Spectromètre de masse ionique : Page pour l'impression

La spectrométrie de masse utilise le rapport masse sur charge ( m/q ) 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 m/q ). 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 :

Analyseur à secteur magnétique

Description et principe de base

Un analyseur magnétique sépare les rapports m/q 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 $\mathbf{B}$ . 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.

Le spectromètre de masse de Mars-Express / Venus-Express

Représentation schématique du spectromètre de masse ionique de Mars-Express et Venus-Express.

Crédit : Source : Thèse Claire Ferrier, 2009

Théorie simplifiée pour un analyseur magnétique

Concept physique sous-jacent

Lorsque les particules chargées entrent dans l'analyseur, elles se trouvent dans un milieu avec un champ magnétique uniforme et statique $\vec{B}$ . Le mouvement d'une particule non-relativiste dans un tel champ est donné par : $m\frac{d\mathbf{v}}{dt} = q\mathbf{v}\times\mathbf{B}$

où $q\mathbf{v}\times\mathbf{B}$ est la force de Lorentz. En prenant le produit scalaire de l'équation ci-dessus avec le vecteur vitesse, nous obtenons $m\mathbf{v}\cdot\frac{d\mathbf{v}}{dt} = \frac{d}{dt}\left(\frac{1}{2}mv^2\right) = q\left(\mathbf{v}\cdot\mathbf{v}\times\mathbf{B}\right)=0$

Ce qui montre que l'énergie cinétique $\mathcal{E}=1/2mv^2$ 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 $\mathbf{v} = \mathbf{v}_{/\!/}+\mathbf{v}_\perp$

L'énergie cinétique peut également se décomposer en une contribution parallèle et une autre perpendiculaire, $\mathcal{E} = \mathcal{E}_{/\!/}+\mathcal{E}_\perp$ où $\mathcal{E}_{/\!/}=\frac{1}{2}mv^2_{/\!/}$ et $\mathcal{E}_\perp=\frac{1}{2}mv^2_\perp$ . Comme la force $\mathbf{v}\times\mathbf{B}$ 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 $\mathbf{B}$ (sauf si $v_{/\!/} = 0$ ). Puisque $\mathcal{E}$ et $\mathcal{E}_{/\!/}$ sont constants alors $\mathcal{E}_\perp$ (et de ce fait $v_\perp$ ) sont également des constantes du mouvement.

Le rayon de courbure r_c du mouvement de la particule dans le plan perpendiculaire à $\mathbf{B}$ peut s'écrire (en ignorant le signe) : $m\frac{v^2_\perp}{r_c} = |q|v_\perp B$ Le rayon r_c est souvent appelé le rayon de Larmor $r_c = \frac{mv_\perp}{qB}$

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 $\mathcal{E}=\frac{1}{2}mv^2=qU$ ( est la tension d'accélération utilisé dans l'analyseur électrostatique). La vitesse des ions vaut donc $v=\sqrt{\frac{2\mathcal{E}}{m}}=\sqrt{\frac{2qU}{m}}$ On obtient ainsi la mesure de masse sur charge : $\frac{m}{q} = \frac{r_c^2B^2}{2U}$

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.

Analyseur à temps de vol

Principe de fonctionnement

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 $\mathcal{E}$ , 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 $\mathcal{E}$ deux particules de masse m_1 >m_2 auront des vitesses telles que $v_1=\sqrt{2\mathcal{E}/m_1} < v_2 = \sqrt{2\mathcal{E}/m_2}$ . C'est-à-dire que la vitesse de la particule légère ( m_2 ) sera plus grande que la vitesse de la particule lourde ( m_1 ). Comme les deux particules ont parcouru la même distance on trouve que le temps de parcours de la particule légère t_2 sera plus bref que celui de la particule lourde t_1 .

$\frac{1}{2}M\left(\frac{d}{t}\right)^2 = q(\mathcal{E}/q+U_a-\Delta\mathcal{E}_f)$ avec U_a un potentiel de post-accélération et $\Delta\mathcal{E}_f$ l'énergie perdue lors de collision à travers une feuille de carbone (cf ci-dessous). Soit $\frac{M}{q} = \frac{2\left((\frac{\mathcal{E}}{q}+U_a)-\Delta\mathcal{E}_f\right)}{\left(\frac{d}{t}\right)^2}$

Description du spectromètre de masse de Cassini

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).

Analyseur à temps de vol de CAPS-CASSINI

Représentation schématique du spectromètre de masse de type temps de vol de l'expérience Cassini CAPS. Le trajet d'un ion est représenté par la courbe rouge

Crédit : NASA, image modifiée et commentée par R. Modolo

Principe de fonctionnement du spectromètre TOF

Le principe de fonctionnement est le suivant :

Les ions rentrent dans le collimateur du top hat et sont dirigés vers l'entrée de l'analyseur électrostatique
Une tension est appliquée à l'électrode intérieure de l'analyseur électrostatique qui crée un champ électrique qui va modifier les trajectoires des particules. C'est la sélection en énergie : seules les particules autour d'une énergie donnée pourront ressortir de l'analyseur électrostatique. En sortie de l'analyseur, les ions sont accélérés par une tension de post-accélération ( $U_a\sim 15\,\mathrm{kV}$ ).
Les ions viennent impacter une feuille de carbone avec l'énergie $\mathcal{E}/Q+U_A$ , où $\mathcal{E}/Q$ est l'énergie des particules en sortie de l'analyseur électrostatique.
Les ions (atomiques et moléculaires) se fragmentent en particules plus élémentaires (électron, atome neutre, ion atomique de charge positive ou négative,...).
Lors de l'impact sur la feuille de carbone, des électrons secondaires sont arrachés de celle-ci, attirés par le potentiel positif +15 kV ; ces électrons viendront impacter le détecteur ST. C'est le signal START du début de mesure du temps de vol.
Lorsque des ions positifs sont arrachés, et s'ils sont une énergie $\mathcal{E}/Q+U_A < 15kV$ , ils viendront impacter le détecteur LEF et produiront un signal STOP. La différence de temps entre le signal de départ et le signal d'arrivée permettra d'en déduire le temps de vol. Dans ce cas de figure le champ électrostatique agit sur la trajectoire de la particule () et l'équation de mouvement suivant la direction est celle d'un oscillateur harmonique. On en déduit le temps de vol tel que $t=\pi\sqrt{\frac{m}{qk}}$ .
Si les ions en sortie de feuille de carbone ont une énergie supérieure à 15 kV alors le champ électrostatique ne fera que ralentir l'ion et il viendra impacter le détecteur ST.
Les autres ions négatifs sortant de la feuille de carbone seront attirés par le potentiel +15 kV et impacteront le détecteur ST tandis que les neutres, qui sont insensibles au champ électrique, continueront leur trajectoire initiale et impacteront également le détecteur ST