Dispositif émetteur d'ions L'invention est relative à un dispositif émet teur d'ions.
Elle a pour but, surtout, de permettre l'ob tention d'ions à partir d'éléments même so lides, sans nécessiter de haute température.
Un certain nombre d'appareils utilisent des faisceaux d'ions, en particulier les appareils accélérateurs d'ions et, tout spécialement, les séparateurs électromagnétiques d'isotopes. Dans ces appareils il s'agit de produire des faisceaux intenses de particules ionisées d'un élément donné.
Il est donc nécessaire d'amener les corps à ioniser en un état de division atomique.
Les solutions les plus couramment utilisées jusqu'à présent pour parvenir à ce résultat et former les dispositifs émetteurs d'ions habituels consistent à élever la température de l'élément à ioniser ou de l'un de ses composés, tel qu'un halogénure, pour en obtenir une tension de vapeur.
L'appareillage correspondant varie avec l'ordre de grandeur de la température néces saire à l'obtention de cette tension de vapeur (température allant de 20 à<B>30000</B> C).
On constitue par exemple des fours à ré sistance pour vaporiser les éléments à tension de vapeur moyenne et les composés stables des éléments à faible tension de vapeur et des fours à bombardement électronique pour va poriser les éléments réfractaires dont les com posés tels que les halogénures, à forte tension de vapeur, sont instables à la température re quise pour le fonctionnement desdits disposi tifs émetteurs d'ions.
Ces solutions classiques sont compliquées et elles ne sont pas générales. De plus l'utili sation de composés dans la plupart des cas, diminue le rendement en courant d'ions ex traits de l'élément cherché, à cause de la dis sociation des molécules par impact électroni que dans lesdits dispositifs.
On connaît par ailleurs le phénomène de pulvérisation cathodique qui consiste à ac célérer des ions positifs de certains éléments ou de composés de ces éléments, jusqu'à des vitesses supérieures à cent électronvolts, et à bombarder des sondes de nature quelconque par ces ions, ce qui libère des atomes desdites sondes, quelles qu'en soient les températures.
Le dispositif faisant l'objet de l'invention est caractérisé par le fait qu'il comprend une sonde, constituée par un matériau contenant l'élément dont un faisceau d'ions est à produire, des moyens pour bombarder cette sonde par des ions afin d'obtenir une pulvérisation ca thodique, les particules émises par cette sonde à la suite de ce bombardement étant ionisées dans une décharge électrique, puis extraites par un champ électrique accélérateur, sous forme d'un faisceau ionique.
Pour atteindre le but recherché, on utilise de préférence les mêmes moyens pour engen drer les ions propres à bombarder la sonde et pour ioniser les particules émises par celle-ci, moyens tels qu'une décharge électronique à cathode chaude ou froide réalisée ou non dans un champ magnétique, ou une décharge à haute fréquence.
Le dessin représente, à titre d'exemples, quelques formes d'exécution de l'objet de l'in vention.
La fig. 1 représente, en perspective, le sché ma de principe du dispositif émetteur d'ions, dans lequel les divers éléments - ont été écartés les uns des autres pour faciliter la compréhen sion.
La fig. 2 représente, à plus grande échelle, et en coupe; l'élément principal du dispositif émetteur d'ions de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue de face d'une forme d'exécution.
La fig. 4 est une coupe de la fig. 3. par le plan<I>IV-IV.</I>
La fig. 5 est une coupe de la fig. 3 par le plan V-V, dans laquelle un des éléments du dispositif d'extraction des ions a été ajouté.
La fig. 6 est un schéma d'une autre forme d'ekécution.
Seuls ont été représentés sur ces figures les éléments nécessaires à la compréhension de l'invention, les éléments correspondants des différentes figures portant des références iden tiques.
Dans le schéma de principe de la fig. 1, les organes constitutifs de la source d'ions sont en fermés dans une enveloppe commune (non re présentée) contenant un gaz rare, ou une va peur (chlore, azote, etc., ou même simplement la vapeur de l'élément constitutif de la sonde) sous une pression pouvant varier avec la na- ture du gaz ou de la vapeur, depuis un vide approché jusqu'à des centaines d'atmosphères.
Ces organes comprennent une enceinte 1, une cathode chaude 2 à un potentiel VZ ou tout autre émetteur d'électrons approprié, une anode 3 à un potentiel V2, une sonde 4 à un potentiel V3 constituée par l'élément dont un faisceau d'ions est à obtenir. Un champ magné tique représenté par la flèche H est produit dans l'axe de l'enceinte 1, par exemple par un électro-aimant dont les deux pôles 5 et 6 sont seuls représentés.
Deux électrodes 7 et 8 à des potentiels respectifs V4 et V5 sont placés, la première 7 immédiatement devant la source d'ions, la deuxième 8 à une certaine distance de la première. Le faisceau d'ions obtenu est représenté par 9.
Dans le cas d'une décharge à haute fré quence, la cathode 2 n'est pas obligatoire, non plus que le champ magnétique H.
Le fonctionnement est le suivant La cathode 2 produit des électrons qui sont accélérés par l'anode 3 et focalisés le long des lignes de forces du champ magnétique axial H pour intensifier leur action.
Une décharge électrique peut alors s'amor cer dans le gaz ou la vapeur contenue dans l'enceinte 1. Dans ces conditions il y a créa tion d'un plasma 10 (fig. 2) caractérisé par une égalité statistique de la densité de charge d'espace positive et négative dans chacun de ses éléments de volume et par le fait que le potentiel constant de ce plasma est toujours voisin de celui de l'électrode la plus positive.
D'autre part le plasma 10 est limité, au voi sinage de toute électrode qui y est plongée, par une région de faibles dimensions appelée gaine' , dans laquelle a lieu le gradient de potentiel entre l'électrode et le plasma, si bien que le potentiel d'une sonde n'a d'influence no table que dans la région déterminée par l'épais seur de cette gaine.
Si l'on introduit alors dans la décharge une sonde quelconque, polarisée négativement par rapport au plasma, de telle sorte que les ions positifs du plasma qui traversent la gaine ar- rivent sur cette sonde avec une énergie détér- minée, l'impact de ces ions sur la sonde libérera des atomes de celle-ci.
Une partie des atomes libérés par la sonde, à la suite de ce bombardement dû au gradient de potentiel de sa gaine, sont ionisés dans une décharge électrique, qui est avantageusement la même que celle génératrice du plasma mais pourrait être différente, et sont extraits sous forme du faisceau ionique 9 par un dispositif approprié constitué par l'électrode 7, mise à un potentiel V4 voisin de celui du plasma 10, et par l'électrode 8 mise à un potentiel V;, néga tif.
A titre purement illustratif, on mentionne ci-après quelques valeurs de potentiels utili sables dans un dispositif émetteur d'ions <I>VI</I> de la cathode = environ - 100 volts ; V#> de l'anode, le plus positif, est pris pour origine des potentiels : V2 de l'anode = 0 c'est le potentiel du plasma ; V3 de la sonde = - 200à -<B>1000</B> volts (courant 1 à 2 A) ; V4 de l'électrode 7 = V2 = 0, et V5 de l'électrode 8 = -10 000à<B><I>-50000</I></B> volts.
La sonde 4 peut être soit solide, soit liquide, soit conductrice ou semi-conductrice, soit même isolante.
Il est bien entendu que les ions primaires qui la bombardent pourraient être obtenus d'une manière différente de celle décrite plus haut: par exemple, on pourrait former le plasma 10 à l'aide d'une décharge à haute fré quence, ou utiliser pour la pulvérisation de la sonde un faisceau d'ions primaires d'origine quelconque.
Les fig. 3, 4 et 5 se rapportent à une forme d'exécution préférée du dispositif émetteur d'ions, applicable, en particulier, comme source solide d'ions de séparateur électromagnétique d'isotopes. Mais cette réalisation n'est nulle ment limitée, dans son application, à ce type d'appareils. Dans cette forme d'exécution, l'émission appropriée d'électrons est assurée par un fila ment chaud 2, porté par deux supports 15 et 16. L'anode 3 en cuivre, qui accélère ces électrons, est refroidie et polarisée à quelques centaines de. volts par rapport au filament 2.
Le champ magnétique axial H est de quelques centaines ou quelques milliers de Gauss ; l'électro-aimant qui le produit n'est pas re présenté. La décharge est entretenue soit par l'élément lui-même émettant une vapeur, soit par un gaz inerte ou chimiquement actif, soit par une vapeur.
La sonde est, dans cette forme d'exécution, constituée par une feuille 12 de l'élément à ioniser ou d'un de ses composés ou alliages, supportée à l'intérieur d'un cylindre creux 11 de graphite ; la forme sous laquelle est livrée: la matière première n'est pas critique, ce qui constitue une grande commodité d'emploi. Cette sonde est fixée dans l'enceinte 1 par un support 13 fixé dans un isolateur 14.
Il résulte de la géométrie de ce système et de la distribution de potentiel imposée par la sonde, que le plasma de la décharge est con centré à l'intérieur de cette sonde et que celle- ci est pulvérisée par l'impact des ions positifs sur sa face interne.
Une partie des atomes libérés de la sonde, après avoir été ionisés dans la décharge, est accélérée -par un dispositif approprié, compor tant l'électrode 7 représentée sur là fig. 5, et extraite du dispositif sous forme d'un faisceau d'ions vers le séparateur électromagnétique. Une autre partie est recondensée sur les pa rois internes de la sonde, ce qui permet sa réé- mission ultérieure par le même processus.
Pour réduire au minimum les pertes de la matière pulvérisée, la surface ouverte du cy lindre est limitée à la fente de sortie des ions et à l'ouverture latérale du côté de la cathode chaude 2 - nécessaire à l'entrée des électrons dans la décharge. Cette disposition présente l'intérêt d'augmenter le rendement d'ionisation de l'élément considéré, et de protéger l'isola teur 14 de la sonde contre les métallisa tions.
On a représenté sur la fig. 6, pour illus trer le cas de la haute fréquence spécifié plus haut, un cylindre creux 11 avec feuille 12 de l'élément à ioniser où le plasma est engendré par une décharge à haute fréquence dans un enroulement 17 à partir d'une source 18. Cette décharge peut avoir lieu avec ou sans champ magnétique H axial et la fréquence avoisiner 100 mégacycles.
Les dispositifs décrits fonctionnent égale ment bien avec des métaux réfractaires ou non. A titre d'exemple ce dispositif émetteur d'ions a pu être utilisé pour extraire des fais ceaux d'ions d'éléments tels que le molybdène le palladium le fer, le cuivre ; ces faisceaux comportaient de 20 à 100 % de l'élément pul vérisé. ' : .
La comparaison des-@caractéristiques de la décharge classique et de la décharge utilisant le phénomène de pulvérisation cathodique, fait apparaître encore un autre avantage pro pre aux dispositifs décrits. En effet, les mesu res effectuées sur le même appareil, avec le même élément, et en gardant un courant d'ions extraits constant dans les deux cas, font appa raître une augmentation du pouvoir de résolu tion, lors de l'enregistrement d'un même spec tre de masse sur le séparateur électromagné tique.
Ion emitting device The invention relates to an ion emitting device.
Its main purpose is to allow ions to be obtained from even solid elements without requiring high temperature.
A number of devices use ion beams, in particular ion accelerator devices and, in particular, electromagnetic isotope separators. In these devices it is a question of producing intense beams of ionized particles of a given element.
It is therefore necessary to bring the bodies to ionize in a state of atomic division.
The solutions most commonly used until now to achieve this result and to form the usual ion-emitting devices consist in raising the temperature of the element to be ionized or of one of its compounds, such as a halide, to obtain a vapor pressure.
The corresponding apparatus varies with the order of magnitude of the temperature necessary to obtain this vapor pressure (temperature ranging from 20 to <B> 30,000 </B> C).
For example, resistance furnaces are made to vaporize the elements with medium vapor pressure and the stable compounds of the elements with low vapor pressure and electron bombardment furnaces to porize the refractory elements including compounds such as halides, at high vapor pressure, are unstable at the temperature required for the operation of said ion emitting devices.
These classic solutions are complicated and they are not general. In addition, the use of compounds in most cases decreases the current yield of ions ex traits of the element sought, because of the dis sociation of the molecules by electronic impact in said devices.
We also know the phenomenon of cathodic sputtering which consists in accelerating positive ions of certain elements or compounds of these elements, up to speeds greater than one hundred electron volts, and in bombarding probes of any kind with these ions, this which releases atoms from said probes, whatever the temperatures.
The device forming the subject of the invention is characterized in that it comprises a probe, formed by a material containing the element for which an ion beam is to be produced, means for bombarding this probe with ions in order to to obtain a thodic ca sputtering, the particles emitted by this probe following this bombardment being ionized in an electric discharge, then extracted by an accelerating electric field, in the form of an ion beam.
To achieve the desired goal, the same means are preferably used to generate the ions suitable for bombarding the probe and for ionizing the particles emitted by the latter, means such as an electronic discharge with a hot or cold cathode carried out or not in the probe. a magnetic field, or a high frequency discharge.
The drawing represents, by way of examples, some embodiments of the object of the invention.
Fig. 1 shows, in perspective, the basic diagram of the ion emitting device, in which the various elements have been separated from each other to facilitate understanding.
Fig. 2 shows, on a larger scale, and in section; the main element of the ion emitting device of FIG. 1.
Fig. 3 is a front view of an embodiment.
Fig. 4 is a section of FIG. 3.by plan <I> IV-IV. </I>
Fig. 5 is a section of FIG. 3 by the V-V plane, in which one of the elements of the ion extraction device has been added.
Fig. 6 is a diagram of another form of execution.
Only the elements necessary for understanding the invention have been represented in these figures, the corresponding elements of the various figures bearing identical references.
In the block diagram of fig. 1, the constituent organs of the ion source are closed in a common envelope (not shown) containing a rare gas, or a vapor (chlorine, nitrogen, etc., or even simply the vapor of the constituent element of the probe) under a pressure which may vary with the nature of the gas or vapor, from an approximate vacuum to hundreds of atmospheres.
These members include an enclosure 1, a hot cathode 2 at a potential VZ or any other suitable emitter of electrons, an anode 3 at a potential V2, a probe 4 at a potential V3 formed by the element including an ion beam is to be obtained. A magnetic field represented by the arrow H is produced in the axis of the enclosure 1, for example by an electromagnet of which only the two poles 5 and 6 are represented.
Two electrodes 7 and 8 at respective potentials V4 and V5 are placed, the first 7 immediately in front of the ion source, the second 8 at a certain distance from the first. The ion beam obtained is represented by 9.
In the case of a high frequency discharge, cathode 2 is not obligatory, nor is the magnetic field H.
The operation is as follows: The cathode 2 produces electrons which are accelerated by the anode 3 and focused along the lines of force of the axial magnetic field H to intensify their action.
An electric discharge can then initiate in the gas or the vapor contained in the enclosure 1. Under these conditions there is creation of a plasma 10 (fig. 2) characterized by a statistical equality of the charge density. positive and negative space in each of its volume elements and by the fact that the constant potential of this plasma is always close to that of the most positive electrode.
On the other hand the plasma 10 is limited, in the vicinity of any electrode which is immersed therein, by a region of small dimensions called sheath ', in which the potential gradient between the electrode and the plasma takes place, so that the potential of a probe has no significant influence except in the region determined by the thickness of this cladding.
If one then introduces into the discharge any probe, polarized negatively with respect to the plasma, so that the positive ions of the plasma which pass through the sheath arrive on this probe with a determined energy, the impact of these ions on the probe will release atoms from it.
Some of the atoms released by the probe, following this bombardment due to the potential gradient of its cladding, are ionized in an electric discharge, which is advantageously the same as that generating the plasma but could be different, and are extracted under form of the ion beam 9 by an appropriate device consisting of electrode 7, placed at a potential V4 close to that of plasma 10, and by electrode 8 placed at a potential V i, negative.
Purely by way of illustration, a few values of potentials which can be used in a device emitting <I> VI </I> ions from the cathode = approximately −100 volts are mentioned below; V #> of the anode, the most positive, is taken as the origin of the potentials: V2 of the anode = 0 this is the potential of the plasma; V3 of the probe = - 200 to - <B> 1000 </B> volts (current 1 to 2 A); V4 of electrode 7 = V2 = 0, and V5 of electrode 8 = -10,000 at <B> <I> -50000 </I> </B> volts.
The probe 4 can be either solid, or liquid, or conductive or semiconductor, or even insulating.
It is understood that the primary ions which bombard it could be obtained in a different way from that described above: for example, the plasma 10 could be formed by means of a high frequency discharge, or used for the probe sputtering a beam of primary ions of any origin.
Figs. 3, 4 and 5 relate to a preferred embodiment of the ion emitter device, applicable, in particular, as a solid source of electromagnetic isotope separator ions. But this embodiment is by no means limited, in its application, to this type of apparatus. In this embodiment, the appropriate emission of electrons is ensured by a hot filament 2, carried by two supports 15 and 16. The copper anode 3, which accelerates these electrons, is cooled and polarized to a few hundred. of. volts with respect to the filament 2.
The axial magnetic field H is a few hundred or a few thousand Gauss; the electromagnet which produces it is not shown. The discharge is maintained either by the vapor-emitting element itself, or by an inert or chemically active gas, or by a vapor.
The probe is, in this embodiment, constituted by a sheet 12 of the element to be ionized or of one of its compounds or alloys, supported inside a hollow cylinder 11 of graphite; the form in which is delivered: the raw material is not critical, which constitutes a great convenience of use. This probe is fixed in the enclosure 1 by a support 13 fixed in an insulator 14.
It results from the geometry of this system and the potential distribution imposed by the probe, that the plasma of the discharge is concentrated inside this probe and that the latter is sprayed by the impact of the positive ions on its internal face.
A part of the atoms released from the probe, after having been ionized in the discharge, is accelerated by an appropriate device, comprising the electrode 7 shown in FIG. 5, and extracted from the device in the form of an ion beam towards the electromagnetic separator. Another part is recondensed on the internal walls of the probe, which allows its subsequent re-transmission by the same process.
To minimize losses of the sprayed material, the open area of the cylinder is limited to the ion exit slit and side opening on the hot cathode 2 side - necessary for electrons to enter the discharge . This arrangement has the advantage of increasing the ionization efficiency of the element considered, and of protecting the isolator 14 of the probe against metallizations.
There is shown in FIG. 6, to illustrate the case of the high frequency specified above, a hollow cylinder 11 with foil 12 of the element to be ionized where the plasma is generated by a high frequency discharge in a winding 17 from a source 18 This discharge can take place with or without an axial magnetic field H and the frequency approaching 100 megacycles.
The devices described also work well with refractory metals or not. For example, this ion emitting device could be used to extract beams of ions from elements such as molybdenum, palladium, iron, copper; these bundles comprised 20 to 100% of the pulverized element. ':.
The comparison of the characteristics of the conventional discharge and of the discharge using the phenomenon of cathode sputtering, reveals yet another advantage peculiar to the devices described. In fact, the measurements carried out on the same apparatus, with the same element, and while keeping a current of extracted ions constant in both cases, show an increase in the resolving power, when recording the same mass spectra on the electromagnetic separator.