Hidrológiai Közlöny 1981 (61. évfolyam)

12. szám - Balogh Kadosa–Hertelendi Ede: Természetes tricium koncentrációk mérésének lehetőségei tömegspektrométerrel

556 Hidrológiai Közlöny 1981. 12. sz. Balogh K.—Hertelendi E.: Természetes trícium A sztatikus üzemmódban végrehajtott mérés jellegzetessége, hogy az ionforrás szívó hatása miatt a mért minta fokozatosan eltűnik, az elektromos térben felgyorsult ionok az elektródákba csapódva kötve maradnak Ebben az esetben 5% hatásfokú ionforrást feltételezve (a keltett ionok 5%-a éri el a detektort), az általunk előzőekben alapul vett körülmények között a mérés kb. 10 percig folytatható, s ezalatt kb. 45 000 impulzus gyűjthető össze. A tényleges helyzet ennél lényegesen jobb, ugyanis lOOY-nál kisebb gyorsító feszültség esetén az ionforrás szívó hatása erősen lecsökken [18], ekkor ugyanis az ionok nem kötődnek meg az elektródákon, hanem semlegesítődnek és újra ionizálódhatnak. Következtetésként megállapítható, hogy az alapul vett feltételek mellett keletkezett ;

!He kimutatása méréstechnikai problémát nem jelent. A 3He mennyiségi meghatározása azonban mégis csak akkor lehetséges, ha mérés közben vagy a tárolási idő alatt a mérendő 3He-nál lényegesen nagyobb mennyiségű, nem a tricium in situ bomlásából keletkező 3He vagy ezzel össztéveszthető molekula (HD, H

3) nem jelenik meg a rendszerben. A következőkben ezen zavaró hatások nagyságát becsüljük meg. Beömlés. Tökéletes vákuumrendszer nem készíthető, így a tárolás és mérés ideje alatt az atmoszférából valamennyi 3He mindenképpen bejut a rendszerbe. A vákuumtechnika jelenlegi színvonalán a beömlés könnyen 10 ~

1

1 mbar X 1 /sec-ra csökkenthető, ez másodpercenként 2.652.10

8 molekula beömlését jelenti. Minthogy a 3He koncentrációja az atmoszférában 6,81 X 10-1

2, elérhető, hogy a 3He beömlés sebessége ne legyen nagyobb 1,81 X 103 atom/sec-nál. 100 nap tárolási idő alatt ezek szerint kb. 1,56.10

4 3He atom juthat a rendszerbe. Ez a triciumból keletkezett 3He atomoknak kevesebb mint 1%-a. Megjegyezzük, hogy - tömegspektrométerrel a 3He és 4He egyidejűleg is mérhető, így a 4He segítségével a beömlés mértéke ellenőrizhető, — az általunk használt beömlés érték üres vákuumedényre érvényes. Vízzel töltött rendszerbe — a hélium kis oldékonysága miatt — a beömlés 10" mbar X 1/sec-nál lényegesen kisebb is lehet. A hidrogén zavaró hatását a feltételezett 10~

u mbar parciális nyomás mellett becsüljük meg. Minthogy a deuterium koncentrációja kb. 0,015 mol%, így a 3-as tömegszámnál megjelenő, a 3Hemal összetéveszthető HD molekulák nyomása 3.10-1

5 mbar, alig több mint 1%-a a mérendő 3He nyomásának. A tömegspektrométer ionforrásában a H+-ionok mellett H+-ionok is keletkeznek, amelyek szintén a 3-as tömegszámnál jelentkeznek. Mivel a H+ionok jelenléte a természetben fontos szerepet játszó, s ezért sok laboratóriumban vizsgált IIjl) arány meghatározását is nehezíti, e zavaró hatás megbecslésére gazdag szakirodalom áll rendelkezésre. Mi itt mindössze Friedman klasszikus munkájára szeretnénk hivatkozni [10]. A H+-ionok koncentrációja a tömegspektrométer ionforrásában a nyomás négyzetével arányos. Friedman mérései során a tömegspektrométer ionforrásában a hidrogén nyomása megközelítőleg 10~

5 mbar volt, s a H +-ionok koncentrációja lényegesen kisebb volt a HD

+-ionok koncentrációjánál. így a méréseink során feltételezett hidrogén nyomás mellett a H+-ionok zavaró hatásától mindenképpen eltekinthetünk. Kozmikus sugárzás. A kozmikus sugárzásnak a Föld felszínére érkező részecskéi szétrobbantják az oxigén atommagjait, s a töredékek között a 3He magjai is megtalálhatók. Ezeket a magrobbanásokat fotoemulzióban megjelenő képük után „csillagok"-nak nevezik. A vízminta tárolása során az oxigénből keletkező 'He mennyiségének megbecslése a kísérleti adatok hiányossága miatt csak közelítőleg végezhető el. Lal és Peters vizsgálatai szerint [20] a tenger szintjén lg levegőben másodpercenként < 2.105 csillag keletkezik. A csillagokban a 3He magjainak aránya kb. 12% [20]. Azzal a durva közelítő feltétellel élve, hogy a 3He azonos valószínűséggel keletkezik a levegő alkotóelemeiből, a 100 molnyi vízben levő 1600 g oxigénben < 3,84.10"

3 atom 3He keletkezik másodpercenként, tehát 100 nap tárolási idő alatt < 3.32.10

4 atom 3He. Ez a mennyiség kevesebb az esetünkben mérendő 3He 2%-ánál, tehát szintén nem okoz jelentős hátteret. A kozmikus sugárzás zavaró hatásának csökkentése a minta nagy mélységben történő tárolásával érhető el. A ITe meghatározás kísérleti módszere A tervezett kísérleti módszert és berendezéseket nagy vonalakban tekintjük át, a részfeladatok jelentős része ugyanis több módon is megoldható, s az optimális eljárás kidolgozása csak kísérleti tapasztalatok alapján lehetséges. Az atmoszféra héliumtartalma 5,24.10-6 cm

3/cm

3, az atmoszférával egyensúlyban levő vízé pedig kb. 4,5.10~

8 cm

3/g [21]. Mintbogv a hélium 0,00013%-a 3He, 1800 cm

3 vízmintában kb. 2,8.10® 3He atom van, lényegesen több, mint ami a tárolás ideje alatt keletkezik. Első lépésként tehát a vízminta héliumtartalmát kell eltávolítani, amit a 2. ábrán vázolt edényben kívánunk elvégezni. A B térfogatot az 1. szelepig megtöltjük a vízmintával, majd az edényt a P peremnél vákuumrendszerre csatlakoztatva az A térfogatot leszívjuk. A 2. szelepet zárva az 1. szelepet nyitva az alacsony oldékonyság miatt a héliumnak kb. 99%-a eltávozik a vízből. Ez a folyamat keveréssel vagy ultrahangos kezeléssel meggyorsítható. Egyszeri kigázosítás után még túl sok hélium marad a vízben, az A térbe távozott hélium azonban elszívható, s az eljárás addig ismételhető, amíg a héliumkoncentráció adott érték alá nem csökken. A tárolás befejezése után a tárolóedényt vákuumra szívható gáztisztító egységhez csatlakoztatjuk. Az A tér leszívása után a felhalmozódott 3He-ot kiválasztjuk, majd a gáztisztító egységben összegyűjtjük. A hélium aktív szénnel töltött cseppfolyós hélium hőmérsékletére hűtött kifagyasztón gyűjthető össze, tisztítása getter anya-