Transcript Instruments

МГУ им. М. В. Ломоносова
Геологический факультет
Техника изотопного
анализа
Юрий Александрович Костицын
[email protected]
Задачи (*.xlsx) и лекции (*.pptx) – на сайте
http://wiki.web.ru/wiki/Геологический_Факультет_МГУ:
Геохимия_Изотопов_и_Геохронология
Назначение масс-спектрометра
Масс-спектрометр – прибор, позволяющий
разделять движущиеся заряженные частицы по
массам в магнитных и электрических полях и
измерять их количества, т.е. получать массспектр
Полученный сигнал далее используют для определения
концентрации элемента или для измерения относительной
распространённости изотопов
Основные системы масс-спектрометров
и их назначение

Получение ионов (источник)
• Нагрев
• Бомбардировка частицами (электронами, протонами, нейтронами,
ионами)
• Химические реакции
• Тлеющий разряд …

Разделение ионов по массам (анализатор)
• В магнитном поле
• В электрическом поле
• Во времени

Измерение сигналов (система регистрации)
• Одноколлекторные
• Многоколлекторные
• Измерение токов (чашки Фарадея)
• Счёт частиц (ВЭУ)
Источники ионов

Термо-ионизационный (твердофазный).
Rb-Sr, Sm-Nd, U-Th-Pb, Lu-Hf, Re-Os, Hf-W
• Одно-, двух- и трёхленточные
• Позволяет получать положительные и
отрицательные ионы
• Позволяет получать ионы отдельных атомов и
соединений (напр., окислы)
• Возможность получения ионов сильно зависит от
чистоты препарата и других условий
Препарат
Испаритель
Ионизатор
Источники с ударной ионизацией


Электронный удар.
O, C, S, N,
He, Ne, Ar, Kr, Xe.
Ионный (O2-, Ar+,
Cs+) удар.
U-Pb в цирконах.

Источник с индуктивносвязанной плазмой (ИСП)
или
ICP – inductively coupled
plasma.
Широкий круг элементов.
Анализ растворов, аэрозолей
(лазерная абляция)
Анализаторы

Квадрупольные
U = 𝑈0 + 𝑉 ∙ cos 𝜔𝑡
Положительно
заряженные частицы
Электрическое поле

Времяпролётные,
TOF – time of flight
Заряженная частица массой m и
зарядом e в электрическом поле
напряжённостью U приобретает
энергию E:
𝑚𝑉 2
𝐸 = 𝑒𝑈 =
2
V – скорость иона
𝑉=
2𝑒𝑈
𝑚
Ионы разной массы приобретают
разную скорость и попадают на
коллектор в разное время:
∆𝑡 =
𝑙
∆𝑉

Секторный магнит
𝑣=
2𝑒𝑈
𝑚
𝐹 = 𝑒𝑣𝐻 – сила Лоренца,
где H – напряжённость
магнитного поля
𝐹=
𝑚𝑣 2
𝑟
– центробежная сила,
r – радиус траектории иона
𝑚𝑣 2
𝑒𝐻𝑟
𝑒𝑣𝐻 =
→ 𝑣=
𝑟
𝑚
𝑣=
2𝑒𝑈 𝑒𝐻𝑟
=
→ 𝑟=
𝑚
𝑚
2𝑈
𝐻
𝑚
𝑒
Система регистрации ионных токов
Цилиндр (чашка) Фарадея
ионы
R
Токи порядка 10–14 ÷ 10–10 А
Система регистрации частиц (счёта ионов)
Вторично-электронный умножитель (ВЭУ)
Непрерывный динодный умножитель
или
(одно)канальный электронный умножитель
или
(single)channel electronic multiplier (CEM)
или
Channeltron
Токи << 10–13 А
Микроканальная пластина или
Micro-channel plate (MCP)
Набор тонких (~6-10 мкм) микроканалов,
расположенных с интервалом ~15 мкм.
Используются также двуслойные (chevron
MCP) и трёхслойные (Z-stack MCP) с общим
усилением более 107.
Коммерческие масс-спектрометры
Источник
Анализатор
ICP-MS
Примеры
Ионные зонды:
SHRIMP,
Cameca-1280
Ионный удар
Твердофазный,
термоионизационный
Газовый с
электронным
ударом
Система
регистрации
Секторный магнит
квадрупольный,
времяпролётный
или секторный
магнит
TIMS:
Triton, MAT-262,
Sector-54
МультиГазовые:
коллекторная
MAT-253, ARGUS,
Noblesse
MC-ICP-MS:
Neptune, Nu
Plasma, Isoprobe,
Axiom
ICP-MS:
Element, Agilent,
Одно-коллекторная Plasmaquad, Elan,
LECO Renaissance,
GBC OptiMass
Delta Plus
Triton
Neptune
ICP-MS с высоким разрешением:
Element-2/XR,
Neptune, Nu Plasma 1700
Высокое разрешение
Element-XR
Лазерная абляция (LA-ICP-MS)
Ионно-ионные масс-спектрометры
(SIMS, SHRIMP, ion microprobe)


SHRIMP (Sensitive High Resolution Ion MicroProbe )
Cameca-1270 / 1280
SIMS Cameca-1280
SHRIMP или LA-ICP-MS ?
SHRIMP
LA-ICP-MS
≈ 10 ÷ 30 m
30 ÷ 50 m
≈1÷2m
≈ 10 ÷ 20 m
Объём кратера
≈ 103 m3
≈ 105 m3
Масса циркона
≈5 ng
≈ 500 ng
Масса Pb (1 Ma)
≈ 10-16 g
≈ 10-14 g
Масса Pb (GJ)
≈ 10-13 g
≈ 10-11 g
Основной
источник
контаминации
Покрытие
(углерод или
золото)
Включения и
трещины в
минерале
Диаметр пятна
Глубина кратера
Подготовка вещества к
изотопному анализу
Кислород в силикатах и окислах
(классическая схема)
Clayton, Mayeda, 1963
Кислород в силикатах и окислах
(лазерное фторирование)
Sharp, 1990
Камера для фторирования лазером
Sharp, 1990
Разделение элементов
для твердофазного изотопного анализа
Rb
5
Sr
10
15
мл