Cette partie a pour but de présenter et de comparer trois systèmes différents permettant le contrôle du
taux de transmission : un « inner filter plate », un « split inner hemisphere » et le « top cap électrode »,
tel que résumé par Collinson [13].
a) « Inner filter plate »
Principe
Ce premier système introduit par Collinson consiste à
ajouter des déflecteurs électrostatiques (filter plates)
entre la sortie de l’analyseur électrostatique et les MCP
(Figure 20). Lorsqu’une tension est appliquée sur les
déflecteurs ceux-ci vont dé-focaliser radialement le
faisceau de particules sortant de l’analyseur. Tandis
que les particules qui se trouvent au centre du faisceau
vont rencontrer les détecteurs, celles qui se trouvent sur
les bords vont être rejetées par les plaques déflectrices,
réduisant ainsi le taux de transmission.
Figure 20 : Vu en coupe d'un top hat analyseur avec Inner filter plate [13]29
Performances
Ses avantages sont nombreux, le fait que les particules mesurées ont une trajectoire centrale entraine un
facteur k indépendant de la tension des plaques déflectrices et une réponse en élévation qui reste centrée
sur 0°. Cependant, pour avoir une réponse en azimut qui ne dépende pas de la tension des plaques
déflectrices, il faut que les plaques soient suffisamment compactes pour qu’elles n’entrainent qu’une
faible dé-focalisation azimutale comme obtenue en simulation par Collinson (dont le résultat est présenté
sur la Figure 21-A).
Figure 21 : A) étude de la résolution angulaire / B) étude du facteur de géométrie (taux de transmission) [13]
L’évolution du taux de transmission en fonction du rapport entre la tension des plaques et la tension de
l’analyseur (Figure 21-B) montre qu’avec un rapport de tension autour de 3,5 le taux de transmission se
trouve dégradé d’un facteur 2. Pour avoir des variations plus importantes, comme dans le cas d’AMBRE,
il faudrait une haute tension très importante, ce qui n’est pas réalisable en pratique.
b) « Split hemispherical analyzer »
Principe
Le second système présenté ici consiste à séparer la demi-sphère interne en deux électrodes suivant un
angle de séparation θ. Ces électrodes sont polarisées avec des potentiels différents (IH[U] et IH[L])
contrôlés de manière indépendante, comme visible sur la Figure 22.
Figure 22 : vue en coupe d'un split hemispherical
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Le fait d’avoir deux électrodes dans l’analyseur électrostatique entraine l’apparition de deux zones de
filtrage avec des réponses indépendantes, comme illustré sur la Figure 23. La réponse globale de
l’instrument correspond alors à la convolution des deux réponses de filtrage commandées par les
potentiels IH[U] et IH[L] (Figure 23). L’électrode du bas sélectionne les particules qui sont mesurées
par l’instrument, mais cette sélection se fait parmi les particules présélectionnées par l’électrode du haut.
Ainsi, lorsque les deux potentiels sont identiques les réponses en énergie des deux électrodes sont
centrées sur la même valeur et le taux de transmission est maximal, le comportement dans ce cas est le
même que celui d’un analyseur classique. Cependant, en différenciant les deux potentiels, l’énergie des
particules présélectionnées se trouvent en dehors de la bande passante de l’électrode du bas. Ceci
entraine une diminution du taux de transmission. La variation du taux de transmission est contrôlée à
travers le rapport de tensions IH[U] / IH[L].
Performances
Contrairement au système précédent, cette solution a pour effet de modifier la réponse de l’instrument
en énergie et élévation, et cet effet varie en fonction de l’angle de séparation θ (« split angle »). En effet,
si cet angle est trop important la réponse globale de l’instrument est principalement déterminée par la
tension appliquée sur l’électrode supérieure, et donc sa variation entraine la variation du facteur k sans
pour autant faire varier le taux de transmission, comme illustré sur la Figure 24-A. En revanche, si cet
angle est trop faible la réponse de l’instrument est fixée par le potentiel de l’électrode inférieure et la
variation du potentiel IH[U] n’a plus de réelle impact sur le taux de transmission, comme visible sur la
Figure 24-B où l’air sous les courbes (correspondant au taux de transmission) ne subit qu’une variation
mineure.
A B C
Figure 24 : Réponse en énergie de l'analyseur pour différentes tensions appliquées sur l'électrode supérieur avec un angle de séparation de : A- 60° ; B- 10° et C- 19° [13]
Il faudra donc trouver l’angle de séparation θ optimal permettant une grande variation du taux de
transmission sans pour autant entrainer une trop grande variation du facteur k, (ce qui correspond au
comportement de la Figure 24-C avec un choix d’angle résultant d’un compromis entre les valeurs
extrêmes des figures 24-A et 24-C).
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c) « Top cap electrode »
Principe
Enfin le dernier système présenté ici consiste à
polariser la calotte supérieure (« Top Cap ») avec
une tension non nulle pour faire varier le taux de
transmission de l’analyseur. Le principe est le
même que pour le « split hemispherical
analyzer ». La déflection en énergie est divisée en
deux régions qui sont contrôlées de manière
indépendante. Cependant, ici, les deux régions ne
sont pas créées en coupant la sphère interne en
deux, mais en ajoutant une électrode (top cap),
comme visible sur la Figure 25. En appliquant
une tension sur cette électrode, des champs
électriques différents régneront entre la zone
centrale et celle des bords, ce qui amène à un
fonctionnement similaire de convolution de deux
filtrages d’analyseurs.
Performances
En termes de performances, cette solution est similaire à la précédente. Elle modifie aussi la réponse en
énergie et élévation de l’instrument. La principale différence entre les deux dernières solutions vient de
la structure mécanique de l’analyseur, qui entraine un comportement légèrement différent lors de la
variation du taux de transmission. Pour le « Split Hemisphere » : les potentiels des collimateurs, de la
sphère externe et de la calotte supérieure sont tous nuls, la déflection des particules commence
uniquement au niveau de la sphère interne (qui est la seule polarisée). En revanche pour le « Top Cap »
une différence de potentiel apparaît dès la sortie des collimateurs, comme illustré sur la figure 26 avec
les lignes de champs, ce qui entraine une déflection plus importante qu’avec le « Split Hemisphere ».
La variation du taux de transmission pour un même rapport de tension est plus importante de ce fait pour
le « Top Cap » [13].
Figure 26 : Comparaison des lignes de champ entre la solution 2 (gauche) et la solution 3 (droite), Collinson [13]