FR2558988A1 - Spectrometre de masse, a grande clarte, et capable de detection multiple simultanee - Google Patents

Abstract

ENTRE LE SECTEUR ELECTROSTATIQUE SE 23 ET LE SECTEUR MAGNETIQUE SM 30 D'UN SPECTROMETRE DE MASSE, EST PREVU UN QUADRIPOLE QP 26, QUI APPLIQUE AU SECTEUR MAGNETIQUE DES FAISCEAUX PARALLELES, DONT L'INCLINAISON DEPEND DE LA DISPERSION ENERGETIQUE DES PARTICULES. UNE LENTILLE A FENTES LF 27 CORRIGE LA DIVERGENCE DU QUADRIPOLE DANS LE PLAN PERPENDICULAIRE. UNE RELATION CONVENABLE ENTRE L'ANGLE DE LA FACE D'ENTREE DU SECTEUR MAGNETIQUE SM 30 ET L'ANGLE DE DEVIATION QU'IL PROCURE PERMET DE CORRIGER SES PROPRES ABERRATIONS D'OUVERTURE DU SECOND ORDRE. LES ABERRATIONS CHROMATIQUES PEUVENT ETRE CORRIGEES A L'AIDE D'UN HEXAPOLE HP 25 CENTRE SUR LE FOYER DU QUADRIPOLE QP 26. UN AUTRE HEXAPOLE HP 22, PLACE EN AMONT DU SECTEUR ELECTROSTATIQUE SE 23 AU NIVEAU D'UNE STRICTION (NON VISIBLE) EN SECTION VERTICALE, PERMET LA CORRECTION DES ABERRATIONS D'OUVERTURE DU SECOND ORDRE LIEES AU SECTEUR ELECTROSTATIQUE SE 23.

Description

ONERA 226

Spectromètre de masse, à grande clarté, et capable de

détection multiple simultanée.

L'invention concerne un séparateur de particules chargées,

ou spectromètre de masse, à grande clarté, pour l'identifica-

tion et la mesure simultanée de plusieurs éléments.

Le spectromètre est destiné à recevoir un faisceau de parti-

cules chargées ou ions, composé par des particules de diffé-

rentes masses (M = M1, M2, M3, etc), animées par des énergies

cinétiques légèrement différentes. On notera V (eV) leur éner-

gie cinétique moyenne et - Av la dispersion énergétique cor-

respondante.

Un spectromètre de masse comporte généralement une fente d'en-

trée, après laquelle le faisceau passe dans un secteur élec-

trostatique,puis dans un secteur magnétique. Cette disposi-

tion a pour but de dévier les particules, d'une manière sélec-

tive quant à leur masse et autant que possible indépendamment de leur énergie. La déviation intervient dans un plan dit radial qui est le plan de symétrie de l'instrument et qui est

perpendiculaire à la grande dimension de la fente d'entrée.

Le faisceau de particules présente donc une composante radiale, et une composante perpendiculaire, dans ce qu'on appelle la

section verticale.

Il est connu d'utiliser un secteur magnétique qui possède une face d'entrée et une face de sortie planes, et dans lequel

la face d'entrée est inclinée sur l'axe du faisceau de parti-

cules, tandis que le plan de la face de sortie passe par l'intersection de cette face d'entrée avec l'axe du faisceau de particules. Dans ces conditions, l'angle de déviation des particules dans le secteur magnétique ne dépend pas de la

masse des particules chargées, ce qui introduit une simplifi-

cation. Le rayon de courbure des trajectoires dépend de la

masse des particules.

La qualité d'un spectromètre de masse se définit par son pou-

voir séparateur M/AM, o AM est la plus petite différence de masse que l'on peut distinguer avec l'instrument. Dans un spectromètre dont l'optique serait parfaite (le mot "optique"

est utilisé ici au sens large), ce pouvoir séparateur ne dé-

pendrait que des dimensions de la fente d'entrée. Dans la réa-

lité, les images de la fente d'entrée, ou raies, sont défor-

mées par les défauts optiques de l'appareil, dits aberra-

tions. Ces aberrations dépendent principalement de la disper-

sion énergétique AV des ions, et de l'ouverture du faisceau qui est limité par la fente d'ouverture que l'on insère la

plupart du temps avant le secteur magnétique.

Pour un pouvoir séparateur donné, le meilleur spectromètre

est le plus sensible,c'est-à-dire celui qui accepte le fais-

ceau dont l'étendue géométrique est la plus grande. Cette aptitude est appelée "clarté" du spectromètre. Cependant,

pour une géométrie donnée du spectromètre, on ne peut aug-

menter la clarté qu'en réduisant l'effet néfaste des aberra-

tions.

Enfin, lorsque l'onveut faire des mesures simultanées sur tou-

tes les raies du spectre (toutes les masses), la correction

ou l'élimination des aberrations est beaucoup plus délicate.

Le problème est donc de réaliser un spectromètre de masse à grande clarté, capable de détection multiple simultanée et

qui possède un pouvoir séparateur élevé.

A cet effet, un premier but de la présente invention est de

corriger les aberrations propres du spectromètre, en parti-

culier de son secteur magnétique, et aussi de son secteur électrostatique. Un second but de la présente invention est, à l'aide d'une optique de transfert placée en amont du spectromètre de masse proprement dit, d'améliorer l'adaptation et le transfert du

faisceau d'ions sur l'entrée du spectromètre.

Ces buts sont atteints par différents aspects de l'invention,

dont certains sont intéressants en eux-mêmes.

De manière connue, le dispositif ici proposé comprend une fente d'entrée, suivie d'un secteur électrostatique, puis d'un secteur magnétique. Une fente d'ouverture peut être insérée entre les secteurs électrostatique et magnétique ou, d'une manière classique,à l'entrée du secteur électrostatique. Cet ensemble permet de dévier un faisceau de particules dans le plan radial perpendiculaire à la grande dimension de la fente d'entrée. Pour ce qui le concerne, le secteur magnétique

possède une face d'entrée plane, inclinée sur l'axe du fais-

ceaudeparticules, et une face de sortie également plane, dont le plan passe par l'intersection de la face d'entrée

avec l'axe du faisceau de particules. Il s'agit ici de la dis-

position des faces magnétiques effectives qui diffèrent des

faces matérielles en raison des champs de fuite.

Par ailleurs, il est également connu, dans un contexte parti-

culier, d'interposer un quadrupôle entre les secteurs électro-

statique et magnétique (publication Hl. MATSUDA, MASS SPECTRO-

METRY REVIEWS, Vol. 2, n 2 (1983) John Wilev pages 289 à325).

Toutefois,,ce quadrupôle fonctionne très différemment de celui

que peut utiliser la présente invention.

Selon une première caractéristique de la présente invention, le spectromètre comporte des moyens tels qu'un quadrupôle pour fournir au secteur magnétique un faisceau de particules

qui est parallèle au moins dans le plan radial, et qui pré-

sente, en outre, pour chaque énergie de la bande - AV, l'in- clinaison appropriée pour que le secteur magnétique ait un fonctionnement achromatique au niveau de toutes les raies du spectre de masse. De plus, E notant l'angle de la face d'entrée avec la normale à l'axe du faisceau qui est située du côté de la déviation de celui-ci, et.e notant l'angle de déviation du faisceau dans le secteur magnétique, ces deux angles satisfont la relation:

tg 0/2. tg (t-0) = 2.

Ceci permet d'annuler les aberrations d'ouverture du second ordre créées par le secteur magnétique pour les trajectoires du faisceau situées dans le plan radial (aberrations en a2, o a est l'inclinaison d'une trajectoire dans le plan radial

par rapport à la trajectoire centrale). Bien entendu, l'annu-

l. ation de ces aberrations intervient aussi pour la composante radiale des trajectoires qui possèdent aussi une composante verticale. Les trajectoires dans la'section verticale (ou les composantes, dans la section verticale de trajectoires quelconques) produisent également des aberrations d'ouverture du second ordre dans le plan radial (aberrations en b2, o b

est l'inclinaison d'une trajectoire par rapport au plan radial).

Une seconde caractéristique de l'invention fait intervenir l'optique de transfert.Celle-ci est disposée en coopération

avec le spectromètre proprement dit, de sorte qu'en sa sec-

tion verticale, le faisceau de particules comporte une stric-

tion entre la fente d'entrée et le secteur électrostatique; il est alors prévu, au niveau de cette striction, un premier hexapôle, agencé pour compenser les aberrations d'ouverture du second ordre créées par le secteur électrostatique pour les.trajectoires situées dans le plan radial, aberrations en

a2, et pour la composante radiale des autres trajectoires.

L'emplacement choisi pour l'hexapôle fait que ce dernier n'introduit pas d'aberrations en b2 venant de l'ouverture

dans la section verticale.

Les aberrations d'ouverture du second ordre liées au secteur électrostatique sont déterminables, ce secteur étant par

exemple de type sphérique.

De préférence, l'optique de transfert est agencée pour appli-

quer à la fente d'entrée un faisceau de particules qui est sensiblement parallèle en section verticale. Il est prévu une lentille convergente entre la fente d'entrée et le premier hexapôle (cette lentille convergente étant capable de fournir une post-accélération). L'hexapâle est centré sur le point conjugué de la fente d'entrée par ladite lentille convergente,

dans la section verticale du faisceau.

Selon un autre aspect de l'invention, l'optique de transfert comporte deux lentilles électrostatiques, coopérant pour produire une striction du faisceau au niveau de la fente

d'entrée dans le plan radial. Entre ces deux lentilles élec-

trostatiques est prévue une lentille à fentes agencée de sorte que le faisceau soit parallèle en section verticale au niveau de la fente d'entrée. C'est alors la lentille convergente (de post-accélération), qui assure la convergence du faisceau

au point de striction précité, en section verticale.

Ce qui précède intéresse la correction des aberrations d'ou-

verture pour les trajectoires situées dans le plan radial,

au niveau du secteur magnétique puis du secteur électrostati-

que. Pour les trajectoires (ou les composantes de trajectoi-

res) dans la section verticale, il n'y a pas correction des

aberrations d'ouverture en b2. Toutefois, l'optique de trans-

fert est agencée de telle sorte que les angles vus b par le spectromètre sont toujours très petits, si bien que les

aberrations correspondantes en b2 sont négligeables.

Un autre aspect encore de l'invention intéresse la correction des aberrations chromatiques, c'est-à-dire dans la dispersion énergétique. Le secteur électrostatique et le secteur magnétique possédant des centres de rotation chromatiques virtuels respectifs, le quadrupôle est placé de manière à conjuguer avec un

grandissement approprié ces deux centres de rotation chro-

matique. Le quadrupôle conjugue le centre de rotation chro-

matique du secteur électrostatique avec le centre de rotation chromatique du secteur magnétique correspondant à un rayon donné, c'est-à-dire, à une masse donnée. Le quadrupôle est en outre disposé de manière à ce que chaque énergie arrive sur le secteur magnétique avec l'inclinaison appropriée; il

s'ensuit que la dispersion chromatique est complètement annu-

lée pour la masse considérée après la sortie du secteur magné-

tique tandis que pour les autres masses la dispersion chroma-

tique s'annule au niveau de leur raie. Cette correction inter-

vient dans la limite de la bande d'énergie - AV définie par les moyens disposés en amont de l'optique de transfert ou

par une fente de filtrage placée en P3.

En pratique, le quadrupôle est disposé de manière que son foyer-objet coïncide avec l'image réelle que donne le secteur électrostatique de la fente d'entrée dans le plan radial, ce

quadrupôle étant suivi de moyens de compensation de sa diver-

gence dans la section verticale, de sorte que le faisceau de particules soit ensuite parallèle en ses deux dimensions transversales. Les moyens de compensation de la divergence du quadrupôle en section verticale sont avantageusement une

lentille à fentes.

Il existe encore des aberrations mixtes d'ouverture etchro-

matiques. Pour compenser celles-ci, le dispositif comporte un second hexapôle, disposé après le secteur électrostatique et sensiblement centré sur l'image réelle que donne le secteur

électrostatique de la fente d'entrée dans le plan radial.

Cette disposition permet la réduction des aberrations mixtes, pour les trajectoires situées dans le plan radial, avec une compensation exacte pour une masse choisie. Pour les autres

masses, l'aberration est considérablement réduite.

Le filtrage chromatique, c'est-à-dire en énergie, du faisceau

de particules, s'effectue ici en amont de l'optique de trans-

fert. Dans une variante, il s'effectue au niveau de ce second hexapôle. Celui-ci comporte alors deux hexapôles encadrant

une fente de filtrage en énergie.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparal-

tront à l'examen de la description détaillée ci-après, et

des dessins annexés, sur lesquels:

- la figure 1 est une première vue schématique d'un spectro-

mètre selon la présente invention, présentée comme une coupe dans le plan radial, cette figure comportant deux faisceaux parallèles arrivant avec des incidences différentes sur le secteur magnétique, ces deux faisceaux correspondant à des énergies légèrement différentes - aV; - la figure 2A est une vue semblable à la figure 1, mais

illustrant la séparation, dans un même faisceau monoénergé-

tique, de particules possédant deux masses différentes; - la figure 2B est une vue partielle illustrant, en section

verticale, la forme du faisceau en amont du secteur électro-

statique SE 23 de la figure 2A;

- la figure 2C est une vue illustrant, encore en section ver-

ticale, la forme du faisceau en aval du secteur électrostati-

que SE 23; et - la figure 2D est une vue en section verticale illustrant la forme du faisceau dans la direction que celui-ci présente en sortie du secteur magnétique SM 30; - les figures 3A et 3B sont des vues agrandies correspondant aux figures 2A et 2B; - les figures 4, 4A et 4B illustrent plus précisément un exemple particulier de réalisation du spectromètre de l'inven- tion;

- les figures 5A et 5B illustrent, dans cet exemple, le fonc-

tionnement avec post-accélération; et - les figures 6A et 6B illustrent, dans le même exemple, le

fonctionnement sans post-accélération.

Comme précédemment indiqué, la présente invention concerne un séparateur de particules chargees,ou spectromètre de masse,

à détection multiple simultanée et à grande clarté.

Par opposition aux spectrographes de masse, qui utilisent

comme détecteur final une plaque photographique, les spectro-

mètres de masse n'ont pas nécessairement besoin que leur zone

de détection, la surface focale de sortie du secteur magné-

tique, soit un plan.

Il en est cependant ainsi dans le spectromètre de l'invention,

que l'on décrira tout d'abord d'une manière générale en réfé-

rence aux figures 1 et 2.

Le spectromètre comporte à son entrée une optique de transfert 1. La nature de celle-ci peut dépendre des caractéristiques

du faisceau de particules appliquées à l'entrée ou "point-

source" S. L'optique de transfert 1 se termine au niveau d'une fente d'entrée FE 20, qui constitue l'entrée du spectromètre

de masse proprement dit.

De manière connue, le spectromètre comporte, derrière la fente d'entrée FE 20, un secteur électrostatique SE 23, puis un secteur magnétique SM 30, en amont duquel est prévue une

fente d'ouverture FO 29. Cet ensemble de moyens a pour fonc-

tion de dévier le faisceau de particules dans un plan radial perpendiculaire à la grande dimension de la fente d'entrée

FE 20. Le plan radial est celui des figures 1 et 2A.

On sait que l'organe principal d'un spectromètre de masse est son secteur magnétique, dont l'action dispersive dépend à la fois de la masse et de l'énergie de chaque particule; cette action dispersive se manifeste par des trajectoires en arc de cercle, dont le rayon est plus ou moins grand selon la masse et l'énergie. Il est connu d'associer à un

tel secteur magnétique un secteur électrostatique qui le pré-

cède, et qui possède de son côté une action dispersive mais uniquement en fonction de l'énergie des particules. Les

deux secteurs sont combinés de telle sorte que l'action dis-

persive du secteur électrostatique compense l'action disper-

sive en énergie du secteur magnétique. Il ne reste alors en

principe,en sortie du secteur magnétique, que l'action dis-

persive en fonction de la masse.

Par ailleurs, et bien que cela ne soit pas classique, la publication Matsuda déjà citée montre l'utilisation d'un quadrupôle entre le secteur électrostatique et le secteur magnétique. Cela est donc également considéré comme connu, étant observé que le quadrupôle de Matsuda n'a pas du tout

la même fonction que celui de la présente invention.

Enfin, il est également connu de faire en sorte que le sec-

teur magnétique SM 30 possède une face d'entrée plane 31, inclinée sur l'axe du faisceau de particules, et une face de

sortie 32 égalementplane, dont le plan passe par l'intersec-

tion 33 de la face d'entrée 31 avec l'axe du faisceau de par-

ticules. Cette disposition présente l'avantage de fournir le même angle de déviation quelle que soit la masse. L'angle de déviation est égal au double de l'angle de la face de sortie

32 avec l'axe du faisceau des particules à l'entrée du sec-

teur magnétique SM 30. Il en résulte encore que, pour un fais-

ceau parallèle à l'entrée, la focalisation des particules en sortie du secteur magnétique s'effectue dans un plan PF

qui passe lui aussi par le point 33.

Pour obtenir un spectromètre à détection multiple et à grande clarté, en même temps qu'à grand pouvoir séparateur (ou

excellente résolution), il est nécessaire de compenser diffé-

rentes aberrations que présentent les éléments du spectro-

mètre, pris séparément ou dans leurs combinaisons.

Une première aberration est connue sous le nom d'aberration d'ouverture du second ordre du secteur magnétique. En bref, ce

type d'aberration réside en ce que deux trajectoires symétri-

ques par rapport à la trajectoire centrale à l'entrée du secteur magnétique se couperont après le secteur en un point situé hors de cette trajectoire centrale; le décalage entre

le point d'intersection et la trajectoire centrale est propor-

tionnel au carré de l'inclinaison angulaire a de chacune des trajectoires sécantes par rapport à la trajectoire centrale

(d'o le second ordre en a2).

Un premier aspect de l'invention consiste à corriger ce type d'aberration d'ouverturedu second ordre, au niveau du secteur magnétique lui-même. On désigne par 34 la normale à l'axe du faisceau de particules qui est située du côté de la concavité

qui sera imprimée au faisceau par le secteur magnétique SM 30.

On note par ú l'angle que forme la face d'entrée 31 du sec-

teur magnétique SM 30 avec cette normale 34. On note par 8 l'angle de déviation du faisceau dans le secteur magnétique SM 30. De manière tout à fait inattendue, il a été observé par les inventeurs que les aberrations d'ouverture du second ordre créées par le secteur magnétique, pour les trajectoires situées dans le plan radial, sont annulées lorsque ces deux angles satisfont la relation suivante:

tg 0/2. tg (O-s) = 2.

L'homme de l'art comprendra que cette correction des aberra-

tions d'ouverture du second ordre liées au secteur magnétique lui-même est très importante, et qu'elle peut naturellement servir dans d'autres spectromètres que celui décrit en détail ici. Le faisceau de particules disponible en sortie du secteur électrostatique SE 23 présente une striction en un point P3 (figure 2A). Afin de tirer le meilleur parti de la première correction, des moyens sont prévus en aval de ce point P3 pour faire en sorte que le secteur magnétique SM 30 reçoive un faisceau de particules qui est parallèle dans le plan radial. Ceci peut être réalisé à l'aide d'un ou plusieurs quadrupôles tels que QP 26, interposés entre le secteur électrostatique SE 23 et le secteur magnétique SM 30. Une façon de faire consiste à agencer le quadrupôle unique QP 26 de manière que

son foyer-objet coincide avec le point de striction P3.

Comme indiqué précédemment, la position du quadrupôle QP 26 est déterminée de manière que l'inclinaison de chacun des faisceaux parallèles correspondant aux diverses énergies soit appropriées pour donner un fonctionnement achromatique au

niveau des raies situées dans le plan PF 35 et cela simulta-

nément pour toutes les masses. Cette propriété eSt illustrée sur la figure 1 qui montre que deux faisceaux parallèles corrspondant aux énergies V AV, focalisent en un même point du plan PF 35; l'ordonnée est dilatée pour rendre la figure lisible. Comme on le verra plus loin, ce point P3 est l'image réelle que donne le secteur électrostatique SE 23 de la fente d'entrée FE 20 dans le plan radial. Ainsi, la figure 2A fait

apparaître dans le plan radial un faisceau parallèle en sor-

tie du quadrupôle QP 26.

La figure 2C montre que le quadrupôle QP 26 possède au con-

traire une action divergente en section verticale. Cette action

divergente est à son tour compensée par une lentille électro-

statique à fentes LF 27. En sortie de celle-ci, on retrouve donc aussi un faisceau parallèle, qui traverse exactement la

petite dimension de la fente d'ouverture FO 29.

Si maintenant on examine à nouveau la figure 2A, il apparait

que le faisceau parallèle (représenté unique et, pour simpli-

fier la figure, comme correspondant à l'énergie moyenne du faisceau) fourni par le quadrupôle QP 26 dans le plan radial traverse sans modification la lentille à fentes LF 27, pour

passer à l'intérieur de la grande dimension de la fente d'ou-

verture FO 29. La comparaison avec la figure 1 montre que cette grande dimension de la fente d'ouverture FO 29 permet

le passage des faisceaux parallèles d'inclinaisons chromati-

ques diverses issus du quadrupôle QP 26, compte tenu de la

dispersion énergétique existant entre le secteur électrosta-

tique SE 23 et le secteur magnétique SM 30.

Des dispositions qui précèdent, il résulte finalement que le faisceau de particules est parallèle en ses deux dimensions transversales, en aval de la lentille à fentes LF 27, jusqu'à ce qu'il soit appliqué à la face d'entrée 31 du secteur

magnétique SM 30.

On sait que le secteur électrostatique SE 23 et le secteur magnétique SM 30 possèdent chacun un centre de rotation chromatique virtuel respectif. (L'adjectif "chromatique" est

utilisé ici en relation à la dispersion d'énergie). Les par-

ticules suivant la trajectoire centrale avant leur entrée dans le secteur électrostatique et présentant une énergie légèrement différente de l'énergie nominale du faisceau

sortiront du secteur électrostatique SE 23 avec des trajec-

toires inclinées. Lorsque l'énergie varie, ces trajectoires inclinées paraissent tourner autour d'un point qui est nommé

centre de rotation chromatique.

De manière analogue, le secteur magnétique SM 30 posseae un centre de rotation chromatique, vers lequel doivent converger avec l'angle approprié des particules présentant des énergies voisines et la même masse pour qu'elles aboutissent apres déviation, au même point du plan focal PF 35 et avec le même angle (trajectoires confondues) quelle que soit l'énergie dans la bande - AV. On obtient alors une compensation complète (au premier ordre) de la dispersion énergétique du prisme magnétique. On notera qu'il y a autant de centres de rotation

chromatique qu'il y a de masses considérées.

Toutefois, si, à l'entrée du secteur SM 30, l'inclinaison des trajectoires est simplement proportionnelle à l'écart AV avec un facteur approprié, le même pour toutes les masses, elles seront quand même convergentes au même point du plan focal PF 35, pour une masse donnée, mais les trajectoires

d'énergies différentes n'auront plus la même inclinaison.

Selon une autre caractéristique de l'invention, des moyens

sont prévus pour conjuguer les deux centres de rotation chro-

matiques respectifs du secteur électrostatique SE 23 et du secteur magnétique SM 30. Le quadrupôle QP 26 peut le

faire d'une manière très simple avec un grandissement appro-

prié. Ceci permet une correction complète de la dispersion chromatique ou énergétique du faisceau de particules pour une masse, le quadrupôle étant en outre disposé pour fournir pour les autres masses, des trajectoires d'énergies différentes

avec l'inclinaison appropriée.

On examinera maintenant la correction des aberrations d'ou-

verture du second ordre qui se produisent au niveau du sec-

teur électrostatique SE 23. Cette correction fait intervenir

essentiellement un premier hexapôle HP 22. Toutefois, ce pre-

mier hexapôle HP 22 intervenant aussi en étroite combinaison avec les éléments du spectromètre 2 proprement dit ainsi que

de son optique de transfert 1, il convient de décrire mainte-

nant l'ensemble du spectromètre.

Il sera tout d'abord fait référence aux figures 1, 2A, 2B, 3A

et 3B pour la description de l'optique de transfert ainsi que

de l'entrée du spectromètre 2.

Le faisceau de particules chargées appliqué à l'entrée de l'optique de transfert 1 se présente avec une striction au point S. Ce faisceau d'ions est composé de particules de

différentes masses, qui sont animées par des énergies ciné-

tiques légèrement différentes. On note comme précédemment V

leur énergie cinétique moyenne, qui s'exprime en électrons-

volts,et - AV la dispersion énergétique.

Le faisceau présente en principe une symétrie de révolution au point S. Un tel faisceau peut être constitué par des ions secondaires émis par un échantillon soumis à un faisceau

d'ions primaire concentré à sa surface.

Une première lentille électrostatique unipotentielle LE 11 donne une image du point de source S en un point Sl. Autour de ce point peuvent être prévues des plaques PC 12 permettant

le recentrage éventuel du faisceau sur l'axe optique.

Après la première lentille LE 11, et éventuellement les pla-

* ques de centrage PC 12, est prévue une lentille à fentes LF 13.

Les figures 2A et 3A montrent que cette lentille à fentes n'a aucun effet sur les trajectoires d'ions situées dans le plan radial. Par contre, en section verticale (figures 2B et 3B), la lentille à fentes LF 13 fait converger ces trajectoires en

un point de striction S2.

Une seconde lentille électrostatique LE 14 est placée après

la lentille à fentes LF 13.

Dansle plan radial (figures 2A et 3A), la lentille LE 14 donne des points S et Sl une image P située au niveau de la

fente d'entrée FE 20 et centrée sur l'axe de celle-ci.

Dans la section verticale (figures 2B et 3B), la lentille LE 14 est placée de façon que son foyer soit sensiblement au

point S2, cette lentille fournissant donc des rayons ou tra-

jectoires sensiblement parallèles se déployant le long de

la fente d'entrée FE 20, selon sa grande dimension (figure 3B).

De cette manière, le grandissement au niveau de la fente d'entrée FE 20 dans le plan radial est obtenu en jouant sur le potentiel d'excitation des lentilles électrostatiques

LE 11 et LE 14.

Pour les trajectoire situées dans le plan vertical (figures 2B et 3B), un réglage indépendant est obtenu grâce à la

lentille à fentes LF 13.

A l'entrée du spectromètre 2 proprement dit, et derrière la fente d'entrée FE 20, sont prévues d'une part une lentille

électrostatique convergente notée PA 21, qui permet une post-

accélération commandée, et ensuite un premier hexapôle HP 22.

La lentille PA 21 agit, dans la section verticale du faisceau de particules,pour produire une striction de celui-ci en un point situé en amont du secteur électrostatique SE 23. Le

premier hexapôle HP 22 est centré au niveau de cette striction.

Cet hexapôle HP 22 est agencé pour compenser les aberrations d'ouverture du second ordre créées par le secteur électrosta-

tique SE 23 pour les trajectoires situées dans le plan radial.

Au premier ordre, il n'a aucune action, et ne modifie donc

pas les trajectoires situées en section verticale. Par ail-

leurs, comme il a été déjà indiqué, l'hexapôle n'introduit pas d'aberrations du type b2 sur les trajectoires dans la section verticale grâce au fait que la striction du faisceau

dans cette section se trouve au centre de l'hexapôle.

La lentille de post-accélération PA 21 joue un autre rôle.

*Ce rôle consiste à modifier-l'angle d'ouverture pour le spec-

tromètre 2 proprement dit. Corrélativement, vue pour le reste

du spectromètre, la striction que produit l'optique de trans-

fert en P au niveau de la fente d'entrée dans le plan radial,

est reportée en P1 par la lentille de post-accélération PA 21.

Ceci permet d'augmenter la clarté du spectromètre après sup-

pression ou correction des aberrations les plus importantes.

La post-accélération amène les ions de l'énergie V à l'éner-

gie Vp.

En pratique, le plan principal-objet de la lentille de post-

accélération PA 21 est situé dans le plan de la fente d'entrée FE 20, de sorte que le spectromètre voit une fente d'entrée située en P1, dans le plan principal image de la lentille

PA 21. Pour le spectromètre, la dimension de l'image gaussien-

ne n'a pas changé. Pour un pouvoir séparateur donné,-seul

l'angle d'ouverture disponible à l'entrée augmente.

Comme précédemment indiqué, le spectromètre est agencé pour que le foyer image de la lentille de post-accélération PA 21

se trouve au centre de l'hexapôle HP 22, au point P2.

La post-accélération permet, de plus, de réduire la disper-

sion énergétique relative de AV/V à AV/Vp, ce qui entraîne une diminution des aberrations mixtes et des aberrations

en (AV/VP)2.

Pour des raisons de commodité, Les Demanderesses ont choisi le rapport V/Vp de l'ordre de un quart, ce qui implique, pour des ions négatifs d'énergie incidente de - 5 kV, de mettre tous les conducteurs constituant le spectromètre et situés en aval de la lentilledepost-accélération PA 21 à une tension

de + 15 kV.

Ensuite, le spectromètre comporte unsecondhexapôle (HP 25), disposé après le secteur électrostatique (SE 23), et centré sur l'image réelle que donne le secteur électrostatique (SE 23) de la fente (FE 20) dans le plan radial. Ceci permet

la réduction des aberrations mixtes d'ouverture et chromati-

que pour les trajectoires situées dans le plan radial, avec compensation exacte pour une masse choisie. Le fait que HP 25 soit centré sur P3 permet d'effectuer lacorrection des aberrations mixtes sans avoir à retoucher le réglage de l'hexapôle HP 22 qui corrige les aberrations d'ouverture

(indépendance des réglages).

Dans le mode de réalisation décrit, le filtrage en énergie

s'effectue en amont de l'optique de transfert.

Dans une variante, il s'effectue au niveau du second hexa-

pôle HP 25. Celui-ci comporte alors deux hexapôles encadrant

une fente de filtrage en énergie (non représentés).

Après le second hexapôle HP 25, on retrouve le quadrupôle QP 26, la lentille à fentes LF 27, la fente d'ouverture FO 29,

et enfin le secteur magnétique SM 30.

Les figures 1, 2A, 2C, 2D font apparaître certains détails de la structure du secteur magnétique. Celui-ci comporte un aimant, non représenté, qui coopère avec deux pièces polaires 32A et 32B, dont la forme est donnée par les vues illustrées

dans le plan radial.

Indépendamment de l'obtention des différentes corrections

déjà décrites, l'invention permet de faciliter considérable-

ment ces corrections, en les effectuant par des réglages qui

ne nécessitent pas de déplacement des composants du spectro-

mètre, et qui sont rendus autant que possible indépendants

les uns des autres.

A cet effet, le montage et le réglage du spectromètre s'ef-

fectuent comme suit: - Sont implantés tout d'abord le secteur électrostatique SE 23, qui est de type sphérique, ainsi que le secteur

magnétique SM 30.

- Le quadrupôle QP 26 est alors mis en place, pour respecter

a priori la condition d'inclinaison appropriée des trajec-

toires chromatiqueset la condition de parallélisme du fais-

ceau entrant dans le secteur magnétique. La lentille à fentes LF 27 est ensuite mise en place, de manière à corriger la

divergence du quadrupôle QP 26 dans la section verticale.

La fente d'ouverture FO 29 est elle aussi mise en place, de même que le second hexapôle HP 25, lequel est placé au

foyer du quadrupôle QP 26. On notera au passage que la struc-

ture en section droite des hexapôles HP 22 et HP 25 est illustrée sur la figure 4A, tandis que celle du quadrupôle

QP 26 est illustrée sur la figure 4B.

- En amont du secteur électrostatique SE 23, sont implantés (en remontant le faisceau) l'hexapôle HP 22, centré sur un point choisi à l'avance comme foyer en section verticale, la lentille de post-accélération PA 21, la fente d'entrée FE 20, la seconde lentille électrostatique LE 14, la lentille à fentes LF 13, les plaques de centrage PC 12, et enfin la première

lentille électrostatique unipotentielle LE 11.

Tous les éléments peuvent ainsi être placés dans des posi-

tions fixes prédéterminées, qui n'auront pas à être modifiées

par la suite.

Des réglages additionnels sont alors effectués comme suit

- Le quadrupôle QP 26 est réglé de façon à donner une incli-

naison appropriée aux trajectoires dispersées en énergie

issues du secteur électrostatique SE 23.

- La lentille de post-accélération et ses annexes sont réglés de manière à amener le point de striction P3 au foyer du quadrupôle QP 26 et, par conséquent au centre de l'hexapôle HP 25; ce réglage assure le parallv] ismne dar.ns le plan radial du faisceau issu de QP 26 et permet de compenser d'éventuels

défauts de position du quadrupole QP 26.

- La lentille à fentes LF 13 de l'optique de transfert est réglée pour amener le point de striction P2 au centre du

premier hexapôle HP 22.

L'homme de l'art comprendra que l'appareil se trouve ainsi entièrement réglé sans qu'il n'y ait aucune nécessité de démontage pour faire varier les positions relatives des

différents constituants.

Il n'y a pas non plus nécessité de réglage au niveau de la

collection desparticules déviées, en sortie du secteur magné-

tique SM 30. En effet, les particules des différentes masses

arrivent toutes sur un même plan PF 35.

Le séparateur de particules de l'invention permettrait, à la

façon d'un spectrographe, d'utiliser une plaque photographi-

que pour la collection des particules déviées, et ayant subi

l'analyse en masse.

Selon l'invention, il est estimé préférable de placer dans le plan focal PF 35 une série de dispositifs collecteurs séparés, tels que des multiplicateurs électroniques dont la surface d'entrée sera sensible à l'impact des particules

chargées issues du secteur magnétique SM 30.

On décrira maintenant, en faisant essentiellement référence aux figures 4 et suivantes, un exemple particulier de mise

en oeuvre de l'invention.

EXEMPLEPARTICULIER.-

Faisceau d'entrée. Ions négatifs d'énergie moyenne 5 kV, for-

mant un faisceau de révolution qui présente une striction au point S. Le demi-angle au sommet est de l'ordre de 102

radians pour un pouvoir séparateur M/AM de l'ordre de 4 000.

- Lentille électrostatique LE 11: trois électrodes circulai-

res, percées d'un trou central de 4 mm de diamètre. L'élec-

trode centrale est portée à un potentiel de - 4670 volts.

Les deux autres électrodes, situées de part et d'autre, sont au potentiel de la masse.

- Plaques de centrage PC 12: quatre plaques en acier inoxy-

dable, de surface active 18 x 2 mm, montées pour former un canal carré. La distance entre deux plaques en regard est de 3 mm. Leur centre est placé au niveau d'une striction du

faisceau d'ions.

- Lentille à fentes LF 13: trois électrodes comportant des ouvertures rectangulaires dont le grand axe est situé dans

le plan radial. Electrode centrale: 6 x 64 mm; les deux au-

tres électrodes: 4 x 30 mm. L'électrode centrale, qui reçoit une tension de - 5 kV, est distante de 66,5 mmn de l'axe de

la lentille LE 11.

- Lentille électrostatique LE 13: identique à LE 11, sauf électrode centrale portée à - 4310 volts. Cette électrode est située à 36 mm du centre de la lentille à fentes LF 13,

et à 30 mm de la fente d'entrée FE 20 située en aval.

Spectromètre de masse 2.

- Fente d'entrée FE 20: il s'agit d'une ouverture rectangu-

laire de 0,024 x 0,8 mm (avec post-accélération active), pour une résolution en masse M/AM = 4 000. Le grand axe est perpendiculaire au plan radial. La fente est réglable en x

et en y.

- Electrode de post-accélération PA 21: disque d'épaisseur 8 mm, percé au diamètre intérieur de 14 mm, et isolé par un

cylindre en alumine. Ce disque est porté à + 10 kV en fonc-

tionnement post-accéléré, les éléments aval ayant alors leur

référence de tension portée à + 15 kV.

- Hexapôle HP 22: six barres cylindriques de 8 mm de diamè-

tre pour 36 mm de longueur, d'axes régulièrement répartis surune surfacecylindrique de diamètre 24 mm. Différence de

potentiel entre barres voisines, - 36 volts en alternance.

Le centre de l'hexapôle est à 52 mm en aval de l'électrode PC 21 et à 43 mm en amont de la face d'entrée du secteur électrostatique.

- Secteur électrostatique SE 23: angle de déviation 90 .

Deux portions de sphère concentriques de rayons 94 et 106 mm.

Différence de potentiel appliquée entre l'intérieur et l'exté-

rieur: + 4819,8 volts. Fente de garde à l'entrée et à la

sortie pour limiter les fuites de champ électrique.

- Hexapôle HP 25: comme HP 22, sauf longueur des barres 72 mm, et différence de potentiel - 1702,5 volts. Son centre est

placé à 77 mm en aval de la face de sortie du secteur électro-

statique SE 23.

- Quadrupôle QP 26: quatre barres cylindriques de 24 mm de

diamètre pour 120 mm de longueur, d'axes régulièrement répar-

tis sur une surface cylindrique de 46 mm de diamètre. Diffé-

+ rence de potentiel: - 46,4 volts, en alternance, les barres

au potentiel négatif étant celles situées dans le plan radial.

- Lentille à fentes LF 27: même structure générale que LF 13; électrode centrale percée à 14 x 70 mm, électrodes extrêmes percées à 10 x 60 mm. L'électrode centrale est portée au potentiel correspondant à une distance focale de 173 mm, et

placée à 119 mm en aval du centre du quadrupôle QP 26.

- Fente d'ouverture FO 29: dimensions 5 x 0,7 mm pour une

résolution en masse M/AM = 4100; grand axe dans le plan radial.

- Secteur magnétique SM 30: circuit magnétique en fer doux

-de section en U. Entrefer de l'aimant-8 mm. Rayon des trajec-

toires utiles de 70 à 350 mm. Induction magnétique réglable

jusqu'à 1 Tesla.

Angle de la face d'entrée E = 26 56 (tg E:= 1/2).

Angle de déviation 8 = 90 Angle de la face de sortie 0/2 = 45 .

Angle du plan de focalisation PF 35, 53 13.

Le circuit magnétique est au potentiel de la masse, mais

des électrodes non magnétiques placées à l'intérieur de l'en-

trefer sont portées à un potentiel de + 15 kV en fonctionne-

ment en mode post-accéléré. Enfin, un shunt magnétique limite

les fuites du champ sur la face d'entrée du secteur magnéti-

que. Sur la partie supérieure du plan de focalisation PF 35

est placé un ensemble multicollecteur constitué de convertis-

seurs ions-électrons suiVis de multiplicateurs d'électrons.

Les éléments optiques (sauf l'aimant) sont placés dans une

pièce de structure en acier inoxydable qui assure les posi-

tions mécaniques des différents dispositifs et sert d'enceinte à vide. Un groupe de pompage cryogénique permet d'obtenir

l'ultra-vide désiré. L'aimant est relié au dispositif précé-

dent par un système élastique et étanche, et qui comporte des

moyens d'alignement mécanique des axes optiques.

Il est maintenant fait référence aux figures 5A et 5B, et 6A et 6B, pour une meilleure illustration des fonctionnements

avec et sans post-accélération, respectivement.

Jusqu'à la lentille à fentes LF 13, les trajectoires demeurent celles déjà décrites, et sont les mêmes dans le plan radial

et en section verticale.

La figure 5A montre que, dans le plan radial, les trajec-

toires traversent sans altération la lentille à fentes LF 13, pour venir rejoindre la seconde lentille électrostatique LE 14, et se focaliser en principe au point P. Cependant, la lentille de post-accélération PA 21, portée à 10 kV, produit un point

de focalisation apparent au point P1, pour l'aval du spectro-

mètre. C'est donc de ce point P1 que vont partir les trajec-

toires appliquées à l'hexapôle HP 22. Pour les valeurs numé-

riques précédemment décrites, la distance entre les points P1 et P, ou plus exactement entre les plans PHi et PHO est

de 11 mm.

En section verticale (figure 5B), les trajectoires ont été modifiées par la lentille à fentes LF 13. Elles sont donc parallèles jusqu'au plan PHi, après quoi elles convergent légèrement pour traverser la fente d'ouverture FE 20 dans le plan PHO, et prendre alors leur orientation définitive

vers le point de striction P2 sur lequel est centré l'hexa-

p5le HP 22.

Les distances focales sont les suivantes:

- Pour LE 11, fll = 15 mm.

- Pour LF 13, f13 = 9,44 mm.

- Pour LE 14, f14 = 19,88 mm.

- Pour PA 21, f21 = 97 mm.

En fonctionnement, sans post-accélération (figures 6A et 6B), seul subsiste l'effet de lentille convergente produit par la lentille PA 21. Le point P demeure donc associé à un point P1, d'o paraissent partir les trajectoires que l'on retrouve

en aval de la lentille PA 21 dans le plan radial.

En section verticale (figure 6B), les réglages de l'optique

de transfert sont modifiés de sorte que les trajectoires com-

mencent à converger dès la sortie de la seconde lentille électrostatique LE 14. Elles traversent la fente d'entrée FE 20,pour converger encore un peu davantage au niveau de la lentille PA 21, et aboutir fialement au même point de

striction P2 que précédemment.

Les valeursde distances focales sont un peu différentes: - fll et f14 restent les mêmes; - pour LF 13, f13 = 8,30 mm;

- pour PA 21, f21 = 139,09 mm.

Alors que l'on obtient un grandissement unité au niveau de la fente d'entrée dans le mode avec post-accélération, le mode sans postaccélération fournit un grandissement de 1,32 entre l'image située en P1 et l'image située en P. Il apparait ainsi que la post-accélération, accompagnée de l'effet de convergence lié à l'électrode supplémentaire

PA 21 est compatible avec les propriétés de réglage indépen-

dant que possède le dispositif selon l'invention: seules les

tensions électriques sont à modifier.

Bien entendu, on pourra remplacer certains des composants du spectromètre décrit en détail par leurs équivalents. Le quadrup8le unique QP 26 pourrait ainsi être remplacé par deux quadrupôles. L'homme de l'art connaît d'autres équivalents

au quadrupôle, ainsi qu'aux hexapôles, lentilles électrosta-

tiques et lentilles à fentes.

Claims (11)

Revendications.

1. Spectromètre de masse, comprenant une fente d'entrée (FE 20), suivie d'un secteur électrostatique (SE 23), puis d'un secteur magnétique (SM 30) précédé d'une fente d'ouver- ture (F0 29), montés pour dévier un faisceau de particules dans un plan radial perpendiculaire à la grande dimension de la fente d'entrée (FE 20), le secteur magnétique (SM 30) possédant une face d'entrée plane (31), inclinée sur l'axe

du faisceau de particules, et une face de sortie (32) égale-

ment plane, dont le plan passe par l'intersection (33) de la face d'entrée (31) avec l'axe du faisceau de particules,

caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (QP 26) pour four-

nir au secteur magnétique (SM 30) un faisceau de particules qui est parallèle dans le plan radial, et en ce que, c notant l'angle de la face d'entrée (31) avec la normale (34) à l'axe

du faisceau qui est située du côté de la déviation de celui-

ci, et O notant l'angle de déviation du faisceau dans le secteur magnétique (SM 30), ces deux angles satisfont la relation: tg 0/2. tg (Oú) = 2, ce qui permet d'annuler les aberrations d'ouverture du second ordre créées par le secteur magnétique pour les trajectoires

situées dans le plan radial.

2. Spectromètre selon la revendication 1, comprenant une opti-

que de transfert (1) en amont de la fente d'entrée (FE 20), caractérisé en ce que, considéré en sa section verticale, perpendiculaire au plan radial, le faisceau de particules comporte une striction entre la fente d'entrée (FE 20) et le secteur électrostatique (SE 23), et en ce qu'il est prévu, au niveau de cette striction, un premier hexapôle (HP 22), agencé pour compenser les aberrations d'ouverture du second ordre

créées par le secteur électrostatique (SE 23) pour les tra-

jectoires situées dans le plan radial sans introduire d'aber-

rations du même ordre par son action sur les trajectoires

dans la section verticale.

3. Spectromètre selon la revendication 2, caractérisé-en ce que l'optique de transfert (1) est agencée pour appliquer

àla fente d'entrée un faisceau de particules qui est sensi-

blement parallèle en section verticale, en ce qu'il est prévu une lentille convergente (PA 21) entre la fente d'entrée (FE 20) et le premier hexapôle (HP 22), et en ce que cet hexapôle (HP 22) est centré sur le point conjugué de la fente d'entrée (FE 20) par ladite lentille convergente (PA 21),

dans la section verticale du faisceau.

4. Spectromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que la lentille convergente (PA 21) est en même temps une

lentille de post-accélération, comportant au moins une élec-

trode supplémentaire pour assurer la convergence réglable.

5. Spectromètre selon l'une des revendications 2 à 4, carac-

térisé en ce que l'optique de transfert (1) comporte deux

lentilles électrostatiques (LE 11, LE 14) coopérant pour pro-

duire une striction du faisceau au niveau de la fente d'en-

trée (FE 20) dans le plan radial et, entre ces deux lentilles électrostatiques, une lentille à fentes (LF 13) agencée de sorte que le faisceau soit sensiblement parallèle en section

verticale au niveau de la fente d'entrée.

6. Spectromètre selon l'une des revendications 2 à 5, caracté-

risé en ce que le secteur électrostatique (SE 23) et le sec-

teur magnétique (SM 30) possédant des centres de rotation chromatique virtuels respectifs, un moyen optique du genre quadrupôle (QP 26) est placé de manière à conjuguer ces deux

centres de rotation chromatique avecun grandissement appro-

prié, ce qui permet une correction complète de la dispersion chromatique du faisceau de particules pour une masse donnée, la correction pour les autres masses s'effectuant dans le

plan focal (PF 35) du secteur magnétique (SM 30).

7. Spectromètre selon la revendication 6, caractérisé en ce

que le quadrupôle (QP 26) est agencé de manière que son foyer-

objet coincide avec l'image réelle que donne le secteur élec-

trostatique (SE 23) de la fente d'entrée (FE 20) dans le plan raiial, ce quadruple étant suivi de moyens de compensation de sa divergence dans la section verticale, de sorte que le faisceau de particules soit ensuite parallèle en ses deux

dimensions transversales.

8. Spectromètre selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de compensation de la divergence du quadrupôle

en section verticale comprennent une lentille à fentes (LF 27).

9. Spectromètre selon l'une des revendications 2 à 8, carac-

térisé en ce qu'il comporte un second hexapôle (HP 25), disposé après le secteur électrostatique (SE 23), et centré sur l'image réelle que donne le secteur électrostatique (SE 23) de la fente d'entrée (FE 20) dans le plan radial, ce qui permet la réduction des aberrations mixtes d'ouverture et chromatique pour les trajectoires situées dans le plan

raidal, avec compensation exacte pour une masse choisie.

10. Spectromètre selon la revendication 9, caractérisé en ce

que le second hexapôle (HP 25) comporte deux hexapôles enca-

drant une fente de filtrage en énergie.

11. Spectromètre selon l'une des revendications 1 à 10,

caractérisé en ce que 8 = 90 et tg c = 1/2.