EP0138642A1 - Structure ferromagnétique d'une source d'ions créée par des aimants permanents et des solénoides - Google Patents

Structure ferromagnétique d'une source d'ions créée par des aimants permanents et des solénoides Download PDF

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    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H01J27/18—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field

Definitions

  • the present invention relates to a ferromagnetic structure of an ion source created by permanent magnets and solenoids. It applies to ion sources of the electronic cyclotron resonance type where it confines the plasma of a gas or vapor in which ions are created by impacts of ionizing electrons.
  • the useful volume to be magnetized is of the order of a liter;
  • the power consumption of the solenoids is of the order of 100 KW, therefore high enough to ensure a maximum induction of 0.5 tesla in this useful volume.
  • FIG. 1 represents the configuration of the permanent magnets according to the prior art in La source Micromafios.
  • the magnets 1 have a length L of 7 cm to obtain 90X of the maximum induction in the useful volume 2. It would theoretically require a rod of infinite length L to obtain 100% of this maximum induction.
  • the invention aims to remedy these drawbacks and in particular. Reduce the consumption of electrical energy and the amount of magnetic material used to provide the magnetic field in the useful volume of the ion source. For this, it is proposed to close the magnetic flux outside the useful volume of an ion source in a ferromagnetic structure so that the magnetic field flourishes only in the useful volume.
  • the invention relates to a magnetic structure for confining a plasma in an ion source with electronic cyclotron resonance created by the superposition of an axial magnetic induction provided by solenoids and a radial induction.
  • supplied by permanent magnets characterized in that all of the solenoids are shielded outside the useful volume of the source by a first ferromagnetic carcass, the permanent magnets being mounted on the internal walls of a second carcass having the form of a cylinder of ferromagnetic material in order to channel the magnetic fluxes outside the useful volume in a ferromagnetic structure, the two carcasses being separated from each other by a material ensuring sufficient reluctance between the two ferromagnetic circuits.
  • the permanent magnets are fixed to the internal wall of the ferromagnetic cylinder only by their magnetic adhesion.
  • the carcasses are made of soft iron.
  • FIG 2 there is shown in section The configuration of the permanent magnets according to the invention, providing the radial magnetic field.
  • the permanent magnets preferably made of samarium-cobalt, are fixed only by their magnetic adhesion to the internal wall 3 of a cylinder 4 of a ferromagnetic material.
  • the radial magnetic structure can be quadrupolar, hexapolar, octopolar, etc. at will. Closing the external flux in a circuit of iron or another ferromagnetic material eliminates the contribution of the antagonist pole, therefore to reduce the length of the magnetic bar 1, i.e. 100% of the induction produced by the magnets is available in the useful volume.
  • the length L could be very small, but in practice, a length of Order 1 cm remains necessary due to the intrinsic imperfections of the magnets (leakage field). A saving of a factor of 5 on the magnetic material is therefore possible compared to the prior art.
  • FIG. 3 there is shown in section, along the central axis 5, The complete magnetic structure according to the invention, that is to say that The configuration of the multipolar radial magnetic field 6 constituted by The permanent magnets 1 mounted on the inner wall 3 of the cylindrical carcass 4. At the two ends of this cylinder are two coils 7, providing the axial magnetic field 8. Outside the useful volume 2 of the ion source, the assembly of the two solenoid coils is shielded by a ferromagnetic carcass 9.
  • the two carcasses 4 and 9 are separated by a material 10 having sufficient reluctance. It is possible, for example, to use as material a layer of air with a thickness of the order of 1 cm, or better, a layer of plastic material such as polyvinyl chloride (PVC) with a thickness of 1 cm. , this material also providing electrical insulation between the two ferromagnetic circuits.
  • a material 10 having sufficient reluctance It is possible, for example, to use as material a layer of air with a thickness of the order of 1 cm, or better, a layer of plastic material such as polyvinyl chloride (PVC) with a thickness of 1 cm. , this material also providing electrical insulation between the two ferromagnetic circuits.
  • PVC polyvinyl chloride
  • the magnetic insulation 10 between the two carcasses 4 and 9 is important because the ferromagnetic carcass 4 must not be saturated by the axial induction 8, nor disturbed.
  • the ampere-turns of the solenoid coils 7 practically only serve to magnetize the useful volume 2, which makes it possible to reduce the electrical consumption by a factor 3 to 4 compared to the configurations according to the art. which makes it easier to install the ion source on a platform brought to very high voltage.

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Abstract

Structure ferromagnétique d'une source d'ions créée par des aimants permanents (1) et des solénoïdes (7). La structure ferromagnétique selon l'invention se caractérise en ce que l'ensemble des solénoïdes de la source d'ions (7) est blindé à l'extérieur du volume utile (2) de la source par une carcasse ferromagnétique (9), les aimants permanents (1) étant montés sur une carcasse (4) sous la forme d'un cylindre en matériau ferromagnétique sur ses parois internes (3) afin de canaliser le flux magnétique (6, 8) à l'extérieur du volume utile dans une structure ferromagnétique, les deux carcasses (4, 9) étant séparées l'une de l'autre par un matériau (10) assurant une réluctance suffisante entre les deux circuits ferromagnétiques.

Description

  • La présente invention concerne une structure ferromagnétique d'une source d'ions créée par des aimants permanents et des solénoides. Elle s'applique dans Les sources d'ions du type résonance cyclotronique électronique où elle confine Le plasma d'un gaz ou d'une vapeur dans lequel sont créés des ions par impacts d'étectrons ionisants.
  • Dans le brevet américain n° 4 417 178 déposé au nom du Commissariat à L'Energie Atomique, une source d'ions Lourds du type ECR (résonance cyclotronique électronique) dite "Micromafios" est décrite dans laquelle, La configuration magnétique de confinement du plasma est créée par La superposition d'une induction magnétique à composante axiale créée par des solénoides et d'une induction à composante radiale créée par des aimants permanents à base de terres rares (comme samarium-cobalt par exemple).
  • Le volume utile à magnétiser est de L'ordre du Litre ; La consommation électrique des solénoides est de L'ordre de 100 KW donc assez élevée pour assurer une induction maximale de 0,5 tesla dans ce volume utiLe.
  • Il existe toujours un champ démagnétisant interne superposé au champ externe d'un aimant permanent droit dont L'origine est La refermeture du flux magnétique entre les pôles antagonistes. Cette situation oblige à disposer de barreaux aimantés suffisamment Longs pour minimiser l'influence du pôle antagoniste dans le volume utile.
  • La figure 1 représente La configuration des aimants permanents selon l'art antérieur dans La source Micromafios.
  • Dans Le cas de la structure magnétique de La source selon Le brevet précité, Les aimants 1 ont une Longueur L de 7 cm pour obtenir 90X de L'induction maximale dans Le volume utile 2. Il faudrait théoriquement un barreau de Longueur L infinie pour obtenir 100% de cette induction maximale.
  • Le volume de cette configuration ainsi que la quantité du matériau aimanté sont élevés dans cette structure magnétique.
  • L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et notamment de. réduire La consommation d'énergie électrique et la quantité du matériau aimanté utilisé pour fournir le champ magnétique dans Le volume utile de La source d'ions. Pour cela, on propose de refermer Le flux magnétique à l'extérieur du volume utile d'une source d'ions dans une structure ferromagnétique de façon que Le champ magnétique s'épanouisse uniquement dans Le volume utile.
  • De façon plus précise, L'invention a pour objet une structure magnétique de confinement d'un plasma dans une source d'ions à résonance cyclotronique électronique créée par La superposition d'une induction magnétique axiale fournie par des solénoides et d'une induction radiale fournie par des aimants permanents, caractérisée en ce que l'ensemble des solénoïdes est blindé à L'extérieur du volume utile de La source par une première carcasse ferromagnétique, Les aimants permanents étant montés sur les parois internes d'une deuxième carcasse ayant La forme d'un cylindre en matériau ferromagnétique afin de canaliser les flux magnétiques à L'extérieur du volume utile dans une structure ferromagnétique, Les deux carcasses étant séparées l'une de L'autre par un matériau assurant une réluctance suffisante entre les deux circuits ferromagnétiques.
  • Selon une autre caractéristique, les aimants permanents sont fixés sur la paroi interne du cylindre ferromagnétique seulement par leur adhérence magnétique.
  • SeLon une autre caractéristique, Les carcasses sont en fer doux.
  • Les caractéristiques de L'invention ressortiront mieux de La description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
    • - La figure 1, déjà décrite, représente schématiquement en coupe, La configuration des aimants permanents fournissant le champ magnétique radial selon L'art antérieur,
    • - La figure 2 représente, schématiquement en coupe, La configuration des aimants permanents montés sur un cylindre d'un matériau ferromagnétique selon l'invention,
    • - La figure 3 représente schématiquement en coupe selon l'axe central, La structure magnétique complète selon L'invention.
  • Sur La figure 2, on a représenté en coupe La configuration des aimants permanents selon l'invention, fournissant Le champ magnétique radial. Les aimants permanents 1, de préférence en samarium-cobalt sont fixés uniquement par Leur adhérence magnétique sur La paroi interne 3 d'un cylindre 4 d'un matériau ferromagnétique. La structure magnétique radiale peut être à volonté quadrupolaire, hexapolaire, octopolai- re, etc... Le fait de refermer Le flux extérieur dans un circuit en fer ou d'un autre matériau ferromagnétique permet d'éliminer La contribution du pôle antagoniste, donc de réduire La Longueur du barreau aimanté 1, c'est-à-dire 100% de L'induction produite par les aimants sont disponibles dans Le volume utile.
  • Théoriquement, la longueur L pourrait être très petite, mais en pratique, une longueur de L'ordre de 1 cm reste nécessaire à cause des imperfections intrinsèques des aimants (champ de fuite). Une économie d'un facteur 5 sur Le matériau aimanté est donc possible par rapport à l'art antérieur.
  • En outre, L'encombrement de la configuration magnétique radiale est ainsi réduit.
  • Sur la figure 3, on a représenté en coupe, selon L'axe central 5, La structure magnétique complète selon l'invention, c'est-à-dire que L'on a représenté La configuration du champ magnétique radial 6 multipolaire constitué par Les aimants permanents 1 montés sur La paroi intérieure 3 de La carcasse 4 cylindrique. Aux deux extrémités de ce cylindre se trouvent deux bobines 7, fournissant Le champ magnétique axial 8. A L'extérieur du volume utile 2 de La source d'ions, l'ensemble des deux bobines solénoides est blindé par une carcasse ferromagnétique 9.
  • Les deux carcasses 4 et 9 sont séparées par un matériau 10 ayant une réluctance suffisante. On peut par exemple utiliser comme matériau une couche d'air d'une épaisseur de L'ordre de 1 cm, ou mieux, une couche de matière plastique telle que du polychlo- rure de vinyle (PVC) d'une épaisseur de 1 cm , ce matériau assurant de plus une isolation électrique entre Les deux circuits ferromagnétiques.
  • L'isolation magnétique 10 entre les deux carcasses 4 et 9 est importante car La carcasse ferromagnétique 4 ne doit pas être saturée par L'induction axiale 8, ni perturbée.
  • Grâce au blindage magnétique, Les ampère- tours des bobines solénoides 7 ne servent pratiquement qu'à magnétiser le volume utile 2, ce qui permet de réduire La consommation élect-rique d'un facteur 3 à 4 par rapport aux configurations selon l'art antérieur et qui permet d'installer plus facilement La source d'ions sur une plate-forme portée à très haute tension.

Claims (3)

1. Structure magnétique de confinement d'un plasma dans une source d'ions à résonance cyclotronique électronique créée par La superposition d'une induction magnétique axiale (8) fournie par des solénoides (7) et d'une induction radiale (6) fournie par des aimants (1) permanents, caractérisée en ce que L'ensemble des solénoïdes (7) est blindé à L'extérieur du volume utile (2) de La source par une carcasse ferromagnétique (9), Les aimants permanents (1) étant montés sur une carcasse (4) ayant La forme d'un cylindre en matériau ferromagnétique sur ses parois internes (3) afin de canaliser Le flux magnétique (6, 8) à L'extérieur du volume utile dans une structure ferromagnétique, Les deux carcasses (4, 9) étant séparées l'une de L'autre par un matériau (10) assurant une réluctance suffisante entre Les deux circuits ferromagnétiques.
2. Structure magnétique selon la revendication 1, caractérisée en ce que Les aimants permanents (1) sont fixés sur La paroi interne (3) du cylindre ferromagnétique (4) seulement par Leur adhérence magnétique.
3. Structure magnétique selon La revendication 1, caractérisée en ce que Les carcasses (4, 9) sont en fer.
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