La spectrométrie de masse utilise le rapport masse sur charge () pour séparer les atomes et molécules ionisés. La spectrométrie de masse est l'une des techniques analytiques les plus sensibles et est fréquemment utilisée pour déterminer les propriétés du plasma. Le spectre de masse contient des informations sur la composition élémentaire (présence et nombre de certains éléments), l'abondance isotopique (la masse exacte) et la structure (les fragments).
Un spectromètre de masse se compose en deux parties, une source qui va ioniser le gaz et un analyseur qui va permettre la détermination des masses qui composent le mileu (en fait des rapport ). Dans le domaine spatial, le plasma est le milieu d'étude et la source d'ionisation n'est généralement pas nécessaire (sauf si on souhaite caractériser les atmosphères neutres planétaires). L'instrument se réduit donc à la partie analyseur.
Il existe différentes classes d'analyseur permettant de donner la masse des particules. Nous nous limiterons à une description succincte du fonctionnement de base de deux analyseurs :
Un analyseur magnétique sépare les rapports basés sur la déviation des trajectoires de particules ionisés dans un secteur magnétique. Dans le secteur magnétique, la trajectoire des ions est plane et est située dans le plan perpendiculaire à
. La trajectoire est circulaire avec un rayon
.
Connaissant la tension d'accélération des particules à l'entrée de l'analyseur, la zone d'impact sur le détecteur permet d'obtenir la masse de la particule.
Le schéma présente l'analyseur d'ions IMA (Ion Mass Anaylzer) embarqué sur les missions Mars Express et Venus Express. On identifie un déflecteur électrostatique (partie du haut) qui va permettre d'avoir une acceptance angulaire des faisceaux d'entrée plus importante, un analyseur électrostatique de type ''top-Hat'' étudié précédemment, un analyseur magnétique où les trajectoires de différentes espèces (masses) ioniques illustrent les différentes zones d'impact du détecteur.
Lorsque les particules chargées entrent dans l'analyseur, elles se trouvent dans un milieu avec un champ magnétique uniforme et statique . Le mouvement d'une particule non-relativiste dans un tel champ est donné par :
où est la force de Lorentz. En prenant le produit scalaire de l'équation ci-dessus avec le vecteur vitesse, nous obtenons
Ce qui montre que l'énergie cinétique est une constante du mouvement. Pour déterminer la trajectoire il est avantageux de séparer les composantes des vitesses parallèle et perpendiculaire au champ magnétique. Soit
L'énergie cinétique peut également se décomposer en une contribution parallèle et une autre perpendiculaire, où
et
.
Comme la force
n'a pas de composante parallèle au champ magnétique, la composante parallèle de la vitesse est constante, donc la particule se déplace avec un vitesse constante le long du champ
(sauf si
). Puisque
et
sont constants alors
(et de ce fait
) sont également des constantes du mouvement.
Le rayon de courbure du mouvement de la particule dans le plan perpendiculaire à
peut s'écrire (en ignorant le signe) :
Le rayon
est souvent appelé le rayon de Larmor
Si les ions entrant dans le secteur magnétique sont initialement passés par un analyseur électrostatique (seules les particules avec une énergie sélectionnée peuvent sortir de l'analyseur) alors les ions ont une énergie donnée (
est la tension d'accélération utilisé dans l'analyseur électrostatique). La vitesse des ions vaut donc
On obtient ainsi la mesure de masse sur charge :
Les ions avec différents rapports de masse sur charge auront des rayons de Larmor différents et auront des zones d'impact sur le détecteur différentes.
Un analyseur à temps de vol est également appelé ''Time of Flight'' ou ''TOF''. Cet analyseur repose sur le principe de détermination du temps de vol des particules qui entrent dans l'analyseur. Pour une particule à une énergie connue , on mesure le temps que la particule met pour effectuer la distance entre la source et le détecteur. Connaissant le temps de parcours et la distance parcourue, on en déduit la vitesse. Comme l'énergie de la particule est déterminé on peut en déduire sa masse.
Par exemple pour une même énergie de départ deux particules de masse
auront des vitesses telles que
. C'est-à-dire que la vitesse de la particule légère (
) sera plus grande que la vitesse de la particule lourde (
). Comme les deux particules ont parcouru la même distance
on trouve que le temps de parcours de la particule légère
sera plus bref que celui de la particule lourde
.
avec
un potentiel de post-accélération et
l'énergie perdue lors de collision à travers une feuille de carbone (cf ci-dessous).
Soit
Prenons comme illustration le spectromètre à temps de vol de l'instrument CAPS sur Cassini (cf figure). Dans ce schéma, tout comme celui de l'analyseur de Mars Express, les particules passent d'abord par un analyseur électrostatique type top hat avant de rentrer la partie de l'analyseur en masse. Cet analyseur en masse est représenté par la cavité se situant après l'analyseur électrostatique ou un champ électrique quasi-linéaire est présent. Un détecteur se trouvant au bas de l'instrument (ST) se trouve dans une région où le potentiel est proche de +15kV (les particules chargées négativement viendront principalement impacter ce détecteur), le détecteur se trouvant au dessus (LEF) est situé dans une région où le potentiel est proche de -15kV (seul les ions positifs peuvent impacter ce détecteur).
Le principe de fonctionnement est le suivant :
On se place dans un cas de figure simple d'un analyseur à temps de vol linéaire (Wiley and McLaren, 1955).
Le montage est présenté à la figure suivante.
On applique une tension d'accélération connue. La vitesse de la particule est liée à cette tension d'accélération (l'énergie potentielle électrostatique est transformée en énergie cinétique)
Dans la région de champ libre, l'énergie de la particule n'évolue pas. Le temps
pour parcourir la distance
est lié à sa vitesse
.
Soit
On en déduit le temps de vol