Термическая ионизация

Процесс, в котором атомы высвобождаются из горячей поверхности и ионизируются

Термическая ионизация , также известная как поверхностная ионизация или контактная ионизация , представляет собой физический процесс, при котором атомы десорбируются с горячей поверхности и в ходе этого процесса ионизируются.

Термическая ионизация используется для создания простых источников ионов , для масс-спектрометрии и для генерации ионных пучков . ^[1] Термическая ионизация широко применяется для определения атомных весов, а также во многих геологических/ядерных приложениях. ^[2]

Физика

Эффект поверхностной ионизации в испаренном атоме цезия при 1500 К, рассчитанный с использованием большого канонического ансамбля . Ось Y: среднее число электронов на атоме; атом нейтрален, если у него 55 электронов. Ось X: переменная энергии (равная работе выхода поверхности), зависящая от химического потенциала электронов μ и электростатического потенциала ϕ .

Вероятность ионизации зависит от температуры нити накала, работы выхода подложки нити накала и энергии ионизации элемента .

Это обобщено в уравнении Саха-Ленгмюра : ^[3]

${\displaystyle {\frac {n_{+}}{n_{0}}}={\frac {g_{+}}{g_{0}}}\exp {\Bigg (}{\frac {W-\Delta E_{\text{I}}}{kT}}{\Bigg )}}$

где

${\displaystyle {\frac {n_{+}}{n_{0}}}}$= отношение плотности числа ионов к плотности числа нейтралов

${\displaystyle {\frac {g_{+}}{g_{0}}}}$= отношение статистических весов (вырожденность) ионных ( g ₊ ) и нейтральных ( g ₀ ) состояний

${\displaystyle W}$= работа выхода поверхности

${\displaystyle \Delta E_{\text{I}}}$= энергия ионизации десорбированного элемента

${\displaystyle k}$= постоянная Больцмана

${\displaystyle T}$= температура поверхности

Отрицательная ионизация может также происходить для элементов с большим сродством к электрону по отношению к поверхности с низкой работой выхода. ${\displaystyle \Delta E_{\text{A}}}$

Масс-спектрометрия с термической ионизацией

Одним из применений термической ионизации является масс-спектрометрия с термической ионизацией (TIMS). В масс-спектрометрии с термической ионизацией химически очищенный материал помещается на нить , которая затем нагревается до высоких температур, чтобы вызвать ионизацию части материала по мере его термической десорбции (выкипания) с горячей нити. Нити обычно представляют собой плоские куски металла шириной около 1–2 мм (0,039–0,079 дюйма), толщиной 0,1 мм (0,0039 дюйма), согнутые в перевернутую U-образную форму и прикрепленные к двум контактам, которые подают ток.

Этот метод широко используется в радиометрическом датировании , где образец ионизируется в вакууме. Ионы, образующиеся на нити, фокусируются в ионный пучок, а затем пропускаются через магнитное поле для разделения их по массе. Затем можно измерить относительное содержание различных изотопов, что даст изотопные соотношения.

Когда эти изотопные отношения измеряются с помощью TIMS, происходит фракционирование, зависящее от массы, поскольку виды испускаются горячей нитью накала. Фракционирование происходит из-за возбуждения образца и, следовательно, должно быть скорректировано для точного измерения изотопного отношения. ^[4]

Метод TIMS имеет несколько преимуществ. Он имеет простую конструкцию, менее затратен, чем другие масс-спектрометры, и производит стабильную эмиссию ионов. Он требует стабильного источника питания и подходит для видов с низкой энергией ионизации, таких как стронций и свинец .

Недостатки этого метода вытекают из максимальной температуры, достигаемой при термической ионизации. Горячая нить достигает температуры менее 2500 °C (2770 K; 4530 °F), что приводит к невозможности создания атомарных ионов видов с высокой энергией ионизации, таких как осмий и вольфрам . Хотя метод TIMS может создавать молекулярные ионы вместо этого в этом случае, виды с высокой энергией ионизации можно анализировать более эффективно с помощью MC-ICP-MS. ^{[ необходима цитата ]}

Смотрите также

• Детектор Ленгмюра-Тейлора
• Ирвинг Ленгмюр
• Мегнад Саха

Ссылки

1. Alton, GD (1988). "Характеристика источника ионизации поверхности цезия с пористым вольфрамовым ионизатором. I" (PDF) . Review of Scientific Instruments . 59 (7): 1039–1044. Bibcode :1988RScI...59.1039A. doi :10.1063/1.1139776. ISSN  0034-6748.
2. Barshick, C; Duckworth, D; Smith, D (2000). Неорганическая масс-спектрометрия: основы и приложения . Нью-Йорк, Нью-Йорк [ua]: Dekker. стр. 1. ISBN 9780824702434.
3. Dresser, MJ (январь 1968). "Уравнение Саха-Ленгмюра и его применение" (PDF) . Журнал прикладной физики . 39 (1): 338–339. Bibcode :1968JAP....39..338D. doi :10.1063/1.1655755 . Получено 11 октября 2007 г. .
4. Дикин, А. П., 2005. Геология радиогенных изотопов, 2-е изд. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. С. 21–22