Technologie détection ions & électrons

Technologie de détecteur de temps de vol (TOF) de Photonis et El-Mul

Les spectromètres de masse à temps de vol (TOF-MS) fonctionnent selon le principe de mesurer le temps que mettent les ions à parcourir une distance fixe dans un champ électrique. Dans une configuration typique, les ions sont accélérés par un champ électrique en direction d'un détecteur. La vitesse de chaque ion est directement proportionnelle à son rapport masse/charge. Les ions plus légers atteignent le détecteur plus rapidement que les plus lourds. Au fur et à mesure que les ions arrivent sur le détecteur, leurs temps d'arrivée sont enregistrés, et les données obtenues sont utilisées pour construire des spectres de masse. Le TOF-MS offre une grande sensibilité et une large plage de masses, ce qui le rend indispensable dans diverses applications, notamment pour l'analyse de mélanges complexes et l'identification de composés inconnus dans des domaines tels que la chimie, la biologie et les sciences de l'environnement.

Photonis et El-Mul proposent un portefeuille de plateformes de détection TOF, chacune avec des fonctionnalités spécifiques. Une approche courante, le BPTOF de Photonis, couple une galette de microcanaux (GMC ou MCP) à un scintillateur, puis à un tube photomultiplicateur (PMT). Lorsque les ions frappent la surface de la MCP, le signal électrique est amplifié au fur et à mesure que les électrons libérés entrent en collision avec les parois des canaux de la MCP. Ces électrons sont ensuite focalisés sur un scintillateur qui produit des photons. Ces photons provenant du scintillateur sont dirigés vers une photocathode dans un PMT. La photocathode convertit les photons en électrons, lesquels sont ensuite multipliés par émission secondaire dans l'étage dynode du PMT. Ce signal électrique provenant du PMT est envoyé au système d'acquisition de données.

Une autre plateforme de détection courante utilisée par les fabricants d'instruments TOF repose sur le concept MTOF d'El-Mul. Les ions sont dirigés dans le tube et entrent en collision avec une galette de conversion plate. Les électrons secondaires issus de la galette de conversion sont focalisés sur ScintiFast™, un scintillateur inorganique ultra-rapide, qui les convertit en photons. Ces photons traversent ensuite un guide de lumière jusqu'à un capteur de photons, qui amplifie le signal pouvant être traité par le système d'acquisition de données.

La stabilité et la capacité des plateformes de détection TOF de Photonis et El-Mul réduisent le besoin de calibration et de réglage, augmentent la disponibilité des instruments et maximisent la reproductibilité quotidienne. Ces caractéristiques des détecteurs réduisent le coût de fonctionnement, améliorent la qualité des données et permettent l'intégration des données – non seulement d'un mois à l'autre, mais aussi d'un laboratoire à l'autre.

Technologie des détecteurs quadripolaires Photonis et El-Mul

Un spectromètre de masse quadripolaire est un composant essentiel en spectrométrie de masse, conçu pour séparer et analyser les ions en fonction de leur rapport masse/charge. Composé de quatre tiges parallèles, l'analyseur applique une combinaison de fréquences radio et de tensions en courant continu (DC) pour créer un champ quadripolaire stable. Les ions ayant des rapports masse/charge spécifiques traversent ce champ en suivant des trajectoires stables, tandis que d'autres sont filtrés sélectivement. En ajustant les tensions, seuls les ions dans une plage de masse définie atteignent le détecteur, permettant une identification et une quantification précises des composés dans un échantillon. Cette sensibilité dynamique et cette capacité à haute résolution font des analyseurs de masse quadripolaires des outils indispensables dans divers domaines scientifiques, notamment en chimie, biologie et sciences de l'environnement.

Les spectromètres de masse quadripolaires utilisent couramment des multiplicateurs d'électrons dynodes continus pour détecter les ions séparés par l'analyseur de masse. Les molécules sont ionisées, focalisées, filtrées à travers l'analyseur de masse, puis dirigées vers le détecteur. Lorsqu'un ion frappe la face d'entrée du CEM (multiplicateur d'électrons dynode continue), il produit généralement 2 à 3 électrons secondaires. Ces électrons sont accélérés dans le canal grâce à un biais positif. Ils frappent les parois du canal, générant d'autres électrons, et ainsi de suite, jusqu'à ce qu'une impulsion de 10^7 à 10^8 électrons émerge à l'extrémité de sortie. Cette impulsion est ensuite traitée par le système d'acquisition de données.

Une plateforme de détection alternative, la technologie Vega d'El-Mul, permet aux ions provenant de l'analyseur de masse de frapper une dynode de conversion. Les électrons secondaires générés à la dynode sont attirés vers un scintillateur, les convertissant en photons. Ces photons sont collectés via un guide de lumière, puis détectés par un tube photomultiplicateur (PMT) qui amplifie le signal. La plateforme de détection Vega présente l'avantage d'une stabilité de gain, réduisant le besoin de recalibrer ou de remplacer les détecteurs, augmentant ainsi la disponibilité des instruments.

Au cœur de cette technologie, la détection des ions et des électrons se concentre sur la détection précise et sensible des particules chargées telles que les ions et les électrons, ainsi que des photons, qui sont des éléments fondamentaux dans l'étude de la matière et de l'énergie. Ces particules chargées transportent des informations essentielles sur les propriétés et les interactions des substances, rendant leur détection précise dans de nombreuses recherches scientifiques.

Types de détecteurs d'ions et d'électrons

Les multiplicateurs d'électrons en tant que technologie

Comme son nom l'indique, le rôle d'un multiplicateur d'électrons est de multiplier (ou amplifier) un signal d'ion ou d'électron détecté à un niveau où il peut être traité en données.

Les multiplicateurs d'électrons reposent sur les principes des « dynodes » et des « émissions secondaires ». Une « dynode » est simplement une électrode dans un vide qui émet des électrons lorsqu'un ion ou un électron avec un rapport m/z (masse/charge) suffisant et une énergie cinétique adéquate frappe la surface des parois internes du canal d'un multiplicateur d'électrons. Les électrons émis par ce processus sont appelés « émissions secondaires ». Les multiplicateurs d'électrons enchaînent une série de ces dynodes (dynodes continues), de sorte que le processus d'émission secondaire se répète, amplifiant ainsi de manière exponentielle le nombre d'électrons à chaque étape.

Galettes de microcanaux

Une galette de microcanaux est un ensemble de canaux miniatures multiplicateurs d'électrons , chacun fonctionnant comme une chaîne continue de dynodes. La structure compacte des canaux permet d'obtenir une résolution spatiale et temporelle élevée ainsi qu'une grande robustesse face aux champs magnétiques.

Depuis plus de 40 ans, Photonis est leader dans l'industrie des produits de multiplication d'électrons grâce à la technologie des galettes de microcanaux. Aujourd'hui, les galettes de microcanaux Long-Life™ établissent la norme industrielle en termes de performance et de durée de vie. L'expertise inégalée de Photonis en matière de conception et de fabrication de galettes de microcanaux garantit à ses clients des dispositifs d'amplification parmi les plus sensibles et fiables du marché. Photonis se spécialise dans la fourniture de galettes de microcanaux au format personnalisé pour répondre aux exigences spécifiques des instruments. Le tableau ci-dessous présente certaines des capacités de Photonis :

Détecteurs basés sur des galettes de microcanaux (détecteurs haute performance)

Chaque détecteur basé sur des galettes de microcanaux (GMC ou MCP) de Photonis est conçu avec des galettes LongLife™, offrant le plus haut niveau de sensibilité disponible sur le marché. Ces ensembles complets de détecteurs peuvent être utilisés dans une grande variété d'applications pour détecter des particules chargées et des rayonnements électromagnétiques, allant de la spectrométrie de masse à l'astronomie UV et des rayons X. Les détecteurs sont conçus pour être utilisés dans des systèmes sous vide et continuent de fonctionner efficacement à des températures élevées (jusqu'à 300°C, la température atteinte lors du nettoyage des chambres), ce qui permet d'économiser le temps nécessaire pour retirer le détecteur de l'instrument.

Multiplicateurs d'électrons Channeltron™

Les multiplicateurs d'électrons Channeltron™ (CEMs) utilisent le même principe de fonctionnement que les galettes de microcanaux, mais sont conçus pour fonctionner avec un seul canal de multiplication des électrons, plutôt qu'un réseau. Photonis propose une large gamme de Channeltrons™ fabriqués à partir d'un verre spécialement formulé et produit en interne. En raison de leur faible masse et de leur haut gain, les Channeltrons® sont également utilisés dans de nombreux laboratoires de physique nucléaire et dans les applications spatiales pour compter les électrons et les particules chargées en mode impulsion. D'autres applications incluent l'analyse des gaz résiduels, l'analyse du plasma, les spectromètres Auger, les microscopes électroniques (SEM), les systèmes à faisceau ionique focalisé (FIB) et les détecteurs de fuites.

Détecteurs pour la microscopie électronique et les systèmes à faisceau d’électrons

Exosens propose une variété de plateformes de détection pour les électrons et les ions, applicables aux microscopes électroniques à balayage (SEM), aux microscopes électroniques en transmission (TEM), aux outils à faisceau ionique focalisé et aux systèmes à faisceau d’électrons pour l'industrie des semi-conducteurs.

Les détecteurs d'électrons à base de scintillateurs attirent les électrons vers une plaque scintillatrice, qui génère un signal photonique amplifié. Ces photons sont ensuite dirigés vers un capteur de photons qui reconvertit le signal en électrons et l'amplifie.

Ce schéma de détection de base peut être mis en œuvre avec une variété de scintillateurs et de capteurs de photons. Une mise en œuvre traditionnelle est le schéma de détection Everhart Thornley, souvent utilisé pour détecter les électrons secondaires dans les chambres de SEM et fournir une image topographique de l'échantillon.

Une mise en œuvre plus avancée est un détecteur d’électrons rétrodiffusés (BSE) en colonne, qui peut filtrer les électrons à basse énergie et fournir un signal BSE propre, offrant un contraste de matériaux dans l'image du SEM.
D'autres implémentations divisent le signal en plusieurs segments et utilisent ScintiFast™, un scintillateur inorganique ultra-rapide, pour prendre en charge la numérisation et l'imagerie rapides. Ces implémentations sont courantes pour les systèmes de métrologie et d'inspection à faisceau d’électrons dans l'industrie des semi-conducteurs.

La technologie de détection à semi-conducteurs est également disponible. Cette technologie permet une conception flexible et une segmentation de la zone active du détecteur. Elle est fréquemment utilisée pour les détecteurs BSE et pour les détecteurs d'électrons transmis dans les SEM et les microscopes électroniques à transmission à haute énergie (TEM).

Améliorer les instruments scientifiques

Dans le domaine des détecteurs de particules haute performance, la technologie de détection des ions et des électrons offre une sensibilité et une efficacité inégalées. Elle permet aux chercheurs d'amplifier et de détecter même les plus petites quantités d'ions, d'électrons et de photons, facilitant ainsi une compréhension plus approfondie des principes fondamentaux qui régissent les phénomènes naturels. Cette sensibilité accrue est particulièrement cruciale dans les projets spatiaux, où la détection des rayonnements cosmiques et des particules provenant de corps célestes lointains peut fournir des informations précieuses sur la composition et l'évolution de l'univers.

Améliorer les instruments scientifiques

Dans le domaine des détecteurs de particules haute performance, la technologie de détection des ions et des électrons offre une sensibilité et une efficacité inégalées. Elle permet aux chercheurs d'amplifier et de détecter même les plus petites quantités d'ions, d'électrons et de photons, facilitant ainsi une compréhension plus approfondie des principes fondamentaux qui régissent les phénomènes naturels. Cette sensibilité accrue est particulièrement cruciale dans les projets spatiaux, où la détection des rayonnements cosmiques et des particules provenant de corps célestes lointains peut fournir des informations précieuses sur la composition et l'évolution de l'univers.

Empowering Research in Material Analysis

Applications in Life Sciences and Non-Destructive Testing (NDT)

Applications dans les sciences de la vie et les essais non destructifs (END)

La technologie de détection des ions et des électrons trouve également des applications dans les sciences de la vie, où elle contribue à l'analyse cellulaire. En détectant et en amplifiant les ions et les électrons au niveau cellulaire, les chercheurs obtiennent des informations précieuses sur les processus cellulaires, les mécanismes des maladies et les cibles thérapeutiques potentielles. De plus, cette technologie facilite l'analyse des matériaux, soutenant l'étude de leurs propriétés et caractéristiques, et contribuant ainsi au développement de nouveaux matériaux avec diverses applications pratiques.

Le progrès continu de la technologie de détection des ions et des électrons a également ouvert de nouvelles possibilités dans les tests non destructifs (NDT). Grâce à sa capacité à amplifier et détecter avec précision les particules chargées, cette technologie permet des inspections approfondies sans endommager les matériaux testés. Elle garantit ainsi la sécurité et la fiabilité des structures et des composants dans divers secteurs, en prévenant d'éventuelles défaillances et risques.

Ouvrir de nouvelles frontières à la recherche scientifique

La technologie de détection des ions et des électrons représente une avancée cruciale dans le domaine des détecteurs de particules haute performance. Grâce à sa sensibilité exceptionnelle et à ses capacités d'amplification et de détection des ions, des électrons et des photons, elle trouve des applications variées, allant de l'exploration spatiale aux sciences de la vie, en passant par l'analyse des matériaux. En permettant des solutions de détection précises et efficaces, la technologie de détection des ions et des électrons offre aux chercheurs la possibilité de percer de nouveaux mystères de l'univers et de contribuer de manière significative à l'avancement des connaissances scientifiques et des technologies.

Chez Exosens, nous sommes fiers d'être à la pointe de la technologie de détection des ions et des électrons et de ses nombreuses applications. En tirant parti de notre expertise et de nos recherches de pointe, nous proposons une gamme de technologies de pointe, conçues avec soin pour relever les défis scientifiques les plus exigeants. Nos détecteurs et composants sur mesure répondent aux besoins uniques de divers instruments scientifiques, offrant aux chercheurs des outils inégalés pour l'exploration et la découverte.