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        基于氦離子化氣相色譜法測定微量氧、氮的影響因素

        2020-03-26 06:37:10祝劉正楊小軍岳維宏王淑敏何濤
        化學(xué)分析計(jì)量 2020年2期

        祝劉正,楊小軍,岳維宏,王淑敏,何濤

        (1.中國原子能科學(xué)研究院,北京 102413; 2.北京高麥克儀器科技有限公司,北京 100032)

        近年來,隨著氣相色譜技術(shù)的快速發(fā)展,高純氣體中微量氧、氮組分的分析需求越來越廣,要求也越來越高[1–2]。在半導(dǎo)體行業(yè)中,等離子蝕刻劑(如四氟化碳)[3]、非均相TiO2光催化劑[4]、光學(xué)晶體薄膜[5]、二維石墨烯納米電子材料[6]、半導(dǎo)體薄膜外延生長原料氣(如鍺烷、磷烷、砷烷、高純氨、高純氫、高純氖等)的生產(chǎn)過程中均需要嚴(yán)格控制氧、氮含量。若過量的氧、氮進(jìn)入生產(chǎn)工序,最終會影響半導(dǎo)體器件的質(zhì)量[3,7–12],特別是砷烷,過量的氧、氮甚至能與其形成可燃性混合氣[10]。在低溫精餾系統(tǒng)中(如液氫體系),準(zhǔn)確檢測原料氣中微量氧、氮含量,有助于降低氧、氮雜質(zhì)在精餾塔、熱交換器、連接管道等部件上因固態(tài)積累而引起的阻塞甚至爆炸的風(fēng)險[13]。在高壓輸電系統(tǒng)中,微量的氧氣會使氣體絕緣金屬封閉開關(guān)上的部件發(fā)生氧化,導(dǎo)致器件絕緣性能降低,進(jìn)而發(fā)生嚴(yán)重的放電事故[14]。因此準(zhǔn)確測定高純氣體中微量氧、氮含量具有重要意義。

        目前常規(guī)的氣相色譜儀主要由載氣系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離及溫度控制系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、記錄及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)5 部分組成。載氣系統(tǒng)通常選用高純氣源和純化器相結(jié)合的方式控制載氣純度;進(jìn)樣系統(tǒng)主要由進(jìn)樣管道及相關(guān)閥門構(gòu)成,其表面潔凈度及其對樣品的吸附性能直接影響測定結(jié)果的準(zhǔn)確度;分離及溫度控制系統(tǒng)主要包括色譜柱及控溫部件,其中色譜柱溫度直接影響色譜填料對樣品的吸附性能;檢測系統(tǒng)主要由檢測器及附件組成,檢測器的靈敏度直接影響組分的響應(yīng)性能。

        氦離子化氣相色譜法采用的是一類通過將穩(wěn)定氦源激發(fā)為氦的激發(fā)態(tài)、進(jìn)而通過能量轉(zhuǎn)移的方式將被測組分的原子或分子進(jìn)行電離的非破壞性濃度檢測器,具有通用性強(qiáng)、線性范圍寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),備受人們的廣泛關(guān)注[15–18]。GB/T 28726–2012 規(guī)定,氦離子化氣相色譜法測試樣品時,儀器各項(xiàng)參數(shù)依相應(yīng)儀器說明書選定。然而儀器說明書中并未對樣品進(jìn)樣流量作詳細(xì)規(guī)定,規(guī)定的吹掃時間及吹掃流量僅考慮對管道中殘存樣品的快速置換,而并未考慮管道表面的吸附作用。為減少氦離子化氣相色譜法測定高純氣體中微量氧、氮含量時的測定誤差,筆者對色譜柱溫度、進(jìn)樣流量、進(jìn)樣管道環(huán)境及極化電壓等儀器參數(shù)進(jìn)行討論并分析,為開展氦離子化及其它相關(guān)氣相色譜儀測定微量氧、氮含量時的條件選擇及方法優(yōu)化提供參考。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要儀器與試劑

        氣相色譜儀:GC592 型,配備氦離子化檢測器,美國高麥科技有限公司;

        氣體流量計(jì):E11B1 型,荷蘭Bronkhorst 公司;

        氦氣:純度為99.999%,上?;繕?biāo)準(zhǔn)氣體有限公司;

        氧、氮混合標(biāo)準(zhǔn)氣體:氧氣、氮?dú)夂糠謩e為2.4,2.7 μmol/mol,平衡氣為He,上海基量標(biāo)準(zhǔn)氣體有限公司。

        1.2 儀器工作條件

        色譜柱:(1)Shincarbon 柱(1.82 m×3.18 mm,2.1 mm),(2)13X molesieve 柱(3.05 m ×3.18 mm,2.1 mm),美國高麥科技有限公司;流動相:He,流量為30 mL/min。

        1.3 實(shí)驗(yàn)方法

        1.3.1 色譜柱溫度影響

        控制進(jìn)樣流量為70 mL/min,極化電壓為160 V,在色譜柱溫度分別為25,45,65,85℃下對氧、氮混合標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行測定,考察不同色譜柱溫度對測定結(jié)果的影響。

        1.3.2 進(jìn)樣流量影響

        選擇氧、氮混合標(biāo)準(zhǔn)氣體,設(shè)置極化電壓為160 V,色譜柱溫度為45℃,在進(jìn)樣流量分別為0,20,40,60,80,100,120 mL/min 下測定進(jìn)樣口尾端的壓力。

        在上述相同條件下,在進(jìn)樣流量分別為20,40,60,80,100,120 mL/min 下對氧、氮混合標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行測定,考察不同進(jìn)樣流量對測定結(jié)果的影響。

        1.3.3 進(jìn)樣管道環(huán)境影響

        設(shè)置色譜柱溫度為45℃,極化電壓為160 V,控制進(jìn)樣流量為70 mL/min,對氧、氮混合標(biāo)準(zhǔn)氣體連續(xù)測試5 次,關(guān)閉進(jìn)樣管道前、后閥門,靜置12 h,然后打開進(jìn)樣管道前、后閥門,控制進(jìn)樣流量為70 mL/min,繼續(xù)對氧、氮混合標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行測定。

        設(shè)置色譜柱溫度為45℃,極化電壓為160 V,控制進(jìn)樣流量為70 mL/min,對氧、氮混合標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行測定。

        設(shè)置色譜柱溫度為45℃,極化電壓為160 V,采用高純He 對管道進(jìn)行吹掃30 min,然后控制進(jìn)樣流量為70 mL/min,對氧、氮混合標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行測定。

        1.3.4 極化電壓影響

        設(shè)置色譜柱溫度為45℃,控制進(jìn)樣流量為70 mL/min,在極化電壓分別為0,80,160,240,320,400 V 下對氧、氮混合標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行測定。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 色譜柱溫度影響

        按1.3.1 方法,在色譜柱溫度分別為25,45,65,85℃下對氧、氮混合標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行測定,結(jié)果如圖1所示。由圖1 可以看出,在25~45℃溫度范圍內(nèi),隨著色譜柱溫度的升高,樣品中氧、氮色譜峰面積幾乎無變化;當(dāng)色譜柱溫度超過45℃后,由于色譜柱對樣品中氧、氮具有一定的吸附作用,造成氧、氮色譜峰面積降低。因此當(dāng)色譜柱溫度在25~45℃范圍內(nèi)時,色譜柱對樣品中氧、氮吸附量最小。

        圖1 不同溫度下樣品中微量氧、氮的色譜峰面積

        2.2 不同進(jìn)樣流量影響

        按1.3.2 方法,在進(jìn)樣流量分別為0,20,40,60,80,100,120 mL/min 下對氧、氮混合標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行測定,結(jié)果如圖2 所示。

        圖2 不同進(jìn)樣流量下的進(jìn)樣壓力

        由圖2 可以看出,隨著進(jìn)樣流量的增大,進(jìn)樣壓力隨之增大,二者形成較好的線性關(guān)系。由理想氣體狀態(tài)方程(PV=nRT)可知,單位體積中氧、氮的分子數(shù)增加,即各組分的色譜峰面積增大。試驗(yàn)反映出的真實(shí)規(guī)律如圖3 所示。

        圖3 不同進(jìn)樣流量下樣品中微量氧、氮的色譜峰面積

        由圖3 可以看出,隨著進(jìn)樣流量的增大,測得的樣品中氧、氮色譜峰面積先降低后升高,這是由于進(jìn)樣流量較小時,如20 mL/min,進(jìn)樣系統(tǒng)受外界空氣中氧、氮的干擾較大,造成測得的氧、氮色譜峰面積偏大,隨著進(jìn)樣流量增大,如40~60 mL/min,進(jìn)樣系統(tǒng)受外界空氣干擾越來越小,使測得的氧、氮色譜峰面積呈下降趨勢,繼續(xù)增大進(jìn)樣流量,如70~120 mL/min,樣品中微量氧、氮色譜峰面積隨進(jìn)樣流量增大的內(nèi)在規(guī)律表現(xiàn)得越來越明顯。因此當(dāng)進(jìn)樣流量不小于70 mL/min 時,樣品中微量氧、氮測定結(jié)果受外界空氣干擾最小。

        2.3 不同進(jìn)樣管道環(huán)境影響

        按1.3.3 方法,分別在不同時間段對樣品進(jìn)行測定,結(jié)果如圖4 所示,圖中第1~5 次為第一天測定結(jié)果,第6~10 次為第二天測定結(jié)果。

        圖4 不同測定時間段樣品中微量氧、氮的色譜峰面積

        由圖4 可以看出,在第一天測定結(jié)果穩(wěn)定情況下,第二天繼續(xù)測定時,樣品中氧的色譜峰面積先是處于較低值,然后隨進(jìn)樣次數(shù)的增加,色譜峰面積逐漸增大,最終趨于穩(wěn)定,且與第一天測定結(jié)果一致。這是由于剛開始測定時,受外界空氣影響較大,實(shí)際進(jìn)入進(jìn)樣管道中的氧含量高于樣品的氧含量,但同時進(jìn)樣管道對氧具有一定的吸附作用,且吸附量大于外界空氣中少量氧的干擾,因此開始數(shù)次測定,樣品中氧的色譜峰面積處于較小值,當(dāng)進(jìn)樣管道對氧吸附量達(dá)到飽和后,繼續(xù)進(jìn)樣,樣品中氧的色譜峰面積趨于穩(wěn)定。

        為進(jìn)一步驗(yàn)證上述推論,采用高純氦氣對管道進(jìn)行吹掃沖洗,對沖洗前(第一天)和沖洗后(第二天)樣品中微量氧、氮組分的響應(yīng)面積進(jìn)行測定,結(jié)果如圖5、圖6 所示。

        圖5 沖洗前、后樣品中微量氧測定的色譜峰面積

        圖6 沖洗前、后樣品中微量氮測定的色譜峰面積

        對比圖5 和圖6 可以看出,樣品中氮與氧色譜峰面積的變化規(guī)律正好相反,這是由于受外界空氣干擾、管道的擴(kuò)散作用以及進(jìn)樣管道對氮幾乎無吸附作用的影響,造成進(jìn)樣管道中實(shí)際氮含量高于樣品的氮含量,導(dǎo)致開始數(shù)次的分析結(jié)果出現(xiàn)氮的色譜峰面積處于較高值,隨著進(jìn)樣次數(shù)的增加,氮的色譜峰面積逐漸減小并趨于穩(wěn)定。從試驗(yàn)結(jié)果來看,采用高純氦氣對進(jìn)樣管道進(jìn)行沖洗前、后,樣品中氧、氮色譜峰面積所表現(xiàn)出的變化規(guī)律與圖4 結(jié)果一致。因此初次測定樣品中微量氧、氮含量時,需使進(jìn)樣管道表面吸附的氧、氮處于飽和狀態(tài)。

        2.4 不同極化電壓影響

        按1.3.4 方法,在極化電壓分別為0,80,160,240,320,400 V 下對氧、氮混合標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行測定,結(jié)果如圖7 所示。

        圖7 不同極化電壓下樣品中微量氧、氮的色譜峰面積

        由圖7 可以看出,在極化電壓為0~80 V 時,樣品中氧、氮的色譜峰面積隨極化電壓的增大而增大;在極化電壓為80~160 V 時,氧、氮的色譜峰面積較為穩(wěn)定;當(dāng)極化電壓大于160 V 時,隨著極化電壓的繼續(xù)增大,氧的色譜峰面積隨之增大,而氮的色譜峰面積隨之減小并最終出現(xiàn)負(fù)峰。這是由于氧的離子化能階較低(小于14 eV),無需克服活化能量障礙,而氮的離子化能階較高(15.6 V),需克服放電產(chǎn)生的副產(chǎn)物活化能量障礙[19]。因此當(dāng)極化電壓為80~160 V 時,樣品中氧、氮均具有最佳的響應(yīng)值。

        3 結(jié)語

        研究了氦離子化氣相色譜儀參數(shù),如色譜柱溫度、進(jìn)樣流量、進(jìn)樣管道環(huán)境、極化電壓對樣品中微量氧、氮含量測定結(jié)果的影響。結(jié)果表明,測定樣品時應(yīng)控制色譜柱溫度不大于45℃,進(jìn)樣流量不小于70 mL/min,極化電壓為80~160 V,此外,初次測定樣品中微量氧、氮含量時,需使進(jìn)樣管道表面吸附的氧、氮處于飽和狀態(tài)。研究結(jié)果有利于開展氦離子化及其它相關(guān)氣相色譜儀測定微量氧、氮含量時的條件選擇及方法優(yōu)化。

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