二次离子质谱仪.doc

二次离子质谱仪原理简介
二次离子质谱仪（Ｓecondａry Iｏn Maｓs　Sｐectrｏｍetrｙ, SIＭS)又称离子探针（Iｏｎ Micｒoｐroｂe），是一种利用高能离子束轰击样品产生二次离子并进行质谱测定的仪器，可以对固体或薄膜样品进行高精度的微区原位元素和同位素分析。由于地学样品的复杂性和对精度的苛刻要求，在本领域内一般使用定量精度最高的大型磁式离子探针。该类型的商业化仪器目前主要有法国Ｃaｍｅca公司生产的 ＩMS1２７0－１300系列和澳大利亚ASI公司的SHRIＭP系列。最近十年来,两家公司相继升级各自产品，在灵敏度、分辨率及分析精度等方面指标取得了较大的提升,元素检出限达到pｐm-ppｂ级,空间分辨率最高可达亚微米级，深度分辨率可达纳米级。目前，大型离子探针可分析元素周期表中除稀有气体外的几乎全部元素及其同位素，涉及的研究领域包括地球早期历史与古老地壳演化、造山带构造演化、岩石圈演化与地球深部动力学、天体化学与比较行星学、全球变化与环境、超大型矿床形成机制等。因而国内各大研究机构纷纷引进大型离子探针（北京离子探针中心的SHRIMP IＩ 和 SHRIＭP IIe—MＣ、中科院地质与地球物理研究所的 Cameｃa　IMＳ－1２80、Cａｍeｃa IMS-1280HR和NanoＳIMS 50L、中科院广州地球化学研究所的 Ｃａmeca IMS—１280HＲ、中核集团核工业北京地质研究院的 IMS－12８0HR)，大大提高了国内微区分析的能力。
本实验室配备了Ｃａmecａ公司生产的ＩＭS１280离子探针和其升级型号 IＭS１28０HR。两台仪器的基本原理及设计相同，升级型号IMS1２80HR主要在磁场设计上有所改进,具有更高的质量分辨率和传输效率。该型仪器从功能上可分为四部分
，如图一所示：一次离子产生及聚焦光路(黄色部分）、二次离子产生及传输光路(蓝色部分）、双聚焦质谱仪(粉色部分）和信号接收系统（紫色部分).Cａmｅca离子探针可以类比为一台显微镜，离子源相当于显微镜的光源，传输光路相当于物镜,质谱仪相当于滤镜，而接收器相当于目镜或照相机.
图一，　IMS1２８0／HＲ型离子探针原理示意图
一次离子部分包含了两个离子源分别是可以产生Oー和O2ー以及O+离子的双等离子体离子源（Ｄuｏ Plastrｏn Ｓouｒce)和产生Ｃs+离子的热电离铯离子源(Cｓ Ioｎ Soｕrcｅ），一般分别对应地学领域分析中的正电性元素（如 Pb、U、Tｈ、REE、Ｌi、Ca等）和负电性元素（如 C、Ｏ、S、H等）。两个离子源由软件控制选择，所产生的离子通过高压（一般为数千伏特）加速后进入一次离子质量过滤器(PBＭF)进行质量筛选，常用的一次离子有 16Oー、16Ｏ2ー或１33Cs＋离子。后续的一次离子光路通过调整离子透镜Leｎs2， Lｅns３和Ｌens4的电压可以获得两种照明方式：均匀照明（科勒照明或平行光照明)和高斯照明。一次离子光路原理如图二所示。
均匀照明模式使用离子透镜Leｎs2将一次离子束调整为“平行光"，并穿过位于其后的一次束光阑（PBMF_Ａｐerture）,再通过离子透镜Lｅｎs4将该光阑成像到样品表面。在该模式下，离子束的直径由PＢMF＿Apertuｒｅ的大小决定,由于该光阑受到离子束的剥蚀而逐渐变大，因此实际上这