Brevet FR2681471A1 — publié le 19930319

MODULATEUR ATEMPOREL DE FAISCEAU D'IONS L'invention concerne un modulateur temporel de faisceau dotions. Les modulateurs temporels de faisceau d'ions sont utilisés avec des sources d'ions dans les techniques de spectrométrie de masse à temps de vol. I1 est connu que dans ces techniques le temps de vol d'une particule entre son point d'émission et un détecteur est fonction de sa masse. La mesure de ce temps de vol permet donc d'accéder à la mesure de la masse. I1 est également connu que dans un tel dispositif la résolution R = m/dm est égale à 1/2 (t/dt), m étant la masse de la particule, t le temps de vol mesuré. Cette résolution est améliorée lorsque les impulsions d'ions utilisées sont raccourcies. Différentes techniques ont déjà été mises en oeuvre pour raccourcir les impulsions émises par la source. Selon une première de ces techniques un modulateur est placé sur le faisceau d'ions après la source. Les modulateurs connus sont composés de deux électrodes parallèles au faisceau d'ions et d'un diaphragme placé en aval de ces électrodes. Une source de tension modulée est utilisée pour établir une différence de potentiel variable entre les électrodes. En l'absence de tension le faisceau n'est pas dévié par ces armatures, il reste centré et traverse le plan du diaphragme. Au contraire lorsqu'une tension est appliquée entre ces armatures le faisceau d'ions est dévié par rapport à sa direction initiale d'un angle a fonction de la tension appliquée, de l'énergie des ions incidents et des différents paramètres définissant la géométrie du système. Lorsque cet angle a est suffisamment important le faisceau est arrêté par le diaphragme. Un fonctionnement inverse a également été proposé. Dans ce cas, en l'absence de différence de potentiel appliquée aux electrodes, le faisceau est interrompu par le diaphragme ; Au contraire il est transmis lorsqu'une différence de potentiel est appliquée, c'est-à-dire qu'il est dévié. Un bon fonctionnement d'un tel dispositif nécessite une source de tension susceptible d'établir une différence de potentiel élevée entre les électrodes et de varier très rapidement pour produire un front de montée en tension, raide définissant précisément l'instant de passage d'un groupe d'ions au niveau du diaphragme. Avec les caractéristiques géométriques habituelles (distance entre électrode d de l'ordre de lmm, longueur de chaque électrode parallèlement au faisceau de l'ordre de lOmm) une tension variant entre 0 et quelques KV est généralement nécessaire. Cette technique antérieure a été améliorée en appliquant entre les électrodes des tensions successivement positives et négatives produisant des variations du faisceau dans un sens puis dans l'autre. Par ailleurs, on a également utilisé des systèmes à quatre électrodes, croisées de manière à éviter le passage du retour du faisceau devant l'ouverture du diaphragme. Ainsi les impulsions produites ont une meilleure répétitivité. I1 est également connu qu'il est possible de réaliser une compression axiale d'un paquet d'ions par une accélération électrostatique produite entre deux grilles planes, perpendiculaires au faisceau. L'objectif de l'invention est de réaliser un modulateur temporel de faisceau d'ions dont les performances soient améliorées. L'objectif est donc d'obtenir une meilleure résolution en temps et une fréquence de répétition élevée. C'est un autre objectif de l'invention de permettre la réalisation d'un modulateur temporel de faisceau d'ions à l'aide d'un système électronique simplifié. Il est connu qu'il est difficile d'obtenir des impulsions d'amplitudes élevées et de courtes durées. A cet effet l'invention concerne un modulateur temporel de faisceau d'ions comportant un déviateur spatial placé sur le faisceau d'ions, un diaphragme placé sur le faisceau d'ions en aval du déviateur spatial et une source de tension modulée. Selon l'invention le déviateur spatial comporte au moins deux éléments contenus dans un plan perpendiculaire au faisceau et la source de tension modulée établit une différence de potentiel entre ces deux éléments. Dans un mode de réalisation préféré le déviateur spatial comporte quatre éléments contenus dans un plan perpendiculaire au faisceau et symétriques deux à deux par rapport au point de traversée de ce plan par le faisceau. De préférence chacun de ces quatre éléments est une pointe ayant un faible rayon de courbure à son extrémité. Ces pointes sont avantageusement formées électrolytiquement. Les éléments du déviateur spatial sont de préférence uniformément répartis sur un cercle contenu dans leur plan. Un fonctionnement optimisé est obtenu lorsqu'une tension continue est appliquée entre les deux éléments du déviateur qui ne sont pas soumis à la différence de potentiel modulé. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins dans lesquels - La figure 1 est une représentation schématique générale d'un dispositif de spectrométrie de masse. - La figure 2 est une représentation schématique des pointes du modulateur dans un mode de réalisation préféré. - La figure 3 est une représentation du schéma optique du modulateur. Le dispositif de spectrométrie de masse représenté sur la figure 1 est alimenté par une source d'ions 1 suivie d'un modulateur 2 et d'une optique ionique 3. L'optique ionique 3 dirige le faisceau émis par la source 1 sur l'échantillon 4. Une grille accélératrice 5 accélère les ions qui sont dirigés vers le détecteur 6 après réflexion sur le dispositif miroir 7. Dans un tel dispositif on mesure le temps de vol des ions émis par l'échantillon 4 jusqu'au détecteur 6. Ce temps de vol est fonction de la masse des ions à laquelle il permet donc d'accéder. La précision de la mesure est améliorée lorsque les impulsions, à la sortie du modulateur 2 ont une durée très faible. La source d'ions 1 est de préférence une source à effet de champ du type pointe à métal liquide (LMIS Liquid Metal Ion Source). Ce pourrait également être une source à thermoionisation de Cesium par exemple. Le modulateur 2 dont le schéma optique général est représenté sur la figure 3 comporte au moins deux éléments 31, 32 contenus dans un même plan perpendiculaire à l'axe 37 du système entre lesquels une source de tension modulée 21 établit une différence de potentiel. Le déviateur comporte également un diaphragme 38 centré sur l'axe 37 en aval du plan des éléments 31, 32. Le plan des éléments 32, 31 est de préférence conjugué avec la source 1 par une lentille 35 un diaphragme d'entrée 36 et conjugué avec le diaphragme 38. On comprend ainsi qu'en l'absence de déviation par les éléments 31, 32 le faisceau d'ions émis par la source 1 est transmis par le diaphragme 38. Au contraire lorsqu'une différence de potentiel suffisante est établie entre les éléments 31, 32 le faisceau d'ions est dévié et arrêté par le diaphragme 38. La déviation électrostatique du faisceau est donc obtenue ici par un dispositif électrostatique contenu dans un plan perpendiculaire à l'axe 37 du faisceau c'est-à-dire en utilisant une géométrie particulière fondée sur l'effet de pointe. Cette disposition permet de conserver une faible charge capacitive et de donner une vitesse de modulation rapide et une fréquence de répétition élevée. Dans un mode de réalisation préféré représenté schématiquement sur la figure 2 l'effet électrostatique est produit par quatre pointes 31, 32, 33, 34 placées dans un plan perpendiculaire à l'axe 37 du faisceau d'ions. Ces quatre pointes sont placées sur un cercle 22 de diamètre D. Elles sont de préférence réalisées en Tungstène, elles ont un faible rayon de courbure à leur extrémité et sont avantageusement formées électrolytiquement. Leur rayon de courbure à l'extrémité est compris entre 0,05 et 0,2 pm et de préférence égale à 0,1 m. Les pointes 32 et 33 sont reliées à un potentiel continu V1 par la source de tension 23, les pointes 31 et 34 sont portées à une tension modulée V2 par la source 21. Le diamètre du cercle 22 est compris entre 50 et 200 Zm, il est avantageusement de 100 ym. La tension V1 produite par la source 23 est comprise entre 50 et 200 V, elle est de préférence égale à 100 V. La tension V2 varie entre 0 et une tension maximale comprise entre 50 et 200 V, de préférence égale à 100 V. Lorsque la tension V2 est à sa valeur maximale, égale à la tension V1 les quatre pointes 31, 32, 33, 34 sont portées à la même tension, le faisceau d'ions n'est pas dévié et traverse donc le diaphragme 38. Au contraire lorsque la tension V2 est nulle la différence de tension établie entre les pointes 31, 34 d'une part et 32, 33 d'autre part produit la déviation du faisceau d'ions et donc son arrêt par le diaphragme 38. Un tel dispositif permet d'obtenir pour des ions Gallium de 6 KeV des pulsations inférieures à la nano seconde sans production de phénomènes de traînée. La production du champ électrostatique de déviation par effet de pointe ne nécessite donc que l'utilisation d'une source de tension modulée de basse tension (100 V dans le mode de réalisation préféré et qui est dans tous les cas inférieur à 300 V). Il est alors possible de moduler cette source d'ions par un dispositif électronique simple (générateur d'impulsion rapide d'amplitude relativement faible) tout en obtenant des temps de montée très faibles n'ayant pas d'influence sur la qualité des impulsions du faisceau d'ions obtenu, vu la charge capacitive très faible du modulateur L'invention a été décrite plus particulièrement pour son utilisation dans les dispositifs de spectrométrie de masse à temps de vol qui sont utilisés pour analyser les molécules complexes en pharmacologie, biologie, géologie, pétrochimie,.. Ce modulateur de faisceau d'ions est également utilisable pour la réalisation de dispositifs d'imagerie ionique stroboscopique. Il s'applique aussi bien aux ions légers qu'aux ions lourds. Lorsque les impulsions produites par le modulateur de 1 l'invention sont considérées comme étant encore trop longues pour une application particulière le modulateur peut être associé à un dispositif, connu en lui-même de compression axiale du paquet d'ions. Dans un tel dispositif une post-accélération électrostatique est réalisée entre deux grilles. A cet effet on applique entre-elles une différence de potentiel synchronisée avec le passage du faisceau. Il est ainsi possible d'obtenir une compression temporelle d'un facteur environ de 3, ou plus. Le modulateur de l'invention seul permet d'obtenir des pulsations de l'ordre de la nano seconde et inférieure, associées à un dispositif de compression axiale, il est donc possible d'obtenir des pulsations d'une fraction de nano seconde. RZVBNDICATIONS 1. Modulateur temporel de faisceau d'ions comportant - un déviateur spatial (31-34), placé sur le faisceau d'ions - un diaphragme (38), placé sur le faisceau d'ions, en aval du déviateur spatial - une source de tension modulée (21) caractérisée en ce que le déviateur spatial comporte au moins deux éléments (31, 34) contenus dans un plan perpendiculaire au faisceau (37) et que la source de tension modulée (21) établit une différence de potentiel entre ces deux éléments (31, 34). 2. Modulateur temporel de faisceau d'ions selon la première revendication, caractérisé en ce que le déviateur spatial comporte quatre éléments (31, 34), contenus dans un plan perpendiculaire au faisceau (37) et symétriques, deux à deux par rapport au point de traversée de ce plan par le faisceau. 3. Modulateur temporel de faisceau d'ions selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque élément (31, 34) du déviateur spatial est une pointe ayant un faible rayon de courbure à son extrémité. 4. Modulateur temporel de faisceau d'ions selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments (31, 34) du déviateur sont des pointes ayant, à leur extrémité un rayon de courbure compris entre 0,05 et 0,2 pm. 5. Modulateur temporel de faisceau d'ions selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que chacune des pointes (31, 34) du déviateur est formée électro lytiquement. 6. Modulateur temporel de faisceau d'ions selon l'une quelconque des revendications 3 et 5, caractérisé en ce que les éléments (31, 34) du déviateur spatial sont uniformément répartis sur un cercle contenu dans leur plan. 7. Modulateur temporel de faisceau d'ions selon la revendication 6, caractérisé en ce que le diamètre du cercle sur lequel les éléments (31, 34) du déviateur spatial sont répartis est compris entre 50 et 200 iim. 8. Modulateur temporel de faisceau d'ions selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la source de tension (21) modulée établit entre deux éléments du déviateur une tension variant entre 0 et une valeur maximale comprise entre 50 et 200 V. 9. Modulateur temporel de faisceau d'ions selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que la source de tension (21) établit une différence de potentiel constante entre deux des éléments du déviateur. 10. Modulateur temporel de faisceau d'ions selon la revendication 9, caractérisé en ce que la différence de potentiel constante établie par la source de tension (21) entre deux des éléments du déviateur est comprise entre 50 et 200 V.