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Qu'est-ce que l'analyse de gaz et pourquoi est-elle nécessaire ?

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Analyse de gaz à basse pression à l'aide de la spectrométrie de masse

Les analyses de gaz à basse pression ne sont pas seulement utiles pour analyser les gaz résiduels d'une pompe à vide, pour effectuer un test de fuites au niveau d'un raccord à bride ou pour les conduites d'alimentation (air comprimé, eau) sous vide. Elles sont également essentielles dans les domaines plus vastes des applications et des procédés de la technologie du vide. Par exemple, dans le cadre de l'analyse des gaz de procédé utilisés pour appliquer de fines couches de revêtements sur des substrats. L'équipement utilisé pour les analyses qualitatives et/ou quantitatives des gaz comprend des spectromètres de masse spécialement conçus, de dimensions extrêmement réduites, qui, comme toute autre jauge à vide, peuvent être raccordés directement au système de vide. Leur taille distingue ces instruments de mesure des autres spectromètres de masse tels que ceux utilisés pour les analyses chimiques des gaz. Ces derniers dispositifs sont mal adaptés, par exemple, à une utilisation en tant qu'appareils de mesure de la pression partielle car ils sont trop grands, nécessitent une longue ligne de raccordement à la chambre à vide et ne peuvent pas être étuvés avec la chambre à vide elle-même. L'investissement dans un spectromètre de masse analytique serait injustifié car, par exemple, les exigences en matière de résolution sont beaucoup moins strictes pour les mesures de la pression partielle. Par pression partielle, on entend la pression exercée par un certain type de gaz dans un mélange de gaz. La somme des pressions partielles de tous les types de gaz donne la pression totale. La distinction entre les différents types de gaz est essentiellement basée sur leur masse molaire. L'objectif principal de l'analyse est donc d'enregistrer qualitativement les proportions de gaz dans un système en fonction des masses molaires et de déterminer quantitativement la quantité des différents types de gaz associés aux différents numéros atomiques.

Les appareils de mesure de la pression partielle couramment utilisés comprennent le système de mesure proprement dit (le capteur) et le dispositif de commande nécessaire à son fonctionnement. Le capteur contient la source d'ions, le système de séparation et le piège à ions. La séparation des ions de masses et de charges différentes est souvent effectuée en utilisant des phénomènes qui font résonner les ions dans des champs électriques et magnétiques.

Aperçu historique des spectromètres de masse

Après la première tentative de Thomson, en 1897, de déterminer le rapport charge/masse e/m de l'électron, il a fallu un certain temps (jusque dans les années 1950) avant qu'un grand nombre et une grande variété de systèmes d'analyse ne soient utilisés dans la technologie du vide. Parmi ceux-ci, citons l'Omegatron, le Topatron et finalement le spectromètre de masse quadripolaire proposé par Paul et Steinwedel en 1958 (voir Fig. 4.1). Les premières utilisations de la spectrométrie de masse dans les applications de technologie des procédés assistés par le vide remontent vraisemblablement aux travaux de Backus dans les années 1943/44. Il a mené des études dans les laboratoires radiographiques de l'Université de Californie. Cherchant à séparer les isotopes de l'uranium, il a utilisé un spectromètre à secteur de 180° d'après Dempster (1918), qu'il a appelé « analyseur de vide ». Aujourd'hui encore, un terme similaire, à savoir « analyseur des gaz résiduels » (RGA), est fréquemment utilisé aux Etats-Unis et au Royaume-Uni au lieu de « spectromètre de masse ». Les applications actuelles en matière de surveillance des procédés sont surtout présentes dans la production de composants semi-conducteurs.

Fig. 4.1a Capteurs TRANSPECTOR.

a : Capteur hautes performances avec Channeltron
b : Capteur compact avec plaque à microcanaux
c : Capteur hautes performances avec collecteur de Faraday

Fig. 4.1b Capteur TRANSPECTOR XPR

Au départ, les tableaux de commande étaient assez maladroits et offraient d'innombrables possibilités de manipulation. Souvent, seuls les physiciens étaient capables de les manipuler et de les utiliser. Avec l'introduction des PC, les exigences en matière de tableaux de commande sont devenues de plus en plus importantes. Au début, ils étaient équipés d'interfaces pour la liaison avec l'ordinateur. Plus tard, on a essayé d'équiper un PC d'une carte de circuit imprimé de mesure supplémentaire pour le fonctionnement des capteurs. Les capteurs d'aujourd'hui sont en fait des transmetteurs équipés d'un bloc d'alimentation électrique fixé directement du côté de l'atmosphère ; la communication avec un PC à partir de ce point a lieu via des ports informatiques standard. Le confort d'utilisation est assuré par le logiciel qui tourne sur le PC.

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