脉冲熔融—飞行时间质谱分析系统的集成与应用研究
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摘要
氧、氮、氢等“气体元素”的含量及其存在状态对金属性能的影响很大。传统的脉冲熔融-红外／热导分析技术已不能满足一些新型材料、特殊材料的分析需求。2004年,钢铁研究总院王海舟教授首次提出脉冲熔融-质谱分析的概念。随后课题组进行了分析原理的验证和质谱检测器的选型,并搭建了脉冲熔融-飞行时间质谱分析系统的原理样机。本论文在上述工作的基础上,就脉冲熔融-飞行时间质谱分析系统的集成和优化、谱线干扰的校正方法以及这一新技术在钢铁及合金、钛及钛合金、纳米粉体金属及焊接材料等样品分析中的应用展开了系列研究工作。
首先,对脉冲加热炉系统进行了气路和工作参数优化；详细研究了脉冲炉和质谱检测器接口及毛细管的结构、尺寸、位置对测量结果的影响并确定了接口毛细管的规格；研究了不同载气条件下,质谱检测器的响应情况,为载气选择提供了依据；在总结和验证前人工作的基础上确定了质谱检测器的最佳工作参数；针对含氩和含氦标准样品不易获取的问题,设计加工了标准气体校准装置。在此基础上,完成了脉冲加热炉、接口、气路系统、质谱检测器、自动控制系统以及应用软件的集成,从而产生了PMA-1000型脉冲熔融-飞行时间质谱元素分析仪的产品样机。
在应用中发现：当样品中氧含量较高时,氧的熔融转化产物CO的双电荷离子会对样品中氮含量的测定带来干扰。利用离子源条件一定的情况下,碎片离子峰的丰度不变的原理,通过系列浓度的CO标准气体的质谱测量建立了干扰校正的数学方法。将此方法用于系列钛合金和钢铁样品的分析,校正结果满意。在此基础上,起草制定了工程行业标准方法,建立了镀层样品不同状态氢的分别测定方法。
针对研究者对一些特殊金属材料中Ar的分析需求,通过样品处理、标准气体校准、空白扣除以及仪器工作条件优化等研究,建立了金属中Ar的脉冲熔融-飞行时间质谱分析方法,对钛合金、纳米金属粉体和激光熔焊焊点气孔等实际样品的测定结果满意。
The quantity and existing status of gas elements such as O,N,H,Ar affect the performance of metals so much. Traditional inert gas fusion-infrared absorption method and thermo-conductivity method can not match the requirements of some new and special materials. As early as2004, the concept of inert gas fusion-Mass Spectrometric method has been raised by Professor Wang Haizhou of Central Iron&Steel Research Institute,China. According to the concept, the group verified the theory of this analysis method and made a choice of MS detector. The prototype of inert gas fusion-time of flight MS analyzer was setup.
Based on the above investigation, the pulse-heating time-of-flight mass spectrometric system has been integrated and optimized, correction method of mass spectral interference between CO++and N+is established in this dissertation. Series studies are practiced on its applications of simultaneous analysis of O, N, H and Ar in iron&steel, titanium and its alloys, nano powders and deposited metal.
First, gas circuit of inert gas fusion heating system is redesigned and the analyzing parameters are optimized. The coupled interface between heating furnace and MS detector is customized. The effects of the capillary on the analyzing results causing by mechanical structure, size and position in the ion source of mass spectrometer are studied. The specifications of the capillary are fixed. The response of MS detector under different carrier gases is tested. The foundation is setup for the choice of the carrier gas. The parameters of TOF-MS detector are optimized by summarizing and testing the former researches done by project. Standard gas calibration equipment is made to solve the difficulty of CRMs that contain Ar or He. On the above research, heating furnace, coupled interface, gas circuit, TOF-MS detector, control system are integrated together with application software. The sample product of pulse-heating-TOF MS analyzer is built, typed PMA-1000.
During the application, it is found that when the content of oxygen is high, the interference from the double charged ion of CO, CO++(m/z=14), on N+(m/z=14) will influence the measurement precision of N a certain extent. According to the theory that under the same ion source, the abundances of fragment ions are stable, the mathematic interference correction method is established by measuring a series of CO-He standard gas mixtures with different contents on the mass spectrometer. Series titanium alloys and steel samples are analyzed using this correction method. Satisfied results are obtained.
According to the analyzing demands of Ar in some special metals, a new method of Ar determination is established by inert gas fusion-time of flight mass spectrograph analyzer. Titanium alloys, nano powders and laser beam welding products are analyzed.
首先,对脉冲加热炉系统进行了气路和工作参数优化；详细研究了脉冲炉和质谱检测器接口及毛细管的结构、尺寸、位置对测量结果的影响并确定了接口毛细管的规格；研究了不同载气条件下,质谱检测器的响应情况,为载气选择提供了依据；在总结和验证前人工作的基础上确定了质谱检测器的最佳工作参数；针对含氩和含氦标准样品不易获取的问题,设计加工了标准气体校准装置。在此基础上,完成了脉冲加热炉、接口、气路系统、质谱检测器、自动控制系统以及应用软件的集成,从而产生了PMA-1000型脉冲熔融-飞行时间质谱元素分析仪的产品样机。
在应用中发现：当样品中氧含量较高时,氧的熔融转化产物CO的双电荷离子会对样品中氮含量的测定带来干扰。利用离子源条件一定的情况下,碎片离子峰的丰度不变的原理,通过系列浓度的CO标准气体的质谱测量建立了干扰校正的数学方法。将此方法用于系列钛合金和钢铁样品的分析,校正结果满意。在此基础上,起草制定了工程行业标准方法,建立了镀层样品不同状态氢的分别测定方法。
针对研究者对一些特殊金属材料中Ar的分析需求,通过样品处理、标准气体校准、空白扣除以及仪器工作条件优化等研究,建立了金属中Ar的脉冲熔融-飞行时间质谱分析方法,对钛合金、纳米金属粉体和激光熔焊焊点气孔等实际样品的测定结果满意。
The quantity and existing status of gas elements such as O,N,H,Ar affect the performance of metals so much. Traditional inert gas fusion-infrared absorption method and thermo-conductivity method can not match the requirements of some new and special materials. As early as2004, the concept of inert gas fusion-Mass Spectrometric method has been raised by Professor Wang Haizhou of Central Iron&Steel Research Institute,China. According to the concept, the group verified the theory of this analysis method and made a choice of MS detector. The prototype of inert gas fusion-time of flight MS analyzer was setup.
Based on the above investigation, the pulse-heating time-of-flight mass spectrometric system has been integrated and optimized, correction method of mass spectral interference between CO++and N+is established in this dissertation. Series studies are practiced on its applications of simultaneous analysis of O, N, H and Ar in iron&steel, titanium and its alloys, nano powders and deposited metal.
First, gas circuit of inert gas fusion heating system is redesigned and the analyzing parameters are optimized. The coupled interface between heating furnace and MS detector is customized. The effects of the capillary on the analyzing results causing by mechanical structure, size and position in the ion source of mass spectrometer are studied. The specifications of the capillary are fixed. The response of MS detector under different carrier gases is tested. The foundation is setup for the choice of the carrier gas. The parameters of TOF-MS detector are optimized by summarizing and testing the former researches done by project. Standard gas calibration equipment is made to solve the difficulty of CRMs that contain Ar or He. On the above research, heating furnace, coupled interface, gas circuit, TOF-MS detector, control system are integrated together with application software. The sample product of pulse-heating-TOF MS analyzer is built, typed PMA-1000.
During the application, it is found that when the content of oxygen is high, the interference from the double charged ion of CO, CO++(m/z=14), on N+(m/z=14) will influence the measurement precision of N a certain extent. According to the theory that under the same ion source, the abundances of fragment ions are stable, the mathematic interference correction method is established by measuring a series of CO-He standard gas mixtures with different contents on the mass spectrometer. Series titanium alloys and steel samples are analyzed using this correction method. Satisfied results are obtained.
According to the analyzing demands of Ar in some special metals, a new method of Ar determination is established by inert gas fusion-time of flight mass spectrograph analyzer. Titanium alloys, nano powders and laser beam welding products are analyzed.
引文
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