Septembre 2002 - n°70
Le rôle des
pompes à vide sur les microscopes électroniques à balayage
BOC Edwards
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Les microscopes électroniques à balayage (MEB) sont utilisés
pour la vérification et l’analyse d’échantillons en
laboratoire dans de nombreuses applications. Ils sont utilisés seuls
pour l’observation fine des surfaces ou avec une micro-analyse à
rayons X pour des analyses chimiques. Certains sont fournis comme éléments
d’un système complet, comme c’est le cas pour l’analyse
de l’huile de réacteurs d’avion ou pour certaines applications
d’analyses légales. Tous les microscopes électroniques utilisent
la technique du vide, leur fonctionnement repose sur un ensemble de pompes.
Dans la pratique, il existe dans le microscope plusieurs chambres qui se trouvent
à des niveaux de vide différents. Cela exige un système
de pompes, jauges et contrôleurs assez complexe pour maintenir la pression
optimum dans chaque zone. Cette complexité est souvent masquée
par une interface simple à utiliser. Toutefois, une bonne compréhension
du fonctionnement de base est utile à tous ceux qui ont pour mission
de sélectionner et d’entretenir des microscopes électroniques.
Spécification du système de vide
Source
La zone source est celle où se trouve le canon à électrons
(filament). Elle doit être maintenue sous vide poussé pour garantir
la brillance et la durée de vie du filament. Les appareils haut de gamme
pour la recherche utilisent des sources à effet de champ. Un vide de
10-9 mbar est alors nécessaire.
Pour l’obtenir, on utilise une cascade de trois pompes : une pompe primaire
à spirale, une pompe secondaire turbomoléculaire et ensuite une
pompe ionique pour atteindre un vide très poussé.
Colonne
La colonne contient les bobines qui créent le champ magnétique
utilisé pour diriger le faisceau. Il faut dans cette zone un vide de
10-5 mbar pour permettre aux électrons de progresser vers la cible. Pour
cela, on utilise la pompe primaire et la pompe secondaire (diffusion ou turbomoléculaire).
Chambre d’analyse
Le vide optimal de la chambre où se trouve l’échantillon
varie considérablement en fonction de l’application et peut être
compris entre 20 et 10-6 mbar. Pour des échantillons compacts, on utilisera
un vide poussé dans lequel les faisceaux d’électrons primaire
et secondaire se déplacent plus facilement. Dans le cas d’échantillons
organiques contenant une grande proportion d’eau, on utilisera un vide
plus faible pour éviter de fragiliser l’échantillon en le
déshydratant.
Pilotage du système
Un contrôle strict des différents niveaux de pression est
essentiel au bon fonctionnement du microscope. Celui-ci est généralement
assuré par un ordinateur qui pilote les pompes, les jauges ainsi que
les vannes qui séparent les chambres. De plus en plus fréquemment,
on utilise des ensembles de jauges intelligents pour réduire les coûts
et fiabiliser le contrôle. Un ordinateur centralise l’acquisition
et l’affichage des données.
Contrôle du bruit et des vibrations
Les conditions d’utilisation des MEB imposent de limiter le bruit
et le niveau de vibrations. A cet égard, le choix de la pompe à
vide et de son montage sont extrêmement importants. Habituellement, la
pompe primaire est posée au sol sur un amortissement de vibrations et
la pompe secondaire - souvent turbomoléculaire à faible niveau
de vibrations - est montée sous la chambre.
Le pompage sec
Dans le passé, les pompes à vide utilisaient de l’huile,
soit pour étancher les pompes (pompes à palettes), soit comme
fluide de pompage (pompes à diffusion). Des pompes sèches telles
que les pompes à spirales ont été développées
récemment et éliminent tout risque de contamination du microscope
par de la vapeur d’huile émise par la pompe. Les utilisateurs de
microscopes électroniques recherchent en permanence une meilleure résolution
et une plus longue durée de vie des filaments. Ceci conduit à
monter de plus en plus de pompes sèches ; bien que celles-ci soient plus
chères, elles nécessitent beaucoup moins de maintenance et apportent
de meilleures performances que les pompes humides.
Maintenance
Dans un MEB, la propreté du vide est essentielle pour assurer
au filament sa performance optimale, ne pas perturber le trajet des électrons
et éviter la contamination de l’échantillon. Pour cette
raison, il faut veiller à utiliser des outils propres et toujours porter
des gants lorsqu’on intervient sur les composants internes de l’appareil.
La maintenance des pompes à spirales se résume au changement des
joints de spirale une fois par an, cette opération demande environ 10
minutes. La révision complète se fait tous les 4 à 5 ans…