Brevet FR2670049A1 — publié le 19920605

NOUVEAU SPECTROMETRE DE MASSE A CHAMPS MAGNETIQUE ET ELECTRIQUE CROISES Les spectromètres de masse à déflexion magnétique largement utilisés, présentent encore des inconvénients sérieux. D'une part les circuits magnétiques sont lourds et encombrants d'autre part, la sélection des masses pose un problème difficile. Obtenue par balayage de la tension d'accélération des ions, elle réduit la résolution pour les masses élevées, tandis que le balayage des champs magnétiques implique la réalisation d'un circuit magnétique complexe. Enfin, ces systèmes sont très mal adaptés à la détection simultanée d'ions positifs et négatifs. Pour les applications dans le mode dispersif, ces spectromètre semblent toujours être les plus simples mais les dimensions de la cible requise (écran fluorescent, par exemple) restent exagérées. Pour pallier à ces inconvénients, nous proposons un nouveau spectromètre de masse, combinant l'action des champs magnétique et électrique, de façon à obtenir des trajectoires ioniques quasi rectilignes et de pouvoir ainsi utiliser un circuit magnétique simple et d'encombrement réduit. D'autre part, nous verrons que la sélection des masses se fait en balayant un champ électrique auxiliaire, en modifiant très peu l'énergie des ions : la résolution aux masses élevées n'est donc pas affectée. Enfin, la sélection des ions négatifs peut se faire simplement en inversant la polarité des électrodes de la source d'ions, ce qui n'est évidemment pas le cas pour les spectrometres de masse magnétiques conventionnels. Le nouveau système comporte essentiellement (fig I) 1/ Deux électrodes parallèles planes (b) de longueur d ; un potentiel ajustable Vi établit entre ces électrodes un champ électrique uniforme Ei. Nous appellerons axe du système (y) une droite équidistante des électrodes (b), située dans le plan médian perpendiculaire aux électrodes. 2/ Une source d'ions (a) du type triode qui fournit un faisceau ionique d'énergie déterminée, dirigé suivant l'axe du système; le faisceau peut être focalisé sur cet axe, par exemple à la sortie des électrodes (b). 3/ Un circuit magnétique (non indiqué sur la figure) produisant une induction magnétique uniforme B, parallèle au plan des électrodes (b) et perpendiculaire au faisceau ionique. Dans le système de champs croisés E, B, les ions décrivent des cycloïdes. A la sortie des électrodes (b). l'écart x nar rapport à l'axe v est donné nar: eVO est l'énergie initiale des ions où e est le rapport charge-masse pour l'ion hydrogène m n est le nombre de masse de l'ion considéré t est le temps de transit. La trajectoire est en fait rectiligne ( x = O) quand la condition (force de Laplace evB opposée à la force électrique eE) est remplie: Cette condition peut être satisfaite pour chaque valeur de n avec un choix convenable de E. Le balayage de E permet donc de détecter successivement toutes les masses à travers une fente de sélection(s) située sur l'axe du système. On peut aussi, sans fente de sélection et en gardant E constant, recevoir sur une cible d'une certaine étendue toute la gamme de masse. Soit nO satisfaisant la condition (2). Les trajectoires correspondants à des n r nO frapperont la cible de part et d'autre de l'axe du système à une distance fonction de n. Il suffit de placer à la sortie du système une dynode de conversion (c) ions-électrons et un écran fluorescent (f) (fig II), portés à des potentiels convenables pour visionner toute une gamme de masse, le centre de la cible correspondant à la masse nO. En ajustant E et donc nO, on peut choisir toutes les. gammes de masse désirées. Il reste ensuite à "lire" l'image obtenue par un dispositif de conversion Wapproprié. Remarquons (équation 1) que le changement de signe de la charge ionique change seulement le signe de x. Pour une même vitesse initiale y'O, les ions négatifs et positifs de même masse ont des trajectoires symétriques par rapport à l'axe. Il suffit d'inverser les polarités des électrodes de la source ionique pour détecter les ions des deux signes. Remarquons que l'on peut, à la sortie des électrodes (b) soumettre les ions à l'action du champ magnétique seulement : la dispersion et donc la résolution peuvent être ainsi augmentées. En résumé, le nouveau spectrrlètre de masse permet avec un encombrement et un poids très réduits, et aussi une élec..onique très simple, d'analyser les ions positifs et négatifs avec une haute résolution; il permet aussi la détection simultanée d'une gamme de masse étendue. REVENDICATIONS 1/ Spectromètre de masse comportant une source (a) d'ions positifs ou négatifs, permettant la focalisation et l'accélération des ions à une énergie bien déterminée caractérisé par le fait que le faisceau ionique traverse l'espace compris entre deux électrodes planes parallèles (b) entre lesquelles est appliquée une tension ajustable Vi, et qu'un circuit magnétique produit dans l'espace entre les électrodes (b) une induction magnétique uniforme B, parallèle au plan des électrodes (b) et perpendiculaire au faisceau ionique: à chaque valeur du nombre de masse n correspond une valeur du potentiel Vi pour laquelle la trajectoire correspondante est rectiligne, les masses différentes de n étant dispersées de part et d'autre de la trajectoire rectiligne. 2/ Spectromètre de masse suivant la revendication n"l, caractérisée par le fait qu'une fente de sélection est située sur l'axe du système à la sortie des électrodes (b). A chaque nombre de masse n correspond une valeur Vi assurant le passage des ions. Le spectre complet est obtenu par balayage de Vi. 3/ Spectromètre suivant la revendication n 1, caractérisé par le fait qu'une dynode de conversion ion-électron et un écran fluorescent, portés à des potentiels convenables et placés à la sortie des électrodes (b), permettent de visualiser sans balayage de tension une gamme de masse d'une certaine largeur. 4/ Spectromètre de masse suivant les revendications n"l, 1 et 2 ou 1 et 3, caractérisé par le fait qu'à la suite des électrodes (b), les ions sont soumis à l'action de l'induction magnétique seulement, ce qui accentue la dispersion et la résolution.