一种用于分离岩石样品中氪和氙的装置及方法

1.本发明涉及地质样品分析技术领域，特别是涉及一种用于分离岩石样品中氪和氙的装置及方法。


背景技术：

2.稀有气体，在地球和类地行星中的元素丰度较低、化学性质不活泼。地质历史演化过程中，其组成和同位素不易受到复杂的化学反应、生物活动等作用影响，而仅仅取决于混合、扩散、溶解、吸附及核反应等物理过程。因此，稀有气体元素(即氦he、氖ne、氩ar、氪kr和氙xe)广泛应用于地球科学领域的物质来源和地球化学过程的示踪和同位素定年等研究。
3.稀有气体在地球化学研究领域得到大量应用，例如：kr主要应用于地下水定年、陨石的宇宙暴露年龄、示踪地球挥发分来源、大气的起源、太阳系的早期演化等研究。xe可以解决的科学问题包括从地下水和次生沉积物研究中估算古气候、空气
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海洋气体交换、地幔脱气、地球挥发分的丢失以及大气的起源和演化等。
4.目前，国内对地质样品中的he、ne、ar同位素组成的测试方法较为成熟，近几年随着一批高精尖稀有气体质谱仪的引进，稀有气体气体分析技术已在精确度和准确度方面都取得了很大的发展，对he、ne、ar同位素已与国际水平先进相当。但国内绝大多数实验室都不进行kr、xe的测试，而且仅有的测试水平与国际先进实验室也有较大差距。
5.所有对稀有气体的研究均基于低本底、高纯度、高灵敏度、高分辨率的质谱测量技术。然而纵然同一样品不同的稀有气体含量有很大差别甚至是几个数量级的差别，并且这些差别会对其含量测定产生影响。所以对稀有气体的分离提纯显得尤为重要。一般的纯化流程大致为：
6.对于he、ne、ar的分离提纯相对简单，he的吸附温度很低，约为4k，ne的吸附温度为20k以下，ar的吸附温度为80k以下。因此，一般采用的分离过程为：
7.(1)纯化：首先将实验样品释放出的气体进行粗纯化，去除co2、烷烃类等大多数杂气，而后经过锆铝泵等设备进行进一步纯化；
8.(2)分别吸附：用装有活性炭的低温冷阱，在外围浸入液氮都来吸附绝大部分的ar，使用商用的低温冷泵设置在10k来吸附ne、kr、xe和少量残余的ar；
9.(3)分别释放：然后将此时的气体(he)扩散入质谱仪测量；而后设置商用的低温泵为30k，释放ne，并扩散入质谱仪测量；如果进行kr、xe的检测，将在释放ne后逐级(110k和135k)升高温度来分别释放，并扩散入质谱仪测量；最后完全加热装有活性炭的液氮低温冷阱，释放ar，扩散入质谱仪测量。
10.以上采用的这种商用的装置需要利用高纯氦气等制冷剂，通过体积压缩的方式降温，要消耗大量时间，而且由于部分残余的ar存在，其与kr、xe三者的释放温度曲线相重叠，存在产生的基体效应难以去除，实验的本底较高等问题。
11.因此，如何在质谱分析惰性气体样品的前处理过程中，减少实验时间、降低本底、提高样品稀有气体的纯度，是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

12.本发明的目的是提供一种用于分离岩石样品中氪和氙的装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，缩短实验时间，提高样品稀有气体的纯度。
13.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于分离岩石样品中氪和氙的装置，包括筒体和上盖，所述筒体与所述上盖可拆卸连接，所述筒体与所述上盖之间设置密封元件，所述筒体内包括液氮层和导热剂层，所述液氮层套装于所述导热剂层的外部，所述液氮层的外壁与所述筒体之间的腔体能够作抽真空处理，所述液氮层的内腔能够容纳液氮，所述导热剂层的内腔中设置有冷指，所述导热剂层的内壁与所述冷指之间能够容纳导热剂，所述冷指连接有加热元件，所述加热元件能够对所述冷指加热，所述冷指连接有测温元件，所述测温元件能够监测所述冷指内的温度，所述冷指还连接有实验腔，所述冷指的内腔与所述实验腔相连通，所述实验腔能够与外部混合气体相连通。
14.优选地，所述筒体包括底板、外壳和真空法兰，所述外壳为空心结构，所述底板与所述外壳的一端相连，所述真空法兰与所述外壳的另一端相连，所述真空法兰与所述上盖可拆卸连接，所述密封元件设置于所述真空法兰与所述上盖之间；所述液氮层位于所述底板、所述外壳、所述真空法兰围成的腔体内，所述上盖连接有真空阀，利用所述真空阀能够对所述筒体与所述上盖围成的腔体作抽真空处理。
15.优选地，所述液氮层包括液氮外筒、液氮内筒、液氮下底板和液氮上底板，所述液氮外筒套装于所述液氮内筒的外部且二者之间具有间隙，所述液氮上底板和所述液氮下底板分别设置于所述液氮内筒、所述液氮外筒的两端，所述液氮外筒、所述液氮内筒、所述液氮上底板、所述液氮下底板围成的腔体能够容纳液氮，所述液氮内筒套装于所述冷指的外部。
16.优选地，所述液氮上底板连接有液氮吊管，所述液氮吊管与所述液氮外筒、所述液氮内筒之间的腔体相连通，所述上盖连接有液氮外管，所述液氮外管套装于所述液氮吊管的外部，所述液氮外管与所述液氮吊管之间具有间隙，所述液氮外管与所述外壳、所述底板围成的腔体相连通。
17.优选地，所述液氮吊管与所述液氮外管之间设置吊管补芯，所述吊管补芯能够固定所述液氮吊管与所述液氮外管之间的相对位置。
18.优选地，所述上盖连接有管接头，所述管接头远离所述上盖的一端连接有芯座，所述管接头能够利用所述芯座与控制器相连，所述加热元件、所述测温元件均与所述控制器相连。
19.优选地，所述冷指的内腔位于所述导热剂层的内腔中，所述冷指的另一端由所述液氮层伸出，所述测温元件位于所述冷指伸出所述液氮层的一端，所述测温元件位于所述筒体内。
20.优选地，所述上盖连接有中管，所述中管与所述导热剂层相连通，所述实验腔远离所述冷指的一端由所述中管伸出。
21.优选地，所述加热元件为热电阻或热电偶；所述导热剂为酒精、甲基戊烷或氯丁烷。
22.优选地，所述真空法兰与所述上盖螺栓连接。
23.本发明还提供一种用于分离岩石样品中氪和氙的方法，利用上述用于分离岩石样
品中氪和氙的装置，包括如下步骤：
24.步骤一、将所述液氮层与所述筒体之间的腔体抽真空，在所述液氮层中加入液氮进行预降温，向所述导热剂层加入导热剂，将混合气体通过所述实验腔通入所述冷指中，混合气体在所述冷指中冷凝吸附，完全吸附kr、xe和部分残余ar的混合气体；
25.步骤二、隔离所述用于分离岩石样品中氪和氙的装置，所述加热元件工作，所述测温元件监测所述冷指内温度，将温度设定在80k
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100k之间，以保证所述冷指内在仍然吸附kr、xe的情况下，释放残余ar，真空抽气一段时间；
26.步骤三、隔离所述用于分离岩石样品中氪和氙的装置，将温度设定为155k，一段时间后，重新将温度设定在100k
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135k之间，使所述冷指内xe重新吸附，不受影响，释放kr；
27.步骤四、最后将温度设定高于135k，释放释放xe。
28.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的用于分离岩石样品中氪和氙的装置，包括筒体和上盖，筒体与上盖可拆卸连接，筒体与上盖之间设置密封元件，筒体内包括液氮层和导热剂层，液氮层套装于导热剂层的外部，液氮层的外壁与筒体之间的腔体能够作抽真空处理，液氮层的内腔能够容纳液氮，导热剂层的内腔中设置有冷指，导热剂层的内壁与冷指之间能够容纳导热剂，冷指连接有加热元件，加热元件能够对冷指加热，冷指连接有测温元件，测温元件能够监测冷指内的温度，冷指还连接有实验腔，冷指的内腔与实验腔相连通，实验腔能够与外部混合气体相连通。本发明的用于分离岩石样品中氪和氙的装置，适用于ar、kr、xe混合气体分离，在稀有气体的分离工作中，首先使用装有活性炭的低温冷阱装置吸附绝大部分的ar，然后使用本发明的装置进行残余的ar以及kr和xe的分离，最后仍然使用商用冷阱吸附分离ne。
29.本发明还提供一种用于分离岩石样品中氪和氙的方法，利用上述用于分离岩石样品中氪和氙的装置，首先将液氮层外壁与筒体之间的腔体抽真空处理，将上述的装置与样品前处理系统相连，在液氮层中加入液氮进行预降温，导热剂层加入导热剂，将混合气体通过实验腔通入冷指中，混合气体在冷指中进行冷凝吸附，完全吸附kr、xe和少量残余ar的混合气体，然后隔离装置，令加热元件工作，测温元件能够监测冷指内温度，首先将温度设定在80k
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100k(例如85k)之间，以保证冷指内在仍然吸附kr、xe的情况下，释放残余ar，真空抽气2min；而后隔离装置，将温度设定为155k，2min后，重新将温度设定在100k
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135k之间(例如103k)，使冷指内xe重新吸附，不受影响，释放kr，最后将温度设定高于135k(例如155k)，释放xe，实验结束后，令冷指的加热元件工作，达到快速去气的目的。此处需要说明的是，本发明的用于分离岩石样品中氪和氙的方法，给出了温度范围，具体的温度值需要根据具体实验操作确定。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明的用于分离岩石样品中氪和氙的装置的剖切示意图；
32.图2为本发明的用于分离岩石样品中氪和氙的装置的部分结构示意图；
33.图3为图2沿c
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c方向的剖切示意图；
34.其中，100为用于分离岩石样品中氪和氙的装置，1为筒体，2为上盖，3为密封元件，4为液氮层，5为导热剂层，6为冷指，7为实验腔，8为底板，9为外壳，10为真空法兰，11为真空阀，12为液氮外筒，13为液氮内筒，14为液氮下底板，15为液氮上底板，16为液氮吊管，17为液氮外管，18为吊管补芯，19为管接头，20为芯座，21为中管。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.本发明的目的是提供一种用于分离岩石样品中氪和氙的装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，缩短实验时间，提高样品稀有气体的纯度。
37.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
38.请参考图1
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3，其中，图1为本发明的用于分离岩石样品中氪和氙的装置的剖切示意图，图2为本发明的用于分离岩石样品中氪和氙的装置的部分结构示意图，图3为图2沿c
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c方向的剖切示意图。
39.本发明提供一种用于分离岩石样品中氪和氙的装置100，包括筒体1和上盖2，筒体1与上盖2可拆卸连接，筒体1与上盖2之间设置密封元件3，筒体1内包括液氮层4和导热剂层5，液氮层4套装于导热剂层5的外部，液氮层4的外壁与筒体1之间的腔体能够作抽真空处理，液氮层4的内腔能够容纳液氮，导热剂层5的内腔中设置有冷指6，导热剂层5的内壁与冷指6之间能够容纳导热剂，冷指6连接有加热元件，加热元件能够对冷指6加热，冷指6连接有测温元件，测温元件能够监测冷指6内的温度，冷指6还连接有实验腔7，冷指6的内腔与实验腔7相连通，实验腔7能够与外部混合气体相连通。
40.使用本发明的用于分离岩石样品中氪和氙的装置100时，首先将液氮层4外壁与筒体1之间的腔体抽真空处理，将本发明的装置与样品前处理系统相连，在液氮层4中加入液氮进行预降温，导热剂层5加入导热剂，将混合气体通过实验腔7通入冷指6中，混合气体在冷指6中进行冷凝吸附，完全吸附kr、xe和少量残余ar的混合气体，然后令加热元件工作，测温元件能够监测冷指6内温度，首先将温度设定在80k
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100k之间，以保证冷指6内在仍然吸附kr、xe的情况下，完全释放ar；而后将温度设定在100k
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135k之间，使冷指6内xe不受影响，释放kr，最后将温度设定高于135k，释放xe，实验结束后，令冷指6的加热元件工作，达到快速去气的目的。本发明的用于分离岩石样品中氪和氙的装置100，用于质谱分析惰性气体样品的前处理过程中，操作简单便捷，能够高质高效分离稀有气体，缩短实验时间，降低本底，同时提高稀有气体的纯度。
41.其中，筒体1包括底板8、外壳9和真空法兰10，外壳9为空心结构，底板8与外壳9的一端相连，真空法兰10与外壳9的另一端相连，真空法兰10与上盖2可拆卸连接，便于筒体1内其它零部件的拆装，密封元件3设置于真空法兰10与上盖2之间，避免泄露，保证筒体1内抽真空处理后的真空度；液氮层4位于底板8、外壳9、真空法兰10围成的腔体内，上盖2连接
有真空阀11，利用真空阀11能够对筒体1与上盖2围成的腔体作抽真空处理，利用真空阀11能够对筒体1的内腔进行抽真空处理，减少外界环境温度对冷指6的影响。
42.具体地，液氮层4包括液氮外筒12、液氮内筒13、液氮下底板14和液氮上底板15，液氮外筒12套装于液氮内筒13的外部且二者之间具有间隙，液氮上底板15和液氮下底板14分别设置于液氮内筒13、液氮外筒12的两端，液氮外筒12、液氮内筒13、液氮上底板15、液氮下底板14围成的腔体能够容纳液氮，液氮内筒13套装于冷指6的外部。在使用本发明的装置时，向液氮层4冲入液氮，进行预降温，降温至液氮温度。
43.在本具体实施方式中，由于液氮内筒13、液氮外筒12，液氮上底板15连接有液氮吊管16，液氮吊管16与液氮外筒12、液氮内筒13之间的腔体相连通，利用液氮吊管16可以向液氮层4输入液氮，上盖2连接有液氮外管17，液氮外管17套装于液氮吊管16的外部，液氮外管17与液氮吊管16之间具有间隙，液氮外管17与外壳9、底板8围成的腔体相连通。
44.为了支撑液氮吊管16，液氮吊管16与液氮外管17之间设置吊管补芯18，吊管补芯18能够固定液氮吊管16与液氮外管17之间的相对位置，提高装置的稳定性和可靠性。
45.更具体地，上盖2连接有管接头19，管接头19远离上盖2的一端连接有芯座20，管接头19能够利用芯座20与控制器相连，加热元件、测温元件均与控制器相连，控制器能够控制加热元件对冷指6的加热温度，便于稀有气体的分离。
46.还需要说明的是，冷指6的内腔位于导热剂层5的内腔中，冷指6的另一端由液氮层4伸出，测温元件位于冷指6伸出液氮层4的一端，测温元件位于筒体1内，避免液氮以及导热剂影响测温元件，提高冷指6内温度的监测精确度。
47.进一步地，上盖2连接有中管21，中管21与导热剂层5相连通，实验腔7远离冷指6的一端由中管21伸出，方便与样品前处理系统相连。
48.在本具体实施方式中，加热元件为热电阻或热电偶，加热方便快捷；导热剂为酒精、甲基戊烷或氯丁烷，在生产中还可以根据实际情况选择。
49.除此之外，真空法兰10与上盖2螺栓连接，拆装方便，还能够压紧密封元件3，避免泄露。
50.本发明还提供一种用于分离岩石样品中氪和氙的方法，利用上述的用于分离岩石样品中氪和氙的装置100，首先通过真空阀11将液氮层4外壁与筒体1之间的腔体抽真空处理，将本发明的装置与样品前处理系统相连，气体分离之前，在液氮内筒13与液氮外筒12之间加入液氮进行预降温，导热剂层5加入导热剂，将混合气体通过实验腔7通入冷指6中，混合气体在冷指6中进行冷凝吸附20min，完全吸附kr、xe和少量残余ar的混合气体，然后隔离装置，令加热元件工作，测温元件能够监测冷指6内温度，首先将温度设定在80k
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100k之间的某一温度值(例如85k)，以保证冷指6内在仍然吸附kr、xe的情况下，完全释放ar，真空抽气2min；而后隔离装置，将温度设定为155k，2min后，重新将温度设定在100k
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135k之间的某一温度值(例如103k)，使冷指6内xe重新吸附，不受影响，释放kr，最后将温度设定高于135k的某一温度值(例如155k)，释放xe，实验结束后，令冷指6的加热元件工作，达到快速去气的目的。此处需要说明的是，本发明的用于分离岩石样品中氪和氙的方法，给出了温度范围，具体的温度值需要根据具体实验操作确定。
51.本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依
据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。