一种金属小体积容器体积测定系统及测定方法

技术领域

本发明属于同位素测量技术，具体涉及一种金属小体积容器体积测定系统及测定方法。

背景技术

以一定物质的量的同位素作为稀释剂，与待测样品中的气体同位素在超高真空系统内混合均匀进入质谱仪，测定待测样品同位素与稀释剂同位素的比值，进而获得待测样品同位素的含量，这种方法称之为“稀释剂法”。“稀释剂法”是测定稀有气体含量的高精度方法之一，而准确定量移取稀释剂是稀释剂法测定稀有气体含量的基本前提，目前基本上采用一定体积的小体积容器来完成稀释剂的移取，因此，只有准确测定了小体积容器的大小，才能准确获得进入质谱仪稀释剂的物质的量。

目前对于小体积容器的测定主要有两种方法：(1)质量差值法，即将小体积部分注满液体，称量注入液体前后小体积的质量，结合液体的密度，来计算小体积容器的体积大小。由于用在稀有气体含量测定的小体积容器基本上都为全金属材质加工，结构多是采用两个金属阀头，靠金属阀头各自外部的波纹管伸缩，来密封截取一段小体积。金属阀头和波纹管决定了小体积容器具有相对大的质量，而由于待测小体积容器内部体积较小，使得注入液体的质量也相对较小，小体积容器在注入液体前后，整个小体积容器质量变化并不明显，因此会引起较大的测试误差；(2)气体压强比较法，即将待测小体积和已知体积的小体积容器连至公共部分管道，公共部分管道设计一高精度薄膜规，然后通入一定量的气体使两个小体积容器压强达到平衡，分别将两个小体积容器内的气体扩散至公共管道，利用二者产生的压强比，获得两个小体积容器的体积比，进而计算待测小体积的大小。这种方法精度高且操作简单，但是需要实验室有标定好的小体积作为参考，且待测小体积的误差受已知小体积大小的误差影响较大，因此存在一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属小体积容器体积测定系统及测定方法，其能够准确测定用于定量移取稀释剂的小体积容器体积，且适应性较好。

本发明的技术方案如下：

一种金属小体积容器体积测定系统，包括不锈钢罐、与不锈钢罐的测试端口连接的阀门、第一薄膜规和第二薄膜规和全金属密封阀，且所述的全金属密封阀与泵组件连接；

所述的阀门包括阀座、设于阀座内的阀瓣和阀头，以及阀头的驱动机构；

所述的阀头包括第一金属阀头和第二金属阀头；所述的阀座内部分为上下两个内腔，分别安装第一金属阀头和第二金属阀头，两者分别通过驱动机构驱动在阀座内上下移动；

所述的阀瓣位于阀座内，其中部加工成向内凸出的斜面作为密封面，包括上斜面和下斜面，分别与第一金属阀头和第二金属阀头构成待测小体积；

所述的阀座的下端加工小体积进气口，阀座的上端加工小体积出气口；所述的小体积进气口和小体积出气口分别穿过阀瓣与阀体内部相通。

所述的第一金属阀头通过与其连接的第一金属阀头驱动杆驱动，所述逇第二金属阀头通过与其连接的第二金属阀头驱动杆驱动。

所述的泵组件包括分子泵和涡旋干泵，两者通过真空胶管连接。

所述的分子泵通过管路连接离子规，且分子泵通过管路连接全金属密封阀。

所述的分子泵通过管路连接离子规，其管路上设有法兰；所述的分子泵通过管路连接全金属密封阀，其管路上设有法兰。

所述的不锈钢罐，在其测试端口与对应的阀门、第一薄膜规、第二薄膜规和全金属密封阀连接的管路上均设有法兰。

所述的第一金属阀头和第二金属阀头分别于对应侧的密封面紧密接触时，待测小体积是密封的。

所述的第二金属阀头离开密封面后，气体从小体积进气口进入到待测小体积的区域内，所述第二金属阀头接触密封面后，气体被密封在待测下体积区域内；所述的第一金属阀头离开密封面后，气体通过小体积出气口扩散至不锈钢罐内。

不锈钢罐为316L不锈钢制成。

第一薄膜规量程为0.1-1000torr，测试准确度为读数的0.15％，内部体积为4.2ml，第二薄膜规量程为0.001-10torr，测试准确度为读数的0.15％，内部体积为4.2ml。

所述的第一薄膜规和第二薄膜规均具有温度补偿功能。

所述的离子规的量程为10

一种金属小体积容器体积测定方法，其基于所述的金属小体积容器体积测定系统，

将分子泵连接离子规管路上的法兰记为第六法兰；

将分子泵连接全金属密封阀管路上的法兰记为第五法兰；

将全金属密封阀和不锈钢罐的测试端口之间的管路上的法兰记为第四法兰；

将第二薄膜规和不锈钢罐的测试端口之间的管路上的法兰记为第三法兰；

将第一薄膜规和不锈钢罐的测试端口之间的管路上的法兰记为第二法兰；

将阀门和不锈钢罐的测试端口之间的管路上的法兰记为第一法兰；

具体操作步骤如下：

1)松开第一法兰和第五法兰，将不锈钢罐从系统内取下，松开第二法兰、第三法兰，卸下第一薄膜规和第二薄膜规，关闭全金属密封阀门，并用盲板法兰堵住第二法兰和第三法兰；

2)真空烘干不锈钢罐，准确称量其质量m1，然后从第一法兰口注入一定密度ρ的去离子水，注满后，准确称取质量m2，利用公式计算不锈钢罐的体积 V1＝(m1-m2)/ρ；

3)驱动第一金属阀头和待测小体积的密封面形成可靠密封，利用移液器从小体积出气口注入酒精，注满后记录注入酒精体积V2；

4)将不锈钢罐装回小体积容器体积测定系统，并将第一薄膜规和第二薄膜规分别通过第二法兰和第三法兰密封连接在不锈钢罐上；

5)驱动第一金属阀头和待测小体积的密封面形成可靠密封，并加热系统至 110℃，打开全金属密封阀，对整套系统烘烤去气，降至室温后，整套系统真空度优于1.0E-08mbar；

6)关闭全金属密封阀，通分别驱动第一金属阀头和第二金属阀头与密封面分开，大气依此经过小体积进气口、待测小体积和小体积出气口进入不锈钢罐；

7)通过第一薄膜规读取气体压力P1，然后分别驱动第一金属阀头和第二金属阀头与密封面接触形成密封；

8)打开全金属密封阀，抽走不锈钢罐内的气体，整套系统加热至110℃，烘烤去气24h，降至室温后，整套系统真空度优于1.0E-08mbar；

9)关闭全金属阀，驱动第一金属阀头与密封面离开，待测小体积内的压强为P1的气体进入不锈钢罐，通过第二薄膜规读取气体压力P2；

10)利用公式确定待测小体积值V

V

本发明的显著效果如下：对于小体积容器的体积测试，具有操作简单、高效、准确等优势，即使对于体积小至0.1cc的小体积容器，其体积测试误差可控制在±1％以内。

本发明设计的小体积容器测定系统主要包括待测全金属小体积容器、不锈钢罐、两个不同量程的薄膜规、全金属密封阀、离子规，分子泵和涡旋干泵。测定系统不同真空元件间均采用刀口法兰密封连接，整套系统为全金属材质，可以高温烘烤去气，使真空度可达1.0E-08mbar，避免在测试过程中，系统本身释气而导致的压强波动而对小体积容器的体积测试引起的误差；采用大体积不锈钢罐(约为500ml)，使得待测小体积阀头开闭过程中，波纹管体积微小的变化引起的测试误差可忽略不计；两个薄膜规串联使用，可以在更宽的压强量程范围内实现高精度压强测试，使得密封在小体积内的气体在不锈钢罐稀释前后，其压强均可以获得准确的测定，显著改善了小体积计算的准确度。

附图说明

图1为金属小体积容器体积测定系统示意图；

图中：1为第一金属阀头驱动杆，2为第一焊接波纹管，3为第一金属阀头， 4为待测小体积，5为小体积进气口，6为第二金属阀头，7为第二焊接波纹管， 8为第二金属阀头驱动杆，9为小体积出气口，10为第一薄膜规，11为第二薄膜规，12为不锈钢罐，13为全金属密封阀，14为离子规，15为分子泵，16为涡旋干泵；

17、18、19、20、21、22依次为：第一法兰、第二法兰、第三法兰、第四法兰、第五法兰、第六法兰；

23.阀座；24.阀门。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，金属小体积容器体积测定系统包括不锈钢罐12、与不锈钢罐 12的几个测试端口分别连接的阀门、第一薄膜规10和第二薄膜规11、全金属密封阀13，并且全金属密封阀13与泵组件连接；

上述的泵组件包括分子泵15和涡旋干泵16，其中分子泵15通过第六法兰 22连接离子规14，在第六法兰22和分子泵15之间的管路上通过三通和第五法兰21连接全金属密封阀13；

分子泵15与涡旋干泵16通过真空胶管连接。

上述的全金属密封阀13和不锈钢罐12的测试端口之间的管路上安装第四法兰20；

上述的第二薄膜规11和不锈钢罐12的测试端口之间的管路上安装第三法兰19；

上述的第一薄膜规10和不锈钢罐12的测试端口之间的管路上安装第二法兰18；

上述的阀门和不锈钢罐12的测试端口之间的管路上安装第一法兰17；

上述阀门包括阀座23、安装在阀座23内的阀瓣34和阀头，以及阀头的驱动机构。

阀座23的腔体内安装阀头，本实施例中阀座23内部分为上下两个内腔，分别安装第一金属阀头3和第二金属阀头6；其中第一金属阀头3通过与其连接的第一金属阀头驱动杆1驱动，第二金属阀头6通过与其连接的第二金属阀头驱动杆8驱动；

第一金属阀头3和第二金属阀头6之间保留一定距离，与阀座23内的阀瓣24共同形成待测小体积4；

阀座23的下端加工小体积进气口5，阀座23的上端加工小体积出气口9，其中小体积出气口9和不锈钢罐12的测试端口之间的管路上安装第一法兰17。

如图1所示，阀瓣24位于阀座23内，其中部加工锥形斜面，包括上斜面和下斜面，分别与上述的第一金属阀头3和第二金属阀头6形成配合，构成待测小体积4；因此上述上斜面和下斜面也称之为密封面。

上述的小体积进气口5和小体积出气口9分别通过阀瓣24与阀体内部相通。当第一金属阀头3和第二金属阀头6分别于对应侧的密封面紧密接触，此时的待测小体积4是密封的；当第二金属阀头驱动杆8和第一金属阀头驱动杆1驱动各自的第二金属阀头6和第一金属阀头3离开密封面后，气体从小体积进气口5进入到待测小体积4的区域内，再通过小体积出气口9留出到阀门外部。

不锈钢罐12为316L不锈钢制成，内壁经过电解抛光和真空炉脱气处理；

第一薄膜规10量程为0.1-1000torr，测试准确度为读数的0.15％，内部体积为4.2ml，第二薄膜规11量程为0.001-10torr，测试准确度为读数的0.15％，内部体积为4.2ml；

第一薄膜规10和第二薄膜规11均具有温度补偿功能；

离子规14的量程为10

分子泵15的极限真空度为10

整个系统中的法兰的作用是便于不锈钢罐12与其他部件的拆卸，全部采用 CF法兰。

基于上述系统对金属小体积容器体积测定的过程如下：

步骤1、松开第一法兰17和第五法兰21，将不锈钢罐12从系统内取下，松开第二法兰18、第三法兰19，卸下第一薄膜规10和第二薄膜规11，关闭全金属密封阀门13，并用盲板法兰堵住第二法兰18和第三法兰19；

步骤2、真空烘干不锈钢罐12，准确称量其质量m1，然后从第一法兰17 口注入一定密度ρ的去离子水，注满后，准确称取质量m2，利用公式计算不锈钢罐12的体积V1＝(m1-m2)/ρ；

步骤3、通过第一金属阀头驱动杆1，使第一金属阀头和待测小体积4的密封面形成可靠密封，利用移液器从小体积出气口9注入酒精，注满后记录注入酒精体积V2；

步骤4、将不锈钢罐12装回小体积容器体积测定系统，并将第一薄膜规10 和第二薄膜规12分别通过第二法兰18和第三法兰19密封连接在不锈钢罐12 上；

步骤5、通过第一金属阀头驱动杆1，使第一金属阀头3和待测小体积4的密封面形成可靠密封，并加热系统至110℃，打开全金属密封阀13，采用分子泵15和涡旋干泵16对整套系统烘烤去气24h，降至室温后，整套系统真空度优于1.0E-08mbar；

步骤6、关闭全金属密封阀13，通过第一金属阀头驱动杆1和第二金属阀头驱动杆2，分别使第一金属阀头3和第二金属阀头6与密封面分开，大气依此经过小体积进气口5、待测小体积4和小体积出气口9进入不锈钢罐12；

步骤7、平衡2min后，通过第一薄膜规读取气体压力P1，然后通过第一金属阀头驱动杆1和第二金属阀头驱动杆2，分别使第一金属阀头3和第二金属阀头6与密封面接触形成密封；

步骤8、整套系统缠上加热带，加热至110℃，打开全金属密封阀13，采用分子泵15和涡旋干泵16对整套系统烘烤去气24h，降至室温后，整套系统真空度优于1.0E-08mbar；

步骤9、关闭全金属阀13，通过第一金属阀头驱动杆1，使第一金属阀头3 与密封面离开，待测小体积4内的压强为P1的气体进入不锈钢罐12，平衡2min，通过第二薄膜规11读取气体压力P2；

步骤10、利用公式:V