Rev. Phys. Appl. (Paris) 7, 95-106 (1972)
DOI: 10.1051/rphysap:019720070209500

Détermination des grandeurs caractéristiques des analyseurs électrostatiques toriques. Application à l'optimisation d'analyseurs utilisés en physique spatiale

P. Decreau¹, R. Prange² et J.J. Berthelier<sup>3

1</sup>  Groupe de Recherches Ionosphériques, CNRS, 45-Orléans 02
²  Laboratoire de Physique Stellaire et Planétaire, CNRS, 91-Verrières-le-Buisson
³  Groupe de Recherches lonosphériques, CNRS, 94-Saint-Maur-des-Fossés

Abstract
We present a numerical method to calculate the characteristic properties of electrostatic analysers in the general case of toroïdal plates. The electrostatic field is given by a series expansion of the reduced coordinates which gives the position of a point with respect to the mean trajectory. We calculate the coefficients of this series to the desired order, and the trajectory of a particle is then determined by integrating numerically the equations of motion. Investigating every case of incidence, we obtain the characteristic properties of the analyser. Results are compared with those obtained by a rheographic simulation of the analyser. Two examples are given in which numerical programs were used. These examples correspond to typical problems in the earth environment : analysers with good resolution, in energy and angle, analysers with large entry area and wide energy range. The choice of a toroïdal shaped analyser improves considerably the performance obtained classically by using cylindrical or spherical analysers.

Résumé
On présente une méthode numérique de détermination des caractéristiques d'analyseurs électrostatiques de particules, valable dans le cas général d'électrodes toriques. Le champ électrostatique est exprimé sous forme d'un développement limité en fonction de coordonnées réduites, définissant la position d'un point par rapport à l'équipotentielle moyenne. On évalue les coefficients de ce développement jusqu'à un ordre donné quelconque, et la trajectoire d'une particule est déterminée par intégration numérique des équations du mouvement. On aboutit, par exploration des différents cas d'incidence, aux grandeurs caractéristiques de l'analyseur. Les résultats sont comparés avec ceux obtenus au moyen d'une simulation en cuve rhéographique. On présente deux exemples concrets d'utilisation du programme numérique mis au point, exemples qui répondent à des problèmes de mesure en milieu spatial : analyseur à grands pouvoirs de résolution en énergie et en angle, analyseur à grand domaine d'entrée et large bande passante en énergie. La forme torique permet d'élargir de manière très appréciable le cadre des performances obtenues à l'aide d'analyseurs de formes classiques, cylindriques ou sphériques.

PACS
0775 - Mass spectrometers and mass spectrometry techniques.

Key words
electrostatic devices -- mass spectrometers -- characteristics -- toroidal electrostatic analysers -- optimization -- space physics -- rheographic simulation