融合应用的质谱分析

核聚变

在一个对能源的需求日益增加的迅速发展的世界中，发现一种可持续能源的重要性正变得越来越迫切。核聚变可以从广泛使用的燃料中获得近乎取之不尽用之不竭的能量。产生的废物是无毒的，不含二氧化碳或有害的温室气体。这个过程的主要副产品是惰性氦气，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产生能量，产生的能量大约是燃烧化石燃料等化学反应的400万倍，是核裂变的4倍以上。用于核聚变反应堆的燃料很容易获得，而且储量丰富，例如，在聚变过程中锂会产生氚，而锂又足够普遍，仅从矿物供应就可以为核聚变反应堆提供1000多年，海洋供应将使其运行数百万年。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。
据预测，核聚变反应的能源供应将类似于目前的核裂变反应堆，约为1至17亿瓦，初始成本也类似。随着技术的发展，预计随着产量的增加，成本将显著下降。将增加，成本降低。
为了获得理想的核聚变条件，需要对三个参数进行优化。在典型的氘-氚聚变反应中，温度需要超过1亿度。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。等离子体密度对于碰撞的发生至关重要，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。允许等离子体种类的限制，允许碰撞，以及通过使等离子体远离反应堆壁来防止等离子体点火损失。限制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，这大约是几秒钟。

核聚变的化合物

在核聚变反应中，两个或两个以上的核结合在一起，形成一个或多个亚原子粒子的新核。比铁小的元素通常每核子有较大的结合能。用于核聚变的主要例子是轻元素，如氢和氦同位素，它们的核聚变反应是高度放热的。

典型的核聚变反应

2H+ 3H a He (3.5 MeV) +中子(14.1 MeV)

融合应用的质谱分析

质谱分析

四极杆质谱法是一种完善的分析技术，通常用于气体，蒸汽等离子体和表面分析。谱仪的电离源是典型的电子冲击离子源，其中来自加热灯丝的电子在与气体分子碰撞前被加速到70 eV。发射的电子使所有存在的分子电离，使它们被积分质量过滤器过滤，然后被灵敏的探测电子设备检测到。对于一般真空应用，如检漏、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，采用了固有的高灵敏度，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出气率极低，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，氢同位素定量分析成为首要的基本问题。然而，由于氢同位素的形状、大小和化学性质几乎相同，氢同位素的分离和分析在历史上被证明是困难的，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。一种已经成功使用的方法是阈值电离质谱(TIMS)技术。在传统的质谱分析中，电子冲击电离源的电离能被设置为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，精确测定氦/氘比值是过程表征的基本要求。由于D2和He在m/ z4处存在质量重叠，在传统四极质谱仪的质量分辨率限制下无法进行定量。质量分离为0.025 amu。传统的四极杆质谱法采用单位质量分辨率。
当两种气体同时存在时，典型的m/ z4的电子能谱如D2:He的1:1混合物所示。离子信号在大约15.4 eV时的开始是由于氘离子的产生，信号在大约24.5 eV时的急剧增加是由于混合物中氦离子的开始电离。D2+和He+的电离阈值能。与发表的数据一致[NIST标准参考数据库107,Kim Y-K, Irikura KK, Rudd ME, Ali MA，]。
TIMS光谱显示这两个物种的反褶积。将基本的计算应用到TIMS光谱，如下图所示，允许在氦中D2的存在被量化到< 10ppm的水平。
TIMS技术不仅局限于分离He/D2，还使用相同的方法进一步应用于3个amu。由于氦3同位素(3He)和氢化氘(HD)的质量分离(0.0058 amu)，对于任何传统类型的质谱分析来说，这证明更具有挑战性。然而，这已被证明是使用TIMS的常规测量。

超高分辨率质谱

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，四极质量过滤器允许电离源产生的离子按质量选择并传输到检测器。四极质量滤波器由两对平行、等距的极组成，它们的偏置电位相等且相反。双电位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平面上对极点上施加的电压之间的关系:
Y平面-(Vdc + Vrf-cos wt)
X平面+(Vdc + vrf - coswt)
提高性能可以通过增加四极极直径，允许增强稳定性，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，随着极径的增加，维持射频和直流组件的功率需求呈指数增长，这意味着传统的电源电子无法使用。对于许多需要单位质量分辨率的典型应用，如泄漏检测和前驱体分析，6毫米的极径是最有效的解决方案。功率要求不高，性能要求高。
对于要求更高的应用，如核聚变燃料物种特征，重叠物种需要提高质量分辨率来解决这些重叠。质量重叠由相邻质量处的不可分辨峰值定义，其中单位质量保持不变。下表显示了常见核聚变种的典型名义质量和确切质量。

核聚变中典型的质量干扰是4He+和D2+，它们的质量分离为0.026 amu。这在传统的质谱法中是无法解决的。更大的直径可达20毫米的四极质量滤波器的发展，更稳定和更强大的电源供应，以及在第二个稳定区域“区域-h”的运行，都有助于超高分辨率四极质谱系统的改进。一个20毫米道路直径四极杆的频谱示例，操作在h区可以看到下面。该系统能够分解相邻的峰值，能够将所有组分的4He+和D2+混合物按质量量化到1ppm。
数据显示4He+和D2+按质量分离。
进一步的例子包括3He+在HD中的定量，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，这些质谱仪有能力按质量解析核聚变反应中发现的低质量物质。
商用四极质谱仪通常在所谓的“稳定区1”中工作，那里的极电压相对较低，如图(左)中红色阴影区域所示。

在较高的探针电压下，有第二个稳定区，称为“H区”，显示在黄色阴影区域，当在H区操作时，四极质谱仪有更大的质量分辨率。对于在H区工作的质谱仪，高功率和超稳定的射频控制电子器件是必需的，最近射频控制技术的改进使这种创新成为可能。
先进的多区高功率射频控制电子产品。
由于H区功率要求高，目前这类质谱仪的质量极限为20amu，非常适合核聚变应用。在1区和H区之间增加一个可切换射频电源，使常规操作达到200amu。

结论

这篇文章描述了研究人员在量化用于核聚变反应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和量化常见核聚变种所需的工具。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。许多低质量物质具有非常低的第一电离势，通常小于20 eV，允许这些物质在空气气体和水蒸气存在的情况下选择性电离。特别是，TIMS技术简化了对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。
在第二个稳定区(zone -h)中使用的20毫米极径超高分辨率四极质谱仪的发展，进一步提高了对小于20 amu物种的分析和定量。对于常见的核聚变质量干扰，如4He和D2，量化可以达到每一种物质的1ppm，这比TIMS方法改进了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使用，这些技术可以对核聚变的主要成分进行量化。