Spectromètre de masse à lentilles quadrupolaires excitées en haute fréquence

HAL Id: jpa-00212779

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00212779

Submitted on 1 Jan 1960

HAL is a multi-disciplinary open access

archive for the deposit and dissemination of

sci-entific research documents, whether they are

pub-lished or not. The documents may come from

teaching and research institutions in France or

abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est

destinée au dépôt et à la diffusion de documents

scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,

émanant des établissements d’enseignement et de

recherche français ou étrangers, des laboratoires

publics ou privés.

Spectromètre de masse à lentilles quadrupolaires

excitées en haute fréquence

Maurice Gaudaire

To cite this version:

70

tillon

_peut

varier dans de

_{grandes proportions}

dans l’intervalle de

_{températures envisagé}

pour la mesure, et

_qu’une

_régulation

est donc

_{indispensable}

_pour

sim-plifier

la lecture de la

_grandeur

mesurée et éviter la

mesure simultanée du courant.

_Toutefois,

le

_principe

de la mesure

_comporte

une modulation de

_{fréquence f 1}

du courant traversant la

_charge

_par un

_champ

magné-tique

de

_{fréquence f 2 et l’amplification}

sélective de la

fréquence

modulée,

de _{sorte que} toute distorsion entrai-nerait une erreur.

Nous avons _pu

_réguler

un

courant

de 1

milli-ampère

à zL 1

_%

dans une

_charge

variant de 0 à

6 000 ohms en utilisant les éléments suivants : T tran--sistor OC 16 de la S. A. La

_{Radiotechnique,}

_Th,

ther-mistance 3 004 F du Laboratoire Central des

Télécom-munications, P -

14

_volts,

_{R 1 -}

17 500

_ohms,

.R2

= 9 600

ohms, R3

= 30

ohms, R4 :::::::

200

ohms,

C

_dépend

de la

_fréquence

du courant

_régulé.

La

_plage

de

_régulation

_peut

être

_déplacée

en modifiant la

résis-tance

_{.R1. Ainsi,}

avec

_R1

= 13 500

ohms,

le courant reste

_égal

à 1

_milliampère

à 4

_{% près}

_lorsque

la

charge

varie entre 6 000 et 15 000 ohms.

Lettre reçue le 8 décembre 1959.

RÉFÉRENCES

[1]

SUCHET

_(J.),

Les Varistances, Chiron, Paris, 1955.

[2] Brevet français PV. 814.007.

NOTE

COMPLÉMENTAIRE

SUR LES CHAMBRES A SCINTILLATIONS

par J.

DUFLO,

Laboratoire de

_{Physique Atomique}

et

_{Moléculaire,}

Collège

de France

J’ai étudié dans un

_précédent

article

[1]

les

possi-bilités de réàliser une chambre à

_{scintillations,}

avec

des filaments d’iodure de césium

refroidis,

et un seul

amplificateur

de

_brillance,

la caméra

_{électronique}

Lallemand-Duchesne. _{J’ai conclu que, dans} ce _cas,

l’utilisation d’une

_optique

de

_{grandissement plus petit}

que 1

est _{le meilleur moyen de} transmettre la lumière du scintillateur à la

_caméra,

mais

_j’ai

montré aussi les limitations liées à ce

_procédé.

Il nous est apparu, à B.

Agrinier,

du Centre

d’Études

Nucléaires de

_Saclay,

et à

_moi-même,

_qu’il

_était

pos-sible

_{d’amplifier}

la lumière issue du

_{scintillateur,}

avant

qu’elle atteigne

la

_caméra,

à l’aide d’un

_{amplificateur}

de brillance Thomson

_{(Th 9450),}

tout en conservant

la résolution de la caméra

_{électronique.}

En effet la résolution terminale

Nt

d’un

_instrument,

et sa

réso-lution à l’entrée

Ne

sont _{liées par la formule}

_GNt

=

Ne,

C étant le

_{grandissement}

total de l’instrument. Dans notre cas

_Ne,

la résolution à l’entrée du tube

est 40 à 80

_lignes/cm

Donc Nt

= 2 000 à 4 000

lignes/cm.

Or la caméra

électronique

seule à une résolution d’environ

1 000

_lignes.

_{Nous voyons donc que} cette résolution

n’est pas diminuée par l’utilisation de

l’amplificateur

Thomson. D’autre

_part

ce

_dispositif

_présente

les

avan-tages

suivants :

1)

Le nombre de traces d’électrons formant

_l’image

d’un filament doit être environ 12 fois

_supérieur

a celui évalué pour la caméra

_{électronique}

associée à une

optique

très ouverte de

_{grandissement}

_1/5.

Ce chiffre à été calculé en

_prenant

_{pour les}

_optiques

transmettant

la lumière du scintillateur à

_{l’amplificateur Thomson,}

et de celui-ci à la caméra

_{électronique,}

un rendement

global

de 1

_%,

ce

_qui

_peut

être obtenu avec des

optiques

type

Angénieux

F :

_0,95.

2)

Le

_gain

de luminance

_{peut permettre}

l’utilisation de scintillateurs moins

_lumineux,

mais

_plus

intéres-sants dans certaines

_expériences

de

_physique

nucléaire

(plastiques

scintillants).

3)

Enfin il semble

_possible

de

_{photographier}

des

trajectoires

2 à 4 fois

_{plus longues (20}

à 40

_cm)

dans

un scintillateur de

_{plus grandes dimensions,}

à l’aide d’une

_optique

formant une

_image

réduite 2 à 4 fois

sur la

_photocathode

de

_{l’amplificateur Thomson,}

ceci

sans diminution

_importante

de la résolution

_globale.

Lettre reçue le 25 février 1960.

BIBLIOGRAPHIE

[1] Remarques

sur la réalisation de la chambre à scintil-lation par J. DUFLO, J.

_{Physique Rad., 1960, 21,}

65 A.

SPECTROMÈTRE

DE MASSE

A LENTILLES

QUADRUPOLAIRES EXCITÉES

EN HAUTE

_FRÉQUENCE

Par Maurice

_GAUDAIRE,

Laboratoire

_{d’Électronique}

et de Radioélectricité de la Faculté des _Sciences,

_{Fontenay-aux-Roses.}

Le

_{spectromètre}

étudié

_appartient

au

_type

décrit par W. Paùl

[1] ;

il

s’agit

de lentilles

_électriques

qua-drupolaires,

reliées deux à

_deux,

_parallèles

à un axe

_Oz,

auxquelles

est

_appliqué

un

_potentiel

variable dans le

temps,

de la forme : 0 = _±

( U

₊ V cos

_mt).

Les

équations

du mouvement d’un ion

_(P,

_{m) pénétrant}

dans les lentilles

_peuvent

s’écrire :

Ox et

_Oy

définissent le

_plan

_{perpendiculaire}

à l’axe

et ro

représente

le _{rayon de gorge des} lentilles. La réso-lutin de ce

_système

se ramène à celle de

l’équation

de

Mathieu ;

les courbes

_{caractéristiques a}

=

f(q) [2]

per-mettent de déterminer les conditions de stabilité de ] a

trajectoire

d’un ion suivant les axes Ox et

_{Oy ;}

on

met ainsi en évidence

_plusieurs

domaines de

fonction-nement

_possible

du

_{spectromètre.}

Pour des ions de

masses

_{différentes,}

les

_points

de fonctionnement

71

tiennent à la droite

_alq

=

2 U 1 V ;

_ce

rapport

est

indépendant

de la masse

et,

en choisissant

judicieu-sement les

_{paramètres a}

et

q, on

_peut

filtrer une seule

masse _m, les autres

_particules

_ayant

des

_points

de

fonctionnement

_{(a, q) appartenant}

à des zones ins-tables. Par variation de la tension H. F.

_V,

et _par

conséquent

de

_U,

on

_peut

alors former le

_spectre

des

masses des

_{particules injectées}

dans les lentilles

qua-drupolaireso ,

I.

_Description

de

_l’appareil

utilisé. - Les lentilles

(4

tiges

cylindriques

de laiton

_’chromé,

de 10 mm de

diamètre,

50 cm de

_long,

_tangentes

à un cercle de

diamètre

2ro

=16

_mm)

ont une

capacité équivalente

de 60

_pF.

Pour mettre en évidence la

_présence

de

masses

jusqu’à

A =

20,

la détermination des différents

paramètres

conduit à choisir une

_{fréquence co/27r}

de 5 MHz et une tension H. F. maximum de 4 700 volts crête à crête aux bornes des

_{lentilles ;}

la

puis-sance H. F. alors mise en

_jeu

est de l’ordre de 150 watts. La source tension H. F. se _{compose d’un oscillateur}

du

_type

E. C.

_0.,

à

_{quartz thermostaté,}

_{alimenté par}

une haute tension stabilisée : les dérives de

_fréquence

sont ainsi réduites au minimum.

_Après

un

_étage

sépa-rateur se trouve

_l’étage

final

_symétrique

₍₂

_lampes

PE

_1/100

en classe

_{C2) qui,}

à travers une boucle de

couplage

adaptatrice,

attaque

les

_{lentilles ; celles-ci,}

associées à une inductance

L,

forment un circuit

oscil-lant

accordé

à 5 MHz. Un

_système

détecteur fournit la tension

_U,

_{proportionnelle}

à

_{l’amplitude}

H. F. Le

couplage

de la bobine de détection avec L est

_réglable

mécaniquement

pour faire varier le

rapport

UIV.

Fie. 1. - Schéma d’ensemble.

Afin d’inscrire sur un

_enregistreur

le

_spectre

I =

f{A)

il faut obtenir une variation linéaire dans le

_temps

de la

tension H.

_F.,

_puisque

V est

_{proportionnel}

à la masse.

FIG. 2. -

Polarisation de la

grille-écran.

Pour les Inasses inférieures à A ==

9,

_on

agit

_sur la

tension de la

_{grille-écran}

_{(fig. 2) ;}

le

_{potentiomètre}

de 50 kQ est entraîné _par un moteur assez lent

_(1/2

tour par

minute)

pour éliminer l’influence de l’inertie de la

plume enregistreuse ;

la résistance

_REl

₍₂

500

_ohms)

compense le défaut de linéarité de la courbe V =

f( V g2) ;

RE2 permet

d’ajuster

la zone des nombres de masse

balayée.

Pour 9 A

_19,

c’est le

_potentiel

de la

grille-suppresseuse qui

varie avec le

_{potentiomètre}

de 1 M Q

_{(fig. 3) ;}

on le choisit

logarithmique

_pour

compenser la courbure de la

_{caractéristique}

V

_{==1( Vg3).}

II.

Étude

de différents

spectres.

--

Séparation des

isotopes

du lithium.

-La

sdûrce

ionique

est constituée d’une

_{sphère d’alumino-silicate}

de

_lithium,

_portée

_par

un filament de

_tungstène

chauffé autour de 1 2000.

La tension d’extraction est de l’ordre de 1 500 volts.

Le

_pouvoir

_séparateur

est amélioré en ralentissant les

FIG. 3. - Polarisation de la

grille-suppresseuse.

ions,

leur

_temps

de

_présence

dans le

_champ

H. F.

étant

_{plus long ;}

un _{espace de}

freinage

est

disposé

entre l’électrode d’extraction et le

_diaphragme

d’entrée du

_système

_{quadrupolaire.}

Avec les éléments

_utilisés,

pour un courant

ionique

de 17

tiA

et une accélération

de 1 460

_volts,

_{après freinage}

à 250

_volts,

on recueille encore 10

_t-tA

d’ions 6Li+ et 7Li+

(diaphragme

de 5

_mm).

La focalisation est

_réglée

_par une lentille à tension

variable et _{par le wehnelt. Un}

_cylindre

de

_Faraday,

à la sortie de la

_lentille,

connecté à un

amplificateur

à

courant

_{continu, permet d’enregistrer}

les variations du courant

_ionique.

Le

_{spectre représenté (fig. 4)}

corres-pond

à un

_diaphragme

de 2 mm et une valeur de

72

FIG. 4.

Spectre

du lithiulll.

Fic.5.

Décharge

dans l’air.

FIG. 6.

Décllarge

darls l’ammoniac.

Analyse

des ions issus d’une

_décharge

_gazeuse. - Le

système

optique

est le

_{même ;}

la

_décharge

se

_produit

dans un canon à

ions,

entre deux électrodes distantes de 2 mm. La différence de

_potentiel

nécessaire à la

décharge

accélère en même

_temps

les ions.

Dans le cas de

_l’air,

le

_spectre

obtenu

_(fig.

₅₎

semble

correspondre

aux réactions :

Pour !’anulloniac

_(fig.

_6),

on aurait :

La

_décharge

serait assez _{intense pour détruire la}

molécule

d’ammoniac,

d’où

_production

des ions N+. III. Recherche d’autres domaines de

fonction-nement. - Dans le réseau des courbes

caractéristiques

de

_{l’équation}

de

_Mathieu,

il existe un domaine

supé-rieur de stabilité autour

_{de q}

= 3 et a =

2,75.

La

décharge

est faite dans

_{l’hydrogène ;}

_{pour les ions}

_{H +,}

ces valeurs de a

et q

correspondent

à V = 341 volts

efficaces et U = 225

volts ;

ces tensions sont doublées pour les ions

H2+ .

L’existence de

_trajectoires

stables dans ce _{domaine n’a pu être mise} en

_{évidence ;}

ce fait

peut

s’expliquer

par la valeur maximum de la

compo-sante latérale de la vitesse initiale des

_ions,

afin _que

l’amplitude

des

_trajectoires

stables soit inférieure au

rayon

ro des

lentilles. Une évaluation

approximative

conduit en

_effet,

_{pour les ions}

_{H +,}

à une vitesse

trans-versale telle que

l’angle

d’entrée soit inférieur à

quelques

10-4 radian. Le nombre des

_particules

répon-dant à cette condition est

_trop

faible devant celui des

ions instables résiduels et ne

_peut

être mis en évidence.

L’accroissement du courant

_émis,

la réduction du

dia-phragme

d’entrée et

_{l’allongement}

_{des lentilles}

qua-drupolaires

permettront,

peut-être,

d’obtenir des

résul-tats

_{positifs ; mais,}

de toute

_manière,

le fonctionnement normal de

_l’appareil

se situera

_toujours

dans le

pre-mier

domaine,

où les conditions

_{d’injection}

sont moins

critiques.

Lettre reçue le 29 février 1960.

BIBLIOGRAPHIE

[1]

PAUL

_{(W.), Zeitschrif t f ür Physik,1958,}

Bd

_152,

S. 143-182.

[2]

CAMPBELL

_(R.),

Théorie

générale

de

_{l’équation}

de