EP4616217A1 - Dispositif d'insertion d'un rotor porte-échantillon dans une sonde rmn - Google Patents

Dispositif d'insertion d'un rotor porte-échantillon dans une sonde rmn

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Publication number
EP4616217A1
EP4616217A1 EP23801427.8A EP23801427A EP4616217A1 EP 4616217 A1 EP4616217 A1 EP 4616217A1 EP 23801427 A EP23801427 A EP 23801427A EP 4616217 A1 EP4616217 A1 EP 4616217A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sample
sample holder
door
chamber
probe
Prior art date
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Pending
Application number
EP23801427.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Eric BOULEAU
Gaël DE PAËPE
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.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4616217A1 publication Critical patent/EP4616217A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/30—Sample handling arrangements, e.g. sample cells, spinning mechanisms
    • G01R33/307—Sample handling arrangements, e.g. sample cells, spinning mechanisms specially adapted for moving the sample relative to the MR system, e.g. spinning mechanisms, flow cells or means for positioning the sample inside a spectrometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N24/00—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects
    • G01N24/08—Investigating or analyzing materials by the use of nuclear magnetic resonance, electron paramagnetic resonance or other spin effects by using nuclear magnetic resonance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/282—Means specially adapted for hyperpolarisation or for hyperpolarised contrast agents, e.g. for the generation of hyperpolarised gases using optical pumping cells, for storing hyperpolarised contrast agents or for the determination of the polarisation of a hyperpolarised contrast agent
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/20—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables involving magnetic resonance
    • G01R33/28—Details of apparatus provided for in groups G01R33/44 - G01R33/64
    • G01R33/30—Sample handling arrangements, e.g. sample cells, spinning mechanisms
    • G01R33/31—Temperature control thereof

Definitions

  • the present invention relates to devices for transferring an object from one fluid medium to another, the two environments having different fluids and/or temperatures and/or pressures.
  • the present invention can be implemented in any application requiring the sealed transfer of an object from one fluid medium to another fluid medium, more particularly to an environment controlled in pressure and/or humidity and/or particle pollution and/or radiological level.
  • NMR nuclear magnetic resonance
  • Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a non-destructive analysis method using the nuclear magnetic resonance (NMR) phenomenon, particularly to resolve molecular structures. NMR occurs when atomic nuclei with undamaged spin are placed in a static magnetic field and excited by electromagnetic radiation. This method is particularly used in organic chemistry, inorganic chemistry, biology and materials science.
  • DNP dynamic nuclear polarization
  • An autonomously operating device is one that does not require a supply of cryogenic fluid.
  • a closed-loop device is a device in which a working fluid circulates without exposure to the external environment and without transfer of fluid out of the loop.
  • pollution of the working fluid may be due to the placement of the sample to be analyzed in the NMR probe.
  • the probe 1 comprises a bottom wall 2, a cover 3 and a stator 4.
  • the probe 1 is then opened manually by lifting the waterproof cover 3 (figure IB).
  • the cover 3 is then put back in place in order to close the probe 1 in a watertight manner (figure 1D).
  • the internal medium 5 is then cooled, then a set of purification cycles of the working fluid are applied, in order to remove the impurities brought during the opening of the probe 1 and the insertion of the rotor 6 into the stator 4 ( Figure 1E).
  • Figure 1E The total duration of the steps described, relating to the placement of a sample in the probe
  • the aim of the invention is to respond, at least in part, to these need(s).
  • the invention relates to a device for inserting a sample into a hermetic enclosure, the device comprising:
  • an insertion rod comprising an elongated portion of which one end is adapted to carry the sample holder;
  • the function of the purification system according to the invention is to reduce the level of impurities and/or the level of radioactivity of the fluid medium contained in the sealed chamber, and thereby of the sample holder and the sample to be analyzed which 'he is wearing.
  • level of impurities in a fluid medium we mean here and in the context of the present invention, the ratio, generally expressed in ppm (part/million), of the mass fraction of the impurities contained in the fluid medium to the total mass of said fluid medium.
  • Radioactive elements and/or impurities are all gaseous, liquid, or solid elements in the form of particles which are not desired in the target fluid medium, that is to say which do not correspond to the level of purity and/or or the level of radioactivity of the fluid that is desired to fill a hermetic enclosure.
  • the level of impurities can be less than or equal to 100 ppm.
  • the exterior door comprises a cable gland configured to be compressed in a sealed manner by the elongated portion of the insertion rod while leaving it movable in translation.
  • the purification system comprises:
  • an evacuation valve configured to evacuate the fluid contained in the chamber up to a nominal pressure, called low pressure
  • a filling valve configured to fill the chamber with a predetermined fluid, intended to fill the hermetic enclosure, up to another nominal pressure, called high pressure.
  • the low pressure is less than or equal to 10 mbar and/or the high pressure is greater than or equal to 1 bar, or even 1.1 bar, preferably between 1 and 3 bar.
  • the fill valve is configured to close passively when the chamber pressure reaches high pressure.
  • the predetermined fluid is a pure gas, preferably at least 99.999% pure helium.
  • the elongated portion extends over a length of between 15 cm and 30 cm.
  • the elongated portion is cylindrical in shape, preferably with a diameter of between 0.3 cm and 1.0 cm.
  • the end of the elongated portion, opposite that carrying the sample holder comprises a gripping handle.
  • the gripping handle has a diameter greater than the opening diameter of the exterior door, for example greater than or equal to 10 mm.
  • the sample holder comprises a cavity into which the sample is intended to be inserted.
  • the cavity is cylindrical in shape, preferably with a diameter of between 0.8 mm and 3.3 mm and/or a height of between 12 mm and 20 mm, for example 18 mm.
  • the sample holder comprises a port opening into the cavity and configured to allow the injection of a fluid into the cavity so as to propel the sample out of the cavity.
  • the inner door is a slide valve configured to slide between a closed position, in which the inner door is sealed, and an open position, in which the inner door is opened to allow passage of the sample holder and the elongated portion of the insertion rod.
  • the interior door is configured so as to maintain its tight closure for a pressure less than or equal to 1.10'5 mbar.
  • the stuffing box comprises at least one, preferably at least two, seal(s), clamping rings and a screw, the clamping rings being configured to crush the seal(s) of sealing, when the screw is screwed in, so that the seal(s) compress the elongated portion which ensures the sealing of the closure of the exterior door.
  • the screw is hollow and has an internal diameter greater than the diameter of the sample holder and the elongated portion.
  • the cable gland comprises an annular chamber in which the seal(s) are partially housed, the annular chamber being at a pressure less than or equal to 1.10' 3 mbar .
  • the chamber has a volume of between 3000 mm 3 and 7000 mm 3 .
  • the chamber is tubular in shape with the interior door at one end of the tube and the exterior door at the other end of the tube.
  • the distance between the exterior door and the interior door is between 0 and 20 cm.
  • the invention also relates to a system comprising a hermetic enclosure and a device according to the invention, the exterior door of the transfer airlock being intended to open onto the environment outside the hermetic enclosure and the interior door of the transfer airlock being intended to open directly or indirectly through a waterproof conduit on the inside of the hermetic enclosure.
  • the system is a nuclear magnetic resonance (NMR) spectrometer and the sealed enclosure is a probe configured to excite the atomic nuclei of a sample.
  • the probe is configured so as to implement the phenomenon of dynamic nuclear polarization.
  • the internal medium of the probe is composed of a fluid in which the sample is intended to bathe, the probe being configured to maintain said fluid at a temperature below 100 K, preferably said fluid being pure helium. at least 99.999%.
  • the system comprises a rotor on which the sample is intended to be mounted and configured to be carried by the sample holder, the probe comprising a stator configured to rotate the rotor.
  • the probe comprises a pneumatic tube connecting the transfer airlock to the stator and being configured so as to propel the rotor of the sample holder, when inserted into the probe, into the stator and vice versa.
  • the invention also relates to a method of operating a system according to the invention, comprising the following successive steps: a) placing a sample on the sample holder of the insertion rod, b) inserting the holder -sample and the sample into the transfer airlock chamber through the exterior door, the interior door being closed in a watertight manner, c) tightening the cable gland to compress the elongated portion so as to tightly close the door exterior, d) purification, by the purification system, of the fluid contained in the chamber, e) opening the interior door and insertion of the sample holder and the sample into the hermetic enclosure through the interior door, presses it -tow being held tight to be compressed around the elongated portion so as to keep the exterior door closed in a watertight manner.
  • purifying a fluid, we mean in the sense of the present invention reducing its level of impurities.
  • the purification system of the device comprises:
  • an evacuation valve configured to evacuate the fluid contained in the chamber up to a nominal pressure, called low pressure
  • step d) comprises at least one iteration of the following sub-steps: di) opening the evacuation valve so as to evacuate the fluid contained in the chamber, for example gas, up to a nominal pressure, called low pressure, the filling valve being closed; d2) closing the drain valve; ds) opening the filling valve so as to fill the chamber with the fluid making up the internal medium of the hermetic enclosure, for example with at least 99.999% pure helium, up to another nominal pressure, called high pressure; cU) closing of the filling valve.
  • the low pressure is less than or equal to 10 mbar and/or the high pressure is between 1 and 3 bar.
  • step d) comprises at least three iterations of substeps di) to cU).
  • the system is a nuclear magnetic resonance (NMR) spectrometer and the hermetic enclosure is a probe configured to excite the atomic nuclei of a sample, and, the method comprises, subsequently in step e), a step g) nuclear magnetic resonance spectrometry of the sample.
  • NMR nuclear magnetic resonance
  • the probe of the system comprises a pneumatic tube connecting the transfer airlock to the stator and being configured so as to propel the rotor of the sample holder, when inserted into the probe, into the stator and vice versa, and, step g) being preceded by a step f) of placing the rotor, on which the sample is mounted, in the stator by propelling said rotor in the pneumatic tube.
  • the method comprises a subsequent step h) during which the sample is extracted from the hermetic enclosure, said step h) comprising the successive sub-steps following: hi) pulled from the insertion rod so as to place the sample holder and the sample in the chamber of the transfer airlock, the sample being supported by the sample holder, the cable gland being held tightened to compress the elongated portion so as to keep the exterior door closed tightly,
  • the present invention therefore essentially consists of a device comprising a transfer airlock and an insertion rod with a sample holder for easily inserting a biological sample or a sample of material to be analyzed in a hermetic enclosure, such as an NMR probe.
  • the purification system can purify the impurities brought into the chamber by the sample holder inserted therein.
  • the interior door of the airlock can open and the sample holder with the The sample can be inserted by the rod into the hermetic enclosure without polluting it.
  • Manipulation for inserting the sample into the hermetic enclosure is easy: only a translation of the insertion rod is required.
  • the elongated portion of the rod is compressed by a stuffing gland while leaving it mobile in translation, which ensures the watertight closure of the exterior door throughout the translation stroke of the insertion rod.
  • the present invention advantageously allows the transfer of a sample from an external fluid medium to a fluid medium contained in a hermetic enclosure, the transfer being simple and quick to implement while limiting the intake of impurities into the fluid medium. of the airtight enclosure.
  • the transfer of the sample can be done in a few minutes.
  • the installation of a rotor, in which a sample is mounted, in a stator of the NMR spectrometer probe can be done in five minutes thanks to the present invention, compared to eight hours for an NMR spectrometer.
  • NMR spectrometer according to the prior art.
  • the purification system can also be configured to put the fluid medium contained in the sealed chamber at a given pressure. This advantageously allows the insertion of the sample into the hermetic enclosure to have no or very little impact on the pressure of the fluid medium in the hermetic enclosure.
  • Figure IA is a schematic view of a probe according to the prior art, the cover of the probe being closed;
  • Figure IB is a schematic view of the probe according to Figure IA, the cover of the probe being open;
  • Figure IC is a schematic view of the probe according to Figure IA, the cover of the probe being open and a rotor, on which a sample is mounted, is installed in the stator of the probe;
  • FIGS. 1D and 1E are schematic views of the probe according to Figure IA, the cover of the probe being closed and a rotor, on which a sample is mounted, is installed in the stator of the probe;
  • Figure 2A is a side view of an insertion rod of a device according to the invention and of a rotor on which a sample is mounted, the rotor not being inserted into the rod 'insertion.
  • Figure 2B is a side view of an insertion rod of a device according to the invention and of a rotor on which a sample is mounted, the rotor being inserted into the insertion rod.
  • Figure 3 is a schematic view in longitudinal section of a part of an NMR spectrometer comprising a transfer airlock of a device according to the invention connected with a probe for NMR spectrometry.
  • Figure 4 is a schematic view in longitudinal section of a part of an NMR spectrometer comprising a device according to the invention, the transfer airlock of the device being connected with a probe for NMR spectrometry and the rod of insertion of the device being inserted partly into the transfer airlock with the sample holder housed in the chamber of said airlock.
  • Figure 5 is a schematic view in longitudinal section of a part of an NMR spectrometer comprising a device according to the invention, the transfer airlock of the device being connected with a probe for NMR spectrometry and the sample holder of the insertion rod of the device being inserted into the probe.
  • Figure 6 is a schematic view in longitudinal section of a part of an NMR spectrometer comprising a device according to the invention, the transfer airlock of the device being connected with a probe for NMR spectrometry, the sample holder of the insertion rod of the device being inserted into the probe and a rotor being propelled out of the sample holder.
  • Figure 7A is a schematic view of a probe of an NMR spectrometer connected with a transfer airlock of a device according to the invention, the probe comprising a pneumatic tube in which a rotor is propelled towards the stator of the probe.
  • Figure 7B is a schematic view of the probe and the transfer airlock according to Figure 7A, the rotor being inserted into the stator of the probe.
  • Figures IA to 1E have already been commented on in the preamble and will not be discussed further below.
  • Figure 2A the insertion rod part 7 of a device according to the invention, one end of which carries a rotor 6 intended to accommodate a sample E to be analyzed.
  • the insertion rod 7 comprises an elongated portion 8, extending along a longitudinal axis sample 10.
  • the elongated portion 8 can be a cylinder with a length equal to 180 mm with a diameter equal to 6 mm.
  • the handle 9 can be cylindrical, for example of length equal to 20 mm, and have grooves to facilitate gripping of the insertion rod 7.
  • the sample holder 10 comprises a cavity 11 for housing and supporting the rotor 6, and, a slot 12 opening into the cavity 11 between the longitudinal end of the elongated portion 8 and the cavity 11.
  • the cavity 11 is of cylindrical shape of diameter between 0.8 and 3.3 mm, for example equal to 3.3 mm, and/or height between 12 and 20 mm, for example equal to 18 mm. These dimensions are suitable for NMR spectroscopy at low temperatures.
  • the cavity 11 can thus be of complementary shape with the rotor 6, which is for example a cylinder of diameter between 0.7 and 3.2 mm, for example equal to 3.2 mm, and/or of height between 12 and 20 mm, for example equal to 17 mm.
  • the end of the elongated portion 8 and/or the sample holder 10 can support an O-ring 13 at its periphery.
  • Figure 3 shows an NMR spectrometer comprising a transfer airlock 14 of a device according to the invention assembled with a probe 1 for NMR spectrometry via a sealed conduit 15.
  • the probe 1 is a hermetic enclosure comprising a sealed wall 2 and whose internal medium 5 is composed of at least 99.999% pure helium.
  • the probe 1 differs from that of the prior art illustrated in Figures 1 to 1D, in particular in that it comprises a pneumatic tube 16 arranged in the hermetic enclosure and a connector
  • the transfer airlock 14 comprises a chamber 19 delimited by an exterior door 20 and an interior door 21 when they are in their sealed closed configuration.
  • the exterior door 20 can open onto an environment outside M of the hermetic enclosure, and the interior door 21 can open onto the sealed conduit 15.
  • the distance between the exterior door 20 and the interior door 21 is less than the length of the elongated portion 8.
  • the chamber 19 is of hollow cylindrical shape, preferably with a diameter less than or equal to 45 mm.
  • the interior door 21 is a slide valve which can be closed in a sealed manner and which can be opened sufficiently to allow the passage of the sample holder 10 and the elongated portion 8.
  • the exterior door 20 includes a cable gland 25 configured to compress the elongated portion 8 in a watertight manner, while leaving the insertion rod 7 mobile in translation to insert into the transfer airlock 14.
  • the cable gland 25 comprises two clamping rings 26, two seals 27 and a hollow screw 28.
  • the internal diameter of the hollow screw 28, less than the diameter of the handle 9, is sufficient to allow the passage of the sample holder 10 with sample E and the elongated portion 8.
  • the hollow screw 28 When the hollow screw 28 is screwed, it puts the tightening rings 26 in compression against the seals 27 which are then crushed. The crushing of the seals 27 reduces their internal diameter which can thus be less than the external diameter of the elongated portion 8.
  • the seals 27 which surround the elongated portion 8 by being crushed become compressed around the elongated portion 8, which ensures the watertight closure of the exterior door 20.
  • the stuffing box 25 also includes an annular chamber 29 around the clamping rings 26 and the seals 27.
  • the annular chamber 29 is pumped under vacuum up to a pressure, typically less than or equal to 1.10' 3 mbar.
  • the volume between the clamping rings 26 and the seals 27 and the volume between the two seals 27 is at a pressure less than or equal to 1.10“ 3 mbar which makes it possible to guarantee better crushing of the seals sealing 27 and better sealing of the closing of the exterior door.
  • the outer door 20 also includes a clamp 30 compressing a seal 31 to guarantee the seal between the stuffing box 25 and the interior of the chamber 19.
  • the chamber 19 is configured to accommodate the sample holder 10 with the elongated portion 8 compressed by the stuffing box 25, the chamber 19 then being closed in a sealed manner.
  • the chamber 19 is also configured to be crossed by the sample holder 10 through the exterior door 20 and the interior door 21.
  • the transfer airlock 14 also includes an evacuation valve 23, configured to evacuate the fluid contained in the chamber 19, and a filling valve 24, configured to fill the chamber 19 with at least 99.999% pure helium.
  • the purification fluid can be the same fluid as that of the internal medium 5.
  • the method comprises a step a) of placing the sample E on the insertion rod 7.
  • step a) the sample E is mounted in the rotor 6, then, the rotor 6 is inserted into the cavity 11 of the sample holder 10, as illustrated in Figure 2B.
  • the method then comprises a step b) of inserting the rotor 6 and the sample holder 10 into the chamber 19.
  • step b) the interior door 21 is closed in a sealed manner, the valves 23 and 24 are also closed waterproof manner. Insertion is carried out by translation of the insertion rod 7 through the external door 20, the stuffing box 25 not being tightened. After insertion, the gland 25 is arranged without compression around the elongated portion 8 and the rotor 6 and the sample holder 10 are entirely housed in the chamber 19 (figure 4).
  • Step b) is followed by step c) during which the stuffing box 25 is tightened so as to be compressed around the elongated portion 8 and thus sealingly close the outer door 20.
  • the chamber 19 is then closed hermetically with the rotor 6 and the sample holder 10 housed inside.
  • step d) comprises at least one iteration of the following sub-steps: di) opening of the evacuation valve 23 so as to evacuate the fluid contained in the chamber 19, for example gas, up to a nominal pressure, called low pressure, the filling valve 24 being closed; d2) closing the evacuation valve 23; ds) opening the filling valve 24 so as to fill the chamber 19 with the fluid composing the internal medium 5 of the probe 1, up to another nominal pressure, called high pressure; cU) closing of the filling valve 24, closing can be done passively when the pressure inside the chamber 19 reaches high pressure.
  • This purification step d) makes it possible to purify the impurities imported during the insertion of the rotor 6 and the sample holder 10 in the chamber 19 by dilution.
  • the chamber 19 is filled with the atmosphere of the external environment M.
  • Step d) then makes it possible to dilute the polluting gases with fluid composing the internal environment 5 sufficiently so that the level of impurities contained in chamber 19 after purification is less than or equal to 0.00001% corresponding to 100 ppm.
  • Step d) may include at least three iterations of substeps di) to cU).
  • the ratio between the volume of chamber 19 and the volume of hermetic enclosure 1 may be less than or equal to 1/100,000. This advantageously makes it possible to increase the dilution of the pollutants at each iteration of substeps di) to cU) and, consequently, to increase the speed at which the level of impurities in the fluid medium of chamber 19 decreases.
  • the dilution rate of the impurities at each iteration of the sub-steps di) to cU), that is to say the ratio between the level of impurities after an iteration on the level of impurity before said iteration, can in particular be less than or equal to 1%, or even 0.9%.
  • Step d) is followed by a step e) during which the interior door 21 opens and the insertion rod 7 slides along its elongated portion 8 until the rotor 6 and the holder are inserted. sample 10 in the pneumatic tube 16.
  • the stuffing box 25 is kept tight throughout step e) so as to keep the outer door 20 closed in a watertight manner.
  • the tightening during step e) may be less than during step d) so as to facilitate the translational movement of the insertion rod 7.
  • the tightening of the cable gland 25 can be such that it blocks any translation of the insertion rod 7 and thus maintains in a fixed position the rotor 6 and the sample holder 10 in the chamber 19.
  • the stuffing box 25 can be slightly loosened so as to maintain the outer door 20 closed in a sealed manner and to allow the translation of the insertion rod 7 along the longitudinal axis X.
  • Figure 5 shows the NMR spectrometer with the rotor 6 and the sample holder 10 inserted into the pneumatic tube 16 of the probe 1, by means of the rod of the device according to the invention.
  • the handle 9 abuts against the outer door 20.
  • the O-ring 13 is housed in the bushing 18 so as to guarantee the seal between the sealed conduit 15 and the pneumatic tube 16.
  • the port 12 is aligned with connection 17.
  • Step e) is followed by a step f) of placing the rotor 6, on which the sample E is mounted, in the stator 4 of the probe 1.
  • Step f) is in particular carried out by propulsion of the rotor 6 in the pneumatic tube 16.
  • a fluid F preferably 99.999% pure helium, circulates in the connector 17 into the cavity 11 via the port 12 Under the thrust of the fluid F, the rotor 6 is propelled out of the cavity 11 and guided along the pneumatic tube 16.
  • the insertion rod 7 is kept inserted in the transfer airlock 14 with the outer door 20 closed tightly.
  • Figure 7 A illustrates the guidance, along the pneumatic tube 16, of the rotor 6 propelled by the fluid F to the stator 4 of the probe 1.
  • FIG. 7B We illustrate in Figure 7B the rotor 6 introduced into the stator 4 of probe 1.
  • the sample E will then, during a step g), be observed by NMR spectrometry.
  • the rotor 6 rotates the sample E in the stator 4 around an axis inclined by 54° relative to the magnetic field for NMR spectrometry.
  • the rotation speed of the sample E can be greater than one or several million revolutions per minute.
  • the stator 4 may include an aerostatic bearing supplied with at least 99.999% pure helium to guide the rotation of the rotor 6.
  • the rotation of the sample E can be carried out by a flow of at least 99.999% pure helium. %.
  • the internal medium 5 of the probe 1 is at a pressure of between 1 and 3 bar and/or at a temperature less than or equal to 100 K.
  • the probe 1 can in particular work from autonomous and closed-loop manner, for example it can include heat exchangers and at least one cold source, for example cryo-refrigerators.
  • the internal medium 5 being composed of at least 99.999 pure helium %, control of the internal environment 5 at the aforementioned pressure and temperature is facilitated.
  • the stator 4 can be supplied with at least 99.999% pure helium and a temperature lower than 100 K; the flow of this cold helium makes it possible to maintain the sample E at a temperature lower than 100 K.
  • step h) includes a sub-step hi) during which the rotor 6, on which the sample E is mounted, will be propelled out of the stator 4 and guided along the pneumatic tube 16 until its insertion in the cavity 11 of the sample holder 10. Then, the insertion rod 7 is pulled so as to place the sample holder 10 and the sample E in the chamber 19 of the transfer airlock 14, the exterior door 20 being kept closed in a sealed manner by the elongated portion 8 and the cable gland 25.
  • Sub-step hi) is followed by a sub-step I12) during which the interior door 21 is closed tightly. This is followed by a sub-step ha) of opening the filling valve 24, at least 99.999% pure helium then filling the chamber 19.
  • the cable gland 25 is loosened during a sub-step I14) so that the outer door 20 allows the passage of the sample holder 10 and the sample E.
  • the insertion rod 7 is pulled towards the 'exterior, during a sub-step hs), in order to extract the sample holder 10 and the sample E out of the transfer airlock 14 through the exterior door 20.
  • Step h) comprises a subsequent sub-step hô) during which the sample E is extracted from the cavity 11 of the sample holder 10, then the sample holder 10 is put back in place in the chamber 19, without the sample E.
  • the stuffing box 25 is then tightened so as to compress the elongated portion 8 and sealingly close the exterior door 20. Then, the filling valve 24 is closed tightly.
  • the present invention is applicable for any system requiring the transfer of an object from one fluid medium to another fluid medium, in particular in a controlled environment.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif pour l'insertion d'un échantillon (E) dans une enceinte hermétique (1), comprenant : - un porte-échantillon (10) pour porter l'échantillon; - une tige d'insertion (7) comprenant une portion allongée (8) adaptée pour porter le porte- échantillon (10); - un sas de transfert (14) comportant: - une porte extérieure (20), destinée à se fermer de manière étanche et à s'ouvrir sur un milieu extérieur (M) à l'enceinte hermétique, - une porte intérieure (21), destinée à se fermer de manière étanche et à s'ouvrir sur l'intérieur de l'enceinte hermétique, - une chambre étanche (19) délimitée entre la porte extérieure et la porte intérieure lorsqu'elles sont en configuration fermées de manière étanche, la chambre étanche étant configurée pour loger le porte-échantillon, inséré par la tige d'insertion; - un système de purification du milieu fluide contenu et du porte-échantillon et de l'échantillon logés dans la chambre étanche.

Description

Description
Titre : Dispositif d’insertion d’un rotor porte-échantillon dans une sonde RMN
Domaine technique
La présente invention concerne les dispositifs de transfert d’un objet d’un milieu fluidique à un autre, les deux milieux présentant des fluides et/ou des températures et/ou des pressions différents.
Bien que décrite pour une application de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN), la présente invention peut être mise en œuvre dans toute application nécessitant le transfert étanche d’un objet d’un milieu fluide à autre un milieu fluide, plus particulièrement à environnement contrôlé en pression et/ou humidité et/ou pollution particulaire et/ou niveau radiologique.
Technique antérieure
La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) est une méthode d’analyse non destructrice utilisant le phénomène de résonance magnétique nucléaire (RMN), notamment pour résoudre les structures moléculaires. La RMN se produit lorsque des noyaux atomiques de spin non nuis sont placés dans un champ magnétique statique et qu’ils sont excités par un rayonnement électromagnétique. Cette méthode est particulièrement utilisée en chimie organique, en chimie inorganique, en biologie et en science des matériaux.
Dans la spectroscopie RMN solide, il est usuel de mettre en place l’échantillon à analyser dans un rotor afin de le faire tourner autour d’un axe incliné de 54°44’, dit angle magique, par rapport au champ magnétique statique.
H est également connu que l’augmentation de l’intensité du champ magnétique, l’augmentation de la fréquence de rotation du rotor, et/ou l’utilisation du phénomène de polarisation dynamique nucléaire (DNP) permettent d’améliorer la sensibilité et la résolution de la spectroscopie RMN.
Il a été prouvé que, lors d’une analyse par RMN, plus la température est basse plus le rapport signal sur bruit est important et plus le gain dû au phénomène de DNP est important. Ainsi, les spectromètres RMN haute résolution fonctionnent généralement à basse température, notamment autour de 100 K. L’article de Yoh Matsuki and Toshimichi Fujiwara, « Cryogenic Platforms and Optimized DNP sensitivity », eMagRes, 2018, Vol 7: 9-24, décrit un spectromètre RMN utilisant le phénomène DNP et fonctionnant à des températures inférieures à 100 K.
Afin d’obtenir des basses températures, par exemple autour de ou inférieures à 100 K, il est préférable que le spectromètre RMN fonctionne de manière autonome et en boucle fermée. Un dispositif fonctionnant de manière autonome est un dispositif qui ne nécessite pas d’alimentation en fluide cryogénique. Un dispositif en boucle fermée est un dispositif dans lequel un fluide de travail circule sans exposition au milieu extérieur et sans transfert de fluide hors de la boucle.
Dans de tels dispositifs autonomes et en boucle fermée, il est important de maintenir une grande pureté du fluide de travail, c’est-à-dire qu’il soit exempt le plus possible d’impuretés quelles que soient leurs natures (gazeuses, solides sous forme de particules, issues d’hydrocarbures, etc..).
Pour les spectromètres RMN, la pollution du fluide de travail peut être due à la mise en place de l’échantillon à analyser dans la sonde RMN.
On a illustré aux figures IA à 1E les différentes étapes de mise en place d’un échantillon dans une sonde 1 d’un spectromètre RMN selon l’art antérieur.
La sonde 1 comporte une paroi de fond 2, un couvercle 3 et un stator 4.
Pour pouvoir ouvrir la sonde 1, il faut d’abord réchauffer le milieu interne 5 délimité par la paroi de fond 2 et le couvercle 3 assemblés entre eux de manière étanche (figure IA).
La sonde 1 est ensuite ouverte manuellement en soulevant le couvercle étanche 3 (figure IB).
Puis, un rotor 6 dans lequel est logé un échantillon à analyser, est mis en place manuellement dans le stator 4 (figure IC).
Le couvercle 3 est alors remis en place afin de refermer la sonde 1 de manière étanche (figure 1D).
Le milieu interne 5 est alors refroidi, puis on applique un ensemble de cycles de purification du fluide de travail, afin d’enlever les impuretés apportées lors de l’ouverture de la sonde 1 et de l’insertion du rotor 6 dans le stator 4 (figure 1E). La durée totale des étapes décrites, relatives à la mise en place d’un échantillon dans la sonde
I est d’environ huit heures, ce qui est particulièrement chronophage. En outre, les cycles de purification s’avèrent complexes à mettre en œuvre.
II existe donc un besoin pour une solution permettant de réduire la durée de mise en place d’un échantillon à analyser dans une sonde RMN et de simplifier la mise en œuvre du processus existant.
Plus généralement, il existe un besoin d’une solution permettant de transférer de manière simple et rapide un échantillon d’un milieu extérieur à un milieu à environnement contrôlé tout en limitant l’apport d’impuretés dans ce dernier.
Le but de l’invention est de répondre, au moins en partie, à ce(s) besoin(s).
Exposé de l’invention
Pour ce faire, l’invention concerne un dispositif pour l’insertion d’un échantillon dans une enceinte hermétique, le dispositif comprenant :
- un porte-échantillon pour porter l’échantillon ;
- une tige d’insertion comprenant une portion allongée dont une extrémité est adaptée pour porter le porte-échantillon;
- un sas de transfert comportant :
• une porte extérieure, destinée à se fermer de manière étanche et à s’ouvrir sur un milieu extérieur à l’enceinte hermétique,
• une porte intérieure, destinée à se fermer de manière étanche et à s’ouvrir sur l’intérieur de l’enceinte hermétique directement ou indirectement par l’intermédiaire d’au moins un conduit étanche,
• une chambre étanche délimitée entre la porte extérieure et la porte intérieure lorsqu’elles sont en configuration fermées de manière étanche, la chambre étanche étant configurée pour loger le porte-échantillon, inséré par la tige d’insertion;
- un système de purification du milieu fluide contenu et du porte-échantillon et de l’échantillon logés dans la chambre étanche.
Le système de purification selon l’invention a pour fonction de diminuer le taux d’impuretés et/ou le niveau de radioactivité du milieu fluide contenu dans la chambre étanche, et par-là du porte-échantillon et de l’échantillon à analyser qu’il porte. Par « taux d’impuretés d’un milieu fluide », on entend ici et dans le cadre de la présente invention, le rapport, exprimé généralement en ppm (partie/million), de la fraction massique des impuretés contenues dans le milieu fluide sur la masse totale dudit milieu fluide.
Les éléments radioactifs et/ou les impuretés sont tous les éléments gazeux, liquides, ou solides sous forme de particules qui ne sont pas désirés dans le milieu fluide cible, c’est-à- dire qui ne correspondent pas au niveau de pureté et/ou le niveau de radioactivité du fluide que l’on souhaite pour remplir une enceinte hermétique. Par exemple, le taux d’impuretés peut être inférieur ou égal à 100 ppm.
De préférence, la porte extérieure comprend un presse-étoupe configuré pour être compressé de manière étanche par la portion allongée de la tige d’insertion tout en la laissant mobile en translation.
De préférence, le système de purification comprend :
- une vanne d’évacuation, configuré pour évacuer le fluide contenu dans la chambre jusqu’à une pression nominale, dite pression basse,
- une vanne de remplissage, configuré pour remplir la chambre d’un fluide prédéterminé, destiné à remplir l’enceinte hermétique, jusqu’à une autre pression nominale, dite pression haute.
De préférence, la pression basse est inférieure ou égale à 10 mbar et/ou la pression haute est supérieure ou égale à 1 bar, voire à 1,1 bar, de préférence comprise entre 1 et 3 bar.
De préférence, la vanne de remplissage est configurée de sorte à se fermer de manière passive lorsque la pression de la chambre atteint la pression haute.
De préférence, le fluide prédéterminé est un gaz pur, de préférence d’hélium pur à au moins 99,999 %.
De préférence, la portion allongée s’étend sur une longueur comprise entre 15 cm et 30 cm.
De préférence, la portion allongée est de forme cylindrique, de préférence de diamètre compris entre 0,3 cm et 1,0 cm.
De préférence, l’extrémité de la portion allongée, opposée à celle portant le porte- échantillon, comprend un manche de préhension. De préférence, le manche de préhension présente un diamètre supérieur au diamètre d’ouverture de la porte extérieure, par exemple supérieur ou égal à 10 mm. De préférence, le porte-échantillon comprend une cavité dans laquelle est destinée s’insérer l’échantillon. De préférence, la cavité est de forme cylindrique, de préférence de diamètre compris entre 0,8 mm et 3,3 mm et/ou de hauteur comprise entre 12 mm et 20 mm, par exemple 18 mm.
De préférence, le porte-échantillon comprend une lumière débouchant dans la cavité et configurée pour permettre l’injection d’un fluide dans la cavité de sorte à propulser l’échantillon hors de la cavité.
De préférence, la porte intérieure est une vanne à tiroir configurée pour coulisser entre une position fermée, dans laquelle la porte intérieure est fermée de manière étanche, et une position ouverte, dans laquelle la porte intérieure est ouverte pour permettre le passage du porte-échantillon et de la portion allongée de la tige d’insertion.
De préférence, la porte intérieure est configurée de sorte à maintenir étanche sa fermeture pour une pression inférieure ou égale à 1.10’5 mbar.
De préférence, le presse étoupe comporte au moins un, de préférence au moins deux, joint(s) d’étanchéité, des bagues de serrages et une vis, les bagues de serrages étant configurées pour écraser le(s) joint(s) d’étanchéité, lorsque la vis est vissée, de sorte que le(s) joint(s) d’étanchéité vient(nent) comprimer la portion allongée ce qui assure l’étanchéité de la fermeture de la porte extérieure.
De préférence, la vis est creuse et présente un diamètre intérieur supérieur au diamètre du porte-échantillon et de la portion allongée.
De préférence, le presse-étoupe comprend une chambre annulaire dans laquelle est(sont) logé(s) en partie le(s) joint(s) d’étanchéité, la chambre annulaire étant à une pression inférieure ou égale à 1.10’3 mbar.
De préférence, la chambre présente un volume compris entre 3000 mm3 et 7000 mm3.
De préférence la chambre est de forme tubulaire avec la porte intérieure à une des extrémités du tube et la porte extérieure à l’autre des extrémités du tube.
De préférence, la distance entre la porte extérieure et la porte intérieure est comprise entre 0 et 20 cm. L’invention concerne également un système comprenant une enceinte hermétique et un dispositif selon l’invention, la porte extérieure du sas de transfert étant destinée à s’ouvrir sur le milieu extérieur à l’enceinte hermétique et la porte intérieure du sas de transfert étant destinée à s’ouvrir directement ou indirectement par un conduit étanche sur l’intérieur de l’enceinte hermétique.
De préférence, le système est un spectromètre à résonance magnétique nucléaire (RMN) et l’enceinte hermétique est une sonde configurée pour exciter les noyaux atomiques d’un échantillon. De préférence, la sonde est configurée de sorte à mettre en œuvre le phénomène de polarisation dynamique nucléaire.
De préférence, le milieu interne de la sonde est composé d’un fluide dans lequel l’échantillon est destiné baigner, la sonde étant configurée pour maintenir ledit fluide à une température inférieure à 100 K, de préférence ledit fluide étant de l’hélium pur à au moins 99,999 %.
De préférence, le système comprend un rotor sur lequel l’échantillon est destiné être monté et configuré pour être porté par le porte-échantillon, la sonde comprenant un stator configuré pour mettre en rotation le rotor.
De préférence, la sonde comprend un tube pneumatique reliant le sas de transfert au stator et étant configuré de sorte à déplacer par propulsion le rotor du porte-échantillon, lorsqu’inséré dans la sonde, jusque dans le stator et inversement.
L’invention concerne aussi un procédé de fonctionnement d’un système selon l’invention, comprenant les étapes successives suivantes : a) mise en place d’un échantillon sur le porte-échantillon de la tige d’insertion, b) insertion du porte-échantillon et de l’échantillon dans la chambre du sas de transfert à travers la porte extérieure, la porte intérieure étant fermée de manière étanche, c) serrage du presse-étoupe pour compresser la portion allongée de sorte à fermer de manière étanche la porte extérieure, d) purification, par le système de purification, du fluide contenu dans la chambre, e) ouverture de la porte intérieure et insertion du porte-échantillon et de l’échantillon dans l’enceinte hermétique à travers la porte intérieure, le presse-étoupe étant maintenu serré pour être compressé autour de la portion allongée de sorte à maintenir la porte extérieure fermée de manière étanche. Par « épurer » un fluide, on entend dans le sens de la présente invention diminuer son taux d’impuretés.
De préférence, le système de purification du dispositif comprend :
- une vanne d’évacuation, configuré pour évacuer le fluide contenu dans la chambre jusqu’à une pression nominale, dite pression basse,
- une vanne de remplissage, configuré pour remplir la chambre d’un fluide prédéterminé, destiné à remplir l’enceinte hermétique, jusqu’à une autre pression nominale, dite pression haute, et, l’étape d) comprend au moins un itération des sous-étapes suivantes : di) ouverture de la vanne d’évacuation de sorte à évacuer le fluide contenu dans la chambre, par exemple du gaz, jusqu’à une pression nominale, dite pression basse, la vanne de remplissage étant fermée ; d2) fermeture de la vanne d’évacuation ; ds) ouverture de la vanne de remplissage de sorte à remplir la chambre du fluide composant le milieu interne de l’enceinte hermétique, par exemple d’hélium pur à au moins 99,999 %, jusqu’à une autre pression nominale, dite pression haute ; cU) fermeture de la vanne de remplissage.
De préférence, la pression basse est inférieure ou égale à 10 mbar et/ou la pression haute est comprise entre 1 et 3 bar.
De préférence, l’étape d) comprend au moins trois itérations des sous-étapes di) à cU).
De préférence, le système est un spectromètre à résonance magnétique nucléaire (RMN) et l’enceinte hermétique est une sonde configurée pour exciter les noyaux atomiques d’un échantillon, et, le procédé comprend, ultérieurement à l’étape e), une étape g) de spectrométrie par résonance magnétique nucléaire de l’échantillon.
De préférence, la sonde du système comprend un tube pneumatique reliant le sas de transfert au stator et étant configuré de sorte à déplacer par propulsion le rotor du porte-échantillon, lorsqu’inséré dans la sonde, jusque dans le stator et inversement, et, l’étape g) étant précédée d’une étape f) de mise en place du rotor, sur lequel est monté l’échantillon, dans le stator par propulsion dudit rotor dans le tube pneumatique.
De préférence, le procédé comprend une étape ultérieure h) durant laquelle l’échantillon est extrait hors de l’enceinte hermétique, ladite étape h) comprenant les sous-étapes successives suivantes : hi) tirée de la tige d’insertion de sorte à mettre en place le porte-échantillon et l’échantillon dans la chambre du sas de transfert, l’échantillon étant supporté par le porte-échantillon, le presse-étoupe étant maintenu serré pour compresser la portion allongée de sorte à maintenir la porte extérieure fermée de manière étanche,
I12) fermeture étanche de la porte intérieure, ha) optionnellement, ouverture de la vanne de remplissage,
I14) desserrage du presse-étoupe de sorte à ouvrir la porte extérieure suffisamment pour laisser passer le porte-échantillon et l’échantillon, hs) extraction du porte-échantillon et de l’échantillon hors du sas de transfert à travers la porte extérieure, hô) optionnellement, remise en place du porte-échantillon dans la chambre du sas de transfert, l’échantillon étant retiré du porte-échantillon, puis serrage du presse-étoupe pour compresser la portion allongée de sorte à fermer de manière étanche la porte extérieure, le cas échéant fermeture de la vanne de remplissage.
La présente invention consiste donc essentiellement en un dispositif comprenant un sas de transfert et une tige d’insertion à porte-échantillon pour insérer facilement un échantillon biologique ou un échantillon de matériau à analyser dans une enceinte hermétique, telle qu’une sonde RMN.
Lorsque le porte-échantillon portant l’échantillon est logée dans la chambre du sas de transfert délimitée par deux portes fermées de manière étanche, le système de purification peut épurer les impuretés apportées dans la chambre par le porte-échantillon insérée dans celle-ci.
Une fois que le taux d’impuretés et/ou le niveau de radioactivité du milieu fluide contenu dans la chambre a atteint un niveau suffisamment bas pour l’enceinte hermétique, la porte intérieure du sas peut s’ouvrir et le porte-échantillon avec l’échantillon peuvent être insérés par la tige dans l’enceinte hermétique sans la polluer.
La manipulation pour l’insertion de l’échantillon dans l’enceinte hermétique est aisée : seule une translation de la tige d’insertion suffit. Selon un mode de réalisation avantageux, la portion allongée de la tige est compressée par un presse-étoupe tout en la laissant mobile en translation, ce qui assure pendant toute la course en translation de la tige d’insertion la fermeture étanche de la porte extérieure.
La présente invention permet avantageusement le transfert d’un échantillon d’un milieu fluide extérieur à un milieu fluide contenu dans une enceinte hermétique, le transfert étant simple et rapide à mettre en œuvre tout en limitant l’apport d’impuretés dans le milieu fluide de l’enceinte hermétique. Notamment, le transfert de l’échantillon peut se faire en quelques minutes. Par exemple, pour un spectromètre RMN, la mise en place d’un rotor, dans lequel est monté un échantillon, dans un stator de la sonde du spectromètre RMN peut se faire en cinq minutes grâce à la présente invention, contre huit heures pour un spectromètre RMN selon l’art antérieur.
En outre, le système de purification peut également être configuré pour mettre le milieu fluide contenu dans la chambre étanche, à une pression donnée. Cela permet avantageusement que l’insertion de l’échantillon dans l’enceinte hermétique n’impacte pas, ou très peu, la pression du milieu fluide de l’enceinte hermétique.
Brève description des dessins
D’autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes :
[Fig IA] la figure IA est une vue schématique d’une sonde selon l’art antérieur, le couvercle de la sonde étant fermé ;
[Fig IB] la figure IB est une vue schématique de la sonde selon la figure IA, le couvercle de la sonde étant ouvert ;
[Fig IC] la figure IC est une vue schématique de la sonde selon la figure IA, le couvercle de la sonde étant ouvert et un rotor, sur lequel est monté un échantillon, est installé dans le stator de la sonde ;
[Fig ID] [Fig 1E] les figures 1D et 1E sont des vues schématiques de la sonde selon la figure IA, le couvercle de la sonde étant fermé et un rotor, sur lequel est monté un échantillon, est installé dans le stator de la sonde ;
[Fig 2A] la figure 2A est une vue de côté d’une tige d’insertion d’un dispositif selon l’invention et d’un rotor sur lequel est monté un échantillon, le rotor n’étant pas inséré dans la tige d’insertion. [Fig 2B] la figure 2B est une vue de côté d’une tige d’insertion d’un dispositif selon l’invention et d’un rotor sur lequel est monté un échantillon, le rotor étant inséré dans la tige d’insertion.
[Fig 3] la figure 3 est une vue schématique en coupe longitudinale d’une partie d’un spectromètre RMN comprenant un sas de transfert d’un dispositif selon l’invention connecté avec une sonde pour spectrométrie RMN.
[Fig 4] la figure 4 est une vue schématique en coupe longitudinale d’une partie d’un spectromètre RMN comprenant un dispositif selon l’invention, le sas de transfert du dispositif étant connecté avec une sonde pour spectrométrie RMN et la tige d’insertion du dispositif étant inséré en partie dans le sas de transfert avec le porte-échantillon logé dans la chambre dudit sas.
[Fig 5] la figure 5 est une vue schématique en coupe longitudinale d’une partie d’un spectromètre RMN comprenant un dispositif selon l’invention, le sas de transfert du dispositif étant connecté avec une sonde pour spectrométrie RMN et le porte-échantillon de la tige d’insertion du dispositif étant inséré dans la sonde.
[Fig 6] la figure 6 est une vue schématique en coupe longitudinale d’une partie d’un spectromètre RMN comprenant un dispositif selon l’invention, le sas de transfert du dispositif étant connecté avec une sonde pour spectrométrie RMN, le porte-échantillon de la tige d’insertion du dispositif étant inséré dans la sonde et un rotor étant propulsé hors du porte-échantillon.
[Fig 7A] la figure 7A est une vue schématique d’une sonde d’un spectromètre RMN connectée avec un sas de transfert d’un dispositif selon l’invention, la sonde comprenant un tube pneumatique dans lequel est propulsé un rotor vers le stator de la sonde.
[Fig 7B] la figure 7B est une vue schématique de la sonde et du sas de transfert selon la figure 7A, le rotor étant inséré dans le stator de la sonde.
Description détaillée
Pour des raisons de clarté, les différents éléments des figures sont représentés en échelle libre, les dimensions réelles des différentes parties n’étant pas nécessairement respectées.
Les figures IA à 1E ont déjà été commentées en préambule et ne le seront pas davantage ci- après. On a illustré à la figure 2A, la partie tige d’insertion 7 d’un dispositif selon l’invention dont une extrémité porte un rotor 6 destiné à loger un échantillon E à analyser.
La tige d’insertion 7 comprend une portion allongée 8, s’étendant le long d’un axe longitudinal X, dont une des extrémités longitudinales est conformée en un manche de préhension 9 et dont l’autre des extrémités longitudinales peut porter un porte-échantillon 10. La portion allongée 8 peut être un cylindre d’une longueur égale à 180 mm avec un diamètre égal à 6 mm. Le manche 9 peut être cylindrique, par exemple de longueur égale à 20 mm, et comporter des stries pour faciliter la préhension de la tige d’insertion 7.
Le porte-échantillon 10 comprend une cavité 11 pour loger et supporter le rotor 6, et, une lumière 12 débouchant dans la cavité 11 entre l’extrémité longitudinale de la portion allongée 8 et la cavité 11. La cavité 11 est de forme cylindrique de diamètre compris entre 0,8 et 3,3 mm, par exemple égal à 3,3 mm, et/ou de hauteur comprise entre 12 et 20 mm, par exemple égale à 18 mm. Ces dimensions sont adaptées à la spectroscopie par RMN à basse température. La cavité 11 peut ainsi être de forme complémentaire avec le rotor 6, qui est par exemple un cylindre de diamètre compris entre 0,7 et 3,2 mm, par exemple égal à 3,2 mm, et/ou de hauteur comprise entre 12 et 20 mm, par exemple égal à 17 mm.
L’extrémité de la portion allongée 8 et/ou le porte-échantillon 10 peut supporter à sa périphérie un joint torique 13.
Sur la figure 2B, le rotor 6 est logé dans la cavité 11.
On a illustré à la figure 3, un spectromètre RMN comprenant un sas de transfert 14 d’un dispositif selon l’invention assemblé avec une sonde 1 pour spectrométrie RMN par l’intermédiaire d’un conduit étanche 15.
La sonde 1 est une enceinte hermétique comprenant une paroi étanche 2 et dont le milieu interne 5 est composé d’hélium pur à au moins 99,999 %.
La sonde 1 diffère de celle de l’art antérieur illustrée aux figures 1 à 1D, notamment en ce qu’elle comprend un tube pneumatique 16 agencé dans l’enceinte hermétique et un raccord
17 débouchant à l’intérieur du tube pneumatique 16 de sorte à pouvoir injecter du gaz, de préférence de l’hélium pur à au moins 99,999 % , dans le tube pneumatique 16. Une traversée
18 connecte de manière étanche le conduit étanche 15 avec le tube pneumatique 16. Le sas de transfert 14 comprend une chambre 19 délimitée par une porte extérieure 20 et une porte intérieure 21 lorsqu’elles sont dans leur configuration fermée étanche. La porte extérieure 20 peut s’ouvrir sur un milieu extérieur M à l’enceinte hermétique, et la porte intérieure 21 peut s’ouvrir sur le conduit étanche 15. La distance entre la porte extérieure 20 et la porte intérieure 21 est inférieure à la longueur de la portion allongée 8.
Dans l’exemple illustrée, la chambre 19 est de forme cylindrique creuse, de préférence avec un diamètre inférieur ou égal à 45 mm.
La porte intérieure 21 est une vanne à tiroir pouvant être fermée de manière étanche et pouvant être ouverte suffisamment pour permettre le passage du porte-échantillon 10 et de la portion allongée 8.
La porte extérieure 20 comporte un presse-étoupe 25 configuré pour compresser la portion allongée 8 de manière étanche, tout en laissant la tige d’insertion 7 mobile en translation pour s’insérer dans le sas de transfert 14.
Le presse-étoupe 25 comprend deux bagues de serrages 26, deux joints d’étanchéité 27 et une vis creuse 28. Le diamètre intérieur de la vis creuse 28, inférieur au diamètre du manche 9, est suffisant pour permettre le passage du porte-échantillon 10 avec l’échantillon E et de la portion allongée 8. Lorsque la vis creuse 28 est vissée, elle met en compression les bagues de serrages 26 contre les joints d’étanchéité 27 qui sont alors écrasés. L’écrasement des joints d’étanchéités 27 réduit leur diamètre intérieur qui peut être ainsi inférieur au diamètre extérieur de la portion allongée 8. Ainsi, les joints d’étanchéité 27 qui entourent la portion allongée 8 en étant écrasés, viennent se compresser autour de la portion allongée 8, ce qui réalise la fermeture étanche de la porte extérieure 20.
Le presse-étoupe 25 comprend également une chambre annulaire 29 autour des bagues de serrages 26 et des joints d’étanchéité 27. La chambre annulaire 29 est pompée sous vide jusqu’à une pression, typiquement inférieure ou égale à 1.10’3 mbar. Ainsi, le volume entre les bagues de serrages 26 et les joints d’étanchéité 27 et le volume entre les deux joints d’étanchéité 27 est à une pression inférieure ou égale à 1.10“3 mbar ce qui permet de garantir un meilleur écrasement des joints d’étanchéité 27 et une meilleure étanchéité de la fermeture de la porte extérieure. La porte extérieure 20 comporte également un collier de serrage 30 compressant un joint d’étanchéité 31 pour garantir l’étanchéité entre le presse-étoupe 25 et l’intérieur de la chambre 19.
La chambre 19 est configurée pour loger le porte-échantillon 10 avec la portion allongée 8 compressée par le presse-étoupe 25, la chambre 19 étant alors fermée de manière étanche. La chambre 19 est également configurée pour être traversée par le porte-échantillon 10 à travers la porte extérieur2 20 et la porte intérieure 21.
Le sas de transfert 14 comprend également une vanne d’évacuation 23, configurée pour évacuer le fluide contenu dans la chambre 19, et une vanne de remplissage 24, configurée pour remplir la chambre 19 d’hélium pur à au moins 99,999 %. Ainsi le fluide de purification peut être le même fluide que celui du milieu interne 5.
Le procédé d’insertion d’un échantillon E dans la sonde 1 avec le dispositif selon l’invention va maintenant être décrit.
Tout d’abord, le procédé comprend une étape a) de mise en place de l’échantillon E sur la tige d’insertion 7. Durant cette étape a), l’échantillon E est monté dans le rotor 6, puis, le rotor 6 est inséré dans la cavité 11 du porte-échantillon 10, comme illustré à la figure 2B.
Le procédé comprend ensuite une étape b) d’insertion du rotor 6 et du porte-échantillon 10 dans la chambre 19. Durant cette étape b), la porte intérieure 21 est fermée de manière étanche, les vannes 23 et 24 sont également fermées de manière étanche. L’insertion s’effectue par translation de la tige d’insertion 7 à travers la porte extérieure 20, le presse- étoupe 25 n’étant pas serré. Après insertion, le presse-étoupe 25 est agencé sans compression autour de la portion allongée 8 et le rotor 6 et le porte-échantillon 10 sont entièrement logés dans la chambre 19 (figure 4).
L’étape b) est suivie d’une étape c) durant laquelle le presse-étoupe 25 est serré de sorte à être compressé autour de la portion allongée 8 et ainsi fermer de manière étanche la porte extérieure 20. La chambre 19 est alors fermée hermétiquement avec le rotor 6 et le porte- échantillon 10 logés à l’intérieur.
On procède alors à une étape d) de purification du fluide contenu dans la chambre 19. Cette étape d) comprend au moins une itération des sous-étapes suivantes : di) ouverture de la vanne d’évacuation 23 de sorte à évacuer le fluide contenu dans la chambre 19, par exemple du gaz, jusqu’à une pression nominale, dite pression basse, la vanne de remplissage 24 étant fermée ; d2) fermeture de la vanne d’évacuation 23 ; ds) ouverture de la vanne de remplissage 24 de sorte à remplir la chambre 19 du fluide composant le milieu interne 5 de la sonde 1, jusqu’à une autre pression nominale, dite pression haute ; cU) fermeture de la vanne de remplissage 24, la fermeture peut se faire de manière passive lorsque la pression à l’intérieur de la chambre 19 atteint la pression haute.
Cette étape d) de purification permet d’épurer les impuretés importées lors de l’insertion du rotor 6 et du porte-échantillon 10 dans la chambre 19 par dilution. Notamment, durant l’étape b), la chambre 19 s’est remplie de l’atmosphère du milieu extérieur M. L’étape d) permet alors de diluer les gaz polluants avec du fluide composant le milieu interne 5 de manière suffisante pour que le taux d’impuretés contenues dans la chambre 19 après purification soit inférieur ou égal à 0,00001 % correspondant à 100 ppm.
L’étape d) peut comprendre au moins trois itérations des sous-étapes di) à cU). Le rapport entre le volume de la chambre 19 sur le volume de l’enceinte hermétique 1 peut être inférieure ou égale à 1/100000. Cela permet, avantageusement, d’augmenter la dilution des polluants à chaque itération des sous-étapes di) à cU) et, par conséquent, d’augmenter la vitesse à laquelle le taux d’impuretés du milieu fluide de la chambre 19 diminue. Le taux de dilution des impuretés à chaque itération des sous-étapes di) à cU), c’est-à-dire le rapport entre le taux d’impuretés après une itération sur le taux d’impureté avant ladite itération, peut notamment être inférieur ou égal à 1 %, voire à 0,9 %.
L’étape d) est suivie d’une étape e) durant laquelle la porte intérieure 21 s’ouvre et la tige d’insertion 7 coulisse le long de sa portion allongée 8 jusqu’à l’insertion du rotor 6 et du porte-échantillon 10 dans le tube pneumatique 16. Le presse-étoupe 25 est maintenu serré durant l’ensemble de l’étape e) de sorte à maintenir la porte extérieure 20 fermée de manière étanche. Le serrage durant l’étape e) peut être moindre que durant l’étape d) de sorte à faciliter le mouvement en translation de la tige d’insertion 7. Notamment, durant l’étape d) le serrage du presse-étoupe 25 peut être tel qu’il bloque toute translation de la tige d’insertion 7 et ainsi maintient dans une position fixe le rotor 6 et le porte-échantillon 10 dans la chambre 19. Durant l’étape e) le presse-étoupe 25 peut être légèrement desserré de sorte à maintenir la porte extérieure 20 fermée de manière étanche et à permettre la translation de la tige d’insertion 7 selon l’axe longitudinal X.
On a illustré à la figure 5, le spectromètre RMN avec le rotor 6 et le porte-échantillon 10 insérés dans le tube pneumatique 16 de la sonde 1, au moyen de la tige du dispositif selon l’invention. Dans cette configuration, le manche 9 est en butée contre la porte extérieure 20. Le joint torique 13 est logé dans la traversée 18 de sorte à garantir l’étanchéité entre le conduit étanche 15 et le tube pneumatique 16. La lumière 12 est alignée avec le raccord 17.
L’étape e) est suivie d’une étape f) de mise en place du rotor 6, sur lequel est monté l’échantillon E, dans le stator 4 de la sonde 1. L’étape f) est notamment réalisée par propulsion du rotor 6 dans le tube pneumatique 16. Comme cela est illustré à la figure 6, un fluide F, de préférence de l’hélium pur à 99,999 %, circule dans le raccord 17 jusque dans la cavité 11 par l’intermédiaire de la lumière 12. Sous la poussée du fluide F, le rotor 6 est propulsé hors de la cavité 11 et guidé le long du tube pneumatique 16.
Durant le guidage dans le tube pneumatique 16 et dans la sonde RMN, la tige d’insertion 7 est maintenue insérée dans le sas de transfert 14 avec la porte extérieure 20 fermée de manière étanche.
On a illustré à la figure 7 A le guidage, le long du tube pneumatique 16, du rotor 6 propulsé par le fluide F jusqu’au stator 4 de la sonde 1.
On a illustré à la figure 7B le rotor 6 introduit dans le stator 4 de la sonde 1. L’échantillon E va alors, durant une étape g), être observé par spectrométrie RMN. Durant l’étape g), le rotor 6 met en rotation l’échantillon E dans le stator 4 autour d’un axe incliné de 54° par rapport au champ magnétique pour la spectrométrie RMN. La vitesse de rotation de l’échantillon E peut être supérieure à un ou plusieurs millions de tours par minute. Le stator 4 peut comprendre un palier aérostatique alimenté en hélium pur à au moins 99,999 % pour réaliser le guidage en rotation du rotor 6. La mise en rotation de l’échantillon E peut être réalisée par un flux d’hélium pur à au moins 99,999 %.
De manière préférentielle, lors de l’étape g), le milieu interne 5 de la sonde 1 est à une pression comprise entre 1 et 3 bar et/ou à une température inférieure ou égale à 100 K. La sonde 1 peut notamment travailler de manière autonome et en boucle fermée, par exemple elle peut comprendre des échangeurs thermiques et au moins une source froide, par exemple des cryoréfrigérateurs. Le milieu interne 5 étant composé d’hélium pur à au moins 99,999 %, le contrôle du milieu interne 5 à la pression et température précitées est facilité. Le stator 4 peut être alimenté en hélium pur à au moins 99,999 % et de température inférieure à 100 K, le flux de cet hélium froid permet de maintenir l’échantillon E à une température inférieure à 100 K.
Après la spectrométrie RMN, le rotor 6 et l’échantillon E peuvent être extraits hors de la sonde 1 lors d’une étape h). Pour cela, l’étape h) comprend une sous-étape hi) durant laquelle le rotor 6, sur lequel est monté l’échantillon E, va être propulsé hors du stator 4 et guidé le long du tube pneumatique 16 jusqu’à son insertion dans la cavité 11 du porte-échantillon 10. Puis, la tige d’insertion 7 est tirée de sorte à mettre en place le porte-échantillon 10 et l’échantillon E dans le chambre 19 du sas de transfert 14, la porte extérieure 20 étant maintenue fermée de manière étanche par la portion allongée 8 et le presse-étoupe 25.
La sous-étape hi) est suivie d’une sous-étape I12) durant laquelle la porte intérieure 21 est fermée de manière étanche. S’en suit une sous-étape ha) d’ouverture de la vanne de remplissage 24, de l’hélium pur à au moins 99,999 % rempli alors la chambre 19.
Ensuite, le presse-étoupe 25 est desserré durant une sous-étape I14) de sorte que la porte extérieure 20 permette le passage du porte-échantillon 10 et de l’échantillon E. Puis, la tige d’insertion 7 est tirer vers l’extérieur, durant une sous-étape hs), afin d’extraire le porte- échantillon 10 et l’échantillon E hors du sas de transfert 14 à travers la porte extérieure 20.
L’étape h) comprend une sous-étape hô) ultérieure durant laquelle l’échantillon E est extrait hors de la cavité 11 du porte-échantillon 10, puis le porte-échantillon 10 est remis en place dans la chambre 19, sans l’échantillon E. Le presse-étoupe 25 est ensuite serré de sorte à compresser la portion allongée 8 et fermer de manière étanche la porte extérieure 20. Puis, la vanne de remplissage 24 est fermée de manière étanche.
D’autres variantes et améliorations peuvent être envisagées sans pour autant sortir du cadre de l’invention tel que défini par les revendications ci-après.
En particulier, bien que décrite en application pour la spectroscopie RMN, la présente invention est applicable pour tout système nécessitant le transfert d’un objet d’un milieu fluide à autre un milieu fluide, notamment à environnement contrôlé.

Claims

Revendications
1. Dispositif pour l’insertion d’un échantillon (E) dans une enceinte hermétique (1), le dispositif comprenant :
- un porte-échantillon (10) pour porter l’échantillon ;
- une tige d’insertion (7) comprenant une portion allongée (8) dont une extrémité est adaptée pour porter le porte-échantillon (10) ;
- un sas de transfert (14) comportant :
• une porte extérieure (20), destinée à se fermer de manière étanche et à s’ouvrir sur un milieu extérieur (M) à l’enceinte hermétique,
• une porte intérieure (21), destinée à se fermer de manière étanche et à s’ouvrir sur l’intérieur de l’enceinte hermétique directement ou indirectement par l’intermédiaire d’au moins un conduit étanche (15),
• une chambre étanche (19) délimitée entre la porte extérieure et la porte intérieure lorsqu’elles sont en configuration fermées de manière étanche, la chambre étanche étant configurée pour loger le porte-échantillon, inséré par la tige d’insertion;
- un système de purification du milieu fluide contenu et du porte-échantillon et de l’échantillon logés dans la chambre étanche.
2. Dispositif selon la revendication 1, la porte extérieure comprenant un presse-étoupe (25) configuré pour être compressé de manière étanche par la portion allongée de la tige d’insertion tout en la laissant mobile en translation.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, le système de purification comprenant :
- une vanne d’évacuation (23), configuré pour évacuer le fluide contenu dans la chambre jusqu’à une pression nominale, dite pression basse,
- une vanne de remplissage (24), configuré pour remplir la chambre d’un fluide prédéterminé, destiné à remplir l’enceinte hermétique, jusqu’à une autre pression nominale, dite pression haute.
4. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, le porte-échantillon comprenant une cavité (11) dans laquelle est destinée s’insérer l’échantillon.
5. Dispositif selon la revendication 4, le porte-échantillon comprenant une lumière (12) débouchant dans la cavité et configurée pour permettre l’injection d’un fluide dans la cavité de sorte à propulser l’échantillon hors de la cavité.
6. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, la porte intérieure étant une vanne à tiroir configurée pour coulisser entre une position fermée, dans laquelle la porte intérieure est fermée de manière étanche, et une position ouverte, dans laquelle la porte intérieure est ouverte pour permettre le passage du porte-échantillon et de la portion allongée de la tige d’insertion.
7. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, la porte intérieure étant configurée de sorte à maintenir étanche sa fermeture pour une pression inférieure ou égale à 1.10’5 mbar.
8. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, le presse étoupe comportant au moins un, de préférence au moins deux, joint(s) d’étanchéité (27), des bagues de serrages (26) et une vis (28), les bagues de serrages étant configurées pour écraser le(s) joint(s) d’étanchéité, lorsque la vis est vissée, de sorte que le(s) joint(s) d’étanchéité vient(nent) comprimer la portion allongée ce qui assure l’étanchéité de la fermeture de la porte extérieure.
9. Système comprenant une enceinte hermétique (1) et un dispositif selon l’une des revendications précédentes, la porte extérieure (20) du sas de transfert (14) étant destinée à s’ouvrir sur le milieu extérieur (M) à l’enceinte hermétique et la porte intérieure (21) du sas de transfert étant destinée à s’ouvrir directement ou indirectement par un conduit étanche (15) sur l’intérieur de l’enceinte hermétique.
10. Système selon la revendication 9, le système étant un spectromètre à résonance magnétique nucléaire (RMN) et l’enceinte hermétique étant une sonde configurée pour exciter les noyaux atomiques d’un échantillon (E), la sonde étant de préférence configurée de sorte à mettre en œuvre le phénomène de polarisation dynamique nucléaire.
11. Système selon la revendication 10, comprenant un rotor (6) sur lequel l’échantillon (E) est destiné être monté et configuré pour être porté par le porte-échantillon, la sonde comprenant un stator configuré pour mettre en rotation le rotor.
12. Système selon la revendication 11, la sonde comprenant un tube pneumatique (16) reliant le sas de transfert au stator et étant configuré de sorte à déplacer par propulsion le rotor du porte-échantillon, lorsqu’inséré dans la sonde, jusque dans le stator et inversement.
13. Procédé de fonctionnement d’un système selon l’une des revendications 9 à 12, comprenant les étapes successives suivantes : a) mise en place d’un échantillon (E) sur le porte-échantillon (10) de la tige d’insertion (7), b) insertion du porte-échantillon et de l’échantillon dans la chambre (19) du sas de transfert (14) à travers la porte extérieure (20), la porte intérieure (21) étant fermée de manière étanche, c) serrage du presse-étoupe (25) pour compresser la portion allongée (8) de sorte à fermer de manière étanche la porte extérieure, d) purification, par le système de purification, du fluide contenu dans la chambre, e) ouverture de la porte intérieure et insertion du porte-échantillon et de l’échantillon dans l’enceinte hermétique à travers la porte intérieure, le presse-étoupe étant maintenu serré pour être compressé autour de la portion allongée de sorte à maintenir la porte extérieure fermée de manière étanche.
14. Procédé selon la revendication 13, le dispositif pour l’insertion de l’échantillon (E) étant selon la revendication 3 ou selon l’une des revendication 4 à 10 prise en dépendance avec la revendication 3, l’étape d) comprenant au moins un itération des sous-étapes suivantes : di) ouverture de la vanne d’évacuation (23) de sorte à évacuer le fluide contenu dans la chambre (19), par exemple du gaz, jusqu’à une pression nominale, dite pression basse, la vanne de remplissage (24) étant fermée ; d2) fermeture de la vanne d’évacuation (23) ; ds) ouverture de la vanne de remplissage (24) de sorte à remplir la chambre du fluide composant le milieu interne (5) de l’enceinte hermétique, par exemple d’hélium pur à au moins 99,999 %, jusqu’à une autre pression nominale, dite pression haute ; cU) fermeture de la vanne de remplissage (24).
15. Procédé selon l’une des revendications 13 et 14, le système étant selon l’une des revendications 10 à 12 et le procédé comprenant, ultérieurement à l’étape e), une étape g) de spectrométrie par résonance magnétique nucléaire de l’échantillon (E).
16. Procédé selon l’une des revendications 13 à 15, comprenant une étape ultérieure h) durant laquelle l’échantillon (E) est extrait hors de l’enceinte hermétique, ladite étape h) comprenant les sous-étapes successives suivantes : hi) tirée de la tige d’insertion de sorte à mettre en place le porte-échantillon et l’échantillon dans la chambre du sas de transfert, l’échantillon étant supporté par le porte-échantillon, le presse-étoupe étant maintenu serré pour compresser la portion allongée de sorte à maintenir la porte extérieure fermée de manière étanche,
I12) fermeture étanche de la porte intérieure, ha) optionnellement, ouverture de la vanne de remplissage, I14) desserrage du presse-étoupe de sorte à ouvrir la porte extérieure suffisamment pour laisser passer le porte-échantillon et l’échantillon, hs) extraction du porte-échantillon et de l’échantillon hors du sas de transfert à travers la porte extérieure, hô) optionnellement, remise en place du porte-échantillon dans la chambre du sas de transfert, l’échantillon étant retiré du porte-échantillon, puis serrage du presse-étoupe pour compresser la portion allongée de sorte à fermer de manière étanche la porte extérieure, le cas échéant fermeture de la vanne de remplissage.
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