Brevet FR2790596A1 — publié le 20000908

I 2790596 SOURCE D'IONS SELECTIVE DE TRES GRANDE INTENSITE Les meilleures sources ioniques utilisées en spectrométrie de masse, ont des sensibilités de l'ordre de 10-4 A par mbar. Nous proposons une source sélective ayant une sensibilité dix mille fois plus grande, de l'ordre de lA par mbar. En outre, pour les petites masses, la source se comporte comme un véritable , spectromètre de masse, de sensibilité exceptionnelle. La nouvelle invention consiste à combiner, dans l'entrefer d'un même circuit magnétique, une décharge haute tension à cathode froide ou chaude et un dispositif d'extraction et de sélection des ions. Dans l'espace de décharge, le champ électrique E est parallèle à l'induction magnétique B. Dans l'espace de sélection, le champ 0o. électrique E, est perpendiculaire à B. Dans cette région, les ions décrivent des cycloides dont le mouvement de translation, perpendiculaire à E, et B, permet l'extraction hors du système (Eg et B sont uniformes et constants alors que E, est uniforme mais de grandeur ajustable). Remarquons aussi qu'en moyenne, E, sera d'un ordre de grandeur inférieure à Eg. ú, A titre d'exemple non limitatif, nous allons décrire une réalisation simple (Fig. I) du dispositif de base. La source ionique à cathode froide est constituée par deux grilles intérieures g et deux cathodes extérieures c parallèles, logées dans l'entrefer d'un circuit magnétique avec aimants permanents (Fig. Ia) et donc perpendiculaire à B. 2 2790596 Les grilles g sont portées à un potentiel positif de plusieurs kV par rapport aux cathodes c. L'espace entre les grilles loge un réseau d'électrodes s distante de 8, parallèles à B, entre lesquelles est établi le champ uniforme ajustable E, perpendiculaire à B. La première de ces électrodes par exemple peut être fixée au potentiel de g. L'espace de sélection entre les grilles est électriquement indépendant de l'espace de décharge grille-cathode. Dans l'espace de sélection (Fig. Ib) (système de champs croisés Es, B) les ions décrivent des cycloïdes. En négligeant pour simplifier les vitesses initiales, les équations du mouvement sont: 1, x =xo-n Esin-5t+ Es)t Boo n Bow, y =:yo +n E%, 1-cos" t Bo_( _ (axe des x perpendiculaire à E,, axe des y paralèlle à Es, perpendiculaire à B). e e Dans ces équations, wO =-B oi -est le rapport charge/masse de l'ion H' et n m m est le nombre de masse de l'ion considéré. I5. La hauteur maximum Ym obtenue pour -t =7r, est égale à 2n , directement n B croo proportionnelle à n. Soit ô la distance entre les électrodes s. Seules les ions pour lesquels ym sans collision avec s. Le système fonctionne comme un filtre passe-bas. 3 2790596 Pour le transformer en véritable filtre à bande passante étroite, nous proposons le dispositif suivant (fig. I). Les grilles g de la fig. I sont ici réduites à deux rectangles étroits r, dont la plus grande dimension est parallèle au champ E,. Le reste de la surface des g est obturé par des électrodes planes p. Aucun ions n'est en principe créé entre les plaques p. Les points de départ des cycloides parcourues par les ions sont ainsi confinés dans le parallélépipède étroit limité par les grilles. A une distance h du rectangle r, l'entrefer du circuit magnétique est élargi de telle sorte que l'induction magnétique B soit réduite à la valeur -. Supposons qu'on veuille sélectionner un ion de nombre de masse n. On choisi la valeur de E, qui satisfait la relation: E., Es n=h Bo) Les équations du mouvement montrent que les ions de nombre de masse n ont alors au niveau h des trajectoires quasi parallèles aux électrodes s. B D'autre part, pour la nouvelle valeur de l'induction 2 la force de Laplace ev - 2 2 6 équilibre la force électrique e E. On a, en effet: C2eEs 2 Es) 2Es v= m n '=2 nm Bwo)B 4 2790596 Les trajectoires des ions de masse n deviennent rectilignes et parallèles aux électrodes s. La transmission est alors maximum. Par contre, les ions de nombre de masse différent de n continuent à décrire des cycloides, d'ailleurs dilatées (facteur 4) B en raison de la valeur réduite - de l'induction magnétique. Ces ions sont bloqués par les électrodes s. Pour améliorer la transmission des ions de nombre de masse n sélectionnés, les électrodes s peuvent être pourvues de larges fenêtres f dans la région voisine de r o les trajectoires font un angle notable avec le plan de ces électrodes. On peut aussi améliorer le rendement de la décharge par l'utilisation d'une cathode Io, chaude constituée par un filament chauffé émetteur d'électrons, tendu parallèlement à Es entre une grille g et une cathode froide c et portée à un potentiel V intermédiaire (Vc Enfin, l'entrefer en " escalier " décrit plus haut peut être remplacé par un entrefer de section trapézoïidale. Les résultats précédents restent qualitativement valables, et 15. on bénéficie en outre d'un confinement des ions dans la région médiane du système. Il faut remarquer qu'avec ces types de décharges ionisantes, la dispersion des vitesses initiales des ions peut être importante, ce qui réduit à priori le pouvoir de résolution et limite les applications à la sélection des ions légers. Bien entendu, le faisceau ionique émergeant peut être repris dans un deuxième , spectromètre de masse, moins sensible à la dispersion des vitesses initiales (quadripôles par exemple). Pour terminer, il faut noter aussi qu'en utilisant des cathodes c en titane par exemple, on peut bénéficier d'un auto pompage important de l'appareil. 2790596 Remarque: Les types de décharges électriques utilisés génèrent souvent un bruit de fond important, grossièrement continu. Pour s'en affranchir, il suffit de l'interrompre à une fréquence v, le champ de sélection E. Seul le signal utile sera modulé et donc détecté et amplifié par couplage avec un amplificateur de tension alternative, accordé sur la fréquence v En conclusion, la nouvelle invention permet la réalisation de spectromètres de masse de sensibilité exceptionnelle pour la sélection d'ions légers, ou de sources d'ions sélectives très intenses pour d'autres applications. 6 2790596 REVENDICATIONS I. Source ionique o l'action combinée d'un champ d'induction magnétique B et d'un champ électrique E entretien une décharge dans une enceinte logée dans l'entrefer d'un circuit magnétique. Caractérisée par le fait que le système (fig. 1) est constitué par deux cathodes extérieures c et deux grilles intérieures g, planes, parallèles et perpendiculaires à B; que l'espace entre les grilles g loge un réseau d'électrodes s planes, parallèles à B et distantes de 6; que la haute tension (E8) est appliquée entre g et c (V8 >Vc) et qu'un champ électrique uniforme ajustable E, perpendiculaire à B, est appliqué entre les électrodes s. Les ions décrivent dans le système de champs croisés E/, B, des cycloïdes de hauteur o, proportionnelle au nombre de masse n. Pour un champ Es donné, seuls les ions Bco06 correspondants à n que l'induction soit réduite à la valeur -. 7 2790596 Pour E, =h , seuls les ions de nombre de masse n ont, à partir de h, des 7on trajectoires rectilignes, parallèles aux électrodes s; par le fait qu'au voisinage de r, les électrodes sont percées de fenêtres f, pemettant aux ions de traverser cette région sans collisions. La source fonctionne comme un filtre à bande passante étroite. , nII Source ionique suivant les revendications I et ô, caractérisée par le fait qu'un filament chauffé, émetteur d'électrons est tendu parallèlement à E, entre une des grilles g et une cathode c. Le filament est porté à un potentiel V intermédiaire (Vc IV. Source ionique suivant les revendications I et II caractérisée par le fait que û. l'entrefer du circuit magnétique a une section trapézoïdale. V. Source ionique suivant une ou plusieurs des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le champ Es est interrompu avec une fréquence fixe v. Seul le signal utile est modulé et donc détecté et amplifié par couplage avec un amplificateur de tensions alternative, accordé sur la fréquence v.