Brevet FR2984593A1 — publié le 20130621

Système de détection et de comptage d'ions L'invention concerne un système de détection et de comptage d'ions. Ce type de système est couramment utilisé pour la détection et le comptage 5 des ions dans des spectromètres de masse ou des horloges atomiques. Il est connu d'utiliser une source d'ions à filament chaud à l'intérieur d'un système de détection et de comptage d'ions. Les atomes, provenant d'une source d'atomes, se trouvant à proximité du filament chaud sont ionisés et les ions formés sont réémis. Les ions réémis forment un faisceau 10 qui est focalisé en direction des modules de détection et de comptage d'ions, à l'aide d'électrodes extractrices d'ions et d'un champ magnétique. Le document « Optimisation of a Langmuir-Taylor detector for lithium » de R. Delhuille et al. (Rev. Sci. Instrum. 73, 2249 (2002)) décrit un système de détection et de comptage d'ions comprenant une source d'atomes, une 15 source d'ions à filament chaud, des électrodes extractrices d'ions et des modules de détection et de comptage des ions. Le filament de la source d'ions est réalisé sous la forme d'un ruban sensiblement planaire, en d'autres termes, le filament est un ruban plat droit. Le principe de fonctionnement de ce système de détection et de 20 comptage d'ions peut se résumer comme suit : une source d'atomes émet un gaz composé d'atomes. Les atomes du gaz heurtent le filament chaud, ledit filament a un travail de sortie supérieur à l'énergie d'ionisation de l'atome. Une ou plusieurs électrodes extractrices, judicieusement disposées, pouvant entourer ou non le filament, facilitent la réémission des ions, la trajectoire de 25 ces derniers étant orientée vers la source d'atomes. Un champ magnétique dévie ensuite la trajectoire des ions en direction des modules de détection et de comptage. Un inconvénient de ce système, tel que décrit dans le document, cité précédemment, réside dans le fait que seulement un certain pourcentage 30 des ions, typiquement 50 %, émis par le filament chaud est focalisé vers les modules de détection et de comptage des ions, ce qui entraîne une importante perte desdits ions au niveau des modules de détection. Un but de l'invention est l'élaboration d'un système de détection et de comptage des ions qui permette une meilleure détection et un meilleur 35 comptage des ions réémis par la source d'ions à filament chaud. Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un système de détection et de comptage d'ions comprenant une source d'atomes, une source d'ions à filament chaud, des moyens de génération d'un champ magnétique et des moyens de détection et de comptage desdits ions caractérisé en ce que ledit filament comprend une portion concave selon son axe, longitudinal et/ou transverse. Ainsi, la trajectoire du faisceau d'ions réémis par le filament est déjà concentrée vers les moyens de détection et de comptage. La focalisation du faisceau d'ions vers ces moyens permet, alors, l'utilisation d'un champ électrique réduit. De plus, une meilleure focalisation du faisceau d'ions réémis sur les moyens de détection et de comptage permet d'améliorer les performances des appareillages qui les utilisent, tels que l'horloge atomique ou le spectromètre de masse. L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de 15 réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs, et illustrés par les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente un système de détection et de comptage d'ions, selon un aspect de l'invention, - la figure 2 illustre une portion du filament de la figure 1, selon un 20 aspect de l'invention. Sur la figure 1 sont représentés une source d'atomes 1, une enceinte 2 sous vide comprenant une source d'ions 3 à filament 4 chaud dont une portion du filament 4 est concave, des moyens 5 de génération d'un champ magnétique, une ou plusieurs électrodes extractrices d'ions 6a, 6b 25 génératrices d'un champ électrique et des moyens 7 de détection et de comptage des ions. La source d'atomes 1 comprend une enceinte où règne une atmosphère de gaz constitué des atomes à ioniser, classiquement des atomes de césium. Lesdits atomes sont attirés dans l'enceinte 2 sous vide en 30 raison de la différence de pression entre l'enceinte 2 sous vide et la source d'atomes 1. Les atomes se trouvant à proximité du filament 4 chaud sont ionisés. Les ions ainsi formés sont arrachés au filament à l'aide d'une différence de potentiel d'accélération sur les trajectoires ioniques à l'aide d'une ou plusieurs électrodes extractrices 6a, 6b qui entourent le filament 4 35 dans l'exemple proposé sur la figure 1. La trajectoire du faisceau d'ions émis est déjà concentrée en raison de la courbure du filament 4. Le faisceau d'ions est ensuite soumis à un champ magnétique transverse perpendiculaire aux trajectoires des ions et parallèle au plan du détecteur afin de filtrer les ions selon leur nature et de courber le faisceau d'ions en direction des moyens 7 de détection et de comptage des ions. Le champ magnétique est créé par des moyens 5 de génération de champ magnétique situés de part et d'autre des électrodes extractrices 6a, 6b. Par soucis de clarté, seul un des deux moyens de génération du champ magnétique est représenté sur la figure 1. Le filament 4 de la source d'ions 3 comprend un matériau de type réfractaire dont la température de fusion Tf est supérieure à 1600°C afin de résister à la forte élévation de température. De plus, le filament 4 comprend un matériau dont la valeur du travail de sortie est supérieure à l'énergie d'ionisation du césium de 1,8 eV. Préférentiellement, le matériau du filament 4 comprend au moins l'un des éléments suivants : le niobium, l'iridium, le platine, le molybdène, le tantale, le tungstène ou le rhénium. Le filament 4 est de géométrie parallélépipédique, en forme de ruban plat. Afin d'ioniser le maximum des atomes incidents, la longueur Lf et la largeur If du filament 4 dépendent de la longueur Ls et de la largeur Is de la source d'atomes 1. Le filament 4 doit avoir une épaisseur suffisante pour résister mécaniquement à la forte élévation de température du filament 4 tout en restant suffisamment résistif. Préférentiellement, l'épaisseur du filament est comprise entre 10 et 100 pm. Par exemple, le filament 4 présente une portion concave selon son axe longitudinal et/ou son axe transverse. Le rayon de courbure dudit filament dépend du champ électrique et du champ magnétique appliqués, de la distance à parcourir par les ions réémis et du diamètre de l'orifice des moyens 7 de détection et de comptage des ions, préférentiellement, le rayon de courbure appartient à un intervalle compris entre 15 et 50 mm. Par ce moyen nous avons augmenté de 20 à 30 % le courant ionique détecté avec un rayon de courbure longitudinal de 25 mm égal au rayon de courbure transverse et une tension d'accélération de 12 V. En variante, le rayon de courbure transverse r dudit filament 4 peut dépendre du rayon de courbure longitudinal R dudit filament 4, comme l'illustre la figure 2 qui représente un agrandissement du filament 4 de la figure 1. La courbure selon l'axe transverse du filament joue un rôle en améliorant la focalisation des ions thermiques, les ions thermiques sont des ions sous agitation thermique, leur vecteur vitesse, lorsqu'ils sont réémis du filament, n'est pas normal à la surface d'émission du filament 4. De plus la courbure transverse améliore la tenue mécanique du filament lorsque ce dernier est chauffé. Le rayon de courbure selon l'axe transverse r du filament de la source d'ions 3 est avantageusement compris entre 0,5R et 1,5R. Selon une autre variante de l'invention, le rayon de courbure selon l'axe transverse r du filament de la source d'ions 3 peut être identique au rayon de courbure selon l'axe longitudinal R du filament de la source d'ions 3. Le système de détection et de comptage, selon l'invention, permet d'améliorer la focalisation des ions réémis sur les moyens de détection et de comptage des ions ce qui permet d'améliorer les performances des appareillages qui les utilisent.10 REVENDICATIONS1. Système de détection et de comptage d'ions comprenant une source d'atomes (1), une source d'ions (3) à filament (4) chaud, des moyens de génération d'un champ magnétique (5) et des moyens de détection et de comptage (6) desdits ions caractérisé en ce que ledit filament (4) comprend une portion concave selon son axe, longitudinal et/ou transverse. 10 2. Système selon la revendication 1 dans lequel le rayon de courbure dudit filament (4) dépend de la distance à parcourir par les ions, de l'intensité du champ électrique et du champ magnétique appliqués et de la surface de l'orifice du détecteur. 15 3. Système selon les revendications 1 ou 2 dans lequel le rayon de courbure dudit filament (4) est compris entre 15 et 50 mm. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le rayon de courbure transverse (r) dudit filament (4) dépend du rayon de 20 courbure longitudinal (R) dudit filament (4) selon la relation 0,5R 5. Système selon l'une des revendications 1 et 4 dans lequel le rayon de courbure transverse (r) dudit filament (4) est égal au rayon de 25 courbure longitudinal (R) dudit filament (4) 6. Système selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel ledit filament (4) est un ruban plat. 30 7. Système selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel la longueur (Lf) et la largeur (If) dudit filament (4) dépendent de la longueur (Le) et de la largeur (le) du faisceau d'atomes émis par la source d'atomes (3). 35 8. Système selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel l'épaisseur dudit filament (4) est supérieure à 10 pm. 9. Système selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel ledit filament (4) comprend un matériau réfractaire, dont le point de fusion est supérieur à 1600 °C. s 10. Système selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel ledit filament (4) comprend un matériau dont la valeur du travail de sortie est supérieure au potentiel d'ionisation des atomes à ioniser.