KR102244494B1

KR102244494B1 - 챔버 내 유체 핸들링 시스템 및 이를 사용하여 유체를 핸들링하는 방법들

Info

Publication number: KR102244494B1
Application number: KR1020157024720A
Authority: KR
Inventors: 셰인 힐리어드; 시아란 제이 오코너; 제이 윌킨스; 에릭 라센; 레이프 섬머필드
Original assignee: 엘레멘탈 사이언티픽 레이저스 엘엘씨
Priority date: 2013-02-09
Filing date: 2014-02-06
Publication date: 2021-04-27
Also published as: US20140223991A1; KR20150133187A; TWI666434B; EP2954300A4; CN105229441B; US9524856B2; AU2018204780B2; JP2016510105A; AU2014214888A1; JP2019023638A; JP6395186B2; EP2954300B1; JP6657339B2; TW201435323A; WO2014124181A1; CN105229441A; TW201825877A; JP6925460B2; JP2020101551A; AU2014214888B2

Abstract

샘플 챔버는 타겟의 일부가 샘플로서 착탈가능하도록 타겟을 수용하도록 구성된다. 캐리어 가스 주입 시스템은 샘플의 적어도 일부가 샘플 영역 내 캐리어 가스에 의해 비말 동반되도록 샘플 챔버 내 제 1 위치 및 제 2 위치로부터 샘플 영역 내로 캐리어 가스를 유도하도록 구성된다. 샘플 영역의 일부는 제 1 위치 및 제 2 위치 간에 위치된다. 샘플 이송 도관은 캐리어 가스에 의해 비말 동반되는 샘플의 적어도 일부를 샘플 챔버 외부의 위치로 이송하도록 구성된다.

Description

챔버 내 유체 핸들링 시스템 및 이를 사용하여 유체를 핸들링하는 방법들{IN-CHAMBER FLUID HANDLING SYSTEM AND METHODS HANDLING FLUIDS USING THE SAME}

관련 출원들

본 출원은 2013년 2월 9일에 출원된, 미국 가 특허 출원 번호 제61/762,860호의 이익을 주장한다.

본원에 대표적으로 설명되는 바와 같은 본 발명의 실시예들은 일반적으로 챔버 내 유체를 핸들링하는 장치들 및 챔버 내 유체를 핸들링하는 방법들에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예들은 챔버 내에 배치되는 타겟을 통해 캐리어 가스(carrier gas)를 효과적으로 전달할 수 있고 및 유체의 챔버를 효과적으로 퍼지(purge)하기 위한 장치들 및 방법들에 관한 것이다.

질량 분석(MS; mass spectrometry) 시스템들, 방출 분광(OES; optical emission spectrometry) 시스템들 등과 같은, 분석 시스템들은 타겟(예컨대, 고체 타겟 물질)의 구성을 분석하는데 사용될 수 있다. 보통, 타겟의 샘플은 에어로졸(aerosol)의 형태로 분석 시스템에 제공된다. 해당 기술분야에 공지된 바와 같이, 에어로졸은 일반적으로 헬륨(He)과 같은 캐리어 가스에서 고체 및 가능한 액체 입자들의 콜로이드 서스펜션(colloid suspension)으로서 특징지어진다. 에어로졸은 통상적으로 입자들의 형태로, 샘플 챔버에 타겟을 배열하고, 샘플 챔버 내에 캐리어 가스의 흐름을 도입하며, 타겟의 부분을 토출함으로써(예컨대, 레이저 광으로 타겟의 부분을 제거함으로써) 생산된다. 그 후, 토출된 입자들은 통상적으로 유동 캐리어 가스에 의해 비말 동반되어 샘플 이송 도관을 통해 분석 시스템에 이송된다.

일반적으로, 샘플 챔버는 샘플 챔버의 내부로 및 외부로 타겟의 전달을 가능하게 하는 접근구(access opening)를 포함한다. 그러나, 샘플 챔버가 대기 가스들(예컨대, 산소, 질소, 이산화탄소 등)을 함유하는 환경에 위치되면, 대기 가스들은 타겟이 접근구를 통과할 때마다 샘플 챔버의 내부에 난입할 수 있다. 샘플 챔버 내 대기 가스들은 유동 캐리어 가스와 혼합되어 샘플과 함께 분석 시스템에 전달될 수 있다. 그 결과, 분석 시스템에 의해 수행되는 분석의 질이 샘플과 대기 가스들의 존재로 인해 저하될 수 있다. 샘플 챔버 내 산소 및 질소와 같은 대기 가스들의 존재는 또한 궁극적으로 분석 시스템에 이송되는 간섭 종들의 형성을 초래할 수 있고, 이는 또한 분석 시스템에 의해 수행되는 분석의 질을 저하시킬 수 있다. 샘플 챔버 내 가스들의 다양한 또는 이질성의 분포는 궁극적으로 분석 기술의 열악한 위치적 재현성을 야기하면서, 타겟의 상이한 영역들로부터 생성되는 샘플들에 대한 분석적 반응을 초래할 수 있기 때문에, 샘플 챔버 내 대기 가스들의 존재는 또한 문제가 된다. 따라서, 사용자는 타겟의 샘플이 획득된 경우에 의존하는 샘플 타겟과 상이한 분석 결과를 획득할 것이다.

종래, 대기 가스들은 샘플 이송 도관을 통해 샘플 챔버의 내부로부터 제거된다. 그러나, 샘플 이송 도관의 주입구는 통상적으로 타겟으로부터 생성되는 캐리어 가스보다 무겁거나, 또는 밀도가 높은, 에어로졸의 최적의 수집을 위해 - 대기 가스들을 퍼지하기 위함이 아닌 - 선택되는 위치에서 샘플 챔버의 중간 또는 상단 부분 내에 배열된다. 따라서 에어로졸 이동 도관의 사용을 수반하는 종래 대기 가스 제거 기술들은 샘플 챔버 내 대기 가스들의 오랜 퍼지 시간 및 보통 잔여량을 야기하여, 비효율적이다.

다른 종래 기술은 샘플 챔버의 내부로부터 대기 가스들을 흡출하기 위한 진공 펌프의 사용을 수반한다. 샘플 챔버가 송신 창(통상적으로 석영으로 형성되는)을 포함하는 레이저 어블레이션(laser ablation) 챔버인 경우들에서, 진공 펌프에 의해 생성되는 고진공은 바람직하지 않게 송신 창을 균열시킬 수 있다. 따라서, 진공 펌프를 사용하여 레이저 어블레이션 챔버로부터 대기 가스들을 빠르게 소거시키는 능력이 상당히 악화될 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따라 샘플 챔버 및 타겟 홀더를 포함하는 장치의 부분을 개략적으로 예시하는, 도 2에 도시된 라인 I-I’를 따라 취해진, 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 장치의 다른 부분을 개략적으로 예시하는, 도 1에 도시된 라인 II-II’를 따라 취해진, 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 타겟 홀더의 하단 부분을 개략적으로 예시하는, 도 1에 도시된 라인 III-III’를 따라 취해진, 하부 평면도이다.
도 4는 일 실시예에 따라 주입 노즐의 부분을 개략적으로 예시하는 단면도이다.
도 5는 도 4에 도시된 제 1 유체 가이드의 하단 부분을 개략적으로 예시하는, 도 4에 도시된 라인 V-V’를 따라 취해진, 하부 평면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 제 2 유체 가이드의 상단 부분을 개략적으로 예시하는, 도 4에 도시된 라인 VI-VI’를 따라 취해진, 하부 평면도이다.

예시적인 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 아래에서 설명된다. 많은 상이한 형태들 및 실시예들은 본 발명의 사상 및 교시들로부터 벗어나지 않고 가능하고 따라서 본 발명은 본원에 제시된 예시적인 실시예들에 제한되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 오히려, 이들 예시적인 실시예들은 본 발명이 철저하고 완전하도록 제공되고, 해당 기술분야의 통상의 기술자들에게 본 발명의 범위를 전달할 것이다. 도면들에서, 구성들의 크기들 및 상대적인 크기들은 명확함을 위해 확대될 수 있다. 본원에 설명된 기술은 단지 특정한 예시적인 실시예들을 설명하는 목적을 위함이고 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 본원에 설명된 바와 같이, 단수 형태들("하나의", "한" 및 "상기")은 문맥이 명확히 다르게 표시하지 않는 한, 복수 형태들 또한 포함하도록 의도된다. 용어들 "포함하다" 및/또는 "포함하는"은 본 명세서에서 사용될 때, 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 및/또는 구성들의 존재를 명시하나, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 구성들, 및/또는 그것들의 그룹들의 존재 또는 부가를 불가능하게 하지 않는다. 다르게 명시되지 않는 한, 다양한 값들은 나열될 때, 그 사이 임의의 서브 범위들뿐만 아니라, 범위의 상한 및 하한 양자를 포함한다.

도 1은 일 실시예에 따라 샘플 챔버 및 타겟 홀더를 포함하는 장치의 부분을 개략적으로 예시하는, 도 2에 도시된 라인 I-I’를 따라 취해진, 단면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 장치의 다른 부분을 개략적으로 예시하는, 도 1에 도시된 라인 II-II’를 따라 취해진, 단면도이다. 도 3은 도 1에 도시된 타겟 홀더의 하단 부분을 개략적으로 예시하는, 도 1에 도시된 라인 III-III’를 따라 취해진, 하부 평면도이다.

샘플 챔버(100), 샘플 생성기(102), 및 분석 시스템(104)을 포함하는 장치가 도 1 및 2에 도시된다. 샘플 챔버(100)는 그것의 내부(106) 내에, 타겟(T)과 같은, 타겟을 수용하도록 구성된다. 샘플 생성기(102)는 샘플 챔버(100)의 내부(106) 내에 배치된 타겟(T)의 부분을 제거하도록 구성됨으로써, 타겟(T)의 "샘플"을 생성한다. 분석 시스템(104)은 샘플의 적어도 부분의 구성을 분석하도록 구성된다. 예를 들어, 분석 시스템(104)은 질량 분석 시스템, 방출 분광 시스템 등 또는 그것들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 장치는 샘플이 분석 시스템(104)에 의해 분석되기 전 샘플의 적어도 일부의 하나 이상의 구성요소들을 자극(예컨대, 이온화, 원자화, 조명, 가열 등 또는 그것들의 조합)하도록 구성되는 샘플 준비 시스템(미도시)을 더 포함할 수 있다.

일반적으로, 샘플 챔버(100)는 타겟(T)이 내부(106) 내에 수용될 때 샘플 생성기(102)에 의해 타겟(T)의 부분의 제거를 용이하게 하도록 구성된다. 예를 들어, 예시된 실시예에서, 샘플 챔버(100)는 레이저 어블레이션 챔버로서 제공될 수 있고, 샘플 생성기(102)는 그 안에 수용된 타겟(T)의 영역을 밝히기 위해 샘플 챔버(100)의 내부(106) 내로, 방향 표시 화살표(108)를 따라 레이저 광의 빔(예컨대, 레이저 광의 하나 이상의 펄스들을 포함하는)을 향하게 함으로써 타겟(T)의 샘플을 생성하도록 구성되는 하나 이상의 레이저들을 포함할 수 있다. 그러한 예에서, 샘플 챔버(100)는 샘플 챔버(100)의 샘플 생성기(102) 및 내부(106) 간 광통신을 가능하게 하는 광학 포트(110)를 포함할 수 있다. 선택적으로, 송신 창(112)은 물질(예컨대, 타겟 물질의 입자들)이 광학 포트(10)를 통해 샘플 챔버(100)의 내부(106)를 출입하는 것을 방지하도록 제공될 수 있다. 송신 창(112)은 통상적으로 샘플 생성기(102)에 의해 생성되는 레이저 펄스들에 적어도 실질적으로 투명한 물질(예컨대, 석영)으로 형성된다. 송신 창(112)은 또한 먼지, 잔해 또는 다른 원치 않는 가스들 또는 다른 오염원들이 광학 포트(110)를 통해 내부(106) 내로 진입하는 것을 방지하도록 샘플 챔버(100)에 대해 밀봉될 수 있다. 각 레이저 펄스의 파장(예컨대, 193 nm, 213 nm, 266 nm 등과 같은, 약 157 nm 내지 약 11 ㎛의 범위 내), 펄스 지속기간(예컨대, 약 100 펨토초 내지 약 25 나노초의 범위 내), 스팟 크기, 펄스 에너지, 평균 전력, 피크 전력, 일시적 프로파일 등과 같은 하나 이상의 특성들은 조사된 영역 내 또는 조사된 영역에 인접하게 위치되는 타겟(T)의 물질을 제거하기 위해 선택되거나 다른 방법으로 제어될 수 있다. 샘플 생성기(102)는 또한 레이저들 중 하나 이상에 의해 생성되는 레이저 광을 변경하도록 구성되는 레이저 광학(예컨대, 하나 이상의 렌즈들, 빔 익스팬더들(beam expanders), 시준기들, 애퍼처들, 미러들 등)을 포함할 수 있다.

본원에 설명된 바와 같이, 레이저 어블레이션에 의한 물질의 제거는 타겟(T)의 표면에서의 레이저 에너지의 광-전자 흡수, 음향 포논들에 대해 초기-자극된 전자들로부터의 에너지 전달, 타겟(T)의 표면의 열적 가열, 타겟(T)의 표면 위 플라즈마 개시, 입자들 및 입자 클러스터들의 냉각 및 복합체 형성, 입자들의 토출을 초래하는 상 폭발, 물질 플레이크들의 박리, 칩들의 생성 등과 같은 하나 이상의 메커니즘들을 수반할 수 있다. 제거될 시, 조사된 영역(본원에서 "타겟 물질"로도 지칭되는) 내 또는 조사된 영역에 인접하게 위치되는 타겟(T)의 물질은 통상적으로 타겟 물질의 입자들 등을 함유하는 플룸(plume)의 형태로, 샘플로서 타겟(T)으로부터 토출되거나, 변위되거나 또는 다른 방법으로 이송된다. 샘플이 토출되거나, 변위되거나 또는 다른 방법으로 이송되는 내부(106)의 영역은 본원에서 샘플 영역(114)으로 지칭된다. 그에 따라, 샘플 영역(114)은 내부(106) 내 제 1 방향을 따라(예컨대, 예시된 바와 같이, 수직 방향을 따라) 타겟(T)으로부터 광학 포트(110)를 향해 확장될 수 있고, 또한 제 2 방향을 따라(예컨대, 예시된 바와 같이, 측 방향을 따라) 샘플 챔버(100)의 측면들을 향해 확장될 수 있다.

일 실시예에서, 타겟(T)은 타겟(T)이 내부(106) 내에 수용될 때 샘플 생성기(102)에 의한 레이저 광 출력의 빔에 관하여 위치적으로 고정될 수 있다. 그러나, 다른 실시예에서, 타겟(T)은 타겟(T)이 내부(106) 내에 수용될 때, 샘플 생성기(102)에 의한 레이저 광 출력의 빔에 관하여 이동될 수 있다. 예를 들어, 샘플 생성기(102) 및 빔(108) 중 하나 또는 양자는 송신 창(110)에 관하여 이동되거나 스캐닝될 수 있다. 다른 예에서, 타겟(T)은 샘플 챔버(100) 및 샘플 생성기(102) 중 하나 또는 양자에 관하여 내부(106) 내에 이동될 수 있다. 또 다른 예에서, 샘플 챔버(100)는 샘플 생성기(102)에 관하여 이동될 수 있다. 그에 따라 샘플 영역(114)이 또한 타겟(T), 샘플 챔버(100), 샘플 생성기(102), 및 샘플 생성기(102)에 의한 레이저 광 출력의 빔 중 어느 하나 간에 도달가능한 상대적 이동의 각도에 대응할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

분석 시스템(104)에 의한 타겟(T)의 제거된 부분의 적어도 일부의 분석을 용이하게 하기 위해, 장치는 내부(106) 내 위치로부터 샘플 챔버(100) 외부 위치로 샘플의 적어도 일부를 이송하도록 구성되는 샘플 이송 도관(118)을 포함할 수 있다. 도 2에 최상으로 도시된 바와 같이, 샘플 이송 도관(118)은 샘플 챔버(100)의 내부(106)와의 유체 연통에 있게 하기 위해 샘플 챔버(100)를 통해 연장하는 파이프 또는 튜브로서 제공될 수 있다. 샘플 이송 도관(118)은 일반적으로 그것의 일단에 위치되고 타겟(T)으로부터 토출되는 샘플의 적어도 일부를 수용하거나 다른 방법으로 수집하도록 구성되는 주입구(120), 및 분석 시스템(104)에(또는 샘플 준비 시스템에) 유동적으로 결합되는, 그것의 타단에 위치되는 배출구를 포함한다. 상기 설명된 바와 같이 구성되면, 샘플 이송 도관(118)은 그것의 배출구를 통해 주입구(120)에서 수용되는 샘플의 적어도 일부를 이송하도록 구성된다.

도 2에 대표적으로 예시되는 실시예에서, 샘플 이송 도관(118)은 주입구(120)가 샘플 영역(114) 내에 배치되도록, 샘플 챔버(100)를 너머 및 내부(106) 내로 연장하기 위해 샘플 챔버(100)를 통해 연장하는 샘플 포트를 통해 삽입된다. 그러나, 다른 실시예들에서, 샘플 이송 도관(118)은 주입구(120)가 샘플 챔버(100) 내에 배치되고 내부(106)로 노출되는 샘플 챔버(100)의 인접한 표면과 플러싱(flushing)하거나, 또는 샘플 챔버의 인접한 표면에 관하여 리세스되도록, 샘플 포트를 통해 부분적으로 또는 단지 전적으로 삽입된다. 주입구(120)는 샘플 이송 도관(118)의 본체에 관하여 위치적으로 고정될 수 있거나(즉, 샘플 이송 도관(118)은 실질적으로 강성 구조일 수 있다), 또는 샘플 이송 도관(118)의 본체에 관하여 위치적으로 가변일 수 있다(즉, 샘플 이송 도관(118)은 유연 구조이다). 내부(106)에 관한 주입구(120)의 위치는 고정될 수 있거나 가변일 수 있다. 또한, 샘플 생성기(102)에 관한 주입구(120)의 위치 또는 샘플 생성기(102)에 의한 레이저 광 출력의 빔은 고정될 수 있거나 가변일 수 있다.

도 2에 대표적으로 예시되는 실시예에서, 샘플 셀(122)은 주입구(120)에 결합되고 상술한 제 1 방향을 따라 주입구(120)로부터 타겟(T)에 밀접하도록 연장될 수 있다. 샘플 셀(122)은 타겟(T)에 상대적으로 근접한 위치에서의 제 1 단부에서 및 타겟(T)으로부터 상대적으로 떨어진 위치에서의 제 2 단부에서 중앙 샘플 수집 영역(124) 개방을 정의하는 일반적으로 고리 모양인 형상을 가질 수 있다. 샘플 셀(122)은 송신 창(112) 및 광학 포트(110)를 통해 내부(106) 내로 송신되는 레이저 광의 빔이 또한 타겟(T) 위에 충돌하기 전 중앙 샘플 수집 영역(124)의 제 1 및 제 2 단부들을 통해 송신가능하도록 구조화될 수 있다. 타겟(T)으로부터 토출되는 샘플의 적어도 일부는 그것의 제 1 단부를 통해 중앙 샘플 수정 영역(124) 내로 전달된다. 중앙 샘플 수집 영역(124) 내로 전달되면, 샘플은 주입구(120) 내로 수집된 후 샘플 이송 도관(118)으로부터 직접 또는 샘플 준비 시스템을 통해 분석 시스템(104)으로 이송될 수 있다.

주입구(120) 내로의 샘플의 수집을 용이하게 하기 위해, 장치는 샘플의 적어도 일부가 샘플 영역(114) 내 캐리어 가스에 의해 비말 동반가능하도록 샘플 영역(114) 내로 캐리어 가스를 유도하도록 구성되는 캐리어 가스 주입 시스템을 더 포함할 수 있다. 일반적으로, 캐리어 가스는 내부(106) 내에 생성되는 샘플에 관해 적어도 실질적으로 비활성인 것으로 선택된다. 헬륨은 적합한 캐리어 가스의 예이다. 캐리어 가스와 비말 동반되는 샘플의 부분을 따라, 캐리어 가스가 주입구(120)에서 수용될 수 있다(직접적으로, 또는 샘플 수집 컵(122)을 통해 간접적으로)는 것이 인식될 것이다..

일반적으로, 캐리어 가스 주입 시스템은 내부(106) 내 상이한 위치들로부터 샘플 영역(114) 내로, 및 상이한 방향들을 따라 샘플 영역(114) 내로 캐리어 가스의 별개의 스트림들 또는 흐름들을 유도하도록 구성되는 주입 노즐들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 캐리어 가스 주입 시스템은 제 1 주입 노즐(126) 및 제 2 주입 노즐(128)과 같은, 주입 노즐들을 포함할 수 있고, 각각은 샘플 영역(114) 내로 캐리어 가스의 별개의 흐름을 유도하게 구성된다. 제 1 주입 노즐(126)은 샘플 챔버(100)의 내부(106) 내 제 1 위치로부터, 샘플 영역(114) 내로 실질적으로 제 1 방향에서 이동하면서, 캐리어 가스의 제 1 흐름을 유도하도록 구성될 수 있다. 제 2 주입 노즐(128)은 샘플 챔버(100)의 내부(106) 내 제 2 위치로부터, 샘플 영역(114) 내로 실질적으로 제 2 방향에서 이동하면서, 캐리어 가스의 제 2 흐름을 유도하도록 구성될 수 있다. 대표적으로 예시된 바와 같이, 샘플 영역(114)의 적어도 일부는 제 1 위치 및 제 2 위치 간에 위치된다(예컨대, 측방향으로). 대표적으로 예시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 방향들은 서로 상이하다.

캐리어 가스 주입 시스템이 단지 두 개의 주입 노즐들(126 및 128)을 포함하는 것으로 예시되지만, 캐리어 가스 주입 시스템은 하나의 주입 노즐(예컨대, 주입 노즐(126 또는 128)) 또는 둘보다 많은 주입 노즐들을 포함할 수 있다는 것이 인식될 것이다. 다른 실시예들에서, 캐리어 가스 주입 시스템의 상이한 주입 노즐들은 내부(106) 내 상이한 위치들로부터 샘플 영역(114) 내로 동일 방향을 따라 샘플 영역(114) 내로 캐리어 가스의 별개의 흐름들을 유도하도록 구성될 수 있다. 하나의 주입 노즐에 의해 샘플 영역(114) 내로 유도되는 캐리어 가스의 흐름의 하나 이상의 특성들(예컨대, 유량, 체적, 단면 형상 또는 크기, 압력, 캐리어 가스 구성 등을 포함하는)은 다른 주입 노즐에 의해 샘플 영역(114) 내로 유도되는 캐리어 가스의 흐름의 하나 이상의 대응하는 특성들과 동일하거나 상이할 수 있다.

일반적으로, 캐리어 가스 주입 시스템의 각 주입 노즐은 타겟(T)의 표면의 부분을 거쳐(또는 전체 표면을 거쳐) 및 샘플 영역(114) 내로 캐리어 가스의 균일한 흐름(또는 적어도 실질적으로 균일한 흐름)을 유도하도록 구성된다. 캐리어 가스는 타겟(T)의 표면을 거치는 캐리어 가스의 흐름이 층류 또는 적어도 준-층류이도록 주입 노즐에 의해 유도된다. 예시된 실시예에서, 상술한 제 1 및 제 2 방향들 양자는 (예컨대, 제 1 및 제 2 방향들이 실질적으로 서로 대향하도록) 공통 축을 따라 실질적으로 연장한다. 그러나, 다른 실시예들에서, 제 1 및 제 2 방향들은 서로에 관해 비스듬하거나 수직인 축들을 따라 연장할 수 있다. 축을 따라 임의의 특정한 방향으로 이동하는, 캐리어 가스의 실질적으로 균일한 흐름을 제공 시, 흐름은 축에 대해 가로지르는 방향을 따라 측정가능한, 폭을 갖는 것으로 특징지어질 수 있다. 일반적으로, 캐리어 가스의 임의의 특정한 흐름의 폭은 10 mm 내지 1 m의 범위 내일 수 있다. 그러나, 캐리어 가스의 임의의 특정한 흐름의 폭은 10 mm 미만이거나 1 m 초과일 수 있다는 것이 인식될 것이다. 게다가, 하나의 주입 노즐에 의해 유도되는 흐름의 폭은 다른 주입 노즐에 의해 유도되는 흐름의 폭보다 크거나 동일할 수 있다. 캐리어 가스의 흐름들이 실질적으로 균일한 것으로 상기에서 설명되었지만, 캐리어 가스 주입 시스템의 주입 노즐들의 하나 이상 또는 전부가 분기하거나 수렴하는 샘플 영역(114) 내로 캐리어 가스의 흐름을 유도하도록 구성될 수 있다.

대표적으로 예시된 바와 같이, 샘플 챔버(100)에는 개폐될 수 있는(예컨대, 접근 도어 또는 해치(hatch)(130)에 의해) 접근구와 같은, 접근구가 제공된다. 접근구는 샘플 챔버(100)의 내부(106) 내로 및 외부로 타겟(T)의 전달을 가능하게 하도록 구조화된다. 예를 들어, 샘플 챔버(100)의 내부(106) 내에 타겟(T)을 배열하기 위해, 접근구는 접근 도어(130)를 개방함으로써 또는 다른 방법으로 샘플 챔버(100)로부터 접근 도어(130)를 제거함으로써 개방될 수 있다. 접근구 개방할 시, 타겟(T)은 내부(106) 내로 접근구를 통해 삽입될 수 있고, 총괄적으로 "유체"로 지칭되는, 대기 가스들(예컨대, 산소, 질소, 이산화탄소 등) 또는 다른 가스들(예컨대, 유기 또는 무기 오염 물질들, 용매 증기들 등)은 샘플 챔버(100)(예컨대, 샘플 영역(114) 내 내부(106) 및 샘플 영역(114) 외부의 영역들을 포함하는)의 내부(106) 내로 충돌하거나 또는 다른 방법으로 유도될 수 있다. 일반적으로, 유체는 캐리어 가스보다 무겁거나, 밀도가 높다. 그 후, 접근구는 샘플 챔버(100) 외부 환경으로부터 샘플 챔버(100)의 내부(106)를 유동적으로 구분하기 위해 접근 도어(130)를 폐쇄하거나 다른 방법으로 접근 도어(130)를 샘플 챔버(100)에 결합함으로써 폐쇄될 수 있다.

타겟(T)의 샘플을 생성하기 전 내부(106)로부터 상기-설명된 유체의 제거를 용이하게 하는 것이 바람직할 수 있는 실시예들에서, 장치는 내부(106)로부터 샘플 챔버(100) 외부의 위치로 유체의 적어도 일부를 이송하도록 구성되는, 퍼지 도관(132)과 같은, 퍼지 도관을 포함할 수 있다. 도 2에 최상으로 도시된 바와 같이, 퍼지 도관(132)은 샘플 챔버(100)의 내부(106)와 유체 연통하기 위해 샘플 챔버(100)를 통해 연장하는 퍼지 포트 내로 삽입되는, 파이프 또는 튜브로서 제공될 수 있다. 퍼지 도관(132)은 일반적으로 그것의 일 단부에 위치되고 챔버의 내부(106) 내로 유입되는 유체의 적어도 일부를 수용하거나 다른 방법으로 수집하도록 구성되는 주입구(134), 및 퍼지 도관(132)의 타단부에 위치되는 배출구를 포함한다. 일 실시예에서, 주입구(134)는 샘플 챔버(100)의 내부(106)의 최저 영역에 배치된다. 도 1 및 도 2에 예시된 실시예에서, 장치는 하나의 주입구(134)를 갖는 단지 하나의 퍼지 도관(132)을 포함한다. 그러나, 장치는 임의의 수의 퍼지 도관들(132)을 포함할 수 있고, 각각이 임의의 수의 주입구들(134)을 갖는다는 것이 인식될 것이다.

내부(106) 내로 유입되는 유체의 적어도 일부를 제거하기 위해, 내부(106)가 샘플 챔버(100) 외부의 환경으로부터 유동적으로 구분되는 상태에서 퍼지 가스가 내부(106) 내로 유입되는 퍼지 프로세스가 구현될 수 있다. 일반적으로, 퍼지 가스는 유체보다 가볍거나, 낮은 밀도일 수 있다. 일 실시예에서, 퍼지 가스는 캐리어 가스(예컨대, 헬륨)와 동일할 수 있다. 다른 실시예에서, 퍼지 가스는 캐리어 가스 주입 시스템을 통해 내부(106) 내로 유입되나, 캐리어 가스와 상이할 수 있다. 일 실시예에서, 밸브(136)와 같은, 분석 시스템(104)에(또는 샘플 준비 시스템에) 샘플 이송 도관(118)을 결합한 밸브는 샘플 이송 도관(118)의 내부를 유동적으로 연결해제하도록 폐쇄될 수 있고, 밸브(138)와 같은, 샘플 챔버(100) 외부의 퍼지 도관(132)에 결합된 밸브는 샘플 챔버(100) 외부의 영역 또는 환경에 퍼지 도관(132)의 주입구(134)를 유동적으로 연결하도록 개방될 수 있다. 퍼지 가스가 내부(106) 내로 유입됨에 따라, 내부(106) 내에 존재하는 유체는 내부(106)의 퍼지 영역 내로 하단 부분에 하향으로 변위되고, 여기서 그것은 퍼지 도관(132)의 주입구(134) 내로 효율적으로 수집되고 샘플 챔버(100) 외부의 위치로 퍼지 도관(132) 내에 이송된다(예컨대, 화살표(140)에 의해 표시되는 바와 같이). 유체가 내부(106)로부터 유익하게 또는 완전하게 제거된 후, 샘플 생성기(102)는 상기 설명된 방식으로 타겟(T)의 샘플을 생성하도록 동작될 수 있다.

상기 설명된 방식으로 내부(106)로부터의 유체의 제거는 내부(106) 내 타겟(T) 상의 샘플링 위치와 관계없이, 샘플 생성, 샘플 자극, 샘플 분석 등을 위한 적어도 실질적으로 동일한(또는 유익하게 유사한) 조건들을 보장한다. 따라서, 이는 개선된 위치적 재현성으로 이어져, 결국 분석 시스템(104)에 의해 생성되는 보다 정확하고, 보다 정밀한 분석적인 데이터를 보장한다. 상기 설명된 방식에서 내부(106)로부터의 유체의 제거는 또한 내부(106) 내 원치 않게 유도된 유체량이 상대적으로 빠르게 수용가능한 레벨들로 낮춰질 수 있다(또는 전체적으로 제거될 수 있다)는 것을 보장하고, 이는 퍼지 또는 캐리어 가스의 감소된 사용을 통해 보다 높은 샘플 처리량 및 비용 감소로 이어질 수 있다.

일 실시예에서, 도 1에 최상으로 예시된 바와 같이, 장치는 타겟 홀더(142)와 같은, 샘플 챔버(100)의 내부(106) 내에 배치되고 내부(106) 내 타겟(T)을 지지하도록 구성되는, 타겟 홀더를 포함할 수 있다. 타겟 홀더(142)는 샘플 이송 도관(118)의 주입구(120)에 관하여 내부(106) 내에서 이동가능할 수 있고, 샘플 챔버(100) 등 또는 그것들의 조합에 관하여 내부(106) 내에서 이동가능할 수 있다. 일 실시예에서, 상술한 접근구는 샘플 챔버(100)의 내부(106) 내로 및 밖으로 타겟 홀더(142)(그 위에 지지되는 타겟(T)을 갖거나 갖지 않는)의 전달을 가능하게 하도록 구조화될 수 있다.

이제 도 1 내지 도 3을 참조하면, 타겟 홀더(142)는 타겟(T)에 물리적으로 접촉하도록 구성되는 지지 표면(146)을 갖는 베이스(144)를 포함한다. 타겟 홀더(142)는 지지 표면(146)으로부터 상향으로 연장하는 타겟 펜스(target fence)(148)를 더 포함할 수 있다. 그에 따라 지지 표면(146) 및 타겟 펜스(148)는 타겟(T)이 지지가능한 깊이(예컨대, 타겟 펜스(148)가 지지 표면(146) 위로 연장하는 높이에 대응하는)를 갖는 수조를 정의할 수 있다. 상술한 퍼지 프로세스 동안, 지지 표면(146) 위 영역에서의 내부(106) 내 유체는 타겟 홀더(142)의 수조 내에 수집하고 퍼지 도관(132)의 주입구(134) 내로 전달되는 것으로부터 바람직하지 않게 방지될 수 있다. 수조 내 유체가 퍼지 도관(132)의 주입구(134) 내로 수집되는 것을 가능하게 하기 위해, 하나 이상의 유체 이송 도관들은 베이스(144), 타겟 펜스(148) 등 또는 그것들의 조합을 통해 연장하도록 제공될 수 있다. 일반적으로, 그러한 유체 이송 도관들은 수조와 유체 연통하는 제 1 단부 및 수조 외부에서 내부(106)의 영역과 유체 연통하는 제 2 단부를 포함할 수 있다. 타겟 홀더(142)는 임의의 형상 또는 형상들의 조합으로 제공되고, 임의의 방식으로(예컨대, 규칙적인 패턴 또는 어레이로, 무작위로, 하나 이상의 주입 노즐들의 위치에 대응하는 위치들에서) 타겟 홀더(142) 내에 배열되는, 임의의 수의 유체 이송 도관들을 포함할 수 있다. 상기 설명된 바와 같이 구성되면, 유체 이송 도관은 그렇지 않으면 퍼지 프로세스 동안 수조 내에 트랩될 수 있는, 유체가 수조의 밖으로 및 내부(106)의 퍼지 영역 내로 변위되는 것을 가능하게 할 수 있다. 일 실시예에서, 유체 이송 도관의 제 2 단부는 그것의 제 1 단부보다 고도적으로 낮을 수 있다.

대표적으로 예시된 실시예에서, 타겟 홀더(142)는 내부(106)를 정의하는 샘플 챔버(100)의 하부 표면에 접촉하기 위해 베이스(144)로부터 하향으로 연장하는 기저(150), 및 베이스(144)를 통해 연장하는 슬릿-형 유체 이송 도관(152)을 더 포함할 수 있다. 내부(106)를 정의하는 샘플 챔버(100)의 베이스(144), 기저(150) 및 하부 표면은 유체 이송 도관(152)과 유체 연통하는 퍼지 저장소(154)를 정의하는 것으로 개념적으로 고려될 수 있다. 예시된 바와 같이, 유체 이송 도관(152)은 수조(예컨대, 지지 표면(146)에 인접한)와 유체 통신하는 제 1 단부 및 퍼지 저장소(154)와 유체 통신하는 제 2 단부를 포함한다. 저장소 배출구(300)(도 3 참조)는 기저(150)를 통해 연장하고 유체를 퍼지 저장소(154)로부터 내부(106)의 퍼지 영역 내로 송신하도록 구성된다. 예를 들어, 저장소 배출구(300)는 퍼지 저장소(154)로부터 유체를 수신하도록 구성되는 제 1 단부 및 퍼지 영역에서 퍼지 도관(132)의 주입구(134)에 근접 위치된 제 2 단부를 포함할 수 있다. 상기 설명된 바와 같이 구성되면, 유체 이송 도관(152)은 그렇지 않았으면 퍼지 프로세스 동안 수조 내 트랩될 수 있는, 유체가 수조의 밖으로 및 퍼지 저장소(154) 내로 변위되는 것을 가능하게 할 수 있고, 퍼지 저장소(154) 내 유체는 그 후 저장소 배출구(300)을 통해 퍼지 도관(132)의 주입구(134)에 전달될 수 있다.

도 1 및 도 2에 예시된 실시예에서, 갭이 타겟 홀더(142) 및 내부(106)를 정의하는 샘플 챔버(100)의 표면 간에 존재하고, 이를 통해 유체는 퍼지 도관(132)의 주입구(134) 내로 수집되도록 퍼지 영역 내로 흐를 수 있다. 그러나, 타겟 홀더(142) 및 샘플 챔버(100)는 유체가 퍼지 영역 내로 흐를 수 있는 어떤 갭도 그 간에 존재하지 않도록 구성될 수 있다.

임의의 상술한 주입 노즐들은 상기 설명된 바와 같이 캐리어 가스의 흐름들을 생성하기 위해 임의의 적합하거나 유익한 방식으로 구성될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 일 실시예에서, 캐리어 가스 주입 시스템의 주입 노즐은 캐리어 가스의 입력 스트림을 수신하도록 구성되는 주입구 및 샘플 챔버(100)의 내부(106) 내로 캐리어 가스를 토출하도록 구성되는 배출구를 포함할 수 있다. 배출구는 토출된 캐리어 가스의 흐름을 형성하기 위해 그 안에 형성되는 슬릿을 갖는 커버를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 커버는 토출된 캐리어 가스의 흐름을 형성하기 위해 밀접하게 이격된 홀들의 라인, 마이크로 홀들의 배열 등을 가질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 배출구는 토출된 캐리어 가스의 흐름을 형성하도록 구성되는 층류 삽입을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 주입 노즐은 입력 스트림의 적어도 하나의 특성(예컨대, 유량, 흐름의 방향, 단면 형상, 압력 등)을 변경함으로써 캐리어 가스의 변경된 스트림을 형성하도록 구성되는 스트림 변경 섹션을 포함할 수 있다. 그러한 실시예에서, 배출구는 샘플 챔버(100)의 내부(106) 내로 변경된 특성(들)을 갖는 캐리어 가스를 토출하도록 구성될 수 있다.

도 4는 일 실시예에 따라 토출 노즐의 부분을 개략적으로 예시하는 단면도이다. 도 5는 도 4에 도시된 제 1 유체 가이드의 하단 부분을 개략적으로 예시하는, 도 4에 도시된 라인 V-V’를 따라 취해진, 하부 평면도이다. 도 6은 도 4에 도시된 제 2 유체 가이드의 상단 부분을 개략적으로 예시하는, 도 4에 도시된 라인 VI-VI’를 따라 취해진, 하부 평면도이다.

일 실시예에서, 캐리어 가스 주입 시스템의 임의의 주입 노즐들은 도 4에 대표적으로 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 도 4를 참조하면, 주입 노즐(400)과 같은, 주입 노즐은 서로 결합되도록 적응되는 제 1 본체 부분(402) 및 제 2 본체 부분(404)을 포함할 수 있다. 가스(예컨대, 캐리어 가스)의 스트림을 수용하도록 구성되는 주입구는 제 1 본체 부분(402)에 형성될 수 있고, 내부(106) 내로 가스의 흐름을 토출하도록 구성되는 배출구는 또한 제 1 본체 부분(402)에 형성될 수 있다. 장착 플랜지(mounting flange)(410)는 제 1 본체 부분(402) 상에 제공될 수 있고, 이는 주입 노즐(400)을 샘플 챔버(100)에 결합하는데 사용될 수 있다. 제 1 본체 부분(402)은 제 1 유체 가이드(410) 및 제 2 유체 가이드(412)를 수용하도록 구성되는 공동을 정의할 수 있고, 이 각각은 가스의 흐름을 유도, 형성 또는 다른 방법으로 변경하도록 그 안에 형성되는 채널들 또는 그루브들을 갖는 재료(예컨대, 중합 재료, 금속 재료 등)의 블록들로서 제공될 수 있다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 제 1 유체 가이드(412)는 가스를 주입구(406)로부터 제 1 확장 채널(500)로 이송하도록 구성되는 그 안에 정의되는 제 1 가이드 채널(416)을 포함할 수 있고, 이는 제 2 가이드 채널(418)를 향해 가스의 흐름을 확산하도록 구성된다. 도 4및 도 6을 참조하면, 제 2 유체 가이드(414)는 가스를 제 2 가이드 채널(416)로부터 제 2 확장 채널(422)로 이송하도록 구성되는 그 안에 정의되는 제 3 가이드 채널(420)을 포함할 수 있고, 이는 배출구(408)를 향해 가스의 흐름을 확산하도록 구성된다. 제 1 및 제 2 유체 가이드들(412 및 414)이 제 1 본체 부분에 의해 정의되는 공동 내에 배치될 때, 제 1 가이드 채널(416)의 단부는 주입구(406)에 정렬되고, 제 2 가이드 채널(418)은 제 3 가이드 채널(420)에 정렬되며, 제 2 확장 채널(422)의 단부는 배출구(408)와 정렬된다.

상기 내용은 본 발명의 예시적인 실시예들의 예시이고, 그것의 제한으로서 해석되지 않아야 한다. 몇몇 예시적인 실시예들이 설명되었지만, 해당 기술의 통상의 기술자들은 많은 변형들이 본 발명의 신규한 교시들 및 이점들로부터 실질적으로 벗어나지 않고 가능하다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 따라서, 모든 그러한 변형들은 다음 청구항들에 정의된 바와 같이 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다.

Claims

내부 및 광학 포트를 갖는 챔버(chamber) - 광은 상기 광학 포트를 통해 상기 내부로 투과될 수 있고 상기 내부는 상기 챔버의 하부 표면에 의해 적어도 부분적으로 정의됨 -;
상기 챔버의 내부 내에 배치되는 타겟 홀더(target holder) - 상기 타겟 홀더는 타겟이 상기 챔버의 하부 표면 위에서 지지될 수 있는 지지 표면을 정의하는 베이스 및 상기 타겟 홀더를 통해 연장되는 적어도 하나의 유체 이송 도관을 가지며, 상기 적어도 하나의 유체 이송 도관은 상기 챔버의 내부와 유체 연통하는 제 1 단부 및 상기 챔버의 내부와 유체 연통하는 제 2 단부를 가지며, 상기 제 2 단부는 상기 제 1 단부보다 상기 지지 표면으로부터 더 멀리 떨어져 있음 -;
상기 챔버의 내부 내로 캐리어 가스를 유도하도록 구성되는 캐리어 가스 주입 시스템; 및
고도적으로(elevationally) 상기 지지 표면 아래의 위치에서 상기 챔버의 내부와 유체 연통하고, 상기 챔버의 내부로부터 상기 챔버의 외부의 위치로 유체를 이송하도록 구성되는 퍼지 도관(purge conduit)을 포함하는, 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 캐리어 가스 주입 시스템은 실질적으로 제 1 방향에서 상기 챔버의 내부 내로 이동하는 캐리어 가스의 제 1 흐름 및 실질적으로 제 2 방향에서 상기 챔버의 내부 내로 이동하는 캐리어 가스의 제 2 흐름을 유도하도록 구성되고, 상기 제 1 방향은 상기 제 2 방향과 상이한, 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 캐리어 가스 주입 시스템은 상기 제 1 방향이 상기 제 2 방향이 연장하는 축과 적어도 실질적으로 평행한 축을 따라 연장하도록 구성되는, 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 캐리어 가스 주입 시스템은 상기 제 1 흐름은 상기 제 1 흐름이 연장하는 축에 대해 가로지르는 방향을 따라 측정되는, 10 mm 보다 큰, 폭을 갖도록 구성되는, 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 캐리어 가스 주입 시스템은 적어도 하나의 주입 노즐을 포함하는, 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 적어도 하나의 주입 노즐은:
상기 캐리어 가스의 입력 스트림을 수용하도록 구성되는 주입구;
상기 입력 스트림의 적어도 하나의 특성을 변경하도록 구성되는 스트림 변경 섹션 - 그것에 의하여 상기 캐리어 가스의 변경된 스트림을 형성함 -; 및
상기 챔버의 상기 내부로 상기 캐리어 가스의 상기 변경된 스트림을 토출하도록 구성되는 배출구를 포함하고,
상기 변경된 스트림은 상기 입력 스트림의 특성과 상이한 적어도 하나의 특성을 갖는, 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 적어도 하나의 특성은 유량, 흐름의 방향, 단면 형상 및 압력으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 장치.
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청구항 1에 있어서,
상기 챔버는 상기 챔버의 상기 내부로 상기 타겟의 전달(passage), 및 상기 챔버의 상기 내부로부터 상기 타겟의 전달로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 가능하게 하도록 구성되는 접근구(access opening)를 포함하는, 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 캐리어 가스 주입 시스템은 상기 챔버 내의 제 1 위치 및 제 2 위치로부터 상기 챔버의 내부 내로 상기 캐리어 가스를 유입하도록 구성되는, 장치.
샘플 챔버;
샘플 챔버의 내부 내에서 샘플 영역 및 상기 샘플 영역의 외부에 있는 퍼지 영역을 정의하기 위해 상기 샘플 챔버의 내부 내에 배치되는 타겟 홀더 - 상기 타겟 홀더는 타겟의 적어도 일부가 상기 샘플 영역 내에서 처분가능(disposable)하도록 상기 타겟을 지지하도록 추가적으로 구성됨 -; 및
상기 샘플 챔버의 상기 내부와 유체 연통하는 퍼지 도관 - 상기 퍼지 도관은 유체를 상기 퍼지 영역으로부터 상기 샘플 챔버 외부의 위치로 이송하도록 구성됨 -을 포함하고,
상기 타겟 홀더는,
상기 타겟에 물리적으로 접촉하도록 구성되는 지지 표면을 갖는 베이스; 및
상기 지지 표면에 인접한 제 1 단부 및 상기 퍼지 영역과 유체 연통하는 제 2 단부를 갖고 상기 베이스를 통해 연장하는 적어도 하나의 유체 이송 도관을 포함하는, 장치.
청구항 12에 있어서,
캐리어 가스의 적어도 일부를 상기 샘플 영역으로부터 상기 샘플 챔버 외부의 위치로 이송하도록 구성되는 샘플 이송 도관을 더 포함하는, 장치.
청구항 13에 있어서,
상기 타겟 홀더가 상기 샘플 이송 도관의 주입구에 관하여 이동가능한, 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 타겟 홀더는 상기 샘플 챔버에 관하여 이동가능한, 장치.
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청구항 12에 있어서,
상기 타겟 홀더는 상기 타겟 홀더가 상기 샘플 챔버의 상기 내부에 배치될 때 퍼지 저장소(purge reservoir)가 상기 샘플 영역 아래 정의되고, 상기 퍼지 영역을 포함하도록 구성되고, 상기 퍼지 저장소는 상기 퍼지 도관의 주입구와 유체 연통하는 배출구를 갖는, 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 퍼지 영역은 상기 샘플 영역 아래에 위치되는, 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 유체의 밀도는 캐리어 가스의 밀도보다 큰, 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 유체는 산소 가스를 포함하는, 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 유체는 이산화탄소 가스를 포함하는, 장치.
청구항 12에 있어서,
캐리어 가스는 헬륨을 포함하는, 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 타겟의 상기 일부를 제거하거나 변위하도록 구성되는 샘플 생성기를 더 포함하는, 장치.
청구항 24에 있어서,
상기 샘플 생성기는 레이저 펄스를 상기 샘플 영역 내로 향하게 하도록 구성되는 레이저 시스템을 포함하는, 장치.
청구항 25에 있어서,
상기 레이저 펄스는 상기 타겟이 형성되는 물질을 제거하도록 구성되는, 장치.
청구항 13에 있어서,
상기 샘플 이송 도관에 의해 이송되는 상기 샘플의 적어도 일부의 구성을 분석하도록 구성되는 샘플 분석 시스템을 더 포함하는, 장치.
청구항 27에 있어서,
상기 샘플 분석 시스템은 질량 분석기 시스템을 포함하는, 장치.
청구항 13에 있어서,
상기 샘플 이송 도관에 의해 이송되는 상기 샘플의 적어도 일부의 적어도 하나의 구성요소를 자극하도록 구성되는 샘플 준비 시스템을 더 포함하는, 장치.