды (углеводородные газы) в потоке гелия переносятся по трубопроводам 10 и 14 в масс-спектрометр для изотопного анализа.
После этого шестипортовый кран 18 переводят в положение бай-пасс, прекращая продувку системы чистым гелием, температуру системы опускают, и загружают новую ампулу с образцом.
При достаточном количестве исследуемого газа предусмотрена возможность деления пробы для проведения повторных анализов одной и той же пробы, проверяя, таким образом, воспроизводимость и улучшая точность получаемых данных.
Для этого после перекрытия клапана 11, не переключая шестипортовый кран 18 в положение «продувка системы», вращением винта 4 узла I вскрытия ампулы 6 боек 2 перемещается в направлении ампулы 6 и разрушает ее при открытом клапане 15, таким образом, распределяя пробу газа между объемом петли 13 и объемом всей системы. Через 1 минуту, после уравновешивания давления газа между этими объемами, клапан 15 перекрывается, шестипортовый кран 18 поворачивается в положение «продувка системы», а клапан 16 в положение «продувка петли», таким образом, проба газа из петли 13 подается в потоке гелия в масс-спектрометр. Процедура деления газа может повторяться несколько раз, в зависимости от количества газа в данной пробе.
Благодаря применению нагревателей в системе предлагаемое устройство позволяет избежать эффекта сорбции паров воды на внутренних поверхностях и подготавливать воду не только для изотопного анализа водорода, но и кислорода.
Кроме того, оно позволяет подготавливать к изотопному анализу углеводородные газы.
За счет применения методики ConFlo (транспортировка газов в потоке гелия) повышается чувствительность анализа.
Благодаря применению защитных микронных сеток значительно уменьшается риск засорения трубопроводов (капилляров) стеклянной пылью, образующейся при вскрытии ампул с газом.
Предлагаемое устройство позволяет сохранять выделяемые из флюидных включений газы для последующего анализа, который может быть проведен спустя продолжительное время.
Для доказательства воспроизводимости результатов измерений была проведена серия изотопных анализов (δD) в образце кварца из месторождения «Солнечное». Ампула с большим (>1 мкл) количеством воды, выделенной из этого образца, была загружена в предлагаемое устройство. После вскрытия ампулы проба газа (паров воды) проходила процедуру деления пять раз. Соответственно, было проведено 5 измерений изотопного состава водорода. Полученные данные представлены в таблице
«Результаты повторных измерений δD в образце Quarz 2830».
Таблица
Quarz 2830 №/п
δD, %о SMOW
1
-122.8
2
-132.5
3
-126.0
4
-128.4
5
-128.1
StDev
3.6
Как видно из таблицы данные воспроизводятся не хуже, чем ±4‰.