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TIMS Laboratory

Thermal ionization mass spectrometry (TIMS) at FU Berlin

Building B, room B 214

Laboratory Manager: Dr. Elis Hoffmann

Laboratory Technicien: Monika Feth

Thermal ionization mass spectrometry (TIMS) is an analytical method for high-precision measurements of isotope ratios and isotope abundances of elements that are easy to ionize. In geology, the method is mostly applied to measure the isotope abundances of radiogenic isotopes (which in nature often strongly varies) in relation to stable isotopes of the same element. Radiogenic isotopes are the decay products of long-lived radioactive isotopes (e.g., 87Rb, 147Sm or 238U). We apply this method to constrain ages of rocks and to use radiogenic isotopes as a tracer for mass transport during surface and subsurface processes.

We measure isotope ratios of elements with low ionization energy as positive ions (e.g., Sr, Nd, Pb). Some isotope ratios of elements that are not easy to ionize can also be measured using TIMS if boundary conditions are modified. Here, the many elements can be measured as negatively charged ions, e.g., BO2-, OsO3-, ReO4-, Se-, Te-.

In our TIMS lab, we measure radiogenic isotopes of Sr, Nd, and Pb. For cosmochemical applications, the variations of stable and radiogenic isotopes of Cr and Ba are also analyzed.

Moreover, in combination with the isotope dilution method we also use TIMS to determine the precise concentrations of various elements. At FU Berlin, we determine Rb, Sr, Sm, Nd, U, Pb, and Os concentrations for radiometric dating using TIMS.


If you have any questions concerning TIMS methods and applications, please contact

Dr. Elis Hoffmann or Prof. Harry Becker


During the winter term, we offer a 2-week lab course on geochronology. This is a hands-on introduction in geochemical methods on how to do element separation in a clean lab environment and how to measure isotope ratios using TIMS (see FU Berlin course catalog, J. Elis Hoffmann). This course serves  M.Sc., B.Sc. and Ph.D. students who focus in their studies on geochemistry topics.

 

Thermo Electron Triton Multikollektor-TIMS (Baujahr 2005)

 

Ausheizgerät zum Reinigen von Filamenten
(Eigenbau K. Hammerschmidt, 2005).
Im Hintergrund der verpackte Magnet des Triton

 

Ausheizgerät von oben und ohne Schutzkäfig

 

Einrichtung zum Schweißen
von Pt-Filamenten an Filamenthalter

 

FlLadebox für Re und Ta-Filamente
(Nd, Sr, Pb)

 

Ladebox für Pt-Filamente (Os)

TIMS-Prinzip:

Eine Lösung des chemisch von anderen Elementen abgetrennten Elements wird (meist in einer verdünnten Säure) auf ein hochreines Metallbändchen (Filament) aus Re, Pt oder Ta geladen und eingetrocknet. In der Ionenquelle des TIMS wird das Filament mit Hilfe eines Stroms unter Hochvakuum auf Temperaturen bis zu 2000°C (je nach Element) aufgeheizt. Dabei wird das Salz verdampft und die Atome werden ionisiert. Die Ionen werden im Vakuum mittels einer Hochspannung (meist 10 kV) beschleunigt und der Ionenstrahl mit verschiedenen Blenden in eine rechteckige Form gebracht und in einem Spalt fokussiert. Der Ionenstrahl wird durch ein starkes Magnetfeld in eine kreisförmige Bahn abgelenkt. Dabei werden leichte Ionen stärker abgelenkt als schwere Ionen. Gleichzeitig erfolgt eine Fokussierung des Ionenstrahls, so dass alle Ionen gleicher Masse in einem Austrittsspalt gebündelt werden (Richtungsfokussierung). Die Dispersion der Massen ermöglicht eine gleichzeitige Registrierung (Multikollektion) des Ionenstroms verschiedener Isotopenmassen in parallel angeordneten Faradaykäfigen (cups). Beim Triton ist die Messung des Ionenstroms von bis zu 9 Isotopen gleichzeitig möglich. Der in den cups registrierte Strom (typischerweise etwa 10-¹² bis 10-¹º A) erzeugt über hochohmige Widerstände und Verstärker eine Spannung, die aufgezeichnet wird. Die Isotopenverhältnisse ergeben sich aus den Verhältnissen der in den verschiedenen cups registrierten Ströme bzw. gemessenen Spannungen. Bei sehr geringen Ionenströme (< 10-¹³ A) erfolgt die Messung mit einem Sekundärelektronenvervielfältiger (SEV), wobei durch Veränderung der Magnetfeldstärke zwischen verschiedenen Massenpeaks gesprungen werden muss (peak hopping).

Meßgenauigkeit:

Die Meßgenauigkeit bei TIMS hängt von einer Reihe von Faktoren ab, insbesondere aber von der Reinheit des zu messenden Elements, der Signalintensität und -stabilität der Isotope, der Stabilität der Verstärker und anderer elektronischer Bauteile und von der Qualität der cups.

Die folgende Abbildung zeigt die Reproduzierbarkeit von Einzelmessungen des 143Nd/144Nd-Verhältnisses mit dem MAT 261 TIMS (Aussonderung 2011, unten) und dem modernen Triton TIMS (Anschaffung 2005, oben) im Vergleich. Die Unterschiede reflektieren sowohl den Altersunterschied der beiden Geräte, als auch eine Reihe von Verbesserungen im Triton. Die Fehlerbalken der Einzelmessungen (2σm) sind dargestellt oder kleiner als die Größe der Symbole. Die geringere Streuung von Messung zu Messung im Falle der Triton ermöglicht über längere Zeiträume externe Reproduzierbarkeiten des 143Nd/144Nd-Verhältnisses in der Größenordnung von ± 10 ppm (2σ) und besser.

 

 

Triton

 

MAT 261

 

 

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