Чувствительный ионный микрозонд высокого разрешения

Чувствительный ионный микрозонд высокого разрешения (также чувствительный ионный микрозонд высокого разрешения или SHRIMP большого диаметра с двойной фокусировкой вторичного ионного масс-спектрометра (SIMS) ) представляет собой секторный прибор , который производился компанией Australian Scientific Instruments в Канберре, Австралия , и в настоящее время была поглощена китайской компанией DuNYi Technology Development Co. (DTDC) в Пекине. Подобно ионным микрозондам большой геометрии IMS 1270-1280-1300 производства CAMECA , Gennevilliers, Франция и другим инструментам SIMS, микрозонд SHRIMP бомбардирует образец в вакууме пучком первичных ионов , который распыляет вторичные ионы , которые фокусируются и фильтруются. и измеряются по их энергии и массе.
SHRIMP в основном используется для геологических и геохимических целей. Он может измерять содержание изотопов и элементов в минералах в диапазоне диаметров от 10 до 30 мкм и с разрешением по глубине 1–5 мкм. Таким образом, метод ВИМС хорошо подходит для анализа сложных минералов, часто встречающихся в метаморфических ландшафтах, некоторых магматических породах , а также для сравнительно быстрого анализа статистически достоверных наборов обломочных минералов из осадочных пород. Чаще всего этот прибор применяется в уран-тория-свинца геохронологии , хотя SHRIMP можно использовать и для измерения некоторых других измерений соотношения изотопов (например, δ 7 Ли или δ 11 Б [ 1 ] ) и содержание микроэлементов.
История и научное влияние
[ редактировать ]КРЕВЕТКА возникла в 1973 году по предложению профессора Билла Компстона . [ 2 ] пытался создать 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 ] Дизайнер оптики Стив Клемент основал прототип инструмента (теперь называемый «SHRIMP-I») на основе конструкции Мацуды . [ 4 ] что минимизировало аберрации при передаче ионов через различные сектора. [ 5 ] Прибор производился в 1975 и 1977 годах, а испытания и модернизация проводились в 1978 году. Первые успешные геологические применения произошли в 1980 году. [ 3 ]
Первым крупным научным достижением стало открытие Hadean (возрастом более 4000 миллионов лет) зерен циркона на горе Нарриер в Западной Австралии. [ 6 ] а затем позже в соседнем Джек-Хиллз . [ 7 ] Эти результаты и сам аналитический метод SHRIMP изначально были подвергнуты сомнению. [ 8 ] [ 9 ] но последующие традиционные анализы частично подтвердились. [ 10 ] [ 11 ] SHRIMP-I также стал пионером в ионных микрозондовых исследованиях титана . [ 12 ] гафний [ 13 ] и сера [ 14 ] изотопные системы.
Растущий интерес со стороны коммерческих компаний и других академических исследовательских групп, в частности профессора Джона де Латера из Университета Кертина (Перт, Западная Австралия), привел к реализации в 1989 году проекта по созданию коммерческой версии прибора SHRIMP-II совместно с ANUTECH, коммерческое подразделение Австралийского национального университета. Усовершенствованная ионно-оптическая конструкция в середине 1990-х годов побудила к разработке и созданию SHRIMP-RG (обратная геометрия) с улучшенным разрешением по массе. Дальнейшие достижения в дизайне также привели к созданию нескольких систем сбора ионов (уже представленных на рынке французской компанией несколько лет назад), измерениям стабильных изотопов отрицательных ионов и продолжающейся работе по разработке специального прибора для легких стабильных изотопов. [ 15 ]
Пятнадцать инструментов SHRIMP установлены по всему миру. [ 16 ] [ 17 ] Результаты SHRIMP были опубликованы в более чем 2000 рецензируемых научных статьях. КРЕВЕТКА — важный инструмент для понимания ранней истории Земли, поскольку она проанализировала некоторые из древнейших земных материалов, включая гнейсы Акаста. [ 18 ] [ 19 ] и дальнейшее продление возраста цирконов из Джек-Хиллз. [ 20 ] и самый старый ударный кратер на планете. [ 21 ] Другие важные вехи включают определение первого U/Pb возраста лунного циркона. [ 22 ] и марсианский апатит [ 23 ] встречаться. Более поздние применения включают определение в Ордовике температуры поверхности моря , [ 24 ] время снежного кома на Земле наступления [ 25 ] и разработка методов стабильных изотопов. [ 26 ] [ 27 ]
Конструкция и эксплуатация
[ редактировать ]Основной столбец
[ редактировать ]В типичном U-Pb геохронологическом аналитическом режиме пучок (O 2 ) 1− Первичные ионы образуются в результате разряда газообразного кислорода высокой чистоты в полом никелевом катоде дуоплазматрона . Ионы извлекаются из плазмы и ускоряются при напряжении 10 кВ. В основной колонке используется освещение Келера для создания 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 ямку абляции размером менее 1 мкм. [ 29 ]
Камера для проб
[ редактировать ]Первичный пучок падает под углом 45° к плоскости поверхности образца, а вторичные ионы извлекаются под углом 90° и ускоряются при 10 кВ. Три квадрупольные линзы фокусируют вторичные ионы на щели источника, и эта конструкция направлена на максимизацию пропускания ионов, а не на сохранение ионного изображения, в отличие от других конструкций ионных зондов. [ 15 ] Объектив Шварцшильда обеспечивает прямой микроскопический просмотр образца в отраженном свете во время анализа. [ 5 ] [ 30 ]
Электростатический анализатор
[ редактировать ]Вторичные ионы фильтруются и фокусируются в соответствии с их кинетической энергией электростатическим сектором радиусом 1272 мм и углом 90° . Механически управляемая щель обеспечивает точную 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
[ редактировать ]Электромагнит имеет радиус 1000 мм и угол 72,5° для фокусировки вторичных ионов в соответствии с их соотношением массы/заряда в соответствии с принципами силы Лоренца . По сути, путь менее массивного иона будет иметь большую кривизну в магнитном поле, чем путь более массивного иона. Таким образом, изменение тока в электромагните фокусирует определенный вид массы на детекторе.
Детекторы
[ редактировать ]Ионы проходят через щель коллектора в фокальной плоскости магнитного сектора, и сборку коллектора можно перемещать вдоль оси для оптимизации фокусировки данного изотопного вида. одиночный вторичный электронный умножитель В типичном анализе циркона U-Pb для подсчета ионов используется .
Вакуумная система
[ редактировать ]Турбомолекулярные насосы откачивают весь путь луча SHRIMP, чтобы максимизировать передачу и уменьшить загрязнение. В камере для проб также используется крионасос для улавливания загрязнений, особенно воды. Типичное давление внутри SHRIMP составляет ~7 x 10. −9 мбар в детекторе и ~1 x 10 −6 мбар в первичной колонке (с источником кислорода-дуоплазматрона). [ 29 ]
Массовое разрешение и чувствительность
[ редактировать ]При нормальной работе SHRIMP достигает разрешения по массе 5000 с чувствительностью >20 отсчетов/сек/млн/нА для свинца из циркона. [ 28 ] [ 29 ]
Приложения
[ редактировать ]Изотопное датирование
[ редактировать ]Для U-Th-Pb геохронологии пучок первичных ионов (O 2 ) 1− ускоряются и коллимируются по направлению к мишени, где распыляют «вторичные» ионы из образца. Эти вторичные ионы ускоряются вдоль прибора, где различные изотопы урана , свинца и тория последовательно измеряются , а также эталонные пики Zr 2 O. + , Тхо + и УО + . Поскольку коэффициент распыления различается в зависимости от вида ионов, а относительный коэффициент распыления увеличивается или уменьшается со временем в зависимости от вида иона (из-за увеличения глубины кратера, эффектов зарядки и других факторов), измеренное относительное содержание изотопов не связано с реальным относительным содержанием изотопов. в цели. Поправки определяются путем анализа неизвестных и эталонного материала (соответствующего матрице материала известного изотопного состава) и определения калибровочного коэффициента для конкретного аналитического сеанса. [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]
Инструменты SHRIMP по всему миру
[ редактировать ]Номер инструмента | учреждение | Расположение | Модель КРЕВЕТКИ | Год ввода в эксплуатацию |
---|---|---|---|---|
1 | Австралийский национальный университет | Канберра | я | 1980 г. (вышел на пенсию в 2011 г.) |
2 | Австралийский национальный университет | Канберра | II/мк | 1992 |
3 | Технологический университет Кертина | Перт | II | 1993 г. (переехал в Университет Квинсленда, 2022 г.) |
4 | Геологическая служба Канады | Оттава | II | 1995 |
5 | Хиросимский университет | Хиросима | IIe | 1996 |
6 | Австралийский национальный университет | Канберра | РГ | 1998 |
7 | Геологическая служба США и Стэнфордский университет | Стэнфорд | РГ | 1998 |
8 | Национальный институт полярных исследований | Токио | II | 1999 |
9 | Китайская академия геологических наук | Пекин | II | 2001 |
10 | Всероссийский геологический научно-исследовательский институт | Санкт-Петербург | II/мк | 2003 |
11 | Технологический университет Кертина | Перт | II/мк | 2003 |
12 | Геонауки Австралии | Канберра | IIe | 2008 |
13 | Корейский институт фундаментальных наук | Очан | IIe/мк | 2009 |
14 | Университет Сан-Паулу | Сан-Паулу | II/мк | 2010 |
15 | Университет Гранады | Гранада | IIe/мк | 2011 |
16 | Австралийский национальный университет | Канберра | СИ/мк | 2012 |
17 | Китайская академия геологических наук | Пекин | IIe/мк | 2013 |
18 | Национальный институт передовых промышленных наук и технологий | Цукуба | IIe/amc | 2013 |
19 | Польский геологический институт - Национальный исследовательский институт | Варшава | IIe/мк | 2014 |
20 | Национальный институт полярных исследований | Токио | IIe/amc | 2014 |
21 | Шаньдунский институт геологических наук | женщины | V | 2023 |
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Сиверс, Натали Э.; Менольд, Кэрри А.; Гроув, Марти; Кобл, Мэтью А. (26 апреля 2017 г.). «Микроэлемент белой слюды и изотоп бора свидетельствуют об отличительных явлениях инфильтрации во время эксгумации глубоко субдуцированной континентальной коры» (PDF) . Международное геологическое обозрение . 59 (5–6): 621–638. Бибкод : 2017ИГРв...59..621С . дои : 10.1080/00206814.2016.1219881 . ISSN 0020-6814 . S2CID 131780603 .
- ^ Австралийская академия наук. «Интервью с австралийскими учёными: профессор Билл Компстон» . Архивировано из оригинала 9 августа 2010 года . Проверено 10 ноября 2010 г.
- ^ Jump up to: а б Фостер, Дж. (2010), «Строительство и развитие КРЕВЕТКИ I: исторический очерк», Precambrian Research , 183 (1): 1–8, Bibcode : 2010PreR..183....1F , doi : 10.1016 /j.precamres.2010.07.016
- ^ Jump up to: а б Мацуда, Х. (1974), «Масс-спектрометры с двойной фокусировкой второго порядка», Международный журнал масс-спектрометрии и ионной физики , 14 (2): 219–233, Бибкод : 1974IJMSI..14..219M , doi : 10.1016/ 0020-7381(74)80009-4
- ^ Jump up to: а б Клемент, SWJ; Компстон, В.; Ньюстед, Г. (1977). «Проектирование большого ионного микрозонда высокого разрешения» (PDF) . Материалы Международной конференции по масс-спектрометрии вторичных ионов . Спрингер-Верлаг. п. 12.
- ^ Фруд, DO; Ирландия, ТР; Кинни, PD; Уильямс, Исландия; Компстон, В.; Уильямс, ИК; Майерс, Дж.С. (1983), «Ионная микрозондовая идентификация земных цирконов возрастом 4100–4200 млн лет», Nature , 304 (5927): 616–618, Бибкод : 1983Natur.304..616F , doi : 10.1038/304616a0 , S2CID 4335827
- ^ Компстон, В.; Пиджон, RT (1986), «Джек Хиллз, свидетельства наличия более старых обломочных цирконов в Западной Австралии», Nature , 321 (6072): 766–769, Бибкод : 1986Natur.321..766C , doi : 10.1038/321766a0 , S2CID 4243085
- ^ Мурбат, С. (1983), «Самые древние породы?», Nature , 304 (5927): 585–586, Бибкод : 1983Natur.304..585M , doi : 10.1038/304585a0 , S2CID 4343270
- ^ Шерер, У.; Аллегре, CJ (1985), «Определение возраста австралийского континента с помощью анализа однозернистого циркона метакварцита горы Нарриер», Nature , 315 (6014): 52–55, Бибкод : 1985Natur.315...52S , doi : 10.1038/315052a0 , S2CID 4261728
- ^ Фаннинг, CM; Маккалок, Монтана (1990). «Сравнение изотопной систематики U – Pb в ранних архейских цирконах с использованием термоионизационной масс-спектрометрии с изотопным разбавлением и ионного микрозонда». Третий международный архейский симпозиум, Перт. Расширенный том тезисов . стр. 15–17.
- ^ Амелин, Ю.В. (1998), «Геохронология детритовых цирконов Джек-Хиллз с помощью точного анализа изотопного разбавления U-Pb кристаллических фрагментов», Химическая геология , 146 (1–2): 25–38, Bibcode : 1998ChGeo.146... 25А , дои : 10.1016/С0009-2541(97)00162-9
- ^ Ирландия, ТР; Компстон, В.; Хайдеггер, HR (1983), «Аномалии изотопов титана в гибонитах из углеродистого хондрита Мерчисона», Geochimica et Cosmochimica Acta , 49 (9): 1989–1993, Bibcode : 1985GeCoA..49.1989I , doi : 10.1016/0016-7037(85)90092-4
- ^ Кинни, PD; Компстон, В.; Уильямс, И.С. (1991), «Разведывательное ионно-зондовое исследование изотопов гафния в цирконах», Geochimica et Cosmochimica Acta , 55 (3): 849–859, Bibcode : 1991GeCoA..55..849K , doi : 10.1016/0016-7037(91)90346-7
- ^ Элдридж, CS; Компстон, В.; Уильямс, Исландия; Уолш, Дж.Л. (1987), "Микроанализ in-situ для 34 С/ 32 Соотношения 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
- ^ Jump up to: а б Ирландия, ТР; Клемент, С.; Компстон, В.; Фостер, Джей-Джей; Холден, П.; Дженкинс, Б.; Ланк, П.; Шрам, Н.; Уильямс, И.С. (2008), «Развитие креветок», Австралийский журнал наук о Земле , 55 (6): 937–954, Bibcode : 2008AuJES..55..937I , doi : 10.1080/08120090802097427 , S2CID 55839574
- ^ «Местоположение пользователей SHRIMP» (PDF) . 2009. Архивировано из оригинала (PDF) 19 февраля 2011 года . Проверено 13 августа 2010 г.
- ^ Стерн, Р. (2006), «Машина времени для геолого-геофизических наук Австралии» , AusGeo News , 81 : 15–17, заархивировано из оригинала 6 сентября 2008 г.
- ^ Боуринг, ЮАР; Уильямс, И.С. (1999), «Прискоанские (4,00–4,03 млрд лет) ортогнейсы северо-западной Канады», Вклад в минералогию и петрологию , 134 (1): 3–16, Бибкод : 1999CoMP..134....3B , doi : 10.1007/s004100050465 , S2CID 128376754
- ^ Стерн, РА; Бликер, В. (1998), «Возраст старейших горных пород в мире, уточненный с помощью канадской SHRIMP. Гнейсовый комплекс Акаста, Северо-Западные территории, Канада» , Geoscience Canada , 25 : 27–31 [ мертвая ссылка ]
- ^ Уайльд, ЮАР; Вэлли, JW; Пек, штат Вашингтон; Грэм, К.М. (2001), «Свидетельства обломочных цирконов о существовании континентальной коры и океанов на Земле 4,4 миллиарда лет назад» (PDF) , Nature , 409 (6817): 175–178, Бибкод : 2001Natur.409..175W , дои : 10.1038/35051550 , PMID 11196637 , S2CID 4319774
- ^ Эриксон, ТМ (2020). «Точный радиометрический возраст показывает, что Яррабубба, Западная Австралия, является старейшей признанной структурой удара метеорита на Земле» . Природные коммуникации . 11 (1): 300. Бибкод : 2020NatCo..11..300E . дои : 10.1038/s41467-019-13985-7 . ПМК 6974607 . ПМИД 31964860 .
- ^ Компстон, В.; Уильямс, Исландия; Мейер, К. (февраль 1984 г.), «U-Pb геохронология цирконов из лунной Брекчии 73217 с использованием чувствительного ионного микрозонда с высоким разрешением по массе», Journal of Geophysical Research , 89 (Дополнение): B525–B534, Bibcode : 1984JGR.. ..89..525C , doi : 10.1029/jb089is02p0b525
- ^ Терада, К.; Монд, Т.; Сано, Ю. (ноябрь 2003 г.), «Ионное микрозондовое датирование фосфатов в марсианском метеорите ALH 84001 U-Th-Pb», Meteoritics & Planetary Science , 38 (11): 1697–1703, Бибкод : 2003M&PS...38.1697T , дои : 10.1111/j.1945-5100.2003.tb00009.x , S2CID 128680750
- ^ Троттер, Дж.А.; Уильямс, Исландия; Барнс, Чехия; Лекюйер, К.; Николл, Р.С. (2008), «Спровоцировало ли охлаждение океанов ордовикское биоразнообразие? Данные термометрии конодонтов», Science , 321 (5888): 550–554, Bibcode : 2008Sci...321..550T , doi : 10.1126/science.1155814 , ПМИД 18653889 , S2CID 28224399
- ^ Сюй, Бэй; Цзоу, Хайбо; Ли, Чжэн-Сян; Сун, Лю, Дуньи; Сюньлай, Юань (2009), «Возрастные ограничения по циркону». Неопротерозойские диамиктиты Куруктага на северо-западе Китая» (PDF) , Precambrian Research , 168 (3–4): 247–258, Bibcode : 2009PreR..168..247X , doi : 10.1016/j.precamres.2008.10.008 , S2CID 15201304
- ^ Икерт, РБ; Хисс, Дж.; Уильямс, Исландия; Холден, П.; Ирландия, ТР; Ланк, П.; Дженкинс, Б.; Шрам, Н.; Фостер, Джей-Джей; Клемент, С.В. (2008), «Определение на месте высокоточных соотношений изотопов кислорода с помощью SHRIMP II: анализ эталонных материалов MPI-DING из силикатного стекла и циркона из контрастных гранитов», Chemical Geology , 257 (1–2): 114–128, Бибкод : 2008ЧГео.257..114И , дои : 10.1016/j.chemgeo.2008.08.024
- ^ Хисс, Джо; Беннетт, Вики; Натман, Аллен; Уильямс, Ян (2010), «Архейский каннибализм коры с помощью жидкости, зафиксированный низкими δ 18 O и отрицательные изотопные подписи ε Hf (T) западно-гренландского гранитного циркона» (PDF) , Contributions to Mineralogy and Petrology , 161 (6): 1027–1050, Бибкод : 2011CoMP..161.1027H , doi : 10.1007/s00410-010 -0578-з , S2CID 129035404
- ^ Jump up to: а б Уильямс, И.С. (1998), «Геохронология U-Th-Pb с помощью ионного микрозонда» , в МакКиббене, Массачусетс; Шанкс III, WC; Ридли, Висконсин (ред.), Применение микроаналитических методов для понимания процессов минерализации , Обзоры по экономической геологии, том. 7, стр. 1–35, номер документа : 10.5382/Rev.07.01 , ISBN. 1887483519
- ^ Jump up to: а б с д Стерн, Р.А. (1997), «Чувствительный ионный микрозонд высокого разрешения GSC (SHRIMP): аналитические методы определения возраста циркона U-Th-Pb и оценки эффективности» , Радиогенный возраст и изотопные исследования: Отчет , 10 (F): 1– 31
- ^ Ридль, М. «Цель Шварцшильда» . Проверено 10 ноября 2010 г.
- ^ Клауэ-Лонг, Ж.; Компстон, В.; Робертс, Дж.; Фэннинг, К.М. (1995), «Два каменноугольных возраста: сравнение датирования циркона SHRIMP с традиционным возрастом циркона и 40 с/ 39 Ар-анализ», в Берггрен, Вашингтон; Кент, Д.В.; Обри, М.-П.; Харденбол, Дж. (ред.), Геохронология, временные шкалы и глобальная стратиграфическая корреляция , специальные публикации SEPM, стр. 3–21. , doi : 10.2110/pec.95.04.0003 , ISBN 978-1-56576-091-2
- ^ 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, Bibcode : 2003ChGeo.200..155B , doi : 10.1016/С0009-2541(03)00165-7
- ^ Блэк, Лэнс П.; Камо, Сандра Л.; Аллен, Шарлотта М.; Дэвис, Дональд В.; Алейников, Джон Н.; Вэлли, Джон В.; Мандилл, Роланд; Кэмпбелл, Ян Х.; Корш, Рассел Дж.; Уильямс, Ян С.; Фудулис, Крис (2004), «Улучшенный 206 Пб/ 238 U микрозондовая геохронология путем мониторинга матричного эффекта, связанного с микроэлементами; SHRIMP, ID-TIMS, ELA-ICP-MS и документация по изотопам кислорода для серии стандартов циркона», Chemical Geology , 205 (1–2): 115–140, Bibcode : 2004ChGeo.205..115B , doi : 10.1016/ j.chemgeo.2004.01.003