Термическая ионизация - Thermal ionization

Термическая ионизация , также известная как поверхностная ионизация или контактная ионизация , представляет собой физический процесс, при котором атомы десорбируются с горячей поверхности и в процессе ионизируются.

Термическая ионизация используется для создания простых источников ионов , для масс-спектрометрии и для генерации ионных пучков . Термическая ионизация широко используется для определения атомного веса, а также используется во многих геологических / ядерных приложениях.

Физика

Эффект поверхностной ионизации в испаренном атоме цезия при 1500 K, рассчитанный с использованием большого канонического ансамбля . Ось Y: среднее количество электронов на атоме; атом нейтрален, когда в нем 55 электронов. Ось X: переменная энергии (равная работе выхода поверхности ), зависящая от химического потенциала электронов μ и электростатического потенциала ϕ .

Вероятность ионизации является функцией температуры нити, то работа подложки нити и энергия ионизации из элемента .

Это резюмируется в уравнении Саха-Ленгмюра :

${\ displaystyle {\ frac {n _ {+}} {n_ {0}}} = {\ frac {g _ {+}} {g_ {0}}} \ exp {\ Bigg (} {\ frac {W- \ Дельта E_ {I}} {kT}} {\ Bigg)}}$

где

${\ displaystyle {\ frac {n _ {+}} {n_ {0}}}}$ = отношение числовой плотности ионов к нейтральной числовой плотности

${\ displaystyle {\ frac {g _ {+}} {g_ {0}}}}$ = соотношение статистических весов (вырождения) ионного (g_ +) и нейтрального (g_0) состояний

${\ displaystyle e}$= заряд электрона

${\ displaystyle W}$= работа выхода поверхности

${\ displaystyle \ Delta E_ {I}}$= энергия ионизации десорбированного элемента

${\ displaystyle k}$= Постоянная Больцмана

${\ displaystyle T}$ = температура поверхности

Отрицательная ионизация может также происходить для элементов с большим сродством к электрону по отношению к поверхности с низкой работой выхода. ${\ displaystyle \ Delta E_ {A}}$

Термическая ионизационная масс-спектрометрия

Одно из применений термической ионизации - это масс-спектрометрия с термической ионизацией (TIMS). В масс-спектрометрии с термической ионизацией химически очищенный материал помещают на нить накала, которая затем нагревается до высоких температур, чтобы вызвать ионизацию части материала, поскольку он термически десорбируется (выпаривается) из горячей нити. Нити обычно представляют собой плоские куски металла шириной 1-2 мм и толщиной 0,1 мм, изогнутые в перевернутую U-образную форму и прикрепленные к двум контактам, по которым подается ток.

Этот метод широко используется в радиометрическом датировании , когда образец ионизируется в вакууме. Ионы, образующиеся в нити накала, фокусируются в ионный пучок, а затем проходят через магнитное поле, чтобы разделить их по массе. Затем можно измерить относительное содержание различных изотопов, что дает изотопные отношения.

Когда эти соотношения изотопов измеряются с помощью TIMS, происходит массовое фракционирование, поскольку частицы выделяются горячей нитью накала. Фракционирование происходит из-за возбуждения образца и, следовательно, должно корректироваться для точного измерения изотопного отношения.

Есть несколько преимуществ метода TIMS. Он имеет простую конструкцию, дешевле, чем другие масс-спектрометры, и обеспечивает стабильную эмиссию ионов. Он требует стабильного источника питания и подходит для веществ с низкой энергией ионизации, таких как стронций и свинец .

Недостатки этого метода связаны с максимальной температурой, достигаемой при термической ионизации. Горячая нить накала достигает температуры менее 2500 ° C, что приводит к неспособности создавать атомарные ионы частиц с высокой энергией ионизации, таких как осмий и вольфрам . Хотя в этом случае метод TIMS может создавать молекулярные ионы, частицы с высокой энергией ионизации можно более эффективно анализировать с помощью MC-ICP-MS .

Смотрите также

• Детектор Ленгмюра-Тейлора
• Ирвинг Ленгмюр
• Мегнад Саха

Рекомендации