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本发明涉及一种天然气氖同位素组成测量装置，该装置包括稀有气体质谱仪、活性炭冷阱Ⅰ、Ⅱ和天然气钢瓶。天然气钢瓶通过高真空管线经活性炭冷阱Ⅰ连高真空系统；高真空管线通过管线连超高真空管线，该超高真空管线连活性炭冷阱Ⅱ、稀有气体质谱仪、超高真空系统；天然气钢瓶与活性炭冷阱Ⅰ之间设减压阀、高真空阀Ⅰ、Ⅱ、薄膜真空计；活性炭冷阱Ⅰ经高真空阀Ⅲ与高真空管线相连；高真空系统与管线之间设高真空阀Ⅳ；管线上设超高真空阀Ⅰ；超高真空系统与管线之间设超高真空阀Ⅱ；活性炭冷阱Ⅱ经超高真空阀Ⅲ与超高真空管线相连；稀有气体质谱仪与活性炭冷阱Ⅱ之间设超高真空阀Ⅳ。本发明还公开了该装置的使用方法。本发明测量结果精确、无干扰。