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RÉSUMÉ
Cet article est consacré aux principales techniques permettant de confiner les ions. La plus ancienne consiste à conjuguer l’action d’un champ magnétique et d’un champ électrostatique. Principalement utilisée en physique nucléaire, elle est à l’origine du piège de Penning, puis ensuite du premier cyclotron. La seconde technique s’appuie uniquement sur des champs électriques, soit statiques, soit statiques et alternatifs, avec pour application le dispositif à piège de Paul.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Jean-Pierre SCHERMANN : Professeur à l’Université Paris-Nord
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Michel VEDEL : Maître de Conférences à l’Université Aix-Marseille I
INTRODUCTION
Le confinement d’ions utilise deux techniques principales. La première s’appuie sur l’action conjuguée d’un champ magnétique et d’un champ électrostatique. Elle a en particulier donné naissance au piège de Penning. La seconde utilise des champs purement électriques et a donné naissance au piège de Paul.
Les dispositifs à confinement présentent sur les appareils concurrents une plus grande sensibilité liée à leur propriété d’accumulation des charges créées in situ et aux grands temps d’interaction que permet le stockage. Ainsi, les toutes premières applications des dispositifs à confinement, qu’ils soient « magnétique » ou « radiofréquence », ont porté sur la réalisation de jauges à vide très sensibles. Dans le cadre de l’étude des collisions réactives, la possibilité de créer une cible ionique dont on peut étudier l’interaction avec un gaz permet de réaliser un dispositif concurrent des méthodes traditionnelles fondées sur l’étude de l’interaction d’un faisceau d’ions sur une cible gazeuse.
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3. Dispositif à piège de Paul
3.1 Création des ions
En règle générale, les ions primaires sont créés par bombardement électronique à l’intérieur du dispositif expérimental. Toute autre méthode peut être utilisée : photoionisation, photodissociation avec formation de paires, collision avec des atomes de Rydberg et formation d’ions négatifs, collision de type Penning, ionisation laser, etc.
Les trois méthodes de création d’ions qui sont les plus utilisées aujourd’hui sont l’ionisation par électrospray (ESI), l’API ( Atmospheric Pressure Interface-Electrospray Ionization) et l’ionisation MALDI ( Matrix Assisted Laser Desorption Ionization) [1].
Une fois créés, les ions sont soumis aux collisions avec le gaz tampon, généralement de l’hélium, ce qui leur permet de dissiper l’énergie cinétique acquise lors d’une fragmentation, ou l’énergie potentielle liée à la position de l’ion dans le piège au moment de sa création. Cet effet tend à concentrer le nuage au centre du dispositif.
Un ion peut lui-même contribuer à la formation d’autres ions par collisions réactives (ionisation chimique) ou par une fragmentation. Il est alors nécessaire de lui fournir un apport d’énergie cinétique qui sera converti en énergie interne par les collisions inélastiques avec le gaz tampon conduisant à la fragmentation de l’ion. Dans le cas du piège de Paul, cet apport d’énergie se fait par l’application d’une excitation périodique ( tickle ) sur la fréquence séculaire de l’ion à « chauffer ». Si l’on ne veut pas perdre cet ion par emballement de son mouvement hors des limites du piège, cet apport est limité à quelques électronvolts. Un certain nombre de tentatives ont été explorées pour confiner des ions créés à l’extérieur du piège. Ceux-ci doivent être introduits avec la plus petite énergie cinétique possible et le mécanisme de « refroidissement » collisionnel doit être très rapide devant la période du champ de confinement. Pour des produits non volatils, on peut, par exemple, utiliser un canon produisant des ions césium avec lesquels on bombarde l’échantillon à analyser, produisant alors des ions secondaires qui sont introduits dans le piège d’analyse à l’aide d’une lentille d’injection. En général, le rendement est...
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Dispositif à piège de Paul
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BOUCHOUX (G.), SABLIER (M.) - Spectrométrie de masse. - [P 2 645], [P 2 646] , traité Analyse et Caractérisation (2006).
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(2) - MARCH (R.E), HUGHES (R.J.) - Quadrupole Storage Mass Spectrometry. - Chemical Analysis Vol. 102 1989 eds J.D. Winefordner and I.M. Kolthoff Wiley and sons.
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(3) - TODD (J.F.J.) - Mass Spectrometry Reviews, - 1 991, 10 , p. 3-52.
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(4) - COOKS (R.G.), GLISH (G.L.), MCLUCKEY (S.A.), KAISER (R.E) - Ion Trap Spectrometry, - Chemical and Engineering News, 25 mars, 1991.
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(5) - COOKS (R.), MCLUCKEY (S.A.), KAISER (R.E.) - * - Chemical and Engeneering News p. 26 mars 1991.
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(6) - COOKS (R.), KAISER (R.E.) - * - Accounts of Chemical Research vol. 23 p. 213 (1990).
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