3.1.2 – Separação de massas

O objectivo principal do analisador de massa, é a separação dos iões de acordo com as suas massas mas também actua como lente ao focar o feixe iónico no detector.

Quando um ião de massa m e carga e é sujeito a uma diferença de potencial V adquire uma quantidade de energia E igual a

2 2 1 v m V e E? ? (3.2)

onde v representa a velocidade; assim todos os iões que têm a mesma carga saem da fonte com a mesma energia cinética, pois são acelerados pela mesma diferença de potencial. No entanto os iões de diferentes massas apresentam diferentes velocidades, iguais a:

m e V 2

Quando o feixe de iões é sujeito a um campo magnético de intensidade H e de direcção perpendicular à do feixe iónico, é deflectido segundo uma curvatura de raio r (figura 3.3) segundo a seguinte condição:

r v m v e H 2 ? (3.4)

Pela combinação das equações anteriores obtém-se a relação entre o grau de deflecção de um ião, o potencial de aceleração e a intensidade do campo magnético.

2 2 H V 2 e m r ? (3.5)

Figura 3.3: Acção força de deflecção F, sobre um feixe de iões positivos da causada pela acção do campo magnético H. Se o campo magnético for suficientemente forte e homogéneo, o feixe iónico descreve uma trajectória circular, (modificado de POTTS,1995).

A equação 3.5 mostra que, tanto o potencial de aceleração como a intensidade do campo magnético podem ser ajustados para que um dado ião de massa m e carga e tenha uma trajectória pré-definida de raio r. Também se conclui que o raio da trajectória de um ião é directamente proporcional à sua massa, logo os iões de maior massa são menos deflectidos (maior r) do que os iões mais leves. Na figura 3.4 está esquematizado o modo como as diferentes massas, de um dado elemento, são separadas. Os colectores móveis são posicionados de acordo com as trajectórias do feixe de iões, dos quais os do lado esquerdo

H

(de acordo com a figura 3.4) medem os feixes dos iões mais leves, ou seja, as trajectórias de menor raio, e os colectores do lado direito medem os iões de maior massa.

Figura 3.4: Esquema geral da separação de massas, o feixe iónico ao sofrer a acção do campo magnético é separado de acordo com as diferentes massas (m) que são detectadas nos diferentes colectores (L2, L1, Ax, H1 a H4), m1 < mn; (modificado de VG Isotech-Micromass)

Nos espectrómetros de massa de termo- ionização actualmente comercializados, e usados em geoquímica, o raio da trajectória é fixo e definido pela estrutura do equipamento (figura 3.5) e o potencial de aceleração é constante (cerca de 8kV); assim a selecção da massa a analisar, é feita pela definição prévia da intensidade do campo magnético.

Figura 3.5: Esquema da geometria do analisador de massa; o feixe entra no campo magnético com um ângulo de 26,5º e tanto a fonte como os colectores distam do magnete do dobro da distância do raio da trajectória do feixe. (modificado de VG Isotech-Micromass)

L2 L 1 A x H 1 H 2 H 3 H 4 m1 mn

As relações anteriores são válidas se a trajectória do feixe iónico for realizada em condições de alto vácuo, pois as colisões entre os iões e as moléculas de gás provocam a perda de energia cinética dos iões levando à dispersão do feixe. De forma a reduzir a possibilidade de colisão, os equipamentos operam em condições de vácuo de pelo menos

10-8 mbar; acima deste valor a dispersão do feixe torna-se significativa causando a

formação de “caudas” no sinal dos isótopos de maior intensidade, que poderão interferir no sinal do isótopo de massa adjacente. A interferência de um sinal, de um determinado isótopo, de elevada intensidade sobre um de menor sinal correspondente à massa inferior em 1 unidade de massa atómica (u.m.a.) denomina-se por sensibilidade do instrumento (esta grandeza é medida em ppm do tamanho do pico). A sensibilidade é uma medida da resolução do equipamento e é expressa em termos do coeficiente de sobreposição da “cauda” de um pico sobre o pico adjacente. Note-se que a definição genérica de resolução corresponde à capacidade do equipamento de distinguir dois sinais adjacentes de igual

intens idade (POTTS, 1995). Em leituras de sinais que distam uma u.m.a. do 238U, a

sensibilidade, segundo as especificações do fornecedor de equipamentos Micromass,

deverá ser de 2ppm em condições de pressão inferior a 2?10-9 mbar.

3.1.3- Detectores

A generalidade dos TIMS comerciais possui dois tipos de colectores, os Faraday de uso genérico e os detectores Daly, ou contadores de iões, utilizados em amostras que requerem uma grande sensibilidade por parte do equipamento.

Normalmente a intensidade do sinal dos feixes iónicos, em espectrómetros de massa

de fonte sólida, possuem uma amplitude de 10-13 a 10-10 A; neste intervalo o tipo de

colector mais utilizado é o detector Faraday. Quando o feixe iónico chega ao colector é neutralizado por electrões provenientes da ligação deste à terra através de uma resistência

de cerca de 1011 ohm, a corrente iónica é determinada pela medida da diferença de

potencial na resistência (resistor). Assim um feixe iónico típico de 10-11 A gera um

Para feixes de intensidades inferiores a 10-13 A, o ruído eléctrico do detector Faraday torna-se significativo em relação à amplitude do feixe. Nestas circunstâncias utiliza-se um outro tipo de detector que possibilita a multiplicação do sinal - colector Daly, que é

unicamente utilizado para medições de feixes de iões positivos (DICKIN,1997). Este detector

é utilizado em medições de isótopos pouco abundantes (como o 204Pb cuja abundância é de

1,37%) ou no início das análises para identificar ou localizar o feixe iónico, quando o filamento ainda está a uma baixa temperatura. O feixe iónico ao chegar a este detector é acelerado por um potencial negativo (cerca de 20kV) e colide com uma superfície polida provocando a libertação de um feixe de electrões secundários (em média libertam-se 6 electrões secundários por cada ião), estes embatem numa placa fosforescente – cintilador,

libertando um pulso luminoso (? 200 fotões por electrão), que é amplificado por um

3.2

-M

Na maioria das situações, a variação das razões isotópicas em materiais naturais é muito baixa, como é o caso das determinações das razões isotópicas de Nd, onde é necessário uma precisão na quinta casa decimal para se conseguir diferenciar as diferentes amostras. Estas pequenas variações além de necessitarem de equipamentos de alta resolução, exigem um apertado controlo sobre possíveis fontes de contaminação, de interferência e de técnicas analíticas que permitam controlar e contabilizar os erros de análise.