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"Perfectionnements apportés eux sources d'ions mettant on oeuvre un - champ électrique haute fré- quenco pour réaliser l'ionisation"
La présente invention concerne les sources d'ions, c'est-à-dire los dispositifs permettant de produire dos fais- ceaux dd particules ionisées pour divers appareils traitant do telles particules, tels que les accélérateurs de particules, les spectomètres de masse, les unités do séparation isotopique, et plus particulièrement, parmi ces sources, celles dans les- quelles l'ionisation des particules est réalisée par l'appli- cation d'un champ électrique haute fréquence,
dans une en- ceinte réalisée généralement en quartz ou en verre (en parti- culier du type au borosilicate d'aluminium et de sodium
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désigné commercialement sous la marque déposée "Pyrex", ce type do vorro convenant particulièrement pour obtenir dos ions atomi- ques).
Dans do telles sources d'ions connues, on produit en général la champ électrique haute fréquence d'ionisation dans des circuits à constantes localisées et on obtient des rendements ioniques faibles par rapport ± la puissance haute fréquence mise en oeuvre du fait que pour un circuit à constantes localisées alimenté en haute fréquence, le coefficient de surtension Q est faible et les pertes sont élevées.
La présente invention a pour objet une source d'ions, destinée particulièrement, mais non exclusivement, à ioniser des gaz (tels que l'hydrogène, le deutérium, l'hélium, l'azote) ou des vapeurs (par exemple de métaux légers, tels que le lithium.. le sodium) pour réaliser un faisceau de particules ionisées des- tinées à alimenter un accélérateur de particules, avec un ren- demont ionique élevé (de l'ordre d'une dizaine de milliampères pour une puissance haute fréquence de 75 watts environ).
Une source d'ions selon l'invention comprend, à la ma- nière connue, m tube, généralement en verre ou en quartz, des moyens pour réaliser un vide poussé dans ledit tube, des moyens pour appliquer une différence de potentiel continue élevée entre les doux extrémités dudit tube, des moyens pour alimenter une des extrémités dudit tube on un produit sous forme gazeuse à ioniser, et une source de courant haute fréquence, et est carac- térisée par le fait qu'elle comporte une cavité résonante., excitée par ladite source et comprenant une zone réduite do champ haute fréquence très intense, que ledit tube comprend, au voisinage de son autre extrémité, un renflementg de volume réduit en forme de bulbe aplati, et qu'on dispose ledit renflemens dans ladite zone réduite.,
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De préférence, ladite cavité résonante est une cavité co- axiale, constituée par un conducteur creux interne,entourant ledit tube en verre ou on quartz jusqu' au niveau dudit renfle- ment,par une enveloppe conductrice externe ayant le même axe que ledit conducteur creux ot par deux plaques conductrices fer- mant ladito enveloppe avec laquelle elles sont en contact élec- trique, l'uno des plaques portant ledit conducteur interne avec lequel elle est en contact électrique et l'autre plaque, percée d'un orifice central pour la sortie des ions, étant disposée, par rapport à l'extrémité du conducteur interne de laquelle fait saillie ledit renflement, à une distance réduite, à peine supé- ricuro à l'épaisseur dudit ronflement, cotte cavité coaxialc étant.
excitée par la source haute fréquence, de préférence par couplage capacitatif.
L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aido du complément do description qui suit ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément ut dessin:- sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication,
La figure 1 est une vue en coupa d'un mode da réalisation préféré d'une source d'ions mottant un oeuvre les perfectionne- ments salon l'invuntion, à l'exception des moyens d'alimentation en courant de ladite source:.,
La figure 2 illustre l'alimentation électrique de la source d'ions do la figure 1.
La figure 3 montre schématiquement la cavité résonante à constantes distribuées de la source d'ions do la figure 1 et son modo d'excitation.
La figure 4, unfin, illustre la circuit résonant à cons- tantes localisées correspondant à la cavité résonante de la figure 3.
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d'ions
La source proprement dite (fig.l) comporte essentiellement un tube 1, généralement en verra "Pyrex" ou en quartz, dont une extrémité 24 comprend un renflement 2 en forme do bulbe aplati de potito dimension, ayant par exemple un volume; do l'ordre du centimètre cube; l'extrémité 24 du tubu prend appui sur une bague 3 portée par une pièce coniquo 4 meintenue dans un logement 25a d'une paroi conductrice 25.
Les pièces 3 et 4 sont réalisées on dois métaux résistant à l'impact dos ions tels que la platine, l'acior inoxydable, l'aluminium (par exemple la bague 3 est en platino et la pièce 4 on aluminium).
L'autre extrémité conique 26 du tube 1 porte le dispositif T d'alimentation on gaz ou vapeur à ioniser, qui comprend une chambre 27 avec deux embouts creux 28 ot 29 recevant, l'un l'ex- trémité 26 ot l'autre une électrode crouse 5 à travers laquelle on introduit, comme représenté par la flèche F, la gaz ou l'élé- ment, préalablement vaporise, à ioniser; dans la chambre 27 est logé un disquo on quartz 30 ayant pour objet d'augmenter la ten- sion disruptivo du milieu gazeux à l'intérieur do la source d'ions.
La plus grande partio du tube 1 est logée dans une cavité résonante coaxialo R constituée par un conducteur creux interne 7 enveloppant ledit tube et une envoloppu conductrice externe 6 de môme axe quo le conductuur interne 7 ; une plaque métallique 8, soudéo on 30 à l'enveloppe externe 6 pour assurer la connexion électrique, fcrnc un côté de l'enveloppe 6 ; cotte plaque 8 est percée d'un trou central 31 laissant passer les ions produits dans le bulbe 2 et qui quittent le tube 1, suivant la flèche f. Des joints toriques 32 et 33 on caoutchouc sont disposés entre: la plaque 8 et le bulbe 2, d'une part, et entre cette plaque et la paroi 25, d'autre part.
De même. l'autre extrémité de l'enveloppe 6 est fermée par une plaque métallique 34, fixée par soudure en /30a à l'enveloppe 6 et
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percée en son milieu pour recevoir un r.1c.7.1\in 35 dans lequel sont enfilés les éléments tubulairos 1 et 7. Les éléments 6,7,8,34,35 sont des éléments bon conducteurs do l'électricité, par exemple en cuivre.
Des moyens de pompage (représentés en P) communiquent avec
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l'espace 50 compris entre les plaques cl et 25 et à l'intéricurdu joint torique 33 pour maintenir, à travers les orifices 4a de la
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pièce 4, un vide de l'ordre de 10-3 à 10-4m. de nercuro dans le tube 1.
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En ce qui concerne l'alinontation en courant (fig.2) -on applique une différence do potentiel continue élevée entre l'électrode 5 (polo positif +HTo) et la plaque 8 (pôle négatif -HTo);
-on applique une tension haute fréquence sur le conducteur interne
7 à partir d'un tube oscillateur 9 (disposé dans une enceinte
23 formant blindage) au moyen de trois tiges de cuivre 20,21,22 à travers trois condensateurs 12,16 et 18, dont les armatures sont séparées par une feuille unique de mica 56, épaisse d'environ
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0,1=, de manière à réaliser un couplage ccpicit-tif entrw la cavité résonante et. l'oseilifteur, ce qui p<1r;t de les porter à des potentiels très différents.
Par exemple L'enceinte 23 de la source haute fréquence est mise à la masse
La source haute fréquence comprend:
Un tube oscillateur convenant pour consommer environ 75-100 wqtts à une fréquence de l'ordre de 150 MHz, tel qu'une
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tétrode 9, diraentée par une haute: tension plaque +HTI appliquée sur sa plaque 11 à partir da la ligne 10, pc.r une haute tension écran +HT2 appliquée sur sc grille-écran 14 à partir de la lig-ic.
13 et par uns tension de. chauffage à 1, cauhode 38 à partir des fils 39, le retour s'effectuant par la ligne Cú:TIUJ1...: 19 constituant lu 7Ô1C négatif -HT des hautes tensions d "-:li:-cnt,-',ticl1, des bobines de choc 40 empêchent le passade un retour des courants
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haute fréquence engendrés par le tube 9 et dos condensateurs 41,42 le passage du courant continu directement vers la ligne 19, La grille de commande 15 du tube 9 est reliée, d'une part direc- tement, à la tigo 43 du condensateur 16 et, d'autre part par une résistance 17 do quelques milliers d'ohms,
à la tige 44 du con- densateur 18 qui est reliée par le conducteur 44a. à la ligne de retour 19, c'est-à-dire à la cathode au point du vue haute fré- quence; enfin, la tension plaque est appliquée par la tige 37 au condensateur 12 ; on réalise ainsi avec le tube 9 et la cavité résonante R un ensemble oscillent représente schématiquement sur la figure 3.
Les valeurs des éléments du montage de la figure 2 peu-- vent être les suivantes: +HT1 : + 700 volts +HT2 : +1500 volts -HT : 0 volts
41 f 1500pF
42 : 6800pF fréquence: 150MHz
17 : 20. 000 ohms +HTo;+20.000 volts -HTo; +13.000 volts
La cavité résonante est ainsi excitée (fig.3) par les tiges 20,21,22 en produisant un champ haute fréquence maximun (conne indiqué par les lignes de force, peu danses 46 et très denses 46a dans la zone 5, du champ électrique) entre l'extrétité 45 du conducteur 7 et.la.plaque 8 distantes d'un intervalic d à poine supériour à l'épaisseur e du bulbe;
un-condensateur c ost formé entre ces deux éléments, tandis que l'intérieur de l'enveloppe de la cavité résonante constitue la self-induction L du circuit oscillant correspondant représenta schématiquement sur la figure 4.
La concentration des lignes du force 46a du champ élec- trique dans une zone réduite S de la cavité résinante, zone dans
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laquelle est justement placée, conformément à la caractéristique prin- cipale de l'invention, la zone d'ionisation (renflement 2 du tube 1), assure une forte ionisation du gaz ou de la vapeur dans le renflement 2. En outro, du fait que la surtension Q d'une cavité résonante peut ôtre très élovée pour les très hautes fréquencos (contrairement aux circuits résonants à constantes localisées) on peut amorcor très fa- ciloment l'ionisation du gaz ou de la vapeur dans la ronflement 2, car la champ y est très intense avant l'amorçage.
On peut ainsi réaliser une cavité du typo représenté ayant un coefficient de sur- tension do l'ordre de 1000 qui réalise un amorçage très facile de l'ionisation.
Un autre avantage très important du montage selon l'invontion est constitué par la fait que la zono d'ionisation (renflement 2) est contigue à la zone d'extraction, l'extraction ayant lieu par des moyens connus, par exemple au noyen d'une série d'électrodes d'extrac- tion, d'accélération et do focalisation (par exemple du type décrit dans l'article paru dans le numéro de décembre 1948 du périodique "The Roviow of Sciontific Instruments p.907-909) pour diriger les ions sur le dispositif utilisateur, tel qu'un accélérateur.
En définitive, le fonctionnement du la source d'ions décrite et représentée est le suivant:
Le gaz ou la vapeur à ioniser arrive par l'électrode 5 et il est essentiellement ionisé dans le renflement 2 en forme de bulbe aplati qui so trouve dans une zone do champ haute fréquence maximum; l'ioni- sation y est amorcée et réalisée avec une grande intensité, cc qui permet d'obtenir dos faisceaus f très intenses contenant une forte proportion d'ions (par exemple de l'ordre d'eau moins 70%). Les ions ainsi obtenus sont alors soumis, par les électrode:. d'oxtraction, d'accélération et de focalisation, à une tension continue qui les canalise vers le dispositif d'utilisation, tol qu'un accélérateur de particules.