EP0138642B1 - 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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EP0138642B1
EP0138642B1 EP84401688A EP84401688A EP0138642B1 EP 0138642 B1 EP0138642 B1 EP 0138642B1 EP 84401688 A EP84401688 A EP 84401688A EP 84401688 A EP84401688 A EP 84401688A EP 0138642 B1 EP0138642 B1 EP 0138642B1
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EP
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permanent magnets
ion source
ferromagnetic
magnetic
solenoids
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Bernard Jacquot
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • 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 in ion sources of the electronic cyclotron resonance type where it confines the plasma of a gas or a 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 electrical 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 the Micromafios source.
  • the magnets 1 have a length L of 7 cm to obtain 90% of the maximum induction in the useful volume 2. In theory, a rod of infinite length L would be required for get 100% of this maximum induction.
  • the object of the invention is to remedy these drawbacks and in particular to reduce the consumption of electrical energy and the amount of magnetic material used to supply 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 only flourishes in the useful volume.
  • the invention relates to an ion source with electronic cyclotron resonance comprising a magnetic structure for confining a plasma created by the superposition of an axial magnetic induction provided by solenoids and a radial induction multipolar provided 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 a second carcass having the shape of a cylinder of ferromagnetic material on its internal walls in order to channel the magnetic flux outside the useful volume of the ferromagnetic structure, the second carcass being inside the first carcass and being separated from said first carcass by a material ensuring, between the two ferromagnetic circuits, a reluctance close to that provided by a layer of air or a layer of polyvinyl chloride the 1 cm thick.
  • 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 1 preferably made of samarium-cobalt, are fixed only by their magnetic adhesion to the internal wall 3 of a second carcass 4 in the form of a cylinder made of ferromagnetic material.
  • the radial magnetic structure can be at will quadrupole, hexapolar, octopolar, etc.
  • the fact of closing the external flux in a circuit of iron or another ferromagnetic material makes it possible to eliminate the contribution of the antagonistic pole, therefore to reduce the length of the magnetic bar 1, that is to say 100% of the induction produced by the magnets are available in the useful volume.
  • the length L could be very small, but in practice, a length of the order of 1 cm remains necessary because of 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, according to 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 second cylindrical casing 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 first ferromagnetic carcass 9.
  • the two carcasses 4 and 9 are separated by a material 10 having sufficient reluctance.
  • a material 10 having sufficient reluctance.
  • PVC polyvinyl chloride
  • the magnetic insulation 10 between the two carcasses 4 and 9 is important because the second 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 of 3 to 4 compared to the configurations according to the prior art and which makes it easier to install the ion source on a platform mounted at very high voltage.

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Description

  • La présente invention concerne une structure ferromagnétique d'une source d'ions créée par des aimants permanents et des solénoïdes. 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'électrons ionisants.
  • Dans le brevet américain n° 4417 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 solénoïdes 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 solénoïdes 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 90 % 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 source d'ions à résonance cyclotronique électronique comportant une structure magnétique de confinement d'un plasma créé par la superposition d'une induction magnétique axiale fournie par des solénoïdes et d'une induction radiale multipolaire 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 une seconde carcasse ayant la forme d'un cylindre en matériau ferromagnétique sur ses parois internes afin de canaliser le flux magnétique à l'extérieur du volume utile de la structure ferromagnétique, la seconde carcasse se trouvant à l'intérieur de la première carcasse et étant séparée de ladite première carcasse par un matériau assurant, entre les deux circuits ferromagnétiques, une réluctance voisine de celle fournie par une couche d'air ou une couche de polychlorure de vinyle de 1 cm d'épaisseur.
  • 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'une deuxième carcasse 4 en forme d'un cylindre en matériau ferromagnétique. La structure magnétique radiale peut être à volonté quadrupolaire, hexapolaire, octopolaire, 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 deuxième 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 solénoîdes est blindé par une première 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 polychlorure 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 deuxième carcasse ferromagnétique 4 ne doit pas être saturée par l'induction axiale 8, ni perturbée.
  • Grâce au blindage magnétique, les ampère- tours des bobines solénoïdes 7 ne servent pratiquement qu'à magnétiser le volume utile 2, ce qui permet de réduire la consommation électrique 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 (5)

1. Source d'ions à résonance cyclotronique électronique comportant une structure magnétique de confinement d'un plasma créé par la superposition d'une induction magnétique axiale (8) fournie par des solénoïdes (7) et d'une induction radiale multipolaire (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 première carcasse ferromagnétique (9), les aimants permanents (1) étant montés sur une seconde 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 de la structure ferromagnétique, la seconde carcasse (4) se trouvant à l'intérieur de la première carcasse (9) et étant séparée de ladite première carcasse par un matériau (10) assurant, entre les deux circuits ferromagnétiques, une réluctance voisine de celle fournie par une couche d'air ou une couche de polychlorure de vinyle de 1 cm d'épaisseur.
2. Source d'ions 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. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que les carcasses (4, 9) sont en fer.
4. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que le matériau est une couche de polychlorure de vinyle de 1 cm d'épaisseur.
5. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les aimants permanents sont en samarium - cobalt.
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