Brevet FR2722610A1 — publié le 19960119

La présente invention concerne une cale magnétique active pour la correction des aberrations dans un spectromètre de masse. Elle s'applique notamment à la correction des aberrations dans les spectromètres de masse à simple ou double focalisation Dans son principe un spectromètre de masse à simple focalisation utilise la propriété qu'a le champ magnétique de dévier la trajectoire de particules électriquement chargées dans un plan perpendiculaire à sa direction. Cette déviation a lieu suivant un rayon de courbure rm défini par la relation: mv 1 2_V (1) r =-=- (1) m qB BV q mBq dans laquelle B est le champ magnétique m est la masse de la particule v est la vitesse de la particule V est la tension d'accélaration de la particule et q est la charge électrique de la particule. De tels spectromètres sont notamment décrits dans le livre de John Roboz, publié par John Wiley & sons, New York 1968 ayant pour titre "Introduction to mass spectrometry". Dans ces spectromètres différents moyens sont utilisés pour ioniser les particules à analyser, mais comme il n'existe qu'un petit nombre de valeurs possibles pour la charge q de celles- ci, qui peuvent aller jusqu'à 2 à 4 fois la charge de l'électron et que le potentiel d'accélération V utilisé est identique pour toutes les particules, le rayon de courbure rm dépend essentiellement du champ magnétique appliqué et de la masse de la particule. Le champ magnétique est produit par un aimant et les masses sont analysées dans un plan situé en aval de celui-ci. Si Ox désigne la direction de l'axe du faisceau pour une masse de valeur déterminée m, Oy désigne la direction normale à l'axe du faisceau dans le plan de la trajectoire et Oz désigne la direction du champ magnétique, le coefficient de dispersion en masse est mesuré dans la direction y par la relation: K =y (2) m cd* m Dans le plan de détection, soit Dm la largeur de la partie d'un faisceau qui contient uniquement les ions d'une masse déterminée m. La résolution en masse Rm est définie par l'inverse de l'écart de masse relatif qui peut être effectivement séparé. La résolution en masse est définie par la relation: K., R =- (3) m DM Pour obtenir une résolution en masse la meilleure possible, il faut soit augmenter le coefficient de dispersion en masse Km soit diminuer la largeur Dm du faisceau. Comme le coefficient Km est directement proportionnel au rayon de courbure rm, Rm peut être amélioré en augmentant le rayon de l'aimant mais ceci peut conduire à des coûts de réalisation importants. Aussi la diminution de la largeur Dm, est souvent obtenue par un système optique de particules chargées qui focalise le faisceau sur le plan de détection. Cependant cette dernière solution impose de conformer l'aimant de façon que les aberrations du système optique ainsi réalisé soient les plus petites possibles. D'autre part, comme l'indique la relation (1), le champ magnétique de l'aimant disperse aussi les trajectoires des particules électrisées selon leur énergie. Or dans certaines applications, la dispersion en énergie des ions n'est pas négligeable et peut être de nature à produire une aberration chromatique, proportionnelle à la dispersion en énergie. L'aberration chromatique qui est ainsi produite accroît la largeur Dm du faisceau et diminue alors la résolution en masse. Ceci se produit notamment pour les ions générés dans les spectromètres de masse d'ion secondaire de type SIMS décrits par exemple dans le livre de A. Benninghoven et ai intitulé "Secondary Ion Mass Spectrometry" publié par John Wiley, Chemical Analysis Vol. 86. o la dispersion en énergie des ions peut atteindre 20 eV. Pour rendre un spectromètre de masse achromatique, il est connu d'utiliser un système optique à double focalisation. Ceci est obtenu en disposant sur le trajet des ions, avant ou après l'aimant, un champ électrique E qui imprime aux trajectoires ioniques un rayon de courbure R tel que: R2V (4) E- de la façon qui est décrite par exemple dans le livre de P. Grivet ayant pour titre "electron Optics" publié par Pergamon-Press Oxford, 1972. Le dispositif créant le champ électrique est un secteur délimité par deux plaques électrostatiques qui épousent le rayon de courbure des trajectoires. Il découle de la relation (4) que le secteur électrostatique crée une dispersion en énergie et non en masse. Cette particularité permet dans les spectromètres de masse à double focalisation d'annuler la dispersion en énergie et donc l'aberration chromatique tout en conservant la dispersion en masse de l'aimant. Pour obtenir des dispersions en énergie respectives du secteur électrostatique et de l'aimant de signe contraire, il est également connu d'insérer une lentille entre les deux secteurs magnétique et électrostatique. Un tel dispositif est décrit aux pages 594-606 du livre de M A. Benninghoven déjà cité. Des perfectionnements à ce principe sont également connus de l'article de M.E. de Chambost & al ayant pour titre The Cameca IMS 1270, a description of the secondary ion optical system" publié lors de la 8ème conférence internationale sur les spectromètres de masse SIM VIII par John Wiley & sons 1992. Comme cela est décrit dans l'article de H.A Enge ayant pour titre "Deflecting Magnet" dans le volume Il de la publication "Focusing of charged particles" éditée par Septier Academic-Press, New-York 1967 page 203, les difficultés rencontrées viennent du fait que les prismes magnétiques ou secteurs utilisés dans les spectromètres ont des propriétés de focalisation qui ne sont pas les mêmes selon toutes les directions du plan de focalisation du faisceau. Généralement un aimant à face droite, possède la propriété de focalisation suivant une première direction d'axe OY de son plan de focalisation qui est parallèle au grand axe de l'entrefer de l'aimant mais ne focalise absolument pas selon une deuxième direction Oz qui lui est perpendiculaire. Cependant, comme l'indique l'article de H.A Enge un effet de focalisation selon l'axe Oz peut malgré tout être obtenu en inclinant les faces de l'aimant. Ceci peut être fort intéressant, car lorsque le faisceau n'est pas refocalisé dans la deuxième direction Oz, I'angle d'ouverture du faisceau en Z est limité, soit matériellement par les pièces polaires de l'aimant, soit par les aberrations rapportées au niveau du plan de détection qui augmentent la largeur du faisceau Dm. Il est toujours possible de limiter ces aberrations par un diaphragme, mais ceci diminue d'autant le signal détecté. Une inclinaison des faces proches de 27 est fréquemment utilisée, car elle permet de rendre à peu près égales les convergences dans les deux directions Oy et Oz. La distance focale fm équivalente est alors de l'ordre de 2 fois le rayon de courbure des trajectoires. Il est classique d'écrire qu'à la sortie du système optique formé par l'aimant d'un spectromètre, I'écart de convergence Ys sur l'axe Oy est une fonction des paramètres d'entrée Yi, Y'i, Zi, Z'i, M et- V o le signe' indique qu'il s'agit d'une dérivée. M V Cette relation permet, en développant les coefficients du développement de Ys au deuxième et troisième ordre, d'apprécier les principales propriétés de l'aimant et notamment la résolution en masse. En effet, le faisceau à l'entrée de l'aimant est caractérisé par sa section définie par AYi AZi et par son ouverture AY'i AZi. Le produit de ces 4 termes, qui sont généralement déterminés par des fentes ou diaphragmes, définit ce qui est appelé "'acceptance du système optique". En sortie de l'aimant, la largeur du faisceau Dm se trouve être la somme d'une partie Gaussienne, proportionnelle à Ayi, et d'une partie aberrative qui est d'autant plus importante que les ouvertures AY'i et AZi sont importantes. Ceci peut être résumé par la relation: D. G AY +KAY'2 +K,,'I2 y y zz AV"2 (5) V( V) Y,o +Kyyy '3 Dans la relation (5), ne sont écrits que les termes qui, dans la pratique sont prépondérants, mais formellement, il existe bien d'autres termes possibles, par exemple, des termes en Kyy Y2i, Kzz Z2i. Mais pour une masse de valeur déterminée M il est clair qu'il n'existe pas de termes en M M Ce qui précède montre que l'aimant d'un spectromètre à haute résolution doit être dessiné de façon à rendre le plus petit possible les coefficients d'aberration Kyy, Kzz, etc. Naturellement la relation (6) s'applique aussi bien à des spectromètres à simple ou double focalisation. Mais pour les spectromètres à double focalisation, les différents coefficients d'aberration ne dépendent plus que du seul aimant, mais de tous les éléments qui constituent le spectromètre, (secteur électrostatique, lentille et aimant principalement). La correction de ces aberrations est classiquement obtenue suivant trois méthodes différentes. Une première méthode consiste à usiner de manière appropriée les faces d'entrée et de sortie des pôles de l'aimant pour annuler les termes du deuxième et troisième ordre. Des exemples illustrant ce procédé sont par exemple décrits dans l'article de H. Matsuda, dans Int. J. Mass Spect Ion Phys, 14,219 (1974) ayant pour titre "Double focusing Mass Spectrometers of second order" et dans l'article de H. Nakabushi, T. Sakurai, H. Matsuda publié dans Inst. Joumrn. of Mass spectr & Ion Proc 63 (1985) 83-99 ayant pour titre "Effect of a cubic-curve boundaries on ion Optical properties of magnetic sector fields". Une variante de cette méthode consiste à fixer aux extrémités de l'aimant des cales démontables pour permettre une retouche aisée des faces d'entrée et de sortie ainsi constituées de l'aimant. Une deuxième méthode consiste à introduire sur le chemin optique des multipoles (quadrupoles, hexapoles, octopoles...) qui présentent une symétrie angulaire sur les parcours des particules. En polarisant alternativement par des tensions +V, -V, +V les pôles des multipoles, cette méthode permet de créer des termes ajustables du 2ème ordre. Cette méthode avec des hexapoles est utilisée par exemple dans le spectromètre de masse IMS 1270 commercialisé par la demanderesse. Enfin une troisième méthode consiste à moduler le champ de l'aimant B(v) en disposant sur toute la surface des pièces polaires des lignes de courant concentriques à la trajectoire principale des particules. Une telle méthode est par exemple décrite dans l'article de J. Camplan R. Meunier ayant pour titre "design and use pole face correction coils" publié par Nulcear Instruments and Methods, 186 (1981) 445-452. L'inconvénient de la première méthode qui prévoit d'effectuer des usinages des faces d'entrée et de sortie des pôles de l'aimant, est qu'elle ne peut se prêter à une correction interactive des aberrations. Les multipoles à symétrie angulaire utilisés dans la deuxième méthode présentent l'inconvénient de générer plusieurs aberrations simultanément, si bien que la compensation d'une aberration peut toujours en ajouter une ou plusieurs. Ainsi un hexapole est tout à fait efficace pour compenser des aberrations du 2ème ordre mais il génère à la fois sur l'axe OY une aberration de la forme K* Y'2 et une aberration de la forme -K Z'2. De la même façon, un octopole polarisé alternativement + V, -V, + V, -V.. . génère toujours sur l'axe OY à la fois une aberration K* Y'3 et une aberration -3K*Y'Z'2. La troisième méthode présente l'avantage de générer de façon dominante une aberration du 2ème ordre K2*Y'2 et une aberration du 3ème ordre du type K3*Y3.... Kn*Y'n. Elle offre également une possibilité de réglage interactif. Cependant sa mise en oeuvre est compliquée car il faut réaliser des circuits imprimés de tailles très importantes, de plus cette méthode s'applique difficilement à des aimants déjà réalisés car il faudrait introduire le circuit imprimé dans l'entrefer qui est normalement pleinement rempli par le tube sous vide parcouru par le faisceau. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet, I'invention a pour objet une cale magnétique active pour la correction des aberrations dans un spectromètre de masse comportant un dispositif de déviation de particules électriquement chargées formé par un aimant à entrefer, caractérisé en ce qu'elle est formée par un ensemble de noyaux magnétiques (N1la...N4b) disposés à au moins une extrémité de l'aimant de part et d'autre de l'entrefer pour moduler le champ magnétique de l'aimant, chaque noyau magnétique étant excité par un conducteur (B1...B4) parcouru par un courant d'intensité déterminée (11 -14) pour que les champs magnétiques produits annulent les aberrations du spectromètre à la sortie de l'aimant. L'invention a pour avantage qu'elle permet d'appliquer indifféremment les corrections à l'entrée ou à la sortie de l'aimant. En effet, dans un spectromètre à double focalisation, les trajectoires sont dispersées en énergie avant l'aimant et en masse après l'aimant. Selon que l'on veut générer avec les corrections d'aberration géométriques des corrections d'aberrations chromatiques ou des corrections d'aberrations en masse, alors, il faudra introduire une cale active à l'entrée de l'aimant ou à sa sortie. Elle permet aussi d'appliquer les corrections également à l'entrée et à la sortie de l'aimant pour générer par exemple des aberrations du 2ème et 3ème ordre du type K2 * y2 et K3 * Y3. comme cela peut aussi être obtenu en utilisant la troisième méthode décrite précédemment. Ainsi, si le spectromètre est utilisé en multicollection, comme peut l'être celui commercialisé sous la désignation IMS 1270 de la Demanderesse, une cale active selon l'invention disposée en sortie de l'aimant et correctement excitée pour générer des termes du second ordre, pourra être utilisée pour régler l'orientation du plan de focalisation des masses alors qu'une cale active disposée en entrée de l'aimant sera commandée pour compenser les aberrations du second ordre générées par la cale de sortie. Si le même spectromètre est utilisé en monocollection, pour une masse unique, la cale active d'entrée peut être excitée pour générer des termes du troisième ordre et être ainsi dédiée à la correction des aberrations en énergie, alors que la cale de sortie, pourra corriger les aberrations d'ouverture sans affecter les aberrations en énergie. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent: La figure 1 une vue en coupe d'une cale active selon l'invention disposée à l'extrémité de l'aimant d'un spectromètre de masse. La figure 2 une vue selon la coupe AA' de la cale active représentée à la figure 1. La figure 3 un schéma de principe qui montre la disposition de cales actives sur une pièce polaire de l'aimant d'un spectromètre. La figure 4 un dispositif pour la commande d'une cale active selon l'invention. La cale active selon l'invention qui est représentée à la figure 1 permet de modifier les propriétés optiques d'un aimant de spectromètre de masse en modulant le champ magnétique B établi à ses extrémités. La modulation du champ magnétique est obtenue en disposant à l'entrée et à la sortie de l'aimant une cale active composée d'une série de bobinages, disposés régulièrement le long des pièces polaires et en réglant les courants électriques passant dans les différentes bobines de façon à annuler ou à rendre minimum les différentes aberrations du sytème optique du spectromètre. La cale active qui est représentée à la figure 1 comporte, disposés symétriquement de chaque côté de l'axe z'Oz de l'aimant 1 d'un spectromètre et de part et d'autre de son entrefer 2, un ensemble de 12 petits noyaux de fer doux N1a, N2a, N3a, Nla, N-2a, N_3a, N1b, N2b, N3b, N-1 b, N-2b, N-3b et un ensemble de quatre gros noyaux de fer doux N_4a, N4a et N_4b, N4b. Sur chacun des noyaux sont disposés des bobinages B1, B2...B4... parcourus par des courants I1, I2.... I 4... Un bobinage BO supplémentaire parcouru par un courant 10 entoure l'ensemble des noyaux. Chaque paire de noyaux (Nia, Nib) placé en vis-àvis de part et d'autre de l'entrefer 2 est excitée par un même conducteur, bobiné sur les deux noyaux de façon à créer un champ magnétique dans le même sens. Par contre les bobinages BO et B'0 sont parcourus par des courants indépendants. Au total la commande de la cale est assurée par 10 courants indépendants I1, I2, I3, I4, I-2, I-3, I-4, IO, ro0. La disposition des bobinages sur les noyaux est réalisé de la manière représentée à la figure 2 par la vue en coupe suivant l'axe AA' de la figure 1. Le montage de cales actives CA1 et CA2 aux extrémités de l'aimant 1 est effectué de la façon représentée à la figure 3. Chacun des 10 courants indépendants Ii est contrôlé de la manière représentée à la figure 4 par une variable numérique Vi au travers d'un convertisseur numérique analogique 3 disposé entre un microprocesseur de commande 4 et un amplificateur tension/courant 5. Les variables numériques fournies par le microprocesseur 4 sont données par les combinaisons linéaire suivantes: V1 = k1 1 f1 + k12f2 + k13f3 V-1 =- kl 1 fl +k12 f2 k13f3 V2=3k21 fl +9k22f2 + 27 k 23f3 V-2 = -3k21 f1 +9k22 f2 -27k23 f3 V3= 5 k31 fl + 25 k32 f2 + 125 k33 f3 V-3 = - 5k31 fl + 25 k32 f2 - 125 k33 f3 V4 = 10 k41 fl + 100 k42 f2 + 1000 k43 f3 V-4 = -10 k41 fl + 100 k42 f2 1000 k43 f3 V= k ffo + kO fo V'o = ko fo - k'0 f'o Les coefficients k sont de l'ordre de grandeur de l'unité. Les fonctions f1, f2, f3, fo et f0 ont les significations suivantes: - la fonction fl est celle d'un stigmateur YZ. Elle est équivalente à un changement de l'angle des faces de l'aimant. Cette fonction agit sur les propriétés du premier ordre (focalisation en Y simultanément avec défocalisation opposée en Z). - f2 agit sur l'aberration du deuxième ordre Ky, y, Y'2 - f3 agit sur l'aberration du troisième ordre Ky, y, y, Y'3 s -f0 est équivalent à un recul ou une avancée de la face de l'aimant. La fonction f0 est celle d'un stigmateur à 45 . Naturellement d'autres variantes d'exécution de l'invention sont également possibles en modifiant par exemple le nombre des noyaux de fer doux et leur position de part et d'autre de l'entrefer que la cale magnétique ainsi réalisée soit amovible ou non aux extrémités de l'aimant. Egalement on peut concevoir dans certaines réalisations qu'une seule cale placée à une seule extrémité de l'aimant (1) est suffisante pour corriger de façon efficace les aberrations. REVENDICATIONS 1. Cale magnétique active pour la correction des aberrations dans un spectromètre de masse comportant un dispositif de déviation de particules électriquement chargées formé par un aimant (1) à entrefer (2), caractérisé en ce qu'elle est formée par un ensemble de noyaux magnétiques (N1la...N4b) disposés à au moins une extrémité de l'aimant de part et d'autre de l'entrefer (2) pour moduler le champ magnétique de l'aimant, chaque noyau magnétique étant excité par un conducteur (B1... B4) parcouru par un courant d'intensité déterminée (11 - 14) pour que les champs magnétiques produits annulent les aberrations du spectromètre à la sortie de l'aimant (1). 2. Cale magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les noyaux magnétiques sont groupés par paire et sont excités par des bobines parcourues par le même courant, les noyaux d'une paire étant placés en vis-à-vis de part et d'autre de l'entrefer (2). 3. Cale magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'ensemble des noyaux magnétiques est disposé symétriquement de part et d'autre de l'axe de symétrie (z'0z) de l'aimant parallèle à la direction principale du champ magnétique B créé dans l'entrefer (1). 4. Cale magnétique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'ensemble des noyaux magnétiques comprend un premier ensemble de gros noyaux (N_4a...N4ab) disposé à l'intérieur et de part et d'autre du premier ensemble de petits noyaux (Nla...N-3b). 5. Cale magnétique selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'elle comprend un premier bobinage (B0) et un deuxième bobinage (BO0) supplémentaires entourant l'ensemble des noyaux et disposés respectivement de part et d'autre de l'entrefer (2). 6. Cale magnétique selon les revendications 4 et 5 caractérisé en ce que le premier ensemble de gros noyaux se compose de 4 noyaux et en ce que le deuxième ensemble de petits noyaux se compose de 12 noyaux. 7. Cale magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les conducteurs des bobines sont excités par un courant qui est la combinaison linéaire d'une fonction f1 de stigmateur (Y, 2722610.... Z), d'une fonction f2 représentative d'une aberration du deuxième ordre, d'une fonction f3 représentative d'une aberration du 3ème ordre et d'une fonction fO de stigmateur à 45 .