Source d'ions comprenant une chambre d'ionisation à gaz avec oscillations d'électrons

Abstract

 L'invention concerne une source d'ions.
Cette source comprend une chambre d'ionisation (1) à gaz, une source d'électrons (SE,), des moyens pour faire osciller les électrons dans la chambre de manière à créer une zone d'ionisation (Z) du gaz. Elle est caractérisée en ce que les moyens pour faire osciller les électrons comprennent deux lentilles électroniques (L₁, L₂) identiques dont les axes coïncident avec la direction d'oscillation, deux miroirs sphériques (M₁, M₂) concaves tournés l'un vers l'autre et situés respectivement de part et d'autre des deux lentilles (L₁, L₂) et dont leurs centres coïncident respectivement avec les foyers (F₁, F₂) des lentilles, la source (SE₁) d'électrons étant située au foyer (F,) de l'une des deux lentilles (L₁, L₂).
Application à l'analyse des gaz par spectrométrie de masse.

Description

[0001] La présente invention concerne une source d'ions qui peut être utilisée, par exemple, à l'analyse des gaz par spectrométrie de masse.

[0002] On connait une source d'ions d'un premier type, qui comprend une chambre d'ionisation, une source d'électrons constituée par un filament chauffant (cathode) et une "trappe" (anode) en regard.

[0003] Les électrons émis sont accélérés entre le filament et la chambre d'ionisation et ionisent les molécules du gaz contenu dans la chambre. Un système d'asservissement peut éventuellement permettre, grâce au courant électronique recueilli sur l'anode, de réguler le courant circulant dans le filament et donc, de stabiliser le flux des électrons émis vers la zone d'ionisation.

[0004] Un champ magnétique dirigé dans le sens du faisceau électronique, canalise les électrons et permet une meilleure extraction des ions produits vers un appareil d'analyse, tel qu'un spectromètre de masse, par exemple.

[0005] Dans ce type de source, chaque électron émis ne traverse la chambre d'ionisation qu'une seule fois, lorsqu'il ne vient pas ioniser une molécule. Il en résulte un rendement d'ionisation faible, se situant entre 10 et 10 . Ce rendement est défini par le rapport du nombre d'ions formés au nombre d'électrons émis.

[0006] On définit un autre coefficient caractéristique des performances d'une source d'ions, par le rapport du nombre d'ions formés au nombre de molécules introduites ; ce coefficient est qualifié "luminosité". La luminosité des sources décrites plus haut est très faible (≃10^-5).

[0007] On connaît aussi des sources d'ions d'un deuxième type dont le rendement d'ionisation ainsi que la luminosité sont plus élevés que ceux des sources précédentes. Ces sources comprennent un filament qui produit des électrons, une cathode accélératrice et une anode recueillant le courant électronique. Entre la cathode et l'anode, se trouve une électrode intermédiaire et derrière l'anode, est disposée une anticathode. Des impulsions de tension sont appliquées à la cathode de manière à provoquer une décharge entre la cathode et l'électrode intermédiaire. Cette décharge ionise le gaz. Les électrons produits oscillent alors dans la zone située entre l'électrode intermédiaire et l'anticathode, zone dans laquelle est créé un creux de potentiel. Les électrons provoquent une ionisation du gaz dans cette zone. Cette source présente un meilleur rendement et une meilleure luminosité que la source précédente, mais sa structure est compliquée et sa mise en oeuvre très difficile.

[0008] La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des sources connues et notamment de réaliser une source d'ions dans laquelle les électrons oscillent, qui présente une structure et une mise en oeuvre plus faciles, un rendement et une luminosité plus élevés que le deuxième type de source mentionné plus haut.

[0009] L'invention a pour objet une source d'ions comprenant une chambre d'ionisation à gaz et, dans cette chambre, au moins une source d'électrons, des moyens pour faire osciller les électrons issus de la source dans une direction prédéterminée de manière à créer une zone d'ionisation du gaz, et des moyens pour recueillir les ions produits, caractérisée en ce que les moyens pour faire osciller les électrons comprennent deux lentilles électroniques identiques situées en regard l'une de l'autre et dont les axes coincident avec la direction prédéterminée, deux miroirs sphériques concaves tournés l'un vers l'autre et situés respectivement de part et d'autre des deux lentilles, de sorte que leurs centres coincident respectivement avec les foyers des lentilles, la source d'électrons étant située au foyer de l'une des deux lentilles.

[0010] Selon une autre caractéristique de l'invention chaque lentille est constituée de manière à accélérer les électrons réfléchis par le miroir qui lui correspond et à décélérer les électrons provenant de l'autre lentille, la lentille dont le foyer constitue l'emplacement de la source étant apte à accélérer les électrons émis par cette source.

[0011] Selon une autre caractéristique, la source d'ions comprend une autre source électronique située au foyer de l'autre des deux lentilles.

[0012] Selon une autre caractéristique, les lentilles sont portées à des potentiels électriques identiques.

[0013] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre donnée en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue schématique qui permet de mieux comprendre par analogie et avec un système optique, la structure et le fonctionnement de la source de l'invention ;

- la figure 2 représente de manière plus détaillée la source d'ions de l'invention ;

- la figure 3 représente la répartition des potentiels le long de l'axe X'X, de la chambre d'ionisation.

[0014] En référence à la figure 1, on a représenté très schématiquement la source d'ions de l'invention. Cette source comprend une chambre d'ionisation 1 représentée de manière schématique et, dans cette chambre, au moins une source d'électrons SE₁ et, des moyens pour faire osciller les électrons issus de la source,dans une direction prédéterminée XX', de manière à créer une zone Z d'ionisation du gaz contenu dans la chambre 1. Ces moyens comprennent deux lentilles électroniques L₁, _L2 identiques, situées en regard l'une de l'autre et dont les axes coïncident avec la direction prédéterminée X'X. Ces moyens comprennent aussi deux miroirs sphériques M₁, M₂, concaves, tournés l'un vers l'autre et situés respectivement de part et d'autre des deux lentilles L_l, L₂. Les centres de ces miroirs coïncident respectivement avec les foyers F₁, _F2 des lentilles. La source d'électrons SE₁ est située par exemple au foyer F_I de la lentille L₁. Comme on le verra plus loin en détail, chaque lentille est constituée de manière à accélérer les électrons réfléchis par le miroir qui lui correspond et de manière à décélérer les électrons provenant de l'autre lentille. C'est ainsi par exemple que la lentille L₂ permet de décélérer les électrons qui proviennent de la lentille L₁ et d'accélérer les électrons qui sont réfléchis par le miroir L₂,tandis que la lentille L₁ décélère les électrons provenant de la lentille L₂ et accélère les électrons émis par la source SE₁ ou les électrons réfléchis sur le miroir M₁. Une autre source d'électrons SE₂ identique à la source SE₁ peut éventuellement être placée au foyer F₂ de la lentille L₂, pour fournir des électrons, notamment en cas de panne de la source SE₁. Comme on le verra plus loin en détail, les lentilles L₁ et L₂ sont portées à des potentiels électriques identiques. On a également représenté sur cette figure des pièces polaires magnétiques N et S qui permettent éventuellement une meilleure focalisation des électrons qui circulent dans la chambre d'ionisation, mais qui ne sont pas indispensables. En effet, la focalisation des électrons peut être assurée suffisamment par les lentilles D₁₁, D_21' D_31' D_12' D₂₂, D₃₂.

[0015] La figure 2 représente de manière plus détaillée, une source d'ions conforme à l'invention. Les mêmes éléments portent les mêmes référencs sur cette figure que sur la figure 1. On suppose que tous les éléments représentés sur cette figure sont cylindriques et qu'ils sont vus en coupe, les ouvertures dans ces éléments étant rectangulaires. Le dispositif qui est représenté ici de manière plus détaillée comprend les lentilles L₁ et L₂, les miroirs M_l et M_2' les sources d'électrons SE₁ et SE₂, et les pièces polaires magnétiques N et S. La chambre d'ionisation 1 est représentée de manière schématique en traits interrompus. La source d'électrons SE₁ peut être constituée par exemple par un filament chauffant, non référencé, situé au foyer F₁ de la lentille L₁ et entouré d'une électrode C₁ (Whenelt). La lentille L₁ peut être constituée par des diaphragmes D₁₁, D₂₁, D₃₁. De la même manière, la lentille L₂ peut être constituée par des diaphragmes D₁₂, D₂₂, D₃₂. On a également représenté sur cette figure, la deuxième source électronique SE₂ qui est constituée par un filament non référencé situé au foyer F₂ de la lentille L₂, et par une électrode C₂ entourant ce filament. A titre d'exemple, le filament, la ou les électrodes CloU C₂ et les miroirs M₁ et M₂ sont portés au potentiel du filament, voisin de 0 volt. Des diaphragmes D₁₁ et D₃₂ sont portés à un potentiel voisin de 280 volts, les diaphragmes D₃₁ et D₁₂, qui sont électriquement isolés des diaphragmes précédents, ainsi que la chambre d'ionisation 1, sont portés à un potentiel voisin de 190 volts. Les dia- ^phra^gmes D₂₁ et D₂₂ sont portés à un potentiel négatif voisin de -10 volts. L'allure du faisceau d'électrons oscillants est représentée en 2 sur la figure. La zone d'ionisation est la zone comprise entre les diaphragmes D₃₁ et D₁₂. Les ions sont extraits grâce au champ magnétique, par une fente 0 située à mi-distance des lentilles L₁, L₂ et perpendiculaire au plan de la figure.

[0016] La figure 3 représente la répartition du potentiel V le long de l'axe XX' de la chambre d'ionisation. Dans la zone d'ionisation Z comprise entre les diaphragmes D₃₁ et D₁₂, le potentiel est constant. Ce potentiel est nul au voisinage du filament situé au foyer F₁, puis il croit pour atteindre un maximum au voisinage du diaphragme D₂₁ et enfin, décroît jusqu'au voisinage du diaphragme D₃₁, pour se stabiliser ensuite à une valeur constante dans la zone d'ionisation Z, entre les diaphragmes D₃₁ et D₁₂. Le potentiel croît alors de nouveau entre les diaphragmes D₁₂ et D₂₂ pour atteindre une valeur nulle au voisinage du filament situé au foyer F₂ de la lentille L₂. Dans la zone, il y a accumulation d'électrons par paquets, à chaque oscillation et il en résulte une ionisation intense dans cette zone.

[0017] Grâce au dispositif qui vient d'être décrit, chaque électron peut effectuer jusqu'à 25.000 oscillations. La durée de vie d'un électron produit par la source de l'invention est d'environ 50.000 fois plus longue que la durée de vie d'un électron produit par les sources connues. La source de l'invention permet donc, en augmentant le parcours de l'électron et sa durée de vie (grâce aux oscillations) d'obtenir un rendement et une luminosité bien supérieurs à ceux des dipositifs existants puisque le nombre d'ions formés peut être bien plus grand, il en résulte aussi que le nombre de molécules gazeuses que l'on peut introduire dans la chambre d'ionisation peut être lui aussi bien plus élevé que pour les sources connues. En fait, dans la source qui vient d'être décrite, tout électron issu du filament situé au foyer F₁ de la lentille L₁ est focalisé au foyer F₂ de la lentille L₂, puis repart en sens inverse après avoir été réfléchi par le miroir M₂. Cet électron qui est alors issu de la lentille L₂ retrouve des conditions identiques avec la lentille L_I et le miroir M₁.

[0018] La source qui vient d'être décrite présente de nombreux avantages par rapport aux sources existantes : la luminosité est multipliée par 20, le rendement d'ionisation est multiplié par 200, la température de la chambre est fortement abaissée puisqu'elle passe de 80°C à 40°C (puisqu'il n'est pas nécessaire de produire autant d'électrons qu'avec les dispositifs existants pour ioniser le même nombre de molécules de gaz). La température du filament lui-même peut être abaissée de 500° puisqu'à rendement égal, le nombre d'électrons émis par le filament doit être moins élevé, tandis que la puissance électrique qui est fournie à ce filament est deux fois plus faible. Le courant d'émission électronique est divisé par 10, tandis que la durée de vie moyenne du filament passe de 5.000 heures à 2.10⁹ heures. Les performances bien meilleures que celles des sources connues et notamment l'augmentation de la luminosité, permettent de fournir des courants d'ions beaucoup plus intenses aux spectromètres de masse et donc d'accroître le rapport signal/bruit. Cet accroissement de la luminosité permet, pour des courants ioniques équivalents à ceux des sources connues, d'utiliser des gaz présentant des pressions bien plus faibles et ainsi, de ménager la durée de vie des sources. La symétrie du dispositif permet d'inverser la source émettrice d'électrons.

Revendications

1. Source d'ions comprenant une chambre d'ionisation (1) à gaz et, dans cette chambre, au moins une source d'électrons (SE₁), des moyens pour faire osciller les électrons issus de la source (SE) dans une direction (X'X) prédéterminée de manière à créer une zone d'ionisation (Z) du gaz, et des moyens pour recueillir les ions produits, caractérisée en ce que les moyens pour faire osciller les électrons comprennent deux lentilles électroniques (L_l, L₂) identiques situées en regard l'une de l'autre et dont les axes coincident avec la direction (X'X) prédéterminée, deux miroirs sphériques (M₁, M₂) concaves tournés l'un vers l'autre et situés respectivement de part et d'autre des deux lentilles (L₁, L₂), de sorte que leurs centres coïncident respectivement avec les foyers (F₁, F₂) des lentilles, la source (SE₁) d'électrons étant située au foyer (F₁) de l'une des deux lentilles (L₁, L2).

2. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque lentille (L₁) est constituée de manière à accélérer les électrons réfléchis par le miroir qui lui correspond (M₁) et à décélérer les électrons provenant de l'autre lentille (L₂), la lentille (L₁) dont le foyer (F₁) constitue l'emplacement de la source (SE₁) étant apte à accélérer les électrons émis par cette source.

3. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une autre source électronique (SE₂) située au foyer (F₂) de l'autre (L₂) des deux lentilles.

4. Source d'ions selon la revendication 2, caractérisée en ce que les lentilles (L₁, L₂) sont portées à des potentiels électriques identiques.

Dessins