EP1052672A1 - Source ionique pour spectromètre de masse à temps de vol analysant des echantillons gazeux - Google Patents

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EP1052672A1
EP1052672A1 EP00401028A EP00401028A EP1052672A1 EP 1052672 A1 EP1052672 A1 EP 1052672A1 EP 00401028 A EP00401028 A EP 00401028A EP 00401028 A EP00401028 A EP 00401028A EP 1052672 A1 EP1052672 A1 EP 1052672A1
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electron
ion source
electrons
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    • H01J43/246—Microchannel plates [MCP]

Definitions

  • the present invention relates to ionization means gas samples for analysis in a mass spectrometer.
  • ions produced by the ion source are launched at the entrance of a tube of flight in which they maintain a constant speed, and we detect at the outlet of the flight tube, the flight time corresponding to each type of gas sample ions to be analyzed, to deduce their nature. This requires launching at the entrance of the flight tube a ion accelerated packet, locate the start time of the packet of ions, and identify the times of arrival of the different ions at the other end of the flight tube.
  • the ion sources usually used in mass spectrometers include an electron gun having a electron source and one or more electrodes of conditioning the flow of electrons to generate a flow of suitable electrons directed to a gas ionization zone in which form ions subjected to one or more electrodes ion flow conditioning.
  • the electron flow is generally directed towards the gas ionization zone in a direction perpendicular to the direction of the flight tube of the mass spectrometer. This results in significant bulk, and integration difficulty.
  • the quantity of ions produced is relatively low, which limits the sensitivity of the device.
  • the problem proposed by the present invention is to design a new ion source structure for mass spectrometer, with greater compactness and greater sensitivity, being easily integrated with other components of a mass spectrometer.
  • a source ion for mass spectrometer comprises a electron gun having an electron source and one or more electron flow conditioning electrodes to generate a appropriate electron flow directed to a gas ionization zone in which are formed ions subjected to one or more ion flow conditioning electrodes; downstream of electron flow conditioning electrodes, we interpose in the electron flow one or more microchannel pancakes, so that from a pulsed primary electron beam containing relatively few electrons, we generate a beam secondary pulsed electronics containing a lot of electrons.
  • microchannel pancakes ensure a multiplication of the flow of electrons, so the subsequent ionization of the gas sample is also multiplied.
  • the sensitivity and resolving power of the device are found as well considerably increased.
  • At least one additional electrode adapted to scatter the beam secondary electronics in order to maintain its qualities while improving its spatial qualities.
  • the gas ionization zone is located between an upstream repulsion electrode, crossed by the beam secondary electronics and retaining the electrons by repelling them ions, and a downstream acceleration electrode that attracts ions.
  • the source can be placed ionic in alignment with the axis of the flight tube at the entrance of the tube time of flight mass spectrometer. We thus obtain better integration of the ion source, and greater compactness of the device.
  • the ionization zone should preferably be near immediate of the microchannel pancake (s), so that the beam secondary electronics keeps its temporal qualities and stays dense, so that all the ions in a packet of ions penetrate substantially at the same time in the flight tube.
  • a filament can be used as an electron source heated to a suitable temperature to generate a flow of electrons by thermoemission, in the traditional way.
  • the primary electron beam is then pulse modulated by a deflection electrode.
  • the electron source can advantageously be a microtip field emission cathode, producing a pulse modulated primary electron beam.
  • the invention may find particular application in the production of time-of-flight spectrometers incorporating such a ion source.
  • a mass spectrometer at flight time comprises of generally an electron gun 1, followed by an ion gun 2, itself followed by a flight tube 3 whose output communicates with a ion detector 4.
  • the electron gun 1 includes an electron source 5.
  • the electron source 5 is a filament such as a tungsten filament fed by a heating generator 6 to be brought to a temperature sufficient ensuring thermal emission of ions.
  • the emitted electrons by the electron source 5 are requested by one or more electron flow conditioning electrodes 7, for example an acceleration electrode 71 and one or more electrodes of focus 72.
  • a deflection electrode 73 allows impulse modulating the outgoing electron flow 8.
  • a microtip field emission cathode comprising a conductive substrate on which microtips are produced conductors engaged in cavities of an insulating layer interposed between the substrate and a positively polarized grid.
  • a microtip field emission cathode makes it possible to modulate by itself the outgoing flow of electrons, without requiring deflection electrode 73.
  • microchannel wafers 9 and 10 Downstream of the flow conditioning electrodes of electrons 7, according to the invention interposed in the flow of electrons 8 one or more microchannel wafers.
  • the primary electron beam can be equivalent to an electric current of the order of 1 to 10 ⁇ A, and the secondary electron beam can correspond to several milliamps, depending on the gain of the microchannel pancakes 9 and 10.
  • Primary 8 and secondary 12 electronic harnesses can for example be formed by pulses whose duration is the nanosecond order.
  • a microchannel pancake 9 is a generally flat element, having a thickness E of of the order of 0.5 mm, and consisting of the juxtaposition side by side of a very large number of very small glass capillary tubes diameter, including for example the tube 13, oriented according to axes perpendicular to the general plane of the wafer 9.
  • the tubes capillaries can have a diameter e of about 12 microns, and they are open at their two ends on the faces principal of the pancake 9.
  • the principal faces of the pancake 9 are metallized, to constitute, as illustrated in FIG. 3, an input electrode 14 and an output electrode 15, subjected to a potential difference VD.
  • the potential of the electrode output 15 is greater than the potential of the input electrode 14.
  • the inner wall of capillary tube 13 is treated to present an appropriate resistance, and forms an electron multiplier independent secondary.
  • an electron in the beam primary electronics 8 enters tube 13 it can come strike the wall of tube 13 and unhook one or more others electrons which are accelerated by the electric field present between the input 14 and output 15 electrodes.
  • the electrons thus detached will strike themselves on the opposite wall of the tube 13, picking up other electrons which are accelerated themselves, and it gradually the multiplication of the electrons in movement, producing a secondary electron beam 12 containing a lot of electrons.
  • the beam secondary electronics 12 spreads to an ionization zone 16 inside the ion gun 2.
  • the electrons strike the atoms of the gas sample at analyze, and turn them into ions.
  • the gas ionization zone 16 is located between an upstream repulsion electrode 17 crossed by the secondary electron beam 12 and which retains the electrons by repelling ions, and an accelerating electrode downstream 18 which attracts the ions.
  • the ion flow 19 thus produced is sent to input 20 of flight tube 3, then travels the length of flight tube 3 to exit through its outlet 21 and enter the ion detector 4.
  • the ion source is arranged in line at the entrance of flight tube 3 of the spectrometer time-of-flight mass.
  • the ion detector 4 may include pancakes with microchannels 22 and 23, generating a multiplied electron flow coming strike a target electrode 24. The measurement is carried out by detecting the electrical pulses collected by the target electrode 24.
  • At least one electrode additional 25 adapted to disperse the electron beam secondary 12 in order to preserve its temporal qualities while by improving its spatial qualities. So we increase ionization in the ionization zone 16.
  • the ionization zone 16 is close immediately of the microchannel pancake 10, from which it is separated by a reduced distance, for example from 1 to 2 mm approximately.

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Abstract

Selon l'invention, dans un spectromètre de masse à temps de vol, la source ionique comprend un canon à électrons (1) ayant une source d'électrons (5), une ou plusieurs électrodes de conditionnement de flux d'électrons (7), suivies d'une ou plusieurs galettes à microcanaux (9, 10) permettant de générer, à partir d'un faisceau électronique primaire (8) pulsé, un faisceau électronique secondaire (12) pulsé contenant un plus grand nombre d'électrons. Le faisceau électronique secondaire (12) pénètre dans une zone d'ionisation de gaz (16) d'un canon à ions qui produit un flux d'ions (19) traversant ensuite le tube de vol (3) pour être analysé par un détecteur d'ions (4). On réalise ainsi une source ionique performante, compacte, sensible et facilement intégrable. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne les moyens d'ionisation d'échantillons gazeux pour analyse dans un spectromètre de masse.
Dans un spectromètre de masse, on analyse un échantillon gazeux en bombardant l'échantillon par un flux d'électrons, puis en mettant en mouvement les ions ainsi obtenus pour les différencier ensuite en fonction de leur trajectoire ou de leur vitesse.
Il y a un intérêt à produire une ionisation importante de l'échantillon gazeux, afin d'augmenter la sensibilité de la mesure, et d'augmenter la résolution du spectromètre de masse.
Dans les spectromètres de masse à temps de vol, les ions produits par la source ionique sont lancés à l'entrée d'un tube de vol dans lequel ils conservent une vitesse constante, et on détecte en sortie du tube de vol le temps de vol correspondant à chaque type d'ions de l'échantillon gazeux à analyser, pour en déduire leur nature. Il faut pour cela lancer à l'entrée du tube de vol un paquet d'ions préalablement accéléré, repérer le temps de départ du paquet d'ions, et repérer les instants d'arrivée des différents ions à l'autre extrémité du tube de vol.
Il est alors avantageux de générer des paquets d'ions de durée la plus faible possible, comprenant un nombre maximum d'ions. Cela est obtenu par une source ionique impulsionnelle.
Les sources ioniques habituellement utilisées dans les spectromètres de masse comprennent un canon à électrons ayant une source d'électrons et une ou plusieurs électrodes de conditionnement du flux d'électrons pour générer un flux d'électrons approprié dirigé vers une zone d'ionisation de gaz dans laquelle se forment des ions soumis à une ou plusieurs électrodes de conditionnement de flux d'ions. Le flux d'électrons est généralement dirigé vers la zone d'ionisation de gaz dans une direction perpendiculaire à la direction du tube de vol du spectromètre de masse. Il en résulte un encombrement important, et une difficulté d'intégration. La quantité d'ions produite est relativement faible, ce qui limite la sensibilité de l'appareil.
Le problème proposé par la présente invention est de concevoir une nouvelle structure de source ionique pour spectromètre de masse, présentant une plus grande compacité et une plus grande sensibilité, étant facilement intégrable avec les autres composants d'un spectromètre de masse.
Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, une source ionique pour spectromètre de masse selon l'invention comprend un canon à électrons ayant une source d'électrons et une ou plusieurs électrodes de conditionnement de flux d'électrons pour générer un flux d'électrons approprié dirigé vers une zone d'ionisation de gaz dans laquelle se forment des ions soumis à une ou plusieurs électrodes de conditionnement de flux d'ions ; en aval des électrodes de conditionnement de flux d'électrons, on interpose dans le flux d'électrons une ou plusieurs galettes à microcanaux, de sorte que, à partir d'un faisceau électronique primaire pulsé contenant relativement peu d'électrons, on génère un faisceau électronique secondaire pulsé contenant beaucoup d'électrons.
Les galettes à microcanaux assurent une multiplication du flux d'électrons, de sorte que l'ionisation ultérieure de l'échantillon gazeux est également multipliée. La sensibilité et le pouvoir de résolution de l'appareil s'en trouvent ainsi considérablement augmentés.
On peut avantageusement disposer, en aval de la zone occupée par la ou les galettes à microcanaux, au moins une électrode supplémentaire adaptée pour disperser le faisceau électronique secondaire afin de lui conserver ses qualités temporelles tout en améliorant ses qualités spatiales.
Ainsi, on favorise encore l'augmentation de l'ionisation de l'échantillon gazeux, et donc la sensibilité d'un appareil incorporant la source ionique.
De préférence, la zone d'ionisation de gaz est située entre une électrode de répulsion amont, traversée par le faisceau électronique secondaire et retenant les électrons en repoussant les ions, et une électrode d'accélération aval qui attire les ions.
Grâce à cette disposition, on peut placer la source ionique en alignement avec l'axe du tube de vol à l'entrée du tube de vol d'un spectromètre de masse à temps de vol. On obtient ainsi une meilleure intégration de la source ionique, et une plus grande compacité de l'appareil.
La zone d'ionisation doit de préférence être à proximité immédiate de la ou des galettes à microcanaux, afin que le faisceau électronique secondaire garde ses qualités temporelles et reste dense, de sorte que tous les ions d'un paquet d'ions pénètrent sensiblement en même temps dans le tube de vol.
On peut utiliser comme source d'électrons un filament chauffé à une température appropriée pour générer un flux d'électrons par thermoémission, de façon traditionnelle. Le faisceau électronique primaire est alors modulé en impulsion par une électrode de déviation.
En alternative, la source d'électrons peut avantageusement être une cathode à émission de champ à micropointes, produisant un faisceau électronique primaire modulé en impulsion.
L'invention peut trouver notamment application dans la réalisation de spectromètres à temps de vol incorporant une telle source ionique.
D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec les figures jointes, parmi lesquelles:
  • la figure 1 illustre le schéma de principe d'un spectromètre de masse à temps de vol selon un mode de réalisation de la présente invention ;
  • la figure 2 est une vue schématique en perspective en partie découpée d'une galette à microcanaux pour amplification du flux d'électrons ; et
  • la figure 3 est une coupe longitudinale d'un canal de la galette à microcanaux de la figure 2, illustrant le principe de l'amplification du flux d'électrons.
En se référant à la figure 1, un spectromètre de masse à temps de vol selon le mode de réalisation représenté comprend de façon générale un canon à électrons 1, suivi d'un canon à ions 2, lui-même suivi d'un tube de vol 3 dont la sortie communique avec un détecteur d'ions 4.
Le canon à électrons 1 comprend une source d'électrons 5. Dans la réalisation illustrée sur la figure, la source d'électrons 5 est un filament tel qu'un filament de tungstène alimenté par un générateur de chauffage 6 pour être portée à une température suffisante assurant une thermoémission d'ions. Les électrons émis par la source d'électrons 5 sont sollicités par une ou plusieurs électrodes de conditionnement de flux d'électrons 7, par exemple une électrode d'accélération 71 et une ou plusieurs électrodes de focalisation 72.
Dans le cas d'une source d'électrons 5 sous forme de filament à thermoémission, une électrode de déviation 73 permet de moduler de façon impulsionnelle le flux d'électrons sortant 8.
En alternative, on peut utiliser comme source d'électrons 5 une cathode à émission de champ à micropointes, comprenant un substrat conducteur sur lequel sont réalisées des micropointes conductrices engagées dans des cavités d'une couche isolante interposée entre le substrat et une grille polarisée positivement. Une telle cathode à émission de champ à micropointes permet de moduler par elle-même le flux sortant d'électrons, sans nécessiter d'électrode de déviation 73.
En aval des électrodes de conditionnement de flux d'électrons 7, on interpose selon l'invention dans le flux d'électrons 8 une ou plusieurs galettes à microcanaux. Dans la réalisation illustrée sur la figure 1, on utilise une première galette à microcanaux 9 et une seconde galette à microcanaux 10, séparées l'une de l'autre par une électrode intergalette 11. A partir d'un faisceau électronique primaire 8 pulsé contenant relativement peu d'électrons, les galettes à microcanaux 9 et 10 génèrent un faisceau électronique secondaire 12 pulsé contenant beaucoup d'électrons, procurant un gain de 100 à plusieurs milliers.
En pratique, le faisceau électronique primaire peut être équivalent à un courant électrique de l'ordre de 1 à 10 µ A, et le faisceau électronique secondaire peut correspondre à plusieurs milliampères, suivant le gain des galettes à microcanaux 9 et 10.
Les faisceaux électroniques primaire 8 et secondaire 12 peuvent par exemple être formés d'impulsions dont la durée est de l'ordre de la nanoseconde.
La constitution et le fonctionnement de principe des galettes à microcanaux sont expliqués en relation avec les figures 2 et 3. Comme on le voit sur la figure 2, une galette à microcanaux 9 est un élément généralement plat, ayant une épaisseur E de l'ordre de 0,5 mm, et constitué de la juxtaposition côte à côte d'un très grand nombre de tubes capillaires en verre à très petit diamètre, comprenant par exemple le tube 13, orientés selon des axes perpendiculaires au plan général de la galette 9. Les tubes capillaires peuvent présenter un diamètre e d'environ 12 microns, et ils sont ouverts à leur deux extrémités sur les faces principales de la galette 9. Les faces principales de la galette 9 sont métallisées, pour constituer, comme illustré sur la figure 3, une électrode d'entrée 14 et une électrode de sortie 15, soumises à une différence de potentiel VD. Le potentiel de l'électrode de sortie 15 est supérieur au potentiel de l'électrode d'entrée 14. La paroi intérieure du tube capillaire 13 est traitée pour présenter une résistance appropriée, et forme un multiplicateur d'électrons secondaires indépendant. Lorsqu'un électron du faisceau électronique primaire 8 pénètre dans le tube 13, il peut venir frapper la paroi du tube 13 et décrocher un ou plusieurs autres électrons qui se trouvent accélérés par le champ électrique présent entre les électrodes d'entrée 14 et de sortie 15. Les électrons ainsi détachés vont frapper eux-mêmes la paroi opposée du tube 13, décrochant d'autres électrons qui sont eux-mêmes accélérés, et il en résulte de proche en proche la multiplication des électrons en mouvement, produisant un faisceau électronique secondaire 12 contenant beaucoup d'électrons.
En se référant à nouveau à la figure 1, le faisceau électronique secondaire 12 se propage jusqu'à une zone d'ionisation 16 à l'intérieur du canon à ions 2. Dans cette zone d'ionisation 16, les électrons frappent les atomes de l'échantillon gazeux à analyser, et les transforment en ions. La zone d'ionisation de gaz 16 est située entre une électrode de répulsion 17 amont traversée par le faisceau électronique secondaire 12 et qui retient les électrons en repoussant les ions, et une électrode d'accélération aval 18 qui attire les ions.
Le flux d'ions 19 ainsi produit est envoyé à l'entrée 20 du tube de vol 3, puis parcourt la longueur du tube de vol 3 pour sortir par sa sortie 21 et pénétrer dans le détecteur d'ions 4. Ainsi, comme illustré sur la figure 1, la source d'ions est disposée en ligne à l'entrée du tube de vol 3 du spectromètre de masse à temps de vol.
Le détecteur d'ions 4 peut comprendre des galettes à microcanaux 22 et 23, générant un flux d'électrons multiplié venant frapper une électrode cible 24. La mesure s'effectue en détectant les impulsions électriques recueillies par l'électrode cible 24.
Dans la réalisation illustrée sur la figure 1, on a prévu en outre, en aval de la zone occupée par la ou les galettes à microcanaux 9 et 10 du canon à électrons, au moins une électrode supplémentaire 25 adaptée pour disperser le faisceau électronique secondaire 12 afin de lui conserver ses qualités temporelles tout en améliorant ses qualités spatiales. On augmente ainsi l'ionisation dans la zone d'ionisation 16.
De préférence, la zone d'ionisation 16 est à proximité immédiate de la galette à microcanaux 10, de laquelle elle est séparée par une distance réduite, par exemple de 1 à 2 mm environ.
La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations qui sont à la portée de l'homme du métier.

Claims (8)

  1. Source ionique pour spectromètre de masse, comprenant un canon à électrons (1) ayant une source d'électrons (5) et une ou plusieurs électrodes de conditionnement de flux d'électrons (7) pour générer un flux d'électrons approprié dirigé vers une zone d'ionisation de gaz (16) dans laquelle se forment des ions soumis à une ou plusieurs électrodes de conditionnement de flux d'ions (17, 18), caractérisée en ce que, en aval des électrodes de conditionnement de flux d'électrons (7), on interpose dans le flux d'électrons (8) une ou plusieurs galettes à microcanaux (9, 10), de sorte que, à partir d'un faisceau électronique primaire (8) pulsé contenant relativement peu d'électrons, on génère un faisceau électronique secondaire (12) pulsé contenant beaucoup d'électrons.
  2. Source ionique selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'on dispose, en aval de la zone occupée par la ou les galettes à microcanaux (9, 10), au moins une électrode supplémentaire (25) adaptée pour disperser le faisceau électronique secondaire (12) afin de lui conserver ses qualités temporelles tout en améliorant ses qualités spatiales.
  3. Source ionique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la zone d'ionisation de gaz (16) est située entre une électrode de répulsion (17) amont traversée par le faisceau électronique secondaire (12) et qui retient les électrons en repoussant les ions, et une électrode d'accélération (18) aval qui attire les ions.
  4. Source ionique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle est disposée en alignement à l'entrée du tube de vol (3) d'un spectromètre de masse à temps de vol.
  5. Source ionique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la zone d'ionisation de gaz (16) est à proximité immédiate de la ou des galettes à microcanaux (9, 10).
  6. Source ionique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la source d'électrons (5) est un filament chauffé à une température appropriée pour générer un flux d'électrons par thermoémission, et le faisceau électronique primaire (8) est modulé en impulsion par une électrode de déviation (73).
  7. Source ionique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la source d'électrons (5) est une cathode à émission de champ à micropointes, produisant un faisceau électronique primaire modulé en impulsion.
  8. Spectromètre de masse à temps de vol, caractérisé en ce qu'il comprend une source ionique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
EP00401028A 1999-04-22 2000-04-13 Source ionique pour spectromètre de masse à temps de vol analysant des echantillons gazeux Expired - Lifetime EP1052672B1 (fr)

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