A cavity ion source for high-ionization efficiency neodymium isotope-ratio analyses in the geosciences
A cavity ion source for high-ionization efficiency neodymium isotope-ratio analyses in the geosciences
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用于地球科学中高电离效率钕同位素比分析的空腔离子源
DOI：
10.1039/d0ja00228c
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发表时间：
2020
影响因子：
3.4
通讯作者：
Mock, Timothy D.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Reimink, Jesse R.;Carlson, Richard W.;Mock, Timothy D.
热电离质谱仪中使用的电离技术的原理相对来说已经被很好地理解，并且几十年来基本保持不变。尽管在同位素比值测量的离子信号量化方面取得了重大进展，特别是使用多探测器系统和低噪声放大器对小样本进行分析，但样品电离的基本方法却很少受到关注。试图达到百万分之一水平同位素比率精度的现代TIMS技术正在实现电离源物理所施加的限制。几十年来，核物理学界采用了一种高电离效率的热源，即所谓的腔热电离源。在这里，我们提供了一项概念验证研究，表明腔源可能为实现固体样品同位素比测量的新精度提供了一条途径。我们记录了我们新的、简单的腔离子源设计，展示了Nd同位素测量的初步结果，并在传统热电离方法施加的当前精度限制的背景下讨论了这些新数据。我们表明，在我们的试验台质谱仪的限制下，腔离子源内的质量分馏与灯丝离子源的质量分馏相似。我们还证明了氧化物与金属离子的产生在Nd的腔电离过程中起着重要的作用。腔离子源可能为实现亚ppm精度水平的同位素比率精度提供了一条可行的途径。
The principles governing ionization techniques used in thermal ionization mass spectrometers are relatively well understood and have remained largely unchanged for many decades. Though significant advances have been made in ion signal quantification for isotope ratio measurements, particularly for analyses of small samples by using multiple detector systems and low-noise amplifiers, the fundamental approach to sample ionization has received little focus. Modern TIMS techniques attempting to achieve parts-per-million level isotope ratios precisions are realizing limits imposed by the physics of the ionization source. A type of high-ionization efficiency thermal source employed in nuclear physics communities for decades is the so-called cavity thermal ionization source. Here, we provide a proof-of-concept study that shows cavity sources may provide a path forward to achieve a new level of precision in isotope ratio measurements from solid samples. We document our new, simple, cavity ion source design, show preliminary results from Nd isotope measurements, and discuss these new data in the context of current precision limits imposed during traditional thermal ionization methods. We show that, within the limits of our testbed mass spectrometer, mass fractionation within the cavity ion source appears similar to that from filament ion sources. We also demonstrate that oxide-versus-metal ion production plays a significant role in cavity ionization processes for Nd. Cavity ion sources may provide a viable path forward to achieving isotope ratios precisions at the sub-ppm precision level.
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