一种具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置

1.本实用新型属于分析测试技术领域，具体涉及一种同位素分离富集装置。


背景技术：

2.元素周期表中的多数元素都有多种同位素，在现代工业、医学、和生物学、地球化学领域，需要将元素的特定同位素进行高度富集。例如，自然界的u有235u和238u两种同位素，丰度分别为0.7%和99.3%，而核燃料只能用高纯度的235u，所以需要将自然界低丰度的235u进行提纯和高度富集，生产核燃料；又如，在医学领域，经常需要通过富集的同位素判别新陈代谢异常的情况，体检的常规项目之一有幽门螺杆菌感染，这个项目是通过碳13尿素呼气试验检测的，用到了碳13富集的原料；而在各种环境和化学分析领域，经常需要用到各种金属和非金属元素的同位素去示踪污染物的迁移或者化学反应进程，这些示踪物质也是高度富集的同位素。
3.同位素的分离富集技术有多种类型，对于气体同位素的富集而言，一般采用的是热扩散或者低温精馏的方法；对于235u的富集，则可利用气体离心机，以及特定波长激光电离的方法；对于一些特定元素的同位素如6li，可利用离子交换的方法完成。但是这些方法均为专用方法，必须使用专用的设备和方法才能完成对特定的元素和同位素的分离富集，而这些专用设备和方法无法应用于其他类型的同位素富集，因此需要寻找能够具有一定通用性的设备和方法。
4.而当前已有的通用同位素分离富集方法为电磁分离法，其装置与大型磁式质谱仪类似，现有技术实现方案为磁式同位素分离装置，其构造和原理图如图1所示：其关键部件包括离子源，扇形磁场，和同位素接收杯，离子源的原理一般为固体热表面电离或者气体电子轰击电离，在离子源电离的元素在高真空的腔室里通过电场加速，形成离子束流进入扇形磁场，在磁场下受到洛伦兹效应的作用，发生偏转，而不同质量/电荷比的离子偏转半径不同，可以通过调整磁场强度，对特定的同位素进行选择，将其用同位素接收杯在扇形磁场之后进行接收。
5.经过本案申请人研究分析发现，现有技术的缺点包括：
6.（1）电离效率低：热表面电离的电离效率为1%左右，而气体电子轰击电离效率更是只有0.01%左右。
7.（2）装置建造成本高：磁式同位素分离装置因离子源的电离效率限制，为了在指定时间内获得足够多的富集同位素，必须增大装置的物理尺寸已支持足够强的同位素离子束流。而大尺寸的高真空系统和扇形磁场造价都及其昂贵。半径300mm的商用磁式质谱仪（基本原理和磁式同位素分离装置相同）的价格为数百万人民币，其能支持的离子束流一般为10-9a的级别，无法实现有意义的同位素富集。而具有工业富集能力的磁式同位素分离装置几乎全部为国家财政拨款建造，例如美国橡树岭国家实验室的calutron装置，我国的兰州重离子装置等，建造和运行费用极高，只有中央政府的专门拨款才能支持。
8.（3）维护难度大：由于大型磁式同位素分离装置为专用设施，且离子源也在真空腔
体内，需要专业人员运行和维护。
9.因此需要寻找一些新的设备和新的方法来解决相应的技术问题。


技术实现要素：

10.有鉴于此，需要克服现有技术中的上述缺陷中的至少一个。本实用新型提供了一种具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置，其包括：
11.前置腔室和联结在所述前置腔室后侧的真空腔室，所述前置腔室和所述真空腔室之间具有真空接口，所述前置腔室内部安装有icp离子源组件，所述icp离子源组件通过所述真空接口与安装在所述真空腔室内的离子提取系统联结，所述离子提取系统后侧联结有多极杆质量分析器，所述多极杆质量分析器后侧联结有用于插拔式接收器，所述插拔式接收器后侧还联结有信号放大器；
12.所述真空腔室还联结有用于形成所述真空腔室内部高真空的分子泵；
13.所述同位素分离富集装置还包括电子控制系统，所述电子控制系统包括用于激发等离子体的icp射频电源，用于筛选分离同位素的多极杆射频电源，以及控制功能器件，所述前置腔室为环境大气压腔室，所述icp离子源组件包括炬管,所述炬管放置在所述真空接口之前。
14.在本技术方案中，icp离子源组件通过电感耦合形成的等离子体，对包含待测元素的高浓度溶液进行电离，并产生等离子体，等离子体通过真空接口进入真空腔室内的离子提取系统，经提取icp离子源组件产生的离子并导入后侧的多极杆质量分析器，通过对多极杆质量分析器控制，让指定某一特定质量数的同位素通过分析器，其他同位素则被分流至他处，通过分析器的同位素被接收器接收，并经过放大器进行信号放大，形成可辨别分析的信息，或被插拔式接收器接收，并导出多余电荷，从而使的离子沉积在插拔式接收器表面，在收集足够的同位素之后，将插拔式接收器取出，用化学方法，如酸浸泡，将同位素提取出来，得到可分析的数据。
15.本技术方案提供了一种新的设计方案，通过采用对高浓度溶液进行电离形成一定浓度的离子源，经过多极杆质量分析器获得指定某一特定的同位素，可以解决已有大型磁式同位素分离装置存在的电离效率低、建造成本高、和运行维护难度大的问题，构建高效、低成本、通用的同位素富集装置。
16.另外，根据本实用新型公开的一种具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置还具有如下附加技术特征：
17.进一步地，所述icp离子源组件还包括高浓度溶液容器，和与所述高浓度溶液容器相作用产生等离子体的电感耦合部件。
18.进一步地，所述多极杆质量分析器为四极杆质量分析器或六极杆质量分析器。
19.进一步地，所述插拔式接收器为接地的法拉第杯。
20.更进一步地，所述法拉第杯采用单质石墨或惰性金属材料制备的杯体结构。
21.进一步地，所述真空腔室具有用于方便拆卸安装维护所述离子提取系统、所述多极杆质量分析器的真空腔室顶盖。基于本实用新型一次只能搜集一个质量数的同位素，而进入真空腔体的其他同位素都在多极杆的作用下偏离离子光学路径而被“筛掉”，其中有一部分可能会沉积在四极杆上，因此需要能够较为方便地替换和清洗。
22.进一步地，电子控制系统包括用于激发等离子体的icp射频电源、用于筛选分离同位素的四极杆射频电源，以及相应的控制各个功能器件，如真空泵等单元正常工作的电子软件、硬件和固件控制系统。
23.所述固件控制系统主要包括1.电源分配模块：220v交流转12v/24v/48v直流电源。2.仪器控制模块：用于控制真空系统控制模块，icp射频电源模块，四级杆射频电源模块，信号放大器模块，气动电磁阀控制模块以及各模块单元的传感器数据读回。3.icp射频电源模块。4.四极杆射频电源模块。5.真空系统控制模块。6.信号放大器模块。7.气动电磁阀控制模块：icp气路控制和真空接口的闭合控制。8.通讯模块：使用以太网或光纤通讯，使数据处理系统和仪器控制模块之间进行数据传输和模拟-数字控制。
24.进一步地，所述真空接口采用耐盐大孔径锥结构。在工作时将通入高浓度的单元素溶液，因此基于四极杆的通用同位素分离装置在icp和真空接口部分（对应多极杆的采样锥和截取锥）将采用耐盐设计（如低成本耗材、大孔径锥）。
25.进一步地，所述接收器和所述真空接口的锥孔和所述离子源处于一条不被阻隔的直线上，此结构也就是直通的离子光学结构。
26.进一步地，采用短多极杆，如此和本装置其他结构相结合，进一步提升离子通过率，同时也可以将本装置体积和成本进一步降低，短多极杆的长度可以根据预期值进行计算和试验确定。
27.进一步地，所述真空接口位于前置腔室和真空腔室之间的腔室中。
28.此装置具有以下特点。
[0029] （1）电离效率高。利用icp原理实现电离，对几乎所有的金属元素均能实现100%电离。可以在实验室条件下实现连续进样，不需要频繁打开真空腔体。
[0030]
（2）通用性好，可实现对多种同位素的富集。利用四极杆技术可实现对从最轻的金属li至最重的金属u范围内的所有金属的同位素的分离和富集。
[0031]
（3）装置建造成本低。此装置可基于商用四极杆icp质谱仪进行改造。商用四极杆icp质谱仪的价格目前为50-100万人名币。相比磁式同位素分离装置极其经济。
[0032]
（4）运行维护简单。相关人员只需基本培训变可进行打开真空腔体和更换法拉第杯的操作。
[0033]
本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
[0034]
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0035]
图1是本实用新型现有磁式同位素分离装置的构造原理示意图；
[0036]
图2是本实用新型具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置的一个实施例示意图。
[0037]
其中，11离子源，12高真空腔，13扇形磁场，14同位素接收杯，1. 炬管2. 真空接口3. 四极杆质量分析器4. 涡轮分子真空泵5. 插拔式同位素收集器6. 电阻放大器7. rf线圈8. 真空腔室9. 密封圈10. 可拆卸上盖,1a前置腔室。
具体实施方式
[0038]
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。
[0039]
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语
ꢀ“
上”、“下”、“底”、“顶”、“前”、“后”、“内”、“外”、“横”、“竖”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
[0040]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“联接”、“连通”、“相连”、“联结”、“配合”应做广义理解，例如，可以是固定联结，一体地联结，也可以是可拆卸联结；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连；“配合”可以是面与面的配合，也可以是点与面或线与面的配合，也包括孔轴的配合，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0041]
下面将参照附图来描述本实用新型的具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置，其中图1是本实用新型现有磁式同位素分离装置的构造原理示意图；图2是本实用新型具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置的一个实施例示意图。
[0042]
如图2所示，根据本实用新型的实施例，具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置包括前置腔室和联结在所述前置腔室后侧的真空腔室，所述前置腔室和所述真空腔室之间具有真空接口，所述前置腔室内部安装有icp离子源组件，所述icp离子源组件通过所述真空接口与安装在所述真空腔室内的离子提取系统联结，所述离子提取系统后侧联结有多极杆质量分析器，所述多极杆质量分析器后侧联结有用于插拔式接收器，所述插拔式接收器后侧还联结有信号放大器；
[0043]
所述真空腔室还联结有用于形成所述真空腔室内部高真空的分子泵；
[0044]
所述同位素分离富集装置还包括电子控制系统，所述电子控制系统包括用于激发等离子体的icp射频电源，用于筛选分离同位素的多极杆射频电源，以及控制功能器件，所述前置腔室为环境大气压腔室，所述icp离子源组件包括炬管,所述炬管放置在所述真空接口之前。
[0045]
另外，根据本实用新型公开的一种具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置的还具有如下附加技术特征：
[0046]
根据本实用新型的实施例，所述icp离子源组件还包括高浓度溶液容器，和与所述高浓度溶液容器相作用产生等离子体的电感耦合部件。
[0047]
根据本实用新型的实施例，所述多极杆质量分析器为四极杆质量分析器或六极杆质量分析器。
[0048]
根据本实用新型的一些实施例，所述插拔式接收器为接地的法拉第杯。
[0049]
进一步地，所述法拉第杯采用单质石墨或惰性金属材料制备的杯体结构。
[0050]
根据本实用新型的实施例，所述真空腔室具有用于方便拆卸安装维护所述离子提取系统、所述多极杆质量分析器的真空腔室顶盖。顶盖可以方便拆开，进行离子提取系统、
四极杆的维护，以及更换法拉第杯搜集同位素。
[0051]
所述控制功能器件包括，如真空泵等单元正常工作的电子软件、硬件和固件控制系统。
[0052]
根据本实用新型的实施例，所述真空接口采用耐盐大孔径锥结构。
[0053]
根据本实用新型的实施例，所述接收器和所述真空接口的锥孔和所述离子源处于一条不被阻隔的直线上，此结构也就是直通的离子光学结构。
[0054]
进一步地，采用短多极杆，如此和本装置其他结构相结合，进一步提升离子通过率，同时也可以将本装置体积和成本进一步降低，短多极杆的长度可以根据预期值进行计算和试验确定。短多极杆可以是短四极杆或短六极杆等。
[0055]
根据本实用新型的实施例，所述真空接口位于前置腔室和真空腔室之间的腔室中。
[0056]
本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
[0057]
任何提及“一个实施例”、“实施例”、“示意性实施例”等意指结合该实施例描述的具体构件、结构或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例中。在本说明书各处的该示意性表述不一定指的是相同的实施例。而且，当结合任何实施例描述具体构件、结构或者特点时，所主张的是，结合其他的实施例实现这样的构件、结构或者特点均落在本领域技术人员的范围之内。
[0058]
尽管参照本实用新型的多个示意性实施例对本实用新型的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本实用新型原理的精神和范围之内。具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱离本实用新型的精神。除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置，其特征在于,包括前置腔室和联结在所述前置腔室后侧的真空腔室，所述前置腔室和所述真空腔室之间具有真空接口，所述前置腔室内部安装有icp离子源组件，所述icp离子源组件通过所述真空接口与安装在所述真空腔室内的离子提取系统联结，所述离子提取系统后侧联结有多极杆质量分析器，所述多极杆质量分析器后侧联结有用于插拔式接收器，所述插拔式接收器后侧还联结有信号放大器；所述真空腔室还联结有用于形成所述真空腔室内部高真空的分子泵；所述同位素分离富集装置还包括电子控制系统，所述电子控制系统包括用于激发等离子体的icp射频电源，用于筛选分离同位素的多极杆射频电源，以及控制功能器件；所述前置腔室为环境大气压腔室，所述icp离子源组件包括炬管,所述炬管放置在所述真空接口之前。2.根据权利要求1所述的一种具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置，其特征在于，所述icp离子源组件还包括高浓度溶液容器，和与所述高浓度溶液容器相作用产生等离子体的电感耦合部件。3.根据权利要求1所述的一种具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置，其特征在于，所述多极杆质量分析器为四极杆质量分析器或六极杆质量分析器。4.根据权利要求1所述的一种具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置，其特征在于，所述插拔式接收器为接地的法拉第杯。5.根据权利要求4所述的一种具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置，其特征在于，所述法拉第杯采用单质石墨或惰性金属材料制备的杯体结构。6.根据权利要求1所述的一种具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置，其特征在于，所述真空腔室具有用于方便拆卸安装维护所述离子提取系统、所述多极杆质量分析器的真空腔室顶盖。7.根据权利要求1所述的一种具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置，其特征在于，所述真空接口采用耐盐大孔径锥结构。8.根据权利要求1所述的一种具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置，其特征在于，所述接收器和所述真空接口的锥孔和所述离子源处于一条不被阻隔的直线上。

技术总结
本实用新型公开了具有多极杆质量分析器的同位素分离富集装置，包括前置腔室和真空腔室，及两者之间的真空接口，前置腔室内部安装有ICP离子源组件，ICP离子源组件通过真空接口与真空腔室内的离子提取系统联结，离子提取系统后侧联结有多极杆质量分析器，之后侧联结有用于插拔式接收器，之后侧联结信号放大器；同位素分离富集装置还包括电子控制系统；本实用新型可以提升现有技术的电离效率，降低装置建造成本以及降低维护难度。造成本以及降低维护难度。造成本以及降低维护难度。


技术研发人员：李伟强 王小敏 杨涛 黄冲
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2021.08.17
技术公布日：2022/3/8