Brevet FR2040313A1 — publié le 19710122

i 2040313 La présente invention concerne des sources d'ions et en particulier des sources d'ions utilisées avec des spectromètres de masse. On connaît un grand nombre de formes de sources d'ions uti-5 lisées dans la spectrométrie de masse. Un inconvénient qui est commun à la plupart d'entre elles est le fait que, par suite de la forme de leurs champs„les ions séjournent à l'intérieur de la source pendant une période dont la durée est de l'ordre de une à dix micro-secondes„Divers inconvénients sont dus à la durée de 10 cette période* Par exemple, le nombre dEions moléculaires dont on dispose pour l'analyse est faible et peu satisfaisant. En conséquence la présente invention concerne un procédé utilisé pour faire fonctionner une source d'ions ainsi qu'une forme de telle sour??e'/permett©nt d'expulser les ions plus rapidement de 15 la source qu'on ne peut le faire d'habitude avec les sources connues jusqu'à présent. La présente invention concerne un procédé permettant d'expulser rapidement les ions d'une chambre,0e procédé consistant à soumettre les ions se trouvant à 1!intérieur de la chambre à un 20 champ électrique produit par une électrode équivalant à une source d'ionisation d'un champ et dont le potentiel est maintenu à une valeur inférieure à celle du potentiel nécessaire pour produire une ionisation importante du champ0 La présente invention concerne également un procédé pour for-25 mer des ions à l'intérieur d'une chambre et pour les en expulser rapidement,, ce procédé consistant à ioniser la matière par un procédé d'ionisation différent de l'ionisation du^champ, à l'intérieur de la chambre et à soumettre les ions ainsi, formés à un champ électrique produit par/pointe , une lame, un fil ou un bord aigu 30 semblable,chargé, le-champ électrique étant orienté de manière à expulser les ions-de la chambre et l'intensité du champ électrique étant de préférence inférieure à l'intensité nécessaire pour produire une ionisation importante du champ. De préférence la matière est ionisée par bombardement par des 35 électrons, ce procédé étant beaucoup plus efficace que les autres, mais on peut utiliser d'autres procédés connus, tels que par exemple par rayonnement d'ultra-violet f ce procédé ayant l'avantage de ne pas perturber la configuration du champ électrique utilisé pour expulser rapidement les ions de la chambre. 40 . Sulveaafc m ssatapa asp©sfc de la présente invssstioa, une source 70 15350 2 2040313 d'ions comprend une chambre, un élément d'ionisation autre qu'un dispositif-d'ionisation du champ ionisant la matière à l'intérieur de la chambre et un dispositif produisant un champ électrique d'un gradient et d'une intensité tels qu'ils permettent d'expulser 5 rapidement les ions de la chambre, au moins une partie d'une région à l'intérieur de la chambre où la matière est ionisée étant de même longueur que celle d'une partie, au moins,du champ électrique. De préférence le dispositif qui produit le champ électrique 10 est constitué par une lame, un fil, une aiguille , un bord ou une pointe aiguë semblables; et de préférence on le" fait fonctionner à un potentiel inférieur à celui qui produit une ionisation importante du champ dans ladite chambre» Lorsque le dispositif d'ionisation est un dispositif qui bom-15 barde la matière à ioniser avec des électrons, les champs électriques et/ou magnétiques à l'intérieur et/ou au voisinage de la chambre doivent être tels que les éléetrons et les ions suivent des trajectoires différentes, pour que les ions qui sont formés par le bombardement des électrons n'entrant- pas en collision avec 20 la source de ceur.-ei 3 D!autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortironfe au cours de La description détaillée qui va suivre faite en regard du dessin annexé qui dorme à titre explicatif mais nullement- limitatif plusieurs formes de réalisation 25 conformes à l'invention. Stîr ee dessin , la figure 1 est une coupe transversale d'une source d'ions selon l'invention ; la figure 2 est une coupe longitudinale d'une autre forme de 30 source d'ions suivant l'invention jet* la figure 3 est une coupe transversale d'une source d'ions semblable à celle de la figure 2. La figure 1 représente, en coupe transversale, une source d'ions classique d'une manière générale comprenant une chambre ; 35 dont une paroi est constituée par line plaque 12 munie d'une fent de sortie des ions0 Le long du trajet de sortie des ions, à l'e.» térieur de la chambre 10,sont disposées des plaques 14 et 15 de centrage du faisceau et une fente 16 qui sont bien connues . Deux .plaques 18 et 19 sont montées à l'intérieur de la charr- BAD ORIGINAL 70 15350 3 2040313 bre 10 et dans une source classique il ix'j aurait qu'une seule plaque repoussant les ions. Une lame 22 traverse une ouverture allongée 20 de la chambre 10 et est disposée entre les plaques 18 et 19. Des dispositifs ap-5 propriés supportant et isolant les éléments décrits ci-dessus ne sont représentés ni décrits du fait qu'ils peuvent se présenter sous n'importe quelle forme connue et ils sont supprimés sur la figure 1 pour la simplifier. Pendant le fonctionnement, la source d'ions* est montée à 10 l'intérieur d'une enveloppe mise au vide (non représentée) à l'entrée d'un spectromètre de masse ou d'un autre appareil (non représenté) dans lequel les ions doivent être introduits. Un échantillon de matière à ioniser est introduit dans la chambre 10 où il est ionisé d'une manière connue,autrement que par une ioni-15 sation. du champ. Par exemple* la matière peut être ionisée par rayonnement ultra-violet ou par tout autre rayonnement ionisant dont un faisceau pénètre dans la chambre 10 par des orifices 2k. En variante ou en plus, un faisceau d'électrons peut être projeté à travers la chambre 10 suivant une direction perpendiculaire, 20 d'une manière générale,au plan du dessin. Un autre procédé d'ionisation qui est préféré pour son effi- • cacité va être décrit maintenant plus en détail. Un filament 26 est monté longitudinalement à l'intérieur de la chambre 10. Un champ magnétique longitudinal représenté par son contour en 28 25 s'infiltre dans la chambre 10. Pendant le fonctionnementsle filament 26 est chauffé pour lui faire émettre des électrons et il est maintenu à un potentiel négatif de l'ordre de dix à cent volts par rapport à la lame 22. Les électrons qui sont émis se- déplacent suivant une trajectoire en spirale vers le bord de la lame 22 où 30 ils ionisent la matière de l'échantillon. (Il est possible d'utiliser des potentiels relatifs plus élevés entre le filament 26 et la lame 22, mais alors les électrons ont tendance à présenter des énergies élevées indésirables). Tous les procédés d'ionisation décrits plus haut produisent 35 des ions dans la région du bord de la lame 22- Un champ électrique intense est produit dans la même région en maintenant la lame 22 à un potentiel élevé, par exemple de 8„000 volts. Ce champ électrique accélère rapidement les ions en les expulsant hors de la chambre 10 pendant une période de durée très courte, très infé-40 rieure à la durée de une à dix miero-secondes de la période des 70 15350 4 2040313 sources d ions connues jusqu a présent. (Ensuite les ions peuvent A du faisceau . etre devieê d une maniéré connue par les plaques de centrage 14/ et 15 et ils peuvent traverser la fente 16 de la source d'ions pour pénétrer dans le spectromètre de masse ou dans tout autre appareil). 5 La combinaison de la lame aiguë 22 et de la tension qui lui est appliquée peut être très inférieure à celle qui est nécessaire pour l'ionisation du champ,de sorte que la lame 22 a besoin d'être moins aiguë qu'avec des sources d'ionisation du champ équivalentes. Une explication possible des avantages de l'invention pourrait 10 être le fait qu'immédiatement après avoir été formés, les ions se trouvent dans un gradient électrique très abrupt et que de ce fait ils sont accélérés immédiatement et expulsés de la source„ Dans les sources classiques, les ions sont formés dans une région de gradient électrique relativement faible et il s'écoule de ce fait 15 un certain délai avant qu'ils n'atteignent la région du champ où ils sont accélérés rapidement. On sait que les sources utilisant l'ionisation du champ produisent une extraction rapide des ions mais les ions voulus sont rares. D'autres modes de réalisation de l'invention vont être décrits 20 maintenant à l'aide des. figures 2 et 3. La figure 2 représente, en coupe transversale à une échelle réduite,une source d'ions qui est semblable d'une manière générale à celle de la figure 1, à l'exception de la suppression des plaques 18 et 19j et de l'utilisation d'un orifice 30 réalisé sur la 25 paroi de la chambre 10. Des électrons sont projetés d'une source d'électrons représentée sehématiquement' en 32, par l'orifice 30 dans la chambre 10 où ils ionisent la matière de l'échantillon au voisinage du bord de la lame 22. Les électrons (e) suivent les trajectoires r-epré-30 sentées et de ce fait les ions positifs (l+) sont accélérés et expulsés de la chambre 10 par la fente de sortie de la plaque 12 suivant la direction, représentée„ Bi^n qu5étant soumis aux mêmes champs, les électrons et les ions qui se trouvent dans la région du bord de la lame 22 présentent des vitesses très différentes, les 35 ions étant presque immobiles très près de la lame, tandis que les électrons se déplacent à grande vitesse, et du fait de leurs/rapports de charge à la masse différents les ions ne reviennent pas le long des trajectoires des électrons incidents, Des tensions de fonctionnement appropriées sont da 8000 volts pour.la lame 22, 40 de 7900 volts pour la chambre î0 et la fe,nte de -sortie 12 e~ de ' BAD ORIGINAL 70 15350 5 2040313 7800 volts pour la source'd'électrons 32, la fente 16 de la source d'ions étant au potentiel de la masse. Des dispositifs de déviation électrostatiques et/ou magnétiques (non représentés) peuvent être utilisés pour donner au faisceau d'ions la forme géométrique 5 voulue. La figure 3 représente, en coupe transversale dans un plan perpendiculaire à celui de la figure 2, une source d'ions qui est à peu près semblable à celle de cette- figure. Dans ce mode de réalisation, le dispositif d'ionisation comprend un filament 34 disposé à l'ex-10 térieur de la chambre 10 et qui est perpendiculaire au plan de la figure 3. Dans le même alignement un champ magnétique représenté par son contour en 36 entoure le filament 34. Les électrons émis par le filament 34 suivent le trajet indiqué e~, et les ions suivent le trajet indiqué par I+. L'effet net des champs électrique . 15 et magnétique ^ur les diverses particules chargées doit être tel que les électrons vont du filament 34 au voisinage, de la lame 22, et les ions vont de celle-ci à la fënte 16 de la source, c'est-à-dire suivant des trajets qui ne coïncident pas. Il va de soi que la présente invention n'a été décritè et re-20 présentée qu'à titre explicatif et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. On peut utiliser des . procédés d'ionisation différents de ceux déerits et les sources d'ions n'ont pas besoia de se présenter sous les formes décrites0 Bien que le fonctionnement de la source d'ions décrite dans 25 la présente, description ne dépende pas de l8 ionisation du champ à la pointe , lame ou bord, un mode de réalisation dans lequel le potentiel d'accélération des ions est suffisamment, élevé pour produire une ionisation importante du champ rentrerait encore dans le cadre de :la présente :inventiono 70 15350 6 2040313 REVENDICATIONS 1 " » 1. Procédé pour expulser rapidement des ions d'une chambre, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre les ions se trouvant à l'intérieur de la chambre à un champ électrique produit par des 5 électrodes équivalant à une source d'ionisation du champ et qui est maintenu à un potentiel inférieur au potentiel nécessaire pour produire une ionisation importante du champ. 2. Procédé pour former des ions à l'intérieur d'une chambre et les en expulser rapidement,caractérisé en ce qu'il consiste à 10 ioniser la matière à ioniser par un procédé autre qu'une ionisation du champ, à l'intérieur de la chambre et à soumettre les ions ainsi formés à un champ électrique produit par une "pointe, une lame un fil ou un bord aigu semblables,chargés, dont le champ électrique est orienté de manière à expulser les ions de la chambre. 15 3- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'intensité du champ électrique est inférieure à l'intensité nécessaire pour produire une ionisation importante du champ. 4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé ; en ce que les ions sont formés par bombarde-20 ment par des électrons, 5c Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 39caractérisé en ce que les ions sont f©rasés par un rayonnement ultra-viole13 6» Source d'ions,caractérisée en ee qu'elle comprend une cham-25 bre, un dispositif d'ionisation. awtr-e qu2im dispositif d'ionisation du champ ionisant une matière ss trouvant à l'intérieur de la chambre, et un dispositif'produisant un champ électrique dont le gradient et l'intensité provoquent 1°expulsion rapide des ions de ladite chambre, au moins uns partie d'une région située à 30 l'intérieur de la chambre où la matière est ionisée étant de même longueur quW parti© an moins du efeŒn élàetrique. . 7* S dure© dfions suivant la 6, .caractérisée en ce que le dispositif qui produit "la ohasap électrique est constitué par uns lame., un fil, «ne aiguille ©y -m bord ou une pointe aiguë 35 semblables0 8c Source d* ions suivant -l-n. •"-I6 ou la revendica tion 7î©ar£0térisée *sn, ce Que -le produisant le champ électrique est agencé d'e. manière h fc-rœtionner à \m potentiel in-fsrie-ur à celui qui produit une ionl importants du champ 40 dans ladite ehaajbre» 70 15350 7 2040313 9. Source d'ions suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que le dispositif d*ionisation est un dispositif bombardant la matière à ioniser avec des électrons, un dispositif produisant des champs électriques et/ou magnétiques à 5 l'intérieur et/ou au voisinage de la chambre pour que les électrons et les ions suivent des trajectoires différentes? les ions formés par le bombardement des électrons ne venant pas en collision avec la source d'électrons. 10. Source d'ions,caractérisée en ce qu'elle est utilisée pour 10 mettre en oeuvre le procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5 ou suivant la revendication 10. 11. Source d'ions suivant l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce qu'elle est utilisée avec un spectro-mètre de masse.