用于聚变尾气监测的轻质量气体峰重叠分辨：橡树岭国家实验室对 Hiden HAL 101X 的测试

用于聚变尾气监测的轻质量气体峰

重叠分辨：橡树岭国家实验室对 Hiden HAL 101X 的测试

为支撑下一代聚变诊断技术，橡树岭国家实验室针对国际热核聚变实验堆（ITER）诊断型残余气体分析仪（DRGA），评估了 Hiden 高分辨率四极杆残余气体分析方案，重点面向聚变尾气中轻质量组分的快速、选择性测量。研究展示了高分辨率四极杆工作模式如何解析质量数极为接近的峰 —— 最具代表性的是⁴He 与 D₂的分离，并探讨了氖等附加气体存在时对定量分析的影响。本文重点介绍核心测试结果，及其对聚变相关真空与尾气环境中氦、氖实时监测的意义。

ITER 对快速、选择性尾气测量提出严苛要求

磁约束聚变装置的尾气由氢同位素、氦，以及等离子体控制注入气体组成复杂混合体系。在ITER 诊断型残余气体分析仪（DRGA）方案中，目标监测组分（ROI）包括氢同位素（D₂、T₂）与氦同位素（³He、⁴He）；同时氖也被纳入候选分析物，因其作为辐射剂注入偏滤器，用于耗散能量并稳定等离子体运行。

为满足聚变装置控制与反馈需求，ITER 性能指标要求数据快速采集与处理（秒级响应，约 1 秒），并具备对⁴He 相对 D₂定量分析的能力。

核心难点：⁴He 与 D₂的质量数仅相差0.0260 amu，远超常规 “单位分辨率” 四极杆质谱（QMS）的分辨能力。

技术方案：高分辨率四极杆工作模式（H 区）

论文阐述了四极杆质量分析器通过耦合直流与射频电场、离子源杆几何结构，以及调节电压扫描曲线（VSL）实现离子分离，平衡灵敏度与分辨率。

针对 ITER 轻质量气体解析需求，研究采用专用 QMS‑RGA 配置 ——Hiden Analytical HAL 101X，通过增强型射频电路，工作在 Hiden 定义的H 区（通常称为 “3 区”）高分辨模式，实现约0.01 amu的峰宽分辨率。该高分辨模式压缩扫描范围（本配置为 1–22 amu），优先覆盖聚变尾气监测所需的低质量数目标区间。

橡树岭国家实验室验证测试：低浓度下⁴He与 D₂的分辨

图 6. 左侧照片显示了 Hiden HAL 101X 四极杆质谱仪（最右侧）与橡树岭国家实验室（ORNL）试验台分析腔室的连接配置。右侧照片显示了连接电源（PS）与质谱仪仪器插头的成卷电缆组件。

在橡树岭国家实验室，研究人员以一台量产型仪器为对象，开展 ITER DRGA 研发相关性能评估。Hiden Analytical HAL 101X 测试配置的关键特点为：电源电子学单元远程布置，采用 140 米长电缆连接（详见论文图 6），模拟强辐射环境下必需的电子学系统异地部署架构。

图 7. 橡树岭国家实验室（ORNL）完成的轮廓扫描图，展示了 3:97 混合气泄漏分析中⁴He（左侧峰）与 D₂（右侧峰）的分离原始离子流信号。由于信号强度过低，法拉第杯无法有效检测，因此本实验采用二次电子倍增器（即 “SEM”）进行信号放大（放大倍数 ×1000）。

为验证性能，ORNL 采用标准混合气进行标定测试：⁴He:D₂ = 3:97。

结果显示，两种组分峰可清晰分离（详见论文图 7）；因信号强度较低，测试采用二次电子倍增器（SEM）检测。

借助仪器控制软件 MASsoft™，对标准 3:97 混合气的测试计算得出⁴He 浓度为 3.4%（相对真值准确度约 88%）；采用 ORNL 配气系统制备的 3:97 混合气测得浓度为 3.2%（准确度约 94%）。

上述结果为 DRGA 项目的验收与验证报告提供了支撑。

拓展至氦 + 氖体系：气体组成对灵敏度因子的影响

鉴于 ITER 诊断中目标监测区间可能存在多种气体，研究同时考察了相对灵敏度因子比（RS）随混合体系变化的行为规律。

图 8. 展示了 5 个数据点的平均相对灵敏度因子（RSavg）的统计一致性（σ = 0.01，μ = 1.78）。其数值范围在 1.76–1.80 之间。因此，在计算 D₂混合气中⁴He 的相对浓度时，采用恒定值是合理的。

1. 在⁴He + D₂二元混合气中，RS 在多组数据点上保持相对稳定（论文图 8），支持在测试范围内采用恒定 RS对 D₂基体中的⁴He 进行相对浓度计算。

图 9. 展示了 4 个数据点的平均相对灵敏度因子（RSₐᵥ₉）的统计离散性（σ = 0.14，μ = 1.60）。其数值范围在 1.42–1.76 之间。因此，在计算 D₂和 Ne 混合气中⁴He 的相对浓度时，采用恒定值是不合理的。

2. 当加入氖形成⁴He + D₂ + Ne三元混合气时，RS 出现显著波动（论文图 9），表明在第三种气体存在下，单一恒定 RS 不再适用于浓度计算，需进一步优化标定策略。

图 10. 显示了在 H 区（Zone H™）高分辨模式下，通过四极质谱（QMS）扫描并在 MASsoft™软件中测得的 ²⁰Ne 信号强度。分离后的强度数据来自对3:5:92（⁴He:Ne:D₂）混合气泄漏的测量。与前文的 D₂基体中⁴He 分离扫描图（见图 7）类似，本图的质量标尺为任意单位。图中还标注了 D₂O 峰的索引位置。

论文同时指出一项重要实际干扰：在低分辨率模式下， D₂O 与 ²⁰Ne会发生峰重叠；高分辨模式可显著改善分离效果，论文图 10 展示了高分辨（任意）质量标尺下氖信号与标定 D₂O 峰的位置关系。

对面向 ITER 的 RGA 系统设计的指导意义

橡树岭国家实验室的测试结果为聚变尾气分析提供了两项关键工程结论：

1. 分辨率设计必须围绕低质量数目标区间（ROI）展开

常规单位分辨率 QMS 无法满足聚变关键近邻质量峰（如⁴He vs D₂）的分离需求。

2. 混合体系复杂度提升时，标定策略至关重要

为避免 RS 随组分变化导致计算偏差，论文提出两种可行方案：

1. 选用针对预测工况区间优化的标称RS 值；

2. 基于已知混合气建立 RS‑R 曲线库，在控制架构中根据实测离子流比（R）选取对应 RS 值。

论文还提到，高分辨模式下存在小幅质量峰定位漂移，经与 Hiden 沟通确认，源于环境温度对射频电路的影响；同时给出了工程化解决方案：对射频模块进行温控，并在扫描程序中采用 “峰位通道首尾校准”。

本研究为聚变应用场景下的高分辨率四极杆 RGA 提供了一条工程化可行路线：

聚焦轻质量气体目标区间、支持快速数据更新、可实现常规单位分辨率 QMS 无法分离的近邻质量峰解析。橡树岭国家实验室的测试同时表明，当尾气组分拓展至氖及 D₂O 等潜在干扰物时，稳健的标定方法与扫描方法设计至关重要。

阅读完整研究论文：

Understanding the Quadrupole Mass Filter and Testing a High-Resolution QMS RGA for ITER. 

了解更多关于 HAL 101X 产品信息。

 HAL 101X 核心技术与成果：

1. 高分辨率质谱技术：Hiden 公司开发的 HAL 101X 专门针对这一难题设计。它通过特殊的射频（RF）电路调整和在四极杆的“第三稳定区”（Zone 3 或 Zone HTM）运行，实现了约 0.01 amu 的超高分辨率。

2. 成功验证：在橡树岭国家实验室（ORNL）的测试中，HAL 101X 成功测试了浓度低至 3% 的氦-4 与氘的混合气体。测试结果显示，其测量准确度达到了 94%。

3. 应对极端环境：为了适应核聚变反应堆的高辐射环境，该系统的电子控制单元通过长达 140 米 的电缆实现远程操作，确保在复杂实验条件下依然能稳定获取数据。

4. 多组分分析：除了氦和氘，该仪器还能有效解决氖-20 (²⁰Ne) 与重水蒸气 (D₂O) 之间的信号干扰问题。

如需交流聚变尾气监测相关技术，欢迎联系我们，与资深专家直接沟通。

电话：13501238067

   18515337279