EP0241362B1 - Dispositif et notamment duoplasmatron utilisable pour ioniser un gaz et procédé d'utilisation de ce dispositif - Google Patents

Dispositif et notamment duoplasmatron utilisable pour ioniser un gaz et procédé d'utilisation de ce dispositif Download PDF

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EP0241362B1
EP0241362B1 EP87400738A EP87400738A EP0241362B1 EP 0241362 B1 EP0241362 B1 EP 0241362B1 EP 87400738 A EP87400738 A EP 87400738A EP 87400738 A EP87400738 A EP 87400738A EP 0241362 B1 EP0241362 B1 EP 0241362B1
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EP
European Patent Office
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cathode
electrodes
gas
filament
anode
Prior art date
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EP87400738A
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German (de)
English (en)
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EP0241362A1 (fr
Inventor
Bruno Blanchard
Pierre Juliet
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/022—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/08—Ion sources; Ion guns using arc discharge
    • H01J27/10—Duoplasmatrons ; Duopigatrons

Definitions

  • the present invention relates to a device usable for ionizing a gas and comprising a cathode serving as a hot or cold cathode and a method of using this device.
  • the invention applies to all devices used in particular for ionizing a gas such as electric arcs, unoplasmatrons and duoplamatrons.
  • a gas such as electric arcs, unoplasmatrons and duoplamatrons.
  • the invention will be described from a duoplasmatron used for example in surface analysis apparatus as an ion source for abrading samples.
  • a duoplasmatron comprises either a cold cathode or a hot cathode.
  • Figure 1 shows schematically in longitudinal section a duoplasmatron with cold cathode of known type.
  • This duoplasmatron comprises a hollow cathode 1 of cylindrical shape, the upper part of which is mounted on a generally conductive support 2, an intermediate electrode 3 surrounding the cathode 1 and comprising in its lower part an opening 4 and an anode 5 surrounding the intermediate electrode 3 , provided opposite the opening 4 of this electrode, with an opening 6 of divergent shape towards the outside.
  • the cathode 1 is made of nickel and the intermediate electrode 3 and the anode 5 are made of soft iron.
  • the cathode 1 mounted on the support 2, the intermediate electrode 3 and the anode 5 are electrically isolated. These three elements are arranged one inside the other so as to define three chambers 11, 13, 15 communicating with each other, seals 8, 9 ensuring the tightness of these chambers with the outside.
  • the chamber 11 is defined by the internal cylindrical walls of the cathode, the chamber 13 by the space provided between the cathode 1 and the intermediate electrode 3 and the chamber 15 by the space defined between the intermediate electrode 3 and the anode 5.
  • a magnetic coil 21 surrounds the chambers 11, 13, 15; this coil is located around the upper part of the anode 5 and rests on both the lower part of the anode 5 and the upper part of the intermediate electrode 3.
  • a voltage generator 23 connected for example to the lower part of the anode 5 and to the conductive support 2 of the cathode 1 makes it possible to apply a potential difference Va-Vc of the order of 300 to 500 volts between the anode and the cathode, Va represents the voltage applied to the anode and Vc the voltage applied to the cathode.
  • This voltage Vi can also be obtained from the voltage generator 23 via a divider bridge connected to the intermediate electrode and to the voltage generator 23. In this case, the generator 25 is omitted.
  • Means for making the vacuum ensure the evacuation for example by the opening 6 of any gas present in the chambers 11, 13 and 15 before the introduction of the gas to be ionized into the duoplasmatron .
  • the gas to be ionized is stored for example in a bottle 16 connected by a pipe 17 to the support 2 of the cathode 1, said support comprising a passage 10 connected to the chamber 11. Opening and closing means such as a valve 17 ′ arranged for example on the pipe 17, makes it possible to introduce a regulated flow of gas into the duoplasmatron, from the bottle 16.
  • gas is introduced into the duoplasmatron by opening the valve 17 '.
  • the gas will circulate in the chamber 11 where it will be ionized by the electrons emitted by the cathode 1 on which the potential Vc is applied.
  • a plasma of ions and electrons is then formed which will be entrained towards the intermediate electrode 3, by the electric field 1 induced by the potential difference Vi-Vc between the cathode 1 and the electrode 3.
  • This plasma will pass through the opening 4 driven by an electric field 2 induced by the potential difference Va-Vi between the electrode 3 and the anode 5 as well as by a magnetic field between the electrode 3 and the anode 5.
  • This field circulates in a closed loop between the magnetic coil 21, the intermediate electrode 3 on which the coil rests, the part of the chamber 15 defined between the lower part of the intermediate electrode 3 and the upper part of the anode 5 and finally the anode 5 on which also rests the magnetic coil.
  • the plasma is therefore confined by the electric field 2 and the magnetic field between the intermediate electrode 3 and the anode 5. This plasma then passes through the opening 6 formed in the anode 5, driven by an electric field 3 induced by the potential difference between the anode and the surface 20 to be abraded generally to ground.
  • this duoplasmatron To operate as a hot cathode, this duoplasmatron must be dismantled to replace the cylindrical cathode 1 by a filament wound in a helix following a cylinder whose axis is perpendicular to the direction of the gas flow.
  • This filament is connected by each of its ends to a separate conductive tab mounted on the support 2, the gas to be ionized passing between these tabs and through the filament.
  • voltages Vc, Va and Vi are applied respectively to the support 2, to the anode 5 and to the intermediate electrode 3. Furthermore, a voltage Vs is applied between the two ends of the filament by a voltage generator; this voltage Vs allows the circulation of a current in the filament and consequently the heating of the filament by Joule effect.
  • the electronic emission is produced in particular by the bombardment of this one by the ions and electrons of the plasma; this emission therefore depends on the conditions prevailing in the duoplasmatron such as pressure, electric fields and the nature of the gas.
  • the electronic emission of a hot cathode due to the heating of the filament, is determined in particular by its temperature and therefore by the intensity of the current 1 which it is easy to regulate.
  • the hot cathode therefore allows a more stable electronic emission, the intensity of which can generally be adjusted greater than that provided by a cold cathode. Therefore, in operation in hot cathode, a potential difference Va-Vc of the order of a few tens of volts is sufficient.
  • a cold cathode or a hot cathode is used with reactive gases such as oxygen which would attack a filament (hot cathode), on the other hand, for inert gases such as argon, xenon, etc., it is more advantageous to use a hot cathode.
  • the hot cathode allows operation of the duoplasmatron with a lower pressure of the order of 10- 4 Pa and gives, because the electronic emission serving to ionize the gas is more stable, better stability of the current. ions extracted.
  • duoplasmatron With a duoplasmatron of known type, to pass from an operation in hot cathode to an operation in cold cathode, it is necessary to disassemble the duoplasmatron, which means in particular the stop of the use of the duoplasmatron and the rupture of the vacuum.
  • the object of the present invention is precisely to remedy these drawbacks by providing a device which can be used to ionize a gas operating as a cold cathode or a hot cathode without dismantling the device.
  • the invention relates to a device usable for ionizing a gas comprising a cathode and an opposite anode, the gas to be ionized successively passing through the cathode and the anode, characterized in that the cathode is formed of a first and a second facing electrodes, the gas to be ionized passing between said electrodes and a conductive filament connected by a first end to the first electrode and by a second end to the second electrode and located between said electrodes.
  • the first and second electrodes are half-cylinders arranged opposite so as to form a split cylinder according to two opposite generatrices and the filament is connected to the outlet ends of the gas to be ionized from the first and second electrodes.
  • the filament is wound in a helix along a cone, the axis of which coincides with the longitudinal axis of the cylinder created by the first and second electrodes, the gas to be ionized passing through this cone from its top.
  • This cone has an angle at the top ranging for example from 7 to 15 °.
  • the first and second electrodes are made of titanium and the filament is of tantalum.
  • the invention also relates to a duoplasmatron comprising a device as described above.
  • the invention also relates to a method of using the device which can be used to ionize a gas, this method is characterized in that this device operating as a cold cathode, a potential difference is applied between the anode and the first and second electrodes .
  • a first potential difference is applied between the anode and the first and second electrodes, and a second potential difference is applied between the first and second ends of the filament.
  • the cathode 30 shown in FIG. 2 is made up of two opposite electrodes 31, 33 and a conductive filament 35 connected by one of its ends 32 to the electrode 31 and by its other end 34 to the electrode 33.
  • the two electrodes 31 and 33 are respectively constituted by a half-cylinder opposite one another so as to form a split cylinder according to two opposite generatrices, the gas to be ionized passing through this cylinder.
  • This cylinder has for example a diameter of 40 mm and a length of 70 mm.
  • the filament 35 is wound in a helix (see FIG. 3) along a cone with an angle at the apex comprised between values of the order of 7 to 15 ° and a length for example of 15 mm. This filament is located at the gas outlet ends of the first and second electrodes and it is traversed by the gas from the top of the cone that it forms.
  • the two electrodes are preferably made of titanium.
  • titanium makes it possible to obtain a purer ion beam than the nickel used in the prior art.
  • the filament is advantageously in tantalum, the latter having a lifetime of 5 to 10 times longer than that of a tungsten filament used under the same conditions.
  • the wear of the filament is essentially due to sputtering, or the sputtering of tungsten is greater than that of tantalum.
  • the resistivity of tantalum being greater than that of tungsten, a filament with a diameter of approximately 0.7 mm is used instead of 0.5 mm for a tungsten filament of the prior art.
  • the axis of the cone formed by the filament coincides with the longitudinal axis of the cylinder created by the two electrodes 31, 33; this particular arrangement also makes it possible to increase the life of the filament by a factor of the order of 4 to 5.
  • the lifetime of the filament exceeds one month.
  • a voltage generator 37 and a switch 39 in series are connected between the two ends of the filament.
  • this cathode 30 in a duoplasmatron, it is mounted on the support 2 of FIG. 1 in place of the cathode 1.
  • the lower part of the electrodes 31 and 33 being connected to the filament 35.
  • the first and second electrodes and the support are preferably made in a single piece but of course the first and second electrodes can also be attached to the support.
  • This support is also advantageously made of titanium.
  • a potential difference Va-Vc is applied between the electrodes 31 and 33 and the anode 5 by the voltage generator 23 and a voltage Vi is applied as previously to the intermediate electrode 3.
  • the duoplasmatron When the switch 39 is closed, a voltage Vs is applied to the ends of the filament by the generator 37.
  • Vs a voltage applied to the ends of the filament by the generator 37.
  • the duoplasmatron operates as a hot cathode. Indeed, the filament traversed by a current gives off heat by the Joule effect. This filament then emits electrons which will ionize gas atoms. The ions formed will be confined as described above in electric and magnetic fields before being extracted from the duoplasmatron.
  • the potential difference Va-Vc applied between the first and second electrodes and the anode is of the order of a few tens of volts, the voltage Vs applied between the two ends of the filament is of the order of some 0.1 volts and the current flowing in the filament is of the order of a few amperes.
  • the electrons are mainly emitted by the filament.
  • the quantity of electrons emitted by the first and second electrodes is very small due to the small potential difference Va-Vc.
  • the duoplasmatron When the switch 39 is open, the voltage applied to the filament 35 is zero, no current flows in the filament: the duoplasmatron operates as a cold cathode. In this case, so that the first and second electrodes emit enough electrons to ionize the gas, a different potential Va-Vc of the order of 300 to 500 volts is applied between the anode and the first and second electrodes .
  • cathode according to the invention serving as a cold cathode or a hot cathode in a duoplasmatron, but of course, the invention applies to all ion sources using a cold or hot cathode .

Description

  • La présente invention concerne un dispositif utilisable pour ioniser un gaz et comprenant une cathode servant de cathode chaude ou froide ainsi qu'un procédé d'utilisation de ce dispositif.
  • L'invention s'applique à tous les dispositifs utilisés en particulier pour ioniser un gaz tel que les arcs électriques, les unoplasmatrons et les duopla- smatrons. Pour plus de clarté dans la description, on décrira l'invention à partir d'un duoplasmatron utilisé par exemple dans des appareils d'analyse de surface comme source d'ions pour abraser des échantillons.
  • De façon connue, un duoplasmatron comprend soit une cathode froide, soit une cathode chaude.
  • La figure 1 représente schématiquement en coupe longitudinale un duoplasmatron à cathode froide de type connu.
  • Ce duoplasmatron comprend une cathode creuse 1 de forme cylindrique dont la partie supérieure est montée sur un support 2 généralement conducteur, une électrode intermédiaire 3 entourant la cathode 1 et comportant dans sa partie inférieure une ouverture 4 et une anode 5 entourant l'électrode intermédiaire 3, munie en regard de l'ouverture 4 de cette électrode, d'une ouverture 6 de forme divergente vers l'extérieur.
  • Généralement, la cathode 1 est en nickel et l'électrode intermédiaire 3 et l'anode 5 sont en fer doux.
  • Les termes de "partie supérieure " et "partie inférieure" de chaque élément sont définies dans ce texte par rapport au sens de déplacement du gaz à ioniser à travers le duoplasmatron.
  • La cathode 1 montée sur le support 2, l'électrode intermédiaire 3 et l'anode 5 sont isolées électriquement. Ces trois éléments sont agencés les uns dans les autres de façon à définir trois chambres 11, 13, 15 communiquant entre elles, des joints 8, 9 assurant l'étanchéité de ces chambres avec l'extérieur. La chambre 11 est définie par les parois cylindriques internes de la cathode, la chambre 13 par l'espace ménagé entre la cathode 1 et l'électrode intermédiaire 3 et la chambre 15 par l'espace défini entre l'électrode intermédiaire 3 et l'anode 5.
  • D'autre part, une bobine magnétique 21 entoure les chambres 11, 13, 15 ; cette bobine est située autour de la partie supérieure de l'anode 5 et repose à la fois sur la partie inférieure de l'anode 5 et la partie supérieure de l'électrode intermédiaire 3.
  • Par ailleurs, un générateur de tension 23 relié par exemple à la partie inférieure de l'anode 5 et au support conducteur 2 de la cathode 1 permet d'appliquer une différence de potentiel Va-Vc de l'ordre de 300 à 500 volts entre l'anode et la cathode, Va représente la tension appliquée à l'anode et Vc la tension appliquée à la cathode. De plus, un générateur de tension 25 est relié à l'électrode intermédiaire, par exemple à la partie supérieure de cette électrode et à une masse. Ce générateur de tension 25 permet d'appliquer une tension Vi à l'électrode intermédiaire, cette tension Vi est généralement telle que Vi = (Va-Vc)/2. Cette tension Vi peut être obtenue également à partir du générateur de tension 23 par l'intermédiaire d'un pont diviseur relié à l'électrode intermédiaire et au générateur de tension 23. Dans ce ces, le générateur 25 est supprimé.
  • Des moyens pour faire le vide non représentés tels qu'une pompe à vide, assurent l'évacuation par exemple par l'ouverture 6 de tout gaz présent dans les chambres 11, 13 et 15 avant l'introduction du gaz à ioniser dans le duoplasmatron.
  • Le gaz à ioniser est stocké par exemple dans une bouteille 16 reliée par une canalisation 17 au support 2 de la cathode 1, ledit support comportant un passage 10 relié à la chambre 11. Des moyens d'ouverture et de fermeture tels qu'une vanne 17' disposée par exemple sur la canalisation 17, permet d'introduire un débit régulé de gaz dans le duoplasmatron, à partir de la bouteille 16.
  • Le reste de la description permet de comprendre le fonctionnement du duoplasmatron à cathode froide.
  • Après réalisation du vide dans les chambres 11, 13 et 15, on introduit du gaz dans le duoplasmatron en ouvrant la vanne 17'. Le gaz va circuler dans la chambre 11 où il va être ionisé par tes électrons émis par la cathode 1 sur laquelle le potentiel Vc est appliqué. Il se forme alors un plasma d'ions et d'électrons qui va être entraîné vers l'électrode intermédiaire 3, par le champ électrique 1 induit par la différence de potentiel Vi-Vc entre la cathode 1 et l'électrode 3. Ce plasma va traverser l'ouverture 4 entraîné par un champ électrique 2 induit par la différence de potentiel Va-Vi entre l'électrode 3 et l'anode 5 ainsi que par un champ magnétique entre l'électrode 3 et l'anode 5.
  • Ce champ circule en boucle fermée entre la bobine magnétique 21, l'électrode intermédiaire 3 sur laquelle repose la bobine, la partie de la chambre 15 définie entre la partie inférieure de l'électrode intermédiaire 3 et la partie supérieure de l'anode 5 et enfin l'anode 5 sur laquelle repose également la bobine magnétique.
  • Le plasma est donc confiné par le champ électrique 2 et le champ magnétique entre l'électrode intermédiaire 3 et l'anode 5. Ce plasma passe ensuite par l'ouverture 6 ménagée dans l'anode 5, entraîné par un champ électrique 3 induit par la différence de potentiel entre l'anode et la surface 20 à abraser généralement à la masse.
  • Ces champs électriques et magnétique 1,
  • 2, 3 et ont la même direction et le même sens que le flux gazeux.
  • Pour fonctionner en cathode chaude, ce duoplasmatron doit être démonté pour remplacer la cathode cylindrique 1 par un filament enroulé en hélice suivant un cylindre dont l'axe est perpendiculaire à la direction du flux gazeux. Ce filament est relié par chacune de ses extrémités à une patte conductrice distincte montée sur le support 2, le gaz à ioniser passant entre ces pattes et à travers le filament.
  • Comme précédemment, des tensions Vc, Va et Vi sont appliquées respectivement au support 2, à l'anode 5 et à l'électrode intermédiaire 3. Par ailleurs, une tension Vs est appliquée entre les deux extrémités du filament par un générateur de tension ; cette tension Vs permet la circulation d'un courant dans le filament et par conséquent l'échauffement du filament par effet Joule.
  • Pour une cathode froide, l'émission électronique est produite notamment par le bombardement de celle-ci par les ions et électrons du plasma ; cette émission dépend donc des conditions qui règnent dans le duoplasmatron telles que la pression, les champs électriques et la nature du gaz. L'émission électronique d'une cathode chaude, due à l'échauffement du filament, est déterminée en particulier par sa température et donc par l'intensité du courant 1 qu'il est facile de réguler. La cathode chaude permet donc une émission électronique plus stable dont on peut régler l'intensite généralement plus importante que celle fournie par une cathode froide. De ce fait, en fonctionnement en cathode chaude, une différence de potentiel Va-Vc de l'ordre de quelques dizaines de volts est suffisante.
  • Suivant le type de gaz à ioniser, il est plus intéressant d'utiliser une cathode froide ou une cathode chaude. La cathode froide est employée avec des gaz réactifs tels que l'oxygène qui attaquerait un filament (cathode chaude), en revanche, pour des gaz inertes tels que l'argon, le xénon, etc., il est plus intéressant d'utiliser une cathode chaude. En effet, la cathode chaude permet un fonctionnement du duoplasmatron avec une pression moindre de l'ordre de 10-4 Pa et donne, du fait que l'émission électronique servant à ioniser le gaz est plus stable, une meilleure stabilité du courant d'ions extrait.
  • Avec un duoplasmatron de type connu, pour passer d'un fonctionnement en cathode chaude à un fonctionnement en cathode froide, il faut démonter le duoplasmatron, ce qui signifie en particulier l'arrêt de l'utilisation du duoplasmatron et la rupture du vide.
  • La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients en réalisant un dispositif utilisable pour ioniser un gaz fonctionnant en cathode froide ou en cathode chaude sans démontage du dispositif.
  • De façon plus précise, l'invention a pour objet un dispositif utilisable pour ioniser un gaz comprenant une cathode et une anode en regard, le gaz à ioniser traversant successivement la cathode et l'anode, caractérisé en ce que la cathode est formée d'une première et d'une deuxième électrodes en regard, le gaz à ioniser passant entre lesdites électrodes et d'un filament conducteur relié par une première extrémité à la première électrode et par une deuxième extrémité à la deuxième électrode et situé entre lesdites électrodes.
  • De façon avantageuse, les première et deuxième électrodes sont des demi-cylindres disposés en regard de façon à former un cylindre fendu selon deux génératrices opposées et le filament est relié aux extrémités de sortie du gaz à ioniser des première et deuxième électrodes.
  • De préférence, le filament est enroulé en hélice suivant un cône dont l'axe est confondu avec l'axe longitudinal du cylindre créé par les première et deuxième électrodes, le gaz à ioniser parcourant ce cône à partir de son sommet. Ce cône a un angle au sommet allant par exemple de 7 à 15°.
  • Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, les première et deuxième électrodes sont en titane et le filament est en tantale.
  • L'invention a aussi pour objet un duoplasmatron comportant un dispositif tel que décrit précédemment.
  • L'invention a également pour objet un procédé d'utilisation du dispositif utilisable pour ioniser un gaz, ce procédé est caractérisé en ce que ce dispositif fonctionnant en cathode froide, une différence de potentiel est appliquée entre l'anode et les première et deuxième électrodes.
  • Selon une variante du procédé d'utilisation du dispositif utilisable pour ioniser un gaz, celui-ci fonctionnant en cathode chaude, une première différence de potentiel est appliquée entre l'anode et les première et deuxième électrodes, et une deuxième différence de potentiel est appliquée entre les première et deuxième extrémités du filament.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et non limitatif en référence aux figures annexées dans lesquelles :
    • - la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement en coupe longitudinale un duoplasmatron à cathode froide de type connu,
    • - la figure 2 représente schématiquement une cathode conforme à l'invention utilisable en cathode chaude ou en cathode froide, et
    • - la figure 3 représente le filament de la cathode conforme à l'invention enroulée en hélice suivant un cône.
  • La cathode 30 représentée figure 2 est constituée de deux électrodes 31, 33 en regard et d'un filament conducteur 35 relié par une de ses extrémités 32 à l'électrode 31 et par son autre extrémité 34 à l'électrode 33.
  • Les deux électrodes 31 et 33 sont constituées respectivement par un demi-cylindre en regard l'un de l'autre de façon à former un cylindre fendu selon deux génératrices opposées, le gaz à ioniser traversant ce cylindre. Ce cylindre a par exemple un diamètre de 40 mm et une longueur de 70 mm.
  • Le filament 35 est enroulé en hélice (voir figure 3) suivant un cône d'angle au sommet compris entre des valeurs de l'ordre de 7 à 15° et une longueur par exemple de 15 mm. Ce filament est situé aux extrémités de sortie du gaz des première et deuxième électrodes et il est parcouru par le gaz à partir du sommet du cône qu'il forme.
  • Les deux électrodes sont de préférence en titane. En effet, le titane permet d'obtenir un faisceau d'ions plus pur que le nickel employé dans l'art antérieur.
  • D'autre part, le filament est de façon avantageuse en tantale, celui-ci ayant une durée de vie de 5 à 10 fois supérieure à celle d'un filament en tungstène employé dans les mêmes conditions. En effet, l'usure du filament est essentiellement due à la pulvérisation cathodique, or la pulvérisation cathodique du tungstène est supérieure à celle du tantale. Par ailleurs, la résistivité du tantale étant supérieure à celle du tungstène, on utilise un filament de diamètre environ 0,7 mm au lieu de 0,5 mm pour un filament en tungstène de l'art antérieur.
  • L'axe du cône constitué par le filament est confondu avec l'axe longitudinal du cylindre créé par les deux électrodes 31, 33 ; cette disposition particulière permet d'augmenter également la durée de vie du filament d'un facteur de l'ordre de 4 à 5.
  • Ainsi, par exemple, pour un filament en tantale parcouru par du xénon qui est un gaz ayant un fort taux de pulvérisation la durée de vie du filament dépasse un mois.
  • D'autre part, un générateur de tension 37 et un interrupteur 39 en série sont connectés entre les deux extrémités du filament.
  • Dans le cas de l'utilisation de cette cathode 30 dans un duoplasmatron, elle est montée sur le support 2 de la figure 1 à la place de la cathode 1. La partie inférieure des électrodes 31 et 33 étant reliée au filament 35.
  • Les première et deuxième électrodes et le support sont réalisés de préférence en une pièce unique mais bien entendu les première et deuxième électrodes peuvent être également rapportées sur le support. Ce support est de façon avantageuse également en titane.
  • Une différence de potentiel Va-Vc est appliquée entre les électrodes 31 et 33 et l'anode 5 par le générateur de tension 23 et une tension Vi est appliquée comme précédemment à l'électrode intermédiaire 3.
  • Lorsque l'interrupteur 39 est fermé, une tension Vs est appliquée aux extrémités du filament par le générateur 37. Dans ce cas, le duoplasmatron fonctionne en cathode chaude. En effet, le filament parcouru par un courant dégage de la chaleur par effet Joule. Ce filament émet alors des électrons qui vont ioniser des atomes de gaz. Les ions formés vont être confinés comme décrit précédemment dans des champs électriques et magnétique avant d'être extraits du duoplasmatron.
  • La différence de potentiel Va-Vc appliquée entre les première et deuxième électrodes et l'anode est de l'ordre de quelques dizaines de volts, la tension Vs appliquée entre les deux extrémités du filament est de l'ordre de quelque 0,1 volt et le courant circulant dans le filament est de l'ordre de quelques Ampères.
  • En fonctionnement en cathode chaude, les électrons sont émis essentiellement par le filament. La quantité d'électrons émis par la première et la deuxième électrodes est très faible du fait de la différence de potentiel Va-Vc faible.
  • Lorsque l'interrupteur 39 est ouvert, la tension appliquée au filament 35 est nulle, aucun courant ne circule dans le filament : le duoplasmatron fonctionne en cathode froide. Dans ce cas, pour que les première et deuxième électrodes émettent suffisamment d'électrons pour ioniser le gaz, une différente de potentiel Va-Vc de l'ordre de 300 à 500 volts est appliquée entre l'anode et la première et la deuxième électrodes.
  • On a décrit l'utilisation d'une cathode conforme à l'invention servant de cathode froide ou de cathode chaude dans un duoplasmatron, mais bien entendu, l'invention s'applique à toutes les sources d'ions utilisant une cathode froide ou chaude.
  • Par ailleurs, les dispositifs électriques associés au duoplasmatron et en particulier à la cathode conforme à l'invention décrits précédemment sont très simplifiés, d'autres dispositifs plus complexes peuvent être utilisés sans sortir du cadre de l'invention tel que défini dans la revendications.

Claims (9)

1. Dispositif utilisable pour ioniser un gaz comprenant une cathode (30) et une anode (5) en regard, le gaz à ioniser traversant successivement la cathode et l'anode, caractérisé en ce que la cathode (30) est formée d'une première et d'une deuxième électrodes (31, 33) qui sont des demi-cylindres disposés en regard de façon à former un cylindre fendu selon deux de ses génératrices opposées, le gaz à ioniser passant entre lesdites électrodes selon une direction essentiellement parallèle à l'axe du cylindre, et d'un filament conducteur (35) relié par une première extrémité (32) à la première électrode (31) et par une deuxième extrémité (34) à la deuxième électrode (33) et situé entre lesdites électrodes, et en ce que le dispositif comprend :
- une première source de tension (23) reliée d'une part à l'anode (5) et d'autre part aux première et deuxième électrodes (31, 33) de la cathode (30);
- une deuxième source de tension (37) reliée par un interrupteur (39) aux première et deuxième électrodes (31, 33).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filament (35) est relié aux extrémités de sortie du gaz à ioniser des première et deuxième électrodes (31, 33).
3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le filament (35) est enroulé en hélice suivant un cône dont l'axe est confondu avec l'axe du cylindre, le gaz à ioniser parcourant ce cône à partir de son sommet.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le cône a un angle au sommet allant de 7 à 15°.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les première et deuxième électrodes (31, 33) sont en titane.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le filament (35) est en tantale.
7. Duoplasmatron caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
8. Procédé d'utilisation du dispositif utilisable pour ioniser un gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif fonctionnant en cathode froide, une différence de potentiel est appliquée entre l'anode (5) d'une part et les première et deuxième électrodes (31, 33) d'autre part.
9. Procédé d'utilisation du dispositif utilisable pour ioniser un gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif fonctionnant en cathode chaude, une première différence de potentiel est appliquée entre l'anode d'une part et les première et deuxième électrodes (31, 33) d'autre part, et une deuxième différence de potentiel est appliquée entre la première et la deuxième extrémités du filament (32, 34).
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