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我國大型高端質(zhì)譜儀器一直以引進(jìn)為主，受國外技術(shù)封鎖，一些用于高精度同位素分析和核科學(xué)研究的質(zhì)譜儀器引進(jìn)十分困難，且價格高昂。
為了推動我國高端質(zhì)譜儀器的自主研發(fā)，針對目前宇宙樣品及地球化學(xué)珍貴樣品穩(wěn)定同位素、稀土元素微區(qū)原位分析的難題，國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項設(shè)立“同位素地質(zhì)學(xué)專用 TOF-SIMS(飛行時間二次離子質(zhì)譜)科學(xué)儀器”項目，由中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所國家科技基礎(chǔ)條件平臺北京離子探針中心牽頭實施。
據(jù)了解，根據(jù)記者掌握的情況，項目研制的兩臺分別用于穩(wěn)定同位素分析和稀土元素分析的TOF-SIMS-SI和TOF-SIMS-REE儀器，將為巖石成因?qū)W、礦床成因?qū)W、地球環(huán)境、氣候變化、月球及行星演化等熱點(diǎn)研究領(lǐng)域提供最先進(jìn)的技術(shù)支撐。
專家稱，用于高精度同位素豐度分析的TOF-SIMS 是一項全新的技術(shù)，它的成功研制，將是質(zhì)譜學(xué)技術(shù)劃時代的里程碑，同時將進(jìn)一步推動地球化學(xué)和宇宙化學(xué)向更微的空間發(fā)展。像 SHRIMP 的誕生一樣，這項新技術(shù)的誕生將帶來一系列重要的科學(xué)成果，特別是將直接為我國探月工程在獲得月球樣品后的分析研究工作奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
據(jù)介紹，經(jīng)過近4年的技術(shù)攻關(guān)，北京離子探針中心聯(lián)合中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所和吉林大學(xué)等單位完成了兩臺TOF-SIMS儀器的整體設(shè)計，對一次離子源等關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計加工和單獨(dú)調(diào)試，并完成了TOF-SIMS專用系統(tǒng)控制軟件和數(shù)據(jù)處理軟件的開發(fā)和優(yōu)化。
自2014年8月起，項目組開始對兩臺TOF-SIMS整機(jī)進(jìn)行總裝配和總調(diào)試工作。2015年6月，TOF-SIMS整機(jī)的質(zhì)量分辨率可達(dá)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(quán)8項(其中發(fā)明專利2項)；登記軟件著作權(quán)3項；發(fā)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(zhì)譜(TOF-SIMS)技術(shù)應(yīng)用于精密同位素分析和元素豐度測定。近年來，隨著離子接收系統(tǒng)在技術(shù)上取得突破性進(jìn)展，北京離子探針中心和相關(guān)合作單位在國內(nèi)率先嘗試將 TOF技術(shù)應(yīng)用于高精度同位素分析儀器的研發(fā)。
二是開發(fā)了一套適用于珍貴地質(zhì)樣品(如月巖、宇宙顆粒等)高靈敏度、高分辨率同位素分析的小束斑氧離子一次源和離子光學(xué)系統(tǒng)。
三是開發(fā)了提高地學(xué)樣品分析靈敏度的二次中性粒子激光后電離技術(shù)。實驗結(jié)果表明，在優(yōu)化條件下，飛秒后電離技術(shù)可使信號提高60 倍。
四是研發(fā)了高分辨TOF質(zhì)量分析器。有效解決了雙聚焦SIMS質(zhì)譜的低離子通過率、體積龐大、成本高昂的不足。
五是開發(fā)了一套滿足超高真空環(huán)境下高精度同位素分析要求的創(chuàng)新型三維樣品臺及樣品傳送系統(tǒng)。
項目組專家表示，該科研項目盡管取得了一定的成效，但該儀器目前尚處于研發(fā)階段，待目標(biāo)儀器的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到任務(wù)書的設(shè)計要求后，項目組將啟動以下兩項應(yīng)用示范研究工作：一是應(yīng)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(jī)理;二是應(yīng)用TOF-SIMS-REE儀器對月巖和月球隕石樣品中鋯石的稀土含量和配分模式進(jìn)行分析，以探討月巖中鋯石的成因;測定月巖樣品和月球隕石中鋯石的Ti元素含量，估算其結(jié)晶時的溫度，從而推算撞擊事件的溫度。
據(jù)中國礦業(yè)報記者了解到，2015年8月，項目組已將TOF-SIMS-REE儀器應(yīng)用于純金屬樣品銅和銀的同位素豐度分析，分析精度可達(dá) 1%。
