stringtranslate.com

Чувствительный ионный микрозонд высокого разрешения

SHRIMP II в Исследовательской школе наук о Земле, Австралийский национальный университет , Австралия

Чувствительный ионный микрозонд высокого разрешения (также чувствительный ионный микрозонд высокого разрешения по массе или SHRIMP ) — это секторный инструмент масс-спектрометра вторичных ионов (SIMS) большого диаметра с двойной фокусировкой , который был произведен Australian Scientific Instruments в Канберре, Австралия , а теперь был приобретен китайской компанией Dunyi Technology Development Co. (DTDC) в Пекине. Подобно ионным микрозондам большой геометрии IMS 1270-1280-1300, производимым CAMECA , Gennevilliers, Франция, и подобно другим инструментам SIMS, микрозонд SHRIMP бомбардирует образец в вакууме пучком первичных ионов , который распыляет вторичные ионы , которые фокусируются, фильтруются и измеряются в соответствии с их энергией и массой.

SHRIMP в основном используется для геологических и геохимических приложений. Он может измерять изотопное и элементное содержание в минералах в масштабе от 10 до 30 мкм и с глубинным разрешением 1–5 мкм. Таким образом, метод SIMS хорошо подходит для анализа сложных минералов, которые часто встречаются в метаморфических ландшафтах, некоторых магматических породах и для относительно быстрого анализа статистически достоверных наборов обломочных минералов из осадочных пород. Наиболее распространенное применение инструмента — геохронология урана-тория-свинца , хотя SHRIMP можно использовать для измерения некоторых других измерений изотопных соотношений (например, δ 7 Li или δ 11 B [1] ) и содержания следовых элементов.

История и научное влияние

SHRIMP возник в 1973 году по предложению профессора Билла Компстона [ 2], который пытался построить ионный микрозонд в Исследовательской школе наук о Земле Австралийского национального университета , который превосходил бы чувствительность и разрешение ионных зондов, доступных в то время, для анализа отдельных минеральных зерен. [3] Конструктор оптики Стив Клемент основал прототип прибора (теперь называемый «SHRIMP-I») на конструкции Мацуды [4], которая минимизировала аберрации при передаче ионов через различные сектора. [5] Прибор создавался с 1975 по 1977 год, а его тестирование и перепроектирование начались в 1978 году. Первые успешные геологические применения произошли в 1980 году. [3]

Первым крупным научным достижением стало открытие зерен циркона хадейского периода (возрастом более 4000 миллионов лет) на горе Нарриер в Западной Австралии [6] , а затем и на близлежащих холмах Джек-Хиллз . [7] Эти результаты и сам аналитический метод SHRIMP изначально были подвергнуты сомнению [8] [9], но последующий традиционный анализ частично подтвердил их. [10] [11] SHRIMP-I также стал пионером в области ионно-микрозондовых исследований изотопных систем титана [12] , гафния [13] и серы [14] .

Растущий интерес со стороны коммерческих компаний и других академических исследовательских групп, в частности профессора Джона де Лаэтера из Университета Кертина (Перт, Западная Австралия), привел к проекту в 1989 году по созданию коммерческой версии прибора, SHRIMP-II, совместно с ANUTECH, коммерческим подразделением Австралийского национального университета. Усовершенствованные конструкции ионной оптики в середине 1990-х годов побудили к разработке и созданию SHRIMP-RG (обратная геометрия) с улучшенным разрешением по массе. Дальнейшие достижения в области проектирования также привели к появлению систем сбора нескольких ионов (уже представленных на рынке французской компанией за несколько лет до этого), измерений стабильных изотопов отрицательных ионов и продолжающейся работе по разработке специального прибора для легких стабильных изотопов. [15]

В настоящее время по всему миру установлено пятнадцать инструментов SHRIMP [16] [17] , а результаты SHRIMP были представлены в более чем 2000 рецензируемых научных работах. SHRIMP является важным инструментом для понимания ранней истории Земли, проанализировав некоторые из старейших земных материалов, включая гнейс Акаста [18] [19] , и еще больше увеличив возраст цирконов из Джек-Хиллс [20] и старейшего ударного кратера на планете. [21] Другие важные вехи включают первые U/Pb-возрасты для лунного циркона [22] и марсианского апатита [23] . Более поздние применения включают определение температуры поверхности моря ордовика [24] , определение времени снежных комов на Земле [25] и разработку методов стабильных изотопов. [26] [27]

Конструкция и эксплуатация

Первичная колонка

В типичном аналитическом режиме геохронологии U-Pb пучок первичных ионов (O 2 ) 1− производится из разряда высокочистого кислорода в полом Ni- катоде дуоплазматрона . Ионы извлекаются из плазмы и ускоряются при 10 кВ. Первичная колонна использует освещение Кёлера для получения равномерной плотности ионов по всему целевому пятну. Диаметр пятна может варьироваться от ~5 мкм до более 30 мкм по мере необходимости. Типичная плотность ионного пучка на образце составляет ~10 пА/мкм 2 , а анализ в течение 15–20 минут создает абляционную яму размером менее 1 мкм. [29]

Камера для образцов

Первичный луч падает под углом 45° на плоскость поверхности образца, а вторичные ионы извлекаются под углом 90° и ускоряются при 10 кВ. Три квадрупольные линзы фокусируют вторичные ионы на щель источника, а конструкция направлена ​​на максимизацию передачи ионов, а не на сохранение ионного изображения в отличие от других конструкций ионного зонда. [15] Объективная линза Шварцшильда обеспечивает прямой микроскопический просмотр образца в отраженном свете во время анализа. [5] [30]

Электростатический анализатор

Вторичные ионы фильтруются и фокусируются в соответствии с их кинетической энергией электростатическим сектором радиусом 1272 мм 90° . Механически управляемая щель обеспечивает тонкую настройку энергетического спектра, передаваемого в магнитный сектор [29] , а электростатическая квадрупольная линза используется для уменьшения аберраций при передаче ионов в магнитный сектор. [4]

Магнитный сектор

Электромагнит имеет радиус 1000 мм через 72,5° для фокусировки вторичных ионов в соответствии с их отношением массы к заряду в соответствии с принципами силы Лоренца . По сути, путь менее массивного иона будет иметь большую кривизну через магнитное поле, чем путь более массивного иона. Таким образом, изменение тока в электромагните фокусирует определенный вид массы на детекторе.

Детекторы

Ионы проходят через щель коллектора в фокальной плоскости магнитного сектора, а сборка коллектора может перемещаться вдоль оси для оптимизации фокуса заданного изотопного вида. В типичном анализе циркона U-Pb для подсчета ионов используется один вторичный электронный умножитель .

Вакуумная система

Турбомолекулярные насосы откачивают весь путь пучка SHRIMP для максимизации передачи и снижения загрязнения. Камера для образцов также использует крионасос для улавливания загрязняющих веществ, особенно воды. Типичные давления внутри SHRIMP составляют от ~7 x 10−9 мбар в детекторе до ~1 x 10−6 мбар в первичной колонне (с источником кислорода дуоплазматрон). [29]

Массовое разрешение и чувствительность

В нормальных условиях SHRIMP достигает разрешения по массе 5000 с чувствительностью >20 отсчетов/сек/ppm/nA для свинца из циркона. [28] [29]

Приложения

Изотопное датирование

Для геохронологии U-Th-Pb пучок первичных ионов (O 2 ) 1− ускоряется и коллимируется в направлении мишени, где он распыляет «вторичные» ионы из образца. Эти вторичные ионы ускоряются вдоль прибора, где последовательно измеряются различные изотопы урана , свинца и тория , а также контрольные пики для Zr 2 O + , ThO + и UO + . Поскольку выход распыления различается между видами ионов, а относительный выход распыления увеличивается или уменьшается со временем в зависимости от вида ионов (из-за увеличения глубины кратера, эффектов зарядки и других факторов), измеренные относительные изотопные содержания не связаны с реальными относительными изотопными содержаниями в мишени. Поправки определяются путем анализа неизвестных и контрольного материала (материал, соответствующий матрице, с известным изотопным составом) и определения калибровочного коэффициента, специфичного для аналитической сессии. [31] [32] [33]

Инструменты SHRIMP по всему миру

Ссылки

  1. ^ Сиверс, Натали Э.; Менольд, Кэрри А.; Гроув, Марти; Кобл, Мэтью А. (26 апреля 2017 г.). «Белая слюда, следовые элементы и изотопы бора, свидетельствующие об отличительных событиях инфильтрации во время эксгумации глубоко погруженной континентальной коры» (PDF) . International Geology Review . 59 (5–6): 621–638. Bibcode :2017IGRv...59..621S. doi :10.1080/00206814.2016.1219881. ISSN  0020-6814. S2CID  131780603.
  2. ^ Австралийская академия наук. "Интервью с австралийскими учеными: профессор Билл Компстон". Архивировано из оригинала 9 августа 2010 года . Получено 10 ноября 2010 года .
  3. ^ ab Foster, J. (2010), «Строительство и развитие SHRIMP I: исторический очерк», Precambrian Research , 183 (1): 1–8, Bibcode : 2010PreR..183....1F, doi : 10.1016/j.precamres.2010.07.016
  4. ^ ab Matsuda, H. (1974), "Двойные фокусирующие масс-спектрометры второго порядка", International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics , 14 (2): 219–233, Bibcode : 1974IJMSI..14..219M, doi : 10.1016/0020-7381(74)80009-4
  5. ^ ab Clement, SWJ; Compston, W.; Newstead, G. (1977). "Проектирование большого ионного микрозонда с высоким разрешением" (PDF) . Труды Международной конференции по вторичной ионной масс-спектрометрии . Springer-Verlag. стр. 12.
  6. ^ Froude, DO; Ireland, TR; Kinny, PD; Williams, IS; Compston, W.; Williams, IR; Myers, JS (1983), "Ионная микрозондовая идентификация земных цирконов возрастом 4100–4200 млн лет", Nature , 304 (5927): 616–618, Bibcode : 1983Natur.304..616F, doi : 10.1038/304616a0, S2CID  4335827
  7. ^ Компстон, У.; Пиджен, Р.Т. (1986), «Джек-Хиллз, свидетельство более древних детритовых цирконов в Западной Австралии», Nature , 321 (6072): 766–769, Bibcode : 1986Natur.321..766C, doi : 10.1038/321766a0, S2CID  4243085
  8. ^ Мурбат, С. (1983), «Самые древние породы?», Nature , 304 (5927): 585–586, Bibcode : 1983Natur.304..585M, doi : 10.1038/304585a0, S2CID  4343270
  9. ^ Шерер, У.; Аллегр, К. Дж. (1985), «Определение возраста Австралийского континента с помощью анализа единичного зерна циркона метакварцита горы Нарриер», Nature , 315 (6014): 52–55, Bibcode : 1985Natur.315...52S, doi : 10.1038/315052a0, S2CID  4261728
  10. ^ Fanning, CM; McCulloch, MT (1990). «Сравнение изотопной систематики U–Pb в ранних архейских цирконах с использованием масс-спектрометрии с термической ионизацией и ионного микрозонда». Третий международный архейский симпозиум, Перт. Расширенный том тезисов . С. 15–17.
  11. ^ Амелин, Я. В. (1998), «Геохронология детритовых цирконов Джек-Хиллз с помощью точного анализа изотопного разбавления U–Pb фрагментов кристаллов», Химическая геология , 146 (1–2): 25–38, Bibcode : 1998ChGeo.146...25A, doi : 10.1016/S0009-2541(97)00162-9
  12. ^ Ирландия, TR; Компстон, W.; Хайдеггер, HR (1983), «Аномалии изотопов титана в гибонитах из углеродистых хондритов Мерчисона», Geochimica et Cosmochimica Acta , 49 (9): 1989–1993, Bibcode : 1985GeCoA..49.1989I, doi : 10.1016/0016-7037(85)90092-4
  13. ^ Кинни, PD; Компстон, W.; Уильямс, IS (1991), «Исследование изотопов гафния в цирконах с помощью разведывательного ионного зонда», Geochimica et Cosmochimica Acta , 55 (3): 849–859, Bibcode : 1991GeCoA..55..849K, doi : 10.1016/0016-7037(91)90346-7
  14. ^ Элдридж, CS; Компстон, W.; Уильямс, IS; Уолш, JL (1987), "In-situ микроанализ для соотношений 34 S/ 32 S с использованием ионного микрозонда SHRIMP", Международный журнал масс-спектрометрии и ионных процессов , 76 (1): 65–83, Bibcode : 1987IJMSI..76...65E, doi : 10.1016/0168-1176(87)85011-5
  15. ^ ab Ireland, TR; Clement, S.; Compston, W.; Foster, JJ; Holden, P.; Jenkins, B.; Lanc, P.; Schram, N.; Williams, IS (2008), "Развитие SHRIMP", Australian Journal of Earth Sciences , 55 (6): 937–954, Bibcode : 2008AuJES..55..937I, doi : 10.1080/08120090802097427, S2CID  55839574
  16. ^ "SHRIMP User Locations" (PDF) . 2009. Архивировано из оригинала (PDF) 19 февраля 2011 . Получено 13 августа 2010 .
  17. ^ Stern, R. (2006), «Машина времени для Geoscience Australia», AusGeo News , 81 : 15–17, архивировано из оригинала 6 сентября 2008 г.
  18. ^ Боуринг, SA; Уильямс, IS (1999), "Прискоанские (4,00–4,03 Ga) ортогнейсы из северо-западной Канады", Вклад в минералогию и петрологию , 134 (1): 3–16, Bibcode : 1999CoMP..134....3B, doi : 10.1007/s004100050465, S2CID  128376754
  19. ^ Стерн, РА; Бликер, В. (1998), «Возраст древнейших горных пород мира уточнен с помощью канадского SHRIMP. Комплекс гнейсов Акаста, Северо-Западные территории, Канада», Geoscience Canada , 25 : 27–31[ мертвая ссылка ]
  20. ^ Уайлд, SA; Вэлли, JW; Пек, WH; Грэм, CM (2001), «Доказательства существования континентальной коры и океанов на Земле 4,4 млрд лет назад, полученные из детритных цирконов» (PDF) , Nature , 409 (6817): 175–178, Bibcode : 2001Natur.409..175W, doi : 10.1038/35051550, PMID  11196637, S2CID  4319774
  21. ^ Эриксон, ТМ (2020). «Точный радиометрический возраст устанавливает Яррабуббу, Западная Австралия, как старейшую признанную метеоритную ударную структуру Земли». Nature Communications . 11 (1): 300. Bibcode :2020NatCo..11..300E. doi :10.1038/s41467-019-13985-7. PMC 6974607 . PMID  31964860. 
  22. ^ Компстон, У.; Уильямс, И.С.; Мейер, К. (февраль 1984 г.), «U-Pb геохронология цирконов из лунной брекчии 73217 с использованием чувствительного ионного микрозонда с высоким разрешением по массе», Журнал геофизических исследований , 89 (Приложение): B525–B534, Bibcode : 1984JGR....89..525C, doi : 10.1029/jb089is02p0b525
  23. ^ Terada, K.; Monde, T.; Sano, Y. (ноябрь 2003 г.), «Ионное микрозондовое U-Th-Pb датирование фосфатов в марсианском метеорите ALH 84001», Meteoritics & Planetary Science , 38 (11): 1697–1703, Bibcode : 2003M&PS...38.1697T, doi : 10.1111/j.1945-5100.2003.tb00009.x, S2CID  128680750
  24. ^ Trotter, JA; Williams, IS; Barnes, CR; Lécuyer, C.; Nicoll, RS (2008), «Вызвало ли охлаждение океанов ордовикское биоразнообразие? Данные термометрии конодонтов», Science , 321 (5888): 550–554, Bibcode : 2008Sci...321..550T, doi : 10.1126/science.1155814, PMID  18653889, S2CID  28224399
  25. ^ Сюй, Бэй; Сяо, Шухай; Цзоу, Хайбо; Чен, Ян; Ли, Чжэн-Сян; Сун, Бяо; Лю, Дуньи; Чуаньмин, Чжоу; Сюньлай, Юань (2009), «Ограничения возраста циркона SHRIMP U – Pb в неопротерозойских диамиктитах Куруктах на северо-западе Китая» (PDF) , Precambrian Research , 168 (3–4): 247–258, Бибкод : 2009PreR..168..247X , дои :10.1016/j.precamres.2008.10.008, S2CID  15201304
  26. ^ Ickert, RB; Hiess, J.; Williams, IS; Holden, P.; Ireland, TR; Lanc, P.; Jenkins, B.; Schram, N.; Foster, JJ; Clement, SW (2008), "Определение высокоточных in situ соотношений изотопов кислорода с помощью SHRIMP II: анализ эталонных материалов силикатного стекла MPI-DING и циркона из контрастных гранитов", Chemical Geology , 257 (1–2): 114–128, Bibcode : 2008ChGeo.257..114I, doi : 10.1016/j.chemgeo.2008.08.024
  27. ^ Хисс, Джо; Беннетт, Вики; Натман, Аллен; Уильямс, Ян (2010), «Архейский флюид-ассистированный корковый каннибализм, зафиксированный низкими изотопными сигнатурами δ18O и отрицательными εHf(T) гранитного циркона Западной Гренландии» (PDF) , Вклад в минералогию и петрологию , 161 (6): 1027–1050, Bibcode : 2011CoMP..161.1027H, doi : 10.1007/s00410-010-0578-z, S2CID  129035404
  28. ^ ab Williams, IS (1998), "U-Th-Pb геохронология с помощью ионного микрозонда", в McKibben, MA; Shanks III, WC; Ridley, WI (ред.), Применение микроаналитических методов для понимания процессов минерализации, Reviews in Economic Geology, т. 7, стр. 1–35, doi :10.5382/Rev.07.01, ISBN 1887483519
  29. ^ abcd Stern, RA (1997), «GSC Sensitive High Resolution Ion Microprobe (SHRIMP): аналитические методы определения возраста циркона U-Th-Pb и оценка производительности», Radiogenic Age and Isotopic Studies: Report , 10 (F): 1–31
  30. ^ Ридл, М. "Объектив Шварцшильда" . Получено 10 ноября 2010 г.
  31. ^ Claoué-Long, J.; Compston, W.; Roberts, J.; Fanning, CM (1995), "Два возраста каменноугольного периода: сравнение датирования циркона SHRIMP с обычными возрастами циркона и анализом 40 Ar/ 39 Ar", в Berggren, WA; Kent, DV; Aubry, M.-P.; Hardenbol, J. (ред.), Geochronology, Time Scales, and Global Stratigraphic Correlation , Special Publications of SEPM, стр. 3–21, doi :10.2110/pec.95.04.0003, ISBN 978-1-56576-091-2
  32. ^ Блэк, Лэнс П.; Камо, Сандра Л.; Аллен, Шарлотта М.; Алейников, Джон Н.; Дэвис, Дональд В.; Корш, Рассел Дж.; Фудулис, Крис (2003), «TEMORA 1; новый стандарт циркона для фанерозойской U-Pb геохронологии», Chemical Geology , 200 (1–2): 155–170, Бибкод : 2003ChGeo.200..155B, doi : 10.1016/ С0009-2541(03)00165-7
  33. ^ Black, Lance P.; Kamo, Sandra L.; Allen, Charlotte M.; Davis, Donald W.; Aleinikoff, John N.; Valley, John W.; Mundil, Roland; Campbell, Ian H.; Korsch, Russell J.; Williams, Ian S.; Foudoulis, Chris (2004), "Улучшенная геохронология микрозонда 206 Pb/ 238 U с помощью мониторинга эффекта матрицы, связанного с микроэлементами; SHRIMP, ID-TIMS, ELA-ICP-MS и документация изотопов кислорода для ряда стандартов циркона", Chemical Geology , 205 (1–2): 115–140, Bibcode : 2004ChGeo.205..115B, doi : 10.1016/j.chemgeo.2004.01.003

Внешние ссылки