EP1474820B1 - Piege a ions a aimant permanent et spectrometre de masse utilisant un tel aimant - Google Patents

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EP1474820B1
EP1474820B1 EP03709859A EP03709859A EP1474820B1 EP 1474820 B1 EP1474820 B1 EP 1474820B1 EP 03709859 A EP03709859 A EP 03709859A EP 03709859 A EP03709859 A EP 03709859A EP 1474820 B1 EP1474820 B1 EP 1474820B1
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EP
European Patent Office
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ion trap
electrodes
trap according
magnetic field
magnet
Prior art date
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Expired - Lifetime
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EP03709859A
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German (de)
English (en)
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EP1474820A1 (fr
Inventor
Gérard Bellec
Pierre Boissel
Michel Heninger
Joel Lemaire
Gérard MAUCLAIRE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Pierre et Marie Curie Paris 6
Universite Paris Sud Paris 11
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Pierre et Marie Curie Paris 6
Universite Paris Sud Paris 11
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite Pierre et Marie Curie Paris 6, Universite Paris Sud Paris 11 filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP1474820A1 publication Critical patent/EP1474820A1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/02—Permanent magnets [PM]
    • H01F7/0273—Magnetic circuits with PM for magnetic field generation
    • H01F7/0278—Magnetic circuits with PM for magnetic field generation for generating uniform fields, focusing, deflecting electrically charged particles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/36—Radio frequency spectrometers, e.g. Bennett-type spectrometers, Redhead-type spectrometers
    • H01J49/38—Omegatrons ; using ion cyclotron resonance

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic ion trap and a mass spectrometer using such a trap.
  • Ion traps are used in many applications of molecular physics and in particular in ionic cyclotron resonance phenomena implemented, for example, in Fourier transform mass spectrometers or FTICR.
  • These magnetic ion traps maintain captive ions in a defined volume in order to perform various measurements such as the detection of cyclotronic movements.
  • the magnetic ion traps implement means for generating a homogeneous magnetic field of high intensity comprising resistive solenoids or superconductors.
  • the qualities of an ion trap are related to the homogeneity and intensity of the magnetic field to which it is subjected. Indeed, certain trap performances vary according to the square of the intensity of the magnetic field and a minimum value of the order of 1 tesla is recommended for an efficient application to FTICR type mass spectrometry.
  • the Siemens "Advance Quantra” mass spectrometer uses a permanent magnet generating a magnetic field of the tesla order but requires a closed geometry that is very restrictive.
  • the object of the present invention is to overcome this problem by defining a magnetic ion trap, space and reduced weight, while maintaining good performance and practical geometry.
  • the subject of the invention is a vacuum ion trap comprising a sealed treatment chamber and a permanent magnet delimiting a cavity and creating a homogeneous magnetic field and oriented in said cavity, said chamber being disposed in said cavity and enclosing a confinement cell comprising at least two trapping electrodes parallel to each other and perpendicular to said oriented magnetic field, said trapping electrodes being connectable to a voltage generator, characterized in that it comprises at least one permanent magnet in the form of a hollow cylinder , structured according to a Halbach cylinder-type structure, for generating said homogeneous permanent magnetic field and oriented perpendicularly to the longitudinal axis of the cavity of said magnet.
  • the subject of the invention is also a mass spectrometer comprising a magnetic ion trap, a pumping device, a trapping voltage generator, and measuring means suitable for carrying out an analysis.
  • a mass spectrometer comprising a magnetic ion trap, a pumping device, a trapping voltage generator, and measuring means suitable for carrying out an analysis.
  • the Fourier Transform Mass Spectrometer or FTICR shown on the figure 1 is equipped with a magnetic ion trap 2 according to the invention.
  • This magnetic ion trap 2 comprises a sealed treatment chamber 4, of generally cylindrical shape with a longitudinal axis XX ', connected to a device 6 for pumping.
  • the pumping device 6 comprises, for example, an assembly of turbo molecular pumps, diaphragm pumps and injection and gas extraction pipes in order to control the density and the nature of the atmosphere inside the pump. the enclosure 4.
  • the device 6 ensures the creation, in the chamber 4, an ultrahigh vacuum atmosphere whose pressure is of the order of 10 -8 millibars.
  • This mass spectrometer comprises, in the chamber 4, a filament 7 for generating electrons, which makes it possible in particular to emit electrons in order to create ions in the chamber 4.
  • a confinement cell 8 defining a treatment volume in which the movement of the ions can be analyzed is provided in the chamber 4.
  • the cell 8 comprises two trapping electrodes 10 of planar and square shape extending parallel to each other and parallel to the longitudinal axis XX 'of the enclosure 4.
  • Each electrode 10 has an opening 11 at its center and the electrodes 10 are arranged so that their openings are aligned with the electron emission axis of the filament 7.
  • the electrodes 10 are further electrically connected to a trapping DC voltage generator 12, to be electrically charged to a predetermined potential.
  • the cell 8 also comprises two planar and square shaped excitation electrodes 14 extending parallel to each other, perpendicular to the trapping electrodes 10 and perpendicular to the longitudinal axis XX 'of the enclosure 4.
  • the excitation electrodes 14 are electrically connected to an excitation signal generator 16.
  • the cell 8 comprises two detection electrodes 18, of planar and square shape extending parallel to each other and perpendicularly to the trapping electrodes 10 and the electrodes 14 of excitation.
  • the measurement electrodes 18 are connected to a measuring device 20 constituted, for example, by a microcomputer equipped with electronic acquisition cards and appropriate analysis software.
  • the trapping electrodes 10, excitation 14 and measurement 18 are arranged so that the cell 8 has the general shape of a cube or more generally of a rectangular parallelepiped.
  • the electrodes used are 20 mm square plates on the side, made from ARCAP AP4 material mounted on a MACOR insulating support and electrically connected using silver wires.
  • the ion trap 2 further comprises two identical permanent magnets 30, cylindrical in shape and recessed so as to have cavities along their longitudinal axes.
  • each magnet in the form of a hollow cylinder or a tube.
  • Magnets 30, described in more detail with reference to Figures 2 and 3 are permanent magnets structured according to a so-called Halbach cylinder structure. Such magnets are described in particular in the document WO-A-00 62313 .
  • Each magnet 30 generates because of its structure, a magnetic field B homogeneous and oriented transversely to its longitudinal axis.
  • the magnets 30 have annular sections as shown in the cross-sectional views shown in the drawings. Figures 2 and 3 .
  • They comprise a plurality of elementary segments magnetized in different directions, angularly distributed about the axis and extending generally along a longitudinal generatrix of the magnet 30.
  • the Halbach cylinder represents a symmetrical structure with respect to a plane of symmetry defined by the longitudinal axis of the cylinder and the homogeneous magnetic field direction B created by this cylinder.
  • the elementary segments constituting the cylinder thus correspond two by two symmetrically on either side of this plane of symmetry and are magnetized in symmetrical directions with respect to this plane.
  • the elementary segments disposed on the same side of the plane of symmetry are magnetized in directions varying gradually over a range of 360 ° depending on the angular position of the segment on the half-cylinder defined on the same side of the plane of symmetry.
  • the segments are arranged in a ring in a sequence such that the segments symmetrical with respect to the longitudinal axis of the cylinder, are magnetized with the same orientation.
  • the angular variation between the orientations of the magnetizations of two adjacent segments is constant.
  • This variation of orientation of the magnetizations differs from one segment to another by an angle corresponding to 360 ° divided by half the number of segments.
  • the magnet 30 has eight segments, so that the orientation of the magnetization of each segment is shifted by 90 ° with respect to those of the adjacent segments.
  • the sixteen segments have magnetizations whose orientations are offset from each other by 45 °.
  • Each hollow cylinder-shaped magnet 30 generates, inside its cavity and perpendicularly to its longitudinal axis, a homogeneous magnetic field B, permanent and high intensity.
  • B r is the remanent magnetic field due to the materials used
  • r 0 is the outside diameter of the rolls 30
  • r 1 is the inside diameter.
  • the length of the cylinder intervenes on the real intensity of the field as well as on its homogeneity.
  • these magnets 30 consist of Nd-Fe-B, or Neodymium Iron Boron, have an outer diameter of 20 cm, inner 5 cm and a length of 10 cm. They then each generate a permanent magnetic field of 1 Tesla with a homogeneity of the order of 1 to 100 in a central volume of about 1 cm 3 .
  • the two magnets 30 are arranged coaxially and axially separated by an interval ⁇ .
  • they are arranged so that their polar structures are oriented identically to generate homogeneous magnetic fields oriented in the same direction.
  • the interval ⁇ is typically less than 1 mm, advantageously between 0.3 and 0.7 mm and preferably equal to 0.5 mm.
  • the magnets 30 form in their center a cavity 32 and thanks to their structures and their arrangement, they generate, throughout the cavity 32, a homogeneous magnetic field of high intensity.
  • the magnetic field created by the magnets 30 in the cell 8 is at least equal to the field of each magnet 30 so that the cell 8 is subjected to a field at least equal to 1 Tesla.
  • the interval ⁇ is adjusted to obtain a magnetic field of maximum homogeneity in the cell 8.
  • the dimensions of the magnets 30 are adjusted to ⁇ 10%.
  • the treatment chamber 4 is disposed coaxially within the cavity 32 defined by the magnets 30, so that the axis XX 'represents the longitudinal axis of the enclosure 4 and the magnets 30.
  • the chamber 4 is oriented so that the trapping electrodes 10 are perpendicular to the magnetic field B generated by the magnets 30.
  • gas samples are injected into the chamber 4 by the pumping device 6.
  • the filament 7 then emits electrons that enter the cell 8 through the openings 11 of the trapping electrodes 10. These electrons ionize gas molecules contained inside the chamber 4 and in particular inside the cell 8.
  • the ions produced are then trapped in the confinement cell 8 and can be excited so as to obtain a mass spectrum by so-called Fast Fourier Transform analysis.
  • the ion trap 2 has a cell 8 with a volume of 8 cm 3 and a magnetic field of the order of 1.25 tesla.
  • the magnetic ion trap 2 is of reduced size while allowing the creation of a homogeneous magnetic field of high intensity in a cell of sufficient size to conduct experiments.
  • the pumping device 6, the generators 12 and 16 and the analysis means 20 are of reduced size, so that the mass spectrometer described with reference to FIG. figure 1 , constitutes an installation with a footprint of the order of one cubic meter and a weight of the order of one hundred kilos.
  • such a mass spectrometer requires only a standard power supply and may possibly operate on battery so that it is easily transportable.
  • the device 6 creates in the chamber 4 an ultrahigh vacuum in which are injected, in gaseous form, samples to be analyzed. These injections are, for example, implemented by a pulsed valve operating with opening periods of the order of ten milliseconds.
  • the filament 7 Under the effect of an excitation, the filament 7 generates electrons emitted in the direction of the chamber 4 of treatment in order to the molecules contained therein.
  • these ions 40 are subjected to the magnetic field B and describe trajectories of general helical shapes.
  • the trapping electrodes 10 are charged to a constant potential V by the DC voltage generator 12.
  • the ions 40 are held in the cell 8 between the trapping electrodes 10.
  • the other electrodes not shown in FIG. figure 5 also participate in this trapping by generating a potential well between the electrodes 10.
  • the generator 16 delivers to the excitation electrodes 14 excitation signals phase shifted by 180 °.
  • the circular motion of the ions 40 held in the cell 8 is modified and in particular the radii of their trajectories vary.
  • the ions come into resonance and can be ejected from the cell 8 by widening their trajectories or can be excited in a coherent manner, so as to describe stable trajectories of large radii.
  • This electrical signal is introduced into the measuring means 20 which amplify it by means of an amplifier 42 before processing it in processing means 44.
  • the latter make it possible, for example, to sample the induced signal before digitizing it, then to perform a Fast Fourier Transform to obtain a frequency spectrum of cyclotron resonance.
  • this frequency spectrum allows an accurate determination of the mass of the ions 40 contained in the cell 8.
  • This figure shows a partial sectional view of the magnetic ion trap 2 along the axis XX '.
  • the ion trap 2 comprises the chamber 4 integrated in the cavity 32 of the structured cylindrical magnets 30.
  • the confinement cell 8 disposed inside the treatment chamber 4 comprises two flat and square trapping electrodes 10 parallel to one another and extending perpendicular to the magnetic field B.
  • the two detection electrodes 18 are arranged perpendicularly to the electrodes 10 and parallel to the longitudinal axis of the magnets 30.
  • the excitation electrodes 14 each consist of four square plates, electrically interconnected and each defining a cube structure open by two opposite faces.
  • the openings of the two cubes constituting the electrodes 14 are oriented toward each other along the longitudinal axis of the magnets 30.
  • the set of electrodes thus defines inside the enclosure 4, a containment cell 50 in the general tunnel shape oriented along the longitudinal axis XX 'of the magnets 30.
  • Such a structure can be defined as an open structure and has many advantages of implementation in particular for the ionization of the molecules present in the chamber 4 and for the characterization of the ions by the interaction with photon beams or with other molecules.
  • the enclosure 4 comprises means of connection to means 51 for injecting gas and has at its ends portholes 52, so that it is possible to directly project gases into the cell 50 or to make it through the portholes 52 pass through photons emitted, for example, by a laser beam.
  • the magnetic ion trap 2 of the invention has small dimensions and a small footprint while allowing quality processing of a large quantity of samples.
  • the structured cylindrical magnets made of Halbach cylinders are integrated inside the treatment chamber.
  • an ion trap according to the invention from a single magnet and with other forms of electrodes such as for example cylindrical or rectangular electrodes.
  • the generators of excitation voltage, trapping voltage and the measuring means can be combined into a single device, such as a microcomputer equipped with electronic input-output cards adapted for the generation of signals. excitation and trapping voltages.

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Description

  • La présente invention concerne un piège à ions magnétique et un spectromètre de masse utilisant un tel piège.
  • Les pièges à ions sont utilisés dans de nombreuses applications de la physique moléculaire et notamment dans les phénomènes de résonance cyclotronique ioniques mis en oeuvre, par exemple, dans les spectromètres de masse à transformée de Fourier ou FTICR.
  • Ces pièges à ions magnétiques permettent de maintenir des ions captifs dans un volume délimité afin d'effectuer différentes mesures telles que la détection de mouvements cyclotroniques.
  • De manière classique, les pièges à ions magnétiques mettent en oeuvre des moyens de génération d'un champ magnétique homogène de forte intensité comprenant des solénoïdes résistifs ou supraconducteurs.
  • Ces moyens de génération permettent en effet d'obtenir des champs magnétiques de forte intensité pouvant atteindre jusqu'à 9,4 tesla et présentant une grande stabilité temporelle.
  • Cependant, ces composants sont d'un encombrement très important et peuvent atteindre des poids de plusieurs tonnes. En outre ils nécessitent des installations complexes d'alimentation et de refroidissement et sont donc réservés à des installations fixes.
  • Afin de permettre le développement de dispositifs mobiles, certains pièges à ions magnétiques mettent en oeuvre des aimants permanents (Zeller L.C, Kennady J.M, Campana J.E., Kenttamaa H.I, Anal. Chem. 1993, 65, 2116-2118, brevet US-A-5 451 781 DIETRICH).
  • Cependant, ces aimants permanents génèrent des champs limités généralement à environ 0,4 tesla et/ou sur des volumes trop faibles.
  • Les qualités d'un piège à ions sont liées à l'homogénéité et l'intensité du champ magnétique auquel il est soumis. En effet, certaines performances de piège varient en fonction du carré de l'intensité du champ magnétique et une valeur minimum de l'ordre de 1 tesla est recommandée pour une application performante à la spectrométrie de masse de type FTICR.
  • Le spectromètre de masse « Advance Quantra de Siemens », utilise un aimant permanent générant un champ magnétique de l'ordre du tesla mais requiert pour cela une géométrie fermée très contraignante.
  • Le but de la présente invention est de remédier à ce problème en définissant un piège à ions magnétique, d'encombrement et de poids réduits, tout en préservant de bonnes performances et une géométrie pratique.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un piège à ions sous vide comportant une enceinte de traitement étanche et un aimant permanent délimitant une cavité et créant un champ magnétique homogène et orienté dans ladite cavité, ladite enceinte étant disposée dans ladite cavité et renfermant une cellule de confinement comprenant au moins deux électrodes de piégeage parallèles entre elles et perpendiculaires audit champ magnétique orienté, lesdites électrodes de piégeage étant connectables à un générateur de tension, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un aimant permanent en forme de cylindre creux, structuré selon une structure de type cylindre de Halbach, afin de générer ledit champ magnétique permanent homogène et orienté perpendiculairement à l'axe longitudinal de la cavité dudit aimant.
  • Suivant d'autres caractéristiques :
    • les dimensions et la composition du ou de chaque aimant sont adaptées pour engendrer un champ magnétique permanent homogène d'une intensité au moins de 0,8 tesla ;
    • le piège à ions comporte deux aimants permanents en forme de cylindres creux, tous deux structurés selon des structures de type cylindre de Halbach, de dimensions et de composition identique, disposés coaxialement suivant un même axe longitudinal et orientés de manière à faire coïncider l'orientation des champs magnétiques qu'ils génèrent ;
    • les deux aimants permanents sont espacés entre eux, selon leur axe longitudinal, par un intervalle prédéterminé non nul afin d'accroître l'homogénéité dudit champ magnétique ;
    • ledit intervalle est inférieur à 1 mm ;
    • le ou chaque aimant permanent présente un diamètre intérieur compris entre 45 et 55 mm, un diamètre extérieur compris entre 180 et 220 mm et une longueur comprise entre 90 et 110 mm ;
    • le ou chaque aimant permanent (30) est composé de segments élémentaires en Nd-Fe-B ;
    • ladite cellule de confinement comporte en outre deux électrodes de détection parallèles entre elles et perpendiculaires auxdites électrodes de piégeage, lesdites électrodes de mesure étant connectables à des moyens de mesure afin de transmettre des informations relatives aux mouvements des ions contenus dans ladite cellule de confinement ;
    • ladite cellule de confinement comporte en outre deux électrodes d'excitation parallèles entre elles et perpendiculaires auxdites électrodes de piégeage, lesdites électrodes d'excitation étant connectables à un générateur de signaux d'excitation afin d'exciter les ions contenus dans ladite cellule de confinement ;
    • lesdites électrodes de piégeage, d'excitation et de détection sont planes et de formes rectangulaires de sorte que ladite cellule de confinement présente une forme générale de parallélépipède rectangle ;
    • lesdites électrodes d'excitation sont chacune constituées de quatre plaques, agencées selon la forme générale d'un parallélépipède rectangle ouvert par deux faces opposées, lesdites électrodes d'excitation étant disposées suivant un même axe, de part et d'autre desdites électrodes de piégeage, lesdites faces ouvertes se faisant face de sorte que ladite cellule de confinement présente une forme générale de tunnel ;
    • ladite cellule de confinement en forme générale de tunnel est placée selon l'axe longitudinal dudit aimant ; et
    • ladite enceinte de traitement comporte, à au moins une extrémité, un hublot disposé dans l'axe de la cellule en forme générale de tunnel, et permettant le passage de photons ;
    • l'enceinte de traitement comporte des moyens de connexion à des moyens de pompage et d'injection de gaz afin de commander la densité et/ou la nature de l'atmosphère dans l'enceinte de traitement ; et
    • il est associé à des moyens d'émission d'électrons vers ladite enceinte afin de générer des ions au moins dans ladite cellule de confinement.
  • L'invention a également pour objet un spectromètre de masse comportant un piège à ions magnétique, un dispositif de pompage, un générateur de tension de piégeage, et des moyens de mesure, propres à effectuer une analyse par transformée de Fourier du mouvement cyclotron des ions contenus dans le piège à ions, caractérisé en ce que ledit piège à ions magnétique est un piège tel que décrit précédemment.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
    • la Fig.1 est un schéma de principe d'un spectromètre de masse équipé d'un piège à ions selon l'invention représenté selon une vue en coupe partielle;
    • la Figs. 2 et 3 sont des coupes transversales des aimants permanents utilisés dans l'invention ;
    • la Fig. 4 est un schéma de principe du mouvement d'un ion dans un champ magnétique uniforme ;
    • la Fig. 5 est une représentation partielle en perspective d'électrodes de piégeage contenues dans un piège à ions selon l'invention ;
    • les Figs. 6 et 7 sont des vues de dessus de la cellule de confinement du piège à ions de l'invention ; et
    • la Fig.8 est une vue en coupe partielle d'un second mode de réalisation du piège à ions de l'invention.
  • Le spectromètre de masse à transformée de Fourrier ou FTICR illustré sur la figure 1 est équipé d'un piège à ions magnétique 2 selon l'invention.
  • Ce piège à ions magnétique 2 comporte une enceinte de traitement étanche 4, de forme générale cylindrique d'axe longitudinal XX', reliée à un dispositif 6 de pompage.
  • Le dispositif de pompage 6 comprend, par exemple, un assemblage de pompes turbo moléculaires, de pompes à membranes et de canalisations d'injection et d'extraction de gaz afin de commander la densité et la nature de l'atmosphère à l'intérieur de l'enceinte 4.
  • En fonctionnement, le dispositif 6 assure la création, dans l'enceinte 4, d'une atmosphère ultravide dont la pression est de l'ordre de 10-8 millibars.
  • Ce spectromètre de masse comporte, dans l'enceinte 4, un filament 7 de génération d'électrons, qui permet notamment d'émettre des électrons afin de créer des ions dans l'enceinte 4.
  • Une cellule de confinement 8 définissant un volume de traitement dans lequel le mouvement des ions peut être analysé est prévue dans l'enceinte 4.
  • La cellule 8 comporte deux électrodes de piégeage 10, de forme plane et carrée s'étendant parallèlement l'une à l'autre et parallèlement à l'axe longitudinal XX' de l'enceinte 4.
  • Chaque électrode 10 présente une ouverture 11 en son milieu et les électrodes 10 sont disposées de sorte que leurs ouvertures sont alignées avec l'axe d'émission d'électrons du filament 7.
  • Les électrodes 10 sont en outre reliées électriquement à un générateur 12 de tension continue de piégeage, pour être chargées électriquement à un potentiel prédéterminé.
  • La cellule 8 comporte également deux électrodes d'excitation 14, de forme plane et carrée s'étendant parallèlement l'une à l'autre, perpendiculairement aux électrodes 10 de piégeage et perpendiculairement à l'axe longitudinal XX' de l'enceinte 4.
  • Les électrodes d'excitation 14 sont reliées électriquement à un générateur de signaux d'excitation 16.
  • Enfin, la cellule 8 comporte deux électrodes de détection 18, de forme plane et carrée s'étendant parallèlement l'une à l'autre et perpendiculairement aux électrodes 10 de piégeage ainsi qu'aux électrodes 14 d'excitation.
  • Les électrodes 18 de mesure sont reliées à un dispositif de mesure 20 constitué, par exemple, d'un micro-ordinateur doté de cartes électroniques d'acquisition et de logiciels d'analyses appropriés.
  • Les électrodes de piégeage 10, d'excitation 14 et de mesure 18 sont disposées de sorte que la cellule 8 a la forme générale d'un cube ou plus généralement d'un parallélépipède rectangle.
  • Par exemple, les électrodes utilisées sont des plaques carrées de 20 mm de coté, réalisées à base d'un matériau ARCAP AP4 monté sur un support isolant en MACOR et reliées électriquement à l'aide de fils d'argent.
  • Le piège à ions 2 comporte en outre deux aimants permanents 30 identiques, de forme cylindrique et évidés de manière à présenter des cavités selon leurs axes longitudinaux. Ainsi chaque aimant à la forme d'un cylindre creux ou d'un tube.
  • Les aimants 30, décrits plus en détail en référence aux figures 2 et 3, sont des aimants permanents structurés selon une structure dite de type cylindre de Halbach. De tels aimants sont décrits notamment dans le document WO-A-00 62313 .
  • Chaque aimant 30 génère du fait de sa structure, un champ magnétique B homogène et orienté transversalement à son axe longitudinal.
  • Les aimants 30 présentent des sections annulaires ainsi que cela est représenté sur les vues en coupe illustrées sur les figures 2 et 3.
  • Ils comportent une pluralité de segments élémentaires aimantés dans des directions différentes, répartis angulairement autour de l'axe et s'étendant généralement suivant une génératrice longitudinale de l'aimant 30.
  • Le cylindre de Halbach représente une structure symétrique par rapport à un plan de symétrie défini par l'axe longitudinal du cylindre et la direction de champ magnétique homogène B créé par ce cylindre.
  • Les segments élémentaires constituant le cylindre, se correspondent ainsi deux à deux symétriquement de part et d'autre de ce plan de symétrie et sont aimantés dans des directions symétriques par rapport à ce plan.
  • De plus, les segments élémentaires disposés d'un même coté du plan de symétrie, sont aimantés dans des directions variant progressivement sur une plage de 360° en fonction de la position angulaire du segment sur le demi-cylindre défini d'un même coté du plan de symétrie.
  • En d'autres termes, les segments sont disposés en anneau selon une séquence telle que les segments symétriques par rapport à l'axe longitudinal du cylindre, sont aimantés avec une même orientation. De plus la variation angulaire entre les orientations des aimantations de deux segments adjacents est constante.
  • Cette variation d'orientation des aimantations diffère d'un segment à l'autre d'un angle correspondant à 360° divisé par la moitié du nombre de segments.
  • Ainsi, comme cela est décrit en référence à la figure 2, l'aimant 30 comporte huit segments, de sorte que l'orientation de l'aimantation de chaque segment est décalée de 90° par rapport à celles des segments adjacents.
  • De même, en référence à la figure 3, les seize segments présentent des aimantations dont les orientations sont décalées les unes par rapport aux autres de 45°.
  • Chaque aimant 30 enforme de cylindre creux, génère, à l'intérieur de sa cavité et perpendiculairement à son axe longitudinal, un champ magnétique B homogène, permanent et de forte intensité.
  • Pour une longueur infinie, le champ magnétique théorique B ainsi obtenu dans chaque cylindre répond à la formule suivante : B ⁢   =     B r ⁢   I ⁢ n   r 0 r 1
    Figure imgb0001
    . Dans cette formule, Br est le champ magnétique rémanent dû aux matériaux utilisés, r0 est le diamètre extérieur des cylindres 30 et r1 le diamètre intérieur.
  • La longueur du cylindre intervient sur l'intensité réelle du champ ainsi que sur son homogénéité.
  • Par exemple, ces aimants 30 sont constitués de Nd-Fe-B, ou Néodyme Fer Bore, présentent un diamètre extérieur de 20 cm, intérieur de 5 cm et une longueur de 10 cm. Ils génèrent alors un chacun un champ magnétique permanent de 1 Tesla avec une homogénéité de l'ordre de 1 pour 100 dans un volume central de 1 cm3 environ.
  • Dans le mode de réalisation décrit en référence à la figure 1, les deux aimants 30 sont disposés coaxialement et séparés axialement d'un intervalle δ. De plus, ils sont disposés de sorte que leurs structures polaires sont orientées de manière identique afin de générer des champs magnétiques homogènes orientés dans la même direction.
  • Pour les dimensions choisies pour les aimants 30, l'intervalle δ est typiquement inférieur à 1 mm, avantageusement compris entre 0,3 et 0,7 mm et préférentiellement égal à 0,5 mm.
  • Ainsi alignés, les aimants 30 forment en leur centre une cavité 32 et grâce à leurs structures et leur disposition, ils génèrent, dans l'ensemble de la cavité 32, un champ magnétique homogène de forte intensité.
  • Le champ magnétique créé par les aimants 30 dans la cellule 8 est au moins égal au champ de chaque aimant 30 de sorte que la cellule 8 est soumise à un champ au moins égal à 1 Tesla.
  • Il apparaît en outre qu'à partir des deux aimants 30 de 1 Tesla, la structure double prise en exemple permet d'obtenir dans la cellule de confinement 8, un champ magnétique de 1,25 tesla, valeur équivalente à celle que fournirait un seul aimant de même matériau, longueur et section.
  • De plus, il apparaît que par ajustement de l'intervalle δ, ladite structure double décrite en référence à la figure 1, permet d'obtenir une homogénéité accrue du champ magnétique selon l'axe longitudinal sur une zone beaucoup plus longue que celle obtenue au centre d'un aimant unique équivalent.
  • A cette fin, l'intervalle δ est ajusté pour obtenir un champ magnétique d'homogénéité maximum dans la cellule 8. De même, les dimensions des aimants 30 sont ajustées à ± 10%.
  • En fonctionnement, l'enceinte 4 de traitement est disposée coaxialement à l'intérieur de la cavité 32 définie par les aimants 30, de sorte que l'axe XX' représente l'axe longitudinal de l'enceinte 4 et des aimants 30.
  • L'enceinte 4 est orientée de sorte que les électrodes de piégeage 10 sont perpendiculaires au champ magnétique B généré par les aimants 30.
  • Par la suite, des échantillons de gaz sont injectés dans l'enceinte 4 par le dispositif de pompage 6.
  • Le filament 7 émet alors des électrons qui pénètrent dans la cellule 8 au travers des ouvertures 11 des électrodes de piégeage 10. Ces électrons ionisent des molécules du gaz contenus à l'intérieur de l'enceinte 4 et notamment à l'intérieur de la cellule 8.
  • Les ions produits sont alors piégés dans la cellule de confinement 8 et peuvent être excités de manière à obtenir un spectre de masse par une analyse dite de Transformée de Fourrier Rapide.
  • Il apparaît donc que le piège à ions 2 présente une cellule 8 d'un volume de 8 cm3 et un champ magnétique de l'ordre de 1,25 tesla.
  • Ainsi le piège à ions magnétique 2 est de taille réduite tout en permettant la création d'un champ magnétique homogène de forte intensité dans une cellule de taille suffisante pour conduire des expérimentations.
  • De plus, le dispositif 6 de pompage, les générateurs 12 et 16 et les moyens d'analyse 20 sont de taille réduite de sorte que le spectromètre de masse décrit en référence à la figure 1, constitue une installation d'un encombrement de l'ordre du mètre cube et d'un poids de l'ordre de la centaine de kilos.
  • De même, un tel spectromètre de masse ne requiert qu'une alimentation standard et peut éventuellement fonctionner sur batterie de sorte qu'il est facilement transportable.
  • En référence aux figures 4 à 7, on va maintenant décrire plus en détails le fonctionnement du spectromètre de masse décrit précédemment.
  • Le dispositif 6 crée dans l'enceinte 4 une atmosphère ultravide dans laquelle sont injectés, sous forme gazeuse, des échantillons à analyser. Ces injections sont, par exemple, mises en oeuvre par une vanne pulsée fonctionnant avec des périodes d'ouverture de l'ordre de la dizaine de millisecondes.
  • Sous l'effet d'une excitation, le filament 7 génère des électrons émis en direction de l'enceinte 4 de traitement afin les molécules contenues dans celle-ci.
  • Ces électrons 40 traversent l'une des électrodes de piégeage 10 par les ouvertures 11 et pénètrent dans la cellule 8. Ils ionisent alors par collisions les molécules comprises dans la cellule 8 et entraînent l'apparition d'ions 40.
  • Ainsi que cela est représenté en référence à la figure 4, ces ions 40 sont soumis au champ magnétique B et décrivent des trajectoires de formes générales hélicoïdales.
  • En fonctionnement, les électrodes de piégeage 10 sont chargées à un potentiel constant V par le générateur de tension continue 12.
  • Du fait de la combinaison du champ magnétique B et de la répulsion générée par les électrodes de piégeage 10 chargées à des potentiels V, et ainsi que cela est représenté en référence à la figure 5, les ions 40 sont maintenus dans la cellule 8 entre les électrodes de piégeage 10. Les autres électrodes non représentées sur la figure 5 participent également à ce piégeage en générant un puit de potentiel entre les électrodes 10.
  • Par la suite et ainsi que cela est représenté en référence à la figure 6, le générateur 16 délivre aux électrodes d'excitation 14 des signaux d'excitation déphasés entre eux de 180°.
  • En fonction de la fréquence des signaux d'excitation appliqués aux électrodes 14, le mouvement circulaire des ions 40 maintenus dans la cellule 8 est modifié et notamment les rayons de leurs trajectoires varient.
  • Ainsi, en fonction de la fréquence des signaux d'excitation délivrés par le générateur 16 aux électrodes 14, les ions entrent en résonance et peuvent être éjectés de la cellule 8 en élargissant leurs trajectoires ou peuvent être excités de façon cohérente, de manière à décrire des trajectoires stables de grands rayons.
  • On obtient ainsi dans la cellule 8 des ions animés d'un mouvement cyclotron de grande amplitude.
  • Il est alors possible, ainsi que cela est représenté en référence à la figure 7, d'effectuer diverses mesures sur ces ions.
  • En effet, lorsque les ions 40 sont en phase, leur mouvement cohérent induit un signal électrique dans les électrodes 18 de détection.
  • Ce signal électrique est introduit dans les moyens de mesure 20 qui l'amplifient grâce à un amplificateur 42 avant de le traiter dans des moyens de traitement 44. Ces derniers permettent par exemple d'échantillonner le signal induit avant de le numériser, puis d'effectuer une Transformée de Fourier Rapide afin d'obtenir un spectre en fréquence de la résonance cyclotronique.
  • Selon des lois de calibration classiques, ce spectre de fréquence permet une détermination précise de la masse des ions 40 contenus dans la cellule 8.
  • En référence à la figure 8, on va maintenant décrire un second mode de réalisation de l'invention.
  • Cette figure représente une vue en coupe partielle du piège à ions magnétique 2 selon l'axe XX'.
  • De même que précédemment, le piège à ions 2 comprend l'enceinte 4 intégrée dans la cavité 32 des aimants cylindriques structurés 30.
  • Ainsi que cela a été décrit en référence à la figure 1, la cellule de confinement 8 disposée à l'intérieur de l'enceinte de traitement 4, comporte deux électrodes de piégeage 10 planes et carrées, parallèles entre elles et s'étendant perpendiculairement au champ magnétique B.
  • Les deux électrodes de détection 18 sont disposées perpendiculairement aux électrodes 10 et parallèlement à l'axe longitudinal des aimants 30.
  • Dans ce mode de réalisation, les électrodes d'excitation 14 sont chacune constituées de quatre plaques carrées, reliées entre elles électriquement et définissant chacune une structure de cube ouvert par deux faces opposées.
  • Les ouvertures des deux cubes constituant les électrodes 14 sont orientées l'une vers l'autre selon l'axe longitudinal des aimants 30.
  • L'ensemble des électrodes définit ainsi à l'intérieur de l'enceinte 4, une cellule de confinement 50 en forme générale de tunnel orienté selon l'axe longitudinal XX' des aimants 30.
  • Une telle structure peut être définie comme une structure ouverte et présente de nombreux avantages de mise en oeuvre notamment pour l'ionisation des molécules présentes dans l'enceinte 4 et pour la caractérisation des ions grâce à l'interaction avec des faisceaux de photons ou avec d'autres molécules.
  • Pour cela, l'enceinte 4 comporte des moyens de connexion à des moyens 51 d'injection de gaz et comporte à ses extrémités des hublots 52, de sorte qu'il est possible de projeter directement des gaz dans la cellule 50 ou de la faire traverser, au travers des hublots 52, par des photons émis, par exemple, par un faisceau laser.
  • Il apparaît donc que le piège à ions magnétique 2 de l'invention présente des dimensions faibles et un encombrement réduit tout en permettant un traitement de qualité d'une quantité importante d'échantillons.
  • Dans d'autres modes de réalisation de l'invention, les aimants cylindriques structurés constitués de cylindres de Halbach sont intégrés à l'intérieur de l'enceinte de traitement.
  • De même, il est possible de réaliser un piège à ions selon l'invention à partir d'un unique aimant et avec d'autres formes d'électrodes telles que par exemple des électrodes cylindriques ou rectangulaires.
  • Par ailleurs, les générateurs de tension d'excitation, de tension de piégeage et les moyens de mesure peuvent être confondus en un seul dispositif, tel qu'un micro-ordinateur équipé de cartes électroniques d'entrée-sortie adaptées pour la génération de signaux d'excitation et de tensions de piégeage.
  • Enfin, il est également possible d'effectuer un traitement sur des ions positif ou négatif, en inversant les polarités des électrodes de piégeage.

Claims (16)

  1. Piège à ions sous vide comportant une enceinte de traitement étanche (4) et un aimant permanent (30) délimitant une cavité (32) et créant un champ magnétique homogène et orienté (B) dans ladite cavité (32), ladite enceinte (4) étant disposée dans ladite cavité (32) et renfermant une cellule de confinement (8 ;50) comprenant au moins deux électrodes de piégeage (10) parallèles entre elles et perpendiculaires audit champ magnétique orienté (B), lesdites électrodes de piégeage (10) étant connectables à un générateur de tension (12), caractérisé en ce qu'il comporte au moins un aimant (30) permanent en forme de cylindre creux, structuré selon une structure de type cylindre de Halbach, afin de générer ledit champ magnétique permanent (B) homogène et orienté perpendiculairement à l'axe longitudinal (XX') de la cavité (32) dudit aimant (30).
  2. Piège à ions selon la revendication 1, caractérisé en ce que les dimensions et la composition du ou de chaque aimant (30) sont adaptés pour engendrer un champ magnétique permanent homogène (B) d'une intensité au moins de 0,8 tesla.
  3. Piège à ions selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux aimants permanents (30) en forme de cylindres creux, tous deux structurés selon des structures de type cylindre de Halbach, de dimensions et de composition identique, disposés coaxialement suivant un même axe longitudinal (XX') et orientés de manière à faire coïncider l'orientation des champs magnétiques (B) qu'ils génèrent.
  4. Piège à ions selon la revendication 3, caractérisé en ce que, les deux aimants permanents (30) sont espacés entre eux, selon leur axe longitudinal (XX'), par un intervalle (δ) prédéterminé non nul afin d'accroître l'homogénéité dudit champ magnétique (B).
  5. Piège à ions selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit intervalle (δ) est inférieur à 1 mm.
  6. Piège à ions selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou chaque aimant permanent (30) présente un diamètre intérieur compris entre 45 et 55 mm, un diamètre extérieur compris entre 180 et 220 mm et une longueur comprise entre 90 et 110 mm.
  7. Piège à ions selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou chaque aimant permanent (30) est composé de segments élémentaires en Nd-Fe-B.
  8. Piège à ions selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cellule de confinement (8 ;50) comporte en outre deux électrodes de détection (18) parallèles entre elles et perpendiculaires auxdites électrodes de piégeage (10), lesdites électrodes de mesure (18) étant connectables à des moyens de mesure (20) afin de transmettre des informations relatives aux mouvements des ions (40) contenus dans ladite cellule de confinement (8 ;50).
  9. Piéges à ions selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cellule de confinement (8 ;50) comporte en outre deux électrodes d'excitation (14) parallèles entre elles et perpendiculaires auxdites électrodes de piégeage (10), lesdites électrodes d'excitation (14) étant connectables à un générateur (16) de signaux d'excitation afin d'exciter des ions (40) contenus dans ladite cellule de confinement (8 ;50).
  10. Piège à ions selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce que lesdites électrodes de piégeage (10), d'excitation (14) et de détection (18) sont plane et de formes rectangulaires de sorte que ladite cellule de confinement (8) présente une forme générale de parallélépipède rectangle.
  11. Piège à ions selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdites électrodes d'excitation (14) sont chacune constituées de quatre plaques, agencées selon la forme générale d'un parallélépipède rectangle ouvert par deux faces opposées, lesdites électrodes d'excitation (14) étant disposées suivant un même axe, de part et d'autre desdites électrodes de piégeage (10), lesdites faces ouvertes se faisant face de sorte que ladite cellule de confinement (50) présente une forme générale de tunnel.
  12. Piège à ions selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite cellule de confinement (50) en forme générale de tunnel est placée selon l'axe longitudinal (XX') dudit aimant (30).
  13. Piège à ions selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite enceinte de traitement (4) comporte, à au moins une extrémité, un hublot (52) disposé dans l'axe (XX') de la cellule (50) en forme générale de tunnel, et permettant le passage de photons.
  14. Piège à ions selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'enceinte de traitement (4) comporte des moyens de connexion à des moyens de pompage (6) et d'injection (51) de gaz afin de commander la densité et/ou la nature de l'atmosphère dans l'enceinte de traitement (4).
  15. Piège à ions selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est associé à des moyens (7) d'émission d'électrons vers ladite enceinte (4) afin de générer des ions (40) au moins dans ladite cellule de confinement (40).
  16. Spectromètre de masse comportant un piège à ions (2) magnétique, un dispositif de pompage (6), un générateur de tension de piégeage (12) et des moyens de mesure (20), propres à effectuer une analyse par transformée de Fourier du mouvement cyclotron des ions (40) contenus dans le piège à ions (2) caractérisé en ce que ledit piège à ions magnétique (2) est un piège selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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