Brevet FR2021959A1 — publié le 19700724

La présente invention se rapporte à des sources d'ions pour des spectromètres de masse, et en particdier à des sources d'ions dans lesquelles un bombardement par des électrons est utilisé pour produire des ions. Avec un spectromètre de masse classique, des maxima de balayage indicateurs de masses sont détectes successivement au collecteur, soit par modulation du champ magnétique de l'anale seur magnétique soit par modulation de la tension d'accélération des ions. Pour la plupart des applications, une modulation du champ magnétique est utilisée puisque la variation du champ magnétique ne modifie pas la sensibilité du système tout entier, ce celui permet d'effectuer des-mesures cuantitatives de l'inten sitd maximale associée à des ions.Toutefois, l'hystérésis ma gnétique rend extremement difficile une ddtermination préalable du courant d'excitation d'électro-aimant nécessaire pour produire un réglage sur un maximum donné et, pour cette raison, une commutation sur le courant délectro-aimant n'est pas utilise habituellement dans des techniques d'obtention de maxima de balayage par commutation dans lesquelles deux ou plus de deux maxima sont comparées l'un à l'autre dans une succession rapide pour effectuer une mesure relative de masse ou dtintensité. Au lieu de cela, on utilise l'autre procédé, à savoir celui par modulation de la tension.Une modulation de la tension peut hêtre utilisée dans ltétude d'ions métastables ( 0f Beynon, J.H.,"Mass Spectrometry and its applications to Organic Chemistry", Elsevier 1960). Dans des systèmes connus, lorsque la tension d'accélération est modifiée (les autres paramètres du système restant inchangés) on trouve que la sensibilité de la source (définie par le courant d'ions émis par unité de débit d'entre de ltéchantillon dans la source) diminue rapidement, de sorte que dans un cas typique, le courant d'ions peut tomber à zéro quand la tension accélératrice est réduite de moitié. Ceci est nettement peu satisfaisant, et l'invention a pour objet une source d'ions qui ne présente pas cet inconvenient. Conformément à l'invention, une source d'ions destinée à un spectromètre de masse comprend un moyen pour produire des ions par bombardement par des lectrons, au moins une électrode accd- lératrice, un moyen pour appliquer une tension accélératrice à ltélectrode accélératrice de façon à accélérer les ions, au moins une électrode supplémentaire et un moyen pour appliquer une tension de commande à l'électrode supplémentaire, l'arrangement étant tel que la tension de ccmmande est réglée automatiquement lors de l'utilisation en réponse à des variations de la tension accélératrice de façon à maintenir la sensibilité de la source à une valeur optimale. Dans un arrangement préféré, la tension de commande fournie à l'électrode supplémentaire est la somme d'une tension qui est préréglée en fonction de l'intensité du courant d'électrons d'ionisation et d'un multiple prédéterminé de la tension accéleratrice : le terme "multiple" signifie à la fois un multiple entier ou un multiple non entier. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif mais nullement limitatif des formes de réalisation conformes à 1' in- vention. Sur ces dessins - la figure 1 est une reprsentatlon schdmatique d'une source d'ions classique - la figure 2 comprend des graphiques illustrant les rapports entre les tensions appliquées aux électrodes de la source d'ions de la figure 1 en vue de l'obtention d'une sensibilit maximale de la source - la figure 3 est une représentation schématique d'une source d'ions selon l'invention ; et - la figure 4 est une représentation schématique d'une autre source d'ions selon l'invention. On va se référer maintenant à la figure 1 ; une source d'ions classique, à bombardement par des électrons, comprend une chambre d'ionisation 1 dans laquelle des échantillons-de gaz peuvent être introduits par l'intermédiaire d'un système d'entrée (non représente), les molécules de gaz étant ionises par un faisceau d'électrons 2 traversant la chambre t dans une direction perpendiculaire au plan de la figure 1. les ions ainsi produits sont concentrés et accélrés par un système d'électrodes comprenant une anode répulsion 3, une fente 4 de sortie d'ions, une paire dtanodes 5 et 6 de centrage du faisceau, et une fente 7 reliée à la masse, à travers laquelle les ions peuvent pénétrer dans l'analyseur magnétique du spectromètre (non représente Une tension Vr est appliquée entre la paroi de la chambre I et les anodes de répulsion, et est réglable entre + 25 volts et - 10 volts environ et une tension VA est appliquée à partir d'une source d'alimentation en tension d'accélération 8 entre la fente 4 de sortie d'ions et la fente 7 à la masse . La fente de sortie d'ions 4 est de mdme potentiel que la paroi de la chambre 1. Un diviseur de tension comprenant une résistance variable 3, un potentiomètre 10 et une résistance fixe 11, est aussi branché en- tre les bornes de la source d'alimentation en tension d'accélération 8 et les anodes de centrage de faisceau 5 et 6 sont connectées à des prises respectives du potentiomètre. Pour corriger un défaut d'alignement des électrodes, les anodes 5 et 6 peuvent dtre portées à des potentiels différents par réglage du potentiomètre 10, et la tension moyenne VB appliquée entre les anodes 5 et 6 peut dtre modifiée par réglage de la résistance variable 9. Le montage représenté sur la figure 1 est essentiellement celui qui est propos pour des sources à bombardement par des électrons, par A.O. Nier, Rev. Sci. Insts. 18, pp. 398-441,1947. Avec cet arrangement classique, on trouve que si la tension d'accélération est modifiée, il est possible de concentrer à no veau le faisceau d'ions et d'obtenir à nouveau la sensibilité optimale en réglant l'organe de réglage 9 du centrage du faisceau moyen. les résultats d'une série d'essais effectues avec la source à bombardement par des électrons A.E.I. MS 902 sont illustres par la figure 2.Celle-ci représente le "rapport de la tension moyenne de centrage du faisceau" nécessaire pour l'obtention de la sensi bilié optimale, en fonction de l'inverse de la tension d'aczélé- raticn VA, pour un certain nombre de valeurs différentes du courant du faisceau d'électrons Q' d'ionisation T IT. On remarquera que chaque courbe est aux erreurs d'expérience près une ligne droite et que les differentes droites passent par le même point sur l'axe des ordonne, ce point représentant un rapport VB/VA égal à 1,02. Chaque droite est donc définie par une -quation de la forme suivante : VH = VA = - 57 + 1,02 (1) où VS est une constante d perdant du courant a'e'lectrons d'ioni- sation et a les dimensions d'urne tension. Elle est indépendante de la tension accélératrice VA . Pour une interdit; du faisceau d'électrons de 500 microampères une valeur typique de Vs pour la source A.E.I. à bombardement par des électrons est de + 350 volts. On va se référer maintenant à la figure 3 : une source d'ions selon l'invention comprend une chambre d'ionisation 1 et un système d'électrode 2-7 identique à celui qui a été décrit précédemment. Toutefois, dans ce cas, la tension accélératrice VA qui est appliquée entre la fente 4 de sortie d'ions et la fente de masse 7 est prélevée sur une prise d'un diviseur de tension 12 à grande résistance branché entre les bornes d'une source d'alimentation en tension d'accélératior 13 fournissant une tension de sortie V'A approximativement égale à 1,02 VA.Une source de tension supplémentaire 14 qui engendre une tension de sortie V's un peu supérieure à la constante VS figurant dans 1'équation (1) et aux bornes de laquelle un potentiomètre 15 est branché, a sa borne positive relise à la borne supérieure de la channe de résistances formant diviseur 12, les anode de centrage de faisceau 5 et 6 étart connectées à des prises respectives du potentiomètre 15. Le potentiomètre 15 est réglé de telle manière que la tension moyenne des anodes 5 et 6 est inférieure de Vs volts, à la tension de la borne supérieure de la channe 12 de rdsistances. On peut voir qu'avec cet arrangement la tension moyenne V3 des anodes 5 et 6 satisfait automatiquement à ltéquation (1) et que par corséquent, l'on maintient une senslbilité optimale lorsque la tecsior, de sortie V'A de la source d'alimentation 13 et par suite la tension d'accélératior. VA varient. Dans l'arrangement représenté sur la figure 3, la différence de potentiel entre les anodes 5 et 6 de centrage de faisceau est indépendante de la tension accglératrice VA de la source de tension 13. il s'ensuit que lorsque lténergie du faisceau d'ions augmente, l'effet des anodes 5 et 6 devient proportionneliemerft moindre de sorte que la déviation nette du faisceau d'ions produite par les anodes 5 et 6 change en fonction de la tension accélératrice. Quand les défauts d'alignement des électrode sont petits, cet effet peut entre tolérable mais il est inacceptable pour de grands défauts d'alignement des électrodes. On va décrire maintenant, en se référant à la figure 4, urJe autre source d'ions selon l'invention qui n'a pas cet incon- vénient. Cette source comprend une chambre d'ionisation 1, un système d'électrodes 2-7, une source de tension Vr associée à l'anode de répulsion. 3 et une source de tension d'accélératior. 13, comme précédemment. Comme précddemment, la tension accdléra- tri ce VA qui est applique entre la fente 4 de sortie d'ions et la fente 7 à la masse est prélevée sur une prise d'une hatLe 1 2 de résistances de grandes vaLnrsXbranchée aux bornes de la source d'alimentation 13 de telle sorte que la tension de sortie V' de la source de tension 13 est approximativement égale à 1,02 VA. Une prise mobile 16 est prévue près de la borne positive de la channe 12 et reliée à une borne située d'un c8té d'un commutateur-inverseur 17, l'autre borne située de ce coté du commutateur étant connectée à la borne positive de la channe 12. les deux bornes situées de l'autre ctté du commutateur 17 sont reliées respectivement aux bornes positives de deux sources de tension 18 et 19 engendrant chacune une tension de sortie VS. les bornes négatives des sources de tension 18 et 19 sont connectée res- pectivement aux anodes 5 et 6. Ainsi, lorsque le commutateur-inverseur i7 est dans une première position, l'anode 6 est reliée, par l'intermédiaire de la source de tension 19 à la borne positive de la chatne 12, et l'anode 5 est reliée par l'intermédiaire de la source de tension 18, à la prise 16. Par .suites l'anode 6 est à un potentiel un peu supérieur à celui de l'anode 5, la différence de potentiel entre ces anodes étant égale à la chute de tension entre la borne 16 et la borne positive de la channe 12 et étant, par suite, proportionnelle à la tension accélératrice V'A. Quand la position du commutateur 17 est inversée, le potentiel de l'anode 5 est supérieur à celui de l'anode 6.De cette manière, il est possible de dévier le faisceau d'ions dans l'un ou l'autre sens d'un angle déterminé par le réglage de la prise 16, la déviation étant pratiquement indépendante de la tension d'accélération. On comprendra que de nombreuses modifications des exemples de réalisation de l'invention décrits précédemment sont possibles dans le cadre de l'invention. Par exemple, une modification de la configuration géométrique de la source prcduit une modification à la fois de la valeur de la constante 1,02 figurant dans ltéquation (1) et de la tension VS nécessaire pour un courant d'électrons d'ionisation donné. Dans un autre arrangement selon l'invention, une anode fendue supplémentaire est interposée entre les anodes de centrage du faisceau 4 et 5 et l'anode de sortie d'ions 7 la tension constante VS étant appliquée à la nouvelle anode. Il serait possible de faire le reglage correspondant d VA, = V A pour simplifier les circuits, et de tolérer le petit réajustement de VS nécessaire pour rendre optimale la sensibilité quand la tension accélératrice est modifiée. L'invention peut être utilisée dans n'importe quel type de source à bombardement par des électrons ou dans n'importe quelle source faisant intervenir un bombardement par des électrons de façon à produire des ions (par exemple une source combinant une ionisation par champ et un bombardement par des dlectrons, et une source à cellule Knudsen). LEGENDE DES DESSINS Figures Repères 2 B Rapport de tension moyenne de centrage du faisceau C 0 (Tension accélératrice VA, KV) REVENDICATIONS 1. Source d'ions destinée à un spectromètre de masse caractérisée en ce qu'elle comprend un moyen producteur d'ions pour produire des ions par bombardement par des électrons, au moins une électrode accélératrice, un moyen d'application de tension pour appliquer une tension accélératrice à l'électrode accélératrice de façon à accélérer les ions, au mons une électrode supplémentaire, et un moyen pour appliquer une tension de commande à l'électrode supplémentaire, l'arrangement étant tel que la tension de commande est réglée automatiquement, lors de l'utilisation en réponse à des variations de la tension accélératrice, pour maininir la sensibilité de la source pratiquement à une valeur optimale. 2. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tension de commande appliquée à l'électrode suppldmentai- re ou aux électrodes supplémentaires est la somme d'une tension qui est préréglée en fonction du courant d'électrons d'ionisation et d'un multiple prédéterminé de ladite tension accélératrice. 3. Source dlions selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend une source de tension accélératrice aux bornes de laquelle un diviseur de tension est branché, la tension accélératrice et ledit multiple prédéterminé de la tension accélératrice étant prélevés sur des prises respectives de ce diviseur de tension. 4. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les électrodes supplémentaires comprennent une paire d'électrodes de centrage de faisceau, l'arrangement étant il qu'une différence de potentiel peut dtre appliquée entre ces électrodes de centrage de faisceau. 5. Source d'ions selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite différence de potentiel est proportionnelle à la tension accélératrice. 6. Source d'ions selon la revendication 5, caractérisée en ce que chaque électrode de ladite paire d'électrodes de centrage de faisceau est connectée à une prise séparée du diviseur de tension par l'intermédiaire d'une source de tension séparée qui fournit ladite tension préréglée. 7. Source d'ions selon la revendication 6, caractérisée en ce que lesdites sources de tension séparées sont connectées auxdites prises séparées du diviseur de tension par l'intermédiaire d'un commutateur-inverseur.