Brevet FR2560714A1 — publié le 19850906

SPECTROGRAPHE DE MASSE ET PROCEDE D'IONISATION ET D'ANALYSE DES GAZ. La présente invention concerne des spectrographes de masse à déflection magnétique, plus compacts et plus sensibles que les dispositifs existants. Les spectrographes à déflection magnétique sont basés sur la déviation d'un faisceau ionique mince par un champ magnétique.,Dans un champ donné, l'angle de déviation varie comme où V est la tension d'accélération. Le faisceau dévié est reçu sur une fente étroite placée à distance: l'angle de déviation est ainsi défini avec précision et la fente sélectionne, pour chaque valeur de V, les ions de masse m correspondante La résolution augmente évidemment avec la distance de la fente sélectrice au champ déviateur. Les inconvénients de ce type d' appareils sont évidents: une résolution élevée entraine un encombrement important. D'autre part, l'utilisation d'un faisceau ionique fin limite beaucoup la sensibilité du système. Dans la nouvelle invention, le dispositif séparateur présente la symétrie de révolution; les ions sont injectés radialement dans le plan médian du dispositif séparateur, tout le long d'une fente circulaire: le nombre d'ions injectés peut ainsi entre très grand et ces ions, en raison de la sym métrie du système, se présentent tous dans des conditions initiales identiques. Un premier champ magnétique, créé par une paire d'aimants permanents en forme de couronne, produit une première séparation; les ions de masses différentes décrivent des trajectoires circulaires de rayon différent et sont repris, dans des condi tions initiales différentes, par un deuxième champ (magnétique ou électrostatique) qui collecte sélectivement les ions ou accentue leur séparation avant collection par un troisième champ. Un tel dispositif permet, tout en confinant les trajectoires dans un espace réduit, d'obtenir une bonne résolution avec une sensibilité élevée. Le dispositif d'ionisation et d'injection des ions est constitué de la façon suivante: un filament chauffé circulaire situé dans le plan médian du système émet des électrons qui sont accélérés par un champ électrostatique radial; ces électrons sont ainsi injectés, toujours dans le plan médian, dans le champ magnétique produit par une paire d'aimants en forme de couronne, tout comme dans.le dispositif séparateur. Les trajectoires électroniques circulaires ont pour enveloppe un grand cercle de rayon r. La plupart des chocs ionisants ont lieu dans le voisinage immédiat de ce cercle. Un deuxième champ électrostatique radial, appliqué au delà du cercle r, extrait et accélère les ions formés sous la tension variable V.Dans ce dispositif d'ionisation, le champ magnétique joue un triple rôle: d'une part, il sert de barrière aux électrons et les empêche de pénétrer dans la région de potentiel variable où les ions sont accélérés; d'autre part, une partie importante des trajectoires électroniques est pratiquement confondue avec le cercle enveloppe: les ions sont donc principalement formés dans le voisinage immédiat du champ accélérateur mais dans une région qui est encore équipotentielle et ils ont la même énergie cinétique initiale; enfin, la plus grande partie des ions émis dans toutes les directions avec la vitesse correspondant à l'agitation thermique dans le gaz, sont rabattus vers la région d'accélération: le champ magnétique agit donc comme un champ d'attraction, sans modifier l'énergie cinétique des ions. L'invention sera mieux comprise en se référant à des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemple et illustrés par les dessins annexés. La figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation de la source d'ions. Les électrons émis par le filament chauffé f sont accélérés par le champ électrique E. Ils pénètrent dans l'induction magnétique B produite par les aimants en couronne a. Ils décrivent dans l'entrefer des trajectoires circulaire s ayant pour enveloppe la circonférence extérieure b des aimants. Les ions formés au voisinage de cette circonférencesont renvoyés par l'induction B (trajectoires en traits interrompus3 vers le champ électrique accélérateur Ep qui les injecte dans le système d'analyse ( non représenté ). La figure 2 représente un mode simplifié de réalisation du système d'analyse. La source d'ions précédemment décrite est au centre du système. Les ions sont injectés radialement dans l'entrefer des aimants en couronne b avec une énergie cinétique correspondant au potentiel accélérateur V. Ils décrivent des trajectoires circulaires de rayon Pour une valeur V donnée, toutes les trajectoires correspondant à une même masse ont pour enveloppe un grand cercle de rayon On sélectionne les ions par une fente circulaire p de rayon Ro, encadrée par deux électrodes de déflection i et j. Pour RrorRo, les ions peuvent traverser la fente et continuer leur trajectoire circulaire vers l'axe du système et être captés par le multiplicateur M. ( A chaque masse correspond une valeur de V telle que R=Ro.En faisant varier V, on peut sélectionner successivement toutes les masses). La figure 3 représente un mode de réalisation inversée: la source d'ions, du même type que dans l'exemple précédent se trouve cette fois à la périphérie du système d'analyse. Les ions décrivent dans l'entrefer de la couronne b des arcs de cercle à la sortie de b, ils recoivent une légère comp6sante axiale de vitesse par l'action de l'électrode annulaire p. Cette action est sélective et plus marquée pour les ions qui croisent cette électrode sous un angle faible. Ils sont alors repris par le champ électrique radial Ee entre les cylindres m et n.Les ions qui ont, entre les cylindres, une trajectoire quasi-circulaire ( condition ) peuvent sortir de l'espace d'analyse sans rencontrer le cylindre intérieur n et sont collectés par le multiplicateur M La figure 4 représente un mode de réalisation inversé comme le précédent mais où le champ électrique radial est remplacé par une deuxième induction B1 , de sens opposé à B. Les trajectoires ont la forme indiquée sur la figure. Une électrode annulaire e portée à un potentiel légèrement inférieur à celui de l'espace où règne B collecte seulement les ions dont la trajectoire est au moins en partie parallèle à e.On remarquera que dans ce dernier cas ( deux inductions opposées ), on peut réaliser un circuit magnétique fermé par des armatures externes. Dans tous les systèmes décrits, on peut encore améliorer la résolution en donnant à l'induction des valeurs croissantes ou décroissantes avec la distance à l'axe ( emploi d'entre fers coniques ). Pour fixer les idées sur les dimensions du dispositif, remarquons que le diamètre est grossièrement égal à trois ou qua tre fois le rayon r des trajectoires ioniques. Pour valeur facile à obtenir, on trouve que pour V variant de 1600 à 16V et le nombre de masse de 100 à 1 Le diamètre extérieur de l'appareil est ainsi de l'ordre d'une dizaine de centimètres. Ces appareils sont essentiellement destinés à l'analyse qualitative et quantitative des mélanges gazeux à pression réduite, problème fondamental pour l'élaboration sous vide de nombreux composants électroniques. REVENDICATIONS XspectrograDhe de masse combinant une ou plusieurs déflections magnétiques avec l'action de champs électrostatiques,caracté risé par le fait que le système présente la symmétrie de ré volution; par le fait que les ions sont injectés radialement à partir d'une source constituée par un filament circulaire chauffé et d'une paire de petits aimants en couronne qui con finent les électrons ionisants à la périphérie intérieure ou extérieure du système analyseur proprement dit; parle fait que la première paire d'aimants de déflection du système analyseur a la forme d'une couronne; par le fait que l'action sélective des autres champs, en particulier électrostatiques, est due à la dispersion préalable obtenue par la première induction ma gnétique. Spectrographe de masse suivant la revevdication 1 caractérisé par le fait que la source d'ions est au centre du système dans l'espace libre à l'intérieur de la couronne de déflexion; par le fait qu'un disque percé d'une fente circulaire étroite est situé dans le plan médian entre les aimants de la couronne; par le fait que deux électrodes annulaires de même rayon que la fente sont placées de part et d'autre de celle-ci et sont portées à un potentiel légèrement supérieurà celui du disque: pour chaque valeur du potentiel accélérateur, les ions ayant une masse telle que leurs trajectoires sont tangentes à un cercle de même rayon que la fente, traversent celle-ci et re tourne vers la partie centrale de l'analyseur où ils sont cap tés par un multiplicateur. 3. Spectrographe de masse suivant la revendication1 caractérisé par le fait que la source d'ions est à la périphérie extérieu re du dispositif; par le fait qu'un champ électrostatique ra dial dirigé vers l'axe du système est appliqué entre deux cy lindres coaxiaux logés dans l'espace libre laissé par la cou ronne; par le fait qu'une électrode annulaire polarisée et si tuée entre la couronne et le premier cylindre communique aux ions une composante axiale de vitesse; par le fait que, pour chaque valeur du potentiel accélérateur, les ions de masse con venable décrivent entre les cylindres des trajectoires quasi hélicoidales et sont captés par un multiplicateur situé sur l'axe du système, les ions de masse différente se perdant sur le cylindre intérieur. 4 Spectrographe de masse suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que la source d'ions est à la périphérie extérieu re du dispositif; par le fait qu'une deuxième paire d'aimants de déflection, de section cylindrique, est logée dans l'espace libre laissé par la première couronne et produit une induction de sens opposé à la première; par le fait qu'une électrode an annulaire de collection, polarisée, est située sur l'une des fa ces internes de l'aimant central; par le fait que les aimants complétés par une armature externe constitue un circuit magné tique fermé. ,Spectrographe de masse suivant la revendication 1 et 2, 3 ou 4 caractérisé par le fait que les inductions magnétiques sont rendues croissantes ou décroissantes avec la distance à l'axe, par l'emploi d'entrefer conique.