CN108375497A - 一种二次离子探针样品靶的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于二次离子探针分析测试领域，具体涉及一种二次离子探针样品靶的制备方法，主要用于提高样品颗粒的平整度以及降低样品靶的放气率。样品靶主要有玻璃片，环氧树脂以及样品颗粒组成。所述方法以圆形玻璃片为主体，首先在玻璃片上切割出数条凹槽，然后将样品颗粒放入凹槽中，进而将环氧树脂注入凹槽中进行固化，固化完成将样品靶进行细磨，抛光。本发明优势主要有两点：1.由于环氧树脂只存在于玻璃的凹槽中，所以样品靶的放气率很低，有利于提高样品室的真空；2.由于玻璃与矿物颗粒（锆石，磷灰石等）的硬度相近，所以在抛光过程中有效保证了矿物颗粒，环氧树脂以及玻璃处于相同平面，有效提高矿物颗粒边缘的平整度。

Description

一种二次离子探针样品靶的制备方法

技术领域

本发明属于仪器分析方法领域，具体涉及一种二次离子探针样品靶的制备方法，主要用于提高矿物颗粒平整度以及降低样品的在真空中的放气率。

背景技术

离子探针是一种利用一次离子轰击样品产生二次离子并进行质谱测定的仪器，可以对固体或薄膜物质进行高精度微区原位的元素和同位素分析。目前应用在地球科学领域的高精度定量离子探针是以电磁铁作为质量分析器的磁式离子探针。磁式离子探针的质谱峰为平顶峰，最大优势是可以高精度测量各个元素的离子强度，是目前高精度同位素分析的首选。新型离子探针质谱都配备两套离子源：双等离子体离子源(Duoplasmatronsource)和铯离子源(Cesium source)，根据被测元素的不同可切换使用。离子探针稳定同位素分析及微量元素含量测定近些年发展主要呈现三种趋势：1.分析精度不断提高；2.空间分辨能力不断提升；3可以分析的矿物类型及同位素种类不断拓展。近些年来以IMS1280,NanoSIMS 50L, SHRIMP等为代表大型磁式离子探针在同位素分析技术和微量元素测定两个方面取得了重大进展。近些年来，随着技术进步，矿物边部物质成分在地球科学研究中越来越受到关注，因为它往往记录了变质事件，风化过程等重要的地质事件。例如变质锆石的边部都一些明显非常细小的变质边，这些变质边就记录了当时流体活动和变质事件。但目前对锆石变质边的氧同位素分析遇到诸多技术难点。其中最主要的是目前常规离子探针样品靶的制备方法具有一些局限。

常规样品靶是在固定直径的注胶杯中，将样品颗粒，整齐的粘在双面胶上，然后注入环氧树脂，固化、细磨、抛光。最终完成样品靶的制作。在细磨和抛光过程中由于树脂莫氏硬度只有2-3，而许多矿物颗粒的莫氏硬度都在6以上，例如锆石硬度7.5-8，石英玻璃硬度7。这种硬度差别往往会造成样品颗粒较树脂高度较高，而且矿物颗粒的边缘不平整，有一定坡度。这个坡度会影响二次离子引出的效率，进而对稳定同位素分析精度造成较大影响。这在Kita等人在2009年文章：High precision SIMS oxygen isotope analysis and theeffect of sample topography中有详细的讨论。另外稳定同位素分析对样品室内真空有很高的要求，真空较差时，往往会增加以氢化物为主的干扰离子，从而对分析精度带来影响。比如在进行氧同位素分析中，¹⁶OH^-会对¹⁷O^-造成较大影响，从而影响¹⁷O/¹⁶O同位素比值的数据。

为了提高稳定同位素分析精度，特别针对矿物边部分析，申请人发明了一种新的二次离子探针样品靶的制备方法：以玻璃为基体，利用极少量的树脂将矿物颗粒固定在玻璃凹槽中。因为玻璃的硬度与矿物颗粒的硬度相当，这样可以在细磨和抛光过程中，玻璃的磨损和矿物颗粒的磨损相当。这种制样方式一方面提高矿物颗粒边缘的平整度，另外一方面由于树脂的量的降低，所以样品靶在真空中的放气率得到明显改善。

发明内容

本发明提出了一种二次离子探针样品靶的制备方法，主要用于提高样品颗粒的平整度以及降低样品靶的放气率。样品靶主要由玻璃片，环氧树脂以及样品颗粒组成；

进一步，所述方法以圆形玻璃片为主体，首先在玻璃片上切割出数条凹槽， 然后将样品颗粒放入凹槽中，进而将环氧树脂注入凹槽中进行固化，固化完成将样品靶进行细磨，抛光；

进一步，玻璃片的厚度为2-4mm，既满足离子探针对样品靶厚度的要求，同时也保证一定机械强度，以防止在切割凹槽时发生破碎；

进一步，玻璃片形状为圆形，直径需满足10mm，12.7mm或25.4mm；

进一步，玻璃片的凹槽通过慢速锯片或者金刚石线锯进行切割，凹槽的宽度在0.2mm-0.5mm，因为矿物颗粒一般都分布在0.05mm-0.5mm；

进一步，所述树脂具有良好的流动性，并且在注入树脂的过程中，采用抽真空的方式，使树脂渗透到凹槽中；

进一步，所述细磨过程分别采用1500目和3000目的磨盘进行，细磨时间1-3小时，抛光过程采用0.5微米或0.25微米的抛光液及抛光膏，抛光时间 小于5分钟；

进一步地，按照所述方法制作的样品靶可用于二次离子探针微区高精度稳定同位素及微量元素分析；

进一步，所述方法适合具有高硬度的矿物颗粒的样品靶制备，所述具有高硬度的矿物颗粒为锆石，斜锆石，刚玉，橄榄石，辉石或石英；

本发明的有益效果如下：

1）由于环氧树脂只存在于玻璃的凹槽中，所以样品靶的放气率很低，有利于提高样品室的真空；

2）由于玻璃与矿物颗粒（锆石，磷灰石等）的硬度相近，所以在抛光过程中有效保证了矿物颗粒，环氧树脂以及玻璃处于相同平面，有效提高矿物颗粒边缘的平整度。

附图说明

图1为二次离子探针分析的原理；

图2 传统制靶方式获得的样品靶形貌图；

图3 本发明中样品靶的简图 ；

图4 本发明中制靶方式获得样品靶的形貌图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

1.二次离子探针稳定同位素分析的原理

附图1是二次离子探针质谱分析的原理图。离子探针是一种利用一次离子轰击样品产生二次离子并进行质谱测定的仪器，可以对固体或薄膜物质进行高精度微区原位的元素和同位素分析。目前应用在地球科学领域的高精度定量离子探针是以电磁铁作为质量分析器的磁式离子探针。二次离子质谱区别于其他质谱的关键在于其样品离子化过程的特殊性。在高真空条件下，当固体样品表面被带有数千电子伏特(eV)能量的一次离子轰击时，部分一次离子注入到固体内部并与其路径上的样品原子发生弹性或非弹性碰撞。通过碰撞获得能量的固体内部原子又与其周围原子再次进行碰撞并产生能量传导，这个过程称为级联碰撞。最终有一部分样品内部电子、原子或分子获得了足够的能量逃逸出样品表面，产生了溅射现象。小部分被溅射的物质在这一过程中被电离形成二次离子。级联碰撞模型是目前能解决离子溅射现象的最好也是最常用的理论，但是二次离子的产额却受到了样品表面电场状态、一次离子及样品的化学属性等多方面的制约。虽然至今物理学家仍未弄清二次离子发射的真正机理，也未建立起一种完善的理论，但这并不影响二次离子质谱的应用，利用已掌握的规律采取适合的一次离子进行相应的元素分析，并尽量采用与被测样品基体相同的标准样品进行仪器分馏校正。目前地球科学中应用的离子探针主要为磁式质量分析器，并且离子源种类主要分为氧源和铯源两种，铯源主要负责分析非金属元素的测量，而氧源主要负责金属元素的分析。现代大型离子探针主要代表主要有CAMECA公司生产的IMS1270,IMS1280（HR）， NanoSIMS 50L。另外还有澳洲国立大学SHRIMP。离子探针的空间分辨在离子探针发展之初的30-50微米，随着纳米离子探针的出现将仪器质量分辨提升至纳米级别。离子探针被广泛应用在矿物颗粒的原位稳定同位素及微量元素分析。比如目前锆石原位微区的氧同位素分析主要由二次离子探针完成的。

2.样品靶的制备流程

离子探针的稳定同位素分析需要样品靶有一个非常平整的平面，因为稳定同位素的分析数据质量往往和样品表面的平整度有直接的关系。为了获得平整的平面，通常会将颗粒固定在树脂内，树脂固化后经过细磨和抛光，最终获得平整的表面。具体制作过程：首先将样品颗粒整齐的排列在双面胶上，然后将排好的样品颗粒放在尺寸固定的注胶杯中。将事先配好的环氧树脂注入注胶杯中，将注胶杯放在真空干燥箱中去除树脂中的空气（30分钟左右），并且提高树脂的渗透性。 然后将树脂放于保温箱内，保温到40-50摄氏度，保持24小时以上。然后将注胶杯切割开后，取出固化好的环氧树脂。环氧树脂通过粗磨，细磨后，树脂靶进行抛光，直至样品靶的靶面没有明显划痕为止。这种常规的制靶方式对硬度不高的矿物具有非常好的效果，但对于锆石，刚玉，橄榄石等硬度比较高的，颗粒往往会突出树脂的表面，而且颗粒边缘往往不平整，具有一定坡度。附图2所示常规方法制备的样品靶的形貌图。

3.样品靶质量与分析精度之间的关系

样品表面的平整度是影响稳定同位素分析精度重要因素，这在Kita等2009年的论文：High precision SIMS oxygen isotope analysis and the effect of sample topography和Tang等2015年的论文：Deciphering the physical mechanism of the topography effect for oxygen isotope measurements using a Cameca IMS-1280 SIMS中都详细介绍了样品形貌对分析精度之间的关系。样品表面的平整度会影响二次离子引出的角度，而在离子传输的路径上有若干狭缝，而二次离子束斑的大小往往是大于狭缝的尺寸，并且不同同位素离子（例如¹⁶O,¹⁸O）由于微弱磁场（主要是由于离子泵，线圈等产生）的作用下会发生分离。因此二次离子引出角度发生改变必然会带来同位素比值发生改变。为了提高分析精度就需要提高样品表面的平整度，而为了提高颗粒边部的同位素分析精度就必须要降低颗粒边部的坡度。

4.本发明涉及的样品靶的制作方式

以锆石为代表的的高硬度矿物，在常规制靶的过程中出现的矿物边部的斜坡以及颗粒与树脂的高度差别均是由于矿物颗粒与环氧树脂之间硬度的差异。为了提高样品靶的硬度，我们选择利用玻璃作为样品靶的主体。选择10mm，12.7mm或者25.4mm直径的圆形玻璃片，厚度为2-5mm；利用慢速锯在在玻璃片切割出若干凹槽，其中凹槽的宽度为0.2-0.5mm；在玻璃片一面上贴上双面胶，然后将分析的样品颗粒整齐排列在凹槽内；将玻璃片连同样品颗粒一起放在注胶杯中；将实现准备配好的环氧树脂倒入注胶杯中；接下来放入真空器皿中进行抽真空30分钟左右以去除树脂中的气泡并让树脂渗透到每个缝隙。最后将注胶杯放入保温箱中在40-50摄氏度的温度下保持24小时以上；等待树脂固化后，将样品靶先后进行粗磨，细磨和抛光，分别用500目，1500目和3000目的磨盘进行粗磨和细磨，然后用0.5微米抛光膏或抛光液进行抛光，抛光时间尽量控制5分钟以内；最后利用牙钻去除玻璃片周围多余的树脂。

附图3是本发明设计的样品靶结构示意图，主要包括了石英玻璃，少量树脂以及样品颗粒组成。附图4是利用上述制靶方式获得样品靶的形貌图，通过与附图2的对比可以明显看出颗粒平整度叫常规方法得到明显的改善。并且根据实际检验，样品真空达到最优的时间缩短了一半以上，放气率显著降低。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种二次离子探针样品靶的制备方法，其特征在于，以玻璃片为基体，矿物颗粒嵌于玻璃片内进行细磨抛光,从而改善矿物颗粒的平整度和降低样品靶在真空中的放气率。

2.根据权利要求1所述的一种二次离子探针样品靶的制备方法，其特征在于， 所述制备方法具体为首先在玻璃片上切割出数条凹槽， 然后将样品颗粒放入凹槽中，进而将环氧树脂注入凹槽中进行固化，固化完成将样品靶进行细磨，抛光。

3.根据权利要求2所述的一种二次离子探针样品靶的制备方法，其特征在于， 所述玻璃片的厚度为2-4mm，既满足离子探针对样品靶厚度的要求，同时也保证一定机械强度，以防止在切割凹槽时发生破碎。

4.根据权利要求2所述的一种二次离子探针样品靶的制备方法，其特征在于，所述玻璃片的凹槽通过慢速锯片或者金刚石线锯进行切割，所述凹槽的宽度在0.2 mm-0.5 mm。

5.根据权利要求2所述的一种二次离子探针样品靶的制备方法，其特征在于，所述树脂具有良好的流动性，并在注入树脂的过程中，采用抽真空的方式，使树脂渗透到凹槽中。

6.根据权利要求2所述的一种二次离子探针样品靶的制备方法，其特征在于，所述细磨过程分别采用1500目和3000目的磨盘进行，细磨时间为1-3小时，抛光过程采用0.5微米或0.25微米的抛光液及抛光膏，抛光时间 小于5分钟。

7.根据权利要求2-6之一所述的一种二次离子探针样品靶的制备方法，其特征在于，按照所述方法制作的样品靶可用于二次离子探针微区高精度稳定同位素及微量元素分析。

8.根据权利要求2-6之一所述的一种二次离子探针样品靶的制备方法，其特征在于，所述方法适合具有高硬度的矿物颗粒的样品靶制备，所述具有高硬度的矿物颗粒为锆石、斜锆石、刚玉、橄榄石、辉石或石英。