Diap hrag
2.4 Spectrom` etre de Masse ` a Quadrupˆ ole (QMS)(QMS)(QMS)
echantillon, la surpression locale lors de la croissance d’eau est estim´ee `a 10−6 mbar tandis que la pression r´esiduelle d’eau dans l’enceinte reste limit´ee `
a 10−9 mbar. La distance parcourue est donc petite en comparaison du libre parcours moyen (de l’ordre de 1 m `a 10−6 mbar). Il en r´esulte que l’apport d’eau dans l’enceinte est limit´e car la plupart des mol´ecules d’eau ´emises heurtent la surface du porte-´echantillon. De plus, cette surface est expos´ee `a un ensemble de directions d’incidences de 0◦`a 45◦par rapport `a la normale. Mˆeme si cette gamme de direction est large, les propri´et´es de la glace ainsi form´ee pourront cependant ˆetre l´eg`erement diff´erentes de celles de la glace form´ee en pression r´esiduelle.
Le mode direct pr´esente l’avantage de produire des glaces de plusieurs centaines de ML en quelques minutes. En comparant des TPD d’eau pour ces deux m´ethodes de d´epot de glace, nous avons estim´e que, tout en maintenant une pression dans l’enceinte autour de 2 × 10−9 mbar, le mode direct permet de d´eposer ∼ 50 ML par minute.
2.4 Spectrom`etre de Masse `a Quadrupˆole
(QMS)
Le spectrom`etre de masse `a quadrupˆole est de marque Hiden, mod`ele 51/3F (ou 301/3F avec un autre boˆıtier ´electronique). Il d´etecte la quantit´e de gaz pr´esent dans sa tˆete d’ionisation de fa¸con r´esolue en masse jusqu’`a la masse 50 uma (ou 300 uma).
2.4.1 Principe de fonctionnement
Le principe de fonctionnement du QMS est sch´ematis´e sur la fig 2.4. Il se compose d’une tˆete d’ionisation, d’une zone de vol des ions d´elimit´ee par quatre ´electrodes et d’un d´etecteur d’ion. Les esp`eces sont ionis´ees au voi-sinage d’un filament par bombardement ´electronique puis acc´el´er´ees vers la zone de vol o`u elles sont filtr´ees en masse. Le principe du filtrage en masse repose sur l’application d’une tension continue et d’une tension alternative radiofr´equence sur les quatre ´electrodes. Seules les particules d’une masse donn´ee sont guid´ees, par r´esonance avec la tension oscillante, vers le d´ etec-teur, les autres sont expuls´ees de la zone de vol et neutralis´ees sur les quatres ´
electrodes. Notre mod`ele dispose en fait d’un triple filtrage pour augmenter la r´esolution. Le d´etecteur d’ion est un Channeltron qui, sous une tension de 3000 V, cr´ee `a l’impact d’un ion une cascade d’´electrons secondaires. Des pres-sions partielles sont d´etectables jusqu’`a 10−14 Torr. Ce d´etecteur fonctionne `
a des pressions inf´erieures `a 10−6 Torr. Le courant de sortie du Channeltron est ensuite converti en signal num´erique exprim´e en nombre de coups par seconde (cps).
2.4 Spectrom`etre de Masse `a Quadrupˆole (QMS) 33
Tension :
v = VDC+VRFcos(ωt) Source
Ion non résonant
Ion résonant
Détecteur
Fig. 2.4: Principe de fonctionnement du filtre de masse dans le spectrom`etre de masse `a quadrupˆole.(Tissue, 2000)
Les principales caract´eristiques du QMS sont :
Gamme de mesure de 1 `a 50 uma (ou 1 `a 300 uma selon l’´electronique). R´esolution pour deux pics de masse adjacents et de mˆeme intensit´e,
mini-mum interm´ediaire de 0, 5% jusqu’`a la gamme 0-50 uma, 5% pour la gamme 0-300 uma.
Dynamique de 107 cps. Permet de mesurer des pressions partielles de quelques 10−15 mbar.
Energie d’ionisation des ´electrons de 10 eV `a 200 eV, ajustable par logiciel. Fr´equence de mesure d’environ 4 Hz.
2.4.2 Int´egration et utilisation
Le QMS sert `a la fois `a analyser le gaz r´esiduel dans l’enceinte, `a carac-t´eriser les jets et `a mesurer le taux de d´esorption d’esp`eces de la surface. Il peut se d´eplacer et tourner sur l’axe vertical. En position haute, il sert `a l’analyse des gaz pr´esents dans l’enceinte. Dans le plan d’incidence des jets, il sonde ind´ependamment les jets qui le traversent ou les mol´ecules issues de la surface (cf photographie fig. 2.5).
Le QMS est install´e directement dans l’enceinte d’exp´erience, sans pompage diff´erentiel compte tenu des pressions auxquelles nous travaillons. Le filament pr´esent dans la tˆete d’ionisation reste allum´e tout au long des exp´eriences pour eviter le d´egazage cons´ecutif `a son allumage. Une proc´edure de d´egazage au cours de laquelle le filament est au pr´ealable fortement
Porte échantillon Filament
e
-Zone d’ionisation
Trajet d’une molécule
QMS Cryostat
Fig. 2.5: Spectrom`etre de masse `a quadrupˆole en position pour sonder la d´esorption depuis la surface de l’´echantillon. Le sch´ema de droite est une aide pour rep´erer les ´elements de la photographie. Les ´echelles ne sont pas respect´ees. Une portion de la surface du porte-´echantillon est visible derri`ere le QMS. La sortie du QMS est `a droite, l’entr´ee est visible par reflexion sur le capot en cuivre poli du bouclier thermique. Les longues pi`eces blanches sont des gaines en c´eramique autour des fils qui d´elivrent les tensions d’acc´el´ era-tion et d’ionisaera-tion.
chauff´e permet de consid´erablement limiter l’impact de cette source de pollution.
La tˆete d’ionisation est un volume partiellement ouvert, uniquement ac-cessible par un diaphragme d’entr´ee et un diaphragme de sortie visibles sur la figure 2.5. Le diam`etre d’entr´ee est 5 mm avec un angle d’ouverture de ±7◦. Le diam`etre de sortie mesure 9, 7 mm sous un angle d’ouverture de ±12, 5◦. Quand le QMS est tourn´e dans l’axe du jet, il collecte l’int´egralit´e du jet (3, 3 mm de diam`etre). Il sert alors `a en d´eterminer le flux et le taux de dissociation. Plac´e face `a la surface, `a une distance de 2-3 mm, il collecte directement les mol´ecules qui d´esorbent depuis une zone d’environ 35 mm2, soit environ le triple de la surface expos´ee `a un jet.
Le diam`etre de sortie est environ le double du diam`etre d’entr´ee, ce qui permet une bonne ´evacuation des gaz, ´evitant ainsi un confinement qui pour-rait augmenter la pression r´esiduelle dans la tˆete du QMS. Compte tenu de cette g´eom´etrie de la tˆete du QMS, il est indispensable de toujours consid´
e-2.5 Jets d’hydrog`ene atomique et mol´eculaire froids 35
rer avec soin la contribution du gaz r´esiduel de l’enceinte au signal mesur´e. En pratique, la correction `a appliquer pour H2 est constante car ce gaz est issu d’une d´esorption permanente depuis les parois de l’enceinte. Les autres sources d’hydrog`ene sont transitoires, que ce soit les sources parasites comme celles r´esultant des mouvements de translation dans l’enceinte ou les ouver-tures de vanne, o`u celles qui nous int´eressent commes les d´esorptions depuis la surface. Les signaux ont en effet une dur´ee de vie tr`es courte, typiquement quelques 100 ms, grˆace `a la grande capacit´e de pompage dans l’enceinte3. Les exp´eriences du chap. 5 pr´esentent une ´etude o`u la persistance du signal de D2 dans l’enceinte lors de la d´esorption a ´et´e prise en compte. Nous avons alors conclu que l’effet ´etait n´egligeable pour les futures exp´eriences.
L’´electronique d’acquisition des signaux num´eris´es de QMS est pilot´ee par un logiciel fourni par la soci´et´e Hiden. Il permet notamment d’enregis-trer plusieurs masses quasi simultan´ement. Le syst`eme change de masse apr`es chaque mesure, toutes les 200 ms environ. Il permet ´egalement l’enregistre-ment simultan´e d’un signal sur l’entr´ee auxiliaire. Cette possibilit´e est utilis´ee pour lire la temp´erature de la surface donn´ee par le contrˆoleur Lakeshore. Ce syst`eme, coupl´e `a notre interface de pilotage du contrˆoleur, permet d’obte-nir facilement les courbes de d´esorption programm´ee en temp´erature (TPD) pour plusieurs esp`eces. (cf chap. 3). Le logiciel permet ´egalement d’effectuer un balayage continu sur une gamme de masse pour analyser le gaz r´esiduel pr´esent dans l’enceinte (fig 2.2).