FR2801675A1 - Procede d'ionisation d'un gaz a pression atmospherique, pour l'analyse d'impuretes presentes a l'etat de trace dans ce procede - Google Patents

Abstract

Ce procédé d'ionisation d'un gaz à pression atmosphérique, pour l'analyse d'impuretés présentes à l'état de trace dans ce gaz, comprend les étapes consistant à mélanger un gaz de décharge et le gaz à analyser, introduire le mélange gazeux dans une chambre d'ionisation (10) dotée d'une électrode de décharge, et alimenter l'électrode de décharge par une tension de décharge adaptée pour ioniser le gaz de décharge, de manière à créer et entretenir une décharge dans ce dernier et provoquer ainsi un transfert de charges entre les particules ionisées qu'il contient et les impuretés du gaz à analyser.

Description

La présente invention est relative à un procédé d'ionisation d'un gaz à pression atmosphérique.

En particulier, ce procédé est destiné à provoquer une ionisation d'impuretés présentes dans ce gaz à l'état de trace, afin de permettre leur détection et leur analyse. L'ionisation d'un gaz en vue de la détection des impuretés qu'il contient, à l'état de trace, constitue une technique d'analyse relativement sensible.

La technique d'analyse connue sous l'appellation "API-MS" est basée sur ce principe. Elle constitue l'une des techniques les plus sensibles pour l'analyse et la détection d'impuretés présentes à l'état de trace dans des gaz hautement purifiés.

Elle est particulièrement efficace pour la détection d'impuretés présentes dans N2, Ar, He et H2.

Pour l'analyse de N2, Ar et He, cette technique est basée sur la valeur relativement élevée du potentiel d'ionisation de ces gaz par rapport à celle des impuretés.

L'ionisation de ces gaz engendre un transfert de charge des ions créés lors de l'ionisation, en l'espèce N3+, Ar+ et He+, respectivement, vers les impuretés.

L'analyse des impuretés présentes dans HZ se base, quant à elle, sur l'affinité protonique relativement élevée entre les ions H3+ et les molécules d'impuretés.

Bien qu'elle soit efficace pour l'analyse des impuretés présentes dans ces gaz, ce type de technique présente une efficacité moindre lorsqu'il convient d'analyser d'autres types de gaz, c'est à dire des gaz ayant des potentiels d'ionisation faibles ou des affinités protoniques élevées, notamment en raison du fait que le transfert de charges vers les impuretés est, dans ce cas, défavorisé. Ainsi, alors qu'une sensibilité relativement élevée peut être obtenue pour l'analyse de tous types d'impuretés présentes dans l'hélium, qui présente un potentiel d'ionisation très élevé, la détection d'impuretés dans de l'oxygène, qui constitue un gaz très répandu pour la réalisation de semi-conducteurs en technologie MOS, n'est pas possible, dans la mesure ou l'oxygène présente un potentiel d'ionisation relativement bas et n'est donc pas susceptible de transférer des charges vers les impuretés ayant un potentiel d'ionisation supérieur.

Il existe à ce jour une technique permettant la détection de molécules d'eau dans de l'oxygène. Selon cette technique, les molécules d'eau sont détectées en détectant la présence d'amalgames formés par collisions moléculaires entre des ions 0z+ et les molécules d'eau.

Bien que cette technique soit relativement efficace, elle n'est adaptée que pour la détection d'une seule impureté dans l'oxygène.

Une autre technique d'analyse consiste à utiliser une chambre d'ionisation dotée d'un premier compartiment alimenté en un gaz de décharge et dotée d'une électrode de décharge alimentée par une tension de décharge adaptée pour ioniser le gaz de décharge.

Le gaz à analyser est introduit dans un second compartiment de la chambre vers lequel migrent les ions engendrés dans le gaz de décharge pour l'ionisation des impuretés par transfert de charge entre les ions et ces dernières.

Par exemple, le gaz de décharge, c'est à dire le gaz dans lequel est créée la décharge est constitué par un mélange d'argon et d'hydrogène afin de créer des ions à ArH+.

Cette technique est basée sur la différence d'affinité protonique entre les molécules d'impuretés et les molécules de base des gaz à analyser.

Le but de l'invention est de fournir un procédé d'ionisation d'un gaz en vue de la détection d'impuretés qu'il contient à l'état de trace dans lequel l'ionisation des impuretés s'effectue de façon plus efficace.

Elle a donc pour objet un procédé d'ionisation d'un gaz à pression atmosphérique, pour l'analyse d'impuretés présentes à l'état de trace dans le gaz, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à - mélanger un gaz de décharge et le gaz à analyser ; - d'introduire le mélange gazeux dans une chambre d'ionisation dotée d'une électrode de décharge ; et - alimenter l'électrode de décharge par une tension de décharge adaptée pour ioniser le gaz de décharge de manière à créer et entretenir une décharge dans ce dernier et provoquer ainsi un transfert de charges entre les particules ionisées qu'il contient et les impuretés du gaz à analyser. Le procédé d'ionisation selon l'invention peut en outre comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles - préalablement audit mélange, on procède à une purification du gaz de décharge ; - le gaz de décharge est choisi de manière que son potentiel d'ionisation soit supérieur à celui du gaz à analyser ; - le gaz de décharge est constitué par un mélange de Ar et de H2, ou un mélange de He ou H2 .

- le gaz à analyser est constitué de 02, les impuretés qu'il contient étant constituées de particules ayant une affinité protonique supérieure à celle de OZ ; - la teneur en H2 et en OZ est réglée dans le mélange à une valeur inférieure à la limite inférieure d'explosivité ; - le mélange est introduit en continu dans la chambre d'ionisation de manière à effectuer une purge continue de cette dernière ; et - le débit du mélange est compris entre 1 et 1,51/min.

D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la Fig. 1 illustre de façon schématique une installation pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention ; - la Fig. 2 est un tableau montrant la valeur du potentiel d'ionisation de différentes molécules de gaz ; et - la Fig. 3 est un tableau montrant la valeur de l'affinité protonique de différentes molécules de gaz.

Sur la Fig. 1, on a représenté une vue schématique d'une installation permettant l'ionisation d'un gaz à pression atmosphérique, en vue de l'analyse d'impuretés présentes à l'état de trace dans ce gaz.

Pour procéder à cette ionisation, le gaz à analyser est introduit dans une chambre d'ionisation 10 de type classique, schématiquement représentée sur cette figure.

La chambre d'ionisation 10 est alimentée par ce gaz, à partir d'une source 12 d'alimentation correspondante, constituée par exemple par une bouteille de gaz comprimé.

Avant son introduction dans la chambre 10, ce gaz est mélangé à un gaz de décharge délivré à partir d'une source d'alimentation 14 correspondante, c'est à dire un gaz de décharge capable de s'ioniser dans la chambre 10 au contact d'une électrode de décharge (non représentée) placée dans le volume de la chambre d'ionisation 10 et raccordée à une source de tension de décharge 16 dont la valeur de tension est appropriée pour ioniser le gaz de décharge.

En se référant aux Figs. 2 et 3, et dans l'exemple de réalisation considéré, le gaz à analyser est constitué par de l'oxygène (02), les impuretés qu'il contient susceptibles d'être analysées étant constituées de molécules ayant une affinité protonique supérieure à celle de l'oxygène, de manière à pouvoir être ionisées par transfert de charge depuis les ions formés dans la décharge. Ainsi, par exemple, les molécules d'impureté susceptibles d'être détectées sont constituées de C02, de CH4 , de CO ou de H20.

Par ailleurs, le gaz de décharge est choisi de manière que son affinité protonique soit la plus faible possible et que son potentiel d'ionisation soit relativement élevé afin que la décharge s'effectue efficacement.

Ainsi, par exemple, on utilise de l'hélium (He) ou de l'argon (Ar) ou un mélange de ces gaz.

On notera que l'hélium ayant un potentiel d'ionisation très élevé, il s'ionise très facilement.

Au contraire, l'argon présente une affinité protonique plus faible que celle de l'hydrogène et réagit aisément avec les molécules d'impuretés.

Dans l'exemple de réalisation considéré, on utilise un gaz de décharge constitué d'un mélange d'hélium et d'hydrogène, ces gaz étant délivrés à partir de sources d'alimentation 18 et 20 correspondantes.

En se référant à nouveau à la Fig. 1, pour la préparation du mélange destinée à être introduit dans la chambre 10 d'ionisation, la source 18 d'alimentation en hélium est raccordée à un détendeur 22.

Par exemple, le détendeur 22 est adapté pour régler la pression d'hélium à une valeur comprise entre 1 et 2 bars.

En aval, le détendeur est raccordé à un régulateur de débit 24 capable, par exemple, de régler le débit d'hélium à une valeur comprise entre 0 et 3 litres par minute. L'hélium circule ensuite à travers un épurateur 26, de type classique.

Par ailleurs, la source 20 d'alimentation en hydrogène est raccordée à un détendeur 28 puis, en aval, à un épurateur cryogénique 30.

La sortie de l'épurateur 30 est raccordée à un régulateur de débit 32. En aval de l'épurateur d'hélium 26 et du régulateur de débit 32, l'hélium et l'hydrogène sont mélangés.

La source 12 d'alimentation en oxygène est, quand à elle, raccordée à un détendeur 34 et à un régulateur de débit 36 capable de régler, par exemple le débit d'oxygène à une valeur comprise entre 0 et 1 litre par minute. On notera que pour des raisons de sécurité, les régulateurs 32 et 36 de débit d'hydrogène et d'oxygène sont adaptés pour régler la teneur en hydrogène et en oxygène dans le mélange introduit dans la chambre d'ionisation 10 à une valeur inférieure à la limite inférieure d'explosivité.

Ainsi, de préférence, les régulateurs 32 et 34 de débit d'hélium et d'hydrogène sont choisis pour que la teneur en hydrogène reste inférieure à 1% dans le mélange d'hélium et d'hydrogène.

On notera que ce débit est adapté pour permettre une purge continue de la chambre d'ionisation et un contrôle aisé de la pression dans la chambre d'ionisation.

De préférence, ce débit est comprise entre 1 et 1,51/min de manière à régler la pression à une valeur voisine de 1,2 bar.

De même, la teneur en oxygène est contrôlée dans le mélange de manière à ce qu'elle reste inférieure à 20% dans le mélange final, des teneurs supérieures pouvant être néfastes pour les équipements et dispositifs, notamment les pompes, utilisées dans les dispositifs de détection de particules branchés en aval.

On voit également sur la Fig. 1 que le régulateur 36 de débit d'oxygène est raccordé, en aval, à un tamis moléculaire 38, de type classique, adapté pour déshydrater le gaz qui le traverse.

En aval du tamis moléculaire 38, l'oxygène est mélangé au gaz de décharge. Il est alors introduit dans la chambre 10 d'ionisation. Pour procéder à l'ionisation, il convient d'alimenter l'électrode de décharge placée dans la chambre 10 par une tension de décharge adaptée pour ioniser le gaz de décharge, par exemple comporte entre 3 et 5 kv.

Sous l'action de cette décharge, et en raison de la valeur relativement élevée du potentiel d'ionisation du gaz de décharge, les molécules entrant dans sa constitution s'ionisent. Par ailleurs, en raison de la différence d'affinité protonique les molécules ionisées et les impuretés de l'oxygène, des transferts de charges se produisent entre les molécules ionisées et les impuretés de l'oxygène.

Il est ainsi possible de réaliser une séparation entre les molécules d'impuretés et celles du gaz à analyser en vue de leur détection ultérieure, à l'aide de techniques classiques, par exemple en utilisant un spectromètre de masse.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. Procédé d'ionisation d'un gaz à pression atmosphérique, pour l'analyse d'impuretés présentes à l'état de trace dans ce gaz, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à - mélanger un gaz de décharge et le gaz à analyser ; - introduire le mélange gazeux dans une chambre d'ionisation (16) dotée d'une électrode de décharge ; et - alimenter l'électrode de décharge par une tension de décharge adaptée pour ioniser le gaz de décharge, de manière à créer et entretenir une décharge dans ce dernier et provoquer ainsi un transfert de charges entre les particules ionisées qu'il contient et les impuretés du gaz à analyser.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que préalablement audit mélange, on procède à une purification du gaz de décharge.

3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le gaz de décharge est choisi de manière que son potentiel d'ionisation soit supérieur à celui du gaz à analyser.

4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le gaz de décharge est constitué par un mélange de Ar et de H2 ou un mélange de He et de H2.

5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en que le gaz à analyser est constitué d'02, et en ce que les impuretés qu'il contient sont constituées par des particules ayant une affinité protonique supérieure à celle de 02.

6. Procédé selon la revendication 5, dépendante de la revendication 4, caractérisé en ce que la.teneur en H2 et en 02 est réglée dans le mélange à une valeur inférieure à la limite inférieure d'explosivité.

7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le mélange est introduit en continu dans la chambre d'ionisation (16) de manière à effectuer une purge continue de cette dernière.

8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le débit du mélange est compris entre 1 et 1,51/min.