EP1784850B1 - Piege a ions a aimant permanent longitudinal et spectrometre de masse utilisant un tel aimant - Google Patents

Piege a ions a aimant permanent longitudinal et spectrometre de masse utilisant un tel aimant Download PDF

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EP1784850B1
EP1784850B1 EP05793119A EP05793119A EP1784850B1 EP 1784850 B1 EP1784850 B1 EP 1784850B1 EP 05793119 A EP05793119 A EP 05793119A EP 05793119 A EP05793119 A EP 05793119A EP 1784850 B1 EP1784850 B1 EP 1784850B1
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EP
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magnetic
ion trap
structures
trap according
ion
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EP05793119A
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EP1784850A1 (fr
Inventor
Michel Heninger
Joël LEMAIRE
Gérard MAUCLAIRE
Pierre Boissel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Pierre et Marie Curie Paris 6
Universite Paris Sud Paris 11
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Pierre et Marie Curie Paris 6
Universite Paris Sud Paris 11
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J49/00—Particle spectrometers or separator tubes
    • H01J49/26—Mass spectrometers or separator tubes
    • H01J49/34—Dynamic spectrometers
    • H01J49/36—Radio frequency spectrometers, e.g. Bennett-type spectrometers, Redhead-type spectrometers
    • H01J49/38—Omegatrons ; using ion cyclotron resonance

Definitions

  • the present invention relates to a vacuum magnetic ion trap which can be used in particular to detect ions by Fourier Transform Cyclotron Resonance mass spectrometry or FTICR.
  • Magnetic ion traps, or Penning traps allow to confine the ions for long periods of time, to react them on neutral gases, then to select them according to their mass and to detect them with a very great resolution in mass.
  • a good homogeneity of the magnetic field is a fundamental parameter and a field strength of the order of 1 Tesla is often considered as an order of magnitude necessary.
  • the object of the present invention is to overcome this problem by defining a magnetic ion trap, compactness and reduced weight, while maintaining good performance and having a practical geometry that allows in particular the use of a source of energy. ions outside the device.
  • the invention relates to a vacuum magnetic ion trap comprising a permanent magnet assembly comprising at least two hollow cylindrical magnetic structures and a sealed chamber enclosing an ion confinement cell placed between said at least two magnetized structures and comprising at least two trapping electrodes connectable to a voltage generator, characterized in that said permanent magnet assembly comprises at least one convergent radial magnetic structure, magnetized in a convergent radial direction, and a divergent magnetic magnet structure, magnetized along a direction radial divergent, said radial magnet structures, convergent and divergent, being disposed along a same longitudinal axis to generate between them a homogeneous permanent magnetic field oriented in a direction substantially parallel to said longitudinal axis.
  • the invention also relates to a mass spectrometer comprising a magnetic ion trap, a pumping device, a trapping voltage generator, and measuring means capable of carrying out a Fourier transform analysis of the cyclotron movement of the ions contained in the ion trap, characterized in that said magnetic ion trap is a trap as defined above.
  • the Fourier transform ionic cyclotron resonance mass spectrometer or FTICR shown on the figure 1 is equipped with a magnetic ion trap 2 according to the invention.
  • This magnetic ion trap 2 comprises a sealed chamber 4 of generally cylindrical shape with a longitudinal axis XX ', also called treatment chamber. This enclosure 4 is connected to a pumping device 6.
  • the pumping device 6 consists of a turbo molecular pump associated with a diaphragm pump.
  • other types of pumps may be used, such as ion pumps, cryogenic pumps or any other equivalent device.
  • the device 6 ensures the creation, in the chamber 4, of an ultrahigh vacuum atmosphere whose pressure is of the order of 10 -8 millibars.
  • the device 6 also includes gas injection pipes connected to the chamber 4 by the combination of leakage valves and pulsed valves to control the nature of the atmosphere in the chamber 4.
  • This mass spectrometer is intended to be used with an external ion source, such as a filament 7 which emits electrons along the longitudinal axis, and gas injection lines as previously described.
  • an external ion source such as a filament 7 which emits electrons along the longitudinal axis, and gas injection lines as previously described.
  • An ion confinement cell 8 in which the ions can be analyzed in bulk is placed in the chamber 4 on the axis XX '. Different cell geometries are possible.
  • the cell 8 is of cubic shape and comprises two trapping electrodes 10, of flat and square shape extending parallel to each other and perpendicular to the longitudinal axis XX of the enclosure 4.
  • the chamber 4 has sealed connection means 11 arranged between the source 7 and the chamber 4 on the axis XX 'and ion guide means 12 formed in the example of several lenses connected to a generator, an accelerator lens 12A, a focusing lens 12B and a deceleration lens 12C.
  • the trapping electrode situated on the side of the external source 7 is pierced with a hole 13 so as to allow the ions to be injected into the cell 8.
  • the electrodes 10 are electrically connected to a trapping DC voltage generator 12, to be electrically charged to a predetermined potential.
  • the cell 8 also comprises two planar and square shaped excitation electrodes 14 extending parallel to each other, perpendicular to the trapping electrodes 10 and perpendicular to the longitudinal axis XX 'of the enclosure 4.
  • the excitation electrodes 14 are electrically connected to an excitation signal generator 16.
  • the cell 8 comprises two measurement electrodes 18, of planar and square shape extending parallel to each other and perpendicular to the trapping electrodes 10 and the electrodes 14 of excitation.
  • the measuring electrodes 18 are connected to a measuring device 20 consisting, for example, of a broadband preamplifier connected to a microcomputer equipped with electronic acquisition cards and appropriate analysis software.
  • the trapping electrodes 10, excitation 14 and measurement 18 are arranged so that the cell 8 has the general shape of a cube or more generally of a rectangular parallelepiped.
  • the cubic cell 8 is made with square electrodes of 20 or 25 mm on one side, made of a non-magnetic material such as for example ARCAP AP4 mounted on a MACOR insulating support and electrically connected using wires. copper or silver.
  • a non-magnetic material such as for example ARCAP AP4 mounted on a MACOR insulating support and electrically connected using wires. copper or silver.
  • the ion trap 2 further comprises a permanent magnet assembly, in the embodiment described, of three structures in the form of hollow cylinders along their longitudinal axis, denoted 30, 32 and 34.
  • these structures are realized by the combination of several magnetized segments which are assembled so as to have the general shape of a hollow cylinder with circular section.
  • the three magnetized structures 30, 32 and 34 are arranged along the same longitudinal axis XX ', or coaxially along the axis XX', the structure 34 being interposed between the structures 30 and 32, called external structures,
  • the structures 30, 32 and 34 thus form a cavity 36 in which the treatment chamber 4 is placed, so that the confinement cell 8 is placed between the outer magnets 30 and 32, on the longitudinal axis XX '.
  • the center of the confinement cell 8 essentially corresponds to the center of the assembly of the magnetized structures 30, 32 and 34.
  • External magnet structures 30 and 32 are respectively designed to induce a substantially convergent radial magnetic field and a substantially radial diverging magnetic field, respectively.
  • the magnetized structure 30, referred to as the convergent radial is composed of sixteen magnetized segments each in the shape of a ring portion.
  • the magnetization of each of the segments is made in a convergent radial direction, in the direction of the axis XX '.
  • the sectional view of the structure 32 of the figure 3 shows that this so-called divergent radial structure is formed by the assembly of sixteen magnetized segments each in the shape of a ring portion. The magnetization of each of the segments is made in a diverging radial direction, ie from the axis XX '.
  • each segment forming the magnetized structures 30 and 32 is essentially perpendicular to the axis XX ', each structure having a symmetry of revolution about the axis XX'.
  • the cooperation of the magnetized structures 30 and 32 generates, at the level of the confinement cell 8 placed between the outer structures 30 and 32, a homogeneous permanent magnetic field B oriented substantially parallel to the longitudinal axis XX ', in the direction from the radial structure converging towards the divergent radial structure 32.
  • the trapping electrodes 10 of the confinement cell 8 are placed perpendicular to the magnetic field B generated by the magnets 30 and 32.
  • This homogeneous permanent magnetic field oriented B is reinforced, in the embodiment described, by the magnetic structure 34 interposed between the magnetized structures 30 and 32.
  • This structure 34 is formed of magnetized segments whose direction of magnetization is parallel to the axis XX 'and directed from the structure 32 to the structure 30 is in the direction of the radial structure diverging towards the so-called convergent radial structure.
  • this magnetic structure 34 interposed between the structures 30 and 32 makes it possible to reinforce the homogeneity and the intensity of the magnetic field in the confinement cell 8 and also makes it possible to have a weaker magnetic field outside the magnetic structures.
  • the structures 30, 32 and 34 consist of Nd-Fe-B, or Neodymium Iron Boron and have an outside diameter of 24 cm, for the magnetized structures 30 and 32 and 20 cm for the magnet 34. All the magnetized structures have an inside diameter of 6 cm and a length of 10 cm.
  • the assembly then generates a magnetic field of the order of Tesla with a homogeneity of the order of 1 per 1000 in a central volume greater than about 10 cm3.
  • the three magnetized structures 30, 32 and 34 are arranged coaxially and axially separated by adjustable intervals d1 and d2.
  • the intervals d1 and d2 are typically less than 5 mm, advantageously between 0.3 and 0.7 mm and preferably equal to 0.5 mm.
  • FIG. 4 shows a view in longitudinal section of the structures of the trap, with ions according to the invention
  • the central magnet 34 is fixedly mounted on a frame 38 formed of plates and wedges of non-magnetic material.
  • the two outer magnet structures 30 and 32 are movably mounted in translation and can be displaced along the axis XX ', for example, respectively by means of screws 40, 42 secured to the frame 38 and engaging in threaded blind holes. 44 provided in the outer faces of the outer magnets 30 and 32.
  • the intervals d1 and d2 are adjusted to obtain a magnetic field of maximum homogeneity in the cell 8.
  • the structures 30, 32 and 34 generate in the center of the cavity 36, a homogeneous magnetic field B of high intensity, substantially parallel to the axis XX 'and directed from the structure 30 to the structure 32.
  • This figure shows a perspective view of a partial section of the magnetic ion trap 2 along the axis XX '.
  • the ion trap 2 comprises the chamber 4 integrated in the cavity 36 of the cylindrical magnet structures 30, 32 and 34.
  • the two trapping electrodes 10 each consist of a cylinder structure open by two opposite faces.
  • the openings of the two open cylinders constituting the electrodes 10 are oriented towards each other along the longitudinal axis XX '.
  • the two excitation electrodes 14 and detection electrodes 18 are all in the form of ring sections and are arranged to form a hollow cylinder placed between the hollow cylinders forming the trapping electrodes 10 and coaxially therewith.
  • the electrodes of the same type are facing each other so that the excitation electrodes 14 and the detection electrodes 18 are alternated.
  • the set of electrodes thus defines inside the enclosure 4, a containment cell 50 in the general tunnel shape oriented along the longitudinal axis XX '.
  • Such a structure can be defined as an open structure and has many advantages of implementation in particular for the ionization of the molecules present in the chamber 4 and for the characterization of the ions by the interaction with beams of photons or with other molecules
  • the ion trap of the invention is used directly with an external ion source, i.e. located outside the central magnetic field zone.
  • the injection of ions into the cell must be along the axis of symmetry of the magnetized structures.
  • the source is optionally off-axis if an ion beam deflector is placed before introducing the ions into the cell.
  • the zone used for ion transfer must itself be placed in a high vacuum and may require one or more additional pumping units.
  • the ions are guided along the axis XX 'in a conventional manner, for example using a system composed of electrostatic lenses or radio frequency guides.
  • a gas sample for producing the primary ions is introduced into the ion source.
  • a second gas sample is then pulsed into the source with which the primary ions can react.
  • the produced ions are guided into the containment cell where they are trapped and can be excited to obtain a mass spectrum by Fourier transform analysis.
  • the ion source itself can operate under vacuum, for example by ion formation by electron impact, chemical ionization, laser ionization ablation or matrix assisted ionization desorption (MALDI). Sample changes are facilitated by the use of separate pumping units for the external source and for the rest of the device, the external source being able to be isolated by means of a valve.
  • MALDI matrix assisted ionization desorption
  • the external source can also be a source operating at atmospheric pressure (electrospray source, MALDI source at atmospheric pressure, chemical ionization at atmospheric pressure) in which case several differential pumping stages are required between the ion source and the chamber containing the cell. .
  • drift or flow tubes or any other type of source placed in the enclosure or outside thereof may also be used.
  • the magnets are integrated within the treatment enclosure or have shapes other than circular section shapes, such as polygonal section shapes.
  • the external magnetized structures are adapted to induce respectively convergent and divergent radial fields, not perpendicular to the axis XX '.
  • each field is oriented in a range of about ten degrees around the perpendicular to the longitudinal axis XX '.
  • the embodiment described provides three magnetized structures, however two magnetized structures are sufficient for the implementation of the invention. Alternatively, between these two structures is interposed another structure arranged coaxially with the other two.
  • This additional structure is made of a material without permanent magnetization but having a high magnetic permeability such as a piece of soft iron or other ferromagnetic metal.

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Description

  • La présente invention concerne un piège à ions magnétique sous vide pouvant notamment être utilisé pour détecter les ions par spectrométrie de masse de résonance cyclotronique à transformée de Fourier ou FTICR.
  • Les pièges à ions magnétiques, ou pièges de Penning permettent de confiner les ions pendant des temps importants, de les faire réagir sur des gaz neutres, pour ensuite les sélectionner suivant leur masse et les détecter avec une très grande résolution en masse.
  • Ils sont utilisés dans des domaines variés allant de la physique atomique à la protéomique.
  • L'intérêt de ces dispositifs pour la caractérisation de macromolécules conduit à l'utilisation de champs magnétiques d'intensité de plus en plus élevés de façon à accroître le domaine de masse pouvant être détecté, la sensibilité et le pouvoir de résolution. Des champs de forte intensité, actuellement de l'ordre de 12 Tesla sont obtenus avec des aimants à supraconducteur. Ces dispositifs sont volumineux et peuvent atteindre des poids de plusieurs tonnes. En outre, ils nécessitent des installations complexes d'alimentation et de refroidissement et sont donc réservés à des installations fixes.
  • Des pièges de plus petite taille, permettant d'avoir un dispositif mobile ont été développés en utilisant des aimants permanents pour générer le champ magnétique (Zeller L.C, Kennady-J.M, Campana J.E., Kenttamaa H.I. Anal. Chem. 1993, 65, 2116 2118, brevet US-A-5 451 781 DIETRICH).
  • Toutefois, lorsque le champ magnétique est limité à des valeurs d'environ 0,4 Tesla et/ou sur des volumes trop faibles, les performances sont très limitées.
  • Pour obtenir de bonnes performances, notamment en ce qui concerne la résolution, une bonne homogénéité du champ magnétique est un paramètre fondamental et une intensité du champ de l'ordre de 1 Tesla est souvent considérée comme un ordre de grandeur nécessaire.
  • L'aimant permanent décrit dans la demande de brevet en France FR 2 835 964 permet d'obtenir un champ homogène de bonnes qualité et intensité mais la géométrie utilisée limite l'utilisation du piège aux ions directement formés dans la cellule ou dans son voisinage immédiat.
  • Le but de la présente invention est de remédier à ce problème en définissant un piège à ions magnétique, d'encombrement et de poids réduits, tout en préservant de bonnes performances et présentant une géométrie pratique qui permette notamment l'utilisation d'une source d'ions extérieure au dispositif.
  • L'invention a pour objet un piège à ions magnétique sous vide comportant un assemblage formant aimant permanent comprenant au moins deux structures aimantées en forme de cylindres creux et une enceinte étanche renfermant une cellule de confinement des ions placée entre lesdites au moins deux structures aimantées et comprenant au moins deux électrodes de piégeage connectables à un générateur de tension, caractérisé en ce que ledit assemblage formant aimant permanent comporte au moins une structure aimantée radiale convergente, aimantée suivant une direction radiale convergente, et une structure aimantée radiale divergente, aimantée suivant une direction radiale divergente, lesdites structures aimantées radiales, convergentes et divergentes, étant disposées selon une même axe longitudinal afin de générer entre elles un champ magnétique permanent homogène orienté dans une direction sensiblement parallèle audit axe longitudinal.
  • Suivant d'autres caractéristiques de l'invention :
    • lesdites au moins deux structures aimantées sont formées par la combinaison d'éléments aimantés assemblés pour former lesdites structures ;
    • une pièce intermédiaire cylindrique creuse de perméabilité magnétique élevée est disposée entre lesdites au moins deux structures aimantées, coaxialement à celles-ci ;
    • ladite pièce intermédiaire est une structure aimantée selon l'axe longitudinal, dans le sens allant de la structure aimantée radiale divergente vers la structure aimantée radiale convergente ;
    • lesdites structures aimantées sont espacées entre elles selon l'axe longitudinal par des intervalles prédéterminés non nuls ;
    • il comporte des moyens de réglage de la position relative desdites structures aimantées les unes par rapport aux autres ;
    • ladite cellule de confinement comporte en outre deux électrodes de mesure connectables à des moyens de mesure afin de transmettre des informations relatives aux mouvements des ions contenus dans ladite cellule de confinement ;
    • ladite cellule de confinement comporte en outre deux électrodes d'excitation connectables à un générateur de signaux d'excitation afin d'exciter des ions contenus dans ladite cellule de confinement ;
    • l'enceinte de traitement comporte des moyens de connexion à des moyens de pompage afin de commander la densité et/ou la nature de l'atmosphère dans l'enceinte ;
    • il comprend une source d'ions extérieure à la zone de champ magnétique centrale, ladite source d'ions externe étant reliée à l'enceinte par une zone de transfert des ions comprenant des moyens de guidage des ions vers la cellule ;
    • ladite source d'ions extérieure est une source d'ions à pression atmosphérique ;
    • ladite source d'ions extérieure est une source d'ions externe de type MALDI ;
    • ladite source d'ions extérieure est un tube à dérive ou à écoulement.
  • L'invention concerne également un spectromètre de masse comportant un piège à ions magnétique, un dispositif de pompage, un générateur de tension de piégeage, et des moyens de mesure, propres à effectuer une analyse par transformée de Fourier du mouvement cyclotron des ions contenus dans le piège à ions, caractérisé en ce que ledit piège à ions magnétique est un piège tel que défini précedemment.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
    • la Fig.1 est un schéma de principe d'un spectromètre de masse équipé d'un piège à ions selon l'invention représenté selon une vue en coupe partielle ;
    • les Figs. 2 et 3 sont des coupes latérales d'aimants permanents utilisés dans l'invention ;
    • la Fig. 4 est une vue en coupe longitudinale des aimants permanents utilisés dans l'invention ; et
    • la Fig. 5 est une vue en perspective d'un autre mode de réalisation du piège à ions de l'invention.
  • Le spectromètre de masse par résonance cyclotronique ionique à transformée de Fourrier ou FTICR illustré sur la figure 1 est équipé d'un piège à ions magnétique 2 selon l'invention.
  • Ce piège à ions magnétique 2 comporte une enceinte étanche 4 de forme générale cylindrique d'axe longitudinal XX', également appelée enceinte de traitement. Cette enceinte 4 est reliée à un dispositif 6 de pompage.
  • Dans le mode de réalisation décrit, le dispositif de pompage 6 est constitué d'une pompe turbo moléculaire associée à une pompe à membrane. Bien entendu, d'autres types de pompes peuvent être utilisées, telles que des pompes ioniques, des pompes cryogéniques ou tout autre dispositif équivalent. Le dispositif 6 assure la création, dans l'enceinte 4, d'une atmosphère ultravide dont la pression est de l'ordre de 10-8 millibars.
  • De plus, le dispositif 6 inclut également des canalisations d'injection de gaz reliées à l'enceinte 4 par la combinaison de vannes de fuite et de vannes pulsées pour commander la nature de l'atmosphère dans l'enceinte 4.
  • Ce spectromètre de masse est prévu pour être utilisé avec une source d'ions extérieure, telle qu'un filament 7 qui émet des électrons le long de l'axe longitudinal, et des canalisations d'injection de gaz telles que décrites précédemment.
  • Une cellule 8 de confinement des ions dans laquelle les ions peuvent être analysés en masse est placée dans l'enceinte 4 sur l'axe XX'. Différentes géométries de cellule sont possibles.
  • Dans l'exemple, la cellule 8 est de forme cubique et comporte deux électrodes de piégeage 10, de forme plane et carrée s'étendant parallèlement l'une à l'autre et perpendiculairement à l'axe longitudinal XX de l'enceinte 4.
  • Pour permettre l'introduction d'ions dans la cellule de confinement 8, l'enceinte 4 dispose de moyens de raccordement étanches 11 disposés entre la source 7 et l'enceinte 4 sur l'axe XX' et de moyens de guidage des ions 12 formés, dans l'exemple, de plusieurs lentilles raccordées à un générateur, une lentille accélératrice 12A, une lentille de focalisation 12B et une de décélération 12C.
  • De plus, l'électrode de piégeage située du coté de la source externe 7 est percée d'un trou 13 de façon à permettre l'injection des ions dans la cellule 8.
  • Les électrodes 10 sont reliées électriquement à un générateur 12 de tension continue de piégeage, pour être chargées électriquement à un potentiel prédéterminé.
  • La cellule 8 comporte également deux électrodes d'excitation 14, de forme plane et carrée s'étendant parallèlement l'une à l'autre, perpendiculairement aux électrodes 10 de piégeage et perpendiculairement à l'axe longitudinal XX' de l'enceinte 4.
  • Les électrodes d'excitation 14 sont reliées électriquement à un générateur de signaux d'excitation 16.
  • Enfin, la cellule 8 comporte deux électrodes de mesure 18, de forme plane et carrée s'étendant parallèlement l'une à l'autre et perpendiculairement aux électrodes 10 de piégeage ainsi qu'aux électrodes 14 d'excitation. Les électrodes 18 de mesure sont reliées à un dispositif de mesure 20 constitué, par exemple, d'un préamplificateur large bande relié à un micro-ordinateur doté de cartes électroniques d'acquisition et de logiciels d'analyses appropriés.
  • Les électrodes de piégeage 10, d'excitation 14 et de mesure 18 sont disposées de sorte que la cellule 8 a la forme générale d'un cube ou plus généralement d'un parallélépipède rectangle.
  • Par, exemple la cellule 8 cubique est réalisée avec des électrodes carrées de 20 ou 25 mm de coté, réalisées dans un matériau amagnétique comme par exemple de l'ARCAP AP4 montées sur un support isolant en MACOR et reliées électriquement à l'aide de fils de cuivre ou d'argent.
  • Le piège à ions 2 comporte en outre un assemblage formant aimant permanent, dans le mode de réalisation décrit, de trois structures en forme de cylindres creux selon leur axe longitudinal, notées 30, 32 et 34. Dans l'exemple, ces structures sont réalisées par la combinaison de plusieurs segments aimantés qui sont assemblés de manière à présenter une forme générale de cylindre creux à section circulaire.
  • Les trois structures aimantées 30, 32 et 34 sont disposées selon le même axe longitudinal XX', soit de manière coaxiale le long de l'axe XX', la structure 34 étant intercalée entre les structures 30 et 32, dites structures extérieures,
  • Les structures 30, 32 et 34 forment ainsi une cavité 36 dans laquelle est placée l'enceinte 4 de traitement, de sorte que la cellule de confinement 8 est placée entre les aimants extérieurs 30 et 32, sur l'axe longitudinal XX'.
  • Dans l'exemple décrit, le centre de la cellule de confinement 8 correspond essentiellement avec le centre de l'assemblage des structures aimantées 30, 32 et 34.
  • Les structures aimantées extérieures 30 et 32, décrites plus en détail en référence aux figures 2 et 3, sont conçues de manière à induire respectivement un champ magnétique sensiblement radial convergent et un champ magnétique sensiblement radial divergent.
  • Comme représenté sur la vue en coupe illustrée sur la figure 2, la structure aimantée 30, dite radiale convergente, est composée de seize segments aimantés chacun en forme de portion d'anneau. L'aimantation de chacun des segments est faite suivant une direction radiale convergente, soit en direction de l'axe XX'.
  • De manière similaire, la vue en coupe de la structure 32 de la figure 3, montre que cette structure dite radiale divergente est formée par l'assemblage de seize segments aimantés chacun en forme de portion d'anneau. L'aimantation de chacun des segments est faite suivant une direction radiale divergente, soit à partir l'axe XX'.
  • De plus, dans le mode de réalisation décrit, l'orientation de chaque segment formant les structures aimantées 30 et 32 est essentiellement perpendiculaire à l'axe XX', chaque structure présentant une symétrie de révolution autour de l'axe XX'.
  • La coopération des structures aimantées 30 et 32 génère, au niveau de la cellule de confinement 8 placée entre les structures extérieures 30 et 32, un champ magnétique B permanent homogène orienté sensiblement parallèlement à l'axe longitudinal XX', dans la direction allant de la structure 30 radiale convergente vers la structure 32 radiale divergente.
  • Ainsi, les électrodes de piégeage 10 de la cellule de confinement 8 sont placées perpendiculairement au champ magnétique B généré par les aimants 30 et 32. Ce champ magnétique permanent homogène orienté B est renforcé, dans le mode de réalisation décrit, par la structure aimantée 34 intercalée entre les structures aimantées 30 et 32. Cette structure 34 est formée de segments aimantés dont la direction d'aimantation est parallèle à l'axe XX' et dirigée de la structure 32 vers la structure 30 soit dans le sens de la structure radiale divergente vers la structure dite radiale convergente.
  • L'utilisation de cette structure aimantée 34 intercalée entre les structures 30 et 32 permet de renforcer l'homogénéité et l'intensité du champ magnétique dans la cellule de confinement 8 et permet également d'avoir un champ magnétique plus faible à l'extérieur des structures aimantées.
  • Les dimensions des aimants formant les structures 30 et 32 ainsi que 34, interviennent sur l'intensité du champ ainsi que sur son homogénéité.
  • Par exemple, les structures 30, 32 et 34 sont constituées de Nd-Fe-B, ou Néodyme Fer Bore et présentent un diamètre extérieur de 24 cm, pour les structures aimantées 30 et 32 et de 20 cm pour l'aimant 34. Toutes les structures aimantées présentent un diamètre intérieur de 6 cm et une longueur de 10 cm. L'ensemble génère alors un champ magnétique de l'ordre du Tesla avec une homogénéité de l'ordre de 1 pour 1000 dans un volume central supérieur à 10 cm3 environ.
  • Dans le mode de réalisation décrit en référence à la figure 1, les trois structures aimantées 30, 32 et 34 sont disposées coaxialement et séparées axialement par des intervalles ajustables d1 et d2.
  • Pour les dimensions choisies pour les aimants 30, 32 et 34, les intervalles d1 et d2 sont typiquement inférieurs à 5 mm, avantageusement compris entre 0,3 et 0,7 mm et préférentiellement égaux à 0,5 mm.
  • Un mode de réalisation du montage des aimants 30, 32 et 34 est représenté sur la figure 4 qui montre une vue en coupe longitudinale des structures du piège, à ions selon l'invention
  • Afin de permettre un ajustement aisé des intervalles d1 et d2, l'aimant central 34 est monté fixe sur un châssis 38 formé de plaques et de cales en matériau amagnétique. Les deux structures aimantées extérieures 30 et 32 sont montées mobiles en translation et peuvent être déplacées le long de l'axe XX', par exemple, respectivement au moyen de vis 40, 42 solidaires du châssis 38 et s'engageant dans des trous borgnes filetés 44 prévus dans les faces extérieures des aimants extérieurs 30 et 32.
  • Les intervalles d1 et d2 sont ajustés pour obtenir un champ magnétique d'homogénéité maximale dans la cellule 8.
  • Ainsi disposés, les structures 30, 32 et 34 génèrent au centre de la cavité 36, un champ magnétique homogène B de forte intensité, sensiblement parallèle à l'axe XX' et orienté de la structure 30 vers la structure 32.
  • A l'inverse, au niveau des zones extérieures de la cavité 36, on constate la présence d'un champ magnétique permanent homogène orienté parallèlement à l'axe longitudinal dans la direction opposée à celle du champ dans la cellule, soit allant de la structure 32 vers la structure 30.
  • Le fonctionnement de ce spectromètre de masse est proche de celui décrit dans la demande de brevet en France FR-2 835 964 et ne sera pas décrit plus en détail ici.
  • En référence à la figure 5, on va maintenant décrire un second mode de réalisation de l'invention.
  • Cette figure représente une vue en perspective d'une coupe partielle du piège à ions magnétique 2 selon l'axe XX'.
  • De même que précédemment, le piège à ions 2 comprend l'enceinte 4 intégrée dans la cavité 36 des structures aimantées cylindriques 30, 32 et 34.
  • Dans ce mode de réalisation, les deux électrodes de piégeage 10 sont chacune constituées d'une structure de cylindre ouvert par deux faces opposées.
  • Les ouvertures des deux cylindres ouverts constituant les électrodes 10 sont orientées l'une vers l'autre selon l'axe longitudinal XX'.
  • Les deux électrodes d'excitation 14 et de détection 18 sont toutes sous la forme de sections d'anneau et sont agencées de manière à former un cylindre creux placé entre les cylindres creux formant les électrodes de piégeage 10 et coaxialement à ceux-ci. Les électrodes d'un même type se font face de sorte que les électrodes d'excitation 14 et de détection 18 sont alternées.
  • L'ensemble des électrodes définit ainsi à l'intérieur de l'enceinte 4, une cellule de confinement 50 en forme générale de tunnel orienté selon l'axe longitudinal XX'.
  • Une telle structure peut être définie comme une structure ouverte et présente de nombreux avantages de mise en oeuvre notamment pour l'ionisation des molécules présentes dans l'enceinte 4 et pour la caractérisation des ions grâce à l'interaction avec des faisceaux de photons ou avec d'autres molécules
  • Bien entendu, d'autres formes de cellules peuvent être utilisées, notamment une cellule cubique en forme de tunnel similaire à celle décrite dans la demande de brevet FR 2 835 964 .
  • En variante, le piège à ions de l'invention est utilisé directement avec une source d'ions externe, c'est-à-dire située en dehors de la zone de champ magnétique centrale. L'injection des ions dans la cellule doit se faire le long de l'axe de symétrie des structures aimantées. La source est éventuellement placée hors axe si un dispositif de déflection du faisceau d'ions est placé avant d'introduire les ions dans la cellule. La zone utilisée pour le transfert des ions doit être elle même placée dans un vide poussé et peut nécessiter un ou des groupes de pompage supplémentaires.
  • Les ions sont guidés le long de l'axe XX' de manière classique, par exemple à l'aide d'un système composé de lentilles électrostatiques ou de guides radiofréquences.
  • En fonctionnement, dans un exemple utilisant la formation des ions par ionisation chimique, un échantillon de gaz destiné à produire les ions primaires est introduit dans la source d'ions. Un deuxième échantillon de gaz est ensuite introduit de façon pulsée dans la source avec lequel les ions primaires peuvent réagir. Les ions produits sont guidés dans la cellule de confinement où ils sont piégés et peuvent être excités de manière à obtenir un spectre de masse par une analyse par transformée de Fourier.
  • La source d'ions elle-même peut fonctionner sous vide, par exemple en formant les ions par impact électronique, par ionisation chimique, par ablation ionisation laser ou par désorption ionisation assistée par matrice (MALDI). Les changements d'échantillons sont facilités par l'utilisation de groupes de pompage séparés pour la source externe et pour le reste du dispositif, la source externe pouvant être isolée à l'aide d'une vanne.
  • La source externe peut également être une source fonctionnant à pression atmosphérique (source electrospray, source MALDI à pression atmosphérique, ionisation chimique à pression atmosphérique) auquel cas plusieurs étages de pompage différentiel sont nécessaires entre la source d'ions et l'enceinte contenant la cellule.
  • D'autres types de sources telles que des tubes à dérives ou à écoulement ou tout autre type de source placée dans l'enceinte ou à l'extérieur de celle-ci peuvent également être utilisées.
  • Dans d'autres modes de réalisation, d'autres formes et assemblages d'aimants permanents sont utilisés. Par exemple, les aimants sont intégrés à l'intérieur de l'enceinte de traitement ou ont des formes autres que des formes de section circulaire, telles que des formes de section polygonale.
  • En variante, les structures aimantées extérieures sont adaptées pour induire des champs respectivement radiaux convergents et divergents, non perpendiculaires à l'axe XX'. Ainsi, chaque champ est orienté dans une plage d'une dizaine de degrés autour de la perpendiculaire à l'axe longitudinal XX'.
  • Le mode de réalisation décrit prévoit trois structures aimantées, cependant deux structures aimantées suffisent pour la mise en oeuvre de l'invention. En variante, entre ces deux structures est intercalée une autre structure disposée coaxialement avec les deux autres. Cette structure supplémentaire est réalisée dans un matériau sans aimantation permanente mais présentant une perméabilité magnétique élevée telle qu'une pièce en fer doux ou d'un autre métal ferromagnétique.

Claims (14)

  1. Piège à ions magnétique sous vide comportant un assemblage formant aimant permanent comprenant au moins deux structures aimantées (30, 32) en forme de cylindres creux et une enceinte étanche (4) renfermant une cellule de confinement des ions (8) placée entre lesdites au moins deux structures aimantées (30, 32) et comprenant au moins deux électrodes de piégeage (10) connectables à un générateur de tension (12), caractérisé en ce que ledit assemblage formant aimant permanent comporte au moins une structure aimantée (30) radiale convergente, aimantée suivant une direction radiale convergente, et une structure aimantée (32) radiale divergente, aimantée suivant une direction radiale divergente, lesdites structures aimantées (30, 32) radiales, convergentes et divergentes, étant disposées selon une même axe longitudinal (XX') afin de générer entre elles un champ magnétique permanent homogène orienté dans une direction sensiblement parallèle audit axe longitudinal (XX').
  2. Piège à ions magnétique sous vide selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites au moins deux structures aimantées (30, 32) sont formées par la combinaison d'éléments aimantés assemblés pour former lesdites structures.
  3. Piège à ions magnétique sous vide selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une pièce intermédiaire cylindrique creuse (34) de perméabilité magnétique élevée est disposée entre lesdites au moins deux structures aimantées (30, 32), coaxialement à celles-ci.
  4. Piège à ions magnétique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite pièce intermédiaire est une structure aimantée selon l'axe longitudinal (XX'), dans le sens allant de la structure aimantée radiale divergente (32) vers la structure aimantée radiale convergente (30).
  5. Piège à ions magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites structures aimantées (30, 32, 34) sont espacées entre elles selon l'axe longitudinal (XX') par des intervalles prédéterminés (d1, d2) non nuls.
  6. Piège à ions magnétique selon l'une quelconque des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réglage de la position relative desdites structures aimantées (30, 32, 34) les unes par rapport aux autres.
  7. Piège à ions magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ladite cellule de confinement (8) comporte en outre deux électrodes de mesure (18) connectables à des moyens de mesure (20) afin de transmettre des informations relatives aux mouvements des ions contenus dans ladite cellule de confinement (8).
  8. Piége à ions magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ladite cellule de confinement (8) comporte en outre deux électrodes d'excitation (14) connectables à un générateur (16) de signaux d'excitation afin d'exciter des ions contenus dans ladite cellule de confinement (8).
  9. Piège à ions magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'enceinte de traitement (4) comporte des moyens de connexion à des moyens de pompage (6) afin de commander la densité et/ou la nature de l'atmosphère dans l'enceinte (4).
  10. Piège à ions magnétique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend une source d'ions (7) extérieure à la zone de champ magnétique centrale, ladite source d'ions externe étant reliée à l'enceinte (4) par une zone de transfert des ions comprenant des moyens de guidage des ions vers la cellule (8)
  11. Piège à ions magnétique selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite source d'ions extérieure est une source d'ions à pression atmosphérique.
  12. Piège à ions magnétique selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite source d'ions extérieure est une source d'ions externe de type désorption ionisation laser assistée par matrice (MALDI).
  13. Piège à ions magnétique selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite source d'ions extérieure est un tube à dérive ou à écoulement.
  14. Spectromètre de masse comportant un piège à ions (2) magnétique, un dispositif de pompage (6), un générateur de tension de piégeage (12), et des moyens de mesure (20), propres à effectuer une analyse par transformée de Fourier du mouvement cyclotron des ions contenus dans le piège à ions (2), caractérisé en ce que ledit piège à ions magnétique (2) est un piège selon l'une quelconque des revendications précédentes.
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