Brevet FR2658361A1 — publié le 19910816

DISPOSITIF DE DETECTION ET D'ÂNPLIFICÂTION DE FAIBLES COURANTS IONIQUES POSITIFS ET TIFS L'invention concerne un dispositif de détection et d'amplification de faibles courants ioniques provoqués par des ions positifs ou négatifs en provenance d'un appareil injecteur dotions, par exemple un spectrographe de masse. Le document FR-A-2 618 605 fait connattre un dispositif qui comprend . dans une enceinte de détection, deux dynodes de conversion portées respectivement à un potentiel positif (V1) et à un potentiel négatif (-V2) de plusieurs kV, . des moyens de réception comportant un écran fluorescent porté à un potentiel largement positif par rapport à (-V2), et . un photomultiplicateur situé à l'extérieur de l'encein- te de détection et couplé par un guide de lumière à l'écran fluorescent. Les potentiels sont fixes et le passage de la détection des ions positifs à la détection des ions négatifs se fait par commutation des faibles potentiels au niveau de la source d'ions et des électrodes de focalisation, qui peut se faire à fréquence élevée. Dans ce dispositif, les ions des deux signes sont directement convertis sur les dynodes de polarité opposée en particules secondaires et en photons qui viennent frapper la face d'entrée d'une galette de microcanaux, servant de multiplicateur d'électrons, interposée entre les dynodes et l'écran fluorescent. Mais le gain d'un tel multiplica teur peut décroître, en raison d'inévitables remises à la pression atmosphérique et aussi des interactions avec les gaz résiduels. Le but de 1 l'invention est de remédier à cet inconvénient en proposant un appareil simple de détection quasi-simultanée des ions positifs ou négatifs, à niveau de bruit très faible et associé à un système d'amplification à gain très stable. Ce but est atteint selon l'invention par le fait que les dynodes sont situées de part et d'autre de l'axe de l'appareil injecteur , en ce qu'une structure de corps noir est située sur l'axe dudit appareil injecteur, à la sortie de celui-ci, et en ce que la géométrie des dynodes et des moyens de réception est telle que les électrons émis par la dynode négative sont directement focalisés sur les moyens de réception et que les ions positifs émis par la dynode positive sont focalisés sur la dynode négative où ils sont reconvertis en électrons envoyés sur les moyens de réception. On connaît déjà par le document FR-A-2 246 976 un convertisseur d'ions dans lequel plusieurs dynodes sont situées de part et d'autre de l'axe de l'appareil injecteur, et comportant dans ledit axe une structure de corps noir. Outre que ce document ne concerne pas un dispositif de détection à écran fluorescent, il faut surtout noter que, pour la détection des ions positifs et négatifs, il propose une structure entièrement symétrique et doublée par rapport à la structure permettant la détection d'ions d'un seul signe. Selon l'invention au contraire, la structure est asymétrique en ce sens que, selon le signe primitif, les conversions se font sur une, ou successivement sur les deux dynodes. Ainsi, dans l'appareil de l'invention, la géométrie est telle que les particules négatives (électrons) émises par la dynode négative sont accélérées directement sur l'écran; par contre, les particules positives (ions positifs) émises par la dynode positive retombent sur la dynode négative avec une énergie correspondant à la chute de potentiel V1 + V2. Le fonctionnement est le suivant - quand la sortie est polarisée sous l'extraction des ions positifs, ceux-ci, après sélection par le spectrographe de masse, viennent bombarder la dynode négative les électrons secondaires émis sont accélérés directement sur l'écran où ils convertissent leur énergie cinétique en photons; - quand on contraire, la source est polarisée pour l'extraction des ions négatifs, ceux-ci, après sélection par le spectrographe de masse, viennent bombarder la dynode positive, où ils se convertissent, entre autres, en ions positifs. Ces ions positifs "secondaires" sont alors accélérés par la chute de potentiel V1 + V2 sur la dynode négative.Les électrons secondaires alors émis par la dynode négative sont accélérés à leur tour sur l'écran. On remarquera que cette conversion ions positifs électrons se fait cette fois sous une chute de tension très importante V1 + Vz, et donc avec un excellent rendement. La géométrie de l'ensemble est aussi définie de telle sorte que les molécules neutres excitées et les photons en provenance de la source ionique ne peuvent interagir directement avec les dynodes ou l'écran : ils sont désexcités ou absorbés par la structure de corps noir, placée sur l'axe du spectrographe à la sortie de celui-ci. Pour pouvoir balayer le spectre de masse rapidement, on utilise un écran fluorescent à relaxation rapide, émettant principalement dans le bleu et parfaitement compatible avec les photomultiplicateurs à cathode bi-alkaline, dont le courant d'obscurité est particulier rement faible. Il faut souligner que l'amplificateur (photomultiplicateur) est un tube scellé extérieur au système : le gain est ainsi très stable. Pour obtenir une amplification plus grande du signal, on peut encore disposer, face à l'écran, et en amont de celui-ci, une galette de microcanaux sous une tension de quelques centaines de Volts. Cette addition réduit par contre la stabilité du gain. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la dynode positive est percée d'une ouverture derrière laquelle sont placés les moyens de réception sous un angle important par rapport à l'axe de l'appareil injecteur. Selon un second mode de réalisation, les moyens de réception sont situés derrière le corps noir, sur l'axe de l'appareil injecteur ou à son voisinage. La géométrie des dynodes est de préférence concave, ou, à la limite, plane. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante. I1 sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est une vue schématique d'un second mode de réalisation. La figure 1 montre deux dynodes concaves respectivement positive P et négative N placées en vis-à-vis, à la sortie d'un spectrographe 1, et en dehors de l'axe 2 de celui-ci. La dynode P est percée d'un orifice central 3 destiné au passage des particules secondaires renvoyées sur l'écran fluorescent. Sur l'axe 2 du spectrographe I, légèrement en aval de la sortie, est placé une structure de corps noir ou suppresseur de bruit (cf. FR-A-2 246 976). Placés à 900 de l'axe 2, les moyens récepteurs comportent un écran fluorescent 5, derrière l'orifice 3 de la dynode P, couplé par un guide de lumière 6 à un photomultiplicateur 7. Le guide 6, muni d'un joint torique 8, assure l'étanchéité de l'enceinte 9. Le fonctionnement de l'ensemble est le suivant. Les ions positifs à la sortie du spectrographe de masse 1 bombardent la dynode négative N (trajectoire 10) Les électrons secondaires émis à l'impact sont accélérés sur l'écran 5 qu'ils peuvent atteindre grâce à l'orifice 3 (trajectoire 11), et ils y convertissent leur énergie cinétique en photons. Au contraire, les ions négatifs, après avoir bombardé la dynode positive P (trajectoire 12) sont convertis, entre autres, en ions positifs secondaires; ceux-ci accélérés par la différence de potentiel V1 + V2, viennent par une trajectoire 13 frapper la dynode négative N, où s'opère une nouvelle conversion en électrons secondaires envoyés alors sur l'écran 5 (trajectoire 14). Comme on le sait, les atomes ou molécules neutres excités et les photons en provenance de la source ionique sont les principaux responsables du bruit de fond. Dans la géométrie représentée, ils ne peuvent atteindre ni les dynodes P-N ni l'écran 5 et vont se perdre au fond du système où ils sont neutralisés par la structure de corps noir 4. La figure 2 représente une variante de réalisation, où les éléments semblables à ceux de la figure 1 ont été désignés par le même indice affecté d'un "prime". La différence essentielle tient en ce que les moyens de réception 5',6',7' sont placés sur l'axe 2' du spectrographe. La géométrie des dynodes est modifiée en conséquence : la dynode positive P' n'est plus percée d'un orifice, mais focalise toujours sur la dynode négative N'; cette dernière renvoie sur I'écran 5'. Les avantages de l'invention peuvent être résumés comme suit 1 / la détection quasi-simultanée d'ions positifs et négatifs peut être réalisée simplement par la commutation rapide des faibles potentiels de la source et des électrodes de focalisation, les potentiels élevés dynodes et écran) restant fixes. 20/ La détection des ions négatifs bénéficie de la chute de potentiel totale Vî | + vu, de l'ordre de 10 kV, ce qui assure un bon rendement. 301 La conversion finale électrons-photons sur l'écran fluorescent permet l'emploi comme amplificateur d'un tube photomultiplicateur scellé hors du système. Un gain très stable est garanti. 40/ Cette conversion constitue en soi un étage d'amplification supplémentaire. Sous 10 kV par exemple, avec un écran de type connu sous la désignation P 47, chaque électron donne naissance à environ 500 photons. La stabilité du gain de ces écrans, est d'ailleurs très grande, en dépit de remises à l'air fréquentes. REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection quasi-simultanée et d'amplification de faibles courants ioniques provoqués par des ions positifs et négatifs, en provenance d'un appareil injecteur d'ions (1,1'), par exemple d'un spectrographe de masse, du type qui comprend . dans une enceinte de détection (9,9'), deux dynodes de conversion (P,P',N,N') portées respectivement à un potentiel positif (V1) et à un potentiel négatif (-V2) de plusieurs kV, . des moyens de réception comportant un écran fluorescent (5,5') porté à un potentiel largement positif par rapport à (VZ), et . un photomultiplicateur (7,7') situé à l'extérieur de l'enceinte de détection (9,9') et couplé par un guide de lumière (6,6') à écran fluorescent (5,5'), caractérisé en ce que les dynodes (P,P'; N,N') sont situées de part et d'autre de l'axe (2,2') de l'appareil injecteur (1,1'), en ce qu'une structure de corps noir (4,4') est située sur l'axe (2,2') dudit appareil injecteur (1,1'), à la sortie de celui-ci, et en ce que la géométrie des dynodes (P,P';N,N') et des moyens de réception (7,6,5; 7',6',5') est telle que les électrons émis par la dynode négative (N,N') sont directement focalisés sur les moyens de réception (7,6,5; 7',6',5') et que les ions positifs émis par la dynode positive (P,P') sont focalisés sur la dynode négative (N,N') où ils sont reconvertis en électrons envoyés sur les moyens de réception. 2. Dispositif de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dynodes (P,P'; N,N') ont une géométrie concave. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la dynode positive (P) est percée d'une ouverture (3) derrière laquelle sont placés les moyens de réception (7,6,5) sous un angle important par rapport à l'axe (2) de appareil injecteur (1). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de réception (7',6',5') sont situés derrière le corps noir (4') sur l'axe de l'appareil injecteur ou à son voisinage. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de réception comprennent un multiplicateur d'électrons, par exemple une galette de microcanaux, placée devant l'écran.