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1 - SOURCE À IMPACT ÉLECTRONIQUE

2 - SECTEUR MAGNÉTIQUE

3 - DÉTECTION

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5 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : J6636 v1

Glossaire
Analyse des gaz rares par spectrométrie de masse statique - Théorie et instrumentation

Auteur(s) : Laurent ZIMMERMANN, David BEKAERT

Date de publication : 10 déc. 2020

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RÉSUMÉ

Cet article présente la mesure des gaz rares par spectrométrie de masse en mode statique. Une description détaillée des paramètres de source (aimants permanents,  tensions appliquées dans la source Nier,  courant électronique et  pression) a été faite pour mieux optimiser la sensibilité de ces analyseurs. Le mouvement des ions dans le secteur magnétique ainsi que leur détection ont été abordés. Tous les points techniques ont été développés à partir de données obtenues avec des spectromètres de masse de dernière génération.

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ABSTRACT

Noble gases analysis by static mass spectrometry Theory and instrumentation

This article presents noble gas measurements by static mass spectrometry. À detailed description of the source settings (permanent magnets, voltage into the Nier source, trap current, total gas pressure) is presented in order to optimize the sensitivity of such mass spectrometers. The motion of ions into the magnetic field and their ultimate detection are discussed. All technical points have been developed from datasets previously obtained on state-of-the-art mass spectrometers. 

Auteur(s)

  • Laurent ZIMMERMANN : Ingénieur d'études - CNRS - Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, Vandœuvre lès Nancy, France

  • David BEKAERT : Post-doctorant - Marine Chemistry and Geochemistry Department - Woods Hole Oceanographic Institution - Woods Hole, MA, 02543, États-Unis

INTRODUCTION

La géochimie des gaz rares s'est, depuis les années 1950, considérablement développée avec les progrès de la spectrométrie de masse. Ils sont considérés aujourd'hui par la communauté des géosciences comme de puissants traceurs, grâce notamment à leur inertie chimique vis-à-vis du milieu dans lequel ils se trouvent. Leurs concentrations dans certains minéraux, par exemple, permettent actuellement de quantifier les vitesses d'exhumation et d'érosion de nos reliefs par des méthodes de thermochronologie ou encore d'apporter des outils de datation (méthodes K/Ar, Ar/Ar, U-Th-Sm/He, Isotopes cosmogéniques 3He, 21Ne et 38Ar) indispensables à l'archéologie, la volcanologie, la paléoclimatologie, la cosmochimie, etc. Des contraintes supplémentaires sur l'origine et l'évolution des gaz rares peuvent aussi être apportées à l'aide de leurs signatures isotopiques (e.g. 3He/4He ; 20Ne/22Ne, 21Ne/22Ne ; 40Ar/36Ar, 38Ar/36Ar…). Celles-ci permettent par exemple de mettre en évidence la présence d'isotopes d'origine cosmogénique (3He, 21Ne, 38Ar, 78-83Kr, 124-128Xe), radiogénique (4He, 40Ar, 129Xe), nucléogénique (21Ne) ou encore fissiogénique (e.g. 131-136Xe). L'utilisation de rapports isotopiques permet de tracer l'origine des sources de gaz volcaniques (e.g. croûte terrestre, manteau supérieur ou inférieur) émanant à la surface de la Terre, ou encore de mettre en évidence des processus de fractionnement dépendant de la masse lors de processus physiques tels que la diffusion ou la condensation/évaporation.

L'ensemble de ces applications nécessite toutefois d'extraire sous ultravide les gaz rares dans une enceinte. Celle-ci est connectée à un spectromètre de masse par l'intermédiaire d'une seconde enceinte appelée ligne de purification. La méthode d'extraction (broyage, ablation, fusion) retenue pour extraire les gaz rares d'un échantillon dépend de la nature de celui-ci (roches, minéraux séparés, lame mince ou épaisse), de la phase étudiée (matrice, inclusion fluide, etc.) et des concentrations en gaz dans celle-ci [J 6 632]. Les gaz extraits sont ensuite purifiés [J 6 634] [J 6 635] afin de séparer, le plus souvent par chimisorption, les gaz réactifs (H2, N2, O2, CO2, etc.) des gaz rares. Ces derniers, séparés des uns des autres par physisorption, sont au final introduits dans un analyseur les uns après les autres pour y mesurer leurs concentrations et leurs compositions isotopiques.

Cet article vient donc en complément des trois articles [J 6 632] [J 6 634] [J 6 635] pour décrire une technique d'analyse des gaz rares par spectrométrie de masse en mode statique. Une description de la source à bombardement électronique, des tubes de vol existants et des moyens de détection sont ainsi abordés en détail. Tous les spectromètres de masse de dernière génération y sont mentionnés.

Un glossaire en fin d'article donne les principales définitions nécessaires à une bonne compréhension de l'article.

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KEYWORDS

Nier source   |   Faraday cup   |   mass spectrometer   |   compact discrete dynode CDD

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-j6636


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5. Glossaire

Aliquote d'un gaz ; Aliquot of gas

Quantité de gaz, généralement connue, introduite dans une enceinte.

Bruit de fond ; Baseline

Signal électrique généré par un collecteur en l'absence de faisceau.

Écart type relatif (RSD) ; Relative standard deviation (RSD)

Rapport entre l'écart-type δ et la moyenne d'une population de données, exprimé en pourcents.

Extraction (%) ; Extraction (%)

Rapport des tensions, exprimé en pourcent, entre la moyenne des tensions U1 et U2 appliquées sur les demi-plaques de la source et la tension U appliquée sur la fente de définition.

Interférence isobarique ; Isobaric interference

Une interférence isobarique est une espèce atomique ou moléculaire, mono ou poly-chargés dont le rapport masse/charge est voisin du rapport masse/charge de l'isotope mesuré.

Justesse ; Accuracy

Capacité pour un appareil à donner une mesure proche de la valeur exacte. L'appareil est dit « juste » si la mesure ne dépasse pas l'incertitude sur la valeur exacte. Dans le cas contraire, l'appareil induit une erreur systématique qu'il est toutefois possible de corriger dès lors que celle-ci est connue.

Luminosité ; Brightness

La luminosité d'une source représente la quantité d'ions produits et extraits de celle-ci en direction des collecteurs.

Mode dynamique ; Dynamic mode

L'analyse d'un gaz par spectrométrie de masse en mode dynamique consiste à mesurer les signaux électriques issus de chaque élément ou isotope avec l'enceinte de l'analyseur sous pompage. Le flux de gaz introduit dans l'enceinte de l'analyseur est régulé à l'aide d'une vanne micro-fuite pendant toute son analyse. Ce mode d'analyse nécessite d'importantes quantités de gaz, > 10−6 mol.

Mode statique ; Static mode

L'analyse des gaz rares par spectrométrie de masse en mode statique consiste à mesurer les signaux électriques issus de chaque élément ou isotope avec l'enceinte de l'analyseur isolée de son groupe de pompage, ou autrement dit sous un vide statique. Ce mode d'analyse est adapté pour la mesure des très faibles quantités, << 10−6 mol.

Sensibilité d'un spectromètre de masse ; Sensibility

Capacité d'un analyseur à...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - BURNARD (P.G.), FARLEY (K.A.) -   Calibration of pressure-dependent sensitivity and discrimination in Nier-type noble gas ion sources.  -  Geochemistry Geophysics Geosystems, 1 (1), p. 1-9 (2000).

  • (2) - MABRY (J.), BURNARD (P.), BLARD (P.H.), ZIMMERMANN (L.) -   Mapping changes in helium sensitivity and peak shape for varying parameters of a Nier-type noble gas ion source.  -  Journal of Analytical Atomic Spectrometry, 27, p. 1012-1017 (2012).

  • (3) - ZHANG (X.), HONDA (M.), HAMILTON (D.) -   Performance of the high resolution, multi-collector Helix MC Plus gas mass spectrometer at the Australian national university.  -  Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 27, p. 1937-1943 (2016).

  • (4) - HONDA (M.), ZHANG (X.), PHILLIPS (D.), HAMILTON (D.), DEERBERG (M.), SCHWIETERS (J.B.) -   Redetermination of the 21Ne relative abundance of the atmosphere, using a high resolution, multi-collector noble gas mass spectrometer (HELIX-MC Plus).  -  International journal of mass spectrometry, 387, p. 1-7 (2015).

  • (5) - MARK (D.F.), BARFOD (D.), STUART (F.M.), IMLACH (J.) -   The...

1 Événements – Conférences

DINGUE (Development In Noble Gas Understanding and Expertise)

Goldsmith

AGU (American Geophysical Union)

EGU (European Geosciences Union)

The Meteoritical Society

HAUT DE PAGE

2 Annuaire

HAUT DE PAGE

2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Thermo Fisher Scientific

https://www.thermoscientific.com

Hanna-Kunath-Straße 11

28199 Bremen

Allemagne

Cameca

https://www.cameca.com

29 Quai des grésillons

92622 GENNEVILLIERS Cedex

France

Isotopx Limited

https://www.isotopx.com

Millbrook court

Midpoint 18

Middlewich

Cheshire

CW10 0GE

United Kingdom

Hamamatsu Photonics France

https://www.hamamatsu.com

19, rue du saule trapu

Parc du moulin de Massy

91300 MASSY

France

ETP...

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