FR2618605A1 - Device for detecting and amplifying small positive or negative ion currents - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF DE DETECTION ET D'AMPLIFICATION DE FAIBLES COURANTS IONIQUES,
POSITIFS OU NEGATIFS.DEVICE FOR DETECTION AND AMPLIFICATION OF LOW IONIC CURRENTS,
POSITIVE OR NEGATIVE.
L'importance croissante, dans de nombreux domaines d'application, de l'analyse des gaz par spectrographie de masse, exige de l'instrumentation des performances accrues, en particulier : a) une amplification plus grande adaptable à une dynamique très large ; b) une sensibilité plus élevée encore et donc un bruit propre du système de détection et d'amplification aussi faible que possible. D'autre part, il est souhaitable de pouvoir identifier, quasi simultanément, les ions négatifs et positifs et d'obtenir ainsi un spectre complet : pour des raisons évidentes, le signal doit, dans les deux cas, être traité à un potentiel voisin de la masse.The growing importance, in many fields of application, of the analysis of gases by mass spectrography, requires increased performance instrumentation, in particular: a) greater amplification adaptable to very wide dynamics; b) an even higher sensitivity and therefore an inherent noise of the detection and amplification system as low as possible. On the other hand, it is desirable to be able to identify, almost simultaneously, the negative and positive ions and thus obtain a complete spectrum: for obvious reasons, the signal must, in both cases, be processed at a potential close to the mass.
La présente invention concerne un dispositif de détection et d'amplification respectant ces exigences. The present invention relates to a detection and amplification device meeting these requirements.
Dans ce système, les ions bombardent, à la sortie du spectrographe de masse, une cible D (dynode) portée à un potentiel V positif pour la détection des ions négatifs, et négatif pour la détection des ions positifs. In this system, the ions bombard, at the output of the mass spectrograph, a target D (dynode) brought to a positive potential V for the detection of negative ions, and negative for the detection of positive ions.
Igta une valeur de quelques kV. Igta worth a few kV.
Suivant sa polarité, la cible D attire les ions positifs ou négatifs. Depending on its polarity, target D attracts positive or negative ions.
Sous l'effet de ce bombardement à haute énergie, D génère des particules secondaires (ions positifs, ions négatifs, électrons, photons!. Under the effect of this high energy bombardment, D generates secondary particles (positive ions, negative ions, electrons, photons !.
Pour une valeur donnée de g, l'intensité de cette émission secondaire est proportionnelle à l'intensité du bombardement primaire : elle est d'ailleurs rapidement croissante avec l'énergie d'impact (valeur absolueiVi du potentiel D). For a given value of g, the intensity of this secondary emission is proportional to the intensity of the primary bombardment: it is moreover rapidly increasing with the impact energy (absolute value iVi of the potential D).
Un multiplicateur électronique M, à très faible niveau de bruit, (une galette de micro-canaux par exemple) est placé en regard de la cible. La face d'entrée de M est à un potentiel voisin de la nasse. An electronic multiplier M, with a very low noise level (a wafer of micro-channels for example) is placed opposite the target. The entry face of M is at a potential close to the trap.
Le multiplicateur recoit donc des ions secondaires positifs et des photons en provenance de D quand S est positif (détection d'ions négatifs). The multiplier therefore receives positive secondary ions and photons from D when S is positive (detection of negative ions).
fl reçoit par contre des ions négatifs, des électrons et des photons quand la cible D est à un potentiel négatif (détection d'ions positifs).fl receives on the other hand negative ions, electrons and photons when the target D is at a negative potential (detection of positive ions).
A la sortie du ultiplicateur, on obtient un courant électronique IZ donné par
I, - 0GZ Ii (où IL est le courant ionique primaire, le facteur de conversion sur la cible D, ss le facteur de conversion sur la face d'entrée du multiplicateur M, GK le gain du multiplicateutL4et4dépendent de YD tandis que GM dépend du potentiel VM à la sortie de M. Un écran fluorescent F, placé face à la sortie du multiplicateur M et fixé à un potentiel VF positif, supérieur de quelques kV à V, reçoit les électrons du multiplicateur.At the output of the multiplier, we obtain an electronic current IZ given by
I, - 0GZ Ii (where IL is the primary ionic current, the conversion factor on the target D, ss the conversion factor on the input face of the multiplier M, GK the gain of the multiplication may L4 and 4 depend on YD while GM depends on the potential VM at the output of M. A fluorescent screen F, placed opposite the output of the multiplier M and fixed to a positive potential VF, greater by a few kV than V, receives the electrons from the multiplier.
Les électrons ont ainsi une énergie cinétique égale à e (VF - V). The electrons thus have a kinetic energy equal to e (VF - V).
Une part de cette énergie se retrouve à la sortie de l'écran sous forme de photons. Le nombre n de photons produit par électron incident est donné par n - t (VF - V) où r est une constante caractéristique du phosphore de l'écran.Part of this energy is found at the exit of the screen in the form of photons. The number n of photons produced per incident electron is given by n - t (VF - V) where r is a constant characteristic of the phosphor of the screen.
Un guide de lumière, en contact avec la face de sortie de l'écran, canalise par réflexions totales les photons à l'extérieur du système sous vide, tout en assurant son étanchéité. Les photons sont enfin reçus sur la cathode d'un tube photomultiplicateur placé à l'extérieur, à proximité immédiate de l'extrémité du guide. Le signal optique est tranformé en signal électrique avec amplification. A light guide, in contact with the exit face of the screen, channels by total reflections the photons outside the vacuum system, while ensuring its tightness. The photons are finally received on the cathode of a photomultiplier tube placed outside, in the immediate vicinity of the end of the guide. The optical signal is transformed into an electrical signal with amplification.
Les potentiels d'alimentation du PM sont évidemment.tout à fait indépendants de la distribution des potentiels dans le système sous vide. On peut donc en particulier fixer la cathode du PM à la haute tension négative VpH et sortir le signal d'anode à un potentiel voisin de la masse.The PM supply potentials are obviously quite independent of the potential distribution in the vacuum system. It is therefore possible in particular to fix the cathode of the PM at the high negative voltage VpH and to output the anode signal at a potential close to ground.
Pour un courant ionique primaire Ii, on obtient un courant de signal I donné par : 1e = I#n 2 GpY où t est l'efficacité quantique de la photocathode du PM et GDM le gain de ce PM. En remplaçant IF et n par leur valeur, on a finalement
α et ss sont fonctions du potentiel de cible VD CM est fonction de V, et Gpm est fonction de la différence de potentiel V,, appliquée au pont
d'alimentation du PM. On dispose ainsi de quatre potentiels pour régler le
facteur d'amplification Ie à la valeur requise.For a primary ionic current Ii, we obtain a current of signal I given by: 1e = I # n 2 GpY where t is the quantum efficiency of the photocathode of the PM and GDM the gain of this PM. By replacing IF and n by their value, we finally have
α and ss are functions of the target potential VD CM is a function of V, and Gpm is a function of the potential difference V ,, applied to the bridge
power supply from the PM. We thus have four potentials to adjust the
amplification factor Ie to the required value.
Ii
Par exemple, pour VD 5 kV, Vm - 1 kV, VF r 5 kV et Vp,, = 2 kV, on a
II
For example, for VD 5 kV, Vm - 1 kV, VF r 5 kV and Vp ,, = 2 kV, we have
En reduisant les valeurs de ces potentiels, on peut réduire ce facteur à,10
Le système proposé satisfait bicn aux conditions fixées
l'amplification peut avoir une valeur très élevée tout cn couvrant une
dynamique très large.By reducing the values of these potentials, we can reduce this factor to, 10
The proposed system satisfies the conditions set
amplification can have a very high value while cn covering a
very broad dynamic.
D'autre part, le choix du ler étage d'amplification (galette de
microcanaux par exemple) à été dicté par les considérations suivantes : son
niveau de bruit est très faible ct peut encore être réduit en limitant le gain
GM . Cette limitation est tout à fait acceptable étant donné le gain très
important en aval (écran fluorescent ct PM). Par contre, la valeur de GM (entre
lO et lO ) est suffisante pour permettre une discrimination à la
sortie du système entre les impulsions utiles (générées cn amont de la
galette) et les impulsions parasites (générées cn aval) qui ont ainsi une
amplitude entre iol et 10 fois plus petite.Le niveau de bruit de l'ensemble
est donc cn fait le très faible niveau de bruit de la galette, si on néglige les impulsions dues à des causes accidentelles en amont de M (microclaquages au niveau des dynodes D, photons parasites créés dans le spectrographe de masse)
Un traitement approprié des surfaces et une disposition convenable des électrodes permettent d'ailleurs d'éliminer pratiquement ces impulsions.On the other hand, the choice of the 1st amplification stage (wafer of
microchannels for example) was dictated by the following considerations: its
noise level is very low and can be further reduced by limiting the gain
GM. This limitation is quite acceptable given the very
important downstream (fluorescent screen ct PM). On the other hand, the value of GM (between
lO and lO) is sufficient to allow discrimination on the basis of
output of the system between the useful pulses (generated upstream of the
wafer) and parasitic pulses (generated downstream) which thus have a
amplitude between iol and 10 times smaller.
is therefore cn makes the very low noise level of the wafer, if we neglect the pulses due to accidental causes upstream of M (micro-clashes at the dynodes D, parasitic photons created in the mass spectrograph)
An appropriate treatment of the surfaces and a suitable arrangement of the electrodes moreover make it possible to practically eliminate these pulses.
Le rapport signal-bruit peut ainsi atteindre des valeurs nettement plus élevées que dans les systèmes conventionnels ; la sensibilité est considérablement améliorée. The signal-to-noise ratio can thus reach significantly higher values than in conventional systems; sensitivity is greatly improved.
Il faut aussi souligner que grâce à ce mode de détection (conversion
It should also be noted that thanks to this detection mode (conversion
<tb> ions <SEP> --- > <SEP> électrons <SEP> --- > <SEP> photons <SEP> -- > <SEP> électrons)
<tb> les courants ne deviennent importants que dans l'étage d'amplification final, placé à l'extérieur du système (tube photomultiplicateur). La pollution par décomposition d'hydrocarbures est ainsi évitée. D'autre part, le choix des potentiels à l'intérieur du système, tout à fait indépcndant des potentiels d'alimentation de l'amplificateur final (PM à l'extérieur), est ici tout à fait libre et peut être parfaitement optimisé.<tb> ions <SEP>---><SEP> electrons <SEP>---><SEP> photons <SEP>-><SEP> electrons)
<tb> the currents only become important in the final amplification stage, placed outside the system (photomultiplier tube). Pollution by decomposition of hydrocarbons is thus avoided. On the other hand, the choice of the potentials inside the system, completely independent of the supply potentials of the final amplifier (PM outside), is here completely free and can be perfectly optimized.
Enfin, l'emploi d'un système à deux dynodes de conversion, l'une positive, l'autre négative, permet la détection quasi simultanée des ions des deux signes sans devoir commuter la haute tension. C'est d'ailleurs une réalisation de cette modalité que nous allons maintenant décrire à titre d'exemple et pour mieux faire comprendre l'invention (figure I). Finally, the use of a system with two conversion dynodes, one positive, the other negative, allows the almost simultaneous detection of the ions of the two signs without having to switch the high voltage. It is moreover an embodiment of this modality that we will now describe by way of example and in order to better understand the invention (FIG. I).
Un spectrographe de masse S du type quadrupole sélectionne, suivant la polarité des potentiels appliqués aux électrodes de la source, des ions positifs ou négatif s. Ces potentiels ont des valeurs absolues n'excédant pas quelques centaines de volts et pewent être commutés très rapidement, I1 est donc possible d'obtenir, au cours d'un meme balayage, le spectrc de masse complet des ions positifs et négatifs formés dans le gaz à analyser. A quadrupole-type mass spectrograph S selects, depending on the polarity of the potentials applied to the electrodes of the source, positive or negative ions s. These potentials have absolute values not exceeding a few hundred volts and can be switched very quickly, so it is possible to obtain, during the same scan, the complete mass spectrc of the positive and negative ions formed in the gas. gas to be analyzed.
A la sortie du quadrupole, les ions traversent l'espace E compris entre deux électrodes entre lesquelles une faible différence de potentiel est établie. Les ions positifs sont ainsi déviés vers la gauche par exemple, et les ions négatifs vers la droite. Ils sont attirés respectivement par la dynode de conversion D4 portée à un potentiel de - 5 kV environ et par la dynode de conversion Dt portée à + 5 kV. On leaving the quadrupole, the ions cross the space E between two electrodes between which a low potential difference is established. The positive ions are thus deflected to the left for example, and the negative ions to the right. They are attracted respectively by the conversion dynode D4 brought to a potential of approximately - 5 kV and by the conversion dynode Dt brought to + 5 kV.
Une galette de microcanaux M dont la face d'entrée est à la masse et la face de sortie à un potentiel des l kV, est placée face aux dynodes, dans l'axe du système. A wafer of microchannels M whose input face is grounded and the output face has a potential of 1 kV, is placed opposite the dynodes, in the axis of the system.
Les ions positifs bombardent la dynode D4 . Les particules secondaires négatives (ions négatifs, électrons) et les photons produits frappent la face d'entrée de la galette. Positive ions bombard the D4 dynode. The negative secondary particles (negative ions, electrons) and the photons produced strike the entry face of the wafer.
De même, les ions négatifs bombardent la dynode Du et les particules secondaires positives produites (ions positifs) et les photons frappent eux aussi la face d'entrée de la galette. Likewise, the negative ions bombard the Du dynode and the positive secondary particles produced (positive ions) and the photons also strike the entry face of the wafer.
Les électrons secondaires produits par les impacts se multiplient dans les canaux. A la sortie, ils sont accelérés par le champ créé par un écran fluorescent F porté à un potentiel det+ 5 kV. The secondary electrons produced by the impacts multiply in the channels. At the exit, they are accelerated by the field created by a fluorescent screen F brought to a potential det + 5 kV.
Ces électrons perdent leur énergie cinétique dans l'écran en créant des photons. These electrons lose their kinetic energy in the screen by creating photons.
Cet écran est par exemple du type P47 émettant dans le bleu avec un temps de relaxation très court. I1 est supporté par un guide de lumière G qui dirige par réflexions totales les photons vers l'extérieur tout en assurant l'étanchéité du système. This screen is for example of the P47 type emitting in the blue with a very short relaxation time. It is supported by a light guide G which directs the photons outwards by total reflections while ensuring the tightness of the system.
Les photons sont enfin reçus par la cathode d'un tube photomultiplicateur (PM) extérieur au système et placé au voisinage immédiat de 11 extrémité du guide G. The photons are finally received by the cathode of a photomultiplier tube (PM) outside the system and placed in the immediate vicinity of the end of the guide G.
Le choix des valeurs du potentiel aux bornes du pont d'alimentation du
P.M est évidemment tout à fait indépendant de la distribution du potentiel à l'intérieur du système. On fixe le potentiel de cathode à une valeur de kV environ et l'autre extrémité du pont à la masse. Le signal anodique peut ainsi être directement traité.The choice of the potential values at the terminals of the supply bridge of the
PM is obviously quite independent of the potential distribution within the system. The cathode potential is fixed at about kV and the other end of the bridge to ground. The anode signal can thus be directly processed.
Mentionnons encore la présence entre les dynodes Dd , DX d'une électrode conique A au potentiel O dont le rôle est d'absorber par reflexions multiples les photons parasites produits dans le quadrupole tout en améliorant les caractéristiques de l'optique électronique. Let us also mention the presence between the dynodes Dd, DX of a conical electrode A at the potential O whose role is to absorb by multiple reflections the parasitic photons produced in the quadrupole while improving the characteristics of electronic optics.
Comme on l'a vu plus haut, le facteur d'amplification est donné par
As we saw above, the amplification factor is given by
Avec les valeurs des potentiels fixées dans cet exemple, ce facteur est de Il l'ordre de 3.10 et peut être abaissé à environ 10 ou moins en diminuant ces potentiels.With the values of the potentials fixed in this example, this factor is of the order of 3.10 and can be lowered to about 10 or less by decreasing these potentials.
Le courant de bruit de la chaîne est très faible ; en effet le choix d'un écran P47 permet l'utilisation d'un PM équipé d'une photocathode bi-alcaline (sensibilité maximum dans le bleu). The string noise current is very low; in fact, the choice of a P47 screen allows the use of a PM equipped with a bi-alkaline photocathode (maximum sensitivity in the blue).
Ces photocathodes ont un courant d'obscurité extrêmement réduit, inférieur à inA. De toute façon, les impulsions parasites créées en aval de le galette M peuvent erre facilement éliminées par un discriminateur : en effet, les impulsions utiles sont créées en amont de M et ont donc une amplitude 1000 fois plus grande.These photocathodes have an extremely low dark current, less than inA. In any case, the parasitic pulses created downstream of the wafer M can easily wander off by a discriminator: in fact, the useful pulses are created upstream of M and therefore have an amplitude 1000 times greater.
La limite de sensibilité est ainsi fixée par le taux d'impulsions parasites dans la galette. Ce taux n'excède pas 1/cm /s.The sensitivity limit is thus set by the rate of parasitic pulses in the wafer. This rate does not exceed 1 / cm / s.
Il faut aussi tenir compte des microclaquages au niveau des dynodes. Ils peuvent être pratiquement éliminés par un traitement approprié des surfaces.It is also necessary to take into account micro-clamping at the level of the dynodes. They can be practically eliminated by appropriate treatment of the surfaces.
Le nouveau système décrit est destiné à la mesure des courants ioniques des deux signes à la sortie des spectrographes de masse, plus particulièrement dans k cas du couplage chromatographie-spectrographie de masse où les courants ioniques peuvent etre très faibles (détection d'un ion unique) The new system described is intended for the measurement of the ionic currents of the two signs at the output of mass spectrographs, more particularly in the case of chromatography-mass spectrography coupling where the ionic currents can be very weak (detection of a single ion )
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR8710442A FR2618605A1 (en) | 1987-07-22 | 1987-07-22 | Device for detecting and amplifying small positive or negative ion currents |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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FR8710442A FR2618605A1 (en) | 1987-07-22 | 1987-07-22 | Device for detecting and amplifying small positive or negative ion currents |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FR2618605A1 true FR2618605A1 (en) | 1989-01-27 |
Family
ID=9353475
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FR8710442A Withdrawn FR2618605A1 (en) | 1987-07-22 | 1987-07-22 | Device for detecting and amplifying small positive or negative ion currents |
Country Status (1)
Country | Link |
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FR (1) | FR2618605A1 (en) |
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