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稀土全掺CaF2晶体热-力耦合深紫外激光剥蚀行为调控及在萤石地球化学中的应用研究

批准号:
12104194
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
孙益坚
依托单位:
学科分类:
光与物质相互作用
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
孙益坚

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
因高度符合基体匹配和元素均一的要求,稀土全掺CaF2单晶在萤石激光剥蚀-电感耦合等离子质谱(LA-ICP-MS)校正标准应用中具有巨大优势。本项目创新性开展稀土全掺CaF2单晶的设计、生长和激光剥蚀行为系统研究,重点解决CaF2晶体因深紫外高透光性导致的193 nm激光剥蚀信号弱且不规则的关键科学问题。项目从CaF2单晶结构出发,基于晶体物化性能调控理论分析,优化晶体掺杂组分;采用坩埚下降法进行晶体生长,通过温场和生长参数优化,获得高质量单晶,并重点考察晶体中稀土元素均一性;测试晶体物化和光谱性能,开展激光剥蚀线扫描,建立晶体表面激光热力耦合模型,从而揭示激光信号、元素共掺及表面处理技术调控激光剥蚀行为的内在机理;在此基础上,制备系列CaF2校正标样,并建立萤石稀土元素LA-ICP-MS微区分析方法。项目实施将拓展CaF2单晶应用,并为CaF2单晶在萤石稀土元素地球化学中的应用奠定基础。
英文摘要
Due to highly meet the requirements of matrix matching and homogenously distribution, all-rare-earths co-doped CaF2 (REs: CaF2) crystal shows prominent advantage in calibration standard for fluorite LA-ICP-MS technique. In this project, the design, growth and laser ablation operation of all-rare-earths co-doped CaF2 crystal will be creatively be systematic studied with special emphasis on the weak and irregular ablation operation under 193 nm deep UV laser resulting from the high transmission of deep UV light. Based on the local structure, the components of dopants will be optimized based on the theoretical calculations of physical and chemical properties. High-quality REs: CaF2 crystal will be grown by the Bridgman method with the defect analysis and technics parameter optimization. The homogenously distribution of rare earths will be particularly studied in detail. The physical properties of the as-grown crystal will be test. The morphology of laser ablation pits will be studied in detail. The dependence of the laser ablation operation on laser signal, trace metal element co-doping and surface treatment technology will be revealed with a thermo-mechanical coupling model under deep UV lasering in CaF2 crystal. As a result, a design method of REs: CaF2 calibration standard will be summarized. On this basic, an analytical method for accurate determiniaiton of REs concentration in fluorite by LA-ICP-MS will be developed using the as-grown REs: CaF2 crystal calibration standards. The implementation of this project will greatly extend the applied realms of CaF2 crystal, and lay the foundation for the application of CaF2 crystal in rare earth Elements geochemical research of fluorite.
项目针对萤石中稀土元素LA-ICP-MS微区分析缺乏与之基体匹配的定量校正标准这一行业难题,创新性开展稀土全掺的CaF2单晶的生长和激光剥蚀行为系统研究。.项目采用坩埚下降法生长了稀土全掺CaF2晶体,优化了晶体生长工艺参数,最终获得不同浓度掺杂高质量单晶,利用液相分析和LA-ICP-MS微区分析方法重点考察了晶体样品中各稀土元素分布均一性,结果均达到了萤石校正标准物质的均一性要求。项目重点解决稀土全掺CaF2晶体深紫外激光剥蚀信号弱且不规则的关键科学问题,系统研究激光剥蚀行为与激光信号、表面粗糙度及激光能量密度之间的变化关系,最终确定了1500目抛光,激光能量密度14 J·cm-2为 CaF2晶体实现有效 LA-ICP-MS分析的最佳条件,在此基础上建立晶体表面激光热-力耦合剥蚀模型,有效解释LA-ICP-MS分析的激光能量密度阈值的原因,为CaF2基体样品LA-ICP-MS定量分析提供理论指导。最后,通过纳秒紫外LA-ICP-MS测定的CaF2校正标样的相对灵敏度系数、载气空白标准偏差和本方法中的检出限,并建立萤石中稀土元素LA-ICP-MS微区分析方法,通过与液相测量结果对比,相对偏差主要在-10.10% 至12.79% 之间,与使用 NIST SRM 610非基体匹配校准方法相比,精密度具有较大优势。本研究为萤石矿中稀土元素准确定量分析研究奠定了坚实基础。此外,项目将建立的微区分析方法进一步延伸至白钨矿中,且开发了多种新型的稀土掺杂铝酸盐晶体材料,为今后其他稀土矿物微区分析校正标准的研究打好基础。.目前,项目所制备的CaF2晶体样品被认为是一类新型的稀土元素微区分析校正标准样品,且具有自主知识产权。相关成果获得澳大利亚国立大学、中国科学院地质与地球物理研究所等多个国内外同行认可,成套标准物质已分享给国内外同行14份共42件,将助力开展萤石及其他矿物地球化学分析。.
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