EP0527082A1 - Wave guide-type electron cyclotron resonance ion source producing multicharged ions - Google Patents

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EP0527082A1
EP0527082A1 EP92402219A EP92402219A EP0527082A1 EP 0527082 A1 EP0527082 A1 EP 0527082A1 EP 92402219 A EP92402219 A EP 92402219A EP 92402219 A EP92402219 A EP 92402219A EP 0527082 A1 EP0527082 A1 EP 0527082A1
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EP
European Patent Office
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enclosure
ion source
axis
source according
magnets
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Application number
EP92402219A
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German (de)
French (fr)
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EP0527082B1 (en
Inventor
Pascal Sortais
Patrick Leherissier
Jean-Yves Pacquet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Publication date
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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
    • H01J27/16—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 electron cyclotron resonance (ECR) ion source specially designed for the production of positive multi-charged ions. It finds many applications, depending on the different values of the kinetic energy of the extracted ions and their charges, in the field of ion implantation, microgravure and more particularly in the equipment of particle accelerators, also used both scientific and medical.
  • ECR electron cyclotron resonance
  • a source of multicharged ions is called a source whose current produced by the ions once charged is greater than that produced by ions at least twice charged.
  • the ions are obtained by ionization of a gaseous medium consisting of one or more gases or metallic vapors, contained in a sealed enclosure with axial symmetry, by means of a plasma of electrons strongly accelerated by electronic cyclotron resonance.
  • the residual pressure prevailing in the enclosure is of the order of 10 ⁇ 4 to 10 ⁇ 2 Pa.
  • Cyclotronic resonance is obtained thanks to the combined action of a high frequency electromagnetic field (UHF), injected into the enclosure, and of an axially symmetrical magnetic field having a structure called "minimum”
  • UHF high frequency electromagnetic field
  • An ion extraction system located on the side of the enclosure opposite to that of the high frequency injection, is provided.
  • the axial magnetic field is created either by coils or by permanent magnets surrounding the sealed enclosure.
  • 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 gaseous medium to be ionized, and on the other hand, the losses of these same ions by recombination due to a collision of these ions with a neutral atom of the gaseous medium not yet ionized or else by diffusion to the walls of the enclosure.
  • the sources of multicharged ions known to date include a confinement enclosure of transverse dimension (measured perpendicular to the longitudinal axis of the enclosure) significantly larger than that of the conduit through which the electromagnetic power is injected (3 to 5 times greater in the ECR source of document EP-A-0 238 397). Under these conditions, the enclosure behaves like a multimode resonant cavity, favoring the uniform filling of the electromagnetic power in the volume useful for the ionization of the gaseous medium and thus allowing efficient heating of the plasma.
  • the frequency f of the electromagnetic wave intended for the creation of the plasma must be of the order of magnitude of the cut-off frequency associated with the electronic density n e of the plasma; this cutoff frequency is given by the equation n e .e2 / m. ⁇ o , where m and e have the previous meanings and ⁇ o represents the dielectric permittivity of the vacuum.
  • n e In the case of a plasma intended to create multicharged ions, the electron density n e must be as high as possible, hence the choice of the highest possible electromagnetic frequency f , compatible with current microwave technology: generally f is chosen from 10 to 14 GHz; the wavelength in the vacuum of these electromagnetic waves is of the order of 3 centimeters (rectangular guide of 10 ⁇ 22 mm for 8 to 12 GHz and of 7 ⁇ 14 mm for 12 to 18 GHz). This dimension defines the diameter or the section of the HF conduit which feeds the discharge.
  • plasma cord having a marked density in the vicinity of the axis with an almost cylindrical symmetry.
  • the characteristic dimension of this plasma is also of the order of a centimeter.
  • oversized confinement chambers implies either the use of coils to create the magnetic confinement field (axial field + radial field) and therefore the use of high electrical power taking into account the cooling system associated with these coils, ie the use of large quantities of permanent magnets making the source expensive and heavy.
  • the total size of the source varies as the cube of the diameter of the enclosure.
  • the subject of the invention is a new source of multicharged ions with electronic cyclotron resonance with sealed confinement enclosure of reduced dimensions, making it possible to remedy the various drawbacks mentioned above.
  • the introduction of the high frequency electromagnetic field can be ensured, either by a transition of the coaxial type, or by a direct injection, from a rectangular or circular waveguide in fundamental mode.
  • the enclosure has, according to its median plane, a section substantially equal to that of the waveguide ensuring the injection of the field electromagnetic in the enclosure.
  • the dimension of the plasma confinement enclosure is limited only by the smallest dimensions of the waveguide, rectangular or circular, associated with the electromagnetic frequency of the wave used.
  • the particular configuration of the magnets used in the invention allows, with small magnets, the production of high magnetic fields and therefore the production of multicharged ions. These magnets are notably highly coercive.
  • the means for creating the magnetic field with axial symmetry comprise first permanent magnets with axial symmetry, surrounding the enclosure, the magnetization of which is substantially perpendicular to the axis of the enclosure, these magnets being located at the first and second ends.
  • FIG. 1 there is shown schematically, in longitudinal section, a source of multicharged positive ions with electronic cyclotron resonance, according to the invention.
  • This ECR source comprises a non-resonant waveguide 2, constituting a containment vacuum enclosure, equipped with an axis of symmetry 4.
  • This enclosure may have a circular section or a square section.
  • the reference P indicates the median plane of the enclosure 2, perpendicular to the axis 4 and C indicates the middle of the enclosure (intersection of the plane P and the axis 4).
  • l the width or diameter of the guide 2; l is called, below, the characteristic dimension of the enclosure.
  • This enclosure also has an inlet end 6 and an outlet end 8, centered along the axis 4.
  • the waveguide 2 is excited by a high frequency electromagnetic field (HF or UHF) of frequency ⁇ 6GHz, injected at its end 6.
  • This high frequency field is produced by a source 10 such as a klystron, coupled to the confinement enclosure 2, via a transition cavity 12 comprising an opening 14, arranged in the extension of guide 2 and coaxially.
  • This opening 14 has a width (or diameter) substantially equal to that of the waveguide 2.
  • the transition cavity 12 has at its HF lateral inlet a sealed window 16 made of dielectric material.
  • the characteristic dimension l of the enclosure 2 is of the same order of magnitude as the wavelength.
  • l / ⁇ satisfies the equation 0.5 ⁇ l / ⁇ ⁇ 1.5 where ⁇ is the wavelength of the HF field used.
  • the injection of the high frequency into the enclosure 2 is carried out coaxially with the introduction of the gas or metallic vapor into the enclosure 2, intended to form the plasma.
  • the transition cavity 12 is crossed by a pipe 18 for supplying gas or vapor, centered on the axis 4 of the enclosure and opening downstream of the end 6 of the waveguide 2.
  • the guide 2 and the pipe 18 are metallic and define a coaxial line.
  • Plasma can consist of hydrogen, neon, xenon, argon, oxygen, tungsten, titanium, etc.
  • a vacuum pump not shown makes it possible to create in the enclosure 2 a vacuum of 10 ⁇ 4 to 102 Pa.
  • the vacuum pump is generally placed downstream of the outlet end 8 of the vacuum chamber 2.
  • the electromagnetic wave can be continuous or pulsed and have a frequency ranging from 6 to 30 GHz and typically equal to 10 GHz.
  • the confinement chamber 2 is brought to a positive potential with respect to ground, thanks to an electrical power source 18 and is surrounded by a magnetic structure 19, for example of symmetry of revolution when the enclosure 2 is cylindrical, intended to create the magnetic field in the guide enclosure 2.
  • a mechanical system 20 makes it possible to maintain this magnetic structure on the guide enclosure 2.
  • a shield 24 of cylindrical external shape and of frustoconical internal shape arranged coaxially with the waveguide 2 and in its extension; the internal diameter of this shield 24 widens from upstream to downstream of the source.
  • This shielding is made of soft iron core or permanent magnet.
  • the angle T formed by the internal wall of the shield 24 with a direction parallel to the axis 4 is approximately 20 °.
  • the shape of the shield 24 ensures the electrostatic isolation distance from the chamber 2 with the ion extraction electrode 28.
  • a cylindrical shell 26 made of material electrically insulating, serving as a support for an ion extraction electrode 28.
  • This electrode 28 has the shape of a cylinder and is arranged coxially to the waveguide 2. It is brought to the potential of the mass in order to accelerate the ions formed in the enclosure.
  • the magnetic structure 19 allows the creation, in the enclosure 2, of equimagnetic lines 30 closed.
  • the value of the induction B on these lines satisfies the resonance equation (1).
  • the induction B decreases from the center C to the periphery of the enclosure 2.
  • the magnetic structure 19 can consist solely of a system of highly coercive permanent magnets, juxtaposed surrounding the confinement enclosure 2. These magnets are made of FeNdB or SmCO5 (magnetic materials " hard ").
  • This magnetic structure as shown in Figures 1 and 3, has axial symmetry and constitutes an open magnetic circuit.
  • permanent magnets 32 and 34 with radial magnetization disposed respectively at the inlet and at the outlet of the chamber 2, make it possible to create therein the magnetic field of axial symmetry.
  • These magnets 32 and 34 are in the form of a cylindrical ring.
  • the input magnet 32 has its magnetization vector oriented so that its south pole is directed substantially towards the enclosure 2.
  • the output magnet 34 is such that its north pole is directed substantially towards the pregnant 2.
  • magnets 32 and 34 allow the creation of a magnetic field with axial symmetry having in the median plane P of the chamber 2 a minimum value in passing through maximum values at the magnets 32 and 34. These magnets 32 and 34 therefore define two magnetic mirrors.
  • Permanent magnets 36 and 38 surrounding the waveguide 2 are arranged so that their magnetization vector is oriented substantially from the inlet end 6 to the outlet end 8 of the enclosure. These magnets 36 and 38 have the shape of a ring and contribute with the magnets 32 and 34 to the creation of the magnetic field of axial symmetry in the enclosure 2. These magnets are used to magnetize the whole of the guide enclosure on a distance D1.
  • the annular opening 35 of length D2 separating the magnets 36 and 38 from the magnetic structure makes it possible to control the magnetic field of axial symmetry, in the median plane P of the enclosure 2.
  • the magnets with axial magnetization 36 and 38 are attached respectively to the magnets 32 and 34 and located between these magnets 32 and 34.
  • the internal radii R1 and R2 of the magnets 36 and 38 are greater than the internal radii R3 and R4 of the magnets 32 and 34.
  • Magnetized bars 40 and 42 are housed in the annular space defined between the guide enclosure 2 and the magnets 32, 34, 36 and 38. These magnets have a radial magnetization and define a multipole structure, for example quadrupole , hexapolar, octopolar or dodecapolar; the polarities of the magnets 40 and 42 are alternated. In particular, these bars are distant from R1 from axis 4.
  • These magnetic bars define in enclosure 2 the radial confinement field.
  • the maximum lengths L1 and L2 of the magnets 32 and 34 can be adapted to define a possible imbalance of the module of the magnetic field resulting between the input and the output 'of the source, unbalance to optimize the plasma leakage rate.
  • the field modulus at the entrance must therefore be stronger than at the exit.
  • L1 can be chosen greater than L2.
  • the same effect can also be achieved by optimizing the internal radii R1 and R2 of the annular magnets 32 and 34, by optimizing the external radii R3 and R4 of the magnets 32, 36 on the one hand and 34, 38 on the other hand as well as by optimization of the angles a1, b1, a2, b2 formed by the magnetization of the magnets 32, 36, 34 and 38 with the axis 4.
  • the distance R1 separating the axis 4 from the magnet 32 located at the entry end 6 is less than the distance R2 separating the axis from the magnet 34 located at the end 8 Release.
  • angles C1 and C2 that, with respect to a direction parallel to the axis 4, make the ends of the magnets 32 and 36 opposite on the one hand and the angles C3 and C4 that make, with respect to a direction parallel to axis 4, the ends of the magnets 34 and 38 opposite on the other hand, can be optimized so as to define an ideal magnetic circuit (continuity of the magnetic flux).
  • the magnets 34 and 32 of the invention make it possible to reduce the mass and the dimension of the magnets 38 and 36 significantly.
  • An ion source comprising a chamber 2 with an internal diameter l of 26mm and a length A of approximately 160mm has been produced. It was excited by a 10 GHz UHF field and a magnetic field whose induction B varied progressively from 0.3 T at the center C of the enclosure to 0.8 T at the side walls of enclosure 2.
  • FIGS. 4 to 6 With this source, multiple ion spectra given in FIGS. 4 to 6 were produced. These spectra give the intensity, expressed in microamperes, of the ion current I leaving the ion source as a function of the current in the analysis magnet, expressed in amperes; this current of analysis gives the ratio Q / A where Q is the charge of the ion and A its mass.
  • Figures 4 and 5 relate to argon and Figure 6 to tantalum.
  • This current is the image of the total current of multicharged ions contained in the spectrum. It can be seen that this has evolved in the ratio of the cross sections of the plasma chambers, ie in proportion to the volume of plasma which is contained therein.
  • the diameter of a source of the invention is, at the same electromagnetic frequency, about one third less than that of the prior art.
  • the source of the invention also allows, at equivalent extracted average load, an energy gain of the order of 40 KW to a few hundred Watts and moreover an implementation cost of 10 to 20 times lower than that of the sources. of the prior art.

Abstract

Waveguide-type electron cyclotron resonance ion source producing multicharged ions. This source comprises a leaktight enclosure (2) surrounding a gaseous medium capable of being ionised to form a plasma containing electrons accelerated by electron cyclotron resonance, this enclosure including a longitudinal axis (4), a first (6) and a second (8) end along this axis; means (12) of injecting an electromagnetic field of frequency greater than or equal to 6GHz into the enclosure, in the region of its first end, in order to ionise the gaseous medium; means (32, 34, 36, 38) for creating, in the enclosure, an axially symmetric magnetic field whose value of induction B is a minimum in a midplane of the enclosure, perpendicular to the axis; permanent magnets (40, 42, 44) for creating a radially symmetric magnetic field; an ion extraction system (28) situated in the region of the second end, and is characterised in that the enclosure is a waveguide having a width (l) along the midplane (P) such that 0.5 & l/g & 1.5 where g represents the wavelength of the electromagnetic field satisfying the resonance condition and in that the means for creating the axially symmetric field consist of permanent magnets. <IMAGE>

Description

La présente invention a pour objet une source d'ions à résonance cyclotronique électronique (ECR) spécialement conçue pour la production d'ions positifs multichargés. Elle trouve de nombreuses applications, en fonction des différentes valeurs de l'énergie cinétique des ions extraits et de leurs charges, 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 electron cyclotron resonance (ECR) ion source specially designed for the production of positive multi-charged ions. It finds many applications, depending on the different values of the kinetic energy of the extracted ions and their charges, in the field of ion implantation, microgravure and more particularly in the equipment of particle accelerators, also used both scientific and medical.

Dans le domaine des sources d'ions, on appelle source d'ions multichargés une source dont le courant produit par les ions une fois chargés est supérieur à celui produit par des ions au moins deux fois chargés.In the field of ion sources, a source of multicharged ions is called a source whose current produced by the ions once charged is greater than that produced by ions at least twice charged.

Dans les sources à résonance cylclotronique électronique, les ions sont obtenus par ionisation d'un milieu gazeux constitué d'un ou plusieurs gaz ou de vapeurs métalliques, contenu dans une enceinte étanche à symétrie axiale, au moyen d'un plasma d'électrons fortement accélérés par résonance cyclotronique électronique. La pression résiduelle régnant dans l'enceinte est de l'ordre de 10⁻⁴ à 10⁻² Pa.In sources with electronic cyclonic resonance, the ions are obtained by ionization of a gaseous medium consisting of one or more gases or metallic vapors, contained in a sealed enclosure with axial symmetry, by means of a plasma of electrons strongly accelerated by electronic cyclotron resonance. The residual pressure prevailing in the enclosure is of the order of 10⁻⁴ to 10⁻² Pa.

La résonance cyclotronique est obtenue grâce à l'action conjuguée d'un champ électromagnétique de haute fréquence (UHF), injecté dans l'enceinte, et d'un champ magnétique à symétrie axiale présentant une structure dite "à minimum |

Figure imgb0001
|".Cyclotronic resonance is obtained thanks to the combined action of a high frequency electromagnetic field (UHF), injected into the enclosure, and of an axially symmetrical magnetic field having a structure called "minimum" |
Figure imgb0001
| ".

L'induction magnétique axiale présente une amplitude croissant du centre de l'enceinte à ses extrémités ; elle possède en particulier une amplitude Br qui satisfait à la condition (1) de résonance cyclotronique électronique Br=f.2πm/e dans laquelle e représente la charge de l'électron, m sa masse et f la fréquence du champ électromagnétique.Axial magnetic induction has a increasing amplitude from the center of the enclosure to its ends; it has in particular an amplitude Br which satisfies the condition (1) of electronic cyclotronic resonance Br = f.2πm / e in which e represents the charge of the electron, m its mass and f the frequency of the electromagnetic field.

Un système d'extraction des ions, situé du côté de l'enceinte opposé à celui de l'injection de la haute fréquence, est prévu.An ion extraction system, located on the side of the enclosure opposite to that of the high frequency injection, is provided.

Le champ magnétique axial est créé soit par des bobines soit par des aimants permanents entourant l'enceinte étanche.The axial magnetic field is created either by coils or by permanent magnets surrounding the sealed enclosure.

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 milieu gazeux à ioniser, et d'autre part, les pertes de ces mêmes ions par recombinaison due à une collision de ces ions avec un atome neutre du milieu gazeux non encore ionisé ou bien par diffusion jusqu'aux parois de l'enceinte.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 gaseous medium to be ionized, and on the other hand, the losses of these same ions by recombination due to a collision of these ions with a neutral atom of the gaseous medium not yet ionized or else by diffusion to the walls of the enclosure.

Il est prévu de confiner dans l'enceinte les ions formés ainsi que les électrons servant à leur ionisation. Ceci est réalisé en superposant au champ magnétique de symétrie axiale un champ magnétique de symétrie radiale. Ce champ magnétique radial est obtenu à l'aide d'une structure multipolaire constituée généralement par des aimants permanents.It is planned to confine in the enclosure the ions formed as well as the electrons used for their ionization. This is achieved by superimposing on the magnetic field of axial symmetry a magnetic field of radial symmetry. This radial magnetic field is obtained using a multipolar structure generally constituted by permanent magnets.

La superposition du champ magnétique radial et du champ magnétique axial conduit à la formation de surfaces d'équi-module de champ magnétique, fermées n'ayant aucun contact avec les parois de l'enceinte sur lesquelles la condition (1) de résonance cyclotronique électronique est satisfaite. Une telle source d'ions a notamment été décrite dans le document EP-A-0 238 397.The superimposition of the radial magnetic field and the axial magnetic field leads to the formation of closed magnetic field equi-module surfaces having no contact with the walls of the enclosure on which the condition (1) of electronic cyclotron resonance is satisfied. Such an ion source has in particular been described in the document EP-A-0 238 397.

Les sources d'ions multichargés connues jusqu'à ce jour comportent une enceinte de confinement de dimension transversale (mesurée perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'enceinte) nettement plus grande que celle du conduit par lequel est injectée la puissance électromagnétique (3 à 5 fois plus grande dans la source ECR du document EP-A-0 238 397). Dans ces conditions, l'enceinte se comporte comme une cavité résonnante multimode, favorisant le remplissage uniforme de la puissance électromagnétique dans le volume utile pour l'ionisation du milieu gazeux et permettant ainsi un chauffage efficace du plasma.The sources of multicharged ions known to date include a confinement enclosure of transverse dimension (measured perpendicular to the longitudinal axis of the enclosure) significantly larger than that of the conduit through which the electromagnetic power is injected (3 to 5 times greater in the ECR source of document EP-A-0 238 397). Under these conditions, the enclosure behaves like a multimode resonant cavity, favoring the uniform filling of the electromagnetic power in the volume useful for the ionization of the gaseous medium and thus allowing efficient heating of the plasma.

D'autre part, la fréquence f de l'onde électromagnétique destinée à la création du plasma doit être de l'ordre de grandeur de la fréquence de coupure associée à la densité électronique ne du plasma ; cette fréquence de coupure est donnée par l'équation ne.e²/m.εo, où m et e ont les significations précédentes et εo représente la permittivité diélectrique du vide.On the other hand, the frequency f of the electromagnetic wave intended for the creation of the plasma must be of the order of magnitude of the cut-off frequency associated with the electronic density n e of the plasma; this cutoff frequency is given by the equation n e .e² / m.ε o , where m and e have the previous meanings and ε o represents the dielectric permittivity of the vacuum.

Dans le cas d'un plasma destiné à créer des ions multichargés, la densité électronique nedoit être aussi élevée que possible, d'où le choix de la fréquence électromagnétique f la plus élevée possible, compatible avec la technologie des hyperfréquences actuelles : généralement f est choisi de 10 à 14GHz ; la longueur d'onde dans le vide de ces ondes électromagnétiques est de l'ordre de 3 centimètres (guide rectangulaire de 10x22 mm pour 8 à 12 GHz et de 7x14 mm pour 12 à 18 GHz). Cette dimension définit le diamètre ou la section du conduit HF qui alimente la décharge.In the case of a plasma intended to create multicharged ions, the electron density n e must be as high as possible, hence the choice of the highest possible electromagnetic frequency f , compatible with current microwave technology: generally f is chosen from 10 to 14 GHz; the wavelength in the vacuum of these electromagnetic waves is of the order of 3 centimeters (rectangular guide of 10 × 22 mm for 8 to 12 GHz and of 7 × 14 mm for 12 to 18 GHz). This dimension defines the diameter or the section of the HF conduit which feeds the discharge.

Des mesures préliminaires ont permis de montrer que le plasma s'organise de manière totalement inhomogène dans la structure magnétique.Preliminary measurements have shown that the plasma is completely organized inhomogeneous in the magnetic structure.

En effet, celui-ci prend la forme d'un "cordon de plasma", présentant une densité marquée au voisinage de l'axe avec une symétrie quasi cylindrique. La dimension caractéristique de ce plasma est aussi de l'ordre du centimètre.Indeed, it takes the form of a "plasma cord", having a marked density in the vicinity of the axis with an almost cylindrical symmetry. The characteristic dimension of this plasma is also of the order of a centimeter.

L'utilisation d'enceintes de confinement surdimensionnées implique soit l'utilisation de bobines pour créer le champ magnétique de confinement (champ axial + champ radial) et donc l'utilisation d'une forte puissance électrique en tenant compte du système de refroidissement associé à ces bobines, soit l'utilisation de grandes quantités d'aimants permanents rendant la source coûteuse et lourde. En outre, l'encombrement total de la source varie comme le cube du diamètre de l'enceinte.The use of oversized confinement chambers implies either the use of coils to create the magnetic confinement field (axial field + radial field) and therefore the use of high electrical power taking into account the cooling system associated with these coils, ie the use of large quantities of permanent magnets making the source expensive and heavy. In addition, the total size of the source varies as the cube of the diameter of the enclosure.

Il faut toutefois noter que l'emploi de telles structures magnétiques permet la production de champs magnétiques axial et radial élevés, ce qui est nécessaire à la production d'ions multichargés.It should however be noted that the use of such magnetic structures allows the production of high axial and radial magnetic fields, which is necessary for the production of multicharged ions.

Tous ces aspects rendent difficile l'emploi des sources ECR d'ions multichargés, actuelles dans les systèmes électrostatiques où la puissance et l'encombrement alloués à la source d'ions sont extrêmement réduits (plateforme très haute tension THT, Van de Graff ou terminal de Tandem). De plus, si le milieu gazeux est fortement radioactif (émission de gammas et de neutrons) l'utilisation de bobines ne peut plus être envisagée du fait des risques de vieillissement prématurés des résines d'imprégnation utilisées dans ces bobines.All these aspects make it difficult to use ECR sources of multi-charged ions, current in electrostatic systems where the power and the space allocated to the ion source are extremely reduced (very high voltage platform THT, Van de Graff or terminal of Tandem). In addition, if the gaseous medium is highly radioactive (emission of gammas and neutrons) the use of coils can no longer be envisaged because of the risks of premature aging of the impregnation resins used in these coils.

La publication de C.M. Lyneiss (Proceedings of the 1987 IEEE Particle Accelerator Conference : Accelerator Engineering and Technology, vol.1, mars 1987, pp. 254-258, "Status of ECR source technology) relative aux différents types de sources ECR disponibles dans le commerce enseigne l'emploi d'une enceinte à plasma de diamètre D>2λ, où λ représente la longueur d'onde du champ électromagnétique haute fréquence, pour obtenir des ions multichargés et que l'emploi d'une enceinte avec D<λ entraîne rapidement la décroissance en charge des ions.The publication of CM Lyneiss (Proceedings of the 1987 IEEE Particle Accelerator Conference: Accelerator Engineering and Technology, vol.1, March 1987, pp. 254-258, "Status of ECR source technology) relating to the different types of commercially available ECR sources teaches the use of a plasma enclosure with a diameter D> 2λ, where λ represents the wavelength of the high frequency electromagnetic field, to obtain multicharged ions and that the use of an enclosure with D <λ rapidly leads to the decrease in charge of the ions.

En outre, ces sources utilisent des bobines pour créer le champ magnétique axial et présentent donc les inconvénients mentionnés ci-dessus.In addition, these sources use coils to create the axial magnetic field and therefore have the drawbacks mentioned above.

Le document de K. Amemiya et al. (Nuclear Instruments et Methods in Phys. Res. B, vol. 37/38, n°2, février 1989, "New microwave ion source for high energy ion implanter) est relatif à une source fonctionnant à 2,45GHz produisant un faible courant d'ions multichargés. Cette source monomode, à l'inverse des sources ECR d'ions multichargés qui sont multimodes, présente l'inconvénient de comporter des bobines pour créer le champ magnétique axial. En outre, le courant d'ions multichargés produit est très faible.The document by K. Amemiya et al. (Nuclear Instruments and Methods in Phys. Res. B, vol. 37/38, n ° 2, February 1989, "New microwave ion source for high energy ion implanter) relates to a source operating at 2.45 GHz producing a low current This multi-mode source, unlike ECR sources of multi-charged ions which are multi-mode, has the disadvantage of having coils to create the axial magnetic field. In addition, the current of multi-charged ions produced is very weak.

Aussi, l'invention a pour objet une nouvelle source d'ions multichargés à résonance cyclotronique électronique à enceinte étanche de confinement de dimensions réduites, permettant de remédier aux différents inconvénients mentionnés ci-dessus.Also, the subject of the invention is a new source of multicharged ions with electronic cyclotron resonance with sealed confinement enclosure of reduced dimensions, making it possible to remedy the various drawbacks mentioned above.

L'invention a donc pour objet une source d'ions multichargés à résonance cyclotronique électronique comportant :

  • a) - une enceinte étanche renfermant un milieu gazeux capable d'être ionisé pour former un plasma comportant des électrons accélérés par résonance cyclotronique électronique, cette enceinte comportant un axe longitudinal, une première et une seconde extrémité orientées selon cet axe,
  • b) - des moyens d'injection d'un champ électromagnétique de fréquence supérieure ou égale à 6GHz dans l'enceinte, au niveau de sa première extrémité, pour ioniser le milieu gazeux,
  • c) - des moyens pour créer, dans l'enceinte, un champ magnétique de symétrie axiale dont la valeur de l'induction B est minimum dans un plan médian de l'enceinte, perpendiculaire à l'axe,
  • d) - des aimants permanents pour créer un champ magnétique de symétrie radiale,
  • e) - un système d'extraction des ions, situé au niveau de la seconde extrémité,

caractérisée en ce que l'enceinte étanche est un guide d'ondes ayant une largeur l selon le plan médian (P) telle que 0,5≦l/λ≦1,5 où λ représente la longueur d'onde du champ électromagnétique satisfaisant à la condition de résonance et en ce que les moyens pour créer le champ à symétrie axiale sont constitués d'aimants permanents.The subject of the invention is therefore a source of multicharged ions with electronic cyclotron resonance comprising:
  • a) - a sealed enclosure containing a gaseous medium capable of being ionized to form a plasma comprising electrons accelerated by electronic cyclotron resonance, this enclosure comprising a longitudinal axis, a first and a second end oriented along this axis,
  • b) - means for injecting a field electromagnetic with a frequency greater than or equal to 6 GHz in the enclosure, at its first end, to ionize the gaseous medium,
  • c) - means for creating, in the enclosure, a magnetic field of axial symmetry, the value of the induction B of which is minimum in a median plane of the enclosure, perpendicular to the axis,
  • d) - permanent magnets to create a magnetic field of radial symmetry,
  • e) - an ion extraction system, located at the second end,

characterized in that the sealed enclosure is a waveguide having a width l along the median plane (P) such that 0.5 ≦ l / λ ≦ 1.5 where λ represents the wavelength of the satisfactory electromagnetic field under the condition of resonance and in that the means for creating the field with axial symmetry consist of permanent magnets.

L'emploi d'une fréquence électromagnétique ≧6GHz, et pouvant aller jusqu'à 30GHz, permet l'obtention d'un faisceau d'ions multichargés, ce qui n'est pas le cas avec des fréquences <6GHz.The use of an electromagnetic frequency ≧ 6GHz, and being able to go up to 30GHz, makes it possible to obtain a beam of multicharged ions, which is not the case with frequencies <6GHz.

Ainsi, il est possible de réaliser une enceinte étanche à décharge ne dépassant pas quelques centimètres de diamètre ou de côté, suivant que l'enceinte présente une section circulaire ou carrée, et permettant la production d'ions plusieurs fois chargés.Thus, it is possible to produce a sealed discharge enclosure not exceeding a few centimeters in diameter or side, depending on whether the enclosure has a circular or square section, and allowing the production of ions several times charged.

L'introduction du champ électromagnétique de haute fréquence peut être assurée, soit par une transition du type coaxial, soit par une injection directe, à partir d'un guide d'ondes rectangulaire ou circulaire en mode fondamental.The introduction of the high frequency electromagnetic field can be ensured, either by a transition of the coaxial type, or by a direct injection, from a rectangular or circular waveguide in fundamental mode.

Selon l'invention, l'enceinte présente, selon son plan médian, une section sensiblement égale à celle du guide d'ondes assurant l'injection du champ électromagnétique dans l'enceinte.According to the invention, the enclosure has, according to its median plane, a section substantially equal to that of the waveguide ensuring the injection of the field electromagnetic in the enclosure.

Ainsi, la dimension de l'enceinte de confinement du plasma n'est limitée que par les plus petites dimensions du guide d'ondes, rectangulaire ou circulaire, associé à la fréquence électromagnétique de l'onde utilisée.Thus, the dimension of the plasma confinement enclosure is limited only by the smallest dimensions of the waveguide, rectangular or circular, associated with the electromagnetic frequency of the wave used.

Du fait des dimensions extrêmement réduites de l'enceinte à décharge, il est possible de n'utiliser que des aimants permanents, de petites tailles, répartis autour de l'enceinte pour créer les champs magnétiques axial et radial, contrairement aux sources ECR de l'art antérieur. Le coût de la source de l'invention se trouve ainsi réduit par rapport à celui des sources classiques.Due to the extremely small dimensions of the discharge vessel, it is possible to use only permanent magnets, of small sizes, distributed around the vessel to create the axial and radial magnetic fields, unlike the ECR sources of l prior art. The cost of the source of the invention is thus reduced compared to that of conventional sources.

La production d'ions multichargés nécessite la création de champs magnétiques axial et radial élevés. Or, l'emploi de petits aimants va à l'encontre de la production de champs magnétiques élevés.The production of multicharged ions requires the creation of high axial and radial magnetic fields. However, the use of small magnets goes against the production of high magnetic fields.

La configuration particulière des aimants utilisés dans l'invention permet avec de petits aimants la production de champs magnétiques élevés et donc la production d'ions multichargés. Ces aimants sont notamment fortement coercitifs.The particular configuration of the magnets used in the invention allows, with small magnets, the production of high magnetic fields and therefore the production of multicharged ions. These magnets are notably highly coercive.

Par ailleurs, et de façon avantageuse, les moyens pour créer le champ magnétique à symétrie axiale comportent des premiers aimants permanents à symétrie axiale, entourant l'enceinte, dont l'aimantation est substantiellement perpendiculaire à l'axe de l'enceinte, ces aimants étant situés au niveau des première et seconde extrémités.Furthermore, and advantageously, the means for creating the magnetic field with axial symmetry comprise first permanent magnets with axial symmetry, surrounding the enclosure, the magnetization of which is substantially perpendicular to the axis of the enclosure, these magnets being located at the first and second ends.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

  • la figure 1 représente schématiquement, en coupe longitudinale, une source d'ions conforme à l'invention,
  • la figure 2 représente schématiquement une variante de la source de l'invention,
  • la figure 3 montre un système d'aimants permanents utilisable dans la source de l'invention,
  • les figures 4 à 6 donnent trois spectres d'ions multichargés obtenus avec la source de l'invention à une fréquence HF de 10GHz ; les figures 4 et 5 sont relatives à l'argon et la figure 6 au tantale.
Other characteristics and advantages of the invention will emerge more clearly from the description which follows, given by way of illustration and not limitation, with reference to the appended drawings, in which:
  • Figure 1 shows schematically, in longitudinal section, an ion source according to the invention,
  • FIG. 2 schematically represents a variant of the source of the invention,
  • FIG. 3 shows a system of permanent magnets usable in the source of the invention,
  • FIGS. 4 to 6 give three spectra of multicharged ions obtained with the source of the invention at an HF frequency of 10 GHz; Figures 4 and 5 relate to argon and Figure 6 tantalum.

Sur la figure 1, on a représenté schématiquement, en coupe longitudinale, une source d'ions positifs multichargés à résonance cyclotronique électronique, selon l'invention. Cette source ECR comporte un guide d'ondes 2 non résonnant, constituant une enceinte à vide de confinement, équipée d'un axe de symétrie 4. Cette enceinte peut présenter une section circulaire ou une section carrée.In Figure 1, there is shown schematically, in longitudinal section, a source of multicharged positive ions with electronic cyclotron resonance, according to the invention. This ECR source comprises a non-resonant waveguide 2, constituting a containment vacuum enclosure, equipped with an axis of symmetry 4. This enclosure may have a circular section or a square section.

La référence P indique le plan médian de l'enceinte 2, perpendiculaire à l'axe 4 et C indique le milieu de l'enceinte (intersection du plan P et de l'axe 4). On note l la largeur ou le diamètre du guide 2 ; l est appelé, ci-après, la dimension caractéristique de l'enceinte.The reference P indicates the median plane of the enclosure 2, perpendicular to the axis 4 and C indicates the middle of the enclosure (intersection of the plane P and the axis 4). We note l the width or diameter of the guide 2; l is called, below, the characteristic dimension of the enclosure.

Cette enceinte comporte en outre une extrémité d'entrée 6 et une extrémité de sortie 8, centrées selon l'axe 4.This enclosure also has an inlet end 6 and an outlet end 8, centered along the axis 4.

Le guide d'ondes 2 est excité par un champ électromagnétique de haute fréquence (HF ou UHF) de fréquence ≧6GHz, injecté au niveau de son extrémité 6. Ce champ haute fréquence est produit par une source 10 telle qu'un klystron, couplée à l'enceinte de confinement 2, via une cavité de transition 12 comportant une ouverture 14, disposée dans le prolongement du guide 2 et coaxialement. Cette ouverture 14 présente une largeur (ou diamètre) sensiblement égale à celle du guide d'ondes 2.The waveguide 2 is excited by a high frequency electromagnetic field (HF or UHF) of frequency ≧ 6GHz, injected at its end 6. This high frequency field is produced by a source 10 such as a klystron, coupled to the confinement enclosure 2, via a transition cavity 12 comprising an opening 14, arranged in the extension of guide 2 and coaxially. This opening 14 has a width (or diameter) substantially equal to that of the waveguide 2.

La cavité de transition 12 comporte à son entrée latérale HF une fenêtre étanche 16 en matériau diélectrique.The transition cavity 12 has at its HF lateral inlet a sealed window 16 made of dielectric material.

Selon l'invention, la dimension caractéristique l de l'enceinte 2 est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde. Autrement dit, l/λ satisfait à l'équation 0,5≦l/λ≦1,5 où λ est la longueur d'onde du champ HF utilisée.According to the invention, the characteristic dimension l of the enclosure 2 is of the same order of magnitude as the wavelength. In other words, l / λ satisfies the equation 0.5 ≦ l / λ ≦ 1.5 where λ is the wavelength of the HF field used.

Sur la figure 1, l'injection de la haute fréquence dans l'enceinte 2 est réalisée coaxialement à l'introduction du gaz ou de la vapeur métallique dans l'enceinte 2, destiné à former le plasma. A cet effet, la cavité de transition 12 est traversée par une conduite 18 d'alimentation en gaz ou vapeur, centrée sur l'axe 4 de l'enceinte et débouchant en aval de l'extrémité 6 du guide d'ondes 2. Le guide 2 et la conduite 18 sont métalliques et définissent une ligne coaxiale.In FIG. 1, the injection of the high frequency into the enclosure 2 is carried out coaxially with the introduction of the gas or metallic vapor into the enclosure 2, intended to form the plasma. To this end, the transition cavity 12 is crossed by a pipe 18 for supplying gas or vapor, centered on the axis 4 of the enclosure and opening downstream of the end 6 of the waveguide 2. The guide 2 and the pipe 18 are metallic and define a coaxial line.

Le plasma peut consister en de l'hydrogène, du néon, du xénon, de l'argon, de l'oxygène, du tungstène, du titane, etc.Plasma can consist of hydrogen, neon, xenon, argon, oxygen, tungsten, titanium, etc.

Une pompe à vide non représentée permet de créer dans l'enceinte 2 un vide de 10⁻⁴ à 10² Pa. La pompe à vide est généralement placée en aval de l'extrémité de sortie 8 de la chambre à vide 2.A vacuum pump not shown makes it possible to create in the enclosure 2 a vacuum of 10⁻⁴ to 10² Pa. The vacuum pump is generally placed downstream of the outlet end 8 of the vacuum chamber 2.

L'onde électromagnétique peut être continue ou pulsée et présenter une fréquence allant de 6 à 30GHz et typiquement valant 10GHz.The electromagnetic wave can be continuous or pulsed and have a frequency ranging from 6 to 30 GHz and typically equal to 10 GHz.

Conformément à l'invention, il est possible, comme schématisé sur la figure 2, d'injecter la haute fréquence dans l'enceinte de type guide d'ondes 2 directement dans celle-ci à l'aide d'un guide 20 de section rectangulaire débouchant directement dans l'enceinte 2 selon une direction radiale. La longueur l′ du guide d'entrée 20 est égale approximativement à la largeur l de l'enceinte 2. Un guide d'onde circulaire en mode fondamental est aussi possible. Un système de couplage par fentes entre un guide rectangulaire et l'enceinte est aussi possible et remplacerait la cavité de transition.In accordance with the invention, it is possible, as shown diagrammatically in FIG. 2, to inject the high frequency into the waveguide-type enclosure 2 directly therein using a guide 20 of rectangular section opening directly into the enclosure 2 in a radial direction. The length l ′ of the input guide 20 is approximately equal to the width l of the enclosure 2. A circular waveguide in fundamental mode is also possible. A slot coupling system between a rectangular guide and the enclosure is also possible and would replace the transition cavity.

En revenant sur la figure 1, on voit que la chambre de confinement 2 est portée à un potentiel positif par rapport à la masse, grâce à une source d'alimentation électrique 18 et est entourée d'une structure magnétique 19, par exemple de symétrie de révolution lorsque l'enceinte 2 est cylindrique, destinée à créer le champ magnétique dans l'enceinte guide 2. Un système mécanique 20 permet le maintien de cette structure magnétique sur l'enceinte guide 2.Returning to FIG. 1, it can be seen that the confinement chamber 2 is brought to a positive potential with respect to ground, thanks to an electrical power source 18 and is surrounded by a magnetic structure 19, for example of symmetry of revolution when the enclosure 2 is cylindrical, intended to create the magnetic field in the guide enclosure 2. A mechanical system 20 makes it possible to maintain this magnetic structure on the guide enclosure 2.

On trouve en outre à l'extrémité 8 de l'enceinte 2 une plaque 21 pourvue d'un orifice de sortie 22 des ions ; cet orifice 22 est centré sur l'axe 4.In addition, there is at the end 8 of the enclosure 2 a plate 21 provided with an outlet orifice 22 for the ions; this orifice 22 is centered on the axis 4.

En sortie de la chambre 2, on trouve aussi un blindage 24 de forme extérieure cylindrique et de forme interne tronconique, disposé coaxialement au guide d'ondes 2 et dans son prolongement ; le diamètre interne de ce blindage 24 va en s'élargissant de l'amont vers l'aval de la source. Ce blindage est réalisé en noyau de fer doux ou en aimant permanent. L'angle T que forme la paroi interne du blindage 24 avec une direction parallèle à l'axe 4 est de 20° environ. La forme du blindage 24 assure la distance d'isolement électrostatique de la chambre 2 avec l'électrode d'extraction 28 des ions.At the outlet of the chamber 2, there is also a shield 24 of cylindrical external shape and of frustoconical internal shape, arranged coaxially with the waveguide 2 and in its extension; the internal diameter of this shield 24 widens from upstream to downstream of the source. This shielding is made of soft iron core or permanent magnet. The angle T formed by the internal wall of the shield 24 with a direction parallel to the axis 4 is approximately 20 °. The shape of the shield 24 ensures the electrostatic isolation distance from the chamber 2 with the ion extraction electrode 28.

En appui sur le système mécanique 20, on trouve une virole cylindrique 26 en matériau électriquement isolant, servant de support à une électrode d'extraction 28 des ions. Cette électrode 28 présente la forme d'un cylindre et est disposée coxialement au guide d'ondes 2. Elle est portée au potentiel de la masse afin d'accélérer les ions formés dans l'enceinte.Pressing on the mechanical system 20, there is a cylindrical shell 26 made of material electrically insulating, serving as a support for an ion extraction electrode 28. This electrode 28 has the shape of a cylinder and is arranged coxially to the waveguide 2. It is brought to the potential of the mass in order to accelerate the ions formed in the enclosure.

La structure magnétique 19 permet la création, dans l'enceinte 2, de lignes équimagnétiques 30 fermées. La valeur de l'induction B sur ces lignes satisfait l'équation de résonance (1). En outre, l'induction B diminue du centre C à la périphérie de l'enceinte 2.The magnetic structure 19 allows the creation, in the enclosure 2, of equimagnetic lines 30 closed. The value of the induction B on these lines satisfies the resonance equation (1). In addition, the induction B decreases from the center C to the periphery of the enclosure 2.

Du fait de la miniaturisation de l'enceinte de confinement, la structure magnétique 19 peut consister uniquement en un système d'aimants permanents fortement coercitifs, juxtaposés entourant l'enceinte de confinement 2. Ces aimants sont réalisés en FeNdB ou SmCO₅ (matériaux magnétiques "durs").Due to the miniaturization of the confinement enclosure, the magnetic structure 19 can consist solely of a system of highly coercive permanent magnets, juxtaposed surrounding the confinement enclosure 2. These magnets are made of FeNdB or SmCO₅ (magnetic materials " hard ").

Cette structure magnétique, comme représenté sur les figures 1 et 3, présente une symétrie axiale et constitue un circuit magnétique ouvert.This magnetic structure, as shown in Figures 1 and 3, has axial symmetry and constitutes an open magnetic circuit.

Selon l'invention, des aimants permanents 32 et 34 à aimantation radiale, disposés respectivement à l'entrée et à la sortie de la chambre 2, permettent de créer dans celle-ci le champ magnétique de symétrie axiale. Ces aimants 32 et 34 se présentent sous la forme d'un anneau cylindrique.According to the invention, permanent magnets 32 and 34 with radial magnetization, disposed respectively at the inlet and at the outlet of the chamber 2, make it possible to create therein the magnetic field of axial symmetry. These magnets 32 and 34 are in the form of a cylindrical ring.

L'aimant d'entrée 32 a son vecteur aimantation orienté de sorte que son pôle sud soit dirigé substantiellement vers l'enceinte 2. A l'inverse, l'aimant de sortie 34 est tel que son pôle nord soit dirigé substantiellement vers l'enceinte 2.The input magnet 32 has its magnetization vector oriented so that its south pole is directed substantially towards the enclosure 2. Conversely, the output magnet 34 is such that its north pole is directed substantially towards the pregnant 2.

Ces aimants 32 et 34 permettent la création d'un champ magnétique à symétrie axiale présentant dans le plan médian P de la chambre 2 une valeur minimum en passant par des valeurs maximums au niveau des aimants 32 et 34. Ces aimants 32 et 34 définissent donc deux miroirs magnétiques.These magnets 32 and 34 allow the creation of a magnetic field with axial symmetry having in the median plane P of the chamber 2 a minimum value in passing through maximum values at the magnets 32 and 34. These magnets 32 and 34 therefore define two magnetic mirrors.

Des aimants permanents 36 et 38 entourant le guide d'ondes 2 sont disposés de sorte que leur vecteur aimantation soit orienté sensiblement de l'extrémité d'entrée 6 à l'extrémité de sortie 8 de l'enceinte. Ces aimants 36 et 38 ont la forme d'un anneau et contribuent avec les aimants 32 et 34 à la création du champ magnétique de symétrie axiale dans l'enceinte 2. Ces aimants servent à magnétiser l'ensemble de l'enceinte guide sur une distance D1.Permanent magnets 36 and 38 surrounding the waveguide 2 are arranged so that their magnetization vector is oriented substantially from the inlet end 6 to the outlet end 8 of the enclosure. These magnets 36 and 38 have the shape of a ring and contribute with the magnets 32 and 34 to the creation of the magnetic field of axial symmetry in the enclosure 2. These magnets are used to magnetize the whole of the guide enclosure on a distance D1.

L'ouverture annulaire 35 de longueur D2 séparant les aimants 36 et 38 de la structure magnétique permet de contrôler le champ magnétique de symétrie axiale, dans le plan médian P de l'enceinte 2.The annular opening 35 of length D2 separating the magnets 36 and 38 from the magnetic structure makes it possible to control the magnetic field of axial symmetry, in the median plane P of the enclosure 2.

Selon l'invention, les aimants à aimantation axiale 36 et 38 sont accolés respectivement aux aimants 32 et 34 et situés entre ces aimants 32 et 34.According to the invention, the magnets with axial magnetization 36 and 38 are attached respectively to the magnets 32 and 34 and located between these magnets 32 and 34.

En outre, les rayons internes R₁ et R₂ des aimants 36 et 38 sont supérieurs aux rayons internes R₃ et R₄ des aimants 32 et 34.In addition, the internal radii R₁ and R₂ of the magnets 36 and 38 are greater than the internal radii R₃ and R₄ of the magnets 32 and 34.

Des barreaux aimantés 40 et 42, de forme allongée, sont logés dans l'espace annulaire défini entre l'enceinte guide 2 et les aimants 32, 34, 36 et 38. Ces aimants ont une aimantation radiale et définissent une structure multipolaire par exemple quadrupolaire, hexapolaire, octopolaire ou dodécapolaire ; les polarités des aimants 40 et 42 sont alternées. En particulier, ces barreaux sont distants de R₁ de l'axe 4.Magnetized bars 40 and 42, of elongated shape, are housed in the annular space defined between the guide enclosure 2 and the magnets 32, 34, 36 and 38. These magnets have a radial magnetization and define a multipole structure, for example quadrupole , hexapolar, octopolar or dodecapolar; the polarities of the magnets 40 and 42 are alternated. In particular, these bars are distant from R₁ from axis 4.

Ces barreaux aimantés définissent dans l'enceinte 2 le champ radial de confinement.These magnetic bars define in enclosure 2 the radial confinement field.

Dans l'espace 35, de longueur D2, il est possible, mais non obligatoire, comme représenté sur la figure 3, d'introduire des aimants 44, 45 à aimantation radiale et à structure multipolaire, pour renforcer localement le champ radial là où le champ axial est minimum, c'est-à-dire dans le plan médian.In space 35, of length D2, it is possible, but not compulsory, as shown in the Figure 3, to introduce magnets 44, 45 with radial magnetization and multipolar structure, to locally strengthen the radial field where the axial field is minimum, that is to say in the median plane.

Il est en outre possible, comme représenté sur la figure 1, d'introduire dans cet espace annulaire 35, au-dessus des aimants 44 un anneau aimanté 46 à aimantation axiale afin d'augmenter encore localement le champ axial.It is also possible, as shown in FIG. 1, to introduce into this annular space 35, above the magnets 44, a magnetic ring 46 with axial magnetization in order to further increase the axial field locally.

Les longueurs maximales L₁ et L₂ des aimants 32 et 34, mesurées selon une direction parallèle à l'axe 4, peuvent être adaptées pour définir un éventuel déséquilibrage du module du champ magnétique résultant entre l'entrée et la sortie' de la source, déséquilibrage permettant d'optimiser le taux de fuite du plasma. Le module du champ à l'entrée doit donc être plus fort qu'à la sortie.The maximum lengths L₁ and L₂ of the magnets 32 and 34, measured in a direction parallel to the axis 4, can be adapted to define a possible imbalance of the module of the magnetic field resulting between the input and the output 'of the source, unbalance to optimize the plasma leakage rate. The field modulus at the entrance must therefore be stronger than at the exit.

A cet effet, L₁ peut être choisi supérieur à L₂.For this purpose, L₁ can be chosen greater than L₂.

Un même effet peut aussi être réalisé par optimisation des rayons internes R₁ et R₂ des aimants annulaires 32 et 34, par optimisation des rayons externes R₃ et R₄ des aimants 32, 36 d'une part et 34, 38 d'autre part ainsi que par optimisation des angles a₁, b₁, a₂, b₂ que forme l'aimantation des aimants 32, 36, 34 et 38 avec l'axe 4.The same effect can also be achieved by optimizing the internal radii R₁ and R₂ of the annular magnets 32 and 34, by optimizing the external radii R₃ and R₄ of the magnets 32, 36 on the one hand and 34, 38 on the other hand as well as by optimization of the angles a₁, b₁, a₂, b₂ formed by the magnetization of the magnets 32, 36, 34 and 38 with the axis 4.

En particulier, la distance R₁ séparant l'axe 4 de l'aimant 32 situé au niveau de l'extrémité d'entrée 6 est inférieure à la distance R₂ séparant l'axe de l'aimant 34 situé au niveau de l'extrémité 8 de sortie.In particular, the distance R₁ separating the axis 4 from the magnet 32 located at the entry end 6 is less than the distance R₂ separating the axis from the magnet 34 located at the end 8 Release.

Par ailleurs, les angles C₁ et C₂ que font, par rapport à une direction parallèle à l'axe 4, les extrémités des aimants 32 et 36 en regard d'une part et les angles C₃ et C₄ que font, par rapport à une direction parallèle à l'axe 4, les extrémités des aimants 34 et 38 en regard d'autre part, peuvent être optimisés de manière à définir un circuit magnétique idéal (continuité du flux magnétique).Furthermore, the angles C₁ and C₂ that, with respect to a direction parallel to the axis 4, make the ends of the magnets 32 and 36 opposite on the one hand and the angles C₃ and C₄ that make, with respect to a direction parallel to axis 4, the ends of the magnets 34 and 38 opposite on the other hand, can be optimized so as to define an ideal magnetic circuit (continuity of the magnetic flux).

Notons que sur la figure 1, les angles a₁, b₁, a₂, b₂, C₁ et C₂ sont nuls par rapport à l'axe 4.Note that in Figure 1, the angles a₁, b₁, a₂, b₂, C₁ and C₂ are zero with respect to axis 4.

Les aimants 34 et 32 de l'invention permettent de diminuer la masse et la dimension des aimants 38 et 36 de façon importante.The magnets 34 and 32 of the invention make it possible to reduce the mass and the dimension of the magnets 38 and 36 significantly.

Au lieu d'utiliser un blindage 24 en noyau de fer doux monté à l'intérieur de l'aimant annulaire 34, il est possible d'utiliser une partie aimantée faisant partie intégrante de l'aimant 34. Toutefois, du point de vue fabrication, il est plus facile de donner la forme recherchée à un noyau de fer doux qu'à un aimant.Instead of using a shield 24 made of a soft iron core mounted inside the annular magnet 34, it is possible to use a magnetized part forming an integral part of the magnet 34. However, from the manufacturing point of view , it is easier to give the desired shape to a soft iron core than to a magnet.

Une source d'ions comportant une chambre 2 de diamètre interne l de 26mm et une longueur A de 160 mm environ a été réalisée. Elle a été excitée par un champ UHF de 10 GHz et un champ magnétique dont l'induction B variait progressivement de 0,3 T au centre C de l'enceinte à 0,8 T au niveau des parois latérales de l'enceinte 2.An ion source comprising a chamber 2 with an internal diameter l of 26mm and a length A of approximately 160mm has been produced. It was excited by a 10 GHz UHF field and a magnetic field whose induction B varied progressively from 0.3 T at the center C of the enclosure to 0.8 T at the side walls of enclosure 2.

Avec cette source, on a réalisé des spectres d'ions multiples donnés sur les figures 4 à 6. Ces spectres donnent l'intensité, exprimée en microampères, du courant d'ions I sortant de la source d'ions en fonction du courant dans l'aimant d'analyse, exprimé en ampères ; ce courant d'analyse donne le rapport Q/A où Q est la charge de l'ion et A sa masse. Les figures 4 et 5 sont relatives à l'argon et la figure 6 au tantale.With this source, multiple ion spectra given in FIGS. 4 to 6 were produced. These spectra give the intensity, expressed in microamperes, of the ion current I leaving the ion source as a function of the current in the analysis magnet, expressed in amperes; this current of analysis gives the ratio Q / A where Q is the charge of the ion and A its mass. Figures 4 and 5 relate to argon and Figure 6 to tantalum.

Ces spectres ne montrent qu'une faible diminution de la charge moyenne, comparée à une source de grand volume ; des ions chargés 6+ sont obtenus au lieu de 8+ pour l'argon et des ions chargés 16+ sont obtenus au lieu de 20+ pour le tantale.These spectra show only a slight decrease in the average charge, compared to a source of large volume; charged ions 6+ are obtained instead of 8+ for argon and charged ions 16+ are obtained instead of 20+ for tantalum.

Si l'on observe le courant d'ions I produit par l'ion le plus abondant de la distribution, on obtient un courant de 250 microampères pour des ions chargés huit fois dans une source classique et un courant de 25 microampères pour des ions chargés six fois dans une source type guide d'ondes, conforme à l'invention.If we observe the ion current I produced by the most abundant ion of the distribution, we obtain a current of 250 microamperes for charged ions eight times in a conventional source and a current of 25 microamperes for charged ions six times in a waveguide type source, according to the invention.

Ce courant est l'image du courant total d'ions multichargés contenus dans le spectre. On constate que celui-ci a évolué dans le rapport des sections droites des chambres à plasma, soit proportionnellement au volume de plasma qui y est contenu.This current is the image of the total current of multicharged ions contained in the spectrum. It can be seen that this has evolved in the ratio of the cross sections of the plasma chambers, ie in proportion to the volume of plasma which is contained therein.

Cette variation qui ne dépend, a priori, que des paramètres géométriques peut laisser penser que la densité du flux de plasma utile à la formation du faisceau extrait dans la région d'extraction est restée constante dans les deux types de source.This variation, which a priori depends only on geometric parameters, may suggest that the density of the plasma flow useful for the formation of the extracted beam in the extraction region has remained constant in the two types of source.

Le diamètre d'une source de l'invention est, à même fréquence électromagnétique, environ un tiers inférieur à celui de l'art antérieur.The diameter of a source of the invention is, at the same electromagnetic frequency, about one third less than that of the prior art.

Notons que la source représentée sur la figure 1 est à l'échelle 1/1.Note that the source shown in Figure 1 is on a 1/1 scale.

La source de l'invention permet en outre, à charge moyenne extraite équivalente, un gain énergétique de l'ordre de 40 KW à quelques centaines de Watts et par ailleurs un coût de mise en oeuvre de 10 à 20 fois inférieur à celui des sources de l'art antérieur.The source of the invention also allows, at equivalent extracted average load, an energy gain of the order of 40 KW to a few hundred Watts and moreover an implementation cost of 10 to 20 times lower than that of the sources. of the prior art.

Claims (14)

Source d'ions multichargés à résonance cyclotronique électronique comportant : a) - une enceinte étanche (2) renfermant un milieu gazeux capable d'être ionisé pour former un plasma comportant des électrons accélérés par résonance cyclotronique électronique, cette enceinte comportant un axe longitudinal (4), une première (6) et une seconde (8) extrémités orientées selon cet axe, b) - des moyens (12, 20) d'injection d'un champ électromagnétique de fréquence supérieure ou égale à 6GHz dans l'enceinte, au niveau de sa première extrémité, pour ioniser le milieu gazeux, c) - des moyens (36, 38) pour créer, dans l'enceinte, un champ magnétique de symétrie axiale dont la valeur de l'induction B est minimum dans un plan médian de l'enceinte, perpendiculaire à l'axe, d) - des aimants permanents (32, 34, 40) pour créer un champ magnétique de symétrie radiale, e) - un système (28) d'extraction des ions, situé au niveau de la seconde extrémité, caractérisée en ce que l'enceinte (2) étanche est un guide d'ondes ayant une largeur (l) selon le plan médian (P) telle que 0,5≦l/λ≦1,5, où λ représente la longueur d'onde du champ électromagnétique satisfaisant à la condition de résonance et en ce que les moyens pour créer le champ à symétrie axiale sont constitués d'aimants permanents.Multicharged ion source with electronic cyclotron resonance comprising: a) - a sealed enclosure (2) containing a gaseous medium capable of being ionized to form a plasma comprising electrons accelerated by electronic cyclotron resonance, this enclosure comprising a longitudinal axis (4), a first (6) and a second ( 8) ends oriented along this axis, b) - means (12, 20) for injecting an electromagnetic field of frequency greater than or equal to 6 GHz in the enclosure, at its first end, for ionizing the gaseous medium, c) - means (36, 38) for creating, in the enclosure, a magnetic field of axial symmetry whose value of the induction B is minimum in a median plane of the enclosure, perpendicular to the axis, d) - permanent magnets (32, 34, 40) to create a magnetic field of radial symmetry, e) - an ion extraction system (28) located at the second end, characterized in that the sealed enclosure (2) is a waveguide having a width ( l ) along the median plane (P) such that 0.5 ≦ l / λ ≦ 1.5, where λ represents the length d wave of the electromagnetic field satisfying the resonance condition and in that the means for creating the field with axial symmetry consist of permanent magnets. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'injection comportent un guide d'ondes (20) agencé pour injecter le champ électromagnétique selon une direction perperpendiculaire à l'axe.Ion source according to claim 1, characterized in that the injection means comprise a waveguide (20) arranged to inject the electromagnetic field in a direction perpendicular to the axis. Source d'ions selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'enceinte (2) présente une largeur (l), mesurée selon le plan médian, sensiblement égale à la largeur (l′) du guide d'ondes des moyens d'injection.Ion source according to claim 2, characterized in that the enclosure (2) has a width (l), measured along the median plane, substantially equal to the width (l ′) of the waveguide of the injection means. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'injection comportent une cavité de transition (12), en communication directe avec l'enceinte, cette cavité étant traversée par une conduite d'amenée (18) du milieu gazeux débouchant dans l'enceinte en aval de la première extrémité et coaxialement à cette dernière.Ion source according to claim 1, characterized in that the injection means comprise a transition cavity (12), in direct communication with the enclosure, this cavity being traversed by a supply line (18) from the middle gaseous opening into the enclosure downstream of the first end and coaxially with the latter. Source d'ions selon la revendication 4, caractérisée en ce que la cavité de transition communique avec l'enceinte par une ouverture de largeur sensiblement égale à celle de l'enceinte, mesurée selon le plan médian.Ion source according to claim 4, characterized in that the transition cavity communicates with the enclosure by an opening of width substantially equal to that of the enclosure, measured along the median plane. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les moyens pour créer le champ magnétique à symétrie axiale comportent des premiers aimants permanents (32, 34) à symétrie axiale, entourant l'enceinte (2), dont l'aimantation est substantiellement perpendiculaire à l'axe de l'enceinte, ces aimants étant situés au niveau des première et seconde extrémités.Ion source according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the means for creating the magnetic field with axial symmetry comprise first permanent magnets (32, 34) with axial symmetry, surrounding the enclosure (2) , whose magnetization is substantially perpendicular to the axis of the enclosure, these magnets being located at the first and second ends. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les moyens pour créer le champ magnétique de symétrie radiale comportent des aimants permanents (40, 42) répartis autour de l'enceinte et agencés selon une structure multipolaire et dont l'aimantation est substantiellement perpendiculaire à l'axe de l'enceinte.Ion source according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the means for creating the magnetic field of radial symmetry comprise permanent magnets (40, 42) distributed around the enclosure and arranged in a multipole structure and whose magnetization is substantially perpendicular to the axis of the enclosure. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les moyens pour créer le champ magnétique à symétrie axiale comportent des seconds aimants permanents (36, 38) à symétrie axiale, entourant l'enceinte (2) dont l'aimantation est substantiellement parallèle à l'axe de l'enceinte.Ion source according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the means for creating the magnetic field with axial symmetry comprise second permanent magnets (36, 38) with axial symmetry, surrounding the enclosure (2) whose magnetization is substantially parallel to the axis of the enclosure. Source d'ions selon la revendication 6, caractérisée en ce que les premiers et seconds aimants sont accolés.Ion source according to claim 6, characterized in that the first and second magnets are placed side by side. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend des aimants permanents (44, 45) à aimantation radiale, disposés au niveau du plan médian et agencés selon une structure multipolaire, créant un champ magnétique radial complémentaire dans ce plan.Ion source according to any one of claims 1 to 9, characterized in that it comprises permanent magnets (44, 45) with radial magnetization, arranged at the median plane and arranged in a multipolar structure, creating a field complementary radial magnetic in this plane. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle comprend un aimant permanent (46) à symétrie axiale, disposé dans le plan médian créant un champ magnétique axial complémentaire dans ce plan.Ion source according to any one of claims 1 to 10, characterized in that it comprises a permanent magnet (46) with axial symmetry, arranged in the median plane creating a complementary axial magnetic field in this plane. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisée en ce que la distance (R₁) séparant l'axe (4) de l'aimant (32) situé au niveau de la première extrémité (6) est inférieure à celle (R₂) séparant l'axe de l'aimant (34) situé au niveau de la seconde extrémité (8).Ion source according to any one of Claims 6 to 11, characterized in that the distance (R₁) separating the axis (4) from the magnet (32) situated at the level of the first end (6) is less to that (R₂) separating the axis of the magnet (34) located at the second end (8). Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisée en ce que la longueur (L₁) des aimants (32) situés au niveau de la première extrémité est supérieure à la longueur (L₂) des aimants (34) situés au niveau de la seconde extrémité, ces longueurs étant mesurées selon une direction parallèle à l'axe.Ion source according to any one of claims 6 to 12, characterized in that the length (L₁) of the magnets (32) located at the first end is greater than the length (L₂) of the magnets (34) located at the second end, these lengths being measured in a direction parallel to the axis. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce qu'elle comprend un blindage en noyau de fer doux (24) en regard des moyens d'extraction dont la paroi interne forme un angle T>0 par rapport à l'axe de l'enceinte.Ion source according to any one of claims 1 to 13, characterized in that it comprises a soft iron core shield (24) opposite the extraction means, the internal wall of which forms an angle T> 0 by relative to the axis of the enclosure.
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