Способ определения примесей в гексафториде урана и устройство для его осуществления
Изобретение относится к области анализа материалов. В частности изобретение относится к способам определения содержания примесных соединений в гексафториде урана. Способ заключается в концентрировании примесей в области высокого вакуума масс-спектрометра. Для этого между ионизационной камерой масс-спектрометра и дозирующим клапаном гексафторида урана устанавливают концентратор. Концентратор состоит из двух трубопроводов, спаянных между собой. Трубопроводы разделены на независимые участки охлаждения. Стабилизация температуры в них осуществляется с помощью обмоток нагрева. Трубопровод с парами азота охлаждает поверхность трубопровода с гексафторидом урана. Частичную конденсацию гексафторида урана проводят на поверхности фторопластовой трубки, плотно вставленной в трубопровод. Примеси с более высокими или с более низкими значениями давлений насыщенных паров по сравнению с гексафторидом урана поступают в ионизационную камеру масс-спектрометра. Определение молярной доли примесей проводят относительным методом с использованием калибровочных смесей с известным содержанием примесей. Изобретение позволяет повысить чувствительность и точность масс-спектрометрического метода. 2 с.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области анализа материалов, а именно к способам определения содержания в газообразном гексафториде урана следующих примесей: - бора, присутствующего в форме трифторида (BF3); - кремния, присутствующего в форме тетрафторида (SiF4); - фосфора, присутствующего в форме пентафторида (PF5) и фторокиси (РОF3); - хрома, присутствующего в форме фтористого хромила (CrO2F2); - молибдена, присутствующего в форме гексафторида (MoF6); - вольфрама, присутствующего в форме гексафторида (WF6).
- фтористого водорода (HF); - азота (N2); - фтора (F2); - кислорода (О2);- двуокиси углерода (СО2);
- углеводородов, хлоруглеводородов и частично замещенных галоидоуглеродов, имеющих молекулярную массу до 300 а.е.м. Известны способы определения примесей методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой [1,2] и прямым (классическим) масс-спектрометрическим методом [3,4,5]. При определении содержания микропримесей в гексафториде урана масс-спектрометрическим методом с индуктивно-связанной плазмой (ИСП МС) сначала проводится гидролиз UF6, затем полученный раствор разбавляется дистилированной водой до содержания урана в растворе не более 1 мг/л, и после из раствора с помощью сверхзвукового распылителя получают аэрозоль с размером частиц около 1 мкм. Часть распыленной пробы вводится в плазменную горелку в потоке аргона в область плазменного факела. Плазма образуется в результате воздействия высокочастотного электрического поля, создаваемого генератором. В плазме происходит полная фрагментация молекул на атомы, которые частично ионизируются. Образовавшиеся ионы проходят несколько ступеней газодинамического интерфейса и поступают в область анализатора масс. В качестве масс-анализаторов для работы с источниками ионов на основе ИСП применяют в основном анализаторы квадрупольного типа. Измеряя выходные сигналы урана и присутствующих в растворе примесных элементов, определяют массовую долю элементов. Аналитические характеристики выпускаемых промышленных приборов обеспечивают возможность определения содержания большинства элементов с пределом обнаружения до 1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/489196.gif)
где Ji - истинная (с учетом фона) интенсивность i-ой примеси;
Кi - коэффициент относительной чувствительности для i-ой примеси (см. табл. 1);
Juf5 + - сумма средних значений интенсивностей пиков 238UF5 + и 235UF5 +. Недостатком известного способа измерений является низкий предел обнаружения примесей, который, выраженный в молярных долях, составляет 0,01%, и обусловлен максимально допустимым давлением анализируемой газовой смеси в ионизационной камере масс-спектрометра порядка 1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
- напускают анализируемую газовую пробу UF6 в вакуумную систему масс-спектрометра до дозирующего клапана;
- открывают дозирующий клапан и напускают газ в ионизационную камеру масс-спектрометра;
- записывают масс-спектр пробы;
- по величине выходных сигналов масс-спектра, соответствующих давлениям гексафторида урана и примесных соединений в системе напуска, производят расчет молярной доли примесных соединений по формуле 1. Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности и чувствительности масс-спектрометрического метода измерений. Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе определения примесей прямым масс-спектрометрическим методом, заключающемся в прямом напуске анализируемой газовой смеси через игольчатый дозатор в источник ионов масс-спектрометра, предварительно проводят криогенное концентрирование примесей в области высокого вакуума масс-спектрометра за дозирующим клапаном. Концентрирование проводится путем частичной конденсации гексафторида урана. При этом примеси, имеющие более высокие значения давлений насыщенных паров и меньшее, в сравнении с гексафторидом урана, давление в потоке, свободно проходят в ионизационную камеру масс-спектрометра. Степень концентрирования примесей зависит от потока гексафторида урана через дозирующий клапан и составляет в среднем 1000
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/247.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/489197.gif)
где Сi кс - молярная доля i-й примеси в КС, %;
Ii n - величина выходного сигнала измерительной системы масс-спектрометра, пропорциональная доле i-й примеси в пробе, В;
Ii кс - величина выходного сигнала i-й примеси в КС, В;
Pn; Ркс - давления пробы и КС перед дозирующим клапаном, мм рт.ст. Для тех примесей, которые не содержатся в КС, расчет молярной доли проводят по формуле с использованием коэффициентов относительной чувствительности (табл. 1):
![](https://img.poleznayamodel.ru/img_pat/48/489198.gif)
где Кi, Кj - коэффициент относительной чувствительности для i-й и j-й примесей. При определении содержания примесных соединений в гексафториде урана масс-спектрометрическим методом с криогенным концентрированием примесей выполняют следующие действия:
- напускают анализируемую газовую пробу UF6 в вакуумную систему масс-спектрометра до дозирующего клапана;
- открывают дозирующий клапан и напускают газ через концентратор в ионизационную камеру масс-спектрометра;
- записывают масс-спектр пробы и регистрируют давление ГФУ перед дозирующим клапаном;
- прокачивают вакуумную систему масс-спектрометра;
- напускают калибровочную смесь в вакуумную систему масс-спектрометра до дозирующего клапана;
- записывают масс-спектр КС и регистрируют давление КС перед дозирующим клапаном;
- по величине выходных сигналов масс-спектра, соответствующих содержанию примесных соединений в пробе и калибровочной смеси, производят расчет молярной доли примесных соединений по формуле 2 или 3. Предложенный выше способ реализуется в устройстве концентрирования примесей, изображенном на фиг. 1, которое устанавливается между ионизационной камерой масс-спектрометра и дозирующим клапаном 10, и которое состоит из двух трубопроводов: для потока азота 2, испаряемого из сосуда Дьюара, и для потока гексафторида урана 1, поступающего через игольчатый клапан в ионизационную камеру. Трубопроводы спаяны между собой по всей длине концентратора сплавом из олова 8. Весь концентратор разбит на пять одинаковых участков. На каждом участке расположены обмотка прогрева 7 и термодатчик 4, включенные в электрическую схему термостабилизации. Поток газообразного азота охлаждает поверхность трубопровода для гексафторида урана. Регулируя подвод тепла с помощью обмоток нагрева, по всей длине концентратора устанавливают равномерный градиент температур от -80oС (Т1) до -50oС (T5). Контроль температур осуществляется с помощью пяти термопар медь-константан 3, расположенных на каждом из участков. Вся система помещена в термоизоляционный кожух 9. Для исключения сорбционных потерь примесей, имеющих более высокую температуру кипения (например, гексафторида вольфрама и молибдена), разность температур между соседними участками концентратора не превышает 5
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/247.gif)
- обеспечивается большая чувствительность масс-спектрометрического определения примесей: предел обнаружения составляет порядка 1
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
- обеспечивается увеличение точности масс-спектрометрического метода: относительная ошибка единичного определения не превышает 15%. Источники информации
1. А.А. Сысоев, В.Б. Артаев, В.В. Кащеев, Изотопная масс-спектрометрия, -М.: Энергоатомиздат, 1993г., с. 202-208;
2. Roy W. Morrow, Jeffrey S. Crain, "Applications of Inductivetly Couled Plasma - Mass Spectrometry to Radionuclide Determinations", ASTM, 1998;
3. H.A. Шеховцов. Изотопная масс-спектрометрия, -М.: Атомиздат, 1971г. ;
4. И. Л. Агафонов, Г.Г. Девятых. Масс-спектрометрический анализ газов и паров особой чистоты, -М.: Наука, 1980г. 5. Патент RU 2154028 С1 "Способ определения содержания перфторуглеродных соединений в гексафториде урана" (Уральский Электрохимический комбинат), 10.08.2000 г.
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2