Purity control of metals and of their alloys used in solid state physics by spark source mass spectrometry

Summary The investigation of the dynamics of particle populations in solids is an important field of research in solid state physics. For these studies well characterized samples, especially with respect to their impurity contents, are needed. Spark source mass spectrometry is an ideal tool to perform the required analysis. It is demonstrated with the help of typical examples like aluminium, niobium and a rare earth-aluminium compound that spark source mass spectrometry fulfills the requirements of the purity control for a very wide range of substances.

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Reinheitskontrolle von Metallen und ihren Legierungen für die Festkörperphysik durch Funken-Massenspektrometrie

Zusammenfassung Die Untersuchung der Dynamik von Teilchen in Festkörpern ist ein wichtiges Arbeitsgebiet der Festkörperphysik. Hierzu sind Proben erforderlich, die hinsichtlich ihrer Restverunreinigungen gut charakterisiert sind. Zur Analyse solcher Proben ist die Funken-Massenspektrometrie besonders geeignet.An den Beispielen Aluminium, Niob und einer Seltene Erd-Aluminiumverbindung wird gezeigt, daß die Funken-Massenspektrometrie die Forderungen der Reinheitskontrolle an so unterschiedlichen Substanzen voll erfüllen kann.

     

Element analysis without standards in spark source mass spectrometry with low voltage vacuum arc discharge and automatic photoplate evaluation

Summary With a system for automatic evaluation of photographic plates in spark source mass spectrometry, the complete information on the photographic plate is used for the concentration procedure, i.e. all isotopes of singly and multiply charged ions contribute to the analytical results. Experiments show that the ion intensities of elements in their various ionization states lie on parabolas. The position of the parabola of impurity elements within a matrix depends mainly on that matrix and shows a characteristic relation to the analytical result.Systematic investigations lead to a significant parameter, the mean charge number Z _i , which forms a common link between the very different parabola positions of all elements within a matrix. This knowledge is the basis of a new evaluation procedure which, without using a calibration standard, leads to an essential improvement of the analytical result. Experiments in practical analysis in the analytical service of the central department demonstrate that this method, applied to many different matrices, shows a maximum deviation from the certificate value by a factor of 2 (in many cases <1.5).Determinations of the major components of alloys yield accuracies between 10 and 20% (deviations of the analytical result from the certificate value). For the relative standard deviation of the analysis results an upper limit of 15 % was reached.

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Leitprobenfreie Elementanalyse in der Funken-Massenspektrometrie mit Vakuumbogen und automatischer Photoplattenauswertung

Zusammenfassung Mit Hilfe einer automatischen Photoplattenauswertung für die Funken-Massenspektrometrie wird der gesamte Informationsgehalt der Photoplatte für die Konzentrationsbestimmung herangezogen. Experimentelle Untersuchungen zeigen, daß die-Intensitäten der Ionen eines Elements als Funktion der Ladung auf Parabeln liegen. Die Lage der Parabeln aller enthaltenen Elemente wird vom Matrixelement bestimmt und beeinflußt charakteristisch das Analysenergebnis.Systematische Untersuchungen führten zu einer neuen Kenngröße, dem gewichteten Ladungsschwerpunkt Z _i , der ein gemeinsames Bindeglied zwischen den sehr unterschiedlichen Parabellagen aller enthaltenen Elemente innerhalb einer Matrix darstellt. Diese Erkenntnis bildet die Grundlage eines Auswerteverfahrens, das ohne Verwendung von Eichstandards zu einer wesentlichen Verbesserung des Analyseergebnisses führt. Die experimentelle Überprüfung dieser Methode an sehr unterschiedlichen Matrices innerhalb des Routineeinsatzes über 4 Jahre im Analysendienst der Zentralabteilung für Chemische Analysen zeigt Abweichungen des Analysewertes vom Sollwert bis maximal zum Faktor 2. Dieses Ergebnis wurde für eine Niedervolt-Vakuumbogenentladung erzielt.Bei der Bestimmung der Hauptbestandteile von Legierungen wurden Richtigkeiten zwischen 10 und 20% erzielt (Abweichungen der Ergebnisse von den zertifizierten Werten). Die relative Standardabweichung beträgt bis zu 15%.

     

Part IV. Review and evaluation of spark source mass spectrometry as an analytical method

Summary The analytical features and most important fields of application of spark source mass spectrometry are described with respect to the trace analysis of highpurity materials and the multielement analysis of technical alloys, geochemical and cosmochemical, biological and radioactive materials, as well as in environmental analysis. Comparisons are made to other analytical methods. The distribution of the method as well as opportunities for contract analysis are indicated and developmental tendencies discussed.

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Überblick und Bewertung der Funken-Massenspektrometrie als Analysenmethode

Zusammenfassung Die Analyseneigenschaften und wichtigsten Einsatzgebiete der Funken-Massenspektrometrie zur Spurenanalyse an hochreinen Materialien und zur Multielementanalyse an technischen Legierungen, geo- und kosmochemischen, biologischen und radioaktiven Materialien sowie in der Umweltanalytik werden beschrieben. Vergleiche zu anderen Analysenverfahren werden gegeben. Die Verbreitung der Methode sowie Möglichkeiten der Auftragsanalytik werden angegeben und Entwicklungstendenzen diskutiert.

     

Total analysis of plant material and biological tissue by spark source mass spectrometry

Summary Analysis of biological material by spark source mass spectrometry is reported. Preliminary studies mainly based upon the analysis of the NBS standard reference material SRM-1571 (Orchard Leaves) are described. Attention is drawn to the importance of a suitable sample preparation method. The advantages of a wet digestion technique in a Teflon bomb are discussed and its use is justified by the satisfactory overall analysis precision of about 20%.

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Gesamtanalyse von Pflanzenmaterial und biologischem Gewebe mittels Funken-Massenspektrometrie

Zusammenfassung Die Analyse von biologischem Material mit der Funken-Massenspektrometrie wird beschrieben. Erste Untersuchungen basieren auf der Analyse der NBS-Standardprobe Orchard Leaves (NBS SRM-1571). Die Wichtigkeit einer geeigneten Probenvorbereitung wird betont. Die Vorteile der Naßaufschlußtechnik in einer Teflonbombe werden diskutiert und ihr Einsatz durch die gute Gesamtreproduzierbarkeit von etwa 20% gerechtfertigt.

     

Determination of oxygen in gallium using spark-source mass spectrometry

Summary Spark-source mass spectrometry was used for the determination of oxygen in gallium. Specially formed electrodes made of oxygen standard in gold matrix provided the possibility of baking the source together with the sample and obtaining a reliable comparison of line blackenings for the evaluation of results. The method was used for the detection of oxygen in gallium in the range of 8 to 200 ppmw.

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Bestimmung von Sauerstoff in Gallium mit der Funken-Massenspektrometrie

Zusammenfassung Die Funken-Massenspektrometrie ist für die Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Gallium eingesetzt worden. Mit speziell geformten Elektroden aus Gold mit bekannten Anteilen an Sauerstoff war es möglich, die Ionenquelle zusammen mit der Probe auszuheizen und über einen zuverlässigen Vergleich der Linienschwärzungen den Sauerstoffanteil der Probe zu erhalten. Diese Methode wurde eingesetzt, um Sauerstoffgehalte in Gallium zwischen 8 und 200 ppmw zu bestimmen.

     

Use of spark source mass spectrometry for the analysis of copper cathodes

Summary More than 50% of the copper production is used as electrorefined material of high electrical conductivity in the field of electrical engineering. A lot of the normal copper impurities has a decreasing influence on the electrical conductivity so that an electrorefining process is necessary. The use of Periodic Current Reversal (PCR) leads to higher practical current densities producing cathodes of good quality. Some laboratory tests were made by the switching cycles. The contents of the impurities of the cathodes produced were analyzed by SSMS. Using a standard sample 4 photoplates were exposed and a sensitivity factor was determined for each element. Then the cathodes produced by the PCR-electrorefining process were analyzed. The analytical data were corrected by the sensitivity factors.

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Einsatz der Funkenmassenspektrometrie bei der Analyse von Kupferkathoden

Zusammenfassung Mehr als 50% der Weltkupferproduktion wird als elektroraffiniertes Cu in der Elektroindustrie eingesetzt. In beträchtlicher Weise beeinflussen Anzahl und Gehalt der Verunreinigungselemente die elektrische Leitfähigkeit. Ihre Entfernung erfolgt durch Raffinationselektrolyse; eine Elektrolyse mit periodischer Stromumkehr erlaubt höhere Stromdichten bei gleich guter physikalischer Qualität. Einige Untersuchungen wurden unter Anwendung der reversiblen Stromumkehr mit unterschiedlichen Stromdichten und Umschaltzeiten an Cu-Kathoden vorgenommen und deren Verunreinigungsgehalte mittels Funkenmassenspektrometrie bestimmt. Unter Verwendung eines Standards wurden 4 Photoplatten exponiert, und für jedes Element wurde ein Empfindlichkeitsfaktor ermittelt. Danach wurden die mittels Stromumkehrraffinationselektrolyse hergestellten Cu-Proben untersucht. Die Konzentrationswerte wurden mit Hilfe der Empfindlichkeitsfaktoren korrigiert.

     

Spark source mass spectrometry of silicon for solar cells

Summary Spark source mass spectrometry (SSMS) is used to analyze metallurgical grade silicon powder which has been submitted to different purification steps. The principal advantage of this method in comparison to other analytical methods is the broad range of impurity elements detected simultaneously in each analysis. The silicon powder is mixed with gallium in a weight-ratio of 51 and pressed in a moulding die to solid rods. Detection limits are in the range of 0.02–1 ppma with the exception of some few elements contained in the gallium or introduced during sample preparation. By using self-prepared standards relative sensitivity factors for 35 impurity elements have been determined to enhance the accuracy of the results. Concentration values for most elements are expected to be accurate within a factor of 2. As an example the results of SSMS-measurements referring to one special purification step (acid-treatment) are shown.This paper was originally presented at the 1980 Spring Meeting of The Electrochemical Society, held in St. Louis, Missouri     

Computer aided mathematical analysis of interferences in spark source mass spectrometry spectra

Summary When analysing sulphide ores by spark source mass spectrometry different interferences on some mass-to-charge ratios, such as 60–62 (Ni) and 193–197 (Ir,Pt,Au), have been observed. These lines should be used in the estimation of element concentrations. Our program (SM13) gives hints to possible molecular ions derived from the matrix of the sample by using the theory of combination.The validity of this theory was checked by analysing the ASK III standard [3] and mixtures of sulphides and oxides. The formation of interfering molecular ions such as SiS⁺ and AgFeS⁺ was checked.

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Computergestützte mathematische Auswertung von Interferenzen in Funken-Massenspektren

Zusammenfassung Bei der Analyse sulfidischer Erze wurden in der Funken-Massenspektrometrie für die Masse-zu-Ladungs-Verhältnisse 60–62 (Ni) sowie 193–197 (Ir,Pt,Au), die für die Elementbestimmungen verwendet werden sollten, Interferenzen beobachtet. Hierzu wurden mit Hilfe eines Auswertungsprogramms (SM13) durch mathematische Kombinatorik Hinweise auf Interferenzen durch mögliche Molekülionen aus der Matrixzusammensetzung abgeleitet.Die Anwendbarkeit des mathematischen Modells wurde am ASK III Standard [3] sowie an Mischungen von Sulfiden und Oxiden erprobt. Die Bildung der interferierenden Molekülionen des Typs SiS⁺ und AgFeS⁺ konnte nachgewiesen werden.

     

Part I. Principles of spark source mass spectrometry (SSMS)

Summary A general survey of spark source mass spectrometry is given, comprising apparatus (ion source, analyzer, ion detector, spectral information), working techniques (sample preparation, evaluation methods) and a brief outline of application possibilities.

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Prinzipien der Funken-Massenspektrometrie

Zusammenfassung Ein grundlegender Überblick über die Funken-Massenspektrometrie wird gegeben, der die Apparatur (Ionenquelle, Analysator, Ionendetektor, Spektreninformation) sowie das Arbeitsverfahren (Probenvorbereitung, Auswertungsmethoden) und eine zusammenfassende Übersicht über die Anwendungsmöglichkeiten umfaßt.

     

Quantitative multielement analysis of geochemical and cosmochemical samples using spark source mass spectrometry

Summary Spark source mass spectrometry is a useful method for the chemical analysis of geochemical and cosmochemical samples. The technique is highly sensitive (limit of detection between 0.001 ppm and 0.1 ppm) and allows the simultaneous determination of about 70 major, minor and trace elements. With the help of electrical ion detection and multielement isotope dilution on solid and dissolved samples, a precision of better than ±5 % is obtained for many elements. The measured concentrations are in good agreement with literature data.

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Quantitative Multielementanalyse von geo- und kosmochemischen Proben unter Verwendung der Funken-Massenspektrometrie

Zusammenfassung Die Funken-Massenspektrometrie ist eine nützliche Methode für die chemische Analyse von geochemischen und kosmochemischen Proben. Diese Technik ist sehr empfindlich (die Nachweisgrenze liegt zwischen 0,001 ppm und 0,1 ppm) und ermöglicht die gleichzeitige Bestimmung von ungefähr 70 Haupt-, Neben- und Spurenelementen. Mit Hilfe des elektrischen Ionennachweises und der Multielement-Isotopenverdünnungsmethode an festen und gelösten Proben wird eine Genauigkeit von besser als ±5% für viele Elemente erreicht. Die ermittelten Konzentrationen stimmen gut mit Literaturdaten überein.