Brevet FR2301087A1 — publié le 19760910

La présente invention concerne une source d'ions a extracteur, comportant une anode et une cathode correspondante. Dans une source d'ions à extracteur connue, l'anode est constituée par un filament ou une grille cylindrique et entourée concentriquement par une cathode généralement annulaire. Les électrons émis par la cathode et se dirigeant vers l'anode produisent des ions sur leur trajet. La plupart des électrons pénétrant dans l'espace cylindrique forme par l'anode, des ions y apparaissent. Ils sont aspirés par une électrode à travers une face frontale ouverte de l'anode et produisent le courant ionique désiré. L'invention a pour objet d'améliorer notablement la sensibilité d'une source d ions a extracteur, comportant une anode cylindrique et une cathode correspondante. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, des moyens sont prévus pour la production d'une surface équipotentielle entourant l'anode et aussi fermée que possible, pour la réflexion des électrons. Une telle surface équipotentielle permet d'obtenir un mouvement de va-etvient répété des électrons dans l'espace anodique, de sorte que chaque électron peut produire dans cet espace beaucoup plus d'ions que dans une source a extracteur sans surface équipotentielle réfléchissant les électrons. La source d'ions est ainsi beaucoup plus sensible ou son rendement ionique absolu est beaucoup plus élevé, de sorte que des courants ioniques peuvent être produits a une puissance électrique plus faible et par suite avec un moindre chauffage du système, et enfin sous faible pression, dans la chambre d'échantillon d'un spectrometre de masse d'ions secondaires par exemple.Le choix d'une source d'ions a extracteur, d'un type connu dans des' systèmes de mesure, est particulierement rationnel par suite de l'emploi d'une anode à transparence aussi élevée que possible, c'est-à-dire comportant peu de barreaux ou de mailles. Les composantes de désorption sont également réduites ainsi. Les moyens de production de la surface équipotentielle sont avantageusement constitués par une cage, entourant l'anode et la cathode, et ne comportant que des ouvertures pour la traversée des supports et de l'alimentation de L'anode et de la cathode, ainsi que pour le passage du courant ionique produit. Ces ouvertures peuvent entre petites, de sorte qu'une telle cage, réalisée de préférence en fil-macbine fin ou en tôle, permet de produire la surface équipotentielle désirée. Une cage en fil présente en outre l'avantage de faibles effets de désorption, avec une perméabilité simultanée aux gaz à ioniser. La surface équipotentielle réfléchissante devant se situer de préférence entre la cathode et l'électrode de réflexion, réalisée sous forme d'une cage, il convient de choisir judicieusement la tension appliquée à cette électrode de réfléxion. Avec les tensions usuelles, l'électrode de réflexion est A -10 à -300 V par rapport à la cathode. Dans certains cas, il est meme avantageusement possible de porter la cage de réflexion à la tension de l'électrode -d'absorption. Tout en conservant les bonnes propriétés d'extraction, il est possible d'obtenir une incertitude énergétique des ions beaucoup plus faible et un rendement nettement amélioré de la source d'ions en réalisant les moyens de production de la surface équipotentielle de façon qu'ils produisent la concentration des électrons sous forme d'un mince voile. Ce résultat peut être obtenu par exemple à l'aide d'une surface équipotentielle concave dans la région de la cathode. Dans le cas d'une telle distribution de potentiel, les électrons sont concentrés et n'oscillent que dans une région étroite de la cage anodique. L'incertitude énergétique des ions émis par la source est ainsi notablement réduite. Ces moyens sont constitués de préférence par une cage entourant l'anode et la cathode, et dont la géométrie par rapport A ces dernières est choisie de façon A produire la surface équipotentielle désirée. Lorsque l'anode est par exemple cylindrique, la cathode annulaire et la cage cylindrique, et l'anode, la cathode et la cage sont concentrique, une géométrie judicieuse est obtenue quand la distance entre l'anode et la cathode est sensiblement égale a la distance entre la cathode et la cage. La constitution de la source d'ions est particulièrement simple aussi avec une telle géométrie. Une autre possibilité d'obtenir la forme désirée de la surface équipotentielle consiste à munir la face interne de la cage d'electrodes supplémentaires. Ces dernieres peuvent être constituées par exemple par des disquesannulaires, fixés sur la face interne de la cage, sur le côté de la cathode. Une simplification notable de la constitution de la source est obtenue en isolant la face frontale antérieure du reste de la cage et en la portant A un potentiel différent de celui de la cage. I1 est ainsi possible d'utiliser simultanément cette face frontale de la cage comme électrode d'aspiration des ions produits. L'expérience montre que la transparence de l'anode doit être aussi élevée que possible afin de réduire la perte d'électrons et d'augmenter le rendement. Une transparence tres élevée entraine toutefois une grande pénétration du potentiel cathode-anode A l'intérieur de l'anode, ce qui diminue les propriétés d'extraction. Le compromis optimal entre un rendement élevé et une faible incertitude énergétique est obtenu, dans le cas d'une cage anodique de 10 mm par exemple, en utilisant 16 barreaux longitudinaux en fil de 0,3 mm. Une nouvelle réduction du nombre de barreaux entrainerait non seulement un accroissement de l'incertitude énergétique, mais aussi une diminution du rendement. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris A l'aide de la description détaillée ci-dessous et des dessins annexés, sur lesquels les figures 1 A 3 représentent trois exemples de réalisation d'une source d'ions A extracteur selon l'invention. La source d'ions 1 représentée comporte une anode cylindrique 2 et une cathode annulaire 3, concentrique A l'anode 2. La cathode 3 pourrait aussi etre réalisée sous forme d'un barreau disposé sur le côté de la cage anodique 2. L'anode 2 et la cathode 3 sont fixées sur une bride 7 par les supports 4 et 5, 6. Ces supports assurent simultanément 1' alimen- tation en tension de l'anode 2 et de la cathode 3, et traversent par suite la bride 7 avec étanchéité au vide et isolation électrique. Les extrémités libres 8 A 11 permettent le raccordement de fils d'alimentation électrique. La cage anodique 2 est fixez A la bride 7 de façon que sa face frontale ouverte soit opposée A cette dernière. Les ions produits dans l'espace anodique 13 sont aspirés par l'électrode 12 et forment le courant ionique désiré. La cage 16, fixee sur la bride 7 par le support 15, est prévue pour produire une surface équipotentielle 14 aussi fermée que possible. Dans l'exemple de réalisation représenté, cette cage est en tôle mince et entoure aussi cimplètement que possible l'anode 2 et la cathode 3. La cage 16 comporte uniquement des ouvertures 17 aussi petites que possible, pour la traversée des supports 4, 5 et 6, et l'ouverture 18 pour le passage du courant ionique produit. Les ouvertures 17 sont munies de tubulures 19 dirigées vers l'intérieur, ce qui permet de réduire encore la taille des ouvertures dans la surface équipotentielle 14. Dans l'exemple de réalisation représenté, les électrons emis par la cathode 3 et traversant l'espace anodique 13 ne sont pas perdus. Ils sont au contraire réfléchis avec une grande probabilité par la surface équipotentielle 14 et traversent de nouveau l'espace anodique 13. Un tel va-et-vient des électrons est très fréquent avant qu'ils ne soient perdus sur l'anode avec une certaine probabilité.Grâce A l'ameliora- tion de sensibilite ainsi obtenue, la source d'ions selon l'invention convient particulièrement bien pour des systèmes de mesure avec indication de la pression totale dans des réservoirs sous vide, pour la production d'un faisceau ionique dans les systemes de mesure de la pression partielle d'un gaz résiduel et pour des systèmes produisant un faisceau ionique pour la spectroscopie de masse d'ions secondaires ou la spectroscopie par diffusion d'ions secondaires. Les sources d'ions A extracteur 1, representées sur les figures 2 et 3, comprennent l'anode cylindrique 2, la cathode annulaire 3, entourant concentriquement l'anode 2, et la cage cylindrique 16, entourant concentriquement aussi l'anode 2. L'amenée de tension 4 de l'anode 2 sort de la cage 16 avec isolation. L'amenée de tension de la cathode 3 n'est pas représentée. L'électrode d'aspiration 12 se trouve devant la face frontale ouverte de l'anode 2. Dans l'exemple de réalisation selon figure 2, la distance entre l'anode 2 et la cathode 3 est sensiblement égale A la distance entre la cathode 3 et la cage 16. Il en résulte une répartition de potentiel illustrée par la courbe équipotentielle 14 en tirets. Au voisinage de la cathode 3, elle est convexe par rapport aux électrons animes d'un mouvement de va-et-vient, de sorte que les électrons sont concentrés de la façon désirée. Dans l'exemple de réalisation selon figure 3, la répartition de potentiel particuliere est obtenue au moyen d'électrodes supplementaires 20 et 21, fixées sur la face interne de la cage 16. Elles sont formées par des disques annulaires, situés sur le côté de la cathode 3. Dans cet exemple de réalisation, la face frontale libre de la cage 16, comportant l'ouverture 18, est en outre isolée du reste de la cage. Elle peut ainsi être alimentée par une tension différente de celle appliquée A la cage 16, et par suite servir d'électrode d'aspiration 12. Une surface équipotentielle 14 aussi fermée que possible est essen tielle pour le principe de l'invention. La forme de l'anode et de la cathode présente une importance secondaire. Un avantage du montage réside même dans la possibilité d'utiliser une cage anodique de section rectangulaire ou autre pour la production des ions. La forme cylindrique est toutefois avantageuse pour l'extraction des ions sur une section aussi faible que possible (lentille tubulaire A symétrie de rotation). Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement A titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Source d'ions A extracteur, comportant une anode et une cathode correspondante, et caractérisée par des moyens pour la production d'une surface équipotentielle entourant l'anode et aussi fermée que possible pour la réflexion des électrons. 2. Source d'ions A extracteur selon revendication 1, caractérisée en ce que les moyens sont constitués par une cage entourant l'anode et la cathode, et ne comportant que des ouvertures pour la traversée des supports et de l'alimentation de l'anode et de la cathode, ainsi que pour le passage (grille) du courant ionique produit. 3. Source d'ions à extracteur selon revendication 2, caractérisée en ce que la cage est réalisée en fil-machine fin ou en tôle. 4. Source d'ions A extracteur selon une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que la cage comporte, dans la zone des ouvertures, des tubulures dirigées vers l'intérieur. 5. Source d'ions à extracteur selon une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la cage présente une différence de potentiel de -10 à -300 V par rapport à la cathode. 6. Source d'ions à extracteur selon une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la cage est portée A la tension de l'électrode d'aspiration. 7. Source d'ions à extracteur selon une quelconque des revendications 1 A 6, caractérisée en ce que les moyens de production de la surface équipotentielle sont réalisés de façon A concentrer les électrons sous forme d'un mince voile. 8. Source d'ions selon revendication 7, caractérisée en ce que les moyens de production de la surface équipotentielle sont réalisés de façon que la surface équipotentielle soit concave au voisinage de la cathode, par rapport aux électrons animés d'un mouvement de va-et-vient. 9. Source d'ions selon une des revendications 7 et 8, caractérisée en ce que les moyens sont constitués par une cage entourant l'anode et la cathode, et dont la géométrie par rapport A ces dernières est choisie de façon A produire la forme désirée de la surface équipotentielle. 10. Source d'ions selon revendication 9, caractérisée en ce que l'anode cylindrique, la cathode annulaire et la cage cylindrique sont concentriques et la distance entre l'anode et la cathode est sensiblement égale A la distance entre l'anode et la cage. 11. Source d'ions selon revendication 9, caractérisée en ce que la face interne de la cage porte des électrodes supplémentaires. 12. Source d'ions selon revendication 11, caractérisée en ce que les électrodes supplémentaires sont formées par des disques annulaires, fixés sur la face interne de la cage, sur le coté de la cathode. 13. Source d'ions selon une quelconque des revendications 1 A 12, carac térisée en ce que la face frontale antérieure de la cage est isolée du reste de la cage et portee a un potentiel différent de celui de la cage. 14. Source d'ions selon une quelconque des revendications 1 A 13, caractérisée en ce que la cage anodique est constituée, dans le cas d'un diamètre de 10 mm, par 16 barreaux longitudinaux axiaux en fil d'une épaisseur de 0,3 mm.