Enceinte à vide et injection de gaz

La lentille électrostatique ainsi que le détecteur sont placés sous vide, donc contenus dans une enceinte. Cette enceinte doit répondre à plusieurs critères :

— contenir la lentille électrostatique ;

— contenir le détecteur qui doit être à une distance précise de la lentille tout en ayant une face à l’air libre (voir sa description plus loin) ;

— permettre l’injection de gaz ;

— être connectée à des pompes turbomoléculaires assurant un vide secondaire de l’ordre de 10−6/10−7mbar ;

— permettre des passages de tension air/vide pour alimenter la lentille électrostatique; — permettre le passage des faisceaux XUV/IR.

5.4. Construction du spectromètre

FIGURE5.18 – Châssis du spectromètre.

Ces critères sont évidents mais soulèvent de nombreuses questions pratiques lorsque l’on doit y répondre. La solution choisie a été de concevoir une enceinte sur mesure. Sa photo est montrée figure5.19. Elle possède de nombreuses ouvertures, dont les fonctions sont détaillées sur cette même figure, et peut se diviser en deux parties :

— une partie « source » contenue dans une croix à six ouvertures avec des connections de type DN250-ISO-K (à gauche sur la figure5.19). Elle contient le système d’injection de gaz et est vissée sur le plateau ;

— une partie « détecteur » contenue dans une plus petite chambre cylindrique (à droite sur la figure5.19) connectée d’un côté à la première chambre et de l’autre accueillant le détecteur (MCP+ Phosphore) venant se fixer à l’aide d’une bride DN160-CF.

La raison de cette séparation est de permettre d’injecter un maximum de gaz côté source en limitant la pression résiduelle côté détecteur (si la pression est supérieure à quelques 10⁻⁵mbar, la MCP ne peut pas être allumée sans être endommagée). L’interface entre ces deux parties est assurée par la lentille électrostatique, plus ou moins étanche comme on le verra plus loin. Typi-quement, la différence de pression entre les côtés source et détecteur est d’environ un facteur 10. Autrement dit, on peut injecter du gaz jusqu’à une pression résiduelle d’environ 10−4mbar (côté source) sans endommager la MCP.

FIGURE5.19 – Enceinte du spectromètre.

Ces conditions sont permises par l’installation de deux pompes turbomoléculaires, l’une côté source et l’autre côté détecteur. La première est la plus puissante car elle doit évacuer la majorité du gaz injecté. C’est une Leybold Turbovac MAG W 2200iP (2200 L/s) raccordée sous la chambre source (avec une bride DN250 ISO-F) par l’intermédiaire du plateau, qui possède à cet effet une ouverture et des trous taraudés. La seconde, plus petite, est une Pfeiffer ATH500M (500 L/s) et est installée au-dessus de la chambre du détecteur. Une bride supplémentaire a été prévue sous la chambre de détection pour pouvoir accueillir une seconde pompe turbomolécu-laire côté détection au cas où l’on souhaiterait diminuer davantage la pression côté détection. Une seconde ouverture a d’ailleurs été usinée dans le plateau pour pouvoir la loger.

L’injection de gaz se fait par un jet continu, qui pour être aligné au mieux avec la lentille électrostatique est monté sur un manipulateur trois axes Vinci Technologies MT3Z 100 fixé sur l’enceinte avec une bride DN100-CF. Sa course selon x (axe du spectromètre) est de 100 mm et de 24 mm sur les autres axes. Avant de pénétrer dans la lentille électrostatique, le gaz traverse un écorceur (en anglais skimmer). C’est une pièce conique qui ne va transmettre que la partie centrale du jet et permettre son refroidissement par détente adiabatique.

L’ensemble{manipulateur + jet de gaz + écorceur} peut être monté à deux endroits pos-sibles pour permettre une injection selon l’axe du spectromètre ou perpendiculaire à celui-ci. Dans la première configuration, le jet peut être placé au plus près du faisceau laser (54 mm

envi-5.4. Construction du spectromètre

ron lorsque le jet est pratiquement contre l’écorceur), permettant ainsi de maximiser la densité au niveau de la zone d’interaction, donc le signal de photoélectrons. Dans la seconde configu-ration, la géométrie permet de déterminer la température du jet en mesurant la distribution de vitesse des ions. Le jet est cependant plus éloigné du faisceau (82 mm au plus près).

Les ouvertures restantes que l’on voit sur la figure5.19permettent d’installer deux jauges de pression Bayard-Alpert ITR90, des hublots, des passages de tension et également le passage du faisceau laser (bride de type DN40-CF).

5.4.3 Lentille électrostatique

La réalisation pratique de la lentille électrostatique n’a pas été simple. La grande taille des électrodes ainsi que la longueur de vol relativement courte ont fait apparaître des contraintes spatiales fortes. Sur les VMIS il est de plus d’usage de protéger la lentille électrostatique des champs magnétiques extérieurs en l’entourant d’un cylindre en µ-métal (voir chaptire1). Ici, il n’y a pas assez de place pour protéger la lentille électrostatique de cette manière. Néanmoins, il a été remarqué que la forme de la lentille conçue sous SIMION (voir figure5.9(b)) était glo-balement cylindrique vue de l’extérieur et qu’en la réalisant enµ-métal elle pourrait éventuelle-ment se blinder elle-même. Après discussion avec le fabricant, il a été indiqué que les électrodes pouvaient effectivement être fabriquées en µ-métal, mais pas sous la forme massive de la fi-gure5.9(b). Ainsi, le profil extérieur des électrodes a été affiné pour permettre leur fabrication par cintrage puis soudure de plaques deµ-métal d’épaisseurs 1 ou 2 mm (selon les endroits). La conception finale est montrée sur la figure5.20. Le profil intérieur des électrodes n’ayant pas été modifié, les performances de cette lentille sont en principe identiques à celles de la lentille de la figure5.9(b). Ceci a bien sûr été confirmé en effectuant les mêmes simulations que celles décrites plus haut avec cette nouvelle lentille. Par ailleurs, un trou dans le répulseur a été ajouté afin de modéliser l’injection du gaz. À l’aide de simulations supplémentaires, il a été constaté que sa présence ne changeait pas non plus les résultats présentés plus haut. Ces derniers restent donc valides pour décrire la lentille effectivement construite

Entre les électrodes sont placées des entretoises en PTFE (téflon) et l’ensemble est main-tenu à l’aide de huit tiges filetées en Nylon. Le PTFE et le Nylon sont des isolants ayant l’avan-tage de ne pas dégazer lorsqu’on les place sous vide. Sur l’entretoise placée entre le répulseur et l’extracteur sont percés deux trous de diamètre 10 mm pour permettre au faisceau d’entrer et sortir. Est également installé un support pour fixer l’écorceur. Un second support d’écorceur est par ailleurs fixé sur le répulseur, lui-même percé à cet endroit. Une photo de la lentille une fois réalisée est montrée figure5.21. Elle est installée dans l’enceinte source et fixée avec les mêmes tiges filetées. Comme on peut le constater, elle possède un nombre d’ouvertures limité et assure donc une certaine étanchéité avec la chambre de détection. Dans cette dernière, un cylindre enµ-métal est installé, de diamètre comparable à celui des électrodes, afin de blinder le tube de vol jusqu’au détecteur. Ce cylindre est percé de quelques trous qui facilitent le pompage de la chambre sans pour autant que les lignes de champ magnétique puissent pénétrer le tube de vol. Pour éviter tout risque de perturbation magnétique, toutes les pièces métalliques, visserie comprises, sont non ferromagnétiques (« amagnétiques »), principalement en 304L et 316L pour

FIGURE5.20 – Version définitive de la lentille électrostatique.

FIGURE5.21 – Photo de la lentille électrostatique. Les lettres R, E et G désignent respectivement le répul-seur, l’extracteur et la masse.

5.4. Construction du spectromètre

l’acier inoxydable et AU4G pour l’aluminium. Par ailleurs, le choix de jauges de pression de type Bayard-Alpert (cathode chaude) a été préféré aux jauges à cathode froide elles-même magné-tiques.