Brevet FR2599891A1 — publié le 19871211

La présente invention concerne les spectromètres de masse et en particulier mais non exclusivement ceux qui sont destines a être utilises dans des installations de détection de fuites sous vide poussé. On connaît déja l'utilisation des spectromètres de masse pour l'analyse des mélanges de . gaz en général et pour les applications de détection de fuites en particulier. Ces spectromètres de masse utilisent habituellement lors du fonctionnement un courant d'électrons a grande vitesse, habituellement accelérés à partir d'un filament chauffé par un courant électrique, afin qu'ils ionisent le gaz analysé qui est introduit dans le spectromètre de masse. Cependant, d'autres dispositifs d'ionisation, par exemple ;ne photoionisation par un faisceau laser, sont aussi possibles. Les composants ionisés du gaz à analyser ou détecté d'une autre manière sont accélérés vers une anode ou un collecteur du spectromètre de masse par un trajet précis qui peut être modifié électrostatiquement ou magnétiquement afin que, pour un champ électrique ou magnétique donné, selon le cas, seuls les ions ayant un rapport masse/ charge choisi atteignent l'anode et soient détectés et mesurés. Dans le cas d'une application de détection de fuites dans laquelle le gaz choisi est introduit dans le spectromètre de masse, le champ électrique ou magnétique est déterminé afin que les ions recherchés seulement atteignent sélectivement l'anode ou la cathode. Les spectromètres de masse qui assurent une déviation magnétique du faisceau d'ions notamment dans des applications de détection de fuites, sont déja connus. Dans ces dispositifs connus, les ions qui sont déviés sont en général sous forme d'un faisceau de section rectangulaire allongée, la longueur du faisceau étant perpendiculaire aux faces de la pièce polaire de l'aimant assurant la déviation du faisceau d'ions. Une telle configuration connue de faisceau d'ions présente un certain nombre d'inconvénients. Le plus important est dû au fait que la sensibilité doit être convenable, c'est-a-dire que la densité du faisceau d'ions et en conséquence le courant anodique ou du collecteur soient convenables, sans que la sélectivité du spectromètre de masse soit dégradée d'une manière inacceptable. Ce critère impose en général l'utilisation d'un faisceau relativement étroit, permettant la conservation de la sélectivité du spectromètre de masse, avec allongement de la longueur du faisceau afin que la densité du faisceau ionique soit convenable. Toute augmentation de la longueur du faisceau ionique dans ces spectromètres connus de masse nécessite une plus grande distance de séparation entre les pièces des pôles magnétiques provoquant la déviation du faisceau et ceci introduit alors des contraintes très sévères à la sensibilité lorsque des aimants importants et coûteux de forte puissance doivent être évités. La présente invention a donc pour objet la réalisation d'un spectromètre de masse perfectionné, destiné notamment mais non exclusivement a la détection des fuites. L'invention, dans son aspect le plus général, concerne un spectromètre de masse qui comporte une enceinte qui peut être'mise sous vide et qui est destinée à recevoir un gaz à analyser ou détecter, un dispositif placé dans l'enceinte et destiné à ioniser le gaz introduit et à former un faisceau d'ions du gaz, avec un aimant destiné à devier le faisceau d'ions vers un collecteur placé dans l'enceinte, le dispositif générateur d'ions étant destiné à former un faisceau d'ions ayant une section rectangulaire assez allongée, le grand axe du faisceau étant parallele aux faces des pièces polaires magnétiques assurant la déviation du faisceau d'ions. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le faisceau rectangulaire allongé des ions est formé par collision avec un faisceau d'électrons accélérés à partir d'un filament chauffé par un courant électrique ayant pratiquement la même longueur que le faisceau d'ions qui est nécessaire. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence au dessin annexé sur lequel la figure 1 est une coupe en élévation latérale d'un spectromètre de masse donnant une configuration de faisceau d'ions selon l'invention ; et la figure 2 est une vue en plan de l'arrangement du spectromètre de masse de la figure 1 représentant la trajectoire du faisceau d'ions produit. On se réfère maintenant à la figure 1 des dessins; le spectromètre de masse selon l'invention comporte un boîtier non ferromagnétique portant la référence générale 2 et destiné à être mis sous vide par la combinaison connue d'une pompe à diffusion et d'une pompe auxiliaire, un gaz de recherche pouvant y être introduit afin qu'il soit détecté et mesuré. D'autres procédés connus de mise sous vide du boîtier du spectromètre de masse,a la pression nécessaire qui est par exemple de 10 6 mbar,peuvet cependant être uti- lisés. Le boîtier 2 est disposé dans l'espace séparant les pièces polaires d'un aimant permanent externe 4 à champ coercitif élevé, ayant des faces polaires 6 et 8 disposées suivant la longueur du spectrométre de masse. Les faces des pièces polaires 6, 8 sont parallèles et planes et elles ont une longueur suffisante pour que, dans ce mode de réalisation de l'invention, elles assurent une déviation de 90"des ions pénétrant dans l'espace délimité entre les pièces polaires. Une chambre 10 d'ionisation est disposée dans le boîtier 2 et près des parois latérales de l'aimant 4 et un potentiel uniforme est maintenu dans cette chambre, l'ionisation du gaz recherché par des électrons étant destinée à être réalisée dans cette chambre. La chambre 10 d'ionisation a des parois d'extrémité qui ont des fentes disposées suivant la longueur de l'aimant 4 et du spectromè- tre de masse afin que les électrons puissent y passer, et elle a des parois latérales perforées permettant le passage des ions formés par collision avec les électrons. Les électrons assurant l'ionisation sont formés par un filament allongé 12 chauffé électriquement, placé près d'une fente de la paroi d'extrémité de la chambre d'ionisation et disposé suivant la longueur de la fente et au-delà de celle-ci dans la chambre d'ionisation. De cette manière, un faisceau électronique de longueur équivalant à celle de la chambre d'ionisation et du spectromètre de masse est formé de manière qu'il permette l'ionisation. Les électrons émis par le filament sont accélérés par des électrodes 14 et 16 qui sont chargées négativement par rapport au faisceau d'électrons et qui accentuent le processus d'ionisation. Une électrode 18 de rép-ulsion, chargée positivement, est placée près de la paroi latérale perforée externe de la chambre 10 d'ionisation et elle assure la répulsion et l'accélération des ions créés dans la chambre 10 vers l'électrode anodique 20 chargée négativement. Cette électrode anodique 20 a aussi une fente 22 disposée suivant la longueur du spectromètre de, masse et permettant aussi a faisceau allongé d'ions de longueur équivalente à celle du spectromètre de masse, de pénétrer dans l'espace délimité entre les pièces polaires 6, 8 de l'aimant 4 de déviation. La configuration de la fente formée dans l'anode 20 est telle que le faisceau 21 d'ions qui pénètre dans l'espace délimité par l'aimant a une longueur égale à celle du spectromètre de masse et a une largeur qui permet l'obtention d'une densité élevée dans le faisceau d'ions sans que la distance séparant les pièces polaires de l'aimant doive être augmentée. Une culasse 24 formant des pièces polaires auxiliaires 26, 28 entourant la région d'ionisation du spectromètre de masse est fixée à l'aimant 4. La culasse 24 forme un circuit magnétique secondaire et crée un champ relativement faible dans la région d'ionisation afin que le faisceau d'électrons provenant du filament 12 subisse une précession suivant un trajet en hélice dans la chambre 10 d'ionisation. Cette précession accroît la densité efficace du faisceau électronique dans la chambre 20 d'ionisation et augmente encore le rendement d'ionisation. Le faisceau allongé 21 d'ions selon l'invention lorsqu'il pénètre dans l'espace séparant les pièces polaires 6 et 8, est dévié avec un rayon de courbure identique sur toute sa longueur afin qu'il parvienne sur un collecteur 30 par l'intermédiaire d'une électrode 32 de déviation chargee positivement. L'intensité du champ magnétique créé entre les pièces polaires 6 et 8 et les tensions accélératrices utilisées entre la chambre d'ionisation et l'électrode 20 sont choisies de manière que seuls les ions qui ont le rapport masse/charge du gaz étudié atteignent le collecteur 30. Il faut noter que, bien qu'on ait décrit l'invention en référence à la détection et à la mesure d'un gaz étudié qui pénètre dans- le spectromètre, elle s'applique aussi à l'utilisation de tensions accélérées variables et/ou d'intensités variables du champ magnétique afin que des mélanges de gaz puissent être analysés. Il faut noter que la présente invention permet l'utilisation d'un faisceau allongé d'ions qui n'est pas limité par l'espace compris entre les pièces polaires de l'aimant de déviation et qui permet ainsi l'obtention d'une densité élevée dans le faisceau d'ions. De cette manière, la sensibilité du spectrométre de masse, qu'il soit utilisé pour la détection des fuites ou pour l'analyse d'un gaz, peut être notablement accrue sans réduction de la sélectivité sur le rapport masse/charge. Bien qu'on ait décrit l'invention en référence à des pièces polaires parallèles et planes créant un champ homogène de déviation des ions, la distance séparant les pièces polaires peut être modifiée afin que les gradients de champ permettent une variation de la déviation des électrons et une accentuation de la sélectivité du spectromètre de masse. REVENDICATIONS 1. Spectromètre de masse, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte (2) qui peut être mise sous vide et destinée à recevoir un gaz à analyser ou à détecter, un dispositif (11) placé dans l'enceinte et destiné à ioniser le gaz introduit et à produire un faisceau avec les ions ainsi créés, en coopération avec un aimant (4) destiné à dévier le faisceau d'ions sur un collecteur (30) placé dans l'enceinte, le dispositif générateur d'ions étant destiné à former un faisceau d'ions ayant une section sensiblement rectangulaire allongée dont le plus grand axe est parallèle aux faces des pièces polaires magnétiques assurant la déviation du faisceau. 2. Spectrométre de masse selon la revendication 1, caractérisé en ce que le grand axe du faisceau est disposé pratiquement sur toute la longueur axiale de l'aimant (4) qui assure la déviation du faisceau. 3. Spectromètre selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les ions sont produits par collision entre le gaz introduit dans l'enceinte et un faisceau d'électrons émis par un filament allongé (12) chauffé électriquement, placé suivant le grand axe du faisceau d'ions. 4. Spectromètre de masse selon la revendication 3, caractérisé en ce que le filament (12) a une longueur sensiblement égale à celle d'une fente allongée (22) formée dans une chambre d'ionisation (10) disposée dans l'enceinte, et il est placé près de cette fente. 5. Spectromêtre de masse selon la revendication 4, caractérisé en ce que la chambre d'ionisation (10) et le filament (12) sont disposés pratiquement sur toute la longueur axiale de l'aimant assurant la déviation du faisceau d'ions. 6. Spectromètre de masse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le champ magnétique auxiliaire est destiné à provoquer une précession du faisceau d'électrons provoquant l'ionisation du gaz afin que la densité du faisceau électronique soit accrue. 7. Spectromètre de masse selon la revendication 6, caractérisé en ce que le champ magnétique auxiliaire est créé par un circuit magnétique secondaire (24) qui comprend l'aimant assurant la déviation du faisceau d'ions. 8. Spectromètre de masse selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit magnétique secondaire comporte une culasse (24) fixée å l'aimant assurant la déviation du faisceau d'ions. 9. Spectromètre de masse selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérise en ce qu'il comporte un collecteur (30) destiné à recevoir sélectivement les ions déviés par l'aimant et placé à une extrémité du faisceau dévié d'ions. 10. Spectromètre de masse selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'une électrode (32) de déviation est placée pres du collecteur et assure la déviation du faisceau d'ions afin qu'ils parviennent sur le collecteur (30). 11. Spectromètre de masse selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faces (6,8) d'extrémité des pièces polaires de l'aimant (4) assurant la déviation du faisceau d'ions sont destinées à créer un champ magnétique non homogène. 12. Appareil formant détecteur de fuites ou analyseur de gaz, caractérisé en ce qu'il comprend un spec trimètre de masse selon l'une quelconque des revendications précédentes.