Brevet FR2502396A1 — publié le 19820924

La présente invention concerne les spectrographes de masse et, plus spécialenent, les spectrographesde masse à focalisation simple. Le premier spectrographe de niasse à focalisation simple a été construit par Dempster, puis les systèmes optiques ioniques à l'approxim.ation du premier ordre ont été mis au point par Herzog. Ces systèmes optiques ioniques sont aujourd'hui fort employés dans les spectrographes de masse. Les instruments,qui sont actuellement passés en application pratique, comprennent généralement un champ magnétique homogène du type sectoriel à 0'O ou 90 avec angles droits d'entrée et de sortie. Pour améliorer le fonctionnement de ces instruments, diverses tentatives ont été faites sur la base de considérations d'optique ionique. Par exemple, il a été proposé par Kerwin d'intro- duire un système de focalisation grand-angulaire dans les spectro- graphesde masse. Toutefois, aucun d'eux n'a jamais été mis en appli- cation pratique pour les raisons suivantes. Dans les systèmes optiques ioniques proposés, les trajectoires des ions sont déterminées sur le plan d'orbite sans qu'il soit tenu compte de l'influence des champs mapnétiques.parasites de bord. Toutefois, la répartition du champ magnétique est différente dans le champ de bord hors du plan d'orbite, même pour des champs magnétiques homogènes. Ceci amène une déviation des trajectoires ioniques, entraînant des aberrations. Pour cette raison, il est impossible de produire des spectographes de masse très performants. Récemment, un procédé de calcul de trajectoires a été mis au point et permet de déterminer les trajectoires d'ions passtitL dans le champ magnétique parasite de bord, avec une précision du troisième ordre d'approximation, ce qui rend possible de calculer les aberrations du deuxième et du troisième ordre dans n'importe quel système optique ionique. A l'aide de ce procédé, les systèmes optiques ioniques des instruments classiques ont été étudiés. Les résultats montrent que les spectrographes de masse à focalisation simple subissent des difficultés dont la résolution passe par celle du problème des aberrations. Un but de l'invention est de proposer un spectrographe de masse à focalisation simple présentant des coefficients d'aberra- tion bas et un pouvoir séparateur élevé. Un autre but de l'invention est de proposer un spec- trographe de masse à focalisation simple de petite taille. Un autre but de l'invention est de proposer un système optique ionique pour spectrographes de masse à Localisation simple qui rend possible l'obtention d'un pouvoir séparateur élevé et de petites aberrations, ainsi que la construction de spectrographes de masse de petite taille. Selon l'invention, il est proposé un spectrographe de masse comprenant une source génératrice d'ions, un moyen permettant de séparer les ions suivant leur masse, et un moyen permettant de détecter les sources ioniques,.le spectographe se distinguant en ce que le moyen de séparation des ions comprend un champ magnétique homogène du type sectoriel ayant un angle de déviation compris entre et 135 , et des angles d'entrée et de sortie compris entre 40 et 600. La description suivante, conçue à titre d'illustra- tion de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est un schéma simplifié d'un spectrographe de masse à focalisation simple possédant un champ magnétique homogène du type sectoriel la figure 2 est une vue en plan d'un champ magnétique homogène du type sectoriel d'un spectrographe de masse classique, ayant un angle de déviation de 60 et des angles d'entrée et de sor- tie droits la figure 3 est une vue en plan d'un champ magnétique homogène de type sectoriel d'un spectographe de masse selon l'inven- tion, ayant un angle de déviation de 1300 et 'des angles d'entrée et de sortie obliques; la figure 4 est un graphe montrant les variations de diverses aberrations avec le changement de grossissement d'image (Ax); les figures 5, 6 et 7 sont des graphes montrant les variations des coefficients d'aberration du deuxième ordre et de divers paramètres de l'optique ionique avec la variation des angles (EV E2) d'entrée et de sortie, pour des champs magnétiques ayant des angles de déviation valant respectivement 600, 90 et 130 ; et la figure 8 est une vue simplifiée du spectrographe de masse selon l'invention. Sur la figure 1, on peut voir un spectrographe de masse qui comprend de façon générale une source génératrice d'ions, un moyen permettant de séparer les ions suivant la masse et un moyen de détec- tion de faisceaux ioniques. La référence 1 désigne un champ magnétique homogène de type sectoriel, la référence 2 une source d'ions, la réfé- rence 3 une fente, la référence 4 un faisceau d'ions, la référence 5 une fente de collecteur, et la référence 6 un collecteur d'ions. Le faisceau ionique, qui part de la source d'ions 2, coupe les surfaces limites d'entrée et de sortie du champ magnétique suivant des angles prédéterminés (. E 2). Le symbole (O) désigne l'angle de déviation dans le champ magnétique, le symbole (r) désigne le rayon de la trajectoire du faisceau ionique 4, les symboles (S1) et (E2) désignent respectivement les angles d'entrée et de sortie du faisceau ionique 4, le symbole L désigne la distance séparant la fente 3 de l'entrée du champ magnétique 1, le symbole L2 désigne la distance séparant le champ magnétique I de la fente 5 du collecteur, les symboles R1 et R2 désignent respectivement les rayons de courbure de la surface limite du champ magnétique 1. L'écart, par rapport à l'axe, des ions qui vont de la source ionique 2 au collecteur 6, c'est-à-dire la longueur d'écart Xfy est donné, au deuxième ordre d'approximation, par l'équation (1) suivante: 2 2 2 X A X + A -y + A a + A Y + A Y +A p *. (1), f x 'y aa yy yp pp o X et Y sont les coordonnées de l'ion à l'intérieur de la fente 3, (a) et (P) sont l'inclinaison radiale et l'inclinaison axiale du faisceau ionique, (y) est le rapport d'écart de masse, A est le grossissement d'image, A est le coefficient de dispersion de masse. Les autres coefficients qui exercent une influence sur les opérations sont de préférence choisis à des valeurs aussi faibles que possible. Dans les conditions normales, (a) et (P) ne dépassent pas 0,01. Le coefficient du troisième ordre, inférieur à 100, peut être négligé dans les instruments ayant un pouvoir séparateur de 1000 ou moins. Comme moyen d'augmenter le pouvoir séparateur, on considère d'abord le fait de rendre L1 et L non symétriques. On sait que, par le choix d'un certain rapport entre L et L2, on peut obtenir tout grossissement d'image A voulu. De plus, le pouvoir séparateur (R) d'un spectrographe de masse est donné par l'équation (2) suivante A 2(s.A + A) (2), o s est la largeur de la fente de la source d'ions, A est le coef- ficient de dispersion de masse, A est le grossissement d'image, (A) est la dispersion d'image due aux aberrations. De l'équation (2), on peut déduire que,plus le grossis- sement A est petit, plus le pouvoir de séparation est élevé, ai l'on x ne tient pas compte de (à). Toutefois, le calcul des coefficients d'aberration pour divers grossissements A enseigne que, lorsque le grossissement Ax diminue, les aberrations augmentent de manière très importante. Par exemple, dans un champ magnétique sectoriel ayant un angle de déviation de 90 et un entrefer de 0,05 rm, les aberrations varient avec A de la manière présentée sur la figure 4. Sur cette figure, on voit que, lorsque A vaut 0,5, alors A a est multiplié par trois par rapport à sa valeur pour Ax - 1, tandis que Ayp et APP sont multipliés par deux par rapport à leur valeur pour A. a 1. Ainsi, le pouvoir de séparation diminuerait si le paramètre (A) de l'équation (2) devenait grand. Il n'est donc pas préférable de donner. A 1 et L2 des valeurs non symétriques. Sur la figure 4, les coefficients d'aberration sont donnés sous forme du rapport du coefficient d'aber- ration à A en raison du fait que le rapport de l'amplitude d'aberra- tion à l'amplitude de dispersion de masse pose de sérieux problèmes lorsqu'on considère le pouvoir de séparation. On a ensuite étudié l'influence de limites courbes au niveau de l'entrée et de la sortie du champ magnétique sur les aberrations. Lorsque le champ magnétique a des limites courbes au niveau de son entrée et de sa sortie et présente des rayons de cour- bure Ri =2 m= r cotg (0mI2), on peut obtenir une focalisation au deuxième ordre sur (a) pour les conditions; Ri = R2 - r lorsque 0 vaut 90', ou Ri = R2 = 0,192 rm lorsque O = 60 . Les valeurs calculées pour d'autres coefficients d'aberration sont présentés sur le tableau 1 ci-après. Pour permettre une comparaison, on pré- sente également sur le tableau 1 les données relatives à un champ magnétique ayant des surfaces limites rectilignes. Dans les données du tableau 1, on peut voir que l'aberration (Aun) devient nulle dans un champ magnétique à limites courbes, tandis que d'autres aberrations sont plus importantes que celles correspondant au champ magnétique à limites rectilignes à son entrée et sa sortie. Ainsi, on peut dire qu'il n'est pas souhai- table de faire appel à un champ magnétique ayant des limites courbes pour diminuer les aberrations. D'autres études ont été faites, portant sur la varia- tion de quatre aberrations du deuxième ordre et d'autres paramètres d'optique ionique importants avec les angles d'entrée et de sortie (EIf E2) et avec les angles de déviations (Om) dans un champ magné- tique à limites rectilignes à l'entrée et à la sortie. Les résultats sont présentés sur les figures 5 à 7. La figure 5 présente les résul- tats relatifs à un champ magnétique ayant un angle de déviation (0) de 600 et un entrefer de 0,025 r m. La figure 6 présente les résultats relatifs à un champ magnétique ayant un angle de déviation de 900 et un entrefer de 0,025 r m. La figure 7 présente les résultats relatifs à un champ magnétique ayant un angle de déviation de 130 et un entre- fer de 0,0333 rm. Comme on peut le voir à l'examen de ces figures, le fait de faire appel à un champ magnétique ayant un angle de déviation de 130 permet d'obtenir un coefficient de dispersion de masse plus grand et un coefficient d'aberration plus petit lorsqu'il est utilisé avec des angles d'entrée et de sortie inclinés, par comparaison avec le champ magnétique classique dont l'angle de déviation est de 60 ou o,. Exemples. Il a été construit un spectrographe de masse tel que représenté sur la figure 8, l'angle de déviation (UOm), l'angle d'entrée (El) et l'angle de sortie (E) étant déterminés de la manière présentée sur le tableau 2 ciaprès. Le tableau 2 donne également les valeurs respectives de rm/R, r m/R2, = L2 A, Aa /A, Ayy /A, Ay /A., A /A, A et AP Le spectrographe de masse comprend une source d'ions 2, un champ magnétique 1 et un collecteur d'ions 6 raccordé à un moyen de détection. La source d'ions 2 comprend une monture de filament 2a, une chambre d'ionisation 2b et une électrode d'extraction 2c, qui sont assemblées sur des tiges de support 2d montées sur une extré- mité d'un tube métallique 10 en forme de V. Le champ magnétique 1 est formé par un noyau magnétique 11 placé sur le tube métallique 10, et une bobine d'excitation 12 enroulée sur celui-ci. Le collecteur d'ions 6 est monté sur l'autre extrémité du tube métallique 10. Le numéro de référence 13 désigne une entrée permettant d'introduire un échantillon gazeux à analyser. Sur le tableau 2, Ay et AP sont les coefficients qui donnent l'écart du faisceau ionique suivant la direction Y, et r./Rl, rm/R2 sont les valeurs obtenues en divisant les rayons orbitaux ioniques du faisceau d'ions par le rayon de courbure de la surface limite du champ magnétique I l'entrée et a la sortie. Une valeur nulle pour rm /R1ou rm /R2 signifie que le champ magnétique possède à l'entrée ou à la sortie une surface limite rectiligne. L'entrefer est de 0,133 r. m Comme on peut le voir sur la figure 2, il est possible d'obtenir un pouvoir séparateur élevé et un petit coefficient d'aber- ration en choisissant l'angle de déviation dans l'intervalle de 110 à 1350, et les angles d'entrée et de sortie dans l'intervalle de 35 à 600. De plus, tous les coefficients d'aberration peuvent être plus encore diminués par l'utilisation d'un champ magnétique à surfaces limites courbes à l'entrée et à la sortie. La taille du champ magnétique (0m ' 130 , EJ - t '550) selon l'invention a été comparé avec celle du champ magnétique clas- sique t0mc 600, El M 3 90'). Les figures 2 et 3 présentent res- pectivement des vues en plan de champs magnétiques selon la technique antérieur et selon l'invention, réduits à une même échelle. Sur ces figures, on voit que l'invention rend possible la production de spec- trographes de masse d'une taille réduite, puisque le champ magnétique peut avoir une taille réduite. Dans le spectrographe de masse selon l'invention, l'entrefer a une plus grande influence sur les aberrations du deuxième ordre que pour les spectrographes classiques à angles d'entrée et de sortie droits, mais on peut réduire les coefficients d'aberration en donnant à l'entrefer une valeur grande. Ceci est do au fait que le système optique ionique selon l'invention a une dis- persion de masse trois fois plus grande que ceux de la technique antérieure, ce qui rend possible de raccourcir le rayon du champ magnétique lorsque l'on veut obtenir des fonctionnement également performants pour l'un et pour l'autre. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'ima- giner, à partir du spectrographe de masse dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'in- vention. TABLEAU 1 r/:1 rm/R2 AcY A y A1 A 0 0 -1 -1,04 -3,77 -4,96 1 1 1 0 -2,08 -7,49 -8,87 1 0 0 -1 -1,03 -4,69 -6,59 1 0, 192 0,192 0 -1,37 -6,23 -8,41 1 0CD rM 0% tn C> ru %0 ON T A B L E A U 2 %O Dans tous les cas, r = 1. m r1d N rw "O oX 0 c1= g r /R Li = LA A /A A /A A/A A A A A m 1 2 m 1 2 ' y yy y L = L2 /oe) (o) l! ________________ _____ ______ _____ _h____ i_ 0 0 1,732 1 -1 -1,03 -4,68 -6,59 1,12 4,76 0 0 1 1 -1 -1, 12 -4, 12 -5,23 1.25 3, 93 44 0 2,209 3,06 -2,18 -0,42 -1,36 -2,13 -1,.35 -1,79 50 0 1,923 3,18 -2,02 -0,40 -1,07 -1,58 -1,18 -1,39 56 0 1,629 3,20 -1,62 -0,19 -0,98 -1,00 -1,04 -0,82 59 0 1,489 3,17 -1,23 0,06 -1,34 -0,43 -1,03 -0,44 62 0 1,366 3,11 -0,59 -0,29 -2,42 1,48 -0,98 0,16 55 0,25 1,716 3,24 -0,08 -0,26 -0,96 -1,15 -1,06 -1,01 57 0,305 1,566 3,15 0 0 -0,90 -0,60 -1,02 -0,67 1l R E V E N D I C A T I O N Spectrographe de masse comprenant une source (2) géné- ratrice d'ions, un moyen (11, 12) permettant de séparer les ions suivant leur masse, et un moyen (6) permettant de détecter les fais- ceaux ioniques, caractérisé en ce que le moyen de séparation des ions comprend un champ magnétique homogène (1) de type sectoriel, et en ce que le champ magnétique a un angle-de déviation compris entre 110 et 135 , et des angles d'entrée et de sortie compris entre 40 et 60 .