Вопросы по датировнию
1.Современные методы U-Pb датирования:
a.Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой с системой лазерной абляциии (LA-ICP-MS – Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry);
b.Вторично-ионная масс-спектрометрия (SIMS – Secondary-ion mass spectrometry), в частности высокочувствительный ионный микрозонд SHRIMP (Sensitive highresolution ion microprobe);
c.Масс-спектрометрия с термической ионизацией (TIMS – Thermal ionization mass spectrometry);
Физический принцип, чувствительность и ограничения методов.
2. Принцип работы квадрупольного (LA-Q-ICP-MS) и мультиколлекторного (LA-MC- ICP-MS) масс-спектрометров и их различие при проведении изотопного датирования с применением лазерной абляции.
LA-Q-ICP-MS
Погрешность датирования 2% высокочастотная мощность: 1350-1450 Вт, плазмообразующий поток аргона 14-16 дм3/мин, вспомогательный поток аргона 0.6-0.1 дм3/мин, пробоподающий поток аргона 0.8-1.2 дм3мин, измерение фона 10-20 с,
время сбора полезного сигнала 30-60 с (в зависимости от количества измеряемых изотопов), в основном режим счета импульсов – прыжки по пикам (peak hopping),
время пребывания на массе (dwell time) – 10-20 мс
Различия LA-Q-ICP-MS и LA-MC-ICP-MS:
Квадрупольный может проводить измерения при более низких значениях энергии, частоты и диаметра кратера, чем установленные в работе. Работа по внутреннему стандарту
Многоколлекторный требует измерения изотопов отдельных элементов одновременно По датированию:
1.в россии во ВСЕГЕИ разработан геохронологический атлас - https://vsegei.ru/ru/info/geochronatlas/ , он более менее официальный источник, особенно актуален документ "обзор современных методов..."
тоже для общего ознакомления можно вики глянуть, там все относительно просто и структурировано - https://ru.wikipedia.org/wiki/Уран-свинцовый_метод#Из..
2.по масс-спектрометрам просто в интернете можно поискать, строение общий принцип легко найти, в детали не надо углубляться, и акцент лучше и проще делать на квадрупольном, т.к. у нас в лабе именно такой масс-спектрометр
Период полураспада – это время, за которое распадется половина наличного числа радиоактивных атомов.
Датирование кислых и средних по составу интрузивных и вулканических пород основным методом является U-Pb метод с использованием цирконов, возможность датирования отдельных зон зерен
Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой с системой лазерной абляциии (LA- ICP-MS – Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry);
Физический принцип: проведение анализа без растворения
Чувствительность: Ограничения методов:
Вторично-ионная масс-спектрометрия (SIMS – Secondary-ion mass spectrometry), в частности высокочувствительный ионный микрозонд SHRIMP
Физический принцип: ионный микрозонд, состыкованный на выходе с масс-спектрометром высокого разрешения.
Пучок отрицательно заряженных молекулярных ионов О2- (первичный пучок)
1.ускоряется до энергии в 10 кВ,
2.формируется линзами колонны в параллельный пучок попер
3.направляется на поверхность анализируемого образца.
4.При соударении первичных высокоэнергетичных ионов происходит выбивание атомов образца
5.Часть выбитых атомов становится положительно заряженными ионами, которые вытягиваются электростатическими линзами вторичной колонны из области ионизации и после формовки вторичного пучка направляются на входную щель масс-спектрометра.
6.Масс-спектрометр отделяет от изотопов Pb и U мешающих изобарных наложений (Zr2O,
HfO2, HfSi)
7.Система образец-стандарт
Чувствительность: 20 имп/сек, возраст до кайнозойских. До 5 ppb, высокая чувствительность к легким элементам Ограничения методов: проблематичное датирование молодых и/или малоурановых минералов,
а также минералов с большими содержаниями обыкновенного свинца
Масс-спектрометрия с термической ионизацией (TIMS – Thermal ionization mass spectrometry)
Физический принцип: используется для получения точных результатов элементного анализа пробы. Однозарядные ионы образуются при термической ионизации: жидкий образец помещается на металлическую нить накала, которая нагревается для испарения растворителя. Затем ионы набирают скорость, формируются в пучок электростатическими линзами. Затем ионный пучок проходит через магнитное поле электромагнита, где он разделяется на отдельные ионные пучки в зависимости от соотношения массы и заряда иона.
Чувствительность: Ограничения методов:
Вопросы по РЭМ
«РЭМ – телевизионный микроскоп»
Сканирующий электронный микроскоп — это прибор, предназначенный для получения увеличенного изображения объекта путем сканирования по объекту сфокусированным пучком электронов и регистрации детектором сигнала, возникающего в результате взаимодействия электронов с веществом.
РЭМ предназначена для получения изображения, а не для анализа. Оно формируется при развертывании пучка в растр с передачей от детектора к монитору.
|
Режим сигнала |
Топографический контраст |
Изображение фазового состава |
Разрешение: 10 нм |
Разрешение: 100 нм |
Изображения трехмерных объектов интерпретируются наблюдателем интуитивно
Преимущества:
высокое пространственное разрешение: 1 мкм
большая глубина поля зрения
простая подготовка образца
образец из куска породы
метод неразрушающий
точность определения 1%
определение всех элементов с атомным номером выше 3
возможность определения примесей и следов элементов
время анализа 5 минут
Пространственное разрешение зависит от поперечного размера электронного пучка,
определяемого качеством электронно-оптической системы микроскопа Применение:
палеонтология
oизучение морфологии окаменелостей
седиментология
oтрёхмерное изображение отдельных зерен осадочных образований
oоценка пористости
минералогия
oизучение морфологии кристалла
петрология
oопределение различия средних атомных номеров фаз
Родственные методы:
Аналитическая Электронная Микроскопия:
oПолучение электронных изображений и изучение дифракции электронов при регистрации рентгеновского излучения
oАнализ характеристических потерь электронов
РСМА с протонным зондом
oПротоны проникают на большую глубину, из-за большей массы
Рентгенофлуоресцентный анализ
oОблучение образца высокой энергией
Оже-спектроскопия
oАналитический метод
oВозбужденный электронной бомбардировкой атом возвращается в исходное состояние, испуская электрон, а не характеристическое излучение
Что приводит к увеличению электронного пучка:
Аберрации
oОтклонения
Астигматизм
oРазные фокусные расстояния
oИтог – плохая резкость
Дифракция ē
Бомбардируемые электроны обладают энергией 5-30кэВ при неупругом рассеянии
Упругое взаимодействие: отклонение траектории электрона при небольших энергетических потерях
СОСТАВ: рентгеновский ЭД спектрометр
1.Строение и принцип работы растрового электронного микроскопа (РЭМ)
1.Это вакуумный прибор, так как при нормальном атмосферном давлении пучок сильно
рассеивается, поглощается;
a. Рабочий вакуум 10-5 тор
2.Электронный пучок от источника ē формируется в виде хорошо сфокусированного зонда, проходит через систему электромагнитов или управляющих электродов, которые перемещают пучок по поверхности образца по траектории, образующей растр
3.Пучок попадает на пов-сть образца
4.Реакция регистрируется датчиками
5.Сигнал от датчиков используется для параметров яркости электронного пучка в электронно-лучевой трубке монитора
По изображению поверхности образца определяется:
Топография дефектов o Поры
o Трещины
o Границы зерен
o Неоднородность состава
Распределение элементного состава
oХарактеристическое рентг. изучение
Распределение акцепторных центров
oПо величине поглощенного тока
Строение:
1.Формирование электронного зонда
a. Источник: эмиттер ē с отрицательным потенциалом, он ускоряет ē в направлении образца (анода)
i.Вольфрамовый катод
ii.Автоэмиссионный катод
iii.Катод из гексаборида лантана
b. Сетка или вельнет управляет эмиссией с кончика нити *эффективный размер источника – 50 мкм
2.Электронные линзы
3.Регулировка тока пучка
a.Ток, стекающий с образца на землю
4.Развёртывание пучка в растр
a.Сканирование производится перемещением пучка по образцу
b.Сигнал с выхода детектора электронов синхронизирован с электронным пучком визуального экрана дисплея
Детекторы:
1.Сцинтиллятор
a.Он излучает свет при бомбардировки электронами и этот свет преобразуется фотоумножителем в электрический сигнал.
b.Е генерации света = 10кэВ
c.Е, подающаяся на сцинтиллятор, = 12 кэВ
d.Чтобы Е№2 не влияла, детектор помешен в цилиндр Фарадея, с напряжением
250В – тогда это называется детектор Эверхарта-Торнли
i.Суть детектора Эверхарта-Торнли: вторичные ē с низкой Е притягиваются положительным потенциалом +200В на сетке и ускоряются с помощью +10кВ, приложенных к сцинтиллятору.
ii.Свет, произведенный сцинтиллятором, проходит через светопровод к внешнему фотоумножителю, который преобразует свет в электрический сигнал,
iii.Обратно рассеянные ē (BSE) также при этом регистрируются, но гораздо менее эффективно, поскольку имеют Е гораздо выше и слабо отклоняются потенциалом сетки
e.материал сцинтиллятора постепенно деградирует за счёт накопления радиационных дефектов под действием подающих на него электронов, ухудшая эффективность детектора, и требует периодической замены
2.Полупроводниковый детектор
a.Вторичные ē в материале рождают электронно-дырочные пары, это приводит к появлению тока
3.Детектор излучения катодолюминесценции CL:
a.Возбуждение кристаллической решетки мишени под действием электронов зонда
b.Электроны вызывают ионизацию в кристаллической решетке, возникают вторичные электроны
c.Дырки перемещаются по решетке, вызывают образование фотонов, их спектр аналогичен спектру фотолюминесценции
d.Изучение спектра дает инф-ию о типе центров рекомбинации в кристаллической решетке.
e.Предназначен для поиска и определения параметров включений, дефектов и границ зерен в материалах различной природы.
f.Световод в сочетании с зеркальной системой позволяет за короткое время получать изображения высокого качества. Детектор интегрирован в микроскоп и управляется через программную оболочку.
4.FID
a.Сфокусированный ионный пучок
b.Для микромодификации поверхности образцов
5.Детектор отраженных ē
a.полупроводниковый диод, расположенный непосредственно над образцом.
b.Попадая в полупроводник, отраженные электроны образуют электроннодырочные пары, в результате чего возникает ток в цепи диода
6.Детекторы изображения в проходящих электронах (HADF R-STEM)
7.Рентгеновские – используются для анализа локального элементного состава образца:
a.Волнодисперсионный
i.дифракция рентгеновского излучения на кристалле-анализаторе регистрируется газовым пропорциональным счетчиком
b.Энергодисперсионный
i.Определение элементного состава, химической характеристики
ii.Квант рентг изл приводит к генерации импульса тока
iii.Число импульсов пропорционально интенсивности рентг. изл
8.Системы анализа картин дифракции отраженных электронов EBSD
a.Текстурный анализ
b.Построение карт ориентировки кристаллов
c.Выделение спец. границ
d.Построение полюсных фигур
e.Разделение фаз и построение карт распределения кристаллических фаз
f.Определение размеров кристалла
2.Режимы РЭМ: вторичные электроны (SE – secondary electrons) и обратно-рассеянные электроны (BSE – back-scattered electrons).
При взаимодействии ускоренных электронов с веществом происходит выход из образца электронов или электромагнитного излучения.
Вторичные электроны регистрируются в сканирующем электронном микроскопе. Ускоренные электроны пучка проникают на глубину и рассеиваются. Глубина
определяется: материалом и энергией первичных электронов.
Обратно-рассеянные / отраженные электроны – ē пучка, вылетевшие в результате рассеяния (столкновения с атомами и электронами образца) из образца назад.
Отраженные ē возникают:
1.При упругом рассеянии
2.Рассеяние на малые углы
3.Совокупность процесса 1 и 2: ē тратит Е на неупругие столкновения, затем упруго отражается, но уже с меньшей Е
4.Контраст в большей степени зависит от атомного номера
Чем больше атомный номер мишени, тем больше ē рассеется упруго.
*Рассеяние – отклонение электронов от первоначального положения.
Глубина: половина глубины проникновения первичного пучка
Разрешение хуже, чем во вторичных ē
определяется атомным номером, плотностью материала, морфологией поверхности
Е меньше 50 эВ
Вторичные электроны – ē образца, выбитые ускоренными электронами. Образуются при взаимодействия ē зонда с ē зоны проводимости (мишени?)
Выходят с небольшой глубины – 1-10 нм
Изображение с максимальным разрешением
Количество ВЭ определяется углом падения пучка на поверхность
Контраст зависит от рельефа, меньше от состава
Увеличение напряжение приведет к увеличению зоны взаимодействия генерации вторичных ē, уменьшение разрешения
3. Детектирование катодолюминесцентного излучения CL (cathodoluminescence) на
РЭМ. Причины и цели предварительного изучения внутренней структуры зерен на РЭМ.
Так как кол-во света от мишени мало, его увеличивают с помощью специальных зеркал, изготовленных в виде половины эллипсоида вращения.
В фокусе 1 – мишень, в фокусе 2 – световод – приемник, уводящий свет за пределы вакуумной камеры
Затем свет регистрируется фотоумножителем
4. Принцип рентгеноспектрального микроанализа (РСМА) и физический смысл характеристического рентгеновского излучения элементов.
Рентгеноспектральный микроанализ (РСМА) – метод химического анализа микрообласти образца, в которой характеристическое рентгеновское излучение возбуждается сфокусированным пучком электронов. Рентгеновский спектр содержит линии, которые характеризуют присутствие данного элемента в пробе (образце).
Сравнивая интенсивности линий в образце и в стандарте (чистый элемент или соединение известного состава) при одинаковых аналитических условиях можно определить концентрации элементов (т.е. провести количественный анализ).
Погрешность определения (относительная) различная для легких и тяжелых элементов и составляет в среднем величину порядка 1%. Предел обнаружения зависит от использованного
спектрометра и при идентификации по энергии фотонов – 0,1%, пространственное разрешение
– обычно в районе 1 мкм, а может быть и ниже.
Рентгеновское излучение - часть спектра электромагнитного излучения, лежащего в области длин волн между 0,01 и 0,1 нм. Оно возникает при бомбардировке пучком электронов образца, обусловлено неупругим взаимодействием этих электронов с атомами образца. Возникающий спектр состоит из характеристического (линейчатого) и тормозного (непрерывного) излучения.
Непрерывный спектр образуется за счет торможения первичных электронов в сильных электромагнитных полях ядер атомов образца. В процессе неупругого взаимодействия электрон теряет часть энергии, которая переходит в энергию излучения рентгеновского фотона.
Физический смысл характеристического рентгеновского излучения
При взаимодействии ускоренных электронов с веществом происходит выход из образца электронов или электромагнитного излучения.
Вторичные электроны регистрируются в сканирующем электронном микроскопе. Ускоренные электроны пучка проникают на глубину и рассеиваются. Глубина определяется:
материалом и энергией первичных электронов.
Моделирование траекторий выполняется в программе Монте-Карло. Способы напыления:
Термическое
Катодное в аргоне
Испарение помощью электронного прожектора
Рентгеновское излучение, возникающее в результате возбуждения атомов вещества ускоренными электронами пучка, называется характеристическим рентгеновским излучением, т.к. обладает характеристической энергией уникальной для атомов каждого химического элемента
По микроскопу:
1.самая оптимальная книга Рида - https://www.geokniga.org/books/15405 там максимально просто и в нужной мере детально расписано. Для структурирования и ознакомления можно вики полистать, там хорошо написано, особенно если англоязычную версию смотреть, иностранная вики качественней по используемым источникам обычно
2.можно что-нибудь хаотичное посмотреть, где-то одно лучше и понятнее расписано, где-то другое:
- https://nsp.phys.spbu.ru/Pdf/Лекции/Электронная микро.. - https://labpro-media.ru/wp-content/uploads/2018/08/Ми..
- https://mipt.ru/upload/medialibrary/a90/Кристаллограф..
3.также можно полазить на сайте основного производителя микроскопов у нас, про разные детекторы там тоже очень хорошо почитать можно - https://tescan.ru/product/detektory-i-aksessuary-tesc..