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Dr. Axel Renno
Group Leader Ion Beam Analysis 
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Super-SIMS

Super-SIMS (SIMS = Sekundärionenmassenspektrometrie) oder auch Beschleuniger-SIMS oder Trace Element AMS (TREAMS) genannt -  ist eine ultrasensitive analytische Methode zur Bestimmung von stabilen Elementen und Isotopen.


Am Ionenstrahlzentrum des HZDR wird zur Zeit ein Super-SIMS-Gerät entwickelt, bei der eine konventionelle SIMS-Quelle (Cameca IMS 6f, vormals Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ) mit einem 6 MV Tandembeschleuniger gekoppelt wird. Ein vergleichbarer Aufbau existiert bisher an der ETH Zürich.

 
Super-SIMS am IBC

Durch die Beschleunigung der aus der Probe extrahierten Ionen auf MeV-Energien und die Umladung von negativen auf positive Ionen, erreicht die Super-SIMS um 2-3 Größenordnungen niedrigere Nachweisgrenzen (10-12 bzw. ppt, Analyt- und Matrix-abhängig) als die klassische SIMS.

Die Super-SIMS wird ein Teil eines geplanten HGF-SIMS-Netzwerkes namens SIGMA sein. Weitere Partner sind das Helmholtz Zentrum für Umweltforschung in Leipzig (NanoSIMS & TOF-SIMS im Aufbau) und das GFZ Potsdam (High-resolution 1280-HR SIMS im Aufbau).


Angestrebte Messparameter:

  • Detektierbare Elemente:
    prinzipiell alle außer Edelgase
  • Laterale Auflösung:
    • 10 - 20 µm
    • 3 µm (minimal)
  • Scanfläche: < einige mm2  
  • Nachweisgrenzen: 10-9 -10-12 (ppb - ppt)
  • Analysiertiefe (max.): einige hundert µm
  • Tiefenauflösung: ~ 5 nm

Einschränkungen:

  • nur feste und vakuumstabile Probe
  • nicht zerstörungsfrei
  • nicht standardfrei
 

Labor

Sie erreichen das SIMS-Labor unter folgenden Telefonnummern:

Messraum: +49-351-260-3590

Vorbereitungsraum: +49-351-260-3591

Super-SIMS-Quelle
Cäsiumquelle SIMS.

Funktionsweise

In einer Sputterquelle wird ein Cs+-Strahl auf die möglichst glatte Probenoberfläche fokussiert. Die herausgeschlagenen negativen Ionen (Elemente- oder Moleküle) mit Energie im keV-Bereich werden elektrostatisch und magnetisch separiert, was zu einer Massenauflösung (m/Δm) von etwa 5000 führt. Eine erste Isobarenunterdrückung erfolgt schon hier in der Ionenquelle, wenn diese keine negativen Ionen bilden (z.B. keine Bildung von Mg- bei Al-Bestimmungen).

Super-SIMS-Quelle
Super-SIMS-Quelle (noch am GFZ).

Die Ionen mit der gewünschten Energie, Masse und Ladung werden in den 6 MV Tandembeschleuniger eingeschossen und zum positiv geladenen Hochspannungsterminal beschleunigt. Die negativen Ionen durchfliegen dort einen mit Argongas gefüllten Bereich, wobei sie Hüllenelektronen verlieren. Noch existierende Molekülionen werden hierbei zerstört. Die nun mehrfach positiv geladenen Ionen (z.B. Al3+) werden ein zweites Mal, in Richtung des auf Erdpotential liegenden Endes des Tandems, beschleunigt.

6 MV Beschleuniger

6 MV Tandembeschleuniger.

Auf der sog. Hochenergieseite werden die Ionen nochmalig magnetisch und elektrostatisch separiert und final mittels Faraday-Cups (Hauptelemente) bzw. Gasionisationsdetektoren (Spurenelemente) detektiert.

Detektor
Gasionisationsdetektor.

Für weiterführende Informationen, kontaktieren Sie bitte Axel Renno oder Silke Merchel.


News

August 2013 - "Grundstein"-Legung des Super-SIMS Haus-in-Haus

Grundstein Super-SIMS Haus-in-Haus

Pressemitteilung vom 09.05.2012: Tonnenschwere Geräte für Nanogramm

 

Das Sekundärionenmassenspektrometer (SIMS) des Deutschen GeoForschungsZentrums GFZ zieht von Potsdam nach Dresden um.


Weiterführende Literatur

A. Wallner, K. Melber, S. Merchel, U. Ott, O. Forstner, R. Golser, W. Kutschera, A. Priller, P. Steier, Stable Platinum Isotope Measurements in Presolar Nanodiamonds by TEAMS, Nucl. Instr.Meth. Phys. Res. B 294 (2013) 496-502.
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S. Matteson, Issues and opportunities in accelerator mass spectrometry for stable isotopes, Mass Spectrometry Reviews 27 (2008) 470-484.
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E. J. von Wartburg, Messung von Isotopenverhältnissen stabiler Spurenelemente mit Beschleuniger-Sekundärionen-Massenspektrometrie, Dissertation, ETH Zürich (2007).
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C. Maden, The Potential of Accelerator Secondary Ion Mass Spectrometry in Environmental Sciences, Dissertation, ETH Zürich (2003).
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S. Merchel, U. Ott, S. Herrmann, B. Spettel, T. Faestermann, K. Knie, G. Korschinek, G. Rugel, A. Wallner, Presolar nanodiamonds: faster, cleaner, and limits on Platinum-HL, Geochim. Cosmochim. Acta 67 (2003), 4949-4960.
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F. D. McDaniel, Trace Element Accelerator Mass Spectrometry. Characterization of Materials (2002).
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R.M. Ender, Analyse von Spurenelementen mit Beschleuniger-Sekundärionen-Massenspektrometrie, Dissertation, ETH Zürich (1997).
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S. Massonet, Ch. Faude, E. Nolte, S. Xu, ACCELERATOR MASS SPECTROMETRY WITH STABLE ISOTOPES AND PRIMORDIAL RADIONUCLIDES FOR MATERIAL ANALYSIS AND BACKGROUND DETECTION, 14th Conference on Applications of Accelerators in Research and Industry, CAARI '96, Denton, Texas (1996).

F .D. McDaniel, Development of sample charge compensation for the University of North Texas Accelerator Mass Spectrometry facility for characterization of impurities in semiconductor materials, Final Progress Report, ONR Grant No. N00014-90-J-1691 (1994).

F. D. McDaniel, S. Matteson, J. M. Anthony, D. L. Weathers, J. L. Duggan, D. K. Marble, I. Hassan, Z. Y. Zhao, A. M. Arrale, Y. D. Kim, Trace element analysis by accelerator mass spectrometry, J. Radioanal. Nucl. Chem. 167 (1993) 423-432.
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F. D. McDaniel, S. Matteson, D. L. Weathers, J. L. Duggan, D. K. Marble, I. Hassan, Z. Y. Zhao, J. M. Anthony, Radionuclide dating and trace element analysis by accelerator mass spectrometry, J. Radioanal. Nucl. Chem. 60 (1992) 119-140.
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J. M. Anthony, D. J. Donahue, A. J. T. Jull, Super Sims for Ultrasensitive Impurity Analysis, MRS Proceedings 69 (1986) 311-316.
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Links

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