本發(fā)明涉及氣體地球化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及氣體化學(xué)與稀有氣體同位素組成同時測量裝置及其方法。
背景技術(shù)：
氣體地球化學(xué)研究涉及眾多的地球科學(xué)領(lǐng)域：全球物質(zhì)循環(huán)中的氣體傳輸、火山地震活動中氣體的作用、石油天然氣資源、地球內(nèi)部氣體與巖石的相互作用、地幔脫氣作用、氣體的地質(zhì)儲存，等等。主要研究：氣體樣品（如大氣、天然氣等），液體樣品（如地下水、溫泉水、海水等）中溶解的氣體，固體樣品（如頁巖、天然氣烴源巖或儲層、成礦巖石等）中所賦存的氣體，這些氣體（h2、n2、o2、co、co2、h2s、ch4、c2h2n+2、he、ne、ar、kr和xe等）的化學(xué)組成及其穩(wěn)定同位素組成特征，以探討這些氣體的成因、來源、地球化學(xué)特征、耦合共存機(jī)制，及其所反映的地球動力學(xué)環(huán)境和演化。
其中氣體化學(xué)組成和稀有氣體（he、ne、ar、kr和xe）穩(wěn)定同位素組成的測量是氣體地球化學(xué)研究的重要手段。在以往的研究工作中，氣體化學(xué)組成和稀有氣體穩(wěn)定同位素組成的測量是分開進(jìn)行的，即需要兩個樣品，用氣相色譜儀或氣體組分質(zhì)譜儀測量一個樣品的化學(xué)組成，用稀有氣體質(zhì)譜儀測量另一個樣品的稀有氣體的穩(wěn)定同位素組成，樣品量要求較多，測量周期較長，進(jìn)樣過程中造成空氣污染的情況不一致，氣體化學(xué)組成的測量結(jié)果不能用于氦氬同位素在測量過程中的空氣干擾校正。
有的單位用四極質(zhì)譜儀和稀有氣體質(zhì)譜儀同時測量樣品，不過其四極質(zhì)譜儀僅測量純化后稀有氣體的化學(xué)組成，測量結(jié)果不全面，也不能進(jìn)行氦氬同位素在測量過程中的空氣干擾校正。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種一次進(jìn)樣、測量結(jié)果全面的氣體化學(xué)與稀有氣體同位素組成同時測量裝置。
本發(fā)明所要解決的另一個技術(shù)問題是提供該氣體化學(xué)與稀有氣體同位素組成同時測量的方法。
為解決上述問題，本發(fā)明所述的氣體化學(xué)與稀有氣體同位素組成同時測量裝置，其特征在于：該裝置包括稀有氣體質(zhì)譜儀系統(tǒng)、四極質(zhì)譜儀、設(shè)有主管線的高真空系統(tǒng)、冷阱和海綿鈦爐；所述主管線分別連有真空管線ⅰ、真空管線ⅱ、真空管線ⅲ；所述真空管線ⅰ的末端與所述稀有氣體質(zhì)譜儀系統(tǒng)相連；所述真空管線ⅱ的末端分別連有真空管線ⅳ、真空管線ⅴ；所述真空管線ⅳ的末端與所述四極質(zhì)譜儀相連；所述真空管線ⅴ的末端與所述海綿鈦爐相連；所述真空管線ⅲ經(jīng)所述冷阱連有進(jìn)樣口。
所述稀有氣體質(zhì)譜儀系統(tǒng)含稀有氣體凈化分離裝置。
所述四極質(zhì)譜儀采用微孔進(jìn)樣方式工作。
所述主管線上設(shè)有超高真空閥ⅳ。
所述真空管線ⅰ上依次設(shè)有超高真空閥ⅵ、超高真空閥ⅶ。
所述真空管線ⅱ上設(shè)有超高真空閥ⅴ。
所述真空管線ⅳ上設(shè)有超高真空閥ⅸ。
所述真空管線ⅴ上分別設(shè)有薄膜真空計(jì)、超高真空閥ⅷ。
所述真空管線ⅲ上依次設(shè)有超高真空閥ⅲ、超高真空閥ⅱ、超高真空閥ⅰ。
如上所述的氣體化學(xué)與稀有氣體同位素組成同時測量的方法，包括以下步驟：
⑴關(guān)閉超高真空閥ⅰ、超高真空閥ⅶ、超高真空閥ⅸ，打開超高真空閥ⅱ、超高真空閥ⅲ、超高真空閥ⅳ、超高真空閥ⅴ、超高真空閥ⅵ、超高真空閥ⅷ，對真空管線抽真空，記錄薄膜真空計(jì)的本底壓強(qiáng)；
⑵在進(jìn)樣口處連接待測氣體樣品容器，此時待測氣體樣品與所述進(jìn)樣口不連通，打開所述超高真空閥ⅰ，抽真空；
⑶關(guān)閉所述超高真空閥ⅱ，待測氣體樣品與所述進(jìn)樣口連通，將待測氣體樣品引入，關(guān)閉所述超高真空閥?。?/p>
⑷關(guān)閉所述超高真空閥ⅳ、所述超高真空閥ⅵ、所述超高真空閥ⅷ，打開所述超高真空閥ⅱ，記錄此時所述薄膜真空計(jì)的壓強(qiáng)；
⑸打開所述超高真空閥ⅸ，由四極質(zhì)譜儀測量待測氣體樣品的化學(xué)組成；
⑹測量完畢，將冷阱調(diào)至-196℃，再由所述四極質(zhì)譜儀測量待測氣體樣品的化學(xué)組成，然后，關(guān)閉所述超高真空閥ⅸ；
若測量xe同位素組成，則關(guān)閉所述超高真空閥ⅸ；
⑺關(guān)閉所述超高真空閥ⅲ，打開所述超高真空閥ⅷ，將海綿鈦爐溫度升至800℃，保持10min；
⑻根據(jù)待測稀有氣體的化學(xué)組成，計(jì)算需要進(jìn)入稀有氣體質(zhì)譜儀系統(tǒng)的氣體量，通過反復(fù)打開所述超高真空閥ⅵ，關(guān)閉所述超高真空閥ⅵ，打開所述超高真空閥ⅶ，關(guān)閉所述超高真空閥ⅶ；或關(guān)閉所述超高真空閥ⅴ，同時打開所述超高真空閥ⅵ和所述超高真空閥ⅶ；或者關(guān)閉所述超高真空閥ⅷ，同時打開所述超高真空閥ⅵ和所述超高真空閥ⅶ，分段將所需氣體量引入所述稀有氣體質(zhì)譜儀系統(tǒng)，進(jìn)行稀有氣體同位素組成分析；
⑼根據(jù)氣體樣品的化學(xué)組成校正稀有氣體測量結(jié)果的空氣干擾。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、本發(fā)明根據(jù)待測稀有氣體化學(xué)組成測量結(jié)果，將合適的氣體量分段引入稀有氣體質(zhì)譜儀系統(tǒng)，進(jìn)行純化、分離和分析，以避免氣體量不足或過多，使稀有氣體質(zhì)譜儀工作在最佳線性范圍內(nèi)。
2、本發(fā)明一次進(jìn)樣，同時測量氣體化學(xué)組成和稀有氣體同位素組成，氣體化學(xué)組成的測試結(jié)果為后續(xù)稀有氣體測量提供含量的參考，為后續(xù)稀有氣體測量結(jié)果的空氣干擾校正提供依據(jù)。
3、本發(fā)明根據(jù)氣體樣品的化學(xué)組成校正稀有氣體測量結(jié)果的空氣干擾，不但校正了氣體采樣和運(yùn)輸過程中混入的空氣干擾，而且校正了樣品轉(zhuǎn)移到儀器分析過程中混入空氣的干擾。
附圖說明
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：1—稀有氣體質(zhì)譜儀系統(tǒng)；2—四極質(zhì)譜儀；3—高真空系統(tǒng)；31—超高真空閥??；32—超高真空閥ⅱ；33—超高真空閥ⅲ；34—超高真空閥ⅳ；35—超高真空閥ⅴ；36—超高真空閥ⅵ；37—超高真空閥ⅶ；38—超高真空閥ⅷ；39—超高真空閥ⅸ；4—冷阱；5—海綿鈦爐；6—進(jìn)樣口；7—薄膜真空計(jì)。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，氣體化學(xué)與稀有氣體同位素組成同時測量裝置，該裝置包括稀有氣體質(zhì)譜儀系統(tǒng)1、四極質(zhì)譜儀2、設(shè)有主管線的高真空系統(tǒng)3、冷阱4和海綿鈦爐5。
主管線分別連有真空管線ⅰ、真空管線ⅱ、真空管線ⅲ；真空管線ⅰ的末端與稀有氣體質(zhì)譜儀系統(tǒng)1相連；真空管線ⅱ的末端分別連有真空管線ⅳ、真空管線ⅴ；真空管線ⅳ的末端與四極質(zhì)譜儀2相連；真空管線ⅴ的末端與海綿鈦爐5相連；真空管線ⅲ經(jīng)冷阱4連有進(jìn)樣口6。
其中：
稀有氣體質(zhì)譜儀系統(tǒng)1含稀有氣體凈化分離裝置。
四極質(zhì)譜儀2采用微孔進(jìn)樣方式工作。
主管線上設(shè)有超高真空閥ⅳ34。
真空管線ⅰ上依次設(shè)有超高真空閥ⅵ36、超高真空閥ⅶ37。
真空管線ⅱ上設(shè)有超高真空閥ⅴ35。
真空管線ⅳ上設(shè)有超高真空閥ⅸ39。
真空管線ⅴ上分別設(shè)有薄膜真空計(jì)7、超高真空閥ⅷ38。
真空管線ⅲ上依次設(shè)有超高真空閥ⅲ33、超高真空閥ⅱ32、超高真空閥ⅰ31。
該氣體化學(xué)與稀有氣體同位素組成同時測量的方法，包括以下步驟：
⑴關(guān)閉超高真空閥ⅰ31、超高真空閥ⅶ37、超高真空閥ⅸ39，打開超高真空閥ⅱ32、超高真空閥ⅲ33、超高真空閥ⅳ34、超高真空閥ⅴ35、超高真空閥ⅵ36、超高真空閥ⅷ38，對真空管線抽真空，記錄薄膜真空計(jì)7的本底壓強(qiáng)；
⑵在進(jìn)樣口6處連接待測氣體樣品容器，此時待測氣體樣品與進(jìn)樣口6不連通，打開超高真空閥ⅰ31，抽真空；
⑶關(guān)閉超高真空閥ⅱ32，待測氣體樣品與進(jìn)樣口6連通，將待測氣體樣品引入，關(guān)閉超高真空閥ⅰ31；
⑷關(guān)閉超高真空閥ⅳ34、超高真空閥ⅵ36、超高真空閥ⅷ38，打開超高真空閥ⅱ32，記錄此時薄膜真空計(jì)7的壓強(qiáng)；
⑸打開超高真空閥ⅸ39，由四極質(zhì)譜儀2測量待測氣體樣品的化學(xué)組成；
⑹測量完畢，將冷阱4調(diào)至-196℃，再由四極質(zhì)譜儀2測量待測氣體樣品的化學(xué)組成，然后，關(guān)閉超高真空閥ⅸ39；
若測量的是xe同位素組成，則此步驟改為：關(guān)閉超高真空閥ⅸ39；
⑺關(guān)閉超高真空閥ⅲ33，打開超高真空閥ⅷ38，將海綿鈦爐5溫度升至800℃，保持10min；
⑻根據(jù)待測稀有氣體的化學(xué)組成，計(jì)算需要進(jìn)入稀有氣體質(zhì)譜儀系統(tǒng)1的氣體量，通過反復(fù)打開超高真空閥ⅵ36，關(guān)閉超高真空閥ⅵ36，打開超高真空閥ⅶ37，關(guān)閉超高真空閥ⅶ37；或關(guān)閉超高真空閥ⅴ35，同時打開超高真空閥ⅵ36和超高真空閥ⅶ37；或者關(guān)閉超高真空閥ⅷ38，同時打開超高真空閥ⅵ36和超高真空閥ⅶ37，分段將所需氣體量引入稀有氣體質(zhì)譜儀系統(tǒng)1，進(jìn)行稀有氣體同位素組成分析；
⑼根據(jù)氣體樣品的化學(xué)組成校正稀有氣體測量結(jié)果的空氣干擾。
實(shí)施例1以鋼瓶天然氣的ar同位素組成測試為例說明，一種氣體化學(xué)與稀有氣體同位素組成同時測量方法，包括以下步驟
⑴關(guān)閉超高真空閥ⅰ31、超高真空閥ⅶ37、超高真空閥ⅸ39，打開超高真空閥ⅱ32、超高真空閥ⅲ33、超高真空閥ⅳ34、超高真空閥ⅴ35、超高真空閥ⅵ36、超高真空閥ⅷ38，對真空管線抽真空，記錄薄膜真空計(jì)7的本底壓強(qiáng)p0。
⑵在進(jìn)樣口6處連接待測樣品，如天然氣鋼瓶連接帶氣密性非常好的減壓閥，高真空連接減壓閥出口與進(jìn)樣口6，此時天然氣鋼瓶閥門關(guān)閉，減壓閥出口壓強(qiáng)調(diào)節(jié)到低于1atm，此壓強(qiáng)為超高真空閥能夠承受的壓強(qiáng)，打開超高真空閥ⅰ31，抽真空。
⑶當(dāng)真空度達(dá)到高真空以后，關(guān)閉超高真空閥ⅱ32，打開天然氣鋼瓶閥門，將待測天然氣樣品引入，關(guān)閉超高真空閥ⅰ31。
⑷關(guān)閉超高真空閥ⅳ34、超高真空閥ⅵ36、超高真空閥ⅷ38，打開超高真空閥ⅱ32，記錄此時薄膜真空計(jì)7的壓強(qiáng)p1。
⑸打開超高真空閥ⅸ39，由四極質(zhì)譜儀2測量待測天然氣樣品的化學(xué)組成。
⑹測量完畢，將冷阱4調(diào)至-196℃，以除去co2及c3h8以上高碳數(shù)烴類，再由四極質(zhì)譜儀2測量待測樣品的化學(xué)組成，然后，關(guān)閉超高真空閥ⅸ39。
結(jié)合氣體壓強(qiáng)數(shù)據(jù)(p1-p0)，計(jì)算h2、he、ch4、n2、c2h6、o2、ar和co2等成分的體積百分含量。
說明：再次用四極質(zhì)譜儀2測量時，o2和ar的質(zhì)譜不受較高分子量氣體的影響。
⑺關(guān)閉超高真空閥ⅲ33，打開超高真空閥ⅷ38，將海綿鈦爐5溫度升至800℃，保持10min，初步除去h2、ch4、n2和o2等活性成分。
⑻根據(jù)步驟⑹所測ar的體積百分含量，計(jì)算需要進(jìn)入稀有氣體質(zhì)譜儀系統(tǒng)1的氣體量，通常ar的含量較高，通過打開超高真空閥ⅵ36，關(guān)閉超高真空閥ⅵ36，打開超高真空閥ⅶ37，關(guān)閉超高真空閥ⅶ37，將少量體積的氣體引入稀有氣體質(zhì)譜儀系統(tǒng)1，進(jìn)行稀有氣體ar同位素組成分析。
⑼用步驟⑹所測o2和ar的體積百分含量校正ar同位素測量結(jié)果的空氣干擾。