EP0232651A1 - Ion source operating at the electron cyclotron resonance - Google Patents
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- EP0232651A1 EP0232651A1 EP86402874A EP86402874A EP0232651A1 EP 0232651 A1 EP0232651 A1 EP 0232651A1 EP 86402874 A EP86402874 A EP 86402874A EP 86402874 A EP86402874 A EP 86402874A EP 0232651 A1 EP0232651 A1 EP 0232651A1
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- 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 an ion source with electronic cyclotron resonance allowing in particular the production of multicharged positive ions. It finds many applications, depending on the different values of the kinetic energy of the extracted ions, in the field of ion implantation, microgravure, and more particularly in the equipment of particle accelerators, used both in the scientific than medical.
- the ions are obtained by ionizing, in a closed enclosure of the microwave cavity type, a gaseous medium, consisting of one or more gases or metallic vapors, by means of a plasma of electrons strongly accelerated by electronic cyclotron resonance.
- This resonance is obtained thanks to the combined action of a high frequency electromagnetic field, injected at a first end of the enclosure, and a magnetic field with axial symmetry prevailing in this same enclosure.
- This axial magnetic field is generally created by solenoids or coils surrounding the enclosure.
- the ions thus created are extracted from the enclosure by a second end.
- the quantity of ions that can be produced results from the competition between two processes, on the one hand the formation of ions by electronic impact on neutral atoms constituting the gas to be ionized, and on the other hand the destruction of these same ions by recombination due to a collision of these ions with a neutral atom; this neutral atom can come from the gas not yet ionized or else be produced on the walls of the enclosure by the impact of an ion on said walls.
- the problem in this type of source is therefore to minimize the destruction of the ions formed by avoiding any collision of these with a neutral atom.
- the local radial fields are in particular generated by several magnetized bars, arranged symmetrically around the enclosure and each consisting of several elementary magnets, placed side by side.
- Such a magnetic configuration is described in particular in document FR-A-2 556 498 filed in the name of the applicant.
- This magnetic configuration has local magnetic disturbances (or edge effects) at these two ends generating parasitic axial magnetic components which add to or subtract, depending on the polarity of the magnets, from the main magnetic field with axial symmetry.
- magnets of ternary compositions in particular magnets based on iron, praseodymium and boron.
- These rare earth magnets have the advantage of having a high magnetic rigidity, which, in addition to their high magnetic performance, allows the superposition of two opposing fields without risk of demagnetization of these magnets.
- a high magnetic rigidity allows in particular the making of composite multipole structures where the axial and radial fields are composed algebraically.
- these resonant caps are always harmful on the side of the injection of the high frequency since they take energy in the electromagnetic wave which should normally be used for the ionization of the gaseous medium contained in the enclosure.
- the subject of the present invention is precisely an ion source with electronic cyclotron resonance which makes it possible to remedy the various drawbacks above.
- the invention relates to an ion source with electronic cyclotron resonance, comprising: a closed enclosure having a longitudinal axis, first and second ends oriented along this axis, this enclosure containing a gas intended to form a plasma confined in said enclosure, - a device for injecting a high frequency electromagnetic field at the first end of the enclosure, means for generating in the enclosure a magnetic field with axial symmetry, defining a first polarity at the first end of the enclosure and a second polarity at the second end of the enclosure, a magnetic structure distributed around the axis and formed of several layers stacked along said axis, each layer generating local radial magnetic fields, the terminal layer located opposite the first end of the enclosure engen drant a local magnetic field lower than those generated by the other layers, and - a system for extracting ions from the enclosure, this system being located at the second end.
- gas intended to form a plasma is meant a gaseous medium containing one or more gases or vapors of one or more solid materials.
- gaseous medium containing one or more gases or vapors of one or more solid materials.
- the stacked layers forming the magnetic structure can be fictitious or real.
- the magnetic structure comprises a first and a second alternating series of magnetic bars, disjoint, distributed around the axis and formed of elementary magnets oriented radially, the poles of the bars of the first series oriented inwards of the enclosure having the first polarity and the poles of the bars of the second series oriented towards the inside of the enclosure having the second polarity, the terminal magnet of each bar of the first series, located opposite the first end of the enclosure, having magnetic performance lower than that of the other magnets of the corresponding bar.
- the inventor has found that the annoying magnetic disturbances at the ends of the bars or edge effects only appear for the elementary magnets having the same polarity as that associated with the main magnetic field with axial symmetry.
- the terminal magnets located on this side and having their north pole oriented towards the inside of the enclosure, create parasitic axial magnetic fields which are cut off from the main axial magnetic field resulting in a resulting magnetic field (axial + radial) whose amplitude is lower the stronger the radial magnetic field.
- the value B r corresponding to the resonance can be easily achieved locally with all the drawbacks already mentioned.
- the parasitic axial magnetic fields created by the terminal magnets having their south pole oriented towards the interior of the enclosure are added to the main axial magnetic field generating a resulting magnetic field whose amplitude is much greater than B r .
- the polarity, associated with the main axial magnetic field located on the side of the electromagnetic injection is a south polarity
- the lower magnetic performances of the terminal magnet of each bar of the first series can be obtained by producing these terminal magnets in a material different from that constituting the other magnets of the corresponding bar.
- the material of the terminal magnet of each bar of the first series may have a binary composition and that of the other magnets of the bar corresponding to a ternary composition.
- the material of the terminal magnet can be based on cobalt and samarium and that of the other magnets based on iron, praseodymium and boron.
- Another solution for reducing the magnetic performance of the terminal magnet of each bar of the first series lies in the reduction of the length of the terminal magnet compared to that of the other magnets of the corresponding bar.
- These terminal magnets of shorter length can be made of the same material as that of the other magnets of the corresponding bar or else of another material with lower magnetic performance, as described above.
- Another solution for reducing the magnetic performance of the terminal magnets of the bars of the first series lies in the use of a wedge of non-magnetic material attached to each terminal magnet, this wedge, disposed towards the inside of the enclosure, has a thickness such that the length of the terminal wedge-magnet assembly is equal to the length of the other magnets of the corresponding bar.
- This solution is combined in particular with the use of terminal magnets of the bars of the first series made of a material different from those of the other magnets and in particular of lower magnetic performance.
- the magnetic structure comprises first and second alternating series of magnetized and disjointed main bars, distributed around the axis and formed of elementary magnets oriented radially, the poles of the bars of the first series oriented towards the inside the enclosure having the first polarity and the poles of the bars of the second series oriented towards the inside of the enclosure, having the second polarity, as well as intermediate magnetic bars, inserted between the main bars and of length less than that of these main bars, the intermediate bars, set back relative to the main bars at the first end of the enclosure, having their poles in contact with the lateral faces of each main bar identical to the pole of the latter oriented towards the inside the enclosure.
- this terminal layer of the magnetic structure devoid of intermediate magnets, does not generate a sufficiently weak local magnetic field, it is possible to play on the magnetic performances of the terminal magnets of the main magnetic bars of the first series, located next to the high frequency injection device.
- the magnetic modifications of these terminal magnets can be carried out by using a different material for these magnets, by reducing their length and / or by attaching thereto a shim made of non-magnetic material, as described above.
- FIG. 1 there is shown schematically, in longitudinal section, an ion source with electronic cyclotron resonance according to the invention.
- This source comprises a vacuum containment enclosure 2 constituting a resonant cavity which can be excited by a microwave electromagnetic field, continuous or pulsed, having a frequency between 1 and 100 GHz.
- This enclosure 2 has a longitudinal axis 4, passing through the center 7 of the enclosure, which in the case of a cylindrical enclosure represents the axis of revolution, and two ends 3 and 5 oriented along this axis.
- the electromagnetic wave produced by a source 6 such as a Klystron, is introduced into the resonant cavity, at the end 3 of the enclosure, by means of a waveguide 8 of circular or rectangular section.
- a pipe 10 makes it possible to introduce a gas or a vapor of a material inside the cavity 2, intended to form a plasma in said cavity.
- Enclosure 2 can be filled with hydrogen, neon, xenon, oxygen, carbon, nitrogen, tungsten, titanium, molybdenum, zirconium, etc. at a pressure of order of 10 ⁇ 5 mbar for a 10 GHz wave.
- Means not shown, such as a vacuum pump can be mounted on the cavity 2.
- Coils 12 and 14 respectively surrounding the ends 3 and 5 of the enclosure 2 make it possible to create a magnetic field of axial symmetry symbolized by the arrows 15, in the form of a magnetic bottle.
- This magnetic field 15 has a minimum amplitude at the center 7 of the cavity and a maximum amplitude at the ends of the enclosure 2.
- This magnetic field which can be either continuous or pulsed is notably oriented from the end 3 to the end 5 of the enclosure. It then defines an axial north pole on the side of the end 3 of the enclosure 2 and an axial south pole on the side of the end 5 of said enclosure. An orientation of the axial magnetic field from the end 5 to the end 3 can of course be envisaged.
- the amplitude of the axial magnetic field 15 can vary from 3000 to 5000 Gauss for a wave of 10 GHz.
- Magnetic bars 16 and 18 distributed all around the cavity and parallel to the longitudinal axis 4 of the enclosure make it possible to create local magnetic fields, symbolized by the arrows 20, located radially with respect to the axis 4. These fields Magnetic radials can go up to 5000 Gauss for a wave of 10 GHz.
- the magnetic field 15 with axial symmetry and the local radial magnetic fields 20 allow the formation of at least one closed "equimagnetic" sheet 22 having no contact with the walls of the enclosure 2.
- the resonance condition is notably satisfied for an amplitude B r of 3600 Gauss and a frequency of the electromagnetic field of 10 GHz.
- the highly charged ions thus formed can be extracted from the enclosure 2 by an extraction orifice 24 located on the side of the end 5.
- This orifice is located on the longitudinal axis 4 of the enclosure and in the extension of the waveguide 8 used for injecting the high frequency into the enclosure.
- the ions thus extracted from the enclosure can then be selected according to their degree of ionization using any known means using a magnetic field and / or an electric field.
- the magnetic bars 16 and 18 can be four, six, eight, etc.
- the bars 16 are formed of several permanent elementary magnets joined 30 and 31 having their north poles oriented towards the inside of the enclosure 2 and their south poles facing outwards.
- the magnetized bars 18 are formed of elementary magnets 32 joined, identical, having their south poles oriented towards the inside of the enclosure 2 and their north poles oriented towards the outside. These two types of bars, as shown in Figures 2a, 2b and 3, are arranged alternately, a bar 16 being interposed between two bars 18 and vice versa.
- the terminal magnets 31 of the bars 16, located on the side of the end 3 of the enclosure 2, that is to say on the side of the injection of the electromagnetic wave exhibit magnetic performance lower than that of the magnets 30 of the corresponding bar 16. Indeed, this makes it possible, taking into account the direction of flow of the creepage line 33 of the terminal elementary magnets 31, shown in FIG. 1, to greatly reduce the antagonistic magnetic field created at the end 3 of the enclosure 2 by the component axial of the leakage field represented by 33.
- the reduction of the magnetic performances of the terminal magnets 31 of the bars 16 can be obtained by using a binary material and in particular in SmCo5 to constitute the magnets 31, the magnets 30 then being formed of a ternary material containing for example praseodymium, iron and boron.
- Another solution consists, as shown in FIG. 2a, of using terminal magnets 31 for the bars 16 having a length l less than the length L of the magnets 30 of these same bars.
- the magnets 31 can measure 5 cm long and the magnets 30 can measure 7 cm long.
- the terminal magnets 31 can be made of the same material as that constituting the other magnets 30 of the corresponding bars, but also of a different material having magnetic properties inferior to those of the magnets 30.
- the terminal magnets 31 can be made of SmCo5 and the magnets 30 made of Fe-Pr-B.
- the terminal magnets 31 of the bars 16 will all have the same length and will all be made of the same material.
- the magnets 30 of the bars 16 and the magnets 32 of the bars reaux 18 will have the same length L and will be made of the same material.
- the terminal magnets 31 of the bars 16 located on the side of the injection of the electromagnetic wave into the enclosure can moreover be each associated with a wedge 34 made of a non-magnetic material.
- Each wedge 34 is located between the corresponding terminal magnet 31 and the enclosure 2.
- the shims 34 may have a thickness ranging from 1 to 10 mm.
- These terminal magnets 31 associated with the shims 34 may possibly be made of a material different from those constituting the other magnets 30 and possibly 32.
- This structure comprises intermediate magnetic bars 36 and 39, inserted between the bars 16 and 18.
- the bars 36 and 39 are joined in pairs and are located respectively in contact with the lateral faces 38 and 40 of the bars 16 and 18.
- the intermediate bars 36 have their north poles in contact with the lateral faces 38 of the bars 16 whose north is oriented towards the inside of the enclosure 2.
- the intermediate bars 39 have their south poles in contact with the lateral faces 40 of the bars 18, the south of which is oriented towards the interior of the enclosure 2.
- This arrangement makes it possible, as shown in FIG. 4, to artificially increase the polar surfaces of the bars 16 and 18 and therefore to maximize the radial magnetic fields emitted by these bars near their inward-facing poles inside the enclosure.
- This structure makes it possible in particular to double the local radial fields emitted by the magnets constituting the magnetic bars 16 and 18.
- full magnet In such a structure called “full magnet”, it is possible to reduce according to the invention the local magnetic fields generated at the end 3 of the enclosure, where the high frequency injection takes place, by using bars intermediaries 36 and 39 shorter than the bars 16 and 18, the ends of the bars 16 and 18 projecting from the ends of the bars 36 and 39. Under these conditions, the local magnetic fields created near the injection of the high frequency are only due to the terminal magnets of the bars 16 and 18 projecting.
- terminal magnets 31 of the bars 16 having magnetic performance lower than those of the bars 30 constituting can be used. These same bars 16 and possibly lower performance than the magnets 32 of the bars 18. This can be achieved by using terminal magnets 31 made of SmCo5 and magnets 30 and 32 made of Pr-Fe-B and / or using magnets 31 shorter than magnets 30 and 32 and / or by inserting a non-magnetic shim between the magnets 31 and the enclosure 2, as described above.
- the means making it possible to generate the local radial magnetic fields can be different provided that these are in the form of a magnetic structure, distributed around the longitudinal axis of the enclosure, generating at its end located opposite the high frequency injection of local magnetic fields lower than the rest of the magnetic structure.
- This magnetic structure could in particular be produced using cylindrical bars, arranged parallel to one another along the axis of the enclosure and being in a superconductive state (see US-A-4,417,178).
- the magnetic field with axial symmetry could be produced by ferrites in place of the two coils surrounding the enclosure. This field could also be oriented from the extraction orifice to the high frequency injection device. In this case, it is the terminal magnets of the bars 18 which must have the lowest magnetic performance.
- the enclosure may have a shape other than a cylindrical shape, for example a rectangular or polygonal shape.
- the ion source according to the invention makes it possible in particular to obtain ion beams highly charged with rare gases, such as for example ion beams of Ne+10, Ar+13, Xe+33 as well as ions of C+6, N+7, etc ...
Landscapes
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Abstract
Description
La présente invention a pour objet une source d'ions à résonance cyclotronique électronique permettant notamment la production d'ions positifs multichargés. Elle trouve de nombreuses applications, en fonction des différentes valeurs de l'énergie cinétique des ions extraits, dans le domaine de l'implantation ionique, de la microgravure, et plus particulièrement dans l'équipement des accélérateurs de particules, utilisés aussi bien dans le domaine scientifique que médical.The present invention relates to an ion source with electronic cyclotron resonance allowing in particular the production of multicharged positive ions. It finds many applications, depending on the different values of the kinetic energy of the extracted ions, in the field of ion implantation, microgravure, and more particularly in the equipment of particle accelerators, used both in the scientific than medical.
Dans les sources à résonance cyclotronique électronique, les ions sont obtenus en ionisant, dans une enceinte fermée du genre cavité hyperfréquence, un milieu gazeux, constitué d'un ou plusieurs gaz ou de vapeurs métalliques, au moyen d'un plasma d'électrons fortement accélérés par résonance cyclotronique électronique. Cette résonance est obtenue grâce à l'action conjuguée d'un champ électromagnétique de haute fréquence, injecté à une première extrémité de l'enceinte, et d'un champ magnétique à symétrie axiale régnant dans cette même enceinte. Ce champ magnétique axial, qui présente une amplitude croissante du centre de l'enceinte aux extrémités de cette dernière, présente en particulier une amplitude Br qui satisfait à la condition de résonance cyclotronique électronique Br=f.2π m/e, dans laquelle e représente la charge d'électrons, m sa masse, f la fréquence du champ électromagnétique. Ce champ magnétique axial est généralement créé par des solénoïdes ou bobines entourant l'enceinte.In sources with electronic cyclotron resonance, the ions are obtained by ionizing, in a closed enclosure of the microwave cavity type, a gaseous medium, consisting of one or more gases or metallic vapors, by means of a plasma of electrons strongly accelerated by electronic cyclotron resonance. This resonance is obtained thanks to the combined action of a high frequency electromagnetic field, injected at a first end of the enclosure, and a magnetic field with axial symmetry prevailing in this same enclosure. This axial magnetic field, which has an increasing amplitude from the center of the enclosure to the ends of the latter, has in particular an amplitude B r which satisfies the condition of electronic cyclotron resonance B r = f.2π m / e, in which e represents the charge of electrons, m its mass, f the frequency of the electromagnetic field. This axial magnetic field is generally created by solenoids or coils surrounding the enclosure.
Les ions ainsi créés sont extraits de l'enceinte par une seconde extrémité.The ions thus created are extracted from the enclosure by a second end.
Dans ce type de source, la quantité d'ions pouvant être produite résulte de la compétition entre deux processus, d'une part la formation des ions par impact électronique sur des atomes neutres constituant le gaz à ioniser, et d'autre part la destruction de ces mêmes ions par recombinaison due a une collision de ces ions avec un atome neutre ; cet atome neutre peut provenir du gaz non encore ionisé ou bien être produit sur les parois de l'enceinte par l'impact d'un ion sur lesdites parois.In this type of source, the quantity of ions that can be produced results from the competition between two processes, on the one hand the formation of ions by electronic impact on neutral atoms constituting the gas to be ionized, and on the other hand the destruction of these same ions by recombination due to a collision of these ions with a neutral atom; this neutral atom can come from the gas not yet ionized or else be produced on the walls of the enclosure by the impact of an ion on said walls.
Le problème dans ce type de source est donc de minimiser la destruction des ions formés en évitant toute collision de ceux-ci avec un atome neutre.The problem in this type of source is therefore to minimize the destruction of the ions formed by avoiding any collision of these with a neutral atom.
Pour remédier à cet inconvénient, on a prévu de confiner dans l'enceinte les ions formés ainsi que les électrons servant à leur ionisation. Ceci est réalisé en créant à l'intérieur de cette enceinte un ensemble de champs magnétiques locaux, radiaux et axiaux, définissant au moins une nappe fermée dite "équimagnétique", n'ayant aucun contact avec les parois de l'enceinte et sur laquelle la condition de résonance cyclotronique électronique est satisfaite. Cette nappe représente le lieu des points où l'amplitude des champs magnétiques locaux présente la même valeur. Une telle source a notamment été décrite dans le document US-A-4 417 178 déposé au nom du demandeur.To remedy this drawback, provision has been made to confine the ions formed in the enclosure as well as the electrons used for their ionization. This is achieved by creating inside this enclosure a set of local, radial and axial magnetic fields, defining at least one closed sheet called "equimagnetic", having no contact with the walls of the enclosure and on which the electronic cyclotron resonance condition is satisfied. This tablecloth represents the place of the points where the amplitude of the local magnetic fields presents the same value. Such a source has in particular been described in document US-A-4 417 178 filed in the name of the applicant.
Les champs locaux radiaux sont en particulier engendrés par plusieurs barreaux aimantés, disposés symétriquement autour de l'enceinte et constitués chacun de plusieurs aimants élémentaires, accolés. Une telle configuration magnétique est notamment décrite dans le document FR-A-2 556 498 déposé au nom du demandeur. Cette configuration magnétique présente à ces deux extrémités des perturbations magnétiques locales (ou effets de bords) engendrant des composantes magnétiques axiales parasites qui s'ajoutent ou se retranchent, suivant la polarité des aimants, au champ magnétique principal à symétrie axiale.The local radial fields are in particular generated by several magnetized bars, arranged symmetrically around the enclosure and each consisting of several elementary magnets, placed side by side. Such a magnetic configuration is described in particular in document FR-A-2 556 498 filed in the name of the applicant. This magnetic configuration has local magnetic disturbances (or edge effects) at these two ends generating parasitic axial magnetic components which add to or subtract, depending on the polarity of the magnets, from the main magnetic field with axial symmetry.
La modulation de ces champs magnétiques axiaux parasites est d'autant plus forte que les aimants élémentaires constituant les barreaux sont plus performants.The modulation of these parasitic axial magnetic fields is all the stronger when the elementary magnets constituting the bars are more efficient.
Or, il apparaît actuellement sur le marché des aimants de plus en plus performants de compositions ternaires comme en particulier des aimants à base de fer, de praséodyme et de bore. Ces aimants à base de terres rares ont l'avantage de présenter une grande rigidité magnétique, ce qui, en plus de leurs performances magnétiques élevées, permet la superposition de deux champs antagonistes sans risque de démagnétisation de ces aimants. Une grande rigidité magnétique autorise notamment la confection de structures multipolaires composites où les champs axiaux et radiaux se composent algébriquement.However, it is currently appearing on the market of increasingly efficient magnets of ternary compositions, in particular magnets based on iron, praseodymium and boron. These rare earth magnets have the advantage of having a high magnetic rigidity, which, in addition to their high magnetic performance, allows the superposition of two opposing fields without risk of demagnetization of these magnets. A high magnetic rigidity allows in particular the making of composite multipole structures where the axial and radial fields are composed algebraically.
Ces aimants de haute performance engendrent aux extrémités des barreaux aimantés des champs magnétiques axiaux et radiaux qui en se combinant au champ axial principal conduisent à la condition de résonance cyclotronique électronique. Cette condition de résonance engendre des calottes résonantes aux deux extrémités de la structure magnétique qui, suivant qu'elles se trouvent du côté de l'extraction des ions ou du côté de l'injection de l'onde électromagnétique, peuvent être bénéfiques ou nuisibles.These high-performance magnets generate axial and radial magnetic fields at the ends of the magnetized bars which, when combined with the main axial field, lead to the condition of electronic cyclotron resonance. This resonance condition generates resonant caps at the two ends of the magnetic structure which, depending on whether they are on the side of the ion extraction or on the side of the injection of the electromagnetic wave, can be beneficial or harmful.
La production de calottes résonantes du côté de l'extraction des ions est en général bénéfique comme le montre le document FR-A-2 556 498.The production of resonant caps on the ion extraction side is generally beneficial as shown in document FR-A-2 556 498.
En revanche, ces calottes résonantes sont toujours nuisibles du côté de l'injection de la haute fréquence puisqu'elles prélèvent de l'énergie dans l'onde électromagnétique qui devrait normalement être utilisée pour l'ionisation du milieu gazeux contenu dans l'enceinte.On the other hand, these resonant caps are always harmful on the side of the injection of the high frequency since they take energy in the electromagnetic wave which should normally be used for the ionization of the gaseous medium contained in the enclosure.
Cette absorption de l'énergie parasite se traduit par des phénomènes gênants, liés au transfert d'énergie électromagnétique à des électrons situés en dehors de la zone de confinement et en particulier dans une zone à fort gradient magnétique décroissant vers les parois de l'enceinte. Il en résulte un bombardement intense et localisé de la paroi de l'enceinte par des électrons énergétiques pouvant conduire à l'endommagement de celle-ci, une émission de rayons X importante et la création d'instabilités dans le plasma d'électrons confiné.This absorption of parasitic energy results in annoying phenomena, linked to the transfer of electromagnetic energy to electrons located outside the confinement zone and in particular in an area with a strong decreasing magnetic gradient towards the walls of the enclosure. . This results in intense and localized bombardment of the wall of the enclosure by energetic electrons which can lead to its damage, a significant emission of X-rays and the creation of instabilities in the confined electron plasma.
La présente invention a justement pour objet une source d'ions à résonance cyclotronique électronique permettant de remédier aux différents inconvénients ci-dessus.The subject of the present invention is precisely an ion source with electronic cyclotron resonance which makes it possible to remedy the various drawbacks above.
De façon plus précise, l'invention a pour objet une source d'ions à résonance cyclotronique électronique, comprenant :
- une enceinte fermée ayant un axe longitudinal, une première et une seconde extrémités orientées selon cet axe, cette enceinte contenant un gaz destiné à former un plasma confiné dans ladite enceinte,
- un dispositif pour injecter à la première extrémité de l'enceinte un champ électromagnétique de haute fréquence,
- des moyens pour engendrer dans l'enceinte un champ magnétique à symétrie axiale, définissant une première polarité à la première extrémité de l'enceinte et une seconde polarité à la seconde extrémité de l'enceinte,
- une structure magnétique distribuée autour de l'axe et formée de plusieurs couches empilées selon ledit axe, chaque couche engendrant des champs magnétiques locaux radiaux, la couche terminale située en regard de la première extrémité de l'enceinte engen drant un champ magnétique local inférieur à ceux engendrés par les autres couches, et
- un système pour extraire de l'enceinte les ions, ce système étant situé à la seconde extrémité.More specifically, the invention relates to an ion source with electronic cyclotron resonance, comprising:
a closed enclosure having a longitudinal axis, first and second ends oriented along this axis, this enclosure containing a gas intended to form a plasma confined in said enclosure,
- a device for injecting a high frequency electromagnetic field at the first end of the enclosure,
means for generating in the enclosure a magnetic field with axial symmetry, defining a first polarity at the first end of the enclosure and a second polarity at the second end of the enclosure,
a magnetic structure distributed around the axis and formed of several layers stacked along said axis, each layer generating local radial magnetic fields, the terminal layer located opposite the first end of the enclosure engen drant a local magnetic field lower than those generated by the other layers, and
- a system for extracting ions from the enclosure, this system being located at the second end.
Par gaz destiné à former un plasma, il faut entendre un milieu gazeux contenant un ou plusieurs gaz ou des vapeurs d'un ou plusieurs matériaux solides. A cet effet, on peut se référer à la demande de brevet français no 83 10862 du 3 juin 1983 déposée au nom du demandeur.By gas intended to form a plasma is meant a gaseous medium containing one or more gases or vapors of one or more solid materials. For this purpose, reference may be made to French patent application No. 83 10862 of 3 June 1983 filed on behalf of the applicant.
Par ailleurs, les couches empilées formant la structure magnétique peuvent être fictives ou réelles.Furthermore, the stacked layers forming the magnetic structure can be fictitious or real.
Le fait de créer un champ magnétique local radial plus faible du côté de l'injection de l'onde électromagnétique dans l'enceinte, permet d'éviter que le champ magnétique résultant (axial + radial) à cet emplacement présente une amplitude satisfaisant à la condition de résonance cyclotronique électronique.The fact of creating a weaker local radial magnetic field on the side of the injection of the electromagnetic wave into the enclosure, makes it possible to prevent the resulting magnetic field (axial + radial) at this location having an amplitude satisfying the electronic cyclotronic resonance condition.
Il est à noter que la suppression pure et simple de la couche terminale de la structure magnétique située en regard du dispositif d'injection de la haute fréquence ne ferait que déplacer le problème à la couche suivante.It should be noted that the outright removal of the terminal layer of the magnetic structure located opposite the high frequency injection device would only move the problem to the next layer.
Dans une première variante, la structure magnétique comprend une première et une seconde séries alternées de barreaux aimantés, disjoints, répartis autour de l'axe et formés d'aimants élémentaires orientés radialement, les pôles des barreaux de la première série orientés vers l'intérieur de l'enceinte présentant la première polarité et les pôles des barreaux de la seconde série orientés vers l'intérieur de l'enceinte présentant la seconde polarité, l'aimant terminal de chaque barreau de la première série, situé en regard de la première extrémité de l'enceinte, ayant des performances magnétiques inférieures à celles des autres aimants du barreau correspondant.In a first variant, the magnetic structure comprises a first and a second alternating series of magnetic bars, disjoint, distributed around the axis and formed of elementary magnets oriented radially, the poles of the bars of the first series oriented inwards of the enclosure having the first polarity and the poles of the bars of the second series oriented towards the inside of the enclosure having the second polarity, the terminal magnet of each bar of the first series, located opposite the first end of the enclosure, having magnetic performance lower than that of the other magnets of the corresponding bar.
L'inventeur a constaté que les perturbations magnétiques gênantes aux extrémités des barreaux ou effets de bords n'apparaissaient que pour les aimants élémentaires ayant la même polarité que celle associée au champ magnétique principal à symétrie axiale.The inventor has found that the annoying magnetic disturbances at the ends of the bars or edge effects only appear for the elementary magnets having the same polarity as that associated with the main magnetic field with axial symmetry.
En effet, pour une polarité nord, associée au champ magnétique axial principal, située du côté de l'injection du champ électromagnétique, les aimants terminaux situés de ce côté, et ayant leur pôle nord orienté vers l'intérieur de l'enceinte, créent des champs magnétiques axiaux parasites qui se retranchent du champ magnétique axial principal entraînant un champ magnétique résultant (axial + radial) dont l'amplitude est d'autant plus faible que le champ magnétique radial est fort. Il en résulte que la valeur Br correspondant à la résonance peut être facilement réalisée localement avec tous les inconvénients déjà cités. En revanche les champs magnétiques axiaux parasites créés par les aimants terminaux ayant leur pôle sud orientés vers l'intérieur de l'enceinte s'additionnent au champ magnétique axial principal engendrant un champ magnétique résultant dont l'amplitude est très supérieure à Br.Indeed, for a north polarity, associated with the main axial magnetic field, located on the injection side of the electromagnetic field, the terminal magnets located on this side, and having their north pole oriented towards the inside of the enclosure, create parasitic axial magnetic fields which are cut off from the main axial magnetic field resulting in a resulting magnetic field (axial + radial) whose amplitude is lower the stronger the radial magnetic field. As a result, the value B r corresponding to the resonance can be easily achieved locally with all the drawbacks already mentioned. On the other hand, the parasitic axial magnetic fields created by the terminal magnets having their south pole oriented towards the interior of the enclosure are added to the main axial magnetic field generating a resulting magnetic field whose amplitude is much greater than B r .
Ceci conduit donc, pour une polarité nord située du côté de l'injection du champ électromagnétique, à modifier les performances magnétiques des aimants terminaux situés de ce côté et dont leur pôle nord est orienté vers l'intérieur de l'enceinte.This therefore leads, for a north polarity located on the injection side of the electromagnetic field, to modify the magnetic performance of the terminal magnets located on this side and whose north pole is oriented towards the interior of the enclosure.
Inversement, si la polarité, associée au champ magnétique principal axial située du côté de l'injection électromagnétique est une polarité sud, alors ce sont les aimants terminaux, situés du côté de cette injection et ayant leurs pôles sud orientés vers l'intérieur de l'enceinte qui devront présenter des performances magnétiques inférieures à celles des autres aimants du barreau correspondant.Conversely, if the polarity, associated with the main axial magnetic field located on the side of the electromagnetic injection is a south polarity, then these are the terminal magnets, located on the side of this injection and having their south poles oriented towards the inside of the 'enclosure which should have lower magnetic performance than other magnets of the corresponding bar.
Les performances magnétiques inférieures de l'aimant terminal de chaque barreau de la première série peuvent être obtenues en réalisant ces aimants terminaux en un matériau différent de celui constituant les autres aimants du barreau correspondant.The lower magnetic performances of the terminal magnet of each bar of the first series can be obtained by producing these terminal magnets in a material different from that constituting the other magnets of the corresponding bar.
En particulier, le matériau de l'aimant terminal de chaque barreau de la première série peut présenter une composition binaire et celui des autres aimants du barreau correspondant une composition ternaire. Par exemple, le matériau de l'aimant terminal peut être à base de cobalt et de samarium et celui des autres aimants à base de fer, de praséodyme et de bore.In particular, the material of the terminal magnet of each bar of the first series may have a binary composition and that of the other magnets of the bar corresponding to a ternary composition. For example, the material of the terminal magnet can be based on cobalt and samarium and that of the other magnets based on iron, praseodymium and boron.
Une autre solution pour diminuer les performances magnétiques de l'aimant terminal de chaque barreau de la première série réside dans la diminution de la longueur de l'aimant terminal par rapport à celles des autres aimants du barreau correspondant. Ces aimants terminaux de longueur inférieure peuvent être réalisés dans le même matériau que celui des autres aimants du barreau correspondant ou bien en un autre matériau de performances magnétiques plus faibles, comme décrit ci-dessus.Another solution for reducing the magnetic performance of the terminal magnet of each bar of the first series lies in the reduction of the length of the terminal magnet compared to that of the other magnets of the corresponding bar. These terminal magnets of shorter length can be made of the same material as that of the other magnets of the corresponding bar or else of another material with lower magnetic performance, as described above.
Une autre solution pour diminuer les performances magnétiques des aimants terminaux des barreaux de la première série réside dans l'utilisation d'une cale en matériau non magnétique accolée à chaque aimant terminal, cette cale, disposée vers l'intérieur de l'enceinte, a une épaisseur telle que la longueur de l'ensemble cale-aimant terminal soit égale à la longueur des autres aimants du barreau correspondant. Cette solution se combine notamment avec l'utilisation d'aimants terminaux des barreaux de la première série réalisés en un matériau différent de ceux des autres aimants et en particulier de performances magnétiques plus faibles.Another solution for reducing the magnetic performance of the terminal magnets of the bars of the first series lies in the use of a wedge of non-magnetic material attached to each terminal magnet, this wedge, disposed towards the inside of the enclosure, has a thickness such that the length of the terminal wedge-magnet assembly is equal to the length of the other magnets of the corresponding bar. This solution is combined in particular with the use of terminal magnets of the bars of the first series made of a material different from those of the other magnets and in particular of lower magnetic performance.
Selon une autre variante, la structure magnétique comprend une première et une seconde séries alternées de barreaux principaux aimantés et disjoints, répartis autour de l'axe et formés d'aimants élémentaires orientés radialement, les pôles des barreaux de la première série orientés vers l'intérieur de l'enceinte présentant la première polarité et les pôles des barreaux de la seconde série orientés vers l'intérieur de l'enceinte, présentant la seconde polarité, ainsi que des barreaux aimantés intermédiaires, intercalés entre les barreaux principaux et de longueur inférieure à celle de ces barreaux principaux, les barreaux intermédiaires, disposés en retrait par rapport aux barreaux principaux à la première extrémité de l'enceinte, ayant leurs pôles en contact avec les faces latérales de chaque barreau principal identiques au pôle de ce dernier orienté vers l'intérieur de l'enceinte.According to another variant, the magnetic structure comprises first and second alternating series of magnetized and disjointed main bars, distributed around the axis and formed of elementary magnets oriented radially, the poles of the bars of the first series oriented towards the inside the enclosure having the first polarity and the poles of the bars of the second series oriented towards the inside of the enclosure, having the second polarity, as well as intermediate magnetic bars, inserted between the main bars and of length less than that of these main bars, the intermediate bars, set back relative to the main bars at the first end of the enclosure, having their poles in contact with the lateral faces of each main bar identical to the pole of the latter oriented towards the inside the enclosure.
Au cas où cette couche terminale de la structure magnétique, dépourvue d'aimants intermédiaires, n'engendrerait pas un champ magnétique local suffisamment faible, il est possible de jouer sur les performances magnétiques des aimants terminaux des barreaux aimantés principaux de la première série, situés en regard du dispositif d'injection de la haute fréquence. Les modifications magnétiques de ces aimants terminaux peuvent être réalisées en utilisant un matériau différent pour ces aimants, en diminuant leur longueur et/ou en y accolant une cale en matériau non magnétique, comme décrit précédemment.If this terminal layer of the magnetic structure, devoid of intermediate magnets, does not generate a sufficiently weak local magnetic field, it is possible to play on the magnetic performances of the terminal magnets of the main magnetic bars of the first series, located next to the high frequency injection device. The magnetic modifications of these terminal magnets can be carried out by using a different material for these magnets, by reducing their length and / or by attaching thereto a shim made of non-magnetic material, as described above.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles :
- - la figure 1 représente schématiquement, en coupe longitudinale, une source d'ions conformément à l'invention,
- - les figures 2a et 2b représentent schématiquement des vues en bout selon la ligne II-II de la figure 1,
- - la figure 3 est une vue en perspective d'une structure magnétique particulière de la source d'ions de la figure 1, comportant des barreaux aimantés intermédiaires, et
- - la figure 4 est une vue schématique illustrant l'influence magnétique des barreaux aimantés intermédiaires de la structure magnétique de la figure 3.
- FIG. 1 schematically represents, in longitudinal section, an ion source according to the invention,
- FIGS. 2a and 2b schematically represent end views along the line II-II of FIG. 1,
- FIG. 3 is a perspective view of a particular magnetic structure of the ion source of FIG. 1, comprising intermediate magnetic bars, and
- FIG. 4 is a schematic view illustrating the magnetic influence of the intermediate magnetized bars of the magnetic structure of FIG. 3.
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement, en coupe longitudinale, une source d'ions à résonance cyclotronique électronique selon l'invention. Cette source comprend une enceinte à vide de confinement 2 constituant une cavité résonante pouvant être excitée par un champ électromagnétique hyperfréquence, continu ou pulsé, présentant une fréquence comprise entre 1 et 100 GHz. Cette enceinte 2 présente un axe longitudinal 4, passant par le centre 7 de l'enceinte, qui dans le cas d'une enceinte cylindrique représente l'axe de révolution, et deux extrémités 3 et 5 orientées selon cet axe.In Figure 1, there is shown schematically, in longitudinal section, an ion source with electronic cyclotron resonance according to the invention. This source comprises a
L'onde électromagnétique, produite par une source 6 telle qu'un Klystron est introduite dans la cavité résonante, à l'extrémité 3 de l'enceinte, au moyen d'un guide d'onde 8 de section circulaire ou rectangulaire.The electromagnetic wave, produced by a source 6 such as a Klystron, is introduced into the resonant cavity, at the
Une conduite 10 permet d'introduire un gaz ou une vapeur d'un matériau à l'intérieur de la cavité 2, destiné à former un plasma dans ladite cavité. L'enceinte 2 peut être remplie d'hydrogène, de néon, de xénon, d'oxygène, de carbone, d'azote, de tungstène, de titane, de molybdène, de zirconium, etc... à une pression de l'ordre de 10⁻⁵ mbar pour une onde de 10 GHz.A
Des moyens non représentés, tels qu'une pompe à vide peuvent être montés sur la cavité 2.Means not shown, such as a vacuum pump can be mounted on the
Des bobines 12 et 14 entourant respectivement les extrémités 3 et 5 de l'enceinte 2 permettent de créer un champ magnétique de symétrie axiale symbolisé par les flèches 15, en forme de bouteille magnétique. Ce champ magnétique 15 présente une amplitude minimum au centre 7 de la cavité et une amplitude maximum aux extrémités de l'enceinte 2. Ce champ magnétique qui peut être soit continu, soit pulsé est notamment orienté de l'extrémité 3 à l'extrémité 5 de l'enceinte. Il définit alors un pôle nord axial du côté de l'extrémité 3 de l'enceinte 2 et un pôle sud axial du côté de l'extrémité 5 de ladite enceinte. Une orientation du champ magnétique axial de l'extrémité 5 à l'extrémité 3 peut bien entendu être envisagée. L'amplitude du champ magnétique axial 15 peut varier de 3000 à 5000 Gauss pour une onde de 10 GHz.
Des barreaux aimantés 16 et 18 répartis tout autour de la cavité et parallèlement à l'axe longidutinal 4 de l'enceinte permettent de créer des champs magnétiques locaux, symbolisés par les flèches 20, situés radialement par rapport à l'axe 4. Ces champs magnétiques radiaux peuvent aller jusqu'à 5000 Gauss pour une onde de 10 GHz.
Le champ magnétique 15 à symétrie axiale et les champs magnétiques locaux radiaux 20 permettent la formation d'au moins une nappe "équimagnétique" fermée 22 n'ayant aucun contact avec les parois de l'enceinte 2. Cette nappe 22, correspondant aux lieux des points où l'amplitude des champs magnétiques résultant présente la même valeur, satisfait à la condition de résonance cyclotronique électronique. La condition de résonance est notamment satisfaite pour une amplitude Br de 3600 Gauss et une fréquence du champ électromagnétique de 10 GHz.The
L'existence d'une telle nappe résonante permet d'ioniser fortement le gaz ou les vapeurs contenus dans l'eneceinte 2, donnant ainsi naissance à un plasma d'électrons trés énergétiques. Cette nappe permet aussi de confiner les ions et les électrons produits par ionisation du gaz. Grâce à ce confinement, les électrons créés ont le temps de bombarder plusieurs fois un même ion et de l'ioniser fortement et même totalement.The existence of such a resonant sheet makes it possible to strongly ionize the gas or the vapors contained. in
Les ions fortement chargés ainsi formés peuvent être extraits de l'enceinte 2 par un orifice d'extraction 24 se trouvant du côté de l'extrémité 5. Cet orifice est situé sur l'axe longitudinal 4 de l'enceinte et dans le prolongement du guide d'onde 8 servant à l'injection de la haute fréquence dans l'enceinte. Une électrode 26 placée en aval de l'orifice d'extraction 24, portée à un potentiel négatif à l'aide d'une source d'alimentation 28, assure l'extraction des ions. Les ions ainsi extraits de l'enceinte peuvent ensuite être sélectionnés suivant leur degré d'ionisation à l'aide de tout moyen connu utilisant un champ magnétique et/ou un champ électrique.The highly charged ions thus formed can be extracted from the
Les barreaux aimantés 16 et 18 peuvent être au nombre de quatre, six, huit, etc.. Les barreaux 16 sont formés de plusieurs aimants élémentaires permanents accolés 30 et 31 ayant leurs pôles nord orientés vers l'intérieur de l'enceinte 2 et leurs pôles sud orientés vers l'extérieur. De même, les barreaux aimantés 18 sont formés d'aimants élémentaires 32 accolés, identiques, ayant leurs pôles sud orientés vers l'intérieur de l'enceinte 2 et leurs pôles nord orientés vers l'extérieur. Ces deux types de barreaux, comme représentés sur les figures 2a, 2b et 3, sont disposés en alternance, un barreau 16 étant intercalé entre deux barreaux 18 et réciproquement.The
Afin d'éviter la formation de calottes résonantes, et donc une perte d'énergie de l'onde électromagnétique, les aimants terminaux 31 des barreaux 16, situés du côté de l'extrémité 3 de l'enceinte 2, c'est-à-dire du côté de l'injection de l'onde électromagnétique, présentent des performances magnétiques inférieures à celles des aimants 30 du barreau 16 correspondant. En effet, ceci permet compte tenu du sens de circulation de la ligne de fuite 33 des aimants élémentaires terminaux 31, représentée sur la figure 1, de diminuer fortement le champ magnétique antagoniste créé à l'extrémité 3 de l'enceinte 2 par la composante axiale du champ de fuite représenté par 33.In order to avoid the formation of resonant caps, and therefore a loss of energy from the electromagnetic wave, the
La réduction des performances magnétiques des aimants terminaux 31 des barreaux 16 peut être obtenue en utilisant un matériau binaire et en particulier en SmCo₅ pour constituer les aimants 31, les aimants 30 étant alors formés d'un matériau ternaire contenant par exemple du praséodyme, du fer et du bore.The reduction of the magnetic performances of the
Une autre solution consiste, comme représenté sur la figure 2a, à utiliser des aimants terminaux 31 pour les barreaux 16 ayant une longueur l inférieure à la longueur L des aimants 30 de ces mêmes barreaux. Par exemple les aimants 31 peuvent mesurer 5 cm de long et les aimants 30 peuvent mesurer 7 cm de long.Another solution consists, as shown in FIG. 2a, of using
Les aimants terminaux 31 peuvent être réalisés en un même matériau que celui constituant les autres aimants 30 des barreaux correspondants, mais aussi en un matériau différent ayant des propriétés magnétiques inférieures à celles des aimants 30. En particulier, les aimants terminaux 31 peuvent être réalisés en SmCo₅ et les aimants 30 en Fe-Pr-B.The
Afin d'éviter toute perturbation dans le champ magnétique résultant et par conséquent sur la nappe équimagnétique 22 (figure 1) les aimants terminaux 31 des barreaux 16 auront tous la même longueur et seront tous réalisés en un même matériau. De même les aimants 30 des barreaux 16 et les aimants 32 des bar reaux 18 présenteront la même longueur L et seront réalisés en un même matériau.In order to avoid any disturbance in the resulting magnetic field and consequently on the equimagnetic sheet 22 (FIG. 1) the
Les aimants terminaux 31 des barreaux 16 situés du côté de l'injection de l'onde électromagnétique dans l'enceinte peuvent par ailleurs être associés chacun à une cale 34 réalisée en un matériau non magnétique. Chaque cale 34 est située entre l'aimant terminal 31 correspondant et l'enceinte 2. Son épaisseur e est telle que e+l′=L, si L représente la longueur des aimants 30 du barreau aimanté correspondant et l′ la longueur de l'aimant 31 associé. Les cales 34 peuvent présenter une épaisseur allant de 1 à 10 mm. Eventuellement ces aimants terminaux 31 associés aux cales 34 peuvent être réalisés en un matériau différent de ceux constituant les autres aimants 30 et éventuellement 32.The
Pour profiter au maximum des performances des aimants élémentaires constituant les barreaux 16 et 18, on peut avoir recours à une structure spéciale telle que représentée sur la figure 3.To make the most of the performance of the elementary magnets constituting the
Cette structure comporte des barreaux aimantés intermédiaires 36 et 39, intercalés entre les barreaux 16 et 18. Les barreaux 36 et 39 sont accolés deux à deux et sont situés respectivement au contact des faces latérales 38 et 40 des barreaux 16 et 18.This structure comprises intermediate
Les barreaux intermédiaires 36 ont leurs pôles nord au contact des faces latérales 38 des barreaux 16 dont le nord est orienté vers l'intérieur de l'enceinte 2. De même, les barreaux intermédiaires 39 ont leurs pôles sud au contact des faces latérales 40 des barreaux 18 dont le sud est orienté vers l'intérieur de l'enceinte 2. Cette disposition permet, comme représentée sur la figure 4, d'augmenter artificiellement les surfaces polaires des barreaux 16 et 18 et donc de maximiser les champs magnétiques radiaux émis par ces barreaux au voisinage de leur pôles orientés vers l'in térieur de l'enceinte. Cette structure permet notamment de doubler les champs locaux radiaux émis par les aimants constituant les barreaux aimantés 16 et 18.The
Dans une telle structure dite "à aimant plein", il est possible de diminuer conformément l'invention les champs magnétiques locaux engendrés à l'extrémité 3 de l'enceinte, où a lieu l'injection de la haute fréquence, en utilisant des barreaux intermédiaires 36 et 39 plus courts que les barreaux 16 et 18, les extrémités des barreaux 16 et 18 faisant saillie par rapport aux extrémités des barreaux 36 et 39. Dans ces conditions, les champs magnétiques locaux créés à proximité de l'injection de la haute fréquence ne sont dûs qu'aux aimants terminaux des barreaux 16 et 18 faisant saillie.In such a structure called "full magnet", it is possible to reduce according to the invention the local magnetic fields generated at the
Au cas où ces champs terminaux ne seraient pas suffisamment faibles pour empêcheer la formation de calottes résonantes au niveau de l'injection de la haute fréquence, on peut utiliser des aimants terminaux 31 des barreaux 16 ayant des performance magnétiques inférieures à celles des barreaux 30 constituant ces mêmes barreaux 16 et éventuellement des performances inférieures à celles des aimants 32 des barreaux 18. Ceci peut être réalisé en utilisant des aimants terminaux 31 réalisés en SmCo₅ et des aimants 30 et 32 réalisés en Pr-Fe-B et/ou en utilisant des aimants 31 plus courts que les aimants 30 et 32 et/ou en intercalant une cale non magnétique entre les aimants 31 et l'enceinte 2, comme décrit ci-dessus.In the event that these terminal fields are not sufficiently weak to prevent the formation of resonant caps at the level of the injection of the high frequency,
La description donnée précédemment n'a bien entendu été donnée qu'à titre illustratif, toute modification, sans pour autant sortir du cadre de l'invention, pouvant être envisagée.The description given above has of course only been given by way of illustration, any modification, without departing from the scope of the invention, which can be envisaged.
En particulier, les moyens permettant d'engendrer les champs magnétiques locaux radiaux peuvent être différents à condition que ceux-ci se présentent sous la forme d'une structure magnétique, distribuée autour de l'axe longitudinal de l'enceinte, engendrant à son extrémité située en regard de l'injection de la haute fréquence des champs magnétiques locaux inférieurs à ceux du restant de la structure magnétique. Cette structure magnétique pourrait notamment être réalisée à l'aide de barres cylindriques, disposées parallèlement les unes aux autres selon l'axe de l'enceinte et se trouvant dans un état supraconducteur (voir brevet US-A-4 417 178).In particular, the means making it possible to generate the local radial magnetic fields can be different provided that these are in the form of a magnetic structure, distributed around the longitudinal axis of the enclosure, generating at its end located opposite the high frequency injection of local magnetic fields lower than the rest of the magnetic structure. This magnetic structure could in particular be produced using cylindrical bars, arranged parallel to one another along the axis of the enclosure and being in a superconductive state (see US-A-4,417,178).
Par ailleurs, le champ magnétique à symétrie axiale pourrait être produit par des ferrites à la place des deux bobines entourant l'enceinte. Ce champ pourrait aussi être orienté de l'orifice d'extraction vers le dispositif d'injection de la haute fréquence. Dans ce cas, ce sont les aimants terminaux des barreaux 18 qui devront présenter les performances magnétiques les plus faibles.Furthermore, the magnetic field with axial symmetry could be produced by ferrites in place of the two coils surrounding the enclosure. This field could also be oriented from the extraction orifice to the high frequency injection device. In this case, it is the terminal magnets of the
De même, l'enceinte peut présenter une autre forme qu'une forme cylindrique, par exemple une forme parallélépipédique ou polygonale.Likewise, the enclosure may have a shape other than a cylindrical shape, for example a rectangular or polygonal shape.
La source d'ions selon l'invention permet d'obtenir en particulier des faisceaux d'ions fortement chargés de gaz rares, comme par exemple des faisceaux d'ions de Ne⁺¹⁰, de Ar⁺¹³, de Xe⁺³³ ainsi que des ions de C⁺⁶, N⁺⁷, etc...The ion source according to the invention makes it possible in particular to obtain ion beams highly charged with rare gases, such as for example ion beams of Ne⁺¹⁰, Ar⁺¹³, Xe⁺³³ as well as ions of C⁺⁶, N⁺⁷, etc ...
Claims (8)
- une enceinte fermée (2) ayant un axe longitudinal (4), une première (3) et une seconde (5) extrémités orientées selon cet axe, cette enceinte (2) contenant un gaz destiné à former un plasma confiné dans ladite enceinte,
- un dispositif (6, 8) pour injecter à la première extrémité (3) de l'enceinte un champ électromagnétique de haute fréquence,
- des moyens (12, 14) pour engendrer dans l'enceinte un champ magnétique à symétrie axiale définissant une première polarité (N) à la première extrémité de l'enceinte et une seconde polarité (S) à la seconde extrémité (3) de l'enceinte,
- une structure magnétique (16, 18, 36, 39) distribuée autour de l'axe (4) et formée de plusieurs couches empilées selon ledit axe, chaque couche engendrant des champs magnétiques locaux radiaux (20), la couche terminale située en regard de la première extrémité (3) de l'enceinte engendrant un champ magnétique local inférieur à ceux engendrés par les autres couches, et
- un système (24, 26) pour extraire de l'enceinte les ions, ce système étant situé à la seconde extrémité.1. Ion source with electronic cyclotron resonance, characterized in that it comprises:
- a closed enclosure (2) having a longitudinal axis (4), a first (3) and a second (5) ends oriented along this axis, this enclosure (2) containing a gas intended to form a plasma confined in said enclosure,
- a device (6, 8) for injecting a high frequency electromagnetic field at the first end (3) of the enclosure,
- Means (12, 14) for generating in the enclosure a magnetic field with axial symmetry defining a first polarity (N) at the first end of the enclosure and a second polarity (S) at the second end (3) of the enclosure,
- a magnetic structure (16, 18, 36, 39) distributed around the axis (4) and formed of several layers stacked along said axis, each layer generating local radial magnetic fields (20), the terminal layer located opposite the first end (3) of the enclosure generating a local magnetic field lower than those generated by the other layers, and
- a system (24, 26) for extracting the ions from the enclosure, this system being located at the second end.
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