02同位素测量原理及概要.ppt

传统的质谱计一般要求化学分离出目的元素，因此难于分析一个矿物颗粒的同位素组成或矿物内部同位素组成变化。此外，目的元素量越小，化学处理过程中引入的污染相对就越大。 离子探针质谱计的设计避免这些，它可以分析很小矿物颗粒的同位素组成和元素含量。 （D）电感耦合等离子化（Radiofrequency inductively coupled plasma—ICP): 用高频(7MHz-56MHz)感应电源，通入Ar气并使之与高频发生器感应耦合形成高温等离子体，把试样通过雾化器导入高温等离子体中进行电离。 激光 ★离子流的引出： 由样品离子化出来的离子，其初始速度一般都不大，要利用这些离子进行质谱分析，必须将它们从离子源中引出，并使之具有一定的速度。 为此，在离子源的电离室和出口缝之间加上一定的电压，造成电位梯度，使离子朝着质量分析器的方向加速，离子获得能量： 此电位差称为加速电压，在分析正离子时，样品和电离室处于高电位。出口缝处于低电位。在分析负离子时，则相反。 被加速后的离子在垂直运动方向的电场中会发生偏转，运动离子在一些电场的偏移就象光穿过透镜折射一样，故这些电场又称静电透镜（参考电场中的离子光学）。通过一系列的透镜和狭缝使离子流变成一束运动方向基本一致的离子束而进入磁分析器。 (2) 质量分析器（磁分析器） 磁分析器是质量分析器的一种，目的是把不同质量的离子分开。磁分析器由精心设计的电磁铁和置于其间的离子飞行金属管道组成。所设计的电磁铁的两极的形状和位置保证磁力线垂直于离子运动方向。 一个质量为m ，电荷为e的离子在电压为V伏的加速电场中获得能量E为： 其中 v 为离子运动速率。这样从离子源出口射出的带等量电荷的相同质量离子具有相同的动能，但不同质量的离子具有不同的速度： 例如：H+离子（质量数=1）在104 V的电场中加速，那么其从离子源射出的速度是多少？ 电子的电荷为1.60219×10-19库伦 原子的质量为1.6605402 ×10-27Kg 代入 计算得V=1388 km/s 当离子以上述速度 （ ） 进入磁场时， 它们受到洛伦兹力作用而发生偏转，偏转半径为R，洛伦兹力与离心力平衡，即： 由以上两式消去速度u 得： 该式表明： ①通过调节加速电压(V)或磁场强度(B)，可以使得任何质量为m和电荷为e的离子沿半径为R的轨道运动。 ②如果B和V为定值，单位电荷离子运动轨迹的半径与质量的平方根成正比。即重离子比轻离子偏离直线的程度小。 例：一台质谱仪的半径为0.3m，加速电压为10000V。磁场调节到可以测定不同的质量。计算磁场强度为0.5T时偏转的原子质量？ 解：根据 当磁场强度B的单位为特斯拉，质量m的单位为原子质量单位，半径R单位为米，电压V单位为伏特时，上式为： 解得 因此在横向磁场中，离子受洛伦兹力作用作匀速圆周运动，轨道半径为： 离子旋转一周又重新会聚到入射点，因此横向磁场(磁场旋转圆周)具有完善的方向聚焦作用。而且有质量分离能力，即各种不同质荷比的离子按时间先后而会聚到入射点上(t=2?m/eB)。 但是偏转2?弧度的磁场在质谱分析上是没有实用价值的，因为要想把离子源出射缝和检测入口缝放在一起构成偏转2?弧度的质谱计，在结构上是不可实现的。 理想的场应当既能象棱镜那样使离子束发生质量色散，又应有透镜的作用（参考磁场中的离子光学），使发散的离子束聚焦(下图)。 图 有聚焦作用的磁棱镜 这样的磁场的边界是精心计算设计的 A double focusing or Nier-Johnson mass spectrometer with both magnetic and electrostatic sectors. After Majer (1977). 能量过滤器(高分辨ICP-MS中用) （3） 离子接收器 离子接收器由一个有限制狭缝板和金属杯(法拉第筒)组成，调整加速电压或磁场电流以及移动接收杯，使相互分开的几个离子束中的某一个离子束正好聚焦并通过限制狭缝而进入接收杯内。 法拉第离子接收器 接收器直接获得的离子流强度是极其微弱的，一般小于10－8－10－9A，必须经过直流放大器放大后才能进行记录和检测，直流大器的电阻较大(109－1012?，一般用1011?。例如离子流强度为10－11A 则该放大器上的电位差为1伏特），放大器上的电位差转换成数字输出。 现代质谱计设计有多个接收器，可同时接收记录被分开的几束离子及其强度，从而实现了地质和生物样品中同位素比值的精确测定。 接收器除法拉第结构外，还有电子倍增器或光电倍增管探测系统, 能探测到10－19 A的微弱离子流。 2.3 测量的数据的精密度和准确度