6-2 Étude de la résolution en énergie : ouverture angulaire α

Nous avons mesuré la dispersion angulaire du faisceau d’ions en sortie du quadrupôle. Cette distribution est très large. La figure 47 présente la distribution de l’élévation du faisceau d’ions.

Figure 47 : Vue en coupe YZ des trajectoires ioniques (à gauche) et dispersion angulaire du faisceau d’ions en sortie du quadrupôle (à droite)

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La dispersion angulaire en sortie de Q3 est de ± 60 degrés. Cette ouverture angulaire à l’entrée du secteur électrostatique est trop importante pour atteindre une bonne résolution en énergie (expression III-12). Il est donc nécessaire de réduire cette dispersion.

A cet effet, nous avons simulé un nouvel élément nous permettant de réaliser la collimation du faisceau. Un triplet de lentilles a été conçu pour focaliser du faisceau. Il prend la place de la lentille extractrice du quadrupôle. Pour la modélisation du triplet nous nous sommes basés sur les triplets de lentilles existant dans le spectromètre de masse TSQ700. Nous avons également dû tenir compte de la place que le triplet de lentilles pouvait prendre dans l’espace entre la sortie du quadrupôle et le système de détection afin que nous puissions toujours installer le dispositif de dépôt.

Les trois lentilles sont placées dans l’axe de propagations des ions, à 1 mm les unes des autres. Nous avons étudié plusieurs dimensionnements pour le triplet de lentilles toutes séparées de 1mm les unes des autres. La figure 48 présente les 3 dimensionnements que nous avons étudiés concernant les épaisseurs des lentilles.

Figure 48 : Comparaison des dimensionnements étudiés : largeur des lentilles et modèles dimensionnés sous SIMION® en vue 3D et en coupe YZ

Cette étude nous a fait opter pour un dimensionnement 3-3-3, les trois lentilles sont donc identiques. Leur diamètre extérieur est de 30 mm et leur épaisseur est de 3 mm. Nous avons également étudié l’influence du diamètre de l’ouverture (5, 6 et 7 mm). Nous avons opté pour un diamètre de 5 mm après avoir fait l’étude de plusieurs diamètres possibles (Figure 49).

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Figure 49 : Vues en coupe YZ et 3D du triplet de lentilles L4X dans SIMION®

Le triplet de lentilles sera polarisé de façon symétrique : L41 et L43 sont polarisées par une tension V1 et la lentille centrale L42 est polarisée par une tension V2, comme présenté sur la figure 49. Pour déterminer ces tensions V1 et V2, nous avons utilisé un programme dans SIMION®. Le logiciel permet de faire appel à un programme, que nous avons écrit, permettant de faire varier les polarisations V1 et V2 des lentilles. Ce programme permet de tracer les cartographies 2D du nombre d’ions traversant les lentilles pour différentes polarisations appliquées sur V1 et V2. À chaque vol d’ions lancé, les polarisations sur V1 et V2 changent et on enregistre en chaque point, la position RMS en X et Y des ions sortant du triplet de lentilles. Les cartographies 2D permettent donc de connaitre les polarisations pour lesquelles le faisceau d’ions est le plus focalisé.

Après avoir déterminé le dimensionnement et les polarisations à appliquer sur les trois lentilles, nous avons mesuré la dispersion angulaire d'un faisceau de 5000 ions en sortie du triplet pour une masse de 1000 uma. L’optimisation du triplet a été faite pour des énergies inférieures à 100 eV. La figure 50 présente la comparaison entre la dispersion angulaire du faisceau d’ions en sortie du quadrupôle (figure 50 (a)) et en sortie du triplet de lentilles L4X (figure 50 (b)). La distribution de l’angle d’élévation a été réduite par la polarisation de chaque lentille du triplet telle que : L41=L43=0 V et L42=-60 V.

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Figure 50 : Vue en coupe YZ de l'élévation du faisceau d'ion dans le modèle d’origine (a) et en sortie du triplet de lentille en sortie du quadrupôle (b)

Nous avons représenté la distribution du demi-angle de l’élévation angulaire α du faisceau sous forme d’un diagramme. La courbe bleue, présentée sur la figure 51, correspond à la distribution angulaire dans la configuration originale. Elle est comprise entre -60 et 60°. 72 % des ions du faisceau présentent une élévation angulaire supérieure à 10°. Cette élévation est très élevée et implique (expression III-12) que le filtre en énergie va avoir mauvaise résolution. L’installation du triplet de lentilles permet de réduire l’ouverture angulaire du faisceau. En polarisant les lentilles, la distribution angulaire a été réduite à ± 20°, comme le montre la courbe rouge sur la figure 51. Seulement 17 % des ions du faisceau ont une élévation angulaire supérieure à 10° au lieu de 72 % dans la configuration d’origine.

Figure 51 : Comparaison de la distribution angulaire avant (courbe bleue pointillée) et après (courbe rouge pleine) l'installation du triplet de lentilles L4X

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Après avoir réduit l’ouverture angulaire α du faisceau d’ion, on peut vérifier que la résolution en énergie est effectivement améliorée. La figure 52 présente la distribution de la résolution en énergie ΔE/E calculée avec l’équation (III-11), pour chaque ion du faisceau en fonction de son angle α. La courbe bleue correspond à la résolution en énergie pour la configuration d’origine du spectromètre de masse et la courbe rouge correspond à la résolution en énergie du faisceau d’ion après l’installation du triplet de lentilles en sortie du quadrupôle.

Figure 52 : (à gauche) Histogramme de la résolution en énergie ΔE/E pour la configuration d’origine (courbe bleue en pointillée) et après l’installation du triplet de lentilles en sortie du quadrupôle (courbe

rouge pleine), (à droite) Agrandissement

Pour la configuration d’origine, la résolution en énergie décroit lentement jusqu’à 1,5. Seulement 36 % des ions ont un ΔE/E inférieur à 0,23. Avec l’installation du triplet de lentilles, la décroissance est plus rapide : près de 90 % des ions ont un ΔE/E inférieur à 0,23.