在 ITER 等国际核聚变重大项目中，聚变尾气的精准监测是保障反应堆安全运行、提升燃料燃耗效率的核心环节。而氦 - 4（⁴He）与氘（D₂）作为聚变尾气核心组分，二者质量差值仅0.026 amu，常规分辨率的残余气体分析仪（RGA）根本无法实现有效分离，是行业一大技术难点。

而Hiden Analytical 深耕质谱分析领域，所研发的HAL 101X 超高分辨率四极杆质谱仪，凭借核心技术创新完美攻克这一难题，成为 ITER 诊断残余气体分析系统（DRGA）的核心候选设备，为核聚变研究的尾气监测提供专业解决方案。

（图1 HAL 101X 超高分辨率四极杆质谱仪 ）

01  Hiden HAL 101X 亮点

Hiden Analytical  对HAL 101X进行了专门的设计，以下是该四极杆质谱仪的部分亮点：

1. 高分辨率质谱技术：HAL 101X 采用特殊的射频（RF）电路，并运行于第三稳定区（Zone 3，亦称 Zone H™），将质量分辨率提升至约 0.01 amu 的峰值宽度，从而能够有效区分质量差仅为 0.026 amu 的⁴He 和 D₂，实现二者离子信号的完全解卷积，从根本上解决了聚变尾气中核心组分的分离难题。

2. 多组分分析：除了氦和氘，HAL 101X 还能有效分辨氖 - 20（²⁰Ne）与重水蒸气（D₂O）（质量差 0.036 amu），应对聚变尾气中的复杂气体干扰，实现多组分精准解析。

3. 可应对极端环境：为适应ITER内部的高辐射环境，HAL 101X 的电子控制单元通过长达140米的电缆与质谱探头远程连接。这一设计将敏感电子部件置于辐射屏蔽区域之外，确保系统在强辐射条件下的稳定运行。

02  测试与验证

美国橡树岭国家实验室（ORNL）于2025年5月发布的《Understanding the Quadrupole Mass Filter and Testing a High-Resolution QMS RGA for ITER》中验证了：HAL 101X 成功测试浓度低至3% 的氦 - 4（⁴He）与氘（D₂）的混合气体，且测试结果显示，其测量准确度达到了94%。

（图2 橡树岭国家实验室（ORNL）分析室的 Hiden HAL 101X 质量分析系统）

以下是测试过程简介：

1. 样品

（1）测试样品：第三方认证的标准漏孔，成分为3% ⁴He 与 97% D₂。

（2）扩展气体测试：使用ORNL自有的气体混合系统，制备了不同浓度的⁴He:D₂混合气体，以及加入Ne（氖）的三元混合气体（⁴He:Ne:D₂），用于评估RS值的稳定性。

2. 扫描模式设置

（1）稳定区选择：仪器运行于第三稳定区（Zone 3 / Zone H™），将质量扫描范围压缩至1-22 amu，实际测试中进一步聚焦于3.5-4.5 amu区间。

（2）检测器：使用二次电子倍增管（SEM）。

（3）软件：采用MASsoft™ 软件进行仪器控制和数据分析。

3. 测试步骤

（1）初步验证：3% ⁴He 与 D₂ 分离

a. 结果：在140米远程连接条件下，HAL 101X成功分辨出⁴He和D₂的两个独立离子流峰。

b. 重复验证：使用ORNL自配的3:97混合气体再次测试，计算出的⁴He浓度为3.2%，准确度达到94%。

c. 结论：该结果满足ITER项目对⁴He检测准确度（≥80%）的要求，验证了HAL 101X的有效性。

（图3 在橡树岭国家实验室（ORNL）进行的轮廓扫描，显示了 3:97 泄漏分析中 4He（左峰）和 D₂（右峰）的解析原始离子电流信号。由于信号灵敏度极低，因此使用二次电子倍增器进行分析仪放大（x1000）。）

（2）RS稳定性测试

a. 二元混合物（⁴He:D₂）：测试了5种不同浓度的混合气体，RS值稳定在1.76-1.80之间（平均值1.78，标准差σ=0.01），表明在仅含⁴He和D₂的体系中，RS值在不同浓度下保持稳定，因此可作为浓度定量计算的可靠校准参数。        (3) 扩展能力验证：²⁰Ne 与 D₂O 分离 

a. 测试发现：在分析含Ne的混合气体时，研究团队注意到ITER关注区域中还存在另一组干扰气体——氖-20（²⁰Ne，19.992 amu）与重水蒸气（D₂O，20.028 amu），质量差为0.036 amu。

b. 在Zone H™设置下，仪器能够识别D₂O的峰位置（在任意质量标度下偏移约0.311 amu）。研究认为，该仪器具备同时测量²⁰Ne和D₂O至可比浓度的潜力。

4. 验证结果

本次 ORNL 的测试，正式验证了 Hiden HAL 101X 的核心性能完全满足 ITER DRGA 项目的要求，设备成功破解了⁴He 与 D₂ 的 0.026 amu 分离难题，且能适配聚变堆的高辐射极端环境，成为 ITER 诊断残余气体分析仪的核心候选设备；同时，测试明确了设备在纯体系和多组分体系下的不同表现，提出的校准和优化方案，为设备后续在 ITER 核聚变尾气的实时、精准、稳定监测奠定了坚实基础。

03  Hiden 持续深耕技术创新 

作为深耕质谱技术领域的专业品牌，Hiden 始终以技术创新为核心，为高端科学研究与工业精密检测提供定制化解决方案。Hiden HAL 101X 凭借0.01amu 超高分辨率、极端环境适配性、ITER 级精准度、多组分抗干扰的核心优势，不仅破解了氘 / 氦分离的行业难题，更成为核聚变尾气监测领域的技术标杆。

Hiden 四极杆质谱目前已形成覆盖核聚变、半导体、催化反应、MBE、生物质谱、真空诊断等应用场景的完整产品体系，包括：

（1）HAL 系列：超高分辨率款，主打核聚变、强辐射环境的轻气体精准分析，支持超远距远程操作。

（2）HALO系列：真空诊断，RGA残余气体分析应用，质量数范围100,200,300amu。

（3）HMT：高压工作四极杆，最大工作压力可达0.5 Pa。

（4）3F RGA系列：三级过滤四极杆系列，质量数范围10,50,200,300,510 amu。

（5）3F PIC：脉冲离子计数检测器的三级过滤四极杆，用于超高真空热脱附谱和低至nS 时间分辨。

（6）9mm 1000系列：高性能质谱，最宽范围的质量数、分辨率、灵敏度均在9mm1000系列四极杆。

（7）HALO 201 MBE：专用于MBE过程的四极杆。

（8）IDP系列：带有离子汲取的四极杆，用于客户自有离子源应用。

（9）EPIC系列：带有离子汲取和正负离子分析功能的四极杆，多种应用环境。

（10）DLS系列：专用于氢及氢同位素分析的四极杆，分辨率高达0.003 amu@4amu。

全系列均搭载 MASsoft 专属控制软件，支持定制化配置，覆盖从超高真空到 30bar 高压、从 ppb 级痕量到 100% 浓度的全场景分析需求，技术适配核聚变、半导体、催化、真空技术等多领域，欢迎各位老师咨询与交流。