EP0532411A1 - Electron cyclotron resonance ion source with coaxial injection of electromagnetic waves - Google Patents
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- EP0532411A1 EP0532411A1 EP92402460A EP92402460A EP0532411A1 EP 0532411 A1 EP0532411 A1 EP 0532411A1 EP 92402460 A EP92402460 A EP 92402460A EP 92402460 A EP92402460 A EP 92402460A EP 0532411 A1 EP0532411 A1 EP 0532411A1
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
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- H01J27/00—Ion beam tubes
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- 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 improvement of an ion source with electronic cyclotron resonance (ECR) allowing, in particular, the production of multicharged ions.
- ECR electronic cyclotron resonance
- the ions are obtained by ionization, in a closed enclosure, such as a microwave cavity, of a gaseous medium consisting of one or more gases or metallic vapors, by means of electrons strongly accelerated by electronic cyclotron resonance.
- HF high frequency electromagnetic field
- the quantity of ions that can be produced results from the competition between two processes: on the one hand, the formation of ions by electronic impact on neutral atoms constituting the gas to be ionized and, on the other hand, the destruction of these same ions by recombination, single or multiple, during a collision of the latter with a neutral atom; this neutral atom can come from the gas not yet ionized or else be produced on the walls of the enclosure by impact of an ion on said walls.
- This drawback is avoided by confining, in the enclosure constituting the source, the ions formed, as well as the electrons used for their ionization.
- This is achieved by creating inside the enclosure radial and axial magnetic fields, defining a so-called "equimagnetic" surface, having no contact with the walls of the enclosure and on which the condition of electronic cyclotron resonance is satisfied.
- This surface has the shape of a rugby ball. The closer this equimagnetic surface is to the walls of the enclosure, the greater its effectiveness because it makes it possible to limit the volume of presence of neutral atoms and therefore the amount of ion-neutral atom collisions.
- This surface also makes it possible to confine the ions and the electrons produced by ionization of the gas. Thanks to this confinement, the electrons created have the time to bombard the same ion several times and fully ionize it.
- FIG. 1 there is shown schematically an ion source according to the prior art.
- This source comprises an enclosure 1 constituting a resonant cavity which can be excited. by a high frequency electromagnetic field (HF).
- HF high frequency electromagnetic field
- This electromagnetic field is produced by a generator 3 of electromagnetic waves; it is introduced inside the enclosure 1 via a waveguide 5 and a transition cavity 20.
- This source also includes an externally shielded magnetic structure (7, 9, 11), the shielding 11 of which makes it possible to magnetize only the volume useful for electronic cyclotron resonance in the enclosure 1.
- This magnetic structure further comprises the shielding 11, permanent magnets 7 and solenoids 9, arranged around the enclosure 1 and respectively creating a radial magnetic field and an axial magnetic field. These two magnetic fields are superimposed and distributed throughout the enclosure; they thus form a resulting magnetic field which defines the resonant equimagnetic surface 13 inside the enclosure 1.
- First and second pipes 21 and 23 connect the opening 19 of the shield 11 to respective openings 25 and 27 of the transition cavity 20, these openings being located on the lateral faces of the cavity 20 which has the shape of a cube.
- the ratio of the diameters of these two pipes 21, 23 is such that it is possible to assimilate the latter to a coaxial line of characteristic impedance of the order of 85 Ohms.
- a coaxial line preferably propagates an electromagnetic Transverse Electro-Magnetic (TEM) mode in which the electromagnetic field E is transverse to the direction of propagation of the waves and perpendicular to the surface of the conductors, that is to say pipes 21, 23.
- TEM Transverse Electro-Magnetic
- said gas is introduced into the enclosure 1 via a gas pipeline 30 connected to the opening 27 of the transition cavity 20.
- the gas and the electromagnetic waves introduced into the cavity 20 are transmitted to enclosure 1 by the first and second pipes 21 and 23, the role of which is to enable said waves to be transmitted to said enclosure and to inject them there along the longitudinal axis 15.
- enclosure 1 the combination of the axial magnetic field and the electromagnetic field makes it possible to strongly ionize the gas introduced.
- the electrons produced are then strongly accelerated by electronic cyclotron resonance, which leads to the formation of a plasma of hot electrons confined in the volume limited by the equimagnetic surface 13.
- the ions then formed in enclosure 1 are extracted therefrom by an electric extraction field generated by a potential difference applied between an electrode 31 and enclosure 1.
- the electrode 31 and enclosure 1 are all two connected to a source 33 of electrical supply, the electrode 31 being positioned outside the opening 17 of the enclosure 1.
- a pulse generator 35 itself located upstream of a power source 37 connected to the generator d 'electromagnetic waves.
- Said pulse generator 35 controls said power source 37 by adjusting the useful cycle, namely the ratio between the duration of a pulse and the period of the pulses.
- means 39 for measuring total pressure are connected to an input of a comparator 41, the output of which is itself connected to a valve 43 of the gas pipe 30.
- a comparator 41 On a second input of the comparator 41, a reference voltage R is applied and compared with the measured value of the ion current to give, at the output of the comparator, the value to be transmitted to the valve 43.
- This valve 43 makes it possible to act on the quantity of gas to be introduced into enclosure 1, so as to automatically regulate the ion current.
- an adaptation piston 45 connected to a third lateral opening 29 of the cavity 20, makes it possible to adjust the internal volume of said cavity 20.
- the adjustment of said piston 45 is used to tune all the internal volumes of the cavity 20 on the frequency of the electromagnetic waves in order to obtain a minimum of reflected waves, that is to say waves which return to the wave generator 3.
- these internal volumes are tuned to the frequency of the electromagnetic waves, the waves injected into the cavity 20 by the generator 3 are almost completely transmitted, via the pipes 21 and 23, to the enclosure 1 containing the plasma, then absorbed by the equimagnetic surface 13 .
- the second pipe 23 is transparent to electromagnetic waves at its end 23a, end close to the opening 19 of the enclosure 1 located opposite the shielding 11.
- this transparent part 23a there is an axial magnetic field from the solenoids, an electromagnetic field and a high gas pressure.
- the electromagnetic field comes from electromagnetic waves transmitted between the first pipe 21 and a non-transparent part 23b of the second pipe 23, and which pass through the transparent part 23a of the second pipe 23. Therefore, an electronic cyclotronic resonance can take place at inside the end 23a of the second pipe 23 in a volume where there is a high gas pressure.
- This end transparent to electromagnetic waves therefore constitutes a self-regulated pre-ionization stage, where the excess incident power of the electromagnetic waves is transmitted. without reflection up to the electronic cyclotron resonance zone formed by the equimagnetic surface 13.
- the plasma confined in the equimagnetic surface 13 naturally carries a positive potential with respect to the enclosure 1.
- the electrons of this confined plasma are heated by the cyclotronic resonance of the electrons and some of these electrons, too energetic, s escape from containment. They will then strike enclosure 1 which, under this effect, charges negatively.
- the confined plasma therefore has a more positive polarity than that of enclosure 1.
- the potential difference created between the enclosure 1 and the confined plasma is at the origin of an electric field E.
- This field E allows in particular the transfer of the confined ions towards the opening 17 of the enclosure 1.
- the preionization plasma which extends to the equimagnetic surface 13 is in contact with the confined plasma. Now, said plasma preionization conductor and brought to the same potential as the enclosure 1. The electric field E is then disturbed, which affects the capacities of the ion source.
- the present invention precisely makes it possible to optimize this electric field E by isolating the pre-ionization plasma from the confined plasma while ensuring the transmission of the electromagnetic wave. It proposes, in fact, a central injection system for the pre-ionization plasma supplied electrically by a voltage source.
- This source is characterized in that the first and second sources of electrical power are identical and of the same polarity as the first source of electrical power.
- the transparent tube is made of quartz
- the conductive tube is made of copper
- the refractory metal tube is made of a tantalum sheet.
- Figure 2 shows an ion source according to the invention. It represents, in fact, the ion source of the prior art, as described above, to which is added a second electrical power source 50 and on which the second pipe has been modified in accordance with the invention. This pipe bears, in FIG. 2, the reference 52.
- the second power source 50 is identical and of the same polarity as the first power source 33. It allows the delivery of a variable voltage between approximately 10 and 20 Kv.
- the power source 50 is connected, by its positive pole, to the second pipe 52 and, by its negative pole, to the earth as well as to the negative pole of the power source 33.
- the existence of the second power source 50 makes it possible to bring the enclosure 1 and the pipe 52 to potentials independent of each other, and to identical polarities.
- the pipe 52 will retain its positive polarity, as will the preionization plasma it contains.
- said preionization plasma which has a polarity roughly similar to the polarity of the plasma confined in the equimagnetic surface 13, remains isolated from the confined plasma.
- This pipe 52 comprises a quartz tube 53 placed inside the first pipe 21 and which crosses the entire cavity 20 to the mouth of the gas pipe 30.
- This quartz tube 53 can be, more generally, a tube made of a dielectric transparent material.
- quartz has the advantage of not allowing degassing.
- the pipe 52 also comprises a very thin copper tube 54 threaded on the quartz tube 53, that is to say surrounding said quartz tube so as to match the external surface of the quartz tube 53.
- This copper tube 54 is conductive and allows the electromagnetic waves introduced into the pipe 21 to be transmitted.
- the copper tube 54 is welded to the wall 28 of the cavity 20.
- the copper tube 54 does not completely cover the quartz tube 53. Indeed, a part 53a of the quartz tube 53 must remain transparent to electromagnetic waves.
- the copper tube 54 can be replaced by the metallization of the quartz tube 53, that is to say by a silver deposit on said quartz tube.
- the pipe 52 further comprises a refractory metal tube 55 threaded inside the quartz tube 53, that is to say placed against the internal wall of said quartz tube.
- the refractory metal tube 55 can be produced by a thin tantalum sheet wound inside the quartz tube 53 so as to match its internal surface of almost perfect way.
- This refractory metal tube 55 can also be produced, according to the same principle, by a sheet of tunsgtene.
- This refractory metal tube 55 covers the internal surface of the quartz tube 53 over its entire length, except in its part 53a which is left transparent to electromagnetic waves.
- the electric fields (not shown in the figures) of the electromagnetic waves are optimum at points A, B and C represented in FIG. 2. More precisely, the RCE resonance is optimized at point C, when the electric field reaches its maximum value, when it is perpendicular to the resonant induction field and when it is on a cylinder of small radius, that is to say on the second pipe 52 of small radius.
- the preionization plasma created in the pipe 52 is so dense that it becomes practically conductive, flourishing up to the equimagnetic surface 13, thus reaching point B.
- This equimagnetic surface 13 contains the confined plasma which is capable of absorbing and reflecting electromagnetic waves, thus making said surface 13 semiconductor, from point B to point A.
- the RCE ion source behaves like a coaxial line up to point A of the magnetic axis 15. This open line is then the seat of standing waves between point A and piston 45.
- the distance L between the point C and the tube 55 is 2.96 cm.
- the positive polarization of the pipe 52 by a power source 50 makes it possible to isolate the pre-ionized plasma in said pipe and the plasma confined in the equimagnetic surface 13 so as to obtain the optimum establishment of the electric field E of extraction ions without disturbing the transmission of electromagnetic waves necessary for the RCE phenomenon.
- This device makes it possible to increase the performance of a known ion source (such as that shown in FIG. 1) by a factor of 3 to 4.
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Abstract
Description
La présente invention concerne une amélioration d'une source d'ions à résonance cyclotronique électronique (RCE) permettant, notamment, la production d'ions multichargés.The present invention relates to an improvement of an ion source with electronic cyclotron resonance (ECR) allowing, in particular, the production of multicharged ions.
Elle trouve de nombreuses applications en fonction des différentes valeurs de l'énergie cinétique des ions produits, 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.It finds many applications depending on the different values of the kinetic energy of the ions produced, in the field of ion implantation, microgravure, and more particularly in the equipment of particle accelerators used both in the scientific field. than medical.
Dans les sources d'ions à résonance cyclotronique électronique, les ions sont obtenus par ionisation, dans une enceinte fermée, telle qu'une cavité hyperfréquence, d'un milieu gazeux constitué d'un ou plusieurs gaz ou de vapeurs métalliques, au moyen d'électrons fortement accélérés par résonance cyclotronique électronique. Cette résonance est obtenue grâce à l'action conjuguée d'un champ électromagnétique haute fréquence (HF) injecté dans l'enceinte, contenant le gaz à ioniser, et d'un champ magnétique, régnant dans cette même enceinte, dont l'amplitude B satisfait à la condition de résonance cyclotronique électronique suivante B = F.2 π m/e, dans laquelle e représente la charge de l'électron, m sa masse et F la fréquence du champ électromagnétique.In ion sources with electronic cyclotron resonance, the ions are obtained by ionization, in a closed enclosure, such as a microwave cavity, of a gaseous medium consisting of one or more gases or metallic vapors, by means of electrons strongly accelerated by electronic cyclotron resonance. This resonance is obtained by the combined action of a high frequency electromagnetic field (HF) injected into the enclosure, containing the gas to be ionized, and a magnetic field, prevailing in this same enclosure, whose amplitude B satisfies the following electronic cyclotronic resonance condition B = F.2 π m / e, in which e represents the charge of the electron, m its mass and F the frequency of the electromagnetic field.
Dans ces sources, la quantité d'ions pouvant être produite résulte de la compétition entre deux processus : d'une part, la formation des ions par impact électronique sur des atomes neutres constituant le gaz à ioniser et, d'autre part, la destruction de ces mêmes ions par recombinaison, simple ou multiple, lors d'une collision de ces derniers avec un atome neutre ; cet atome neutre peut provenir du gaz non encore ionisé ou bien être produit sur les parois de l'enceinte par impact d'un ion sur lesdites parois.In these sources, the quantity of ions that can be produced results from the competition between two processes: on the one hand, the formation of ions by electronic impact on neutral atoms constituting the gas to be ionized and, on the other hand, the destruction of these same ions by recombination, single or multiple, during a collision of the latter with a neutral atom; this neutral atom can come from the gas not yet ionized or else be produced on the walls of the enclosure by impact of an ion on said walls.
Cet inconvénient est évité en confinant, dans l'enceinte constituant la source, les ions formés, ainsi que les électrons servant à leur ionisation. Ceci est réalisé en créant à l'intérieur de l'enceinte des champs magnétiques radial et axial, définissant une surface dite "équimagnétique", n'ayant aucun contact avec les parois de l'enceinte et sur laquelle la condition de résonance cyclotronique électronique est satisfaite. Cette surface a la forme d'un ballon de rugby. Plus cette surface équimagnétique est proche des parois de l'enceinte, plus son efficacité est grande car elle permet de limiter le volume de présence des atomes neutres et donc la quantité de collisions ions-atomes neutres. Cette surface permet aussi de confiner les ions et les électrons produits par ionisation du gaz. Grâce à ce confinement, les électrons créés ont le temps de bombarder plusieurs fois un même ion et de l'ioniser totalement.This drawback is avoided by confining, in the enclosure constituting the source, the ions formed, as well as the electrons used for their ionization. This is achieved by creating inside the enclosure radial and axial magnetic fields, defining a so-called "equimagnetic" surface, having no contact with the walls of the enclosure and on which the condition of electronic cyclotron resonance is satisfied. This surface has the shape of a rugby ball. The closer this equimagnetic surface is to the walls of the enclosure, the greater its effectiveness because it makes it possible to limit the volume of presence of neutral atoms and therefore the amount of ion-neutral atom collisions. This surface also makes it possible to confine the ions and the electrons produced by ionization of the gas. Thanks to this confinement, the electrons created have the time to bombard the same ion several times and fully ionize it.
Une telle source d'ions a été décrite dans le document déposé le 13 mars 1986, au nom du demandeur, et publié sous le numéro FR-A-2 595 868.Such an ion source was described in the document filed on March 13, 1986, in the name of the applicant, and published under the number FR-A-2 595 868.
Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une source d'ions, selon l'art antérieur. Cette source comprend une enceinte 1 constituant une cavité résonante pouvant être excitée par un champ électromagnétique haute fréquence (HF). Ce champ électromagnétique est produit par un générateur 3 d'ondes électromagnétiques ; il est introduit à l'intérieur de l'enceinte 1 par l'intermédiaire d'un guide d'ondes 5 et d'une cavité de transition 20.In Figure 1, there is shown schematically an ion source according to the prior art. This source comprises an enclosure 1 constituting a resonant cavity which can be excited. by a high frequency electromagnetic field (HF). This electromagnetic field is produced by a
Cette source comprend également une structure magnétique (7, 9, 11) blindée extérieurement, dont le blindage 11 permet de ne magnétiser que le volume utile à la résonance cyclotronique électronique dans l'enceinte 1.This source also includes an externally shielded magnetic structure (7, 9, 11), the
Cette structure magnétique comprend, en outre le blindage 11, des aimants permanents 7 et des solénoïdes 9, disposés autour de l'enceinte 1 et créant respectivement un champ magnétique radial et un champ magnétique axial. Ces deux champs magnétiques se superposent et se répartissent dans toute l'enceinte ; ils forment ainsi un champ magnétique résultant qui définit la surface équimagnétique résonante 13 à l'intérieur de l'enceinte 1.This magnetic structure further comprises the
Un axe magnétique 15, qui est également l'axe longitudinal de la source, traverse le blindage 11 par deux ouvertures 17 et 19, aménagées dans ledit blindage 11 pour permettre respectivement l'extraction des ions de l'enceinte 1, ainsi que l'introduction d'ondes électromagnétiques et d'échantillons gazeux ou solides.A
Une première et une seconde canalisations 21 et 23 relient l'ouverture 19 du blindage 11 à des ouvertures respectives 25 et 27 de la cavité de transition 20, ces ouvertures étant situées sur les faces latérales de la cavité 20 qui a la forme d'un cube.First and
Le rapport des diamètres de ces deux canalisations 21, 23 est tel qu'il est possible d'assimiler ces dernières à une ligne coaxiale d'impédance caractéristique de l'ordre de 85 Ohms. Une telle ligne coaxiale propage préférentiellement un mode électromagnétique Transverse Electro-Magnétique (TEM) dans lequel le champ électromagnétique E est transverse à la direction de propagation des ondes et perpendiculaire à la surface des conducteurs, c'est-à-dire des canalisations 21, 23.The ratio of the diameters of these two
Pour ioniser un gaz, on introduit ledit gaz dans l'enceinte 1 par l'intermédiaire d'une canalisation 30 de gaz reliée à l'ouverture 27 de la cavité de transition 20. Le gaz et les ondes électromagnétiques introduits dans la cavité 20 sont transmis à l'enceinte 1 par les première et seconde canalisations 21 et 23, dont le rôle est de permettre de transmettre lesdites ondes vers ladite enceinte et de les y injecter suivant l'axe longitudinal 15.To ionize a gas, said gas is introduced into the enclosure 1 via a
Il est possible, également, de créer des ions à partir d'un échantillon solide introduit sous forme d'une tige dans la canalisation 23. Cependant, dans toute la description qui va suivre, il sera pris, comme exemple, l'ionisation d'un gaz.It is also possible to create ions from a solid sample introduced in the form of a rod into the
Dans l'enceinte 1, l'association du champ magnétique axial et du champ électromagnétique permet d'ioniser fortement le gaz introduit. Les électrons produits sont alors fortement accélérés par résonance cyclotronique électronique, ce qui conduit à la formation d'un plasma d'électrons chauds confinés dans le volume limité par la surface équimagnétique 13.In enclosure 1, the combination of the axial magnetic field and the electromagnetic field makes it possible to strongly ionize the gas introduced. The electrons produced are then strongly accelerated by electronic cyclotron resonance, which leads to the formation of a plasma of hot electrons confined in the volume limited by the
Les ions alors formés dans l'enceinte 1 sont extraits de celle-ci par un champ électrique d'extraction généré par une différence de potentiel appliquée entre une électrode 31 et l'enceinte 1. L'électrode 31 et l'enceinte 1 sont toutes deux reliées à une source 33 d'alimentation électrique, l'électrode 31 étant positionnée à l'extérieur de l'ouverture 17 de l'enceinte 1.The ions then formed in enclosure 1 are extracted therefrom by an electric extraction field generated by a potential difference applied between an
Pour contrôler l'intensité du courant d'ions, il est possible de contrôler la puissance moyenne du champ électromagnétique en agissant sur un générateur d'impulsions 35, lui-même situé en amont d'une source d'alimentation 37 reliée au générateur d'ondes électromagnétiques. Ledit générateur d'impulsions 35 commande ladite source d'alimentation 37 en ajustant le cycle utile, à savoir le rapport entre la durée d'une impulsion et la période des impulsions.To control the intensity of the ion current, it is possible to control the average power of the electromagnetic field by acting on a
De plus, des moyens 39 de mesure de pression totale sont reliés à une entrée d'un comparateur 41, dont la sortie est elle-même reliée à une vanne 43 de la canalisation 30 de gaz. Sur une seconde entrée du comparateur 41, une tension de référence R est appliquée et comparée à la valeur mesurée du courant d'ions pour donner, en sortie du comparateur, la valeur à transmettre à la vanne 43. Cette vanne 43 permet d'agir sur la quantité de gaz à introduire dans l'enceinte 1, de façon à réguler automatiquement le courant d'ions.In addition, means 39 for measuring total pressure are connected to an input of a
De plus, un piston 45 d'adaptation, relié à une troisième ouverture latérale 29 de la cavité 20, permet de régler le volume interne de ladite cavité 20. Le réglage dudit piston 45 est utilisé pour accorder l'ensemble des volumes internes de la cavité 20 sur la fréquence des ondes électromagnétiques afin d'obtenir un minimum d'ondes réfléchies, c'est-à-dire d'ondes qui retournent au générateur d'ondes 3. Lorsque ces volumes internes sont accordés sur la fréquence des ondes électromagnétiques, les ondes injectées dans la cavité 20 par le générateur 3 sont presque totalement transmises, par les canalisations 21 et 23, à l'enceinte 1 contenant le plasma, puis absorbées par la surface équimagnétique 13.In addition, an
Dans cette source d'ions de l'art antérieur, la seconde canalisation 23 est transparente aux ondes électromagnétiques à son extrémité 23a, extrémité voisine de l'ouverture 19 de l'enceinte 1 située en regard du blindage 11.In this ion source of the prior art, the
Dans le volume intérieur de cette partie transparente 23a, règne un champ magnétique axial provenant des solénoïdes, un champ électromagnétique et une pression de gaz élevée. Le champ électromagnétique provient des ondes électromagnétiques transmises entre la première canalisation 21 et une partie non transparente 23b de la seconde canalisation 23, et qui traversent la partie transparente 23a de la seconde canalisation 23. De ce fait, une résonance cyclotronique électronique peut avoir lieu à l'intérieur de l'extrémité 23a de la seconde canalisation 23 dans un volume où règne une forte pression de gaz.In the interior volume of this transparent part 23a, there is an axial magnetic field from the solenoids, an electromagnetic field and a high gas pressure. The electromagnetic field comes from electromagnetic waves transmitted between the
Cette extrémité transparente aux ondes électromagnétiques constitue donc un étage de pré-ionisation auto-régulé, où l'excédent de puissance incidente des ondes électromagnétiques est transmis sans réflexion jusqu'à la zone de résonance cyclotronique électronique constituée par la surface équimagnétique 13.This end transparent to electromagnetic waves therefore constitutes a self-regulated pre-ionization stage, where the excess incident power of the electromagnetic waves is transmitted. without reflection up to the electronic cyclotron resonance zone formed by the
En effet, plus le plasma produit par résonance cyclotronique électronique (ou plasma préionisé) est dense à l'intérieur de l'extrémité 23a de la canalisation, plus la transmission des ondes électromagnétiques et bonne, ce plasma préionisé devenant lui-même conducteur. De façon plus précise, le plasma préionisé se porte à un potentiel qui lui est imposé par la présence immédiate de la partie 23b conductrice de la canalisation 23, elle-même soumise, par l'intermédiaire de la canalisation 21 et de l'enceinte 1, à la tension de la source d'alimentation 33.In fact, the denser the plasma produced by electronic cyclotron resonance (or preionized plasma) inside the end 23a of the pipe, the better and better the transmission of electromagnetic waves, this preionized plasma itself becoming conductive. More precisely, the pre-ionized plasma is brought to a potential which is imposed on it by the immediate presence of the conductive part 23b of the
Le plasma confiné dans la surface équimagnétique 13 se porte naturellement à un potentiel positif par rapport à l'enceinte 1. En effet, les électrons de ce plasma confiné sont chauffés par la résonance cyclotronique des électrons et certains de ces électrons, trop énergétiques, s'échappent du confinement. Ils vont alors frapper l'enceinte 1 qui, sous cet effet, se charge négativement. Le plasma confiné a donc une polarité plus positive que celle de l'enceinte 1.The plasma confined in the
Aussi, la différence de potentiel créée entre l'enceinte 1 et le plasma confiné est à l'origine d'un champ électrique E. Ce champ E permet notamment le transfert des ions confinés vers l'ouverture 17 de l'enceinte 1.Also, the potential difference created between the enclosure 1 and the confined plasma is at the origin of an electric field E. This field E allows in particular the transfer of the confined ions towards the
Cependant, le plasma de préionisation qui s'étend jusqu'à la surface équimagnétique 13 est en contact avec le plasma confiné. Or, ledit plasma de préionisation est conducteur et porté au même potentiel que l'enceinte 1. Le champ électrique E est alors perturbé, ce qui affecte les capacités de la source d'ions.However, the preionization plasma which extends to the
Eloigner la partie conductrice 23b de la seconde canalisation, en augmentant la partie transparente 23a permettrait effectivement d'isoler le plasma de préionisation du plasma confiné. Cependant, dans un tel dispositif, la transmission de l'onde électromagnétique issue du générateur 3 n'est pas assurée car ladite partie transparente 23a n'est pas conductrice ; or, l'onde nécessite deux conducteurs coaxiaux, formant une ligne de transmission coaxiale, pour être transmise.Moving the conductive part 23b away from the second pipe, by increasing the transparent part 23a would effectively make it possible to isolate the preionization plasma from the confined plasma. However, in such a device, the transmission of the electromagnetic wave from the
La présente invention permet justement d'optimiser ce champ électrique E en isolant le plasma de préionisation par rapport au plasma confiné tout en assurant la transmission de l'onde électromagnétique. Elle propose, en effet, un système d'injection centrale du plasma de préionisation alimenté électriquement par une source de tension.The present invention precisely makes it possible to optimize this electric field E by isolating the pre-ionization plasma from the confined plasma while ensuring the transmission of the electromagnetic wave. It proposes, in fact, a central injection system for the pre-ionization plasma supplied electrically by a voltage source.
De façon plus précise, la présente invention concerne une source d'ions RCE (à résonance cyclotronique électronique) comprenant :
- une enceinte contenant un plasma d'ions et d'électrons formés par résonance cyclotronique électronique ;
- une structure magnétique entourant l'enceinte et créant, à l'intérieur de celle-ci, deux champs magnétiques respectivement radial et axial assurant un confinement dans l'enceinte ;
- un système d'extraction des ions de l'enceinte connecté à une source d'alimentation électrique ;
- une cavité de transition reliée à un générateur d'ondes électromagnétiques ;
- une première canalisation, conductrice, reliant de façon étanche au vide l'enceinte et la cavité ; et
- une seconde canalisation, au moins en partie conductrice, traversant axialement la première canalisation ainsi que la cavité et débouchant dans l'enceinte.
- an enclosure containing a plasma of ions and electrons formed by electronic cyclotron resonance;
- a magnetic structure surrounding the enclosure and creating, inside thereof, two magnetic fields, respectively radial and axial, ensuring confinement in the enclosure;
- an ion extraction system from the enclosure connected to a power source;
- a transition cavity connected to an electromagnetic wave generator;
- a first conductive pipe connecting the enclosure and the cavity in a vacuum-tight manner; and
- a second pipe, at least partly conductive, passing axially through the first pipe as well as the cavity and opening into the enclosure.
Cette source se caractérisé par le fait que la première et la seconde sources d'alimentation électrique sont identiques et de même polarité que la première source d'alimentation électrique.This source is characterized in that the first and second sources of electrical power are identical and of the same polarity as the first source of electrical power.
Avantageusement, la seconde canalisation comprend :
- un tube transparent aux ondes électromagnétiques réalisé en un matériau diélectrique ;
- un tube conducteur de faible épaisseur, recouvrant en partie le tube transparent ;
- un tube de métal réfractaire, de faible épaisseur, disposé contre une partie de la face interne du tube transparent.
- an electromagnetic wave transparent tube made of a dielectric material;
- a thin conductive tube, partially covering the transparent tube;
- a refractory metal tube, of small thickness, disposed against a part of the internal face of the transparent tube.
Selon l'invention, le tube conducteur recouvre le tube transparent depuis sa partie traversant la cavité jusqu'à une distance critique L = C/F du point de résonance C.According to the invention, the conductive tube covers the transparent tube from its part crossing the cavity to a critical distance L = C / F from the resonance point C.
De même, le tube en métal réfractaire recouvre la partie de la face interne du tube transparent depuis sa partie traversant la cavité jusqu'à une distance critique L = C/F du point de résonance C.Similarly, the refractory metal tube covers the part of the internal face of the transparent tube from its part crossing the cavity to a critical distance L = C / F from the resonance point C.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le tube transparent est en quartz, le tube conducteur en cuivre, et le tube en métal réfractaire est réalisé par une feuille de tantale.According to one embodiment of the invention, the transparent tube is made of quartz, the conductive tube is made of copper, and the refractory metal tube is made of a tantalum sheet.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre. Cette description est donnée à titre illustratif, mais nullement limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement une source d'ions RCE selon l'art antérieur ;
- la figure 2 représente schématiquement une source d'ions selon l'invention ; et
- la figure 3 représente un agrandissement de la seconde canalisation aux environs du point de résonance C.
- FIG. 1, already described, schematically represents a source of RCE ions according to the prior art;
- FIG. 2 schematically represents an ion source according to the invention; and
- FIG. 3 represents an enlargement of the second pipe around the resonance point C.
Les références citées et décrites lors de la description de la figure 1, seront conservées pour la description des figures 2 et 3 lorsque l'élément qu'elles référencent est identique dans l'invention et dans l'art antérieur.The references cited and described during the description of FIG. 1 will be kept for the description of FIGS. 2 and 3 when the element which they refer to is identical in the invention and in the prior art.
La figure 2 représente une source d'ions selon l'invention. Elle représente, en effet, la source d'ions de l'art antérieur, telle que décrite précédemment, à laquelle est ajoutée une seconde source d'alimentation électrique 50 et sur laquelle on a modifié la seconde canalisation conformément à l'invention. Cette canalisation porte, dans la figure 2, la référence 52.Figure 2 shows an ion source according to the invention. It represents, in fact, the ion source of the prior art, as described above, to which is added a second
La seconde source d'alimentation 50 est identique et de même polarité que la première source d'alimentation 33. Elle permet la délivrance d'une tension variable comprise entre sensiblement 10 et 20 Kv.The
La source d'alimentation 50 est connectée, par son pôle positif, à la seconde canalisation 52 et, par son pôle négatif, à la terre ainsi qu'au pôle négatif de la source d'alimentation 33.The
L'existence de la seconde source d'alimentation 50 permet de porter l'enceinte 1 et la canalisation 52 à des potentiels indépendants l'un de l'autre, et à des polarités identiques. Ainsi, lorsque l'enceinte 1 va se charger négativement au contact des électrons échappés de la surface équimagnétique 13, la canalisation 52 conservera sa polarité positive, de même que le plasma de préionisation qu'elle contient.The existence of the
Aussi, ledit plasma de préionisation, qui a une polarité à peu près similaire à la polarité du plasma confiné dans la surface équimagnétique 13, reste isolé par rapport au plasma confiné.Also, said preionization plasma, which has a polarity roughly similar to the polarity of the plasma confined in the
De cette façon, le champ électrique E entre le plasma confiné et l'enceinte 1, et notamment le champ E devant l'orifice d'extraction 17, est optimum.In this way, the electric field E between the confined plasma and the enclosure 1, and in particular the field E in front of the
Sur cette figure 2, on voit également la canalisation 52 conforme à l'invention. Cette canalisation 52 comporte un tube de quartz 53 disposé à l'intérieur de la première canalisation 21 et qui traverse toute la cavité 20 jusqu'à l'embouchure de la canalisation 30 du gaz.In this figure 2, we also see the
Ce tube de quartz 53 peut être, de façon plus générale, un tube constitué dans un matériau transparent diélectrique. Le quartz a cependant l'avantage de ne pas permettre le dégazage.This
La canalisation 52 comprend également un tube en cuivre 54 très mince enfilé sur le tube de quartz 53, c'est-à-dire entourant ledit tube de quartz de façon à épouser la surface extérieure du tube de quartz 53. Ce tube en cuivre 54 est conducteur et permet de transmettre les ondes électromagnétiques introduites dans la canalisation 21.The
Pour une meilleure transmission desdites ondes, le tube en cuivre 54 est soudé sur la paroi 28 de la cavité 20.For better transmission of said waves, the
De plus, pour permettre la préionisation du gaz injecté, le tube en cuivre 54 ne recouvre pas totalement le tube de quartz 53. En effet, une partie 53a du tube de quartz 53 doit rester transparente aux ondes électromagnétiques.In addition, to allow the preionization of the injected gas, the
Selon un autre mode de réalisation de la canalisation 52, le tube en cuivre 54 peut être remplacé par la métallisation du tube de quartz 53, c'est-à-dire par un dépôt argenté sur ledit tube de quartz.According to another embodiment of the
La canalisation 52 comprend de plus un tube en métal réfractaire 55 enfilé à l'intérieur du tube de quartz 53, c'est-à-dire posé contre la paroi interne dudit tube de quartz.The
De façon avantageuse, et selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le tube en métal réfractaire 55 peut être réalisé par une feuille de tantale mince enroulée à l'intérieur du tube de quartz 53 de façon à en épouser sa surface interne de manière quasi-parfaite.Advantageously, and according to a preferred embodiment of the invention, the
Ce tube en métal réfractaire 55 peut également être réalisé, suivant le même principe, par une feuille de tunsgtène.This
Ce tube en métal réfractaire 55 recouvre la surface interne du tube de quartz 53 sur toute sa longueur, excepté dans sa partie 53a laissée transparente aux ondes électromagnétiques.This
A l'extrémité fermée de la canalisation 52, c'est-à-dire à son extrémité proche de la canalisation de gaz 30, un passage étanche au vide est créé dans ladite canalisation 52, par lequel un fil électrique assure une liaison entre la source d'alimentation 50 et le tube en métal réfractaire 55.At the closed end of the
Sur la figure 3, on a représenté la position des tubes 53, 54 et 55 en fonction du point de résonance C.In FIG. 3, the position of the
En effet, dans une source d'ions à injection coaxiale de l'onde électromagnétique, telle que la source d'ions décrite précédemment, les champs électriques (non représentés sur les figures) des ondes électromagnétiques sont optimum aux points A, B et C représentés sur la figure 2. Plus précisément, la résonance RCE est optimisée au point C, lorsque le champ électrique atteint sa valeur maximale, qu'il est perpendiculaire au champ d'induction résonante et qu'il est sur un cylindre de faible rayon, c'est-à-dire sur la seconde canalisation 52 de faible rayon.Indeed, in an ion source with coaxial injection of the electromagnetic wave, such as the ion source described above, the electric fields (not shown in the figures) of the electromagnetic waves are optimum at points A, B and C represented in FIG. 2. More precisely, the RCE resonance is optimized at point C, when the electric field reaches its maximum value, when it is perpendicular to the resonant induction field and when it is on a cylinder of small radius, that is to say on the
De plus, lorsque cette résonance RCE optimisée existe, le plasma de préionisation créé dans la canalisation 52 est tellement dense qu'il devient pratiquement conducteur, s'épanouissant jusqu'à la surface équimagnétique 13, atteignant ainsi le point B. Cette surface équimagnétique 13 contient le plasma confiné qui est apte à absorber et à réfléchir les ondes électromagnétiques, rendant ainsi ladite surface 13 semi-conductrice, du point B jusqu'au point A.In addition, when this optimized RCE resonance exists, the preionization plasma created in the
Ainsi, d'un point de vue électromagnétique, la source d'ions RCE se comporte comme une ligne coaxiale jusqu'au point A de l'axe magnétique 15. Cette ligne ouverte est alors le siège d'ondes stationnaires entre le point A et le piston 45.Thus, from an electromagnetic point of view, the RCE ion source behaves like a coaxial line up to point A of the
On comprend alors que la position de la canalisation 52 par rapport au point C doit être définie avec précision. Cette position est représentée sur la figure 3 par la distance critique L entre la partie non transparente de la canalisation 52 et le point de résonance C.It is then understood that the position of the
Le plasma préionisé, créé en C, diffuse non seulement jusqu'au point B mais également jusqu'au tube en métal 55 qui est conducteur. Le tube en métal 55 peut donc être interrompu à une distance L du point C, cette distance critique L étant déterminée à partir de l'égalité L = C/F, dans laquelle C est la célérité de la lumière et F la fréquence de l'onde électromagnétique.The pre-ionized plasma, created at C, diffuses not only to point B but also to
Selon un exemple de réalisation, et pour une fréquence F de 10 120 MHz, la distance L entre le point C et le tube 55 est de 2,96 cm.According to an exemplary embodiment, and for a frequency F of 10 120 MHz, the distance L between the point C and the
D'un point de vue électromagnétique, la transmission de l'onde électromagnétique s'effectue comme si le plasma de préionisation prolongeait aussi le tube en cuivre 54. Le système d'ondes stationnaires entre le point A et le piston 45 (figure 2) n'est donc pas perturbé. Aussi, l'onde électromagnétique issue du générateur 3 est transmise au plasma jusqu'au point A d'où elle est réfléchie jusqu'au piston 45 qui la renvoie dans le plasma, et ainsi de suite, jusqu'à ce que l'onde soit totalement absorbée par le plasma dans le procédé de résonance cyclotronique électronique.From an electromagnetic point of view, the transmission of the electromagnetic wave takes place as if the preionization plasma also extended the
Ainsi, la polarisation positive de la canalisation 52 par une source d'alimentation 50 permet d'isoler le plasma préionisé dans ladite canalisation et le plasma confiné dans la surface équimagnétique 13 de façon à obtenir l'établissement optimum du champ électrique E d'extraction des ions sans perturber la transmission des ondes électromagnétiques nécessaires au phénomène de RCE.Thus, the positive polarization of the
Ce dispositif, tel que décrit, permet d'accroître les performances d'une source d'ions connue (telle que celle représentée sur la figure 1) d'un facteur 3 à 4.This device, as described, makes it possible to increase the performance of a known ion source (such as that shown in FIG. 1) by a factor of 3 to 4.
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