同位素地質研究專用科學儀器成功研發

【中國化工儀器網 科技成果】我國大型高端質譜儀器一直以引進為主，受國外技術封鎖，一些用於高精度同位素分析和核科學研究的質譜儀器引進十分困難，且價格高昂。

為了推動我國高端質譜儀器的自主研發，針對目前宇宙樣品及地球化學珍貴樣品穩定同位素、稀土元素微區原位分析的難題，國家重大科學儀器設備開發專項設立「同位素地質學專用 TOF-SIMS（飛行時間二次離子質譜）科學儀器」項目，由中國地質科學院地質研究所國家科技基礎條件平台北京離子探針中心牽頭實施。

據了解，根據掌握的情況，項目研製的兩台分別用於穩定同位素分析和稀土元素分析的TOF-SIMS-SI和TOF-SIMS-REE儀器，將為岩石成因學、礦床成因學、地球環境、氣候變化、月球及行星演化等熱點研究領域提供最先進的技術支撐。

專家稱，用於高精度同位素丰度分析的 TOF-SIMS 是一項全新的技術，它的成功研製，將是質譜學技術劃時代的里程碑，同時將進一步推動地球化學和宇宙化學向更微的空間發展。像 SHRIMP 的誕生一樣，這項新技術的誕生將帶來一系列重要的科學成果，特別是將直接為我國探月工程在獲得月球樣品後的分析研究工作奠定堅實的技術基礎。

據介紹，經過近4年的技術攻關，北京離子探針中心聯合中國科學院大連化學物理研究所和吉林大學等單位完成了兩台 TOF-SIMS儀器的整體設計，對一次離子源等關鍵部件進行了設計加工和單獨調試，並完成了TOF-SIMS專用系統控制軟體和數據處理軟體的開發和優化。

自2014年8月起，項目組開始對兩台TOF-SIMS整機進行總裝配和總調試工作。2015年6月，TOF-SIMS整機的質量解析度可達12000（m=106）。截至2015 年初，項目共取得新裝置 12套、核心部件20個；新申請專利 33項，獲專利授權8項（其中發明專利2項）；登記軟體著作權3項；發表論文24篇，取得了重要的階段性成果。

一是首次將飛行時間二次離子質譜（TOF-SIMS）技術應用於精密同位素分析和元素丰度測定。近年來，隨著離子接收系統在技術上取得突破性進展，北京離子探針中心和相關合作單位在國內率先嘗試將 TOF技術應用於高精度同位素分析儀器的研發。

二是開發了一套適用於珍貴地質樣品（如月岩、宇宙顆粒等）高靈敏度、高解析度同位素分析的小束斑氧離子一次源和離子光學系統。

三是開發了提高地學樣品分析靈敏度的二次中性粒子激光後電離技術。實驗結果表明，在優化條件下，飛秒後電離技術可使信號提高60 倍。

四是研發了高分辨TOF質量分析器。有效解決了雙聚焦SIMS質譜的低離子通過率、體積龐大、成本高昂的不足。

五是開發了一套滿足超高真空環境下高精度同位素分析要求的創新型三維樣品台及樣品傳送系統。

項目組專家表示，該科研項目儘管取得了一定的成效，但該儀器目前尚處於研發階段，待目標儀器的技術指標達到任務書的設計要求後，項目組將啟動以下兩項應用示範研究工作：一是應用TOF-SIMS-SI儀器分析金屬硫化物（黃鐵礦、閃鋅礦等）的硫同位素，探討典型銅礦床銅的富集和礦床形成機理；二是應用TOF-SIMS-REE儀器對月岩和月球隕石樣品中鋯石的稀土含量和配分模式進行分析，以探討月岩中鋯石的成因；測定月岩樣品和月球隕石中鋯石的Ti元素含量，估算其結晶時的溫度，從而推算撞擊事件的溫度。

據了解，2015年8月，項目組已將TOF-SIMS-REE儀器應用於純金屬樣品銅和銀的同位素丰度分析，分析精度可達 1%。

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