真空分步加热-元素-同位素富集分析装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于地球化学仪器设备技术领域，具体涉及一种真空分步加热-元素-同位素富集分析装置。
【背景技术】
[0002]目前已经知道，地球内部矿物中存在两种形式的水:结构羟基(OH)和分子水(H2O)。地球科学领域泛称为“水”。地球内部所含水的总量可能与地表水圈相当，甚至更多(Beran 1999；0htani 2005；Hirschmann et al.2005；Hirschmann and Kohlstedt 2012)。地球内部水含量的高低支配了其中矿物岩石的基本物理化学性质。通过板块构造运动和岩浆-热液活动，地球内部的水可以与地表的水圈、大气圈之间进行交换和循环。地球内部水的存在形式、性质、含量和分布深刻而直接地影响着地球表层与地球内部之间水循环的方式和程度，从而也就影响着生物圈的演化。水可能不仅独厚于地球。了解太阳系其它星球是否有水以及水的演变过程，是我们全面认识太阳系的起源和演化历史的关键内容，也是为人类寻找未来可能的宜居之地提供必要的考虑依据。
[0003]前人对结构羟基含量进行了大量研究，但是忽视了分子水的存在，特别是对纳米等级晶体缺陷中的分子水。而矿物中分子水含量的总和可能比结构羟基含量的总和还要大，这个差别影响了我们对地球深部物质物理化学性质的正确理解。
[0004]目前，国内外的机构都在努力研制特殊地球化学仪器设备，试图解决地球内部矿物和熔体中是否存在水、水以什么方式赋存、不同形式水的含量和H-O同位素组成等科学问题，朝着“微区、微量、原位、准确”的分析目标迈进。目前国际上对矿物中水含量和氢同位素组成的分析方法和手段主要包括:
[0005](I)高频加热U/Zn转化法。这是分析水样品和含水矿物中的氢同位素组成的传统分析方法。在真空条件下通过高温加热释放样品中的水，通过还原反应让H2O转化为H2，最后通过双路进样的静态分析方法在气体同位素气体质谱仪上分析氢同位素组成(Bigeleisen et al., 1952；Coleman et al., 1982 ；Halas and Jasinska，1996)。该分析方法进行一次准确的氢同位素分析要求样品中H的量达到?10—4至?10—6摩尔，因此，对于微量的水样品和含水量很低的固体样品，该方法分析的误差很大并且需要大量的样品，对于含水矿物需要超过60mg的样品，而对于名义上无水矿物(NAMs)则需要高达300mg的样品(Vennemann and O’Neil，1993;BelI and Ihinger，2000)。这就导致该方法无法分析小样品量的名义上无水矿物。
[0006](2)离子探针(SIMS)方法。该方法可以分析矿物中H含量。优点是可以分析小样品量的样品；缺点是本底值过高(几百ppm) (Kurosawa et al.，1992)，因此很少使用。
[0007](3)核反应分析(NRA,Nuclear React1n Analysis)方法。该利用探测核反应发射出来的Y射线来获得样品最外层约2μπι深度的H含量。分析得到的氢含量包括了所有的含H相，因此任何其他形式存在的含H相都会对结果产生干扰;样品制备和仪器分析过程中的本底也需要考虑(Rossman et al., 1988) 0
[0008](4)魔角旋转核磁共振(MAS 匪R,Magic-Angle Spinning Nuclear MagneticResonance)分析。匪R是分析低Fe含量(〈0.4wt.%FeO)样品中H含量的比较理想的方法(Johnson and Rossman，2003)。
[0009](5)傅立叶变换红外光谱(FTIR,Fourier Transform Infrared Spectroscopy)分析。能够原位分析名义上无水矿物中低的H2O含量，但是准确的FTIR分析依赖两个关键因素，一是利用其他独立的分析方法对不同矿物红外吸收系数的校正;二是矿物的光学特性，对于非等轴晶系的矿物，其OH含量的分析精度受到红外照射角度的影响(Hauri et al.，2002；Paterson,1982；Kohlstedt et al.,1996；Lu and Keppler,1997；Libowitzky andRossman,1997;Withers et al.,1998)0
[0010]以上这些对于含水样品的分析方法，存在着几个问题:(1)无法在线同步分析样品中水含量和H同位素组成；(2)繁重的手工操作和样品准备；(3)对于含水量很少的名义上无水矿物(NAMs)，分析精度和准确度比较差。
[0011]为解决传统分析方法的不足，本申请的实用新型人建立了改进的高温转化元素分析-质谱联线(TC/EA-MS)的分析方法，并在国际上首次运用此方法成功的分析了大陆俯冲板片超高压变质岩中矿物的水含量和同位素组成(Chen et al.,2007a,b；Gong et al.,2007b，c)。相对于传统方法，TC/EA-MS分析方法的优势在于:可以同步分析矿物中的水含量及其同位素组成，对于含水量很少的名义上无水矿物(NAMs)，分析结果仍然具有很好的分析精度和准确度。
[0012]TC/EA-MS方法虽然可以分析矿物中全水的含量及其同位素组成，但是由于地球内部矿物中的水以结构羟基和分子水两种形式存在，TC/EA-MS方法无法区分矿物样品不同形式的水的含量及其同位素组成。
【实用新型内容】
[0013](一)要解决的技术问题
[0014]本实用新型在上述研究的基础上，旨在进一步解决不同形式水的分析问题，实现定量分析不同形式水的含量和氢氧同位素组成。
[0015](二)技术方案
[0016]为解决上述技术问题，本实用新型提出一种真空分步加热-元素-同位素富集分析装置，包括高真空分步加热富集分析装置和高温转化元素分析-质谱联线分析装置，所述高真空分步加热装置包括自动进样器、样品转移系统、高温转化系统、四级质谱计、富集纯化系统和真空系统，其中，所述自动进样器用于使样品从大气环境自动进入所述高温转化系统中；所述样品转移系统用于将样品释放出的水和其它挥发份转移到所述富集纯化系统；所述高温转化系统用于分步控制其内部的温度，以将样品中不同形式的水分步释放;所述富集纯化系统用于纯化样品释放的水，去除其他挥发份杂质;所述真空系统用于维持整个高真空分步加热富集分析装置内部的真空环境。
[0017]根据本实用新型的一种【具体实施方式】，所述高真空分步加热装置还包括高真空规，其用于所述高真空分步加热富集分析装置内部的真空度。
[0018]根据本实用新型的一种【具体实施方式】，所述高真空规通过高真空接口与所述样品转移系统连接。
[0019]根据本实用新型的一种【具体实施方式】，所述高真空分步加热装置还包括保温系统，其用于使高真空分步加热富集分析装置各部件的温度维持高温，以确保固体样品释放的水不会吸附在高真空分步加热富集分析装置的部件的管道内壁。
[0020]根据本实用新型的一种【具体实施方式】，所述保温系统覆盖整个高真空分步加热富集分析装置的外围。
[0021]根据本实用新型的一种【具体实施方式】，所述自动进样器包括样品盘、观察窗和电磁阀，其中，所述样品盘用于接收样品；所述观察窗用于实时观察到样品反应状况;所述电磁阀用于控制自动进样器是否通入清洗气体。
[0022]根据本实用新型的一种【具体实施方式】，所述样品转移系统包括主体部分，主体部分具有一个转移通道，在转移通道的相对两侧设有高真空口和低真空口，该高真空口和低真空口通过真空接口与转移通道连接;所述样品转移系统还包括隔离阀和样品翻斗，二者设置在转移通道内部;所述样品翻斗用于在样品进入高温转化系统前先行保存;所述高真空口和低真空口用于通过他们对在翻斗中样品抽高真空;所述隔离阀用于控制样品转移系统与高温转化系统连通或隔离。
[0023]根据本实用新型的一种【具体实施方式】，所述高温转化系统具有双层炉管结构，SP包括内部的反应管和外部的外管，所述反应管和外部的外管上形成有一个入气口和一个出气口，它们分别用于将气体导入和导出反应管。
[0024]根据本实用新型的一种【具体实施方式】，所述富集纯化系统包括冷阱，冷阱可控温，由此可以富集样品气体，并在真空条件下纯化样品气体。
[0025]根据本实用新型