Etude de mini-spectromètres de masse à temps de vol pour l'analyse de gaz

Tiny time-of-flight mass spectrometers for gas analysis

• Auteur / Autrice : Bruno Galland
• Direction : Jean-Paul Grandchamp
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Paris 11

Mots clés

Mots clés libres

Source plasma

Résumé

La présente étude, réalisée en collaboration avec Alcatel Vacuum Technology France, a porté à la fois sur la réalisation de spectromètres de masse temps de vol (TOFMS) pour l'analyse de gaz et sur la conception d'une source de plasma à excitation micro-onde miniature. Un prototype de TOFMS avec un tube de vol de 10 cm a été assemblé et caractérisé: une résolution expérimentale de 90 a été obtenue. Le canon à électrons, la source d'ions, le tube de vol et le détecteur sont alignés et sont de symétrie cylindrique. Un deuxième appareil, utilisant un canon à électrons simplifié, est encore en cours de validation et a permis d'atteindre une résolution de 135. Par la suite, de nouvelles structures permettant d'augmenter la résolution sont présentées: une structure comportant un miroir électrostatique a été simulée (résolution estimée de l'ordre de 400 pour un parcours total des ions de 20 cm environ). Afin de simplifier le montage mécanique d'un tel miroir, une nouvelle source permettant l'injection orthogonale du faisceau d'ions dans le tube de vol a également été étudiée. Afin de valider la possibilité de réduction en taille des TOFMS, un démonstrateur comportant un tube de vol de 11 mm seulement a permis d'atteindre une résolution de 60. Des simulations de structures millimétriques sont également présentées. La dernière partie de ce travail a consisté à fabriquer et tester une source de plasma à excitation micro-onde de type décharge capacitive : le volume de la chambre est de 40 mm^3 et l'ensemble de la source s'adapte sur un connecteur HF de type N. La pression de fonctionnement de la décharge (avec de l'argon) varie de 0,07 à 300 mbar pour des puissances HF comprises entre 50 et 750 mW. De 0,1 à 150 microampères d'ions et de 4 microampères à 4 milliampères d'électrons peuvent être extraits de la décharge, permettant d'envisager son couplage à un TOF miniature soit comme source d'électrons ou directement comme source d'ions.

The present study, carried out in collaboration with Alcatel Vacuum Technology France, related at the same time on the realization of time of flight mass spectrometers (TOFMS) for gas analyses and to the design of a miniature microwave plasma source. A prototype of TOFMS with a drift tube of 10 cm was assembled and characterized : an experimental resolution of 90 was obtained. The electron gun, the ion source, the drift, tube and the detector are aligned and are of cylindrical symmetry. A second apparatus, using a simplified electron gun, is still in the course of validation but a resolution of 135 has already been obtained. Thereafter, new structures allowing the increase of the resolution are presented : a reflectron TOFMS comprising an electrostatic mirror was simulated (estimated resolution of about 400 for a total ion course of approximately 20 cm). In order to simplify the mechanical assembly of the mirror, a new source allowing orthogonal injection of the ion beam in the drift tube was also studied. Lastly, in order to validate the possibility of shrinking TOFMS, a demonstrator comprising a 11 mm drift tube allowed to get a resolution of 60. Simulations of millimetre-length structures are also presented. The last part of this work consisted in manufacturing and to test a microwave source (capacitive discharges) : the volume of the plasma chamber is 40 mm^3 and the source is adapted on a N-type HF connector. The operating pressure of the discharge (with argon) varies from 0,07 to 300 mbar for HF powers ranging between 50 and 750 mW. From 0,1 to 150 microamperes of ion and of 4 microamperes to 4 milliamperes of electron can be extracted from the discharge. The use of the plasma source as electron source or directly as ion source for a miniature TOFMS is conceivable.