Brevet FR2563376A1 — publié le 19851025

La présente invention concerne les spectromètres de masse et a notamment pour objet un capteur du type "piège tridimensionnel" pour spectromètre de masse. L'invention peut être utile en géologie pour l'analyse des gaz, en médecine pour l'analyse chimique des corps solides et gazeux, et dans les études spatiales. Il existe un capteur d'ions triés pour spectromètre de masse du type "piège tridimensionnel (cf. "Spectromètres de masse hyperboloides" par E.P. Sheretov, revue "Mesures, contrôle, automatisation", 1980, NO 11-12) comportant une électrode hyperboloide annulaire et deux électrodes hyperbolodes de face terminale, munies dwun canal d'entrée des électrons et d'un canal de sortie des ions triés. Toutefois, dans ledit capteur d'ions triés, le canal d'entrée des électrons, dont est pourvue l'électrode hyperbololde annulaire,et le canal de sortie des ions triés, dont est pourvue chaque électrode hyperboloide de face terminale, altèrent le champ utile dans l t espace interélectrode, ce qui dégrade la résolution et la sensibilité du spectromètre de masse. La présente invention vise par conséquent un capteur d'ions triés pour spectromètre de masse du type "piege tridimensionnel", dont l'électrode hyperboloide annulaire et les électrodes hyperboloides de face terminale seraient conçues de façon a permettre d'ameliorer la résolution et la sensibilité du spectromètre de masse. Le but ainsi posé est atteint du fait que le capteur d'ions triés pour spectromètre de masse du type "pièce tridimensionnel", comportant une électrode hyperboloide annulaire et deux électrodes hyperboloides de face terminale présentant un canal d'entrée des électrons et un canal de sortie des ions tries, est caractérisé, selon l'invention, en e que l'électrode hyperboloide annulaire et les électrodes hyperbololdes de face terminale possèdent, pour un canal d'entrée des électrons et pour un canal de -sortie des ions -triés, un ou deux canaux supplémentaires excluant les distorsions dans la répartition des potentiels dans le volume utile du capteur d'ions triés, produites par le canal d'entrée des électrons et par le canal de sortie des ions triés. I1 est avantageux que, dans le capteur d'ions triés, les canaux d'entrée des électrons, le canal de sortie des ions triés et les canaux supplémentaires soient annulaires, et que la disposition relative du canal d'entree des électrons, du canal de sortie des ions triés et des canaux supplémentaires respectifs par rapport au centre du capteur d'ions triés soit déterminée par la relation dans laquelle z1 est la distance entre le centre du capteur d'ions triés et la surface terminale du canal de l'électrode hyperboloide annulaire;; Z2 est la distance entre le centre du capteur d'ions triés et la surface terminale du canal de l'électrode hyperboloide de face terminale k = ss est le facteur d'ellipticité du capteur d'ions triés x, y, d sont les distances minimales entre le centre du capteur d'ions triés et l'électrode hyperbololde annulaire et entre ledit centre et les électrodes hyperbo bides de face terminale suivant les axes de coordonnées. La présente invention permet de réduire de plusieurs dizaines de fois les distorsions dans la répartition du potentiel dans le volume utile du capteur d'ions triés du spectromètre de masse du type "piège tridimensionnel" et, partant, d'améliorer d'une façon significative la sensibilité et la résolution du spectromètre de masse. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs avec référence aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels - la figure 1 représente le schéma fonctionnel du capteur d'ions triés pour spectromètre de masse du type "piège tridimensionnel" (coupe longitudinale), selon l'invention; - la figure 2 représente le schéma fonctionnel du capteur d'ions triés pour spectromètre de masse du type "piège tridimensionnel" de la figure 1, avec les canaux d'entrée des électrons et de sortie des ions triés, communs avec les canaux supplémentaires (coupe longitudinale), selon l'invention;; - la figure 3 est la courbe de l'erreur relative de l'écart du potentiel de sa valeur idéale au centre du capteur d'ions triés pour Spectromètre de masse du type "piège- tridimensionnel", selon l'invention Le capteur d'ions triés pour spectromètre de masse du type "piège tridimensionnel" comporte une électrode hyperboloide 1 (figures 1 et 2) et deux électrodes hyper bolides 2 et 3 dont les surfacec hyperboloides se situent sur les faces terminales de l'électrode 1.Le corps de l'électrode 1 comporte un canal 4 d'entrée des électrons, et celui de l'électrode 3, un canal 5 de sortie des ions triés.Le corps de l'électrode 1 (figure 1) présente un canal supplémentaire 6 et les corps des électrodes 2 et 3- comportent des canaux supplémentaires 7 et 8 permettant de supprimer les distorsions dans la. répartition du potentiel dans le volume utile du capteur, dues respectivement au canal 5 de l'électrode 3 et au canal 4 de l'électrode 1. Pour assurer une correction optimale des distorsions de la répartition du potentiel dans le volume utile du capteur, les canaux 4,5,6,7 et 8 sont de forme annulaire, leur disposition relative par rapport au centre 9 du capteur (défini par le point d'intersection de ses axes) etant determinde d'adrets la relation dans laquelle : est la distance entre le centre du capteur et la surface terminale-des canaux 4--et 6 Z2 est la distance entre le centre du capteur d'ions triés et la surface terminale des canaux 8, 9, et 5 ; k = Y est le facteur d'ellipticité du capteur x x,y,d, sont les distances minimales entre le centre du capteur et les électrodes 1, 2 et 3, respectivement, suivant les axes de coordonnées. Suivant le mode de réalisation particulier du-capteur d'ions triés pour spectromètre de -masse du type "piège tridimensionnel " et compte tenu de la relation I, le canal 10 (figure 2) ménagé dans le corps de l'elec- trode- 1 sert à la fois de canaux d'entrée des électrons et de canaux supplémentaires, les canaux 11 et 12 réalisés respectivement dans les corps des électrodes 2 et 3 servant en même temps de canaux de sortie des ions triés et de canaux supplémentaires. Sur la figure 2, des traits tiretés indiquent un écran 13 de potentiel nul. La figure 3 représente la courbe de l'erreur relative t (en %) de l'écart du potentiel de sa valeur idéale au centre du capteur d'ions triés du spectromètre de masse du type "piège tridimensionnel" en fonction de la valeur z2/d (pour z1/y1- = 0,1). le trait tireté indique la valeur de z2/d correspondant à la relation I. Le principe de fonctionnement du capteur d'ions triés pour spectromètre de masse du type "piège tridimensionnel" consiste en ce qui suit. Le flux électronique ionisant entre par les canaux 4 et 10 (figures 1 et 2) de l'électrode hyperbololde annulaire 1. Sous l'action du champ de haute fréquence à composante continue, les ions formés à partir des molécules de gaz se mettent en mouvemant dans le volume utile du capteur. En fonction des paramètres prédéterminés du champ de haute fréquence, le volume utile du capteur ne contient plus, après le tri, que des ions ayant une charge spécifique donnée. Les ions triés sortent du capteur par les canaux 5 (figure 1) et 11, 12 (figure 2) des électrodes hyperboloides 2 et 3.Le canal supplémentaire 6 (figure 1) et le canal 10 (figure 2) de l'électrode 1, ainsi que les canaux supplémentaires 7 et 8 (figure 1) et les canaux 11, 12 (figure 2), respectivement, des électrodes 2 et 3, excluent, suivant l'invention, les distorsions dans la répartition du potentiel dans le volume utile du capteur d'ions triés, produites respectivement par les canaux 5 de sortie des ions triés de l'électrode 3 et le canal 4 d'entrée des électrons de l'électrode 1. Le degré de tri déterminant la résolution du spectromètre de masse et le nombre d'ions triés dont dépend la sensibilité tiennent, en premier lieu, au champ dans le volume utile du capteur. Si l'on exprime la répartition du potentiel dans le volume utile du capteur sous la forme # (x,y,z) =&alpha;1 +&alpha;2x +&alpha;3y +&alpha;4z, (II) dans laquelle : &alpha;1,&alpha;2,&alpha;3,&alpha;4 sont les constantes déterminant la rEpar- tition du potentiel dans le volume utile du capteur, la charge {sur les surfaces intérieures des électrodes i, 2 et 3 s'exprime par l'intégrale: où la sommation s'effectue par rapport à x et à z. Les constantes &alpha;1,&alpha;2,&alpha;3,&alpha;4 qui figurent dans (II) étant fonctions des dimensions géométriques des électrodes 1, 2 et 3, la relation (III) permet de déterminer la charge de surface # 1 qui se serait concentrée sur la surface intérieure de l'électrode 1 à l'emplacement des canaux 4 et 6 et la charge de surface #2 qui se serait concentrée sur les surfaces intérieures des électrodes 2 et 3 à l'emplacement des canaux 5, 7 et 8.Etant donne que les distorsions dans le volume utile du capteur seront minimales lorsque les charges de surface #1 et #2 auront été compensées, l'égalité #1 = #2 permettra de choisir au mieux les dimensions et la disposition des canaux 4,7 et 8; 5 et 6 en conformité avec la relation (III) ci-dessus et de réduire ainsi à un minimum les distorsions du champ dans le volume utile du capteur. La variation de l'erreur relative # (en %) (figure 2) de l'écart du potentiel au centre du capteur de l'idéal en fonction par exemple, de la dimension des canaux annulaires 11 et 12 dans les électrodes 2 et 3, c'est- -dire en fonction du rapport z2/d, pour une certaine dimension fixe du canal annulaire 10 dans l'électrode 1, soit pour z1/y = 0,1, dans le cas d'un capteur avec k = 1 et y/d = 1, montre que le choix des dimensions des canaux annulaires 11 et 12 dans les électrodes 2 et 3 (la valeur de z2/d correspondant à la relation 1 pour z1/y = 0,1 est indiqué par le trait discontinu) selon l'invention offre la possibilité de réduire sensiblement les distorsions de la répartition du potentiel dans le volume utile du capteur du spectromètre de masse- du type "piège tridimensionnel". Quand z2/d correspond au cas où les électrodes 2 et 3 sont pleines, C = 0,82 %. Avec la croissance de z2/d, c'est-à-dire en même temps que la dimension des canaux 11 et 12 augmente, # diminue pour passer par zéro au voisinage de la valeur optimale de z2/d. La présente invention permet d'améliorer les conditions du tri et d'augmenter le nombre d'ions triés, ce qui a pour effet un gain de résolution et de sensibilité du spectromètre de masse. REVENDICATIONS 1. Capteur dtions triés pour spectromètre de masse du type "piège tridimensionnel", du type comportant une électrode hyperboloide annulaire (1) et deux électrodes hyperboloides de face terminale (2,3), dans lesquelles sont réalisés un canal (4) d'entree des électrons et un canal (5) de sortie des ions triés, caractérisé en ce que le canal (4) d'entrée des électrons et le canal (5).de sortie des ions triés dans l'électrode hyperbo loîdale annulaire (1) et dans les électrodes hyperbo loidales de face terminale (2,-3) sont communs avec un ou deux canaux supplémentaires servant à supprimer les distorsions de la répartition du potentiel dans le volume utile du capteur d'ions triés, dues au canal (4) d'entrée des électrons et au canal (5) de sortie des ions triés. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal (4) d'entrée des électrons, le canal (5) de sortie des ions tries et les canaux supplémentaires (6,7 et 8) sont annulaires, la disposition relative, par rapport au centre du capteur d'ions-triés, du canal (4) d'entrée des électrons, du canal (5) de sortie des ions triés et des can-aux supplémentaires respectifs (7, 8 et 6) étant déterminée par la relation: : dans laquelle Z1 est la distance entre le centre du capteur d'ions triés et la surface terminale du canal réalisé dans lteiectrode hyperbololde annulaire; Z2 est la distance entre le centre du capteur.d'ions triés et la surface terminale du canal réalise dans l'électrode hyperboloide de face terminale k = y est le facteur d'ellipticité du capteur d'ions x triés; x,y,d sont les distances minimales entre le centre du capteur d'ions triés et l'électrode hyperboloide annulaire et entre ledit centre et les électrodes hyperbo bides de face terminale suivant les axes de coordonnées.