Анализ твердых тел методом масс-спектрометрии вторичных ионов. Методические указания к лабораторной работе (стр. 2 )

17.Включите в сеть блок ГВЧ-2 (поз. 16). Если при включении блока или во время работы загорится индикатор перегрузки ГВЧ-2, то необходимо настроить выходной контур ГВЧ в резонанс. Для этого:

-  подключите комбинированный прибор Ц4341 (шкала 0,3 В) к розетке РЕЗОНАНС на задней панели блока ГВЧ-2;

-  сделайте несколько оборотов вправо ручкой ДИАПАЗОН МАСС НАЧАЛО, следя за показаниями прибора Ц4341, когда они приблизятся к 150 мВ, регулировкой конденсатора С3 НАСТРОЙКА КОНТУРА на блоке ГВЧ-1 (поз. 15) добейтесь минимального значения этих показаний, что соответствует минимуму тока в цепи нагрузки и настройке контура в резонанс;

-  окончательная регулировка, ручку ДИАПАЗОН МАСС НАЧАЛО – в крайнее левое положение. Показания прибора не должны превышать 300 мВ.

18.Включите самопишущий потенциометр ЛКСЧ-003 (поз. 21), нажав кнопку ПРИБОР.

Установите нуль УПТ (поз. 20), вращая потенциометр РЕГУЛИРОВКА НУЛЯ и последовательно переключая шкалы прибора от "150 В" до "0,01 В"; выходным измерительным прибором УПТ является самопишущий потенциометр ЛКСЧ-003. Затем переведите переключатель шкал в начальное положение "150 В".

2.1.2.3.Настройка прибора

1.Установка образца. Установите под источник ионов, к которому подключено питание, исследуемый образец. Перед установкой в прибор образцы должны быть обезжирены и высушены. Одновременно может быть установлено 6 образцов. Установка осуществляется в следующей последовательности:

-  выдвиньте держатель образцов на себя и закройте клапан К5, повернув ручку клапана по часовой стрелке до упора (лампочка К5 должна погаснуть), (поз. 30);

-  напустите в шлюзовую камеру воздух, включив электромагнитный клапан К8;

-  откройте клапан шлюза (поз. 6) и установите образцы;

-  закройте клапан шлюза (поз. 6) и откачайте шлюз на форвакуум. Для этого клапан К3 закройте, а клапан К9 откройте (блок поз. 14);

-  закройте клапан К9, откройте К3 и К5. Переход к любому из шести образцов осуществляется вращением ручки поворота карусели (поз. 36);

-  задвиньте держатель, ручку клапана поверните по часовой стрелке до упора (поз. 30).

2.Работа в ручном режиме. Плавно изменяя высокочастотное напряжение потенциометром ДИАПАЗОН МАСС НАЧАЛО (блок ГВЧ-2, поз. 16) и наблюдая за текущим массовым числом по индикатору блока коммутатора (поз. 17), выйдите на вершину пика одного из элементов, входящих в образец. Переключатель шкал УПТ при этом устанавливается в положение, обеспечивающее наиболее удобное измерение.

3.Режим автоматической развертки. Потенциометрами ДИАПАЗОН МАСС НАЧАЛО и ДИАПАЗОН МАСС КОНЕЦ выставляется желаемый диапазон регистрируемых масс. Конец диапазона устанавливается потенциометром ДИАПАЗОН МАСС КОНЕЦ при крайнем правом положении потенциометра ДИАПАЗОН МАСС НАЧАЛО. Начало массового диапазона устанавливается непосредственно потенциометром ДИАПАЗОН МАСС НАЧАЛО. Контроль массового числа М осуществляется по блоку (поз. 17). Переведите переключатель РУЧ.-АВТ. в положение АВТ. (блок поз. 16). Нажмите кнопку ДИАГРАММА ЛКСЧ-003 (поз. 21), опустите перо на ленту и запишите масс-спектр. Во время масс-спектра можно изменять чувствительность УПТ (поз. 20). Разрешающую способность можно отрегулировать установкой оптимального значения l на анализаторе (блок ГВЧ-1, поз. 15).

4.Измерение линий масс-спектра. В Н И М А Н И Е!

При работе на чувствительных шкалах УПТ соблюдайте осторожность, так как интенсивность массовых линий может значительно отличаться друг от друга, что может вызвать зашкаливание и повреждение каретки потенциометра ЛКСЧ-003.

Поочередно изменяя режимы имерсионного объектива отражателя и образца (блоки поз. 26, 27, 32), добейтесь максимальной интенсивности пика по шкале ЛКСЧ-003. На этом предварительную настройку МС можно считать законченной и можно снимать масс-спектры. Работать на МС удобнее в режиме автоматической или программной развертки.

2.1.3.Программа работы

1.Ознакомьтесь с инструкцией по технике безопасности и пройдите инструктаж на рабочем месте. Тщательно изучите принцип работы прибора МХ-7201, порядок его включения и настройки.

2.Включите масс-спектрометр МХ-7201 согласно инструкции в присутствии преподавателя. Установите заданный исследуемый образец. Проведите настройку прибора и запишите спектр масс образца на бумажную ленту самописца. В процессе записи у каждого пика делайте соответствующую пометку о массовом числе, величину которого определяйте по счетчику массового числа.

3.Проведите запись характерного участка спектра для различных режимов работы ионного источника, меняя, если нужно, чувствительность УПТ, добиваясь максимально возможного разрешения по массам.

4.Запишите выбранный режим работы масс-спектрометра.

2.2.Проведение элементного анализа твердых тел методом

масс-спектрометрии вторичных ионов

Цель работы: ознакомление с методикой проведения элементного анализа твердых тел и расшифровкой масс-спектров, количественного анализа методом МСВИ, определения изотопической распространенности ряда элементов.

2.2.1.Расшифровка спектра масс исследуемого образца

Полученный масс-спектр подвергается расшифровке, т. е. производится идентификация значения удельного заряда и соответствующего химического элемента. Процесс этот достаточно сложен и трудоемок. Однако он значительно упрощается, если идет анализ простых веществ или приблизительно известен элементный состав исследуемого образца или его отдельные компоненты. Тогда, ориентируясь на значения удельных зарядов пиков, выделяют известные компоненты в масс-спектре. При этом следует обратить внимание на изотопный состав известных компонентов, так как интенсивность их пиков в снятом масс-спектре должна соответствовать табличным значениям распространенности этих изотопов (используйте соответствующие справочники). После выявления пиков однозарядных ионов следует посмотреть наличие двух - и трехзарядных ионов данного элемента, интенсивность пиков которых будет примерно на порядок-полтора меньше однозарядных ионов. Однако изотопные соотношения при этом будут выполняться по-прежнему. Затем нужно посмотреть наличие таких ионов, которым соответствуют соединения вида

МеО+, МеОН+, МеО++, Ме(СnНm)+,

а также наличие полиатомных ионов типа Меn+ и т. д. Причем наличие этих соединений будет характерно для всех изотопов данного элемента. Таким образом, можно последовательно, отталкиваясь от известного элемента данного образца, расшифровать весь спектр и оценить количественное содержание отдельных элементов в образце по отношению интенсивности пика отдельного элемента к суммарной интенсивности всех пиков данного масс-спектра.

Для расшифровки элементного состава неизвестного образца нужно предварительно провести калибровку прибора, т. е. указателя массовых чисел, по эталонным образцам с известным составом.

2.2.2.Определение изотопической распространенности элементов

Количественный анализ твердых тел методом МСВИ затруднен из-за различия в коэффициентах относительной чувствительности (КОЧ) для различных элементов. Поэтому для получения количественных результатов анализа этим методом необходима предварительная калибровка интенсивностей пиков для каждой компоненты по чистому эталонному образцу. Однако в случае определения чувствительности изотопического состава данного элемента такой калибровки не требуется, так как КОЧ для всех изотопов данного элемента равны между собой. Тогда для определения относительного содержания отдельных изотопов Ei необходимо снять масс-спектр данного элемента, просуммировать интенсивности Ai всех изотопов и по формуле

рассчитать распространенность.

В качестве примера на рис. 9 приведены типичные масс-спектры образцов Ba, BaO, Al, Mo, Pb, Ti, снятые на масс-спектрометре МХ-7201.

2.2.3.Программа работы

1.Для выполнения данной работы необходимо иметь навыки работы с прибором МХ-7201, т. е. выполнить первую лабораторную работу (раздел 2.1).

2.По заданию преподавателя зарядите исследуемый образец в кассету прибора.

3.Подготовьте масс-спектрометр к работе и последовательно приведите его в рабочее состояние согласно указаниям раздела 2.1. Режим работы прибора выставьте согласно вашим данным (подраздел 2.1.3).

4.Получите на самописце сигнал, соответствующий вторичным ионам с образца. При ручной развертке спектра масс установите величину максимального сигнала, изменяя чувствительность УПТ таким образом, чтобы не было зашкаливания самописца.

5.В режиме автоматической настройки запишите полный спектр масс образца в диапазоне массовых чисел от 10 до 200. При необходимости (недостаточное разрешение по массам, мала чувствительность) провести настройку прибора и повторить весь спектр либо его определенные участки. В процессе снятия спектра делайте, согласно счетчику массовых чисел, соответствующую пометку у каждого пика. Это поможет вам в расшифровке спектра.

6.Проведите калибровку счетчика массовых чисел и чувствительности масс-спектрометра по нескольким эталонным элементам. Для этого, не изменяя режима работы прибора, последовательно поместите в источник ионов по указанию преподавателя известные чистые элементы. Настраиваясь на максимум пика известного изотопа эталонного элемента, определите поправку к значению массового числа счетчика. Чувствительность, соответствующая данному элементу, определите величиной сигнала с УПТ.

7.Используя полученные данные, проведите расшифровку спектра масс исследованного образца, используя данные об изтопической распространенности элементов (приложение).

8.Определите изотопическую распространенность изотопов по заданию преподавателя. Для этого получите спектр масс всех изотопов данного элемента и согласно п. 2.2.2 рассчитайте относительное содержание изотопов данного элемента. Сравните результаты вашего эксперимента с табличными данными.

9.Проведите анализ полученных результатов (что представляли из себя исследуемые образцы, основные химические элементы, входящие в них, содержание этих элементов, наличие в спектре многозарядных ионов основных элементов, наличие полиатомных ионов, сложных соединений, чистота исследуемого образца, т. е. углеводороды на его поверхности и т. д.).

10.Оформите отчет о работе.

3. ПРАВИЛА ОФОРМЛЕНИЯ ОТЧЕТА

Отчет о лабораторной работе оформляется в соответствии с правилами, принятыми на кафедре физики, и должен содержать:

-титульный лист;

-цель работы;

-общие сведения, включая структурную схему установки, ее состав и назначение отдельных элементов;

-порядок выполнения работы;

-результаты проведенных измерений, соответствующих расчетов, снятие спектра масс;

-анализ результатов, сравнение с литературными данными, выводы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. , Васильев и приборы для анализа поверхности материалов. Киев: Наукова думка, 19с.

2. Черепин зонд. Киев: Наукова думка, 19с.

3. , Черепин методы исследования поверхности твердых тел. М.: Наука, 19с.

О Г Л А В Л Е Н И Е

1. Общие сведения 1

1.1. Особенности вторичной ионно-ионной эмиссии 1

1.2. Аппаратурное обеспечение методом МСВИ 6

2. Экспериментальная часть 9

2.1. Изучение вторично ионного масс-спектрометра МХ-7201 9

2.2. Проведение элементного анализа твердых тел методом масс-спектрометрии вторичных ионов 18

3. Правила оформления отчета 22

Библиографический список 22

Приложение 23

4. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

1.Общие правила техники безопасности в лабораториях кафедры физики имеют силу и при выполнении работ на масс-спектрометре МХ-7201.

2.Перед допуском к работе необходимо пройти инструктаж в установленном порядке с записью в соответствующем журнале.

3.Перед началом работы тщательно изучите правила эксплуатации прибора и порядок его включения.

4.Не работать на установке одному, не оставлять включенную установку без присмотра.

5.В приборе имеется опасное для жизни напряжение от 220 В до 6 кВ. Соблюдайте соответствующие правила ТБ! При регулировке ручками включенного масс-спектрометра избегайте касаться рукой металлических частей масс-спектрометра и заземленных конструкций. Работая с жидким азотом, следите, чтобы жидкий азот не попадал на открытые участки тела (лицо, руки и т. д.), это вызвать сильное обморожение. В приборе имеются нагреватели, температура которых выше 1000С, прикосновение к ним может вызвать сильный ожог.

6.О замеченных отклонениях в работе прибора сообщить преподавателю, ведущему занятие.

Приложение

Таблица распространенности изотопов некоторых химических элементов

Элемент	Масса а. е.м.	Содерж., %	Элемент	Масса а. е.м.	Содерж., %	Элемент	Масса а. е.м.	Содерж., %
Водород H	1	99.985	Аргон Ar	36	0.337	Медь Cu	63	69.2
2	0.0148	38	0.063	65	30.8
Гелий He	3	0.000138	40	99.6	Цинк Zn	64	48.6
4	99.999862	Калий K	39	93.258	66	27.9
Литий Li	6	7.52	40	0.0117	67	4.1
7	92.48	41	6.73	68	18.8
Бериллий Be	9	100	Кальций Ca	40	96.94	70	0.62
42	0.647	Галлий Ga	69	60.1
Бор B	10	19.8	43	0.135	71	39.9
11	80.2	44	2.09	Германий Ge	70	20.5
Углерод C	12	98.89	46	0.0035	72	27.4
13	1.11	48	0.187	73	7.8
Азот N	14	99.63	Скандий Sc	45	100	74	36.5
15	0.366	Титан Ti	46	8.2	76	7.8
Кислород O	16	99.76	47	7.4	Мышьяк As	75	100
17	0.038	48	73.7	Селен Se	74	0.87
18	0.202	49	5.4	76	9
Фтор F	19	100	50	5.2	77	7.6
Неон Ne	20	90.51	Ванадий V	50	0.25	78	23.5
21	0.27	51	99.75	80	49.6
22	9.22	Хром Cr	50	4.35	82	9.2
Натрий Na	23	100	52	83.79	Бром Br	79	50.69
Магний Mg	24	78.99	53	9.5	81	49.31
25	10	54	2.36	Криптон Kr	78	0.356
26	11.01	Марганец Mn	55	100	80	2.27
Алюминий Al	27	100	Железо Fe	54	5.8	82	11.6
Кремний Si	28	92.23	56	91.72	83	11.5
29	4.67	57	2.2	84	57
30	3.1	58	0.28	86	17.3
Сера S	32	95.02	Кобальт Co	59	100	Рубидий Rb	85	72.17
33	0.75	Никель Ni	58	68.27	87	27.83
34	4.21	60	26.1	Стронций Sr	84	0.56
Хлор Cl	35	75.77	61	1.13	86	9.8
37	24.23	62	3.59	87	7
			64	0.91	88	82.6

Элемент	Масса а. е.м.	Содерж., %	Элемент	Масса а. е.м.	Содерж., %	Элемент	Масса а. е.м.	Содерж., %
Иттрий Y	89	100	Олово Sn	112	1.01	Церий Ce	136	0.19
Цирконий Zr	90	51.5		114	0.67	138	0.254
91	11.2	115		0.38	140	88.5
92	17.1	116		14.8	142	11.08
94	17.4	117		7.75	Празеодим Pr	141	100
96	2.8	118		24.3	Неодим Nd	142	27.2
Ниобий Nb	93	100		119	8.6	143	12.2
Молибден Mo	92	14.8		120	32.4	144	23.8
94	9.3	122		4.56	145	8.3
95	15.9	124		5.64	146	17.2
96	16.7	Сурьма Sb	121	57.3	148	5.76
97	3.6	123	42.7	150	5.64
98	24.1	Теллур Te	120	0.091
100	9.6	122	2.5
Рутений Ru	96	5.5	123	0.89
98	1.86	124	4.6
99	12.7	125	7
100	12.6	126	18.7
101	17	128	31.7
102	31.6	130	34.5
104	18.7	Йод I	127	100
Родий Rh	103	100	Ксенон Xe	124	0.096
Палладий Pd	102	1	126	0.09
104	11	128	1.92
105	22.2	129	26.4
106	27.3	130	4.1
108	26.7	131	21.2
110	11.8	132	26.9
Серебро Ag	107	51.83	134	10.4
109	48.17	136	8.9
Кадмий Cd	106	1.25	Цезий Cs	133	100
108	0.89	Барий Ba	130	0.106
110	12.5	132	0.101
111	12.8	134	2.417
112	24.1	135	6.592
113	12.2	136	7.854
114	28.7	137	11.23
116	7.5	138	71.7
Индий In	113	4.3	Лантан La	138	0.089
115	95.7	139	99.911

Аргон Ar	36	0.337
38	0.063
40	99.6
Калий K	39	93.258
40	0.0117
41	6.73
Кальций Ca	40	96.94
42	0.647
43	0.135
44	2.09
46	0.0035
48	0.187
Скандий Sc	45	100
Титан Ti	46	8.2
47	7.4
48	73.7
49	5.4
50	5.2
Ванадий V	50	0.25
51	99.75
Хром Cr	50	4.35
52	83.79
53	9.5
54	2.36
Марганец Mn	55	100
Железо Fe	54	5.8
56	91.72
57	2.2
58	0.28
Кобальт Co	59	100
Никель Ni	58	68.27
60	26.1
61	1.13
62	3.59
64	0.91

Медь Cu	63	69.2
65	30.8
Цинк Zn	64	48.6
66	27.9
67	4.1
68	18.8
70	0.62
Галлий Ga	69	60.1
71	39.9
Германий Ge	70	20.5
72	27.4
73	7.8
74	36.5
76	7.8
Мышьяк As	75	100
Селен Se	74	0.87
76	9
77	7.6
78	23.5
80	49.6
82	9.2
Бром Br	79	50.69
81	49.31
Криптон Kr	78	0.356
80	2.27
82	11.6
83	11.5
84	57
86	17.3
Рубидий Rb	85	72.17
87	27.83
Стронций Sr	84	0.56
86	9.8
87	7
88	82.6

Иттрий Y	89	100
Цирконий Zr	90	51.5
91	11.2
92	17.1
94	17.4
96	2.8
Ниобий Nb	93	100
Молибден Mo	92	14.8
94	9.3
95	15.9
96	16.7
97	3.6
98	24.1
100	9.6
Рутений Ru	96	5.5
98	1.86
99	12.7
100	12.6
101	17
102	31.6
104	18.7
Родий Rh	103	100
Палладий Pd	102	1
104	11
105	22.2
106	27.3
108	26.7
110	11.8
Серебро Ag	107	51.83
109	48.17
Кадмий Cd	106	1.25
108	0.89
110	12.5
111	12.8
112	24.1
113	12.2
114	28.7
116	7.5
Индий In	113	4.3
115	95.7

Олово Sn	112	1.01
	114	0.67
	115	0.38
	116	14.8
	117	7.75
	118	24.3
	119	8.6
	120	32.4
	122	4.56
	124	5.64
Сурьма Sb	121	57.3
123	42.7
Теллур Te	120	0.091
122	2.5
123	0.89
124	4.6
125	7
126	18.7
128	31.7
130	34.5
Йод I	127	100
Ксенон Xe	124	0.096
126	0.09
128	1.92
129	26.4
130	4.1
131	21.2
132	26.9
134	10.4
136	8.9
Цезий Cs	133	100
Барий Ba	130	0.106
132	0.101
134	2.417
135	6.592
136	7.854
137	11.23
138	71.7
Лантан La	138	0.089
139	99.911

Церий Ce	136	0.19
138	0.254
140	88.5
142	11.08
Празеодим Pr	141	100
Неодим Nd	142	27.2
143	12.2
144	23.8
145	8.3
146	17.2
148	5.76
150	5.64