聚变应用的质谱分析

核聚变

在一个对能源需求不断增加的快速发展的世界里，发现可持续能源的重要性变得越来越重要。核聚变可以从广泛可用的燃料中获得近乎取之不尽的能源。产生的废物无毒，不含二氧化碳或有害温室气体。该过程的主要副产物是惰性氦气，它是无放射性的，对许多工业用途很有用，如低温和一些金属的生产。

核聚变通过控制原子的聚变来产生能量，产生的能量大约是化学反应的400万倍，比如燃烧化石燃料，是核裂变的4倍多。核聚变反应堆中使用的燃料很容易获得，也很丰富，例如，在聚变过程中，锂可以产生氚，锂足够普遍，仅从矿物供应就可以供应聚变反应堆一千多年，海洋供应将使聚变反应堆运行数百万年。氘，另一种燃料存在于所有的天然水源中，可以从这些水中蒸馏出来。
核聚变反应的能量供应预计将类似于目前的核裂变反应堆，约为1至17千兆瓦，初始成本相似。随着技术的发展，预计随着产量的增加，成本将大大降低。将增加成本，降低成本。
为了获得核聚变的完美条件，需要优化三个参数。在典型的氘-氚聚变反应中，需要超过1亿度的温度。通常，一系列加热系统被串联使用，以提供维持聚变等离子体所需的温度，使高能碰撞发生。等离子体密度是允许碰撞发生的关键，这在平均自由程可以显著限制碰撞的真空系统中是一个挑战。在核聚变反应堆中，电磁铁的场强超过10特斯拉。使等离子体种类的限制，允许碰撞以及防止等离子体点火损失，使其远离反应堆壁。约束时间也是一个关键参数，这是粒子被限制在等离子体中的时间，在目前的技术中，这是几秒钟的数量级。

核聚变化合物

在核聚变反应中，两个或两个以上的原子核与亚原子粒子结合形成一个或多个新的原子核。比铁小的元素通常每核子有很大的结合能。用于核聚变的主要例子是轻元素，如氢和氦同位素，其中核聚变反应是高度放热的。

典型核聚变反应

2H+ 3H a He (3.5 MeV) +中子(14.1 MeV)

聚变应用的质谱分析

质谱分析

四极杆质谱是一种成熟的分析技术，通常用于气体、蒸汽等离子体和表面分析。光谱仪的电离源通常是电子撞击离子源，其中加热灯丝的电子在与气体分子碰撞之前被加速到70 eV。发射的电子使所有分子电离，允许它们被整体质量过滤器过滤，并依次被敏感的检测电子设备检测到。对于一般真空应用，如泄漏检测，真空和前驱体质量，该技术提供了高灵敏度和快速响应。这在反应监测中特别有用，因为可以随时获得前驱体和反应产物的实时分析。对于特高压下的污染物监测和真空质量，采用固有的高灵敏度，其中检测限可低至10-16毫巴。离子源技术的改进使得离子源组件的放气极低，进一步提高了检测能力。

阈值电离质谱(TIMS)

氢同位素分离是核聚变研究中最关键的技术问题之一，为了准确评价氢同位素分离的性能，氢同位素的定量分析具有重要意义，成为首先要解决的关键问题。然而，由于氢同位素具有几乎相同的形状、大小和化学性质，氢同位素的分离和分析在历史上已经被证明是困难的，在某些情况下，使用传统的质谱的质量分辨模式是难以处理的。一种已经成功应用的方法是阈值电离质谱(TIMS)技术。在传统的质谱分析中，电子撞击电离源的电离能被设定为70 eV，以允许所有物种被电子轰击电离。某些系统控制电子能量的能力允许进行另一个维度的分析。利用较低电子能量的能力有利于修饰物种的电离。控制电子能量可以提高物种的选择性。TIMS技术在核聚变研究中利用了这一技术，它可以选择性地从氦和氘的混合流中电离氘。

核聚变中的阈值电离

在核聚变中，氦是聚变反应的副产物，氦/氘比值的准确测定是过程表征的基本要求。在传统四极质谱仪的质量分辨率限制下，由于D2和He在m/z 4的质量重叠是不可解析的，因此无法进行定量。质量分离为0.025 amu。在传统的四极杆质谱分析中，使用单位质量分辨率。
当两种气体同时存在时，m/ z4的典型电子能谱如D2:He的1:1混合物所示。在15.4 eV左右出现的离子信号是由于氘离子的产生，而在24.5 eV左右出现的信号急剧增加是由于混合物中氦离子的电离开始。D2+和He+的电离阈能。与已发表的数据一致[NIST标准参考数据库107,Kim Y-K, Irikura KK, Rudd ME, Ali MA，]。
TIMS光谱显示了这两个物种的反褶积。对TIMS光谱进行如下所示的基本计算，可以将氦中D2的存在量化到< 10ppm的水平。
TIMS技术不仅局限于He/D2的分离，而且使用相同的方法进一步应用于3amu。对于任何常规类型的质谱分析，由于氦3同位素(3He)和任何氢化氘(HD)的质量分离(0.0058 amu)，这证明更具挑战性。然而，这已被证明是使用TIMS的常规测量。

超高分辨率质谱分析

如前所述，传统质谱技术提供的分辨率不足以解决典型技术中发现的质量重叠。
在传统的质谱分析中，四极质量滤波器允许在电离源产生的离子按质量选择并传输到探测器。四极质量滤波器由两对平行的、等距的极组成，它们在相等和相反的电位上偏压。双电势包含固定的直流分量和交替的射频分量。由此产生的电场允许一个m/z比率的离子进入探测器。
下面的方程显示了在x和y平面上对极上施加的电压之间的关系:
Y平面-(Vdc + Vrf-cos wt)
X平面+(Vdc + Vrf-cos wt)
可以通过增加四极杆直径来提高性能，从而提高稳定性、灵敏度和质量分辨率。商用四极质谱仪的直径范围从6毫米到20毫米。
然而，随着极直径的增加，维持射频和直流元件的功率需求呈指数级增长，这意味着传统的电源电子产品无法使用。对于许多典型应用和需要单位质量分辨率的地方，例如泄漏检测和前驱体分析，6毫米的极直径是最有效的解决方案。功率要求适中，性能要求高。
对于更苛刻的应用，如核聚变燃料物种特征，重叠物种需要增强的质量分辨率来解决这些重叠。质量重叠是由相邻质量处的一个不可解析的峰值来定义的，其中单位质量保持不变。下表显示了常见核聚变物种的典型名义和确切质量。

核聚变中一个典型的质量干涉例子是4He+和D2+，它们的质量分离为0.026 amu。这在传统的质谱分析中是无法解决的。更大直径达20毫米的四极杆质量滤波器的发展，更稳定和强大的电源以及在第二个稳定区域“h区”的运行，都有助于超高分辨率四极杆质谱系统的改进。一个20毫米道路直径的四极杆的例子频谱，在h区可以看到如下。该系统能够分解相邻的峰，并能够将4He+和D2+混合物的质量量化为1ppm。
显示4He+和D2+按质量分离的数据。
进一步的例子包括在HD中定量3He+，其中质量分离更低，0.0058 amu。
最近射频技术的改进使得超高分辨率四极质谱仪的引入成为可能，这些质谱仪有能力通过质量来解析核聚变反应中发现的低质量物种。
商用四极质谱仪通常在所谓的“稳定区1”中工作，这里的极电压相对较低，如图中红色阴影区域所示(左图)。

在较高的探针电压下，有第二个稳定区，称为“H区”，如黄色阴影区域所示，当在H区操作时，四极质谱仪具有更大的质量分辨率。对于在H区工作的质谱仪，需要高功率和超稳定的射频控制电子器件，最近射频控制技术的改进使这一创新成为可能。
先进的多区大功率射频控制电子设备。
由于H区的高功率要求，目前这种类型的质谱仪的质量极限为20amu，非常适合核聚变应用。在区域1和区域H之间增加一个可切换的射频电源，允许常规操作到200amu。

结论

本文描述了研究人员在量化核聚变反应中使用的物种和化合物时所面临的挑战。离子源和四极杆技术的最新改进为研究人员提供了处理质量干扰所需的工具，并量化了常见的核聚变物种。阈值电离质谱(TIMS)在分析产生的主要离子具有相同质量数的气体混合物时，可以增强质量选择性。许多低质量物种具有非常低的第一电离电位，通常小于20 eV，允许这些物种在空气气体和水蒸气存在下选择性电离。特别是，TIMS技术简化了气体混合物组分的起始电离能的识别，从而提高了从测量中得出的结论的可靠性。
20毫米极径、超高分辨率、四极质谱仪的发展，在第二个稳定区(称为h区)运行，进一步改进了对小于20 amu的物种的分析和定量。对于常见的核聚变质量干扰，如4He和D2，可以定量到每个物种的1ppm，这比TIMS方法提高了100倍。
随着核聚变能源的迅速扩散，研究人员和工程师有许多分析技术可供他们使用，这些技术可以量化核聚变的主要成分。