I – Producción de un haz de iones
Para producir iones, se necesita electrones (sabemos como producirles) y un gas constituido de un elemento químico. En el caso del SIMS, utilizamos un gas de Cesio (para producir iones Cs+) o un gas de Oxigene (para producir iones O-): la natura del gas depende del tipo de elemento químico que queremos estudiar.
El esquema que sigue presenta la técnica de un “Duoplasmatron” que permite de producir los iones Cs+ (por ejemplo). Tenemos en blanco y negro una pieza metálica en carbonato de Cesio: es la fuente de los iones Cs+. La pieza es calentada hasta una gran temperatura y por eso, el Cesio se evapora. Por el otro lado (a la derecha) del sistema, hay una placa de Tungsteno que es calentada hasta 1000°C. Por eso, los electrones se acaban de la placa, y hay una falta de electrones en ella: les coge de los átomos del gas de Cesio. De este modo, obtenemos un gas de iones según la reacción química siguiente.
Reacción química
Esquema que presenta el sistema de producción de iones Cs+.
Fuerza eléctrica
Después, los iones son acelerados gracias a la gran diferencia de potenciales entre la caja metálica que contiene la pieza en carbonato de Cesio y la electrodo de extracción. En efecto, cada ión de carga q es sometido a una fuerza eléctrica.
ΔV: diferencia de potenciales entre las dos electrodos
d: Distancia entre las dos electrodos
Fuerza eléctrica
Después, un sistema de lentillas electromagnéticas permite de focalizar el haz de iones producido en la muestra que debemos estudiar.
Esquema general
Aquí es un esquema general del sistema nanoSIMS.
II – Estudio de la superficie de una muestra
Esta técnica es destructiva, es decir que cada mesura que hacemos en una muestra destruye su superficie, como lo muestra el esquema siguiente.
Como podemos ver en el esquema, hay una extracción de átomos de la superficie de la muestra (es decir características de la composición química de la muestra). Estos átomos son ionizados también, después acelerados y separados según sus naturaleza química (es decir según sus masas) con un espectrómetro de masas.
En efecto, cuando hay un campo magnético, cada ión es sometido a la fuerza de Lorentz.
Fuerza de Lorentz
q: carga de un ión
v: velocidad de un ión
B: campo magnético
Principio fundamental
El campo magnético es perpendicular al plano de movimiento de los iones. Por eso, podemos escribir el principio fundamental de la dinámica de esta manera.
m: masa de un ion
a: aceleración de un ion
Aceleración de Frenet
Además, la trayectoria de los iones en el espectrómetro de masas es más o menos un círculo: la aceleración de una partícula tiene una valor particular.
Rayo de la trayectoria
Por fin, el rayo de la trayectoria depende de la masa del ión según la ecuación que esta presentada aquí.
Por eso, podemos saber cual es la naturaleza química de un ión con la posición en la cual es detectado en el espectrómetro.
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