민감한 고해상도 이온 마이크로프로브

Sensitive high-resolution ion microprobe
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오스트레일리아 커틴 대학교의 새우 2세

민감성 고해상도 이온 마이크로프로브(고해상도 이온 마이크로프로브 또는 SHEWARE)는 호주 캔버라에서 호주 사이언티픽 인스트루먼트가 생산하는 직경이 큰 이중 초점 2차 이온질량 분광계(SIMS) 섹터 계측기다. 프랑스 Gennevillier, COMECA, Gennevilliers에서 생산한 IMS 1270-1280-1300의 대형 지오메트리 이온 마이크로프로브와 유사하게, SHREWARE 마이크로프로브는 에너지와 질량에 따라 집중, 여과 및 측정되는 2차 이온을 스퍼트하는 1차 이온 빔으로 진공 상태의 샘플을 폭격한다.

새우는 주로 지질학적, 지질학적 용도에 사용된다. 광물의 동위원소 및 원소 함량을 직경 10~30μm, 깊이 분해능 1~5μm로 측정할 수 있다. 따라서 SIMS 방법은 일부 화성암인 변성지형에서 흔히 발견되는 복잡한 광물의 분석과 퇴적암에서 나오는 유효한 광물의 통계적 유효 집합의 비교적 빠른 분석에 적합하다. 새우를 사용하여 일부 다른 동위원소 비율 측정(예: ΔLi7 또는 ΔB11[1])과 추적원소 분비를 측정할 수 있지만, 계측기의 가장 일반적인 적용은 우라늄-토륨-리드 지동기학에 있다.

역사와 과학적 영향

새우는 1973년 교수님의 제안으로 시작되었다. 빌 콤프스턴은 오스트레일리아 국립대학교 지구과학연구대학에서 개별 미네랄 알갱이를 분석하기 위해 당시 이용 가능한 이온 탐침의 민감도와 분해능을 초과하는 이온 마이크로프로브를 제작하려고 한다.[2][3] 광학 디자이너 스티브 클레멘트는 다양한 부문을 통해 이온을 전달하는 과정에서 이상을 최소화한 마츠다의[4] 설계에 기초하여 프로토타입 기기(현재 'SHRIMp-I'라고 한다)를 만들었다.[5] 이 기구는 1975년과 1977년 사이에 1978년부터 시험과 재설계를 거쳐 만들어졌다. 최초의 성공적인 지질학적 적용은 1980년에 일어났다.[3]

첫 번째 주요한 과학적 영향은 서부 호주의[6] 나리에르 산에서 그리고 그 후 근처의 잭 힐스에서 하데스 (>4,000만년 된) 지르콘 알갱이 발견이었다.[7] 이러한 결과와 SWARE 분석 방법 자체는 처음에는 의문을[8][9] 가졌지만 이후의 기존 분석은 부분적으로 확인되었다.[10][11] 새우-나는 티타늄,[12] 하프늄[13] 및 황[14] 동위원소 시스템의 이온 마이크로프로브 연구도 개척했다.

상업 기업 및 기타 학술 연구 단체, 특히 교수에 대한 관심이 높아지고 있다. 커틴 대학의 존 드 라터(퍼스, 서부 오스트레일리아)는 1989년 호주 국립대학의 상업적 계열인 ANUTECH와 연계하여 이 악기의 상용 버전인 SWARE-II를 건설하는 프로젝트를 이끌었다. 1990년대 중반의 정제된 이온 광학 설계는 질량 분해능을 개선한 SWARE-RG(역지오메트리)의 개발과 건설을 촉진했다. 설계의 추가 발전은 또한 다중 이온 채집 시스템 (이미 수년 전에 프랑스 회사가 시장에 도입), 음이온 안정 동위원소 측정 및 경량 안정 동위원소 전용 계기 개발의 지속적인 작업으로 이어졌다.[15]

현재 전[16][17] 세계에는 15개의 SWARE 기기가 설치되었고 SWARE의 결과는 2000개 이상의 동료 검토 과학 논문에서 보고되었다. 새우는 초기 지구의 역사를 이해하는 중요한 도구로, 아카스타 그네이스호를[18][19] 포함한 가장 오래된 지상 물질들을 분석하여 잭 힐스로부터 지르콘의 나이를 더욱 연장시키고 지구상에서 가장 오래된 충격 분화구로부터 지르콘의 나이를 더욱 연장시켰다.[21] 다른 중요한 이정표에는 달 지르콘과[22] 화성 아파타이트[23] 데이트의 첫 U/Pb 시대가 있다. 보다 최근의 용도는 오르도비안 해수면 온도 결정,[24] 눈덩이 지구 사건의 시기[25], 안정된 동위원소 기법의 개발을 포함한다.[26][27]

설계 및 운영

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SHRIMP diagram.svgMagnetic sectorDetectorElectrostatic_AnalyzerSample chamberPrimary columnMetre
이온 빔 경로를 나타내는 새우 계측기의 도식도. 그림 4 이후, 윌리엄스, 1998.[28]

1차 열

일반적인 U-Pb 지리학 분석 모드에서는 (O2)1− 1차 이온의 빔이 두오플라스마트론의 중공 Ni 음극에서 고순도 산소 가스 방전으로부터 생성된다. 이온들은 플라즈마에서 추출되어 10 kV에서 가속된다. 1차 기둥은 쾰러 조명을 사용하여 목표 지점 전체에 걸쳐 균일한 이온 밀도를 생성한다. 스폿 직경은 필요에 따라 약 5µm에서 30µm 이상까지 다양할 수 있다. 샘플의 대표적인 이온 빔 밀도는 약 10pA/µm이며2 15~20분을 분석하면 1µm 미만의 절제 피트가 생성된다.[29]

샘플 챔버

1차 빔은 90°에서 2차 이온을 추출하여 10 kV에서 가속한 상태에서 샘플 표면의 평면에 45° 입사한다. 쿼드폴 렌즈 3개는 2차 이온을 소스 슬릿에 집중시켜 다른 이온 프로브 설계와 달리 이온 이미지를 보존하기보다는 이온의 전달을 극대화하는 것을 목표로 하고 있다.[15] 슈바르츠실트 목표 렌즈는 분석 중 샘플의 반사광 직접 현미경 보기를 제공한다.[5][30]

정전기분석기

2차 이온은 반경 90° 정전기 섹터로 1272mm의 운동 에너지에 따라 여과되고 초점이 맞춰진다. 기계로 작동되는 슬릿은 자기 영역으로[29] 전달되는 에너지 스펙트럼의 미세 조정을 제공하며, 정전기 쿼드폴 렌즈를 사용하여 이온을 자기 영역으로 전달하는데 이상을 감소시킨다.[4]

자기 부문

전자석은 로렌츠 힘의 원리에 따른 질량/충전 비율에 따라 2차 이온의 초점을 맞추기 위해 72.5°까지의 반경 1000mm를 가진다. 본질적으로 덜 거대한 이온의 경로는 더 큰 이온의 경로보다 자기장을 통한 곡률성이 더 클 것이다. 따라서 전자석의 전류를 변화시키면 검출기에서 특정 질량 종에 초점을 맞춘다.

디텍터

이온은 자기 부분의 초점면에서 수집기 슬릿을 통과하며 수집기 어셈블리를 축을 따라 이동시켜 주어진 동위원소 종의 초점을 최적화할 수 있다. 전형적인 U-Pb 지르콘 분석에서는 이온계수에 하나의 2차 전자승수를 사용한다.

진공 시스템

터보 분자 펌프는 새우의 전체 빔 경로를 대피시켜 전송을 극대화하고 오염을 줄인다. 샘플 챔버는 또한 크라이오펌프를 사용하여 오염물, 특히 물을 가두었다. 새우 내부의 일반적인 압력은 검출기의 경우 최대 7 x 10−9 mbar이고 기본 칼럼의 경우 최대 1−6 x 10 mbar이다.[29]

질량 분해능 및 민감도

정상 작동에서 새우는 지르콘의 납에 대해 감도가 20 count/sec/ppm/nA 미만인 5000의 질량 분해능을 달성한다.[28][29]

적용들

동위원소 데이트

U-Th-Pb 지리학에서는 1차 이온(O2)1− 빔이 가속되어 표적을 향해 시준되어 샘플에서 "2차" 이온을 스푸트한다. 이러한 2차 이온은 ZrO2+, ThO+ 및 UO에+ 대한 기준 피크와 함께 우라늄, 납 및 토륨의 다양한 동위원소가 연속적으로 측정되는 기기를 따라 가속된다. 스퍼터링 수율은 이온 종마다 다르며 상대 스퍼터링 수율은 이온 종에 따라 시간에 따라 증가하거나 감소하기 때문에(분화구 깊이, 충전 효과 및 기타 요인 증가로 인해), 측정된 상대 동위원소 수량은 대상의 실제 상대 동위원소 수량과 관련이 없다. 보정은 미지의 재료와 기준 재료(알려진 동위원소 구성의 매트릭스 일치 재료)를 분석하고 분석-세션별 보정 계수를 결정함으로써 결정된다.[31][32][33]

전 세계 새우잡이 기구

계측기번호 기관 위치 새우 모형 커미셔닝 연도
1 오스트레일리아 국립 대학교 캔버라 I 1980년 (2011년)
2 오스트레일리아 국립 대학교 캔버라 II/mc 1992
3 커틴 공과대학교 퍼스 II 1993년 (2020년 12월
4 캐나다의 지질조사국 오타와 II 1995
5 히로시마 대학 히로시마 IIE 1996
6 오스트레일리아 국립 대학교 캔버라 RG 1998
7 USGS & 스탠퍼드 대학교 스탠퍼드 RG 1998
8 국립극지연구소 도쿄 II 1999
9 중국 지질과학원 베이징 II 2001
10 전 러시아 지질연구소 상트페테르부르크 II/mc 2003
11 커틴 공과대학교 퍼스 II/mc 2003
12 지구과학 오스트레일리아 캔버라 IIE 2008
13 한국기초과학연구원 오창 IIe/mc 2009
14 상파울루 대학교 상파울루 II/mc 2010
15 그라나다 대학교 그라나다 IIe/mc 2011
16 오스트레일리아 국립 대학교 캔버라 SI/mc 2012
17 중국 지질과학원 베이징 IIe/mc 2013
18 국립산업과학원 츠쿠바 IIe/amc 2013
19 폴란드 지질 연구소 - 국립 연구소 바르샤바 IIe/mc 2014
20 국립극지연구소 도쿄 IIe/amc 2014

참조

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외부 링크