Brevet FR2831326A1 — publié le 20030425

(4o). 1 2831326 SOURCE SÉLECTlVEDEGRANDElNTENSlTÉ DEFAlSCEAUX lONlQUESFOCALiSÉSET COLLiMATÉS-COUPAGEAVEC DES SPECTROMÉTRES DE MASSE À HAUTE RÉSOLUTlON Des sources ioniques de grande intensité ont été décrites, dans lesquelles les ions de nombre de masse n donné, créés par bombardement électronique dans un volume important, peuvent étre focalisés sur une fente de sélection relativement étroite s. Un couplage efficace avec un spectromètre de masse requiert en outre que le faisccau ionique à la sortie de s soit collimaté. Nous décrivons dans ce qui suit un dispositif qui permet d'obtenir ce résultat et de réaliser ainsi des spectromètres de masse très simples, alliant une grande sensibilité et une haute résolution. JQ Dans cette source, les ions créés par bombardement électronique, sont soumis à l'action d'un champ électrique uniforme ajustable É, établi par un réseau d'électrodes planes parallèles ai, munies de fentes pour le passage des ions, et d'un champ d'induction magnétique uniforme fixe B. perpendiculaire à E, établi par un circuit magnétique externe à l'enceinte de l'instrument S. Dans un système de référence x y, dans un plan perpendiculaire à B. les axes x, y étant respectivement perpendiculaire et parallèle à É, et l'origine des axes fixée au point de départ moyen des ions (Fig. b, les champs croisés E, B agissent dans la région correspondant à y d. Un calcul simple montre que, si on néglige les vitesses initiales, tous les C ions de nombre de masse n créés dans un volume relativement important autour de la ligne x = 0 y = 0 sont focalisés sur la ligne x = 2,1 d y = 2 d pour E =--B2 (_ est le rapport charge/masse de l'ion H+). La position de s, n m m est donc fixée par ces valeurs de x et y (les calculs détaillés, classiques, ont été explicités dans une demande antérieure). a5 Si, de plus, les ions sont créés uniquement dans le voisinage d'un plan parallèle à B. faisant un angle de 45 avec E, le faisceau ionique sera 2 2831326 collimaté pour les mêmes valeurs de x, y, E (ce résultat peut être facilement vérifié par une construction graphique simple). Il suffit de tendre le filament f émetteur d'électrons ionisant entre le boitier de l'appareil et les électrodes a, a suivant une droite d'équation y = x et de limiter le faisceau électronique par une électrode b percée d'un diaphragme parallèle à f, et placée entre f et a, a. La collimation du faisceau ionique en s permet d'améliorer la résolution. En effet, si le circuit magnétique est correctement placé, l'espace en aval de s est libre de champs électromagnétiques. Les ions de même nombre de masse n suivent une même lO. trajectoire rectiligne p. Ce résultat suppose que l'énergie initiale des ions est nulle mais même pour les "ions fragments" avec des énergies initiales de l'ordre de l eV, les trajectoires convergent vers la trajectoire idéale et la coupent à une distance de s, approximativement égale à 4d. Une deuxième fente de sélection s2, placée à cette distance permet donc d'affiner la résolution 15. sans diminuer la sensibilité. La position rigoureuse de S2 dépend des "effets de bord" du circuit magnétique et doit être optimisée; Ces mêmes effets, provoquent aussi une légère dispersion du faisceau ionique entre s et s2, qui peut limiter la résolution. Le dispositif permet néanmoins la réalisation de spectromètres de masse très simples, très sensibles avec une résolution excellente pour les basses masses. Un système un peu plus complexe permet d'améliorer considérablement la résolution. À la sortie de la fente s, les ions sont soumis à l'action d'un deuxième couple _ _ _ de champs croisés E2, B. (Fig. II). E2 fait un angle de 45 avec E et est égal à El cos 45 . Un calcul simple montre que la condition: dY dY dY dX: dYo dt = = _ dX dX dX dXo dYo dt qui caractérise la stabilité des trajectoires cycloïdales est ainsi toujours vérifiée 23û. ( XO = YO = ' = composantes de vitesse initiale au départ de s). 3 2831326 La relation X0 = Y0 n'est jamais exactement respectée en raison de l'énergie initiale aléatoire des "ions fragments" mais en fait, on vérifie facilement que même ces ions sont focalisés sur la trajectoire cycloïdale moyenne aux points: x2,2d yl,4d et x=8,9d y=0. 5. Remarque Le circuit magnétique doit permettre d'obtenir dans tout l'espace des trajectoires une induction magnétique B uniforme. Ses dimensions sont plus importantes que dans le premier cas o B n'agit que sur une partie du trajet. Par contre, les "effets de bord" n'affectent plus les performances du dispositif. I0. Dans les appareils décrits plus haut, on place généralement un amplificateur interne C du type multiplicateur d'électrons par exemple, à la sortie de la fente S2. La détection est toujours limitée par le bruit grossièrement continu de cet amplificateur. On peut s'affranchir de cette limite en modulant le faisceau ionique par une électrode auxiliaire a, par exemple une grille, portée à un potentiel alternatif de fréquence fixe, localisée sur le trajet des ions, en amont de C, par exemple à la sortie des fentes s ou s2. Le signal utile, modulé à la même fréquence peut ainsi étre détecté et amplifié indépendamment du bruit de l'amplificateur C. Le rapport signal / bruit est considérablement amélioré. Le deuxième système décrit permet, tout en conservant la très grande sensibilité du premier, d'obtenir une excellente résolution sur une gamme de masse élargie. r 4 2831326 REVENDICATIONS 1) Spe ctromètre de masse dans le quel le s ions sont soumis à l'action d'un champ électrique uniforme ajustable É, établi par un réseau d'électrodes planes parallèles ai munies de fentes, et d'un champ d'induction magnétique uniforme fixe B. perpendiculaire à E, établi par un circuit magnétique externe à l'enceinte de l'instrument; dans un système de réLérence xy, dans un plan perpendiculaire à B. les axes x et y étant respectivement perpendiculaires et parallèles à É1 et l'origine des axes fixée au point de départ moyen des ions (Fig. D, les champs croisés É, B agissant pour y d, une fente de sélection s1 l O. étant située au point x = 2,1 d y = 2 d, d représentant une distance, la valeur de E1 pour la sélection d'ions de nombre de masse n étant donnée par la relation E =--B2 o-est le rapport charge / masse de l'ion H+, n m m caractérisé par le fait que les ions sont créés par bombardement éIectronique dans le voisinage d'un plan parallèle à B. faisant un angle de 45 avec E1, un l' filament chauffé f, émetteur d'électrons ionisants étant tendu entre les électrodes a, a2 et le boîtier de l'appareil, suivant une droite d'équation y = x, le faisceau électronique étant limité par une électrode b, percée d'un diaphragme parallèle au fïlament f, placée entre le filament f et les électrodes ai, a2. 20. 2) Spectromètre de masse suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'après la fente de sélection s, les ions suivent des trajectoires rectilignes dans un espace libre et sont sélectionnés par une deuxième fente S2 située à une distance grossièrement égale à 4d de la première fente s, la position rigoureuse de S2 dépendant des "effets de bord" du circuit magnétique. 2831326 3) Spectromètre de masse suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'à la sortie de la fente de sélection s, les ions sont soumis à un deuxième système de champs croisés É2, B (Fig. II), - E2 faisant un angle de 45 avec Él et étant égal à El cos 45 , la dernière fente , de sélection S2 étant située sur la trajectoire cycloïdale des ions. 43 Spectromètre de masse selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'intensité du faisceau ionique est modulée par une électrode auxiliaire a portée à un potentiel alternatif de fréquence fixe, et le signal utile modulé à la même fréquence est amplifié indépendamment du bruit continu o. d'un amplificateur interne C, l'électrode auxiliaire a étant constituée par exemple par une grille, située à la sortie de la fente s ou plus généralement,