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février 2017 | avril 2017

TOF-SIMS

Un spectromètre de masse de type TOF-SIMS (Time Of Flight - Secondary Ion Mass Spectrometry) a été construit au LPC2E dans le cadre du développement de l’instrument COSIMA embarqué à bord de la mission Rosetta qui a été lancée en 2004 par l’Agence Spatiale Européenne. Cet instrument de laboratoire est utilisé pour analyser des échantillons de référence afin d’interpréter les spectres de vol avec la meilleur précision possible. Il intègre un canon à ions qui est une copie de la fourniture du LPC2E à l’instrument COSIMA.

PRINCIPE

Lorsque des ions rapides bombardent une surface, ils produisent des ions secondaires qui s’échappent de l’échantillon analysé. Ces ions secondaires sont collectés, séparés et détectés sous vide par un spectromètre de masse. Dans le cas d’une séparation d’ions secondaires par temps de vol on parle de technique TOF-SIMS (voir schéma ci-dessous).

Schéma de principe d’un instrument TOF-SIMS.

Le principe d’un analyseur en masse à temps de vol est le suivant : lors de la collection des ions secondaire, l’optique ionique communique aux ions de charge e une énergie déterminée eV à l’instant t1, puis ces ions sont laissés libres de toute interaction sur un trajet de longueur L, enfin ces ions sont détectés à l’instant t2. La mesure du temps de vol t2-t1 permet de calculer la masse de l’ion détecté par la formule suivante :
m = 2 eV/ v2 avec v = L/(t2-t1)

La manipulation d’ions est réalisée à l’aide de champs électriques continus et pulsés. Ces champs sont obtenus en appliquant des tensions sur des électrodes dont la géométrie détermine des variations de champ électrique dans l’espace et dans le temps. Ces variations permettent de focaliser les ions dans ces quatre dimensions. Les performances de l’instrument sont directement liées à la réalisation aussi fidèle que possible de la géométrie théorique.

CARACTÉRISTIQUES

L’instrument COSIMA a été construit par un consortium européen dans lequel le LPC2E est responsable de la réalisation du système de faisceau d’ions primaires (30 cm de long et 1 W de puissance). Ce module est très important, car il impose plusieurs caractéristiques instrumentales. Le laboratoire a été sélectionné pour son expertise théorique et expérimentale en spectrométrie de masse embarquée.
L’instrument COSIMA est l’un des plus grands instruments embarqués à bord de la sonde Rosetta et également l’un des plus sophistiqués. En effet les grains cométaires sont analysés par TOF-SIMS, photographiés puis stockés (pour des analyses ultérieures) et ils peuvent également être chauffés ou nettoyés par bombardement ionique. Les caractéristiques principales de l’instrument COSIMA sont les suivantes :

Dimensions 973 * 394 * 378 mm3
Poids 19,8 kg
Puissance 20,4 W
Résolution en masse 2000 (à la masse 100 Da)
Imagerie optique résolution de 14 µm
Stockage d’échantillons 72 cibles
Traitement thermique d’échantillons 150 °C

RÉSULTATS

L’instrument de laboratoire du LPC2E a permis de constituer une bibliothèque de spectres de masse d’échantillons purs qui est intégrée dans la base de données de l’instrument.
Depuis le mois d’août 2014, l’instrument de vol a collecté plus de 27000 grains cométaires dont environ 200 ont été analysés chimiquement. Un exemple de spectre de matière cométaire est présenté ci-dessous.
La fin de la mission est prévue le 30 septembre 2016 avec l’atterrissage de l’orbiteur sur la comète. Mais les données de vol seront exploitées et comparées avec des spectres de laboratoire pendant plusieurs années après cette date.

Spectre de masse (en rouge) et image d’un grain cométaire nommé « Juliette » analysé par l’instrument Cosima. Le spectre en noir correspond à la cible qui a collecté le grain.
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