一种适用于二次离子质谱仪分析的矿石矿物的样品靶的制备方法

摘要

本发明公开了一种适用于二次离子质谱仪分析的矿石矿物的样品靶的制备方法，采用合金材料替代了环氧树脂，制靶材料硬度适中，适合打磨和抛光，能有效的解决环氧树脂在高真空环境中“释气”、铟靶对小颗粒单矿物难以压制，难以进行打磨抛光等问题。

说明书

技术领域：

本发明涉及地质样品检测技术领域，具体涉及一种适用于二次离子质谱仪分析的矿石矿物的样品靶的制备方法。

背景技术：

矿石矿物单颗粒非常小，例如锆石，其颗粒大小一般为200目左右，在进行二次离子质谱仪(SIMS)分析之时，无法进行单颗粒操作，因此均需要将样品进行制靶。样品靶为圆柱形，其底面直径为1英寸(25.4mm)，依据测试时离子流的最佳位置，将矿石矿物放置在样品靶中心8-15mm处的位置上。在进行SIMS分析时，将样品靶放到仪器的样品托中，利用样品托边缘3mm宽的圆环片及背面的挡板将样品靶固定于样品托中。目前常规方法是在粘好单矿物的模具中浇灌环氧树脂，待完全冷却凝结后取下打磨，获得矿石矿物中心的一个平面，最后进行相关测试。该制靶技术是具有成本低，工艺较简单，样品靶机械强度高，收缩率低，性能稳定，具有良好的粘结能力等优势，是目前最广泛使用的样品靶制作方法。但因环氧树脂属于强极性树脂，对水分子具有较强的亲和性，具有一定的吸水率，是典型的吸水材料。虽不同的环氧树脂其吸水能力也不尽相同，有些产品其吸水率能达到2.0％，甚至更高。因此当将样品靶置于真空环境中时，水分子易摆脱环氧树脂的束缚，逐渐释放至样品腔中。所幸绝大部分应用中，例如锆石的U-Pb定年、微量元素分析、黄铁矿硫同位素分析等，环氧树脂“释气”对真空的破坏不足以影响以上元素的分析结果，因此均未引起重视。

假若所分析的元素对真空度要求较高(例如氧同位素，若环氧树脂强烈“释气”将会迫使实验停止)，需进行分析前将样品靶长时间放于真空储存室“释气”，而在进行特殊元素分析时，特别是与H或者O-H相关的同位素含量分析时(例如¹⁶O¹H、¹H等元素)，或者对真空度要求较高的元素分析时，环氧树脂在真空环境下所释放的水等分子，将会提高背景值，极大影响测试结果，这也迫使改变传统的制靶技术。为了解决此问题，目前较常用的方法是将矿石矿物先打磨好测试面，并将其压入铟表面，制作成1英寸的样品靶。而该方法在矿物压入之后，无法进行打磨抛光等操作，因此需要提前对矿物进行打磨，并按照一定方向压入铟中。而对于粒度非常细小的单矿物，事先难以进行打磨、抛光等操作。

对于粒度非常细小的单矿物的¹⁶O¹H、¹H等元素的分析过程中，环氧树脂“释气”也极大影响数据真实性，而采用压铟制靶时，小颗粒单矿物难以进行压制、打磨和抛光等前处理。因此亟待开发一种用于小颗粒单矿物的制靶技术，其便于浇筑成型，打磨抛光，使单矿物露出光滑测试平面，而又不会污染样品、影响样品腔真空度的样品靶制靶方法。

发明内容：

本发明的目的是提供一种适用于二次离子质谱仪分析的矿石矿物的样品靶的制备方法，采用合金材料替代了环氧树脂，同时制靶材料硬度适中，适合打磨抛光，能有效的解决环氧树脂在高真空环境中“释气”、铟靶对小颗粒单矿物难以压制，难以进行打磨抛光等问题。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种适用于二次离子质谱仪分析的矿石矿物的样品靶的制备方法，包括以下步骤：

1)将矿石矿物样品逐行固定于玻璃板中心直径为8-15mm的圆内，将直径为20-30mm的模具固定至玻璃板中心，模具与样品同心；

2)将硬度在7-25HBW、熔点在50-250℃的合金材料置于真空烘箱中加热熔融，待合金材料完全熔融后，将步骤1)得到的放有样品和模具的玻璃板转移至同一个真空烘箱中预热5-10分钟，将熔融合金材料浇筑到模具中，抽真空，加热，温度保持在合金材料的熔融温度5-10℃之上，真空环境中恒温0.5-1小时后，停止抽真空，打开放气阀，真空烘箱处于常压状态，继续恒温0.5-1小时，在真空箱中缓慢冷却至室温后，取出玻璃板，取下模具，取出浇筑的样品靶，对样品表面进行打磨抛光制得样品靶，清洗后便可装入仪器进行样品测试。

在浇筑之前，将放有样品和模具的玻璃板放加热熔融合金材料的真空烘箱中进行预热，以免合金材料遇冷迅速冷凝结晶析出。

真空烘箱在进行缓慢降温之前，需放气，温度仍需维持于合金材料的熔融温度之上，一定时间后，方可开启缓慢降温模式。

优选地，所述合金材料为巴氏合金材料，主要含锡、镉、铋、铅等元素。

所述矿石矿物包括锆石、橄榄石、磷灰石、石英、黄铁矿、金红石、磁铁矿、锡石等单矿物。

本发明的有益效果如下：

1)本发明所采用的合金材料在常温常压吸水率极低，能有效避免环氧树脂在超高真空环境中“释气”的问题。

2)利用本发明的合金材料并采用本发明方法进行浇筑时，矿物与合金材料无缝衔接，所制样品靶硬度适中，能进行打磨、抛光等操作，有效解决压铟制靶中小颗粒单矿物难以压制、打磨和抛光等问题。

总之，本发明采用合金材料替代了环氧树脂，能有效的避免环氧树脂在高真空环境中“释气”的问题；且制靶材料硬度适中，适合打磨抛光；能有效的解决铟靶对小颗粒单矿物难以压制，难以进行打磨抛光等问题。

附图说明：

图1是本发明利用合金材料1浇筑后得到的样品靶整体结构示意图；

图2是本发明利用合金材料1抛光后样品局部样品分布图。

图3是本发明利用合金材料5浇筑后得到的样品靶整体结构示意图；

图4是本发明利用合金材料5抛光后样品局部样品分布图。

具体实施方式：

以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例对合金材料的硬度测试是采用Wilson BH3000A型电子布氏硬度计测量式样横截面的硬度，其中硬质合金球直径为5mm，载荷为62.5kg，压入后保持30s，实施例中的5种合金材料具体参数表1所示。

表1 5种合金材料的相关理化性质

主要成分固相点(℃)硬度(HBW)合金材料1锡、铅、铋707.92合金材料2锡、铋13817.51合金材料3铋、镉、铅509.11合金材料4铋、镉、铅8010.66合金材料5铋、镉9010.17

实施例1：

本实施例中，选择锆石标样：Qinghu、Penglai和Plesovices作为制靶样品，选择使用表1中的巴氏合金材料1作为浇筑材料，图1展示了整个制作后的整个靶面。从图2可以看出打磨抛光后，可以得到一个非常平整的锆石颗粒平面。

具体操作步骤如下：

将双面胶粘贴在玻璃板上圈定的直径为10mm的圆范围内，将锆石标样逐行平放粘至于双面胶上，并对相对位置进行记录。待样品放置完成后，将内径为25mm的PVC浇筑模具粘至玻璃板中心，使模具与样品同心，轻轻压实，使模具与双面胶之间无缝连接。切取约30g巴氏合金材料1，置于加热杯中，放于真空烘箱中加热熔融，待合金材料完全熔融后，将放置样品和模具的玻璃板转移至同一个真空烘箱中预热5分钟，将熔融合金材料浇筑到模具中，打开真空泵抽真空，真空加热，温度保持在合金材料的熔融温度10℃之上，真空环境中恒温0.5小时后，关闭真空泵，打开放气阀，使真空箱处于常压状态，继续加热恒温0.5小时后，启动缓慢降温程序，在真空箱中缓慢冷却至室温时，将玻璃板取出，并从玻璃板上取下模具，取出浇筑的金属样品靶。观察样品靶是否成功浇筑，否则需要提高合金材料熔融、浇筑、真空静置及缓慢降温冷却的时间。最终将样品靶打磨、抛光并清洗后，便可上机测试。实验结果表明，当将树脂靶放入样品腔中，发现样品腔中真空度降低1个数量级，随着时间的推移，也无法抽至放样品前真空水平，而放入新方法制备的样品靶，样品腔真空度几乎没有变化。

实施例2：

本实施例中，选择锆石标样：Qinghu、Penglai、Plesovices、ZG1、ZG2、ZG3、ZG4和ZG5作为制靶样品，选择使用表2中巴氏合金材料5作为浇筑材料，图3展示了整个制作后的整个靶面。从图4可以看出打磨抛光后，可以得到一个非常平整的锆石颗粒平面。

具体操作步骤如下：

将双面胶粘贴在玻璃板上圈定的直径为10mm的圆范围内，将锆石标样逐行平放粘至于双面胶上并对相对位置进行记录。待样品放置完成后，将内径为25mm的PVC浇筑模具粘至玻璃板中心，使模具与样品同心，轻轻压实，使模具与双面胶之间无缝连接。切取约30g巴氏合金材料5，置于加热杯中，放于真空烘箱中加热熔融，待合金材料完全熔融后，将放置样品和模具的的玻璃板转移至同一个真空烘箱中预热5分钟，将熔融合金材料浇筑到模具中，打开真空泵抽真空，真空加热，温度保持在合金材料的熔融温度10℃之上，真空环境中恒温0.5小时后，关闭真空泵，打开放气阀，使真空箱处于常压状态，继续加热恒温0.5小时后，启动缓慢降温程序，在真空箱中缓慢冷却至室温时，将玻璃板取出，并从玻璃板上取下模具，取出浇筑的金属样品靶。观察样品靶已成功浇筑。将样品靶打磨、抛光并清洗后，置于干燥箱中储存。

实施例3：

参考实施例1，不同之处在于巴氏合金材料选用表2中巴氏合金材料2-4中的任一种。