Présentation
En anglaisRÉSUMÉ
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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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)
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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.
MOTS-CLÉS
Sources Nier Cage de Faraday Spectromètre de masse Multiplicateurs d'électrons à dynodes discrètes
KEYWORDS
Nier source | Faraday cup | mass spectrometer | compact discrete dynode CDD
DOI (Digital Object Identifier)
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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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Glossaire
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Spectrométrie de masse – Principe organique, méthodes d'introduction et d'ionisation.
-
Purification des gaz rares sous ultra-vide – Enceinte de purification.
-
Purification des gaz rares sous ultra-vide – Méthodes de purification.
-
Analyse des gaz rares par spectrométrie de masse statique. Mesures et applications.
ANNEXES
DINGUE (Development In Noble Gas Understanding and Expertise)
Goldsmith
AGU (American Geophysical Union)
EGU (European Geosciences Union)
The Meteoritical Society
HAUT DE PAGE2.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Thermo Fisher Scientific
https://www.thermoscientific.com
Hanna-Kunath-Straße 11
28199 Bremen
Allemagne
Cameca
29 Quai des grésillons
92622 GENNEVILLIERS Cedex
France
Isotopx Limited
Millbrook court
Midpoint 18
Middlewich
Cheshire
CW10 0GE
United Kingdom
Hamamatsu Photonics France
19, rue du saule trapu
Parc du moulin de Massy
91300 MASSY
France
ETP...
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