Brevet FR2657723A1 — publié le 19910802

i SPECTROMETRE DE MASSE FILTRE QUADRIPOLAIRE ET TIROIR MOBILE D'ACCES A LA SOURCE IONIQUE L'invention concerne un spectromètre de masse à filtre quadripolaire comportant, dans un châssis fermé par un capot, une enveloppe de spectromètre destinée à contenir la source ionique et son optique électronique associée, et un filtre quadripolaire. Dans les appareils connus à ce jour, l'accès à la source ionique, nécessaire périodiquement pour l'entretien ou la modification de caractéristiques du spectromètre, est un problème mal résolu: l'accès n'est pas facile et nécessite diverses opérations de démontage Le but de l'invention est de proposer un appareil à accès particulièrement aisé de la source ionique. L'invention atteint son but grâce au fait que l'enveloppe de spectromètre est réalisée sous forme d'un manchon creux fermé à une extrémité par un couvercle étanche amovible monté sur un chariot motorisé coulissant longitudinalement qui supporte également la source ionique et son optique, le chariot pouvant se déplacer sélectivement en translation entre une position de fermeture dans laquelle la source ionique est en position de travail et ledit couvercle est en position fermée, et une position d'ouverture dans laquelle le chariot fait au moins partiellement saillie à l'extérieur du capot et rend accessible la source ionique et son optique associée. Naturellement, la commande de l'ouverture ou de la fermeture du tiroir se fait de façon automatique à partir de la commande formulée sur le système informatique associé au spectromètre: le programme gère automatiquement l'arrêt des pompes à vide ou leur remise en route selon que l'étanchéité de l'enveloppe va être interrompue ou rétablie par l'ouverture ou la fermeture du couvercle. Avantageusement, le chariot porte une seconde plaque de fermeture destinée à séparer, lorsque le chariot est en position de fermeture, deux comparti- ments maintenus à des pressions différentes Le compar- timent à plus haute pression loge la source ionique, généralement associée à un chromatographe en phase gazeuse (dans les appareils dits GC/MS), tandis que le compartiment à plus faible pression loge l'analyseur. La seconde plaque de fermeture coopère avantageusement, par l'intermédiaire d'un anneau solidaire du filtre quadripolaire, avec un épaulement formé dans le corps de l'enveloppe: une étanchéité rigoureuse n'est toutefois pas nécessaire à ce niveau, le débit de fuite pouvant être rattrapé par les pompes turbomoléculaires associées à chacun des compartiments. Avantageusement, le chariot est monté sur au moins une tige guidée en translation par des glissières à billes, tandis que le chariot est motorisé grâce à un moteur et un réducteur liés à l'enveloppe attaquant une tige filetée coulissante liée au chariot. Pour des raisons de commodité d'emplacement, la tige filetée est excentrée par rapport au couvercle, mais est associée à un bras d'appui, de préférence amovible, destiné à centrer l'effort de fermeture et donc assurer la régularité de l'étanchéité du couvercle en position fermée. Avantageusement, l'enveloppe comporte un corps extérieurement parallélépipédique et intérieurement cylindrique comportant dans au moins deux de ses angles des alésages destinés à recevoir une tige de guidage ou une tige d'entraînement du chariot. Le corps est réalisé en métal ou alliage métallique, par exemple en aluminium, massif et usiné. Selon une caractéristique de l'invention, le filtre quadripolaire est logé entièrement à l'intérieur de l'enveloppe et y est maintenu par des anneaux- entretoises, de sorte qu'on évite tout porte-à-faux générateur de vibrations ou résonances. Avantageusement, le filtre quadripolaire peut être introduit dans ou retiré de l'enveloppe par l'extrémité dotée du couvercle amovible, et le filtre est connecté au transformateur haute-fréquence par enfichage sur broches rigides courtes. Toutes ces mesures (corps d'enveloppe massif, connexions courtes, quadripole sans porte-à-faux) permettent d'éliminer pratiquement la sensibilité de l'appareil aux vibrations et donc d'incorporer la pompe primaire mécanique (associée aux pompes turbomoléculai- res) directement au châssis du spectromètre et non plus de la placer à part comme dans les appareils connus. Dans le souci de rendre compatibles la compacité de l'ensemble et l'accessibilité des pièces essentielles, le châssis principal est divisé en deux sous-châssis, superposés, et de préférence articulés l'un à l'autre par des charnières, et des vérins de maintien. Le sous-châssis inférieur loge essentiellement les organes mécaniques (notamment enveloppe de spectromètre, cuve de transformateur hautefréquence, pompes turbomoléculaires et pompe primaire mécanique); le souschâssis supérieur loge les organes électriques ou électroniques, plus légers (notamment les cartes électroniques de gestion de l'appareil). D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appara Stront à la lecture de la description suivante Il sera fait référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective de 3/4 droite de l'appareil dans son capot protecteur, la figure 2 est vue schématique en perspective de 3/4 gauche de l'appareil, sans capot, la figure 3 est une vue schématique en perspective de 314 droite de l'appareil, sans capot, et le demi-châssis supérieur levé, la figure 4 est une vue schématique en perspective de 3/4 droite du tiroir d'accès: la source ionique en position d'ouverture, la figure 5 est une vue schématique en perspective de 3/4 gauche du tiroir d'accès à la source ionique en position de fermeture, la figure 6 est une vue schématique latérale de l'enveloppe du spectromètre, la figure 7 est une vue de face de ladite enveloppe, la figure 8 est une vue en coupe VIIVII de l'enveloppe. L'appareil conforme à l'invention est désigné globalement sous la référence numérique 1 sur la figure 1, en service, habillé et protégé par un capot 2 de forme générale parallélépipédique logeant l'ensemble, et relié d'un côté au dispositif de chromatographie en phase gazeuse pour l'introduction de la matière à analyser, et d'un autre côté à des dispositifs de visualisation et de commande informatique Le capot 2 laisse apparaître des ouvertures latérales de ventilation 3, et le tiroir d'accès à la source ionique 4 ou chariot. A l'intérieur du capot 1, l'appareil comprend (figure 2 et 3) un châssis mécano-soudé à deux étages: un premier sous-châssis fixe 5 constitue l'étage inférieur, sur lequel s'articule un deuxième sous- châssis, mobile, 6 qui constitue l'étage supérieur Les deux sous-châssis 5 et 6 sont articulés à l'arrière par des charnières 7, et le sous- châssis supérieur 6 peut être maintenu en position levée oblique grâce à des vérins de soutien 8 (figure 3) de sorte que l'intérieur du sous- châssis inférieur peut être parfaitement accessible de l'avant de l'appareil. Le sous-châssis supérieur 6 loge sensiblement l'ensemble de l'appareillage électrique et électro- nique, avec notamment un bloc d'alimentation 9, l'amplificateur hautefréquence 10, et, à l'avant, un bac à cartes électroniques 11 équipé de ventilations 12. Le sous-châssis inférieur 5 regroupe sensi- blement l'ensemble de l'appareillage mécanique avec notamment la cuve du transformateur haute-fréquence 13 sur laquelle est placée l'enveloppe de spectromètre 14. Celle-ci, de forme extérieure parallélépipédique, comporte à l'avant une partie logeant la source ionique et raccordée extérieurement d'un côté à l'interface 15 avec le chromatographe et de l'autre côté avec une première pompe turbomoléculaire 16 A l'arrière de l'enveloppe 14, o se trouve l'analyseur quadripolaire, se raccorde une seconde pompe turbomoléculaire 17 Les raccords se font par brides Une pompe primaire mécanique 18 est branchée en série sur le refoulement des pompes turbomoléculaires 16 et 17, et est fixée sur le sous-chassis 5 à l'arrière Des ventilations 19 sont prévues de part et d'autre du sous-châssis 5. L'enveloppe 14 du spectromètre comporte un dispositif de chauffage 20. La partie avant de l'enveloppe 14 est fermée par un couvercle 21 mobile pouvant recevoir, par le biais d'entretoises 22, une plaque de support 23 de la plaque de façade 4 d'accès au tiroir-source Cette plaque est, en position fermée, au niveau du capot 2 (figure 1). L'enveloppe 14 du spectromètre, mieux visible sur les figures 6 à 8, est un bloc usiné, par exemple en aluminium ou en fonte d'aluminium, de forme exté- rieure sensiblement parallélépipédique et de forme intérieure sensiblement cylindrique: la partie intérieure comporte une partie avant 24 et une partie arrière 25 de diamètre légèrement plus petit, séparées par un faible épaulement 26. Sur une face latérale de l'enveloppe 14, des orifices 27 et 28, entourés de trous de fixation 29 et permettent la fixation des pompes turbomoléculaires 26 et 27 par l'intermédiaire de brides appropriées. Sur l'autre face latérale de l'enveloppe 14, un orifice 31 reçoit l'interface 15 avec le chromatogra- phe. A la face inférieure de l'enveloppe 14 au niveau de la partie arrière 25 logeant l'analyseur, un orifice 32 permet de recevoir un bloc 33 portant deux broches rigides de connexion 34 destinées au filtre quadripolaire. L'ouverture avant 35 de l'enveloppe 14 est circulaire et est entourée d'une rainure munie d'un joint torique légèrement en saillie. Des alésages parallèles à l'axe de l'enveloppe 14 sont percés dans le corps de celle-ci, à trois des angles entourant l'ouverture 35 Deux de ces alésages 36, opposés en diagonale, sont destinés à recevoir deux tiges de guidage 37 liées au tiroir-source (figure 4). A l'intérieur de ces alésages 36 sont prévues des glissières de guidage à billes ou de précision à faible coefficient de frottement, permettant un guidage parfaitement rigoureux des tiges Le troisième alésage 38 reçoit la tige filetée d'entraînement 39 du tiroir- source (figure 5). Le tiroir-source comprend, d'une part, la pla- que 21 assurant l'étanchéité avec l'enveloppe 14 lorsqu'elle s'applique sur le joint entourant l'ouver- ture 35; d'autre part, fixé à la plaque 21, le rail 40 de support de la source ionique 41 et de son optique 42, ainsi que des aimants 44 créant le champ magnétique de confinement de la source; et, à l'extrémité du rail, le disque 43 de pompage différentiel Ce disque 43 est destiné, quand le tiroir est fermé, à s'appliquer par l'intermédiaire d'un anneau solidaire du filtre quadripolaire contre l'épaulement 26 séparant les parties intérieures avant et arrière de l'enveloppe 14 de manière à permettre l'entretien d'une pression différente (dans un facteur 10) dans le compartiment de la source ionique et celui de l'analyseur Enfin, la plaque 21 supporte encore les tiges de guidage 37 ainsi que la tige filetée d'entraînement 39 On notera que l'anneau du filtre quadripolaire qui s'applique contre l'épaulement 26 est présent dans l'appareil utilisé en mode d'ionisation chimique mais est supprimé en mode d'impact électronique. Fixé sous l'enveloppe 14, un moteur d'entraîne- ment 45 attaque, par l'intermédiaire d'un réducteur 46, la tige filetée 39 et permet, à réception de la commande appropriée, d'entraîner le tiroir-source vers l'avant ou vers l'arrière. Afin de permettre un appui régulier de la plaque-couvercle 21 sur la circonférence du joint d'étanchéité, la tige filetée 39 est associée à un bras de centrage ou loquet 47 Ce bras est amovible: il se fixe grâce à deux encoches 48 et 49 coopérant respecti- vement avec un fraisage de précision dans la tige file- tée 39 et avec une des entretoises 22 Lorsque le bras est en place, il est évidemment lié en translation à la tige 39 et appuie grâce à une vis d'appui 50 vers le centre de la plaque 21 pendant l'opération de fermeture du tiroir En dégageant manuellement le loquet 47, on permet l'extraction totale du tiroir-source, et donc l'accès au filtre quadripolaire Celui-ci est maintenu en place entièrement à l'intérieur de l'enveloppe 14, dans la partie arrière (et non en porte-à-faux par une fixation à bride connue dans des appareils connus de l'art antérieur), grâce à un système d'entretoises à billes par lequel il peut aussi coulisser le long de la paroi intérieure de l'enveloppe, jusqu'à sa position finale déterminée par des rainures de la paroi Il se connecte sur les broches 34 Cette connexion courte et rigide, outre qu'elle n'est pas sujette aux vibrations parasitantes des connexions souples, est utile pour conserver le fort facteur de surtension du circuit oscillant constitué par le filtre quadripolaire formant la capacité et le secondaire du transformateur placé dans la cuve 13 formant l'inductance: il faut donc une résistance très faible pour préserver ce facteur de surtension. REVENDICATIONS 1 Spectromètre de masse à filtre quadripolaire comportant, dans un châssis, fermé par un capot ( 2), une enveloppe ( 14) de spectromètre destinée à contenir la source ionique ( 41) et son optique électronique associée ( 42), et un filtre quadripolaire, caractérisé en ce que l'enveloppe ( 14) de spectromètre est réalisée sous forme d'un manchon creux fermé à une extrémité par un couvercle étanche amovible ( 21) monté sur un chariot motorisé coulissant longitudinalement qui supporte également la source ionique ( 41) et son optique ( 42), le chariot pouvant se déplacer sélectivement en trans- lation entre une position de fermeture dans laquelle la source ionique ( 41) est en position de travail et ledit couvercle ( 21) est en position fermée, et une position d'ouverture dans laquelle le chariot fait au moins partiellement saillie à l'extérieur du capot et rend accessible la source ionique ( 41) et son optique associée ( 42). 2 Spectromètre selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le chariot porte une seconde plaque de fermeture ( 43) destinée à séparer, lorsque le chariot est en position de fermeture, deux compartiments de l'enveloppe ( 14) maintenus à des pressions différentes. 3 Spectromètre selon l'une quelconque des reven- dications 1 ou 2, caractérisé en ce que le chariot est monté sur au moins une tige ( 37) guidée en translation par des glissières à billes ou de précision à faible coefficient de frottement. 4 Spectromètre selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce que le chariot est motorisé grâce à un moteur ( 45) et un réducteur ( 46) liés à l'enveloppe attaquant une tige filetée ( 39) coulissante liée au chariot. Spectromètre selon la revendication 4, carac- térisé en ce que la tige filetée ( 39) est excentrée par rapport au couvercle ( 21) mais est associée à un bras d'appui ( 47) destiné à centrer l'effort de fermeture. 6 Spectromètre selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que l'enveloppe ( 14) comporte un corps extérieurement parallélépipédique et intérieurement cylindrique comportant dans au moins deux de ses angles des alésages ( 36,38) destinés à recevoir une tige de guidage ( 37) ou une tige d'entraînement ( 39) du chariot. 7 Spectromètre selon la revendication 6, carac- térisé en ce que le corps ( 14) est réalisé en métal ou alliage métallique massif usiné. 8 Spectromètre selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que le filtre quadripolaire est logé entièrement à l'intérieur de l'enveloppe ( 14) et y est maintenu par des anneaux- entretoises. 9 Spectromètre selon la revendication 8, carac- térisé en ce que le filtre quadripolaire peut être incorporé dans ou retiré de l'enveloppe ( 14) par l'ex- trémité dotée du couvercle amovible ( 21), et en ce que le filtre est connecté au transformateur haute- fréquence par enfichage sur broches rigides courtes ( 34). Spectromètre selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 9, caractérisé en ce que le châssis comprend deux souschâssis ( 5,6) superposés articulés l'un sur l'autre et logeant respectivement essentielle- ment les organes mécaniques ( 13,14,16,17,18) et essen- tiellement les organes électriques et électroniques ( 9,10,11). il 11 Spectromètre selon la revendication 10, carac- térisé en ce que le sous-châssis inférieur ( 5) loge une pompe primaire mécanique ( 18) raccordée à des pompes turbomoléculaires ( 16,17) branchées sur l'enveloppe ( 14) du spectromètre.