WO2013087635A1 - Système de détection et de comptage d'ions - Google Patents

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Adel DOUAHI
René-paul GARCIA
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Thales
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    • H01J49/02—Details
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    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
    • G04F5/14—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks

Definitions

  • the invention relates to a system for detecting and counting ions.
  • This type of system is commonly used for the detection and counting of ions in mass spectrometers or atomic clocks.
  • a source of hot filament ions within an ion detection and counting system.
  • the atoms from a source of atoms in the vicinity of the hot filament are ionized and the ions formed are re-emitted.
  • the re-emitted ions form a beam which is focused towards the ion detection and counting modules, using ion-extracting electrodes and a magnetic field.
  • the document "Optimization of a Langmuir-Taylor detector for lithium" by R. Delhuille et al. discloses an ion detection and counting system comprising an atom source, a hot filament ion source, ion extracting electrodes, and modules. detection and counting of ions.
  • the filament of the ion source is in the form of a substantially planar ribbon, in other words, the filament is a straight flat ribbon.
  • a source of atoms emits a gas composed of atoms.
  • the atoms of the gas strike the hot filament, said filament has a work output greater than the ionization energy of the atom.
  • One or more extraction electrodes judiciously arranged, which may or may not surround the filament, facilitate the retransmission of the ions, the trajectory of the latter being oriented towards the source of atoms.
  • a magnetic field then deflects the path of the ions towards the detection and counting modules.
  • a disadvantage of this system lies in the fact that only a certain percentage of ions, typically 50%, emitted by the hot filament is focused towards the ion detection and counting modules. which causes a significant loss of said ions at the detection modules.
  • An object of the invention is the development of an ion detection and counting system which allows better detection and counting of the ions reemitted by the source of hot filament ions.
  • an ion detection and counting system comprising a source of atoms, a source of hot filament ions, means for generating a magnetic field and means detection and counting of said ions characterized in that said filament comprises a concave portion along its axis, longitudinal and / or transverse. The radius of curvature is continuous along the longitudinal axis and / or transverse.
  • the trajectory of the ion beam reemitted by the filament is already concentrated towards the detection and counting means. Focusing the ion beam towards these means then allows the use of a reduced electric field. In addition, a better focusing of the re-emitted ion beam on the detection and counting means makes it possible to improve the performance of the apparatuses that use them, such as the atomic clock or the mass spectrometer.
  • FIG. 1 represents a system for detecting and counting ions, according to one aspect of the invention
  • FIG. 1 illustrates a portion of the filament of Figure 1, according to one aspect of the invention.
  • FIG. 1 are represented a source of atoms 1, an enclosure
  • the source of atoms 1 comprises a chamber in which there is a gas atmosphere consisting of atoms to be ionized, conventionally cesium atoms. Said atoms are attracted into the enclosure 2 under vacuum in because of the pressure difference between the chamber 2 under vacuum and the source of atoms 1. Atoms near the hot filament 4 are ionized. The ions thus formed are torn from the filament using a difference of acceleration potential on the ion trajectories with the aid of one or more extracting electrodes 6a, 6b which surround the filament 4 in the example proposed on Figure 1. The trajectory of the emitted ion beam is already concentrated due to the curvature of the filament 4.
  • the ion beam is then subjected to a transverse magnetic field perpendicular to the ion trajectories and parallel to the plane of the detector in order to filter the ions according to their nature and to bend the ion beam towards the means 7 for detecting and counting ions.
  • the magnetic field is created by means 5 of magnetic field generation located on either side of the extraction electrodes 6a, 6b. For the sake of clarity, only one of the two means for generating the magnetic field is shown in FIG.
  • the filament 4 of the ion source 3 comprises a refractory-type material whose melting temperature T f is greater than 1600 ° C. in order to withstand the strong rise in temperature.
  • the filament 4 comprises a material whose work output value is greater than the cesium ionization energy of 1.8 eV.
  • the material of the filament 4 comprises at least one of the following elements: niobium, iridium, platinum, molybdenum, tantalum, tungsten or rhenium.
  • the filament 4 is of parallelepipedal geometry, in the form of a flat ribbon.
  • the length L f and the width l f of the filament 4 depend on the length L s and the width 1 s of the source of atoms 1.
  • the filament 4 must have a sufficient thickness to mechanically resist the high temperature rise of the filament 4 while remaining sufficiently resistive.
  • the thickness of the filament is between 10 and 100 ⁇ .
  • the filament 4 has a concave portion along its longitudinal axis and / or its transverse axis.
  • the radius of curvature of said filament depends on the electric field and the magnetic field applied, the distance to be covered by the re-emitted ions and the diameter of the orifice of the ion detection and counting means 7, preferably the radius of curvature belongs to at an interval between 15 and 50 mm.
  • the detected ionic current with a longitudinal radius of curvature of 25 mm equal to the transverse radius of curvature and an acceleration voltage of 12 V.
  • the transverse radius of curvature r of said filament 4 may depend on the longitudinal radius of curvature R of said filament 4, as illustrated in FIG. 2 which represents an enlargement of the filament 4 of FIG.
  • the curvature along the transverse axis of the filament plays a role in improving the focus of the thermal ions, the thermal ions are ions with thermal agitation, their velocity vector, when reemitted from the filament, is not normal to the surface 4.
  • the transverse curvature improves the mechanical strength of the filament when the latter is heated.
  • the radius of curvature along the transverse axis r of the filament of the ion source 3 is advantageously between 0.5 R and 1.5 R.
  • the radius of curvature along the transverse axis r of the filament of the ion source 3 may be identical to the radius of curvature along the longitudinal axis R of the filament of the ion source 3 .
  • the detection and counting system according to the invention makes it possible to improve the focusing of the ions reemitted on the ion detection and counting means, which makes it possible to improve the performance of the apparatuses which use them.

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Abstract

Le système de détection et de comptage d'ions comprend une source d'atomes (1), une source d'ions (3) à filament (4) chaud, des moyens de génération d'un champ électrique et d'un champ magnétique (5) et des moyens de détection et de comptage (6) desdits ions, le filament (4) comprend une portion concave selon son axe, longitudinal et/ou transverse.

Description

Système de détection et de comptage d'ions
L'invention concerne un système de détection et de comptage d'ions. Ce type de système est couramment utilisé pour la détection et le comptage des ions dans des spectromètres de masse ou des horloges atomiques.
Il est connu d'utiliser une source d'ions à filament chaud à l'intérieur d'un système de détection et de comptage d'ions. Les atomes, provenant d'une source d'atomes, se trouvant à proximité du filament chaud sont ionisés et les ions formés sont réémis. Les ions réémis forment un faisceau qui est focalisé en direction des modules de détection et de comptage d'ions, à l'aide d'électrodes extractrices d'ions et d'un champ magnétique.
Le document « Optimisation of a Langmuir-Taylor detector for lithium » de R. Delhuille et al. (Rev. Sci. Instrum. 73, 2249 (2002)) décrit un système de détection et de comptage d'ions comprenant une source d'atomes, une source d'ions à filament chaud, des électrodes extractrices d'ions et des modules de détection et de comptage des ions. Le filament de la source d'ions est réalisé sous la forme d'un ruban sensiblement planaire, en d'autres termes, le filament est un ruban plat droit.
Le principe de fonctionnement de ce système de détection et de comptage d'ions peut se résumer comme suit : une source d'atomes émet un gaz composé d'atomes. Les atomes du gaz heurtent le filament chaud, ledit filament a un travail de sortie supérieur à l'énergie d'ionisation de l'atome. Une ou plusieurs électrodes extractrices, judicieusement disposées, pouvant entourer ou non le filament, facilitent la réémission des ions, la trajectoire de ces derniers étant orientée vers la source d'atomes. Un champ magnétique dévie ensuite la trajectoire des ions en direction des modules de détection et de comptage.
Un inconvénient de ce système, tel que décrit dans le document, cité précédemment, réside dans le fait que seulement un certain pourcentage des ions, typiquement 50 %, émis par le filament chaud est focalisé vers les modules de détection et de comptage des ions, ce qui entraîne une importante perte desdits ions au niveau des modules de détection. Un but de l'invention est l'élaboration d'un système de détection et de comptage des ions qui permette une meilleure détection et un meilleur comptage des ions réémis par la source d'ions à filament chaud.
Il est proposé, selon un aspect de l'invention, un système de détection et de comptage d'ions comprenant une source d'atomes, une source d'ions à filament chaud, des moyens de génération d'un champ magnétique et des moyens de détection et de comptage desdits ions caractérisé en ce que ledit filament comprend une portion concave selon son axe, longitudinal et/ou transverse. Le rayon de courbure est continu selon l'axe longitudinal et/ou transversal.
Ainsi, la trajectoire du faisceau d'ions réémis par le filament est déjà concentrée vers les moyens de détection et de comptage. La focalisation du faisceau d'ions vers ces moyens permet, alors, l'utilisation d'un champ électrique réduit. De plus, une meilleure focalisation du faisceau d'ions réémis sur les moyens de détection et de comptage permet d'améliorer les performances des appareillages qui les utilisent, tels que l'horloge atomique ou le spectromètre de masse.
L'invention sera mieux comprise à l'étude de quelques modes de réalisation décrits à titre d'exemples nullement limitatifs, et illustrés par les dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 représente un système de détection et de comptage d'ions, selon un aspect de l'invention,
- la figure 2 illustre une portion du filament de la figure 1 , selon un aspect de l'invention. Sur la figure 1 sont représentés une source d'atomes 1 , une enceinte
2 sous vide comprenant une source d'ions 3 à filament 4 chaud dont une portion du filament 4 est concave, des moyens 5 de génération d'un champ magnétique, une ou plusieurs électrodes extractrices d'ions 6a, 6b génératrices d'un champ électrique et des moyens 7 de détection et de comptage des ions.
La source d'atomes 1 comprend une enceinte où règne une atmosphère de gaz constitué des atomes à ioniser, classiquement des atomes de césium. Lesdits atomes sont attirés dans l'enceinte 2 sous vide en raison de la différence de pression entre l'enceinte 2 sous vide et la source d'atomes 1 . Les atomes se trouvant à proximité du filament 4 chaud sont ionisés. Les ions ainsi formés sont arrachés au filament à l'aide d'une différence de potentiel d'accélération sur les trajectoires ioniques à l'aide d'une ou plusieurs électrodes extractrices 6a, 6b qui entourent le filament 4 dans l'exemple proposé sur la figure 1 . La trajectoire du faisceau d'ions émis est déjà concentrée en raison de la courbure du filament 4. Le faisceau d'ions est ensuite soumis à un champ magnétique transverse perpendiculaire aux trajectoires des ions et parallèle au plan du détecteur afin de filtrer les ions selon leur nature et de courber le faisceau d'ions en direction des moyens 7 de détection et de comptage des ions. Le champ magnétique est créé par des moyens 5 de génération de champ magnétique situés de part et d'autre des électrodes extractrices 6a, 6b. Par soucis de clarté, seul un des deux moyens de génération du champ magnétique est représenté sur la figure 1 .
Le filament 4 de la source d'ions 3 comprend un matériau de type réfractaire dont la température de fusion Tf est supérieure à 1600°C afin de résister à la forte élévation de température. De plus, le filament 4 comprend un matériau dont la valeur du travail de sortie est supérieure à l'énergie d'ionisation du césium de 1 ,8 eV. Préférentiellement, le matériau du filament 4 comprend au moins l'un des éléments suivants : le niobium, l'iridium, le platine, le molybdène, le tantale, le tungstène ou le rhénium.
Le filament 4 est de géométrie parallélépipédique, en forme de ruban plat. Afin d'ioniser le maximum des atomes incidents, la longueur Lf et la largeur lf du filament 4 dépendent de la longueur Ls et de la largeur ls de la source d'atomes 1 . Le filament 4 doit avoir une épaisseur suffisante pour résister mécaniquement à la forte élévation de température du filament 4 tout en restant suffisamment résistif. Préférentiellement, l'épaisseur du filament est comprise entre 10 et 100 μιτι.
Par exemple, le filament 4 présente une portion concave selon son axe longitudinal et/ou son axe transverse. Le rayon de courbure dudit filament dépend du champ électrique et du champ magnétique appliqués, de la distance à parcourir par les ions réémis et du diamètre de l'orifice des moyens 7 de détection et de comptage des ions, préférentiellement, le rayon de courbure appartient à un intervalle compris entre 15 et 50 mm. Par ce moyen nous avons augmenté de 20 à 30 % le courant ionique détecté avec un rayon de courbure longitudinal de 25 mm égal au rayon de courbure transverse et une tension d'accélération de 12 V.
En variante, le rayon de courbure transverse r dudit filament 4 peut dépendre du rayon de courbure longitudinal R dudit filament 4, comme l'illustre la figure 2 qui représente un agrandissement du filament 4 de la figure 1 . La courbure selon l'axe transverse du filament joue un rôle en améliorant la focalisation des ions thermiques, les ions thermiques sont des ions sous agitation thermique, leur vecteur vitesse, lorsqu'ils sont réémis du filament, n'est pas normal à la surface d'émission du filament 4. De plus la courbure transverse améliore la tenue mécanique du filament lorsque ce dernier est chauffé. Le rayon de courbure selon l'axe transverse r du filament de la source d'ions 3 est avantageusement compris entre 0,5R et 1 ,5R.
Selon une autre variante de l'invention, le rayon de courbure selon l'axe transverse r du filament de la source d'ions 3 peut être identique au rayon de courbure selon l'axe longitudinal R du filament de la source d'ions 3.
Le système de détection et de comptage, selon l'invention, permet d'améliorer la focalisation des ions réémis sur les moyens de détection et de comptage des ions ce qui permet d'améliorer les performances des appareillages qui les utilisent.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système de détection et de comptage d'ions comprenant une source d'atomes (1 ), une source d'ions (3) à filament (4) chaud, des moyens de génération d'un champ magnétique (5) et des moyens de détection et de comptage (6) desdits ions caractérisé en ce que ledit filament (4) comprend une portion concave selon son axe, longitudinal et/ou transverse.
Système selon la revendication 1 dans lequel le rayon de courbure dudit filament (4) dépend de la distance à parcourir par les ions, de l'intensité du champ électrique et du champ magnétique appliqués et de la surface de l'orifice du détecteur.
3. Système selon les revendications 1 ou 2 dans lequel le rayon de courbure dudit filament (4) est compris entre 15 et 50 mm.
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3 dans lequel le rayon de courbure transverse (r) dudit filament (4) dépend du rayon de courbure longitudinal (R) dudit filament (4) selon la relation 0,5R<r<1 ,5R.
5. Système selon l'une des revendications 1 et 4 dans lequel le rayon de courbure transverse (r) dudit filament (4) est égal au rayon de courbure longitudinal (R) dudit filament (4)
6. Système selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel ledit filament (4) est un ruban plat.
7. Système selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel la longueur (Lf) et la largeur (lf) dudit filament (4) dépendent de la longueur (Ls) et de la largeur (ls) du faisceau d'atomes émis par la source d'atomes (3).
8. Système selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel l'épaisseur dudit filament (4) est supérieure à 10 μιτι.
9. Système selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel ledit filament (4) comprend un matériau réfractaire, dont le point de fusion est supérieur à 1600 °C.
10. Système selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel ledit filament (4) comprend un matériau dont la valeur du travail de sortie est supérieure au potentiel d'ionisation des atomes à ioniser.
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