熱イオン化

熱イオン化は表面イオン化または接触イオン化とも呼ばれ、原子が熱い表面から脱離し、その過程でイオン化される物理的なプロセスです。

熱イオン化は、単純なイオン源の作成、質量分析、イオンビームの生成に使用されます。^[1]熱イオン化は、多くの地質学/核アプリケーションで使用されているほか、原子量の決定にも広く使用されています。^[2]

物理

イオン化の可能性は、フィラメント温度、フィラメント基板の仕事関数、および元素のイオン化エネルギーの関数です。

{\frac {n_{+}}{n_{0}}}={\frac {g_{+}}{g_{0}}}\exp {\Bigg (}{\frac {W-\Delta E_{\text{I}}}{kT}}{\Bigg )}

どこ

{\frac {n_{+}}{n_{0}}}

= イオン数密度と中性数密度の比

{\frac {g_{+}}{g_{0}}}

= イオン状態（ g ₊）と中性状態（g ₀）の統計的重み（縮退）の比

W

=表面の仕事関数

\Delta E_{\text{I}}

=脱離した元素のイオン化エネルギー

k

=ボルツマン定数

T

= 表面温度

負イオン化は、仕事関数の低い表面に対して大きな電子親和力を持つ元素でも発生する可能性があります。 $\Delta E_{\text{A}}$

熱イオン化質量分析

熱イオン化の応用例の 1 つに、熱イオン化質量分析(TIMS) があります。熱イオン化質量分析では、化学的に精製された物質をフィラメント上に置き、フィラメントを高温に加熱して、物質の一部を熱脱着 (蒸発) させながらイオン化します。フィラメントは一般に、幅約 1～2 mm (0.039～0.079 インチ)、厚さ 0.1 mm (0.0039 インチ) の平らな金属片で、逆 U 字型に曲げられ、電流を供給する 2 つの接点に接続されています。

この方法は、サンプルを真空下でイオン化する放射年代測定で広く使用されています。フィラメントで生成されたイオンはイオンビームに集束され、磁場を通過して質量によって分離されます。その後、異なる同位体の相対的な存在比を測定し、同位体比を得ることができます。

これらの同位体比をTIMSで測定すると、熱いフィラメントから種が放出される際に質量依存の分別が起こります。分別はサンプルの励起により起こるため、同位体比を正確に測定するには補正する必要があります。^[4]

TIMS 法には、設計がシンプルで、他の質量分析計よりも安価で、安定したイオン放出を生成できるなど、いくつかの利点があります。安定した電源が必要であり、ストロンチウムや鉛などのイオン化エネルギーが低い種に適しています。

この方法の欠点は、熱イオン化で達成される最高温度に起因します。高温のフィラメントの温度は 2,500 °C (2,770 K; 4,530 °F) 未満に達するため、オスミウムやタングステンなどの高イオン化エネルギーを持つ種の原子イオンを生成することができません。この場合、TIMS 法では代わりに分子イオンを生成することができますが、高イオン化エネルギーを持つ種は MC-ICP-MS でより効果的に分析できます。^{[引用が必要]}

参照

参考文献

^ Alton, GD (1988). 「多孔質タングステンイオン化装置によるセシウム表面イオン化源の特性評価。I」( PDF)。Review of Scientific Instruments。59 ( 7): 1039–1044。Bibcode : 1988RScI ...59.1039A。doi :10.1063/1.1139776。ISSN 0034-6748 。
^ Barshick, C; Duckworth, D; Smith, D (2000).無機質量分析法：基礎と応用. ニューヨーク、NY [ua]：デッカー. p. 1. ISBN 9780824702434。
^ Dresser, MJ (1968年1月). 「サハ・ラングミュア方程式とその応用」(PDF) . Journal of Applied Physics . 39 (1): 338–339. Bibcode :1968JAP....39..338D. doi :10.1063/1.1655755 . 2007年10月11日閲覧。
^ ディキン、AP、2005年。放射性同位体地質学第2版。ケンブリッジ：ケンブリッジ大学出版局。pp. 21-22

[Alton1988-1] Alton, GD (1988). 「多孔質タングステンイオン化装置によるセシウム表面イオン化源の特性評価。I」( PDF)。Review of Scientific Instruments。59 ( 7): 1039–1044。Bibcode : 1988RScI ...59.1039A。doi :10.1063/1.1139776。ISSN 0034-6748 。

[2] Barshick, C; Duckworth, D; Smith, D (2000).無機質量分析法：基礎と応用. ニューヨーク、NY [ua]：デッカー. p. 1. ISBN 9780824702434。

[1.1655755-3] Dresser, MJ (1968年1月). 「サハ・ラングミュア方程式とその応用」(PDF) . Journal of Applied Physics . 39 (1): 338–339. Bibcode :1968JAP....39..338D. doi :10.1063/1.1655755 . 2007年10月11日閲覧。

[Dickin-4] ディキン、AP、2005年。放射性同位体地質学第2版。ケンブリッジ：ケンブリッジ大学出版局。pp. 21-22