Brevet FR2514905A1 — publié le 19830422

La présente invention concerne un disposi- tif de mesure d'un courant ionique produit par un faisceau d'ions Elle s'applique notamment à la mesure des courants ioniques produits par les faisceaux d'ions issus de la source d'un spectromètre de masse. On connaît divers dispositifs de mesure de courants ioniques, notamment en spectrométrie de mas- se La difficulté essentielle dans ces mesures résulte du fait que les courants ioniques sont très faibles et que, malgré l'utilisation de chaînes d'amplification et d'ampèremètres" coûteux, il est difficile de mesurer directement des courants dont la valeur est inférieure à 10-16 ampères Les chaînes d'amplifica- tion sont généralement des chaînes d'amplification en courant continu, et il arrive souvent que les courants de fuite ou que le bruit de fond aient une amplitude supérieure à celle du courant à mesurer. On sait en partie remédier à cet inconvé- nient en utilisant des dispositifs de mesure compre- nant des chaînes d'amplification en courant alterna- tif Pour pouvoir utiliser ces-chaînes d'amplification en courant alternatif, deux méthodes sont connues: on peut moduler le faisceau ionique au moment de sa formation Dans un spectromètre de masse, cette mo- dulation intervient à la sortie de la chambre d'io- nisation, avant l'espace qui est soumis à un champ magnétique de séparation des ions issus de la sour- ce Cette modulation peut être réalisée, par exem- ple, par un dispositif rotatif ou vibrant traversé par les ions issus de la chambre Cette modulation à la source, a pour principal inconvénient d'affecter le faisceau d'ions avant la séparation magnétique. on sait également effectuer une modulation du cou- rant issu des collecteurs d'ions Cette modulation a pour principal inconvénient d'être effectuée sur des courants très faibles ( 10-15 à 10 16 A} Comme les amplificateurs de la chaîne travaillent en bou- cle fermée utilisant des contre-réactions dans le- quelles interviennent des résistances de très forte valeur ( 1010 à 1012 ohms), il en résulte que le bruit propre des résistances ajouté au bruit d'en- trée des amplificateurs, à leur courant de fuite et à leur dérive, fournissent un rapport signal/bruit qui limite la détection à 100 wv aux bornes d'une résistance de 1011 ohms. L'invention a pour but de remédier à ces in- convénients et notamment de réaliser un dispositif de mesure d'un courant ionique produit par un faisceau d'ions, dans lequel on effectue une modulation de l'intensité du courant ionique grâce à des moyens si- tués à l'intérieur de la chambre vide après sépara- tion, et au niveau des collecteurs d'ions, ceci per- met, comme on le verra plus loin, d'éviter tout pro- blème de bruit de fond lié à une modulation effectuée à l'entrée de la chaîne d'amplification du courant de mesure. L'invention a pour objet un dispositif de mesure d'un courant ionique produit par un faisceau d'ions, comprenant une chambre à vide reliée à une masse de référence, un diaphragme d'entrée du faisceau d'ions dans cette chambre, ce diaphragme étant situé à une extrémité du bottier, des moyens de collection des ions provenant du diaphragme, ces moyens de collection étant situés à une autre extrémité opposée de la cham- bre, et des moyens de mesure d'une tension périodique entre les moyens de collection et la masse de référen- ce, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens situés entre le diaphragme et les moyens de collection, pour provoquer une modulation périodique de l'intensité du courant ionique circulant entre les moyens de collection et la masse de référence, les moyens de mesure étant des moyens de mesure d'un cou- rant ou d'une fréquence. Selon une autre caractéristique de l'inven- tion, les moyens de modulation comprennent des plaques déflectrices situées dans la chambre et isolées de celle-ci, ces plaques sont parallèles à la direction du faisceau d'ions issus du diaphragme et sont reliées à des moyens pour leur appliquer alternativement et périodiquement des potentiels opposés, de manière à provoquer un balayage alternatif périodique des fais- ceau d'ions sur les moyens de collection, ces moyens de collection comprenant deux électrodes collectrices juxtaposées, isolées entre elles et isolées de la chambre, balayées alternativement et périodiquement par le faisceau. Selon une autre caractéristique, les moyens de mesure sont constitués par une chaîne d'amplifica- tion et de mesure d'une tension ou d'un courant pério- dique, cette chaîne présentant deux entrées reliées respectivement à chaque électrode collectrice. Selon une autre caractéristique, le dispo- sitif comprend en outre un convertisseur tension-fré- quence dont une entrée est reliée à une sortie de la chaîne d'amplification, et dont une sortie est reliée à une entrée de commande des moyens qui permettent d'appliquer alternativement et périodiquement aux plaques déflectrices, des potentiels opposés, de ma- nière à asservir la fréquence de balayage des électro- des de collection avec l'intensité du courant ionique. Selon une autre caractéristique, les moyens de modulation comprennent des moyens situés en amont des moyens de collection pour emmagasiner périodique- ment les ions dans la chambre et pour les libérer pé- 14905 riodiquement vers les moyens de collection, et des moyens de synchronisation des moyens pour emmagasiner et libérer périodiquement les ions. Selon une autre caractéristique, les moyens pour emmagasiner et libérer périodiquement les ions comprennent un ensemble de lentilles électroniques dont l'axe correspond à la direction du faisceau issu du diaphragme, ces lentilles électroniques étant re- liées à des moyens pour leur appliquer des tensions d'alimentation périodiques et répétitives qui présen- tent respectivement pour ces lentilles, des premières valeurs durant une première période d'emmagasinage des ions dans la chambre, et des deuxièmes valeurs durant une deuxième période de libération des ions, ces moyens d'alimentation étant commandés par les moyens de synchronisation. Selon une autre caractéristique, les len- tilles électroniques sont agencées pour que l'applica- tion des tensions présentant les premières valeurs, crée dans l'espace délimité par l'ensemble de lentil- les, une vallée de potentiel dans laquelle les ions oscillent durant la première période, tandis que l'ap- plication des tensions présentant les deuxièmes va- leurs, crée, dans cet espace, une chute de potentiel dirigée vers les moyens de collection, cette chute de potentiel libérant les ions vers les moyens de collec- tion, durant la deuxième période. Selon une autre caratéristique les moyens de mesure sont constitués par une chaîne d'amplification et de mesure d'un courant ou d'une tension périodique, une entrée de cette chaîne étant reliée à une sortie des moyens de collection. Selon une autre caractéristique, les moyens de collection sont constitués par une électrode unique isolée du boîtier. Enfin, selon une autre caractéristique, le dispositif comprend en outre un convertisseur tension- fréquence dont une entrée est reliée à une sortie de la chaîne d'amplification et dont une sortie est re- liée à une entrée de commande des moyens de synchroni- sation pour que ceux-ci commandent les moyens pour ap- pliquer aux lentilles des tensions de premières va- leurs et deuxièmes valeurs durant les premières et deuxièmes périodes répétitives. Les caractéristiques et avantages de l'in- vention ressortiront de la description qui va suivre, donnée en référence aux dessins annexés dans lequels: la figure 1 représente très schématiquement, le dis- positif de l'invention. la figure 2 représente schématiquement un dispositif de mesure conforme à l'invention, pour un premier mode de réalisation de celui-ci. la figure 3 représente schématiquement un dispositif conforme à l'invention, pour un second mode de réa- lisation de celui-ci. la figure 4 est un diagramme qui représente la ré- partition des potentiels le long de l'axe du dispo- sitif de mesure de la figure 3. La figure 1 représente très schématiquement un dispositif de mesure conforme à l'invention Ce dispositif de mesure permet de mesurer le courant io- nique produit par un faisceau I d'ions, provenant par exemple de la fente de sortie d'un spectromètre de masse, (non représenté), à partir d'une mesure de ten- sion ou de courant Le dispositif comprend une chambre à vide 1 reliée à une masse de référence M, un dia- phragme 3 d'entrée du faisceau dans la chambre; ce diaphragme 3 est porté à un potentiel V 0 par exemple, et traverse la chambre par un passage isolant 4 il est bien évident qu'il peut être constitué par une ou plusieurs lentilles électroniques et qu'il permet de transformer le faisceau d'ions qui parvient à une ex- trémité de la chambre en un faisceau d'ions parallèle à l'axe de cette chambre Le dispositif comprend aussi des moyens de collection 2 des ions situés à une autre extrémité opposée de la chambre, et des moyens de me- sure 5 qui sont reliés, à travers un passage isolant 6, aux moyens de collection 2 Ces moyens de mesure sont constitués par exemple par une chaine d'amplifi- cation 7 suivie d'un appareil de mesure 8, tel qu'un ampèremètre mesurant le courant dans une résitance'R, ce courant étant proportionnel au courant ionique Il est bien évident que la mesure pourrait être celle d'une tension, en sortie de la chaîne d'amplification. Le système comprend aussi des moyens 9 qui seront dé- crits plus loin en détail situés entre le diaphragme 3 et les moyens de collection 2 et qui permettent d'ob- tenir une modulation périodique de l'intensité du cou- rant ionique qui circule entre les moyens de collec- tion 2 et la masse de référence. La figure 2 représente de manière plus dé- taillée un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention Les mêmes éléments portent les mêmes références sur cette figure et sur la figure 1 Dans ce premier mode de réalisation du dispositif de l'in- vention, les moyens de modulation 9 comprennent deux plaques déflectrices Pl, P 2, situées dans la chambre et isolées de celle-ci Ces plaques sont parallèles à la direction du faisceau d'ions issu du diaphragme 3, et elles sont reliées à des moyens 10 qui permettent de leur appliquer alternativement et périodiquement des potentiels opposés; il en résulte un balayage al- ternatif et périodique des moyens de collection 2 par le faisceau d'ions Les moyens de collection sont, dans ce premier mode de réalisation de l'invention, constitués par deux électrodes collectrices 11, 12 juxtaposées, isolées entre elles et isolées de la chambre Ces électrodes sont balayées alternativement et périodiquement par le faisceau issu des plaques Pl, P 2, par suite de la variation périodique alterna- tive du champ électrique entre ces plaques La chaîne d'amplification et de mesure qui est reliée aux moyens de collection 2 est ici constituée par deux voies d'amplification Al, A 2, reliées par exemple à un som- mateur S Chacune de ces voies amplifie le signal reçu sur l'entrée correspondante et provenant de l'une des électrodes de collection 11, 12, En fait, à la sortie de chacune des voies Al, A 2, on obtient des impulsions périodiques dont la fréquence dépend de la fréquence à laquelle les tensions qui sont appliquées alternative- ment aux plaques Pl, P 2, sont commutées et dont l'am- plitude dépend de l'intensité du faisceau d'ions La sortie du sommateur S est reliée par exemple à un am- pèremètre alternatif 8, par l'intermédiaire d'une ré- sistance R. Dans ce mode de réalisation, le dispositif comprend aussi un convertisseur tension-fréquence 13 dont une entrée est reliée à une sortie de la chaîne d'amplification 7 et dont une sortie est reliée à une entrée de commande 14 des moyens 10 qui permettent d'appliquer alternativement et périodiquement aux plaques déflectrices Pl, P 2, des potentiels opposés. Ce convertisseur tension-fréquence permet en fait d'asservir la fréquence de balayage des électrodes 11, 12, de connexion des ions avec l'intensité du courant ionique Les moyens 10 peuvent être constitués, par exemple par un générateur de tensions, de type connu dont les sorties changent de polarité par rapport à la masse de référence, en fonction d'un signal de bommu- tation appliqué sur son entrée de commande 14. Le dispositif qui vient d'être décrit permet bien de mesurer à l'aide de chaînes d'amplification et de mesure alternatives, l'intensité de courants ioni- ques produits par un faisceau d'ions, sans qu'il soit nécessaire de moduler ce faisceau sur la sortie de la source d'ions ou en sortie des moyens de collection. Il permet ainsi d'éviter tous les problèmes de posi- tionnement du dispositif de mesure par rapport à la source et tous les problèmes qui, avec les dispositifs connus, sont dus au bruit de fond résultant de la mo- dulation des signaux issus des moyens de collection des ions Ce dispositif est de construction très sim- ple Il est en effet très facile de calculer la dévia- tion x du faisceau sur chacune des électrodes et la valeur absolue V du potentiel appliquée sur chacune des plaques déflectrices P 1, P 2, ce potentiel pouvant prendre alternativement et périodiquement les-valeurs + V et -V sur chacune de ces plaques déflectrices En effet, si l'on désigne par: a l'angle de déviation du faisceau d'ions entre les plaques déflectrices, par rapport à l'axe du dispo- sitif; E le champ électrique entre les plaques déflectri- ces; VO la tension d'accélération du faisceau par le diaphragme 3; d la distance entre les plaques déflectrices; V la valeur absolue de la tension appliquée à chacu- ne des plaques déflectrices; v O la vitesse des ions et m leur masse; D la distance entre l'extrémité des plaques déflec- trices du côté du diaphragme et les électrodes de collection; t la longueur des plaques déflectrices, il est pos- sible d'écrire tga = m E -P m v 02 o On sait également que 1 mv 2 = e VO et, E = - d'o il en résulte tga = 2 d V- d'o il est possible de déduire x LD V 2 d VO 2 d V =x D V La figure 3 représente schématiquement un second mode de réalisation du dispositif de l'inven- tion Dans ce mode de réalisation, les moyens de modu- lation comprennent des lentilles électroniques Ll, L 2, L 3 qui sont situées en amont des moyens de collection 2, sur le parcours du faisceau d'ions 1 L'axe de ces lentilles correspond à la direction du faisceau issu du diaphragme 3 Ces lentilles permettent, comme on le verra plus loin en détail, d'emmagasiner périodique- ment les ions dans la chambre, puis de les libérer périodiquement vers les moyens de collection 2, de fa- çon répétitive A cet effet, ces lentilles sont re- liées à des moyens 15 qui permettent de leur appliquer des tensions d'alimentation Vl, V 2, V 3, périodiques et répétitives; ces tensions présentent respectivement des premières valeurs durant une première période d'emmagasinage des ions dans la chambre, et des deuxièmes valeurs, durant une deuxième période de li- bération des ions vers les moyens de collection 2 Les moyens d'alimentation des lentilles Ll, L 2, L 3, sont commandés par des moyens de synchronisation 16 eux- mêmes reliés à un convertisseur tension/fréquence 17 dont l'entrée est reliée à la sortie de la chaîne d'amplification alternative 7 Les moyens de mesure ont été représentés en 8 sur cette figure et ils peu- vent être constitués comme précédemment par un ampère- mètre alternatif relié à la masse par une résistance R Comme on le verra plus loin en détail, on obtient à la sortie de la chaîne d'amplification 7 des impul- sions dont l'amplitude est proprotionnelle à la quan- tité d'ions libérée du boîtier durant chaque deuxième période pour laquelle des deuxièmes valeurs de ten- sions sont appliquées aux lentilles électroniques. La figure 4 est un diagramme qui représente la répartition des potentiels le long de l'axe du dis- positif de mesure de la figure 3. Sur ce diagramme, la référence A représente la répartition des potentiels le long de l'axe X-X'du dispositif, durant la première période d'emmagasinage des ions dans une vallée U de potentiel, créée entre les lentilles Ll et L 3 Sur cette figure, les référen- ces 2 et 3 représentent respectivement les emplace- ments des électrodes de collection 2 et du diaphragme 3 On suppose que les lentilles qui constituent ce diaphragme sont portées à des potentiels tels qu'à la sortie de celui-ci, le potentiel V est nul comme le représente le point E du diagramme On suppose égale- ment qu'à la sortie de la source, les ions sont soumis au potentiel VI Les lentilles Ll et L 3 sont supposées portées à des potentiels voisins, tels que la lentille L 3 ait un potentiel légèrement supérieur à celui de la lentille Ll Dans un exemple de réalisation, le poten- tiel de la lentille L 3 est légèrement supérieur à 4 k V, tandis que le potentiel de la lentille Ll est lé- gèrement inférieur à 4 k V La lentille L 2 est portée à un potentiel bien inférieur à celui des lentilles Ll et L 3 ( 3 k V environ), de manière à créer entre ces lentilles une vallée U de potentiel Il résulte de cette répartition que les ions provenant d'une source sont ralentis entre la source et le diaphragme 3, ac- célérés entre le diaphragme et la lentille Ll, puis arrivent dans une vallée U de potentiel {entre Ll et il L 3) dans laquelle ils oscillent pendant toute la pre- mière période d'application, sur les lentilles Li, L 2 et L 3, des potentiels décrits plus haut et qui permet- tent de créer la vallée U Lorsque suffisamment d'ions ont été emmagasinés dans cette vallée de potentiel, on modifie alors, durant la seconde période (diagramme B) les valeurs de potentiels appliqués aux lentilles Ll, L 2, L 3 Durant cette seconde période, les potentiels qui sont appliqués aux lentilles Li, L 2, L 3 sont tels que le potentiel appliqué à la lentille Ll (voisin de 4 k V par exemple) est supérieur au potentiel appliqué à la lentille L 2, lui-même supérieur au potentiel ap- pliqué à la lentille L 3 Il en résulte que les ions qui étaient emmagasinés dans la vallée de potentiel U, entre les lentilles Ll et L 3, sont évacués à cause des potentiels décroissants, en direction de l'électrode 2 (portée à un potentiel voisin de 2 k V par exemple). Dans l'exemple de réalisation qui vient d'être décrit, on suppose que la distance entre les lentilles Ll et L 3 est voisine de 2 cm, tandis que la distance entre la lentille L 2 et l'électrode 2 est voisine de 4 cm Les périodes d'emmagasinage des ions et de transfert de ceux-ci vers l'électrode de collec- tion sont respectivement voisines de 0,58 S et de 1,17 s La fréquence de répétition de périodes d'emma- gasinage et de transfert, est voisine de 500 k Hz. Il est bien évident que le dispositif pour- rait éventuellement comporter, en sortie de la chaîne d'amplification, un détecteur de seuil pour effectuer des mesures sur des impulsions d'amplitude suffisante. Il est bien évident que dans le dispositif qui vient d'être décrit, les moyens utilisés auraient pu être remplacés par des moyens équivalents, sans sortir du cadre de 1 'Tnvention. REVENDICATIONS 1 Dispositif de mesure d'un courant ionique produit par un faisceau (I) d'ions, comprenant une chambre à vide ( 1) reliée à une masse de référence (M), un diaphragme des ions provenant du diaphragme, ces moyens de col- lection étant situés à une autre extrémité opposée de la chambre, et des moyens de mesure ( 5) d'une tension périodique entre les moyens de collection ( 2) et la masse de référence, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens ( 9) situés entre le diaphragme ( 3) et les moyens de collection ( 2), pour provoquer une modulation périodique de l'intensité du courant ioni- que circulant entre les moyens de collection ( 2) et la masse de référence (M), les moyens de mesure ( 5) étant des moyens de mesure d'un courant ou d'une fréquence. 2 Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les moyens de modulation ( 9) com- prennent deux plaques déflectrices (Pl, P 2) situées dans la chambre et isolées de celle-ci, ces plaques sont parallèles à la direction du faisceau d'ions is- sus du diaphragme ( 3) et sont reliées à des moyens ( 10) pour leur appliquer alternativement et périodi- quement des potentiels opposés, de manière à provoquer un balayage alternatif périodique des moyens ( 2) de collection par le faisceau d'ions, ces moyens de col- lection comprenant deux électrodes collectrices ( 11, 12) juxtaposées, isolées entre elles et isolées de la chambre ( 1), balayées alternativement et périodique- ment par le faisceau (I). 3 Dispositif selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que les moyens de mesure ( 5) sont 14905 constitués par une chaîne ( 7) d'amplification et de mesure d'une tension ou d'un courant périodique, cette chaîne présentant deux entrées reliées respectivement à chaque électrode collectrice ( 11, 12). 4 Dispositif selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce qu'il comprend en outre un convertis- seur tension-fréquence ( 13) dont une entrée est reliée à une sortie de la chaîne d'amplification ( 7) et dont une sortie est reliée à une entrée de commande ( 14) des moyens qui permettent ( 10) d'appliquer alternati- vement et périodiquement aux plaques déflectrices (Pl, P 2), des potentiels opposés, de manière à asservir la fréquence de balayage des électrodes de collection par le faisceau d'ions, avec l'intensité du courant ioni- que. Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que les moyens de modulation compren- nent des moyens (L 1, L 2, L 3, 15) situés en amont des moyens de collection ( 2) pour emmagasiner périodique- ment les ions dans le boîtier et pour les libérer pé- riodiquement vers les moyens de collection ( 2), et des moyens de synchronisation ( 16) des moyens pour emmaga- siner et libérer périodiquement les ions. 6 Dispositif selon la revendication 5, ca- ractérisé en ce que les moyens pour emmagasiner et libérer périodiquement les ions comprennent un ensem- ble de lentilles électroniques (L 1, L 2, L 3) dont l'axe correspond à la direction du faisceau issu du dia- phragme ( 3), ces lentilles électroniques étant reliées à des moyens ( 15) pour leur appliquer des tensions d'alimentation périodiques et répétitives qui présen- tent respectivement pour ces lentilles, des premières valeurs durant une première période d'emmagasinage des ions dans la chambre, et des deuxièmes valeurs durant une deuxième période de libération des ions, ces moyens d'alimentation étant commandés par les moyens de synchronisation ( 16). 7 Dispositif selon la revendication 6, ca- ractérisé en ce que les lentilles électroniques (LI, L 2, L 3) sont agencées pour que l'application des ten- sions présentant les premières valeurs crée dans l'es- pace délimité par l'ensemble de lentilles une vallée de potentiel dans laquelle les ions oscillent durant la première période, tandis que l'application des ten- sions présentant les deuxièmes valeurs, crée, dans cet espace, une chute de potentiel dirigée vers les moyens de collection ( 2), cette chute de potentiel libérant les ions vers les moyens de collection ( 2), durant la deuxième période. 8 Dispositif selon la revendication 7, ca- ractérisé en ce que les moyens de mesure ( 5) sont constitués par une chaîne d'amplification ( 7) et de mesure ( 8) d'un courant ou d'une tension périodique, une entrée de cette chaîne étant reliée à une sortie des moyens de collection ( 2). 9 Dispositif selon la revendication 8, ca- ractérisé en ce que les moyens de collection ( 2) sont constitués par une électrode unique isolée de la-ham- bre ( 1). 10 Dispositif selon la revendication 8, ca- ractérisé en ce qu'il comprend en outre un convertis- seur tension-fréquence ( 17) dont une entrée est reliée à une sortie de la chaîne d'amplification ( 7) et dont une sortie est reliée à une entrée de commande des moyens de synchronisation ( 16) pour que ceux-ci com- mandent les moyens ( 10) pour appliquer aux lentilles des tensions de premières valeurs et deuxièmes valeurs durant les premières et deuxièmes périodes répétiti- ves.