Soutenance mémoire
Instrumentation et protocoles expérimentaux
Concernant la spectrométrie de masse, qui dans ce travail représente la technique principale, nous analyserons d’abord en détail le principe de fonctionnement. Ensuite, nous passerons à la description du dispositif expérimental qui a été monté pour mener à bien les études présentées dans ce travail. Enfin, nous rentrerons dans les détails de la procédure de mesure RGA utilisée pendant cette étude et de sa qualification.
La spectrométrie de masse
Principe de la spectrométrie de masse (RGA)
La spectrométrie de masse est une technique d’analyse physique qui permet de détecter et d’identifier des molécules d’intérêt en fonction de leur masse et de caractériser leur structure chimique. Le principe de base de la spectrométrie de masse réside dans la séparation en phase gazeuse des ions, en fonction du rapport masse/charge.
La source d’ions permet de créer des ions positifs à partir des espèces neutres en phase gazeuse collectées dans la chambre d’ionisation. Les ions ainsi créés sont alors envoyés dans le filtre de masse, qui sépare les ions en fonction du rapport masse/charge et sélectionne ceux qui ont le rapport m/e choisi. Le faisceau d’ions filtré en masse est collecté par un détecteur qui convertit le courant ionique en signal électrique, ensuite traité par le logiciel. En effectuant un balayage sur toute la gamme des masses, on obtient le spectre de masse complet en termes d’abondance relative des ions en fonction du rapport m/e des ions.
Le spectromètre utilisé au sein de l’expérience est un spectromètre de masse quadripolaire Hiden HAL 201 RC. L’ionisation se produit par impact électronique d’un faisceau d’électrons mono-énergétique avec les molécules de l’échantillon gazeux. L’analyseur est un filtre de masse quadripolaire qui permet de sélectionner les ions dans une gamme de masses de 1 jusqu’à 200 a.m.u. (unité de masse atomique). Le système de détection est composé d’un collecteur de Faraday, qui permet de travailler à une pression totale maximale de 1E-5 torr et à une pression partielle minimale de 1E-11 torr, et d’un détecteur Channeltron (Single Channel Electron Multiplier), plus sensible, qui permet d’arriver à une pression partielle détectable minime de 5E-14 torr. Le logiciel de l’instrument traite automatiquement le signal électrique acquis et retourne un spectre de masse en termes de pression partielle, mesurée en [torr].
Une description plus détaillée des éléments caractéristiques du spectromètre de masse est présentée dans la suite.
La source d’ions : ionisation par impact électronique
Cet élément permet de produire les ions, de les extraire et de les acheminer vers la partie analyseur du spectromètre. Il existe plusieurs types de source d’ionisation qui sont utilisés en fonction des molécules que l’on souhaite analyser. Dans l’instrument utilisé pour ce travail, l’ionisation est réalisée par impact électronique. L’ionisation par impact électronique repose sur l’interaction entre un faisceau d’électrons, émis typiquement par effet thermoélectrique à partir d’un filament, et les molécules neutres de la phase gazeuse. Sous certaines conditions, l’interaction entre un des électrons émis et une molécule de l’échantillon amène à la création d’un ion positif (ou d’un fragment ; voir dans la suite). Cet ion est ensuite accéléré par un potentiel approprié vers l’analyseur du spectromètre où a lieu le filtrage en masse.
Si l’énergie cinétique est suffisante, quand un des électrons émis par le filament rencontre une molécule, un des électrons de celle-ci est arraché en créant un ion positif :
AB + e → AB⁺ + 2e
En plus de l’ionisation simple, il y a aussi d’autres phénomènes qui, en fonction de l’énergie cinétique des électrons, peuvent avoir lieu lors de l’interaction entre un des électrons émis et une molécule neutre. On peut aussi avoir, par exemple, un mécanisme d’ionisation double (rare), où l’ion est porteur de deux charges positives :
AB + e → AB⁺⁺ + 3e
Suivant son énergie interne, l’ion peut ensuite se fragmenter :
AB + e → A⁺ + B + 2e ou A + B⁺ + 2e
Ces fragments peuvent, enfin, se recombiner, en formant d’autres ions et/ou molécules. Des processus analogues peuvent se produire de façon consécutive ou compétitive en conduisant ainsi à des nombreux ions fragments de rapports masse/charge inférieurs à la masse nominale de la molécule neutre d’origine (technique de « fingerprint »). Tous les ions positifs produits par ces plusieurs phénomènes sont ensuite extraits vers l’analyseur de masse et focalisés à l’aide d’une électrode d’extraction mise au potentiel approprié.
Dans le spectromètre Hiden HAL 201 RC utilisé pour ce travail, les électrons sont produits par effet thermoélectrique à partir d’un filament en iridium thorié et ils sont accélérés par une différence de potentiel qui permet de fixer leur énergie cinétique entre 4 et 150 V, avec une résolution de 0.1 V. Il est possible de choisir le courant d’émission, c’est-à-dire le nombre des électrons émis par le filament, entre 20 et 5000 µA, avec une résolution de 0,001 µA. Dans les mesures présentées dans ce travail, la valeur de l’énergie cinétique des électrons a été fixée à 70 V, avec une intensité du courant d’émission de 500 µA. Ce choix arbitraire est dicté par le fait que cette valeur de l’énergie cinétique des électrons correspond au maximum de la section efficace d’ionisation pour la plupart des molécules organiques et, donc, il maximise la probabilité d’ionisation des molécules analysées en augmentant la sensibilité de la mesure .
L’analyseur de masse
L’analyseur est l’élément principal du spectromètre et il est dédié au tri des ions en fonction de leur rapport masse sur charge, m/e. Il en existe plusieurs types qui offrent des performances différentes en termes de sensibilité et de résolution. Dans le filtre de masse quadripolaire, le tri est réalisé par l’application d’un champ électrique sinusoïdal radiofréquence d’amplitude variable superposé à un champ continu. Comme on peut voir de la définition de force (F = mγ = eE, où m est la masse, γ l’accélération et e la charge des ions et E le champ électrique du filtre), l’accélération des ions, et donc leur trajectoire, sous l’effet d’un champ électrique est fonction du rapport m/e : en agissant sur les propriétés du champ électrique, il est donc possible de trier en masse les ions qui traversent le filtre.
Le détecteur
La fonction du détecteur est de recueillir les ions sélectionnés par le filtre de manière à produire un courant électrique proportionnel au nombre d’ions. Il est constitué d’un collecteur et d’un ensemble électronique de mesure et d’amplification du signal. Le système de détection dans l’Hiden HAL 201 RC permet de choisir parmi un collecteur de Faraday et un multiplicateur d’électrons mono – canal (SCEM ou Channeltron).
Un collecteur de Faraday est une boite longue et étroite dans laquelle les ions pénètrent par une extrémité, l’autre est fermé et branché à un électromètre. Lorsqu’un ion frappe la surface du collecteur, il provoque un gain net de charge sur la surface métallique, provenant de la neutralisation de la charge de l’ion incident. La différence de potentiel ainsi créée correspond au nombre des ions parvenus et est enregistré par l’électromètre. Une plaque portée à un potentiel négatif est généralement placée devant le collecteur, c’est le suppresseur d’électrons, il évite un artefact de mesure dû à l’émission des électrons secondaires en présence d’ions de grande énergie cinétique.
Le collecteur de Faraday est un détecteur précis et robuste, mais peu sensible. De plus, cette technique de détection est caractérisée par une certaine lenteur de la mesure (grand gain de l’électromètre) et un bruit du fond important, en particulier lorsqu’on s’approche de la limite de détection .
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Table des matières
Introduction générale
1. Chapitre 1
1.1 Contexte
1.2 Contamination
1.2.1 Introduction aux phénomènes d’adsorption et désorption
1.2.1.1 Sorption
1.2.1.2 Désorption
1.2.1.3 Dégazage
1.2.2 Influence de la température sur le taux de dégazage
1.2.3 Travaux expérimentaux existants
2. Chapitre 2 : Instrumentation et protocoles expérimentaux
2.1 La spectrométrie de masse
2.1.1 Principe de la spectrométrie de masse (RGA)
2.1.2 Description du dispositif expérimental et qualification du banc de mesure RGA
2.1.3 Procédure de mesure RGA
2.2 La chromatographie en phase gazeuse : TD-GCMS/FID
2.3 La spectroscopie de photoélectrons à rayons X (XPS)
2.4 Présentation des pompes turbo moléculaires ATHM
2.4.1 Éléments d’une pompe ATHM
2.4.2 Principe d’asservissement d’une pompe ATHM
2.4.3 Principe de pompage turbomoléculaire hybride
2.5 Description de la chaîne de production des turbines et des stators des pompes turbo moléculaires hybrides
2.5.1 Description du nettoyage « in vitro »
3. Chapitre 3 : Résultats expérimentaux
3.1 Analyse préliminaire de la contamination produite par la chaîne de production des pompes turbo moléculaires ATH 2303 M
3.1.1 Étapes du procédé de production des turbines des pompes turbo moléculaires
3.1.2 Échantillons
3.1.3 Analyse TD-GCMS préliminaire
3.1.3.1 Résultats de l’analyse TD-GCMS préliminaire
3.1.3.2 Spectres de masse des composés organiques résidus du nettoyage, d’après la base des données du NIST
3.1.3.3 Conclusions de l’analyse TD-GCMS préliminaire
3.1.4 Analyse XPS préliminaire
3.1.4.1 Résultats de l’analyse XPS préliminaire
3.1.4.2 Conclusions de l’analyse XPS préliminaire
3.1.5 Conclusions globales de l’analyse préliminaire de la contamination produite par la chaîne de production des pompes turbo moléculaires ATH 2303 M
3.2 Étude de la contamination résiduelle après le procédé de nettoyage des pièces en aluminium de pompe ATH 2303 M
3.2.1 Caractérisation préliminaire du spectre de masse d’un échantillon après nettoyage
3.2.2 Étude du dégazage de la contamination résiduelle en fonction de la variation de la température de la surface de l’échantillon
3.2.3 Caractérisation du procédé de nettoyage « in vitro »
3.2.3.1 Validation du procédé de nettoyage « in vitro » (comparaison du nettoyage industriel et nettoyage « in vitro »)
3.2.3.2 Étude de la contamination résiduelle en fonction de la concentration de la lessive Surtec 600 utilisée dans le nettoyage
3.2.3.3 Étude de la contamination résiduelle en fonction de la procédure de séchage (comparaison du séchage à l’air chaud et séchage à l’N2 à température ambiante)
3.2.4 Conclusions globales de l’étude de la contamination résiduelle après le procédé de nettoyage des pièces en aluminium de pompe ATH 2303 M
4. Chapitre 4 : Conclusions
Conclusion générale
