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.