高感度高解像度イオンマイクロプローブ

高感度高解像度イオンマイクロプローブ（高感度高質量分解能イオンマイクロプローブまたはSHRIMPとも呼ばれる）は、大口径の二重収束型二次イオン質量分析計（SIMS）セクター装置であり、オーストラリアのキャンベラにあるAustralian Scientific Instruments社によって製造され、現在は北京の中国企業Dunyi Technology Development Co.（DTDC）社によって買収されています。フランスのジュヌヴィリエにあるCAMECA社によって製造されたIMS 1270-1280-1300大ジオメトリイオンマイクロプローブや他のSIMS装置と同様に、SHRIMPマイクロプローブは真空下でサンプルに一次イオンビームを照射し、二次イオンを放出します。 二次イオンはエネルギーと質量に応じて収束、フィルタリング、測定されます。

SHRIMP は、主に地質学および地球化学の用途に使用されます。直径 10～30 μm のスケールで、深さ分解能 1～5 μm で鉱物の同位体および元素の存在量を測定できます。したがって、SIMS 法は、変成岩や一部の火成岩によく見られる複雑な鉱物の分析や、堆積岩の統計的に有効な一連の砕屑性鉱物の比較的迅速な分析に適しています。この装置の最も一般的な用途はウラン-トリウム-鉛 地質年代測定ですが、SHRIMP は他の同位体比測定 (δ ⁷ Li や δ ¹¹ B ^[1]など) や微量元素の存在量の測定にも使用できます。

SHRIMPは1973年にビル・コンプストン教授の提案から始まりました。^[2]オーストラリア国立大学の地球科学研究学校で、個々の鉱物粒子を分析するために、当時利用可能なイオンプローブの感度と解像度を超えるイオンマイクロプローブを構築しようとしました。^[3]光学設計者のスティーブ・クレメントは、さまざまなセクターを通過するイオンの収差を最小限に抑える松田の設計に基づいてプロトタイプ機器（現在は「SHRIMP-I」と呼ばれています）を開発しました。 ^[4]機器は1975年から1977年にかけて構築され、1978年からテストと再設計が行われました。最初の地質学アプリケーションは1980年に成功しました。^[3]

最初の大きな科学的影響は、西オーストラリアのナリヤー山^[6]で冥王代（40億年以上前）のジルコン粒子が発見され、その後近くのジャックヒルズでも発見されたことです。^[7]これらの結果とSHRIMP分析法自体は当初疑問視されていましたが^{[8] [9]}、その後の従来の分析により部分的に確認されました。^{[10] [11]また、SHRIMP-Iは}チタン^[12]、ハフニウム^[13]、硫黄^[14]同位体系のイオンマイクロプローブ研究の先駆者となりました。

民間企業や他の学術研究グループ、特にカーティン大学（西オーストラリア州パース）のジョン・デ・ラエター教授からの関心の高まりにより、1989年にオーストラリア国立大学の商業部門であるANUTECHと共同で、この装置の商用版であるSHRIMP-IIを製作するプロジェクトが始まりました。1990年代半ばにイオン光学設計が改良されたことで、質量分解能が向上したSHRIMP-RG（リバースジオメトリ）の開発と製作が促進されました。設計のさらなる進歩により、複数のイオン収集システム（数年前にフランスの企業がすでに市場に導入していた）、負イオン安定同位体の測定、および光安定同位体専用の装置の開発作業も継続して行われました。^[15]

現在、15台のSHRIMP装置が世界中に設置されており^{[16] [17]}、SHRIMPの結果は2000以上の査読付き科学論文で報告されています。SHRIMPは、アカスタ片麻岩^{[18] [19} ]を含む最古の地球物質の一部を分析し、ジャックヒルズ^[20]のジルコンと地球最古の衝突クレーター^[21 ]の年代をさらに延長するなど、地球の初期の歴史を理解するための重要なツールです。その他の重要なマイルストーンには、月のジルコンのU / Pb年代測定^[22]と火星のアパタイト^{[23]の年代測定が含まれます。より最近の用途には、}オルドビス紀の海面温度の決定^[24]、スノーボールアースイベントのタイミング^[25]、安定同位体技術の開発などがあります。^{[26] [27]}

典型的なU-Pb地質年代学分析モードでは、デュオプラズマトロンの中空Ni陰極の高純度酸素ガス放電から (O ₂ ) ^{1− 一}次イオンビームが生成されます。イオンはプラズマから抽出され、10 kV で加速されます。一次カラムはケーラー照明を使用して、ターゲットスポット全体に均一なイオン密度を生成します。スポットの直径は、必要に応じて約 5 μm から 30 μm 以上に変化します。サンプル上の典型的なイオンビーム密度は約 10 pA/μm ²で、15～20 分の分析で 1 μm 未満のアブレーションピットが作成されます。^[29]

一次ビームはサンプル表面の平面に対して45°の角度で入射し、二次イオンは90°の角度で抽出され、10kVで加速される。3つの四重極レンズが二次イオンをソーススリットに集束させ、他のイオンプローブ設計とは異なり、イオン画像を保存するのではなく、イオンの透過を最大化することを目指した設計となっている。^[15]シュワルツシルト対物レンズは、分析中にサンプルの反射光を直接顕微鏡で観察することができる。^{[5] [30]}

二次イオンは、半径1272mm、90°の静電セクターによって運動エネルギーに応じてフィルタリングされ、集束されます。機械操作のスリットは、磁気セクターに伝達されるエネルギースペクトルの微調整を提供し、 ^[29]静電四重極レンズは、イオンを磁気セクターに伝達する際の収差を減らすために使用されます。^[4]

電磁石は半径 1000 mm、角度 72.5° で、ローレンツ力の原理に従って質量/電荷比に応じて二次イオンを集束します。基本的に、質量の小さいイオンの軌道は、質量の大きいイオンの軌道よりも磁場内での曲率が大きくなります。したがって、電磁石の電流を変えることで、特定の質量の種を検出器に集束させることができます。

イオンは磁気セクターの焦点面にあるコレクター スリットを通過し、コレクター アセンブリは軸に沿って移動して、特定の同位体種の焦点を最適化できます。一般的な U-Pb ジルコン分析では、イオンのカウントに 単一の二次電子増倍管が使用されます。

ターボ分子ポンプはSHRIMPのビーム経路全体を真空にし、透過率を最大化し、汚染を減らす。サンプルチャンバーにはクライオポンプも採用されており、汚染物質、特に水分を捕捉する。SHRIMP内の典型的な圧力は、検出器内で約7 x 10 ^{−9 mbar、一次カラム内で約1 x 10 −6} mbar（酸素デュオプラズマトロン源を使用）である。^[29]

通常の操作では、SHRIMPはジルコンからの鉛に対して20カウント/秒/ppm/nAを超える感度で5000の質量分解能を達成します。 ^{[28] [29]}

_{U-Th-Pb 地質年代測定では、一次イオン (O 2} ) ¹⁻のビームが加速され、ターゲットに向かってコリメートされ、サンプルから「二次」イオンがスパッタされます。これらの二次イオンは、機器に沿って加速され、ウラン、鉛、トリウムのさまざまな同位体が、Zr ₂ O ⁺、ThO ⁺、UO ⁺の基準ピークとともに連続的に測定されます。スパッタリング収量はイオン種によって異なり、相対的なスパッタリング収量はイオン種に応じて時間とともに増加または減少するため (クレーターの深さの増加、帯電効果、その他の要因による)、測定された相対的な同位体存在比は、ターゲット内の実際の相対的な同位体存在比とは関係がありません。補正は、未知物質と基準物質 (既知の同位体組成のマトリックス一致物質) を分析し、分析セッション固有の較正係数を決定することによって決定されます。^{[31] [32] [33]}

• オーストラリア国立大学にSHRIMPラボを設立
• オーストラリア科学機器