Brevet FR2525813A1 — publié le 19831028

i 2525813 La présente invention se rapporte d'une façon générale aux sources d'ions pour des spectrometres de mas- se et, plus particulièrement, aux sources d'ions pour des spectromàtres de masse du type à secteur S. Des spectromètres de masse à secteur S sont Large- ment utilisés pour effectuer des analyses imposant des déterminations extrgmement précises des abondances relati- ves d'ions positifs,e terme "spectromètre à secteurs" est utilisé ici pour désigner un spectromatre comportant des surfaces d'aimants parallèles, en forme générale de sec- teur qui coopèrent pour définir un entrefer étroit et ai- longé par lequel un faisceau d'ions passe Ces spectro- mètres sont généralement conçus avec une symétrie rectan- gulaire, ce qui veut dire que les différentes ouvertures ou fentes par lesquelles passe le faisceau d'ions ont une forme générale rectangulaire. La Figure 1 représente une source d'ions bien connue du type Nier qui est réalisée avec une symétrie rectangulaire pour un spectromètre de masse à secteur. Comme le montre la Figure, la source d'ions est montée près d'un dispositif 5 approprié qui produit des ions po- sitifs Ta source comprend une première lentille électro- statique 7 pour former des ions positifs en un faisceau et pour diriger ce dernier sur une première fente cotli- matrice 9; une seconde lentille électrostatique (une paire de plaques z) 11 pour positionner et focaliser le faisceau dans la direction z (représentée sur la Figure 1); et une seconde fente 13 collimatrice de faisceau Plus particu- lièrement, la lentille 7 de formation de faisceau com- 3 porte une plaque de concentrationl 5, une plaque d'accélé- ration 17 et une plaque d'alignement de faisceau 19 pour le positionnement et la focalisation. Bien que des sources d'ions du type Nier et du type Nier modifié soient largement utilisées depuis 2 2525813 de nombreuses années, il existe depuis longtemps un be- soin pour des sources encore plus efficaces susceptibles d'atteindre des limites de détection plus basses En p Lus d'être moins efficaces que cela est souhaité, les sources courantes sont relativement cofteuses à fabriquer. De plus, elles sont contaminées par Les produits du fai- sceau ionique après des périodes relativement courtes en utilisation normale. Un objet de l'invention est donc de proposer une nouvelle source d'ions pourun spectronètre de masse. Un autre objet de l'tinvention est de proposer 'une source d'ions caractérisée par une meilleure précision et une meilleure sensibilité. Un autre objet encore de l'invention est de pro- poser une source d'ions qui améliore la précision des spectromètres de masse à secteurs - Un autre objet de l'invention est de proposer une source d'ions qui se caractérise par une plus grande longé- vité. Un autre objet encore est de proposer une source d'ions pour des spectromètres de masse à secteurs, relative- ment peu coâteuse à fabriquer. Un autre objet encore de l'invention estde propo- ser un procédé d'amélioration de la précision des spectro- mètres de masse à secteurs D'autres objets et avantages apparaîtront ci- après. Sous un aspect, l'inv ention peut se résumer comme suit: Dans la technique des analyses par spectromètre de masse à secteurs, dans lesquelles les ions positifs sont focalis 6 S en un faisceau qui est dirigé à travers une fen- te collimatrice, puis par un champ magnétique, le procédé d'augmentation de la précision d'analyse consiste à foca- liser Les ions en un faisceau de-section transversale cir- culaire, pour 8 tre col Limatés par la fente. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention apparattront au cours de la description qui va 3 2525813 suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexes sur lesque Ls t La Figure 1 représente schématiquement une sour- ce d'ions Nier-Dietz courante, la Figure 2 est un schéma de la source de la Figure 1, modifiée selon l'invention, et la Figure 3 est un graphe montrant des trajec- toires d'ions positifs, calculées par calculateur dans le plan X-Y et X-Z pour une source d'ions réalisée se- Ion l'invention. i,'expérience a montré le fait inattendu que la précision peut être sérieusement améliorée dans un spec- tromètre de masse à secteurs, par ailleurs de type stan- dard, 8 i l'élément de lentille électrostatique de la source d'ions est réa Lisée avec une symétrie circulaire. Autrement dit, il s'est avéré qu'une amélioration valable est obtenue si la lentille est réalisée pour produire un champ électrostatique symétrique circulairement pour for- mer le faisceau d'ions Le resté de la source d'ions (par exemple des plaques de collimateur et les plaques z) peut %tre du type courant Ainsi, contrairement à la pra- tique habituelle, la source selon l'invention utilisé à la fois une symétrie circulaire (la lentille de formation de faisceau) et une symétrie rectangulaire (les collima- teurs de faisceau et les plaques z) Un avantage important de la nouvelle source est qu'elle apporte une précision nettement améliorée Elle apporte également une améliora- tion utile de sensibilité De plus, comparativement avec des sources courantes de type Nier, la nouvelle source est moins cofteuse à fabriquer et fonctionne pendant de plus longues périodes avant d'être contaminée dans une mesure inacceptable. Se.on la Figure 2, une source d'ions a été réa- lisée selon l'invention pour comparer ses performances avec celles de la source standard de la Fig 1 Etant donné que les comparaisons ont été faites dans le même spectromètre de masse, les plaques pour la nouvelle source ont été réalisées avec les mwmes diamètres extérieurs, 4 ti 2525813 et les mêmes écartements entre plaques que dans la source standard Selon l'invention, ta lentille 21 de formation de faisceau dans La nouvelle source a été conçue avec une symétrie circulaire C'est-à-dire que les plaques 23, 25 et 27 de concentration, d'accéléra- tion et d'alignement ont été forrées avec des ouvertures respectives circulaires, es ouvertures ont été formées avec des diamètres ( 0,64 cm) dépassant les largeurs des ouvertures des plaques de lentille de la source standard pour permettre la focalisation des ions avec un plus grand déplacement par rapport à l'axe Pour produire une déflexion électrostatique dans la direction Y et compen- ser ainsi l'écart d'alignement mécanique du filament, la plaque de lentille 27 a été fendue suivant le plan y-z pour définir un intervalle de 0,005 cm Pour réduire l I'aberration sphérique, les plaques 25 et 27 ont été pré- vues avec des bossages cylindriques centraux 29 et 30 respectivement en option Les première et seconde pla- ques collimatrices 31 et 33 et les plaques z 35 sont de réalisation essentiellement courante res différentes plaques des deux-types de source ont été faites des mêmes matières. Le tableau ci-après résume les différentes dimen- sions de la nouvelle source (dimensions en centimètres). Tableau I Epaisseur de plaque 0,15 Longueur totale de source ' 5,40 Diamètre extérieur 5,00 Diamètre des orifices circu 0,64 laires Ecartements Plaque 23-plaque 25 0,37 Plaque 25-plaque 27 0,74 Plaque 27plaque 31 I,27 Plaque 31-plaque 33 2,20 Plaque'33-plaque 35 0,19 Entre plaques-Z 0,95 Largeurs de fente (plaques 0,018 31,33) 2525813 Les calculs détaillés des trajectoires des ions dans la nouvelle source ont été effectués en utilisant un programme de caloulateur interactif La F irure 3 mon- tre des tracés produits par le programhme Les deux tra- cés sont des sections dans les plans X-Y et X-Z Des lignes équipotentielles et des trajectoires d'ions pour des ions de 0,2 e V sont représentées i,es potentiels de certaines des lignes équipotentielles sont indiqués La focalisation dans les deux plans apparaît clairement; les tensions particulières choisies ne produisent pas do points de croisement à la fente collimatrice comme ce serait le cas en utilisation actuelle Les points de croisement dans les deux plans ne coincident pas, ce qui nécessite une focalisation supplémentaire dans la direc- tion Z assurée par les p Laques Z 35 La symétrie circu- laire de la source permet que les plaques Z soient paral- lèles au plan X-Z de mimie qu'au plan X-Y. Les deux sources d'ions ont été comparées en ce qui concerne leurs performances réelles en effectuant des séries dans un spectromètre de masse à secteurs standard, comprenant deux analyseurs magnétiques à 90 de rayon de 30 cm, réalisé pour une sensibilité d'abon- dance de 106 (Int J bass Spectrom Ion Phys ( 1972 - 1973), page 343) Le générateur d'iops du spectromètre consiste en un filament de Re en forme de nacelle con- tenant des perles de résine d'anions chargées avec de L 'Uranium ou du Plutonium Aucune dégradation des fortles du faisceau n'a été observée dans les séries exécutées avec la nouvelle source qui produisait une transmission plus élevée que la source standard Dans une expérience, six A dix analyses répétées sur chaque source ont été faites,a température moyenne du filament nécessaire pour obtenir un taux de comptage donné était nettement inférieure avec la nouvelle source Les résultats sont indiqués ci-après. 6 25258 '13 Eocantîiton Source Taux de comptagel Température seconde moyenne OC Pu Nier 1,5 x 105 1550 Pu Nouvele 1,5 x 105 1491 U Nier '310 x L 05 1812 U Vouvelle 3,0 x 10 % 1737 Avec la nouvelle source, le plutonium et l'uranium étaient émis respectivement à environ u O et environ 75 plus lpas Ce La représente une différence d'intensité du faisceau d'ions dans un rapport de cinq à sept. Pour confirmer la meilleure transmission d'ions de la nouvelle source, plusieurs pertes contenant des quan- tités connues de V et Pu ont été épuisées pour obtenir un rendement total de collection pour l'ensemble du sys- tème Les quantités présentes sur les perles ont été dé- terminées en sélectionnant plusieurs perles typiques, en extrayant le U ou Pu et en effectuant des-analyses par dilution isotopique Cela a donné une concentration de mé- tal par unité de volume de perles ra connaissance du dia- mètre d'une perte donnée permettait ainsi le calcul de la quantité présente Le résultat de ces analyses donne - environ un ion collecté pour 220 atomes chargés pour U; pour Pu, le chiffre était 1 pour 65 Ces chiffres repré- sentent une amélioration de transmission dans un rapport d'environ 3 ou 4 sur des analyses similaires avec la sour- ce standard Il a été également noté que la nouvelle sour- ce pouvait fonctionner pendant de plus longues périodes sans qu'un nettoyage soit nécessaire. La comparaison des'écarts standard internes et ex- ternes a été faite, utilisant les mînes analyses que-cet- les du tableau II Ta comparaison de précision est indiquée ci-après. Tabl'eau III Rapport approx Précision Interne Précision externe Standard Nouvelle Standard Nouvelle 0,86 0,22 0,15 0,24 0,18 0,46 0,23 O, 15 0,27 0,15 0,01 0,55 0,28 0,55 0,28 -_ 72525813 7- n précision =écart moyen: S =l 51 (x x)2/(n-)l 1/2 o x est la valeur moyenne et xj la va Leur individuel Le de N points de données La précision interne est définie comme la précision entre des émissions sur la même perle de résine La précision externe est la précision entre le résultat de différents chargements de filaments de la name matière. Il apparatt en regard du tableau III que dans chaque cas, la nouve lle source offrait une meilleure pré- cision Une amélioration importante de précison a été no- tée dans les séries suivantes avec la source Cette amé- lioration est attribuée en partie aux plus basses tempéra- tures de fonctionnement Un fractionnement isotopique de l'chantillon est moindre aux températures plus basses, conduisant à une émission plus stable des ions de toutes les masses Un autre facteur possible contribuant à l'aué- lioration de la précision est le fait que la nouvelle sour- ce focalise de façon nettement plus précise que la source standard O N pourrait s'attendre intuitivement à ce qu'une source d'ions utilisant une symétrie rectangulaire con- viendrait mieux pour l'utilisation dans un spectromètre de masse à secteuis dans lequel les fentes collimatrices forment le faisceau en forme rectangulaire Mais il est 2 apparu qlue es résu'tats nettement améliorés sont obtenus en comboinant une lentille de formation de faisceau symé- trique circulairement avec les fentes rectangulaires ha- bituelles Il y a lieu de supposer que ces résultats amé- liorés -sont principalement dus au fait que la nouvelle source forme un foyer Z(ainsi qu'un foyer Y) entre le fila- ment etles plaques Z habituelles Cela apporte au moins deux avantages: ( 1)l un plus grand pourcentage du faisceau est dirigé sur la première fente collimatrice 31; ( 2) un plus grand pourcentage du faisceau émanant de La fente est par- axiale, c'est-à-dire suffisamment proche de t'axe princi- pal des ions pour être focalisé efficacement par Les pla- ques Z 35 Des programmes sur calculateur utilisant l'opti- 8 2525813 que ionique confirment cette opinion. Il y a Lieu de penser que La présente source d'ions peut être utilisée avec tout g-enérateur d'ions positifs connu, comme par exemple des générateurs à v émission thermique ou à i: pact d'électrons Une caract 4- ristique essentielle de la présente source-est d'utili- ser une lentille de formation de faisceau qui produit un champ électrostatique symétrique circulairement En pra- tique, cela est obtenu te p Lus commodément avec des ouver- tures rigoureusement circulaires, bien que des ouvertures à peu prês circulaires puissent apporter une certaine amé- lioration itépaisseur des plaques n'est pas critique. De préférence, les ouvertures sont plus grandes que celles des sources courantes, mais cela n'est pas essentiel. La présente source peut être alimentée avec des tensions de plaque généralement similaires à celles utilisées avec les sources standard de type Nier Des tensions qui con- viennent sont indiquées sur la Figure 3 mais elles ne sont pas nécessairement optimares,es tensions appliquées aux plaques Z 35 sont généralement plus élevées que celles uti- lisées dans des sources de spectromètre à secteur standard. A volonté, Les plaques Z 33 peuvent être positionnées jus- te en avant de la première fente 31 Il n'est pas essentiel que Ies plaques 25 et 27 soient prévues avec les saillies 29 et 30 Un avantage secondaire de l'utilisation des ouver- tures circulaires est qu'elles sont simples à usiner, ce qui réduit le prix de fabrication IL reste dans le cadre de l'invention d'utiliser tout moyen approprié, par exemple des p:Laques ou de cylindres pour définir les ouvertures -30 circulaires voulues Compte tenu de la description ci-des- sus, et en mettant en oeuvre une simple experimentation de routine, tout spécialiste est à même de déterminer les di- mensions optimales de la source et les conditions de fonc- tionnement pour une application donnee. 9 -2525813 RE VEY)I CATIONS 1 Procédé d'augmentation de La précision des analyses effectuées sur un spectromntre de masse à secteurs dans lequel des ions positifs sont focalisés en un faisceau qui est diriîé par une fente col Limatrice, puis par un champ magnétique, procédé caractérisé en ce qu'il consiste, pour augmenter la précision d'analyse, à focaliser ( 21) Lesdits ions en un faisceau de section transversale circulaire pour qutil soit collimaté par L a- dite fente ( 31). 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ladite focalisation est effectuée au moyen d'un ensemtble ( 21) de lentille électrostatique comprenant plusieurs électrodes espacées ( 23, 25, 27) définissant des ouvertures circulaires ayant un axe corlmun. " 3 Procédé d'au mentation de la précision de déterminations d'abondance relative d'ions positifs avec un spectrouiètre de masse à secteus comportant une source d'ions pour former un faisceau d'ions positifs et le diriger sur une fente collimatrice, procédé caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à incorporer'dans ladite source, un ensemble ( 21) de lentille électrostati- que pour établir un champ symétrique circulairement impri- mant une section transversale circulaire au faisceaupour le diriger sur' tadite fente ( 31). 4 Procédé selon la revendication 3, caractéri- sé en ce que ledit ensemble de lentille ( 21) comporte p Lu- sieurs plaques espacées ( 23, 25, 27) définissant respecti- vement des ouvertures circulaires ayant un axe commun.