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Components & Subsystems

Dat

e du

doc

ume n

t

Spectrométrie de masse àtemps de vol

Béatrice SOURD Montpellier27 novembre 2008

Components & Subsystems 1

Présentation

Béatrice SOURDThales Electron Devices

Vélizy-Villacoublay (78) 2500 pers.

Ingénieur responsable produits hyperfréquences

Fabrication d’amplificateurs de puissance (satellites, émetteurs radar, médical) = Tubes électroniques

interaction sous vide d’un faisceau électronique avec une onde électromagnétique


Présentation

Alimentation électrique .Alimentation électrique .

Circuit d ’entréeCircuit d ’entrée

Circuit de sortie : Onde hyperfréquence amplifiéeCircuit de sortie : Onde hyperfréquence amplifiée

CollecteurCollecteur

FocalisateurFocalisateur

Ligne d ’interactionLigne d ’interaction

Ultra vide Ultra vide

Canon d ’électronsCanon d ’électrons

Cathode : Température élevée : entre 900°C et 1200°CCathode : Température élevée : entre 900°C et 1200°C

Hélice : Permet de synchroniser les vitesses de l ’onde hyperfréquence et du faisceau d ’électron

Hélice : Permet de synchroniser les vitesses de l ’onde hyperfréquence et du faisceau d ’électron

Tube à onde progressiveTube à onde progressive


Les différentes familles de tubes


Présentation

Thèse en 2007

Laboratoire Sciences des Procédés Céramiques et Traitements de

Surfaces (SPCTS) – Limoges

Mr Jacques Aubreton

Groupe « Réactivité »

* réactivité à la surface des matériaux

* réactivité en phase gazeuse

Développement et conception d’un spectromètre de masse à

temps de vol (Time Of Flight - TOF)


Généralités sur la

spectrométrie de masse à

temps de vol


Historique

- Séparation des ions par la mesure de leur temps de vol date de 1946 inventé par Stephens

- Idée reprise en 1948 par Cameron et Eggers

construction du 1er spectromètre linéaire composé

* source d’ions

* tube de vol

* oscilloscope


TOF et plasmas

Spectrométrie de masse à temps de vol : technique

intéressante pour l’analyse des plasmas

Intérêts

- Pas de limite dans la masse des ions

- Haute résolution (> 10000 pour ion de masse 5000)

- Détection des éléments à très faibles concentrations

- Obtention spectre est rapide (quelques dizaines de µs)

- Diagnostic de plasmas micro-onde (influence pulses d’énergie, temps de formation des espèces)


TOF et plasmas

Diagnostic d’une phase gazeuse

Interaction plasma - surface phénomènes complexes et mal connus

Détermination des différentes voies de réaction : sections efficaces, constantes de réaction

Objectif pour le SPCTS

Développer un TOF avec une résolution de 2000

séparation : azote moléculaire et silicium (m = 28)

Étude des procédés de traitement de surface

Analyse de plasmas micro-ondes afin d’étudier des processus élémentaires de réaction impliquant des neutres, des radicaux libres,

des ions


TOF et plasmas

Inconvénients d’un TOF

- Utilisation d’un élément qui compense les problèmes de

résolution

- Nécessité de pulser le faisceau d’ions => mise en place de

systèmes électroniques rapides


• Création des ions

• Extraction des ions

• Accélération par un champ électrique (avec e la charge et V le potentiel électrique 1 à 5 kV)

• Après accélération ion de masse m acquiert une vitesse

t

i 1 2

m1 < m2

Principe d’un TOF

Temps de vol d’un ion


Problèmes de résolution

- Épaisseur de la zone où se situe l’ionisation : distribution spatialedistribution spatiale

- Durée de l’impulsion : elle doit être la plus faible possible de l’ordre de

quelques nanosecondes = distribution temporelledistribution temporelle

- Équipotentielles dans la source d’ions

source détecteur

①①①①②②②②

eV+U0

eV-U0

①①①①②②②②

Distribution en énergie des ions de même masse

①①①① ②②②②arrive avant


Comment améliorer la résolution ?

Utilisation d’un réflectron ou « miroir électrostatique » pour compenser distribution énergie cinétique (inventé par Karataev et Mamyrin en 1972)

sourc

e

a

ma=mb

Ea<Eb

b

détecteurréflectron

D

ba

ab

ba

ma = mb

Ea < Eb

Sans réflectron

b arrive avant a

distribution en énergie et R

Avec réflectron

a arrive en même temps que b

pas distribution en énergie et R

PrincipePrincipe

Ralentir

Réfléchir

Accélérer


Réflectron

Grille : séparation d’une zone sans champ électrique d’une zone à fort champ électrique

Anneaux ou Plaques polarisés reliés par des résistances

À l’arrière plaque réfléchissante polarisée => renvoi des ions vers détecteur

grille anneaux

plaque réfléchissante


Réflectron

Inconvénients :

• Longueur de l’instrument

• Grille

- distorsion de la trajectoire des ions

- perte d’ions

• Détermination de la tension de polarisation

- trouver un compromis entre longueur de vol et détection


Description de l’instrument

et montage mécanique


Développement de l’instrument en collaboration avec le

Laboratoire de Physique et de Chimie de l’Environnement

(LPCE) d’Orléans

Mr Roger Thomas

- Achat des pièces détachées

- Réalisation des pièces mécaniques par le laboratoire SPCTS

- Montages mécaniques et électriques réalisés en totalité

TOF développé au SPCTS


Eléments associés & Fonctions

Créer ions => source à bombardement électronique

Focaliser => focalisateurs

Donner t0 pour vol des ions => modulateur

Trier ions => tube de vol

Détecter ions => galette de micro-canaux

Enregistrer spectre => oscilloscope

Résolution => réflectron


Simulation - Conception

SIMION

Logiciel de simulation de vol des ions

PrincipePrincipe

- création des électrodes (maillage)

- application d’un potentiel électrique aux électrodes

- calcul du potentiel en chaque point

- visualisation de la trajectoire des ions

- enregistrement des données (énergie cinétique, angle arrivée des ions sur la

cible, temps de parcours, vitesse,…)


Simulation

Pour les ions de masse 30 (tri azote et silicum)

- position des éléments notamment pour le détecteur

- détermination tensions aux électrodes principales

Intérêts

- simulation des champs électrostatiques

- visualisation de la trajectoire des ions

- compréhension des mécanismes électrostatiques

- résultat rapide et facilement exploitable

Permet de prévoir la géométrie et le positionnement des électrodes


Optique ionique

Créer ions => source à bombardement électronique

Focaliser => focalisateurs (lentilles électrostatiques, extracteurs)

Donner top de départ pour le vol des ions => modulateur

400 mmTube de vol

source

2 extracteurs

2 lentilles

modulateur

3 redresseurs


Détail de l’optique ionique 1/3

SourceJ : densité courant (A/cm².K²)

K : cte Boltzmann

T : température surface émettrice

A : cte de Richardson

Extraction ionsPlaque extractrice

Création des ionsChambre d’ionisation

Diriger les e-Repousseur d’e-

Émission des e-Filament

FonctionÉléments



Redresseurs Focalisation – Balayage du faisceau

3 redresseurs :

* deux premiers pour focaliser le faisceau dans le modulateur

* dernier pour faire varier le lieu d’impact du faisceau sur le détecteur

Lentille

Focalisation du faisceau

Extracteurs

Extraction des ions de la source


50 V continu

50 V pulsé

Passant : ions détectés

50 V continu

0 V pulsé

Bloqué : ions déviés

1 ms


Début du vol des ions

φφφφ 0,8 mmModulateur

=

Porte électrostatique

SANSAVEC

Modulation incomplète

Bruit de fond

Focalisation correcte

Diaphragme


Optique ionique


Zone de vol

- S’étend du modulateur à la grille d’entrée du réflectron

- Tube où E=0

- Ions sont triés en fonction de leur masse

- Longueur environ 60 cm

- Au centre le groupe de pompage

- Contient le détecteur

Tube de vol


Réflectron

13 anneaux métalliques reliés par des résistances

Long ~ 350 mm

Diamètre 155 mm

Angle 2,3°

Grille à l’entrée

Réflectron


Détection

Assemblage de 2 galettes

Diamètre galettes : 25 mm

Diamètre canaux : 12 µµµµm

Gain : 107 (V=-2000 V)

Détecteur : Galette de micro-canaux


Détection

Difficultés de positionnement du détecteur

Difficile de déterminer lors de la conception la position du

détecteur à cause des imprécisions lors du montage de

l’instrument (serrage, défauts mécaniques,…)

Le faisceau d’ions doit impacter sur le détecteur => diamètre

faible (25 mm de diamètre)

Variation du point d’impact du faisceau en modifiant les tensions

du réflectron, de la lentille 2 et du dernier redresseur


Pompage

Basse pression nécessaire pour :

- le filament

- le détecteur pour limiter le bruit de fond sur le spectre de masse etaugmenter la durée de vie (P admissible 10-3 Pa)

- le libre parcours moyen des ions doit être grand devant les distances qu’ils parcourent pour éviter les collisions et les recombinaisons de radicaux

Pompe turbomoléculaire


Montage électrique


Utilisation de fil Haute Tension en téflon pour le câblage de

l’optique ionique sauf pour la source utilisation de gaine en

alumine à cause des températures élevées lors du chauffage du

filament

Cablage


Schémas électriques

Optique ionique

- Source : potentiel flottant => transformateur d’isolement. Protection contre HT

- Bâti à la masse

- Cage d’ionisation : tension de référence (tension la + élevée)

- Champ accélérateur entre filament et cage d’ionisation

- Variation de l’énergie des électrons de 0 à 70 eV



Redresseurs

3 redresseurs

Balayage du faisceau d’ ions sur 2 axes

Deux alimentations Blanc Méca fabriquées « sur mesure » (0-300 V)

Alimentations bipolaires doubles symétriques (2 sorties : une négative et

l’autre positive – un point de masse)



anode

anode

atténuateur

charge 50 Ω

Modulateur Limiter la longueur des câbles !!


Simulation

t

Potentiel électrostatique dans l’optique ionique

Lentille 1

Redresseurs ne sont pas simulés

Lentille 2

Modulateur

Extracteurs Source


Simulation

Visualisation des trajectoires

détecteur

Réflectron


Réglages du TOF


Objectif : DObjectif : Déétecter le signal faisceau dtecter le signal faisceau d’’ionsions

2 2 éétapestapes

A/ Réglages en mode continu

* Maximiser l’intensité du faisceau d’ions

B/ Réglage en mode pulsé

* Créer des « paquets d’ions » pour

obtenir le spectre de masse

Démarche pour les réglages



Objectif : Détecter le signal du faisceau d’ions

=> ~ 20 électrodes à régler = ~ 20 tensions à déterminer

Détermination des tensions

1- Application tensions SIMION pour la cage d’ionisation, les

extracteurs, les lentilles et le réflectron

2- Réglage des tensions redresseurs (4 tensions)

3- Optimisation des tensions des toutes les électrodes

Tensions des lentilles et des redresseurs à ajuster quotidiennement pour tenir compte des variations de températures, d’humidité, de pression…


Valeurs de réglages des paramètres invariants

- Intensité de chauffage du filament : 3 A

- Énergie des électrons : 70 eV

- Tension accélération des électrons : 1000 V

- Potentiel extraction ions (60 V) – tension : 940 V

- Tension sur le détecteur : -2000 V


Intensité ionique amplifiée i+ = 200 nA


Méthodologie

- Mise en forme de l’impulsion

- Détermination de l’impédance d’entrée de l’oscilloscope

- Synchronisation des systèmes électroniques

Moyens

- Oscilloscope numérique

- Générateur impulsions rapides

- Générateur tension continue

A/ Réglages en mode pulsé

Spectromètre à temps de vol nécessite que le faisceau d’ions soit

pulsé pour obtenir un spectre de masse


Forme des implusions

Mise en forme de l’impulsion – Temps d’ouverture => faisceau passant polarisation des 4

pointes du modulateur à 50 V

Objectif : avoir un temps d’ouverture de la porte électrostatique le plus faible possible

pour avoir une bonne résolution

optimum

8 ns

50 ns

75 ns

100 ns


Synchronisation

Créneaux de tension issus du générateur

Impulsions reçues par le modulateur

Déclenchement sur le front montant

Désynchronisation des

signaux => retard de 370 ns


Adaptation d’impédance

Forme du signal reçu par le détecteur

RQ : Signal négatif car conversion d’un ion en un électron

Amplitude + importante

mais nombreux rebonds

Amplitude + faible mais

meilleure adaptation

Impédance choisie : 50 ohm


Paramètres de fonctionnement

Principaux paramètres

- Tensions données par Simion et/ou expérimentation

(déterminées lors du réglage de l’instrument en mode continu)

- Temps ouverture porte : 50 ns

- Impédance d’entrée : 50 Ω

- Polarisation pointes : 50 V

- Énergie des électrons : 70 eV

- Intensité chauffage filament : 3 A


Spectre de masse

Analyse de l’atmosphère résiduelle p = 10-5 mbar

Temps (µs)

i+ (ua)

Autres espèces (traces) : H+, OH+, Ar+

N+

O+2H O+

2N+

2O+


Fabricants

• Kore Technology


Fabricants

• CAMECA

• Bergmann Messgeräte Entwicklung KG

• Ion TOF

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