Brevet FR2514946A1 — publié le 19830422

l 2514946 La présente invention concerne une source d'ions qui peut être utilisée, par exemple, à l'analy- se des gaz par spectrométrie de masse. On connait une source d'ions d'un premier type, qui comprend une chambre d'ionisation, une sour- ce d'électrons constituée par un filament chauffant (cathode) et une "trappe" (anode) en regard. Les électrons émis sont accélérés entre le filament et la chambre d'ionisation et ionisent les molécules du gaz contenu dans la chambre Un système- d'asservissement peut éventuellement permettre, grâce au courant électronique recueilli sur l'anode, de ré- guler le courant circulant dans le filament et donc, de stabiliser le flux des électrons émis vers la zone d'ionisation. Un champ magnétique dirigé dans le sens du faisceau électronique, canalise les électrons et per- met une meilleure extraction des ions produits vers un appareil d'analyse, tel qu'un spectromètre de masse, par exemple. Dans ce type de source, chaque électron émis ne traverse la chambre d'ionisation qu'une seule fois, lorsqu'il ne vient pas ioniser une molécule Il en résulte un rendement d'ionisation faible, se situant entre O 4 et 10 î 6 Ce rendement est défini par le rapport du nombre d'ions formés au nombre d'électrons émis. On définit un autre coefficient caractéris- tique des performances d'une source d'ions, par le rapport du nombre d'ions formés au nombre de molécules introduites; ce coefficient est qualifié "luminosi- té" La luminosité des sources décrites plus haut est très faible (ô l O 5). On connaît aussi des sources d'ions d'un deuxième type dont le rendement d'ionisation ainsi que la luminosité sont plus élevés que ceux des sources précédentes Ces sources comprennent un filament qui produit des électrons, une cathode accélératrice et une anode recueillant le courant électronique Entre la cathode et l'anode, se trouve une électrode inter- médiaire et derrière l'anode, est disposée une antica- thode Des impulsions de tension sont appliquées à la cathode de manière à provoquer une décharge entre la cathode et l'électrode intermédiaire Cette décharge ionise le gaz Les électrons produits oscillent alors dans la zone située entre l'électrode intermédiaire et l'anticathode, zone dans laquelle est créé un creux de potentiel Les électrons provoquent une ionisation du gaz dans cette zone Cette source présente un meilleur rendement et une meilleure luminosité que la source précédente, mais sa structure est compliquée et sa mi- se en oeuvre très difficile. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des sources connues et notamment de réaliser une source d'ions dans laquelle les électrons oscillent, qui présente une structure et une mise en oeuvre plus faciles, un rendement et une luminosité plus élevés que le deuxième type de source mentionné plus haut. L'invention a pour objet une source d'ions comprenant une chambre d'ionisation à gaz et, dans cette chambre, au moins une source d'électrons, des moyens pour faire osciller les électrons issus de la source dans une direction prédéterminée de manière à créer une zone d'ionisation du gaz, et des moyens pour recueillir les ions produits, caractérisée en ce que les moyens pour faire osciller les électrons compren- nent deux lentilles électroniques identiques situées en regard l'une de l'autre et dont les axes coïncident avec la direction prédéterminée, deux miroirs sphéri- ques concaves tournés l'un vers l'autre et situés res- pectivement de part et d'autre des deux lentilles, de sorte que leurs centres coïncident respectivement avec les foyers des lentilles, la source d'électrons étant située au foyer de l'une des deux -lentilles. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion chaque lentille est constituée de manière à accé- lérer les électrons réfléchis par le miroir qui lui correspond et à décélérer les électrons provenant de l'autre lentille, la lentille dont le foyer constitue l'emplacement de la source étant apte à accélérer les électrons émis par cette source. Selon une autre caractéristique, la source d'ions comprend une autre source électronique située au foyer de l'autre des deux lentilles. Selon une autre caractéristique, les len- tilles sont portées à des potentiels électriques iden- tiques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique qui permet de mieux comprendre par analogie et avec un système op- tique, la structure et le fonctionnement de la sour- ce de l'invention; la figure 2 représente de manière plus détaillée la source d'ions de l'invention; la figure 3 représente la répartition des potentiels le long de l'axe X'X, de la chambre d'ionisation. En référence à la figure 1, on a représenté très schématiquement la source d'ions de l'invention. Cette source comprend une chambre d'ionisation 1 re- présentée de manière schématique et, dans cette cham- bre, au moins une source d'électrons SE 1 et, des moyens pour faire osciller les électrons issus de la source,dans une direction prédéterminée XX', de maniè- re à créer une zone Z d'ionisation du gaz contenu dans la chambre 1 Ces moyens comprennent deux lentilles électroniques L 1, L 2 identiques, situées en regard l'une de l'autre et dont les axes coïncident avec la direction prédéterminée X'X Ces moyens comprennent aussi deux miroirs sphériques M 1, M 2, concaves, tour- nés l'un vers l'autre et situés respectivement de part et d'autre des deux lentilles L 1, L 2 Les centres de ces miroirs coïncident respectivement avec les foyers F 1, F 2 des lentilles La source d'électrons SE 1 est située par exemple au foyer F 1 de la lentille L 1 Com- me on le verra plus loin en détail, chaque lentille est constituée de manière à accélérer les électrons réfléchis par le miroir qui lui correspond et de ma- nière à décélérer les électrons provenant de l'autre lentille C'est ainsi par exemple que la lentille L 2 permet de décélérer les électrons qui proviennent de la lentille L 1 et d'accélérer les électrons qui sont réfléchis par le miroir L 2 tandis que la lenlille décélère les électrons provenant de la lentille L 2 et accélère les électrons émis par la source SE 1 ou les électrons réfléchis sur le miroir M 1 Une autre source d'électrons SE 2 identique à la source SE 1 peut éven- tuellement être placée au foyer Fi de la lentille L pour fournir des électrons, notamment en cas de panne de la source SE 1 Comme on le verra plus loin en dé- tail, les lentilles L 1 et L 2 sont portées à des poten- tiels électriques identiques On a également représen- té sur cette figure des pièces polaires magnétiques N et S qui permettent éventuellement une meilleure foca- lisation des électrons qui circulent dans la chambre d'ionisation, mais qui ne sont pas indispensables En effet, la focalisation des électrons peut être assurée suffisamment par les lentilles Dl,, D 21, D 31, D 12, D 22, D 32. La figure 2 représente de manière plus dé- taillée, une source d'ions conforme à l'invention Les mêmes éléments portent les mêmes référencs sur cette figure que sur la figure 1 On suppose que tous les éléments représentés sur cette figure sont cylindri- ques et qu'ils sont vus en coupe, les ouvertures dans ces éléments étant rectangulaires Le dispositif qui est représenté ici de manière plus détaillée comprend les lentilles L 1 et L 2, les miroirs M 1 et M 2, les sources d'électrons SE 1 et SE 2, et les pièces polaires magnétiques N et S La chambre d'ionisation 1 est re- présentée de manière schématique en traits interrom- pus La source d'électrons SE 1 peut être constituée par exemple par un filament chauffant, non référencé, situé au foyer Fi de la lentille L 1 et entouré d'une électrode C 1 (Whenelt) La lentille LI peut être cons- tituée par des diaphragmes D 11, D 211 D 31 De la même manière, la lentille L 2 peut être constituée par des diaphragmes D 12, D 22, D 32 On a également représenté sur cette figure, la deuxième source électronique SE 2 qui est constituée par un filament non référencé situé au foyer F 2 de la lentille L 2, et par une électrode C 2 entourant ce filament A titre d'exemple, le filament, la ou les électrodes C 1 ou C 2 et les miroirs M 1 et M 2 sont portés au potentiel du filament, voisin de O volt Des diaphragmes Dil et D 32 sont portés à un po- tentiel voisin de 280 volts, les diaphragmes D 31 et D 12, qui sont électriquement isolés des diaphragmes précédents, ainsi que la chambre d'ionisation 1, sont portés à un potentiel voisin de 190 volts Les dia- phragmes D 21 et D 22 sont portés à un potentiel négatif voisin de -10 volts L'allure du faisceau d'électrons oscillants est représentée en 2 sur la figure La zone d'ionisation est la zone comprise entre les diaphrag- mes D 31 et D 12 ' La figure 3 représente la répartition du po- tentiel V le long de l'axe XX' de la chambre d'ionisa- tion Dans la zone d'ionisation Z comprise entre les diaphragmes D 31 et D 12, le potentiel est constant Ce potentiel est nul au voisinage du filament situé au foyer F 1, puis il croît pour atteindre un maximum au voisinage du diaphragme D 21 et enfin, décroît jusqu'au voisinage du diaphragme D 31, pour se stabiliser ensui- te à une valeur constante dans la zone d'ionisation Z, entre les diaphragmes D 31 et D 12 ' Le potentiel croit alors de nouveau entre les diaphragmes D 12 et D 22 pour atteindre une valeur, nulle au voisinage du filament situé au foyer F 2 de la lentille L 2. Grâce au dispositif qui vient d'être décrit, chaque électron peut effectuer jusqu'à 25 000 oscilla- tions La durée de vie d'un électron produit par la source de l'invention est d'environ 50 000 fois plus longue que la durée de vie d'un électron produit par les sources connues La source de l'invention permet donc, en augmentant le parcours de l'électron et sa durée de vie (grâce aux oscillations) d'obtenir un rendement et une luminosité bien supérieurs à ceux des dispositifs existants puisque le nombre d'ions formés peut être bien plus grand, il en résulte aussi que le nombre de molécules gazeuses que l'on peut introduire dans la chambre d'ionisation peut être lui aussi bien plus élevé que pour les sources connues En fait, dans la source qui vient d'être décrite, tout électron issu du filament situé au foyer F 1 de la lentille Li est focalisé au foyer F 2 de la lentille L 2, puis repart en sens inverse après avoir été réfléchi par le miroir M 2 Cet électron qui est alors issu de la lentille L 2 retrouve des conditions identiques avec la lentille L et le miroir M 1. La source qui vient d'être décrite présente de nombreux avantages par rapport aux sources existan- tes: la luminosité est multipliée par 20, le rende- ment d'ionisation est multiplié par 200, la températu- re de la chambre est fortement abaissée puisqu'elle passe de 800 C à 400 C (puisqu'il n'est pas nécessaire de produire autant d'électrons qu'avec les dispositifs existants pour ioniser le même nombre de molécules de gaz) La température du filament lui-même peut être abaissée de 5000 puisqu'à rendement égal, le nombre d'électrons émis par le filament-doit être moins éle- vé, tandis que la puissance électrique qui est fournie à ce filament est deux fois plus faible Le courant d'émission électronique est divisé par 10, tandis que la durée de vie moyenne du filament passe de 5 000 heures à 2 109 heures Les performances bien meilleu- res que celles des sources connues et notamment l'aug- mentation de la luminosité, permettent de fournir des courants d'ions beaucoup plus intenses aux spectromè- tres de masse et donc d'accroître le rapport signal/bruit Cet accroissement de la luminosité per- met, pour des courants ioniques équivalents à ceux des sources connues, d'utiliser des gaz présentant des pressions bien plus faibles et ainsi, de ménager la durée de vie des sources La symétrie du dispositif permet d'inverser la source émettrice d'électrons. REVENDICATIONS 1 Source d'ions comprenant une chambre d'ionisation ( 1) à gaz et, dans cette chambre, au moins une source d'électrons (SE 1), des moyens pour faire osciller les électrons issus de la source (SE) dans une direction (X'X) prédéterminée de manière à créer une zone d'ionisation (Z) du gaz, et des moyens pour recueillir les ions produits, caractérisée en ce que les moyens pour faire osciller les électrons com- prennent deux lentilles électroniques (L 1, L 2) iden- tiques situées en regard l'une de l'autre et dont les axes coïncident avec la direction (X'X) prédéterminée, deux miroirs sphériques (M 1, M 2) concaves tournés l'un vers l'autre et situés respectivement de part et d'au- tre des deux lentilles (L 1, L 2), de sorte que leurs centres coïncident respectivement avec les foyers (F 1, F 2) des lentilles, la source (SE 1) d'électrons étant située au foyer (F 1) de l'une des deux lentilles (Ll, L 2)' 2 Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque lentille (LI) est cons-. tituée de manière à accélérer les électrons réfléchis par le miroir qui lui correspond (MI) et à décélérer les électrons provenant de l'autre lentille (L 2), la lentille (L 1) dont le foyer (F 1 > constitue l'emplace- ment de la source (SE 1) étant apte à accélérer les électrons émis par cette source. 3 Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une autre source électronique (SE 2) située au foyer (F 2) de l'autre (L 2) des deux lentilles. 4 Source d'ions selon la revendication 2, caractérisée en ce que les lentilles (L 1, L 2) sont portées à des potentiels électriques identiques.