二次離子質(zhì)譜儀原理簡(jiǎn)介

(word)二次離子質(zhì)譜儀原理簡(jiǎn)介二次離子質(zhì)譜儀〔SecondaryIonMassSpectrometry，SIMS〕又稱離子探針〔IonMicroprobe〕,是一原位元素和同位素分析。由于地學(xué)樣品的簡(jiǎn)單性和對(duì)精度的苛刻要求，在本領(lǐng)域內(nèi)一般使用定量精度最高的Cameca公司生產(chǎn)的IMS1270-1300ASISHRIMPppm-ppb目前，大型離子探針可分析元素周期表中除稀有氣體外的幾乎全部元素及其同位素，涉及的爭(zhēng)論領(lǐng)域包括地球早期歷史與古老地殼演化、造山帶構(gòu)造演化、巖石圈演化與地球深部動(dòng)力學(xué)、天體化學(xué)與比較行星學(xué)、全SHRIMPII和SHRIMPIIe—MC、中科院地質(zhì)與地球物理爭(zhēng)論所的CamecaIMS—1280、CamecaIMS-1280HRNanoSIMS50L、中科院廣州地球化學(xué)爭(zhēng)論所的CamecaIMS—1280HR、中核集團(tuán)核工業(yè)北京地質(zhì)爭(zhēng)論院的IMS—1280HR),大大提高了國(guó)內(nèi)微區(qū)分析的力量。CamecaIMS1280IMS1280HR設(shè)計(jì)一樣，升級(jí)型號(hào)IMS1280HR主要在磁場(chǎng)設(shè)計(jì)上有所改進(jìn)，具有更高的質(zhì)量區(qū)分率和傳輸效率.該型儀器從功能上可分為四局部，如圖一所示：一次離子產(chǎn)生及聚焦光路(黃色局部)、二次離子產(chǎn)生及傳輸光路〔藍(lán)色局部〕、雙聚焦質(zhì)譜儀〔粉色局部〕和信號(hào)接收系統(tǒng)〔紫色局部〕.Cameca圖一,IMS1280/HR(word)二次離子質(zhì)譜儀原理簡(jiǎn)介一次離子局部包含了兩個(gè)離子源分別是可以產(chǎn)生Oー和Oー以及O+〔DuoPlastron2Source〕Cs+離子的熱電離銫離子源〔CsIonSource〕，一般分別對(duì)應(yīng)地學(xué)領(lǐng)域分析中的正電性元素(如Pb、U、Th、REE、Li、Ca〕和負(fù)電性元素〔如C、O、S、H生的離子通過(guò)高壓〔一般為數(shù)千伏特)加速后進(jìn)入一次離子質(zhì)量過(guò)濾器〔PBMF〕進(jìn)展質(zhì)量篩選，常用的一次16Oー、16Oー133Cs+離子.后續(xù)的一次離子光路通過(guò)調(diào)整離子透鏡Lens2，Lens3Lens42獲得兩種照明方式：均勻照明〔科勒照明或平行光照明〕和高斯照明。一次離子光路原理如圖二所示。均勻照明模式使用離子透鏡Lens2(PBMF_Aperture〕，再通過(guò)離子透鏡Lens4在該模式下，離子束的直徑由PBMF_Aperture的大小打算，由于該光闌受到離子束的剝蝕而漸漸變大,因此實(shí)際上這種模式的離子束直徑是隨時(shí)間不斷變化的，對(duì)空間區(qū)分率不太敏感的應(yīng)用可以使用該模式。試驗(yàn)室的常規(guī)定年就使用了這種照明模式，由于其離子束密度均勻，在樣品外表留下的剝蝕坑為橢圓形的平底坑。圖二一次離子光路原理示意圖在高真空條件下，帶有數(shù)千電子伏特(eV〕的高能帶電離子轟擊固體樣品的外表時(shí)，局部一次離子注入到固體內(nèi)部并與其路徑上的樣品原子發(fā)生彈性或非彈性碰撞.通過(guò)碰撞而獲得能量的內(nèi)部原子又與其四周的原子再次逸出樣品外表，產(chǎn)生了濺射現(xiàn)象。在濺射出的各種微粒中,有小局部發(fā)生了電離，產(chǎn)生了二次離子。這些二次離子被樣品外表的+10KV到—10KV濺射及加速示意圖請(qǐng)見(jiàn)圖三。(word高斯照明模式在PBMF之后使用了三個(gè)離子透鏡：Lens2Lens3和Lens4.其中Lens2與Lens3將離子束會(huì)聚，L4將會(huì)聚后的離子束聚焦到樣品外表，形成束流密度中心高四周低的高斯分布。這種模式下,在樣品外表產(chǎn)生的剝蝕坑是接近圓形的V型坑.這種模式下離子束的直徑主要受到L2與L310微米的小束斑定年分析都承受了高斯照明模式.不同元素的二次離子產(chǎn)率相差巨大，而且每種元素在不同基體中的產(chǎn)率也不盡一樣，甚至同一元素的同位素之間在不同的基體中也表現(xiàn)出不固定的產(chǎn)率(基體效應(yīng)).在實(shí)際分析時(shí)實(shí)測(cè)值與理論值會(huì)產(chǎn)生較大差要使用離子探針進(jìn)展高精度的元素、同位素分析,必需使用與被測(cè)樣品成分和構(gòu)造全都的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)展校正。而標(biāo)準(zhǔn)樣品的稀缺性也成為制約和影響離子探針?lè)治龅钠款i。目前，本試驗(yàn)室目前已開(kāi)發(fā)了鋯石氧同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)Penglai(OKAL同位素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)M25、鋯石年齡標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)〔Qinghu〕等。圖三,離子探針濺射示意圖后續(xù)的光闌及狹縫的調(diào)整，可在質(zhì)量區(qū)分率確定的條件下對(duì)儀器的傳輸效率進(jìn)展優(yōu)化，保證分析精度。入口狹縫是傳輸光路和質(zhì)譜儀的分界面。離子束通過(guò)傳輸光路聚焦后，在入口狹縫處會(huì)聚。調(diào)整入口狹縫的寬度可掌握進(jìn)入質(zhì)譜儀的離子束寬度,從而掌握質(zhì)譜儀的質(zhì)量區(qū)分率。質(zhì)量區(qū)分率要求越高，入口狹縫所對(duì)應(yīng)的寬度就越窄,二次離子信號(hào)的強(qiáng)度損失也就越多。因此，在滿足分析要求的前提下，盡量使用較低的質(zhì)量分辨率.離子探針?lè)治鲋校瑯悠吠獗頌R射出的二次離子組成格外簡(jiǎn)單，包括了單原子離子、分子離子、多電荷。為了兼顧離子探針的質(zhì)量區(qū)分率和傳輸效率，必需承受大磁場(chǎng)半徑的設(shè)計(jì).該型離子探針的最低質(zhì)量區(qū)分率為～90020000。磁式質(zhì)譜儀主要利用運(yùn)動(dòng)離子在磁場(chǎng)中的受力偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定質(zhì)量電荷比值的離子的選擇。磁式離子探針一般使用雙聚焦磁式質(zhì)譜，可以實(shí)現(xiàn)速度聚焦和方向聚焦，在二次離子能量分布范圍較大的狀況下實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量區(qū)分率和高傳輸效率。雙聚焦質(zhì)譜儀由靜電分析器和扇形磁場(chǎng)質(zhì)量分析器組成，當(dāng)二者的能量色散在焦平面上相互抵消時(shí)即實(shí)現(xiàn)了雙聚焦.IMS1280/HR585mm，在質(zhì)量區(qū)分率500090%。(word離子經(jīng)過(guò)質(zhì)譜儀的質(zhì)量色散后進(jìn)入離子接收系統(tǒng)。該型儀器的接收系統(tǒng)分為三個(gè)局部：具有5個(gè)接收位置,共717％，最小質(zhì)量差異為～0.4%，是典型的同位素養(yǎng)譜配置。5道上沿聚焦面移動(dòng),依據(jù)被測(cè)同位素的信號(hào)強(qiáng)度可選擇安裝法拉第杯或電子倍增器。最外側(cè)的兩個(gè)接收位置還分別額外加裝了一個(gè)法拉第杯，增加配置的敏捷性，如圖四所示。多接收器分析可以提高效率,并能抵消一局部由于一次離子或儀器其他參數(shù)波動(dòng)引起的分析誤差,是提高分析精度的最直接手段。試驗(yàn)室的高精度穩(wěn)定同位素分析〔氧同位素、碳同位素及硫同位素等〕都是用多接收器的。目前本試驗(yàn)室兩臺(tái)離子探針承受Pb單接收系統(tǒng)具有一個(gè)工作在離子計(jì)數(shù)模式下的電109動(dòng)態(tài)接收范圍的大量程接收系統(tǒng)。對(duì)于質(zhì)量范圍17％U-Pb196—270，使用的是單接收系統(tǒng)中的電子倍增器收集