Brevet FR2508702A1 — publié le 19821231

FILAMENT POUR SPECTROMETRE DE MASSE A THERMOlONISATION La présente invention se rapporte aux filaments qui sont utilisés dans les spectromètres de masse à thermoionisation. Dans un spectromètre de masse on commence par ioniser les corps à étudier. Les ions ainsi obtenus sont ensuite accélérés par un champ électrique puis déviés dans leur course par au moins un déviateur magnétique ou électrostatique. Des versions plus élaborées utilisent plusieurs systèmes de déflection qui permettent de mieux séparer les faisceaux correspondant à des corps de poids atomiques ou moléculaires distincts. Le premier problème rencontré dans la construction d'un tel appareil est bien évidemment celui des moyens permettant ioniser les corps que l'on veut étudier. Le procédé le plus simple et le plus couramment utilisé pour les éléments solides consiste à chauffer ces corps Jusqu'à une température permettant leur ionisation sur une surface. Ce chauffage s'effectue généralement à l'aide d'un filament parcouru par un courant électrique et sur lequel le corps analysé a été déposé. Sous l'effet de la chaleur le corps s'évapore et peut échanger par thermoionisation ou par ionisation-de surface un ou plusieurs électrons avec le filament. Les ions ainsi formés sont extraits du voisinage du filament par une autre électrode distante et portée elle à un potentiel positif ou négatif par rapport au filament suivant le type d'ions formés. Pour tout un ensemble de raisons, on est toujours amené à opérer sur des quantités extrêmement réduites de corps à analyser et donc sur une masse de quelques nanogrammes à quelques microgrammes. Une quantité aussi faible donne lieu à l'émission d'un nombre extrêmement réduit d'ions qui correspond elle-même à un courant de faisceau très faible de 10-1 à 10-14 ampères ou moins selon les corps et les isotopes. Ce courant est mesuré par des détecteurs qui doivent être très sensibles et présenter un très faible bruit de fond. En fait, le rendement de la thermoionisation est relativement faible et constitue donc le principal paramètre sur lequel on peut jouer pour augmenter la sensibilité et la précision de l'appareil en augmentant le courant de faisceau. Le dispositif le plus simple utilisé pour obtenir la thermoionisation d'un corps est celui dit à simple filament représenté sur la figure 1. Il comporte un filament unique 101 en métal réfractaire tel que le rhénium, le tantale, ou le tungstène. Ce filament se présente sous la forrne d'un ruban rectangulaire dont les dimensions les plus courantes sont de 1 centimètre de long sur 0,75 millimètre de large pour une épaisseur de 25 ou 50 microns. Ce filament est soudé à ses extrémités sur deux colonnes de support 102 et 103 qui servent également d'électrodes pour amener le courant de chauffage aux filaments. On dépose sensiblement au milieu du filament une petite goutte de liquide contenant en solution le corps à étudier. En s'évaporant la goutte laisse sur le centre du filament ce corps sous la forme d'une petite tache 104. On chauffe ensuite le filament selon une procédure bien déterminée pour amener le corps à étudier dans un état où il est susceptible de subir avec le maximum d'efficacité la thermoionisation. Les ions ainsi obtenus quittent le filament sous l'attraction du champ qui leur est appliqué selon une direction E sensiblement perpendiculaire à la surface de ce filament. Malheureusement le rendement d'un tel dispositif n'est pas très bon, notamment parce que la température d'évaporation des corps est généralement inférieure à la température d'ionisation et que l'on obtient ainsi une perte sensible. Une première amélioration a consisté à former un tel filament sous la forme dite canot qui correspond donc à un creux allongé au milieu du filament dans lequel on place le corps à étudier. Les résultats sont meilleurs, sans plus. Pour pouvoir contrôler séparément la température d'évaporation et la température d'ionisation, on a imaginé un dispositif à triple filaments représenté sur la figure 2. Dans ce dispositif on utilise trois filaments 201 à 203 de dimensions sensiblement égales, supportés par des colonnettes jouant le rôle d'électrodes d'arrivée du courant et non représentées sur la figure pour des raisons de simplicité. Le filament d'ionisation 202 est identique au filament unique 101 de la figure I et il est situé perpendiculairement à la direction E d'extraction des ions. Il est entouré par deux filaments 201 et 203 d'évaporation, qui le bordent le long de ses deux grands côtés en lui étant perpendiculaires. Ces trois filaments ont sensiblement les mêmes dimensions et forment ainsi une gouttière de section en forme de U. La goutte de solution 204 contenant le corps à étudier est déposée sur au moins l'un des filaments d'évaporation, sensiblement au milieu de la face qui est en regard de celle de l'autre filament d'évaporation. Pour utiliser ce dispositif on alimente les deux filaments d'évaporation par un courant qui permet de les porter à une température suffisante pour l'évaporation, mais relativement modérée. Les atomes; ou les molécules, du corps ainsi évaporé, se dispersent dans l'espace environnant, et une fraction d'entre eux vient frapper le filament d'ionisation 202. Ce dernier est alimenté par un courant généralement supérieur à celui des deux autres filaments et qui permet d'obtenir une température importante conduisant à une bonne ionisation. Une telle température est classiquement comprise entre 2000 et 2500 degrés. On arrive donc ainsi à contrôler séparément la température d'évaporation et la température d'ionisation, ce qui améliore très sensiblement le rendement de thermoionisation exprimé en nombre d'ions formés par atome déposé. Toutefois ce dispositif présente quand même des pertes sensibles par rapport au maximum théorique du rendement de thermoionisation. En effet, si l'on se réfère à la figure 3 qui représente une coupe transversale du dispositif de la figure 2, on constate que la distribution des atomes évaporés, qui est sensiblement Lambertienne, est représentée par le cercle 205 tangent au filament 201. I1 est bien clair que seule une fraction du flux, représentée par le secteur 206 centré sur le point d'émission et intercepté par le filament 202, conduit à obtenir des ions. Tout le reste est perdu. En fait il y en a quand même une petite partie qui est récupérée parce qu'elle vient rebondir sur le deuxième filament d'évaporation 203, mais au total les pertes sont encore importantes. Pour diminuer ces pertes on a proposé de fabriquer des sources à émetteurs poreux, ou à capillaires. Le rendement est en effet alors meilleur mais de telles sources sont plus difficiles à réaliser et à utiliser dans un spectromètre de masse à thermoionisation. Pour augmenter le rendement de l'ionisation, l'invention propose un filament pour spectromètre de masse à thermoionisation, du type comprenant un filament de vaporisation, et un filament d'ionisation présentant une face plane et perpendiculaire à une direction d'extraction, principalement caractérisé en ce que le filament de vaporisation a la forme d'un prisme dont l'axe est parallèle à la direction d'extraction et dont les deux bases sont ouvertes ; l'une de ces bases étant adjacente à la face plane du filament d'ionisation. D'autres particularités et avantages de Invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures ci-après: - la figure 1, qui représente une source à simple filament - la figure 2, qui représente une source à triple filament - la figure 3, qui représente une coupe de la source de la figure 2 - la figure 4, qui représente un schéma de principe d'un -filament selon l'invention ; et - les figures 5, 6 et 7, qui représentent trois variantes de réalisation du filament de la figure 4. Le schéma de principe d'un dispositif selon l'invention est représenté sur la figure 4. Il comprend un filament d'ionisation 402, identique au filament 202, perpendiculaire lui aussi à la direction d'extraction E et représenté sans ses moyens de support et d'alimentation en énergie électrique. Le filament de vaporisation 401 prend ici la forme d'un cylindre d'axe parallèle à E et dont la base inférieure est située à une distance e de la surface du filament d'ionisation. Le corps à ioniser est déposé sur la surface intérieure de ce filament cylindrique et forme une petite tache 404. Sous l'effet des moyens de chauffage, non représentés, de ce cylindre, le corps 404 s'évapore et une grande partie des atomes évaporés, beaucoup plus importante que dans le cas du triple filament classique, vient frapper le filament d'ionisation 402 en traversant la base inférieure du cylindre qui est ouverte. Sous l'effet de la température à laquelle est porté ce filament d'ionisation, ces atomes s ionisent et sont alors soumis aux effets du champ d'extraction du spectroanètre. Sous ces effets ils échappent du dispositif d'ionisation par la base supérieure du cylindre 401, qui est elle aussi ouverte. En prenant pour la distance e entre la base inférieure du cylindre et la surface supérieure du filament d'ionisation, une valeur tout juste suffisante pour qu'il n'y ait aucun contact fortuit entre les deux filaments sous l'effet des déformations dues à la température, et en prenant pour diamètre du cylindre 401 une valeur très voisine de la largeur du filament 402, il n'y a pratiquement aucune fuite entre les deux filaments. Comme il serait extrêmement difficile de déposer le corps de manière préférentielle dans le bas du cylindre, et que la répartition aléatoire de ce corps est sensiblement centrée sur le milieu du cylindre, la répartition de la vapeur entre le bas et le haut est, pour des raisons de symétrie, sensiblement identique. Il n'y a donc pas lieu d'augmenter sans raison la longueur du cylindre, et on pourra se contenter des dimensions obtenues selon les matériaux disponibles pour sa construction, soit, comme on le verra plus loin, le plus souvent une hauteur du cylindre égale à la largeur du filament d'ionisation. Un mode de réalisation des moyens de chauffage du filament de vaporisation consiste à enrouler autour de la surface extérieure de celuici un filament de chauffage isolé par une matière électriquement isolante afin de ne pas avoir de courtcircuit. On obtient ainsi un cylindre chauffant très semblable à certaines cathodes de tubes électroniques. Toutefois la réalisation d'un tel cylindre est relativement délicate et sa tenue en température pose des problèmes de longévité. Dans une réalisation préférentielle, représentée sur la figure 5, le filament de vaporisation est de forme dite oméga, obtenue à partir d'un ruban de métal réfractaire de dimensions semblables à celles du filament d'ionisation 402, et mis en forme pour obtenir le filament représenté sur la figure 5. I1 comporte une zone d'évaporation 501, et deux zones d'alimentation 503. La zone d'évaporation présente la forme d'un cylindre aussi fermé que possible et interrompu par une fente verticale parallèle à ses génératrices. Les deux lèvres de cette fente sont prolongées par deux parties rectilignes 503 qui permettent de supporter la partie centrale 501 et de l'alimenter par le courant électrique nécessaire au chauffage. Ces deux ailes sont soudées sur deux supports 504 qui permettent de supporter l'ensemble et d'appliquer la tension électrique voulue. Le filament présente ainsi la forme de la lettre grecque oméga, d'où son nom. ta fente est juste assez large pour éviter les contacts accidentels sous l'élévation de température, et provoque une fuite de vapeur tout à fait négligeable. II est clair que la disposition en croix des deux filaments l'un par rapport à l'autre, représentée sur la figure, n'est qu'une variante de réalisation, qui est particulièrement satisfaisante pour faciliter le problème d'alimentation et de support du filament de vaporisation. Toutefois, selon les supports disponibles pour ces filaments, le croisement entre eux peut être quelconque, et le plan des ailes sdi peut même être parallèle à la longueur du filament 402. De même ces ailes peuvent faire un certain angle entre elles et ne pas être dans le prolongement l'une de l'autre. Des essais de fabrication d'un tel filament ont montré que le rhénium et le tantale conviennent parfaitement pour fabriquer ce filament. Des essais d'utilisation d'un tel filament dans un spectromètre de masse ont montré que pour des dépôts identiques et des conditions de fonctionnement du spectromètre identiques, le courant ionique détecté est de l'ordre de trois fois supérieur à celui d'un triple filament classique. Ces mêmes essais ont montré qu'après un fonctionnement en continu de 19 heures le filament ne présentait pas de déformation notable. Les mesures effectuées montrent également que, alors qu'un triple filament classique donne dans l'appareil utilisé une sensibilité, définie comme le rapport du nombre d'ions détectés par atome déposé, de 1 à 1.5x10-4 on obtenait avec ce filament en oméga une sensibilité voisine de 4x10-4. I1 est clair que dans un spectromètre étudié pour tenir compte de la nouvelle géométrie de la source d'ions ainsi obtenue, la sensibilité pourrait être encore meilleure. D'autres modes de réalisation du filarnent de vaporisation per mettent de supprimer la fente verticale du dispositif en oméga. L'un de ces modes de réalisation est représenté sur la figure 6 et consiste à prendre deux filaments présentant chacun une partie en demicylindre 601 et deux ailes 603. Ces filaments sont supportés deux à deux par des supports 504 de manière à se trouver en vis-à-vis et à ce que les deux parties 601 forment un cylindre complet. Dans une variante du dispositif ci-dessus, représentée sur la figure 7, les ailes 703 des deux filaments formant le filament de vaporisation sont réunies ensemble et soudées par points. On n'a alors besoin que de deux supports 504 comme dans le cas du filament en oméga. Ces deux dernières variantes de réalisation donnent très sensiblement les mêmes résultats que le filament en oméga, mais bien que leur contruction soit plus aisée en raison des rayons de courbure plus faibles, leur stabilité est moins grande aux variations de température et ils se déforment plus facilement. L'invention s'étend bien évidemment à toute structure prismatique équivalente au cylindrique 401, et telle que par exemple un prisme à base carrée ou octogonale. REVENDICATIONS 1. Filaient pour spectromètre de rnasse à thermoionisation, du type comprenant un filament de vaporisation (401), et un filament d'ionisation (402) présentant une face plane et perpendiculaire à une direction (E) d'extraction, caractérisé en ce que le filament de vaporisation (401) a la forme d'un prisme dont l'axe est parallèle à l'axe d'extraction des ions et dont les deux bases sont ouvertes ; I'une de ces bases étant adjacente à la face plane du filament d'ionisation. 2. Filament selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filament d'ionisation (402) est un ruban plat, et en ce que le filament de vaporisation (401) est un cylindre dont le diamètre intérieur est sensiblement égal à la largeur de ce ruban. 3. Filament selon la revendication 2, caractérisé en ce que le cylindre (501) formant le filament de vaporisation est interrompu selon une génératrice par une fente aux lèvres de laquelle sont raccordées deux ailes (503) pour le supporter et l'alimenter en courant électrique. 4. Filament selon la revendication 2, caractérisé en ce que le cylindre (601) formant le filament de vaporisation est formé de deux demi-cylindres (601) séparés par deux fentes le long de deux génératrices, et qu'il comporte quatre ailes (603) raccordées respectivement aux lèvres de ces deux fentes pour supporter et alimenter en courant électrique séparément ces deux demi-cylindres. 5. Filament selon la revendication 2, caractérisé en ce que le cylindre formant le filament de vaporisation est formé de deux demicylindres (701) réunis le long de deux génératrices, et qu'il cornporte quatre ailes (703) soudées entre elles deux à deux et raccordées respectivement aux deux demi-cylindres le long de ces deux génératrices pour supporter et alimenter en courant électrique simultanément les deux demi-cylindres. 6. Filament selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les ailes (503, 603, 703) sont alignées selon une direction cornmune sensiblement perpendiculaire à la longueur du filament d'ionisation (402). 7. Filament selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caracté risé en ce que la hauteur du cylindre (401) formant le filament de vaporisation est sensiblement égale à la largeur du ruban (402) formant le filament d'ionisation. 8. Filament selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un filament de chauffage enroulé autour du cylindre (401) formant le filament de vaporisation, et isolé électriquement de ce dernier.