FR2586139A1 - ION DIODE WITH MAGNETIC MIRROR - Google Patents
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Abstract
DIODE A IONS A MIROIR MAGNETIQUE. LA DIODE COMPREND UNE ANODE 20, UNE CATHODE 22 ET UN ENROULEMENT 24 CREANT, DERRIERE L'ANODE, UN CHAMP MAGNETIQUE DIVERGENT. LES ELECTRONS QUI FRANCHISSENT L'ANODE SONT REPOUSSES VERS CELLE-CI. APPLICATION COMME SOURCE D'IONS.MAGNETIC MIRROR DIODE. THE DIODE INCLUDES AN ANODE 20, A CATHODE 22 AND A WINDING 24 CREATING, BEHIND THE ANODE, A DIVERGENT MAGNETIC FIELD. THE ELECTRONS WHICH CROSS THE ANODE ARE PUSHED TOWARDS THE ANODE. APPLICATION AS A SOURCE OF IONS.
Description
DIODE A IONS A MIROIR MAGNETIQUEION DIODE WITH MAGNETIC MIRROR
La présente invention a pour objet une diode à ions à miroir magnétique. Elle trouve de nombreuses applications notamment comme source d'ions et comme moyen de déposer de l'énergie de grande densité sur un substrat pour créer des plasmas denses et chauds comme on en recherche en physique et en particulier dans les The present invention relates to a magnetic mirror ion diode. It finds many applications in particular as an ion source and as a means of depositing high density energy on a substrate to create dense and hot plasmas as is sought in physics and in particular in
études sur la fusion thermonucléaire. thermonuclear fusion studies.
Pour engendrer les faisceaux d'ions de grande intensité requis pour la fusion inertielle, de nombreux laboratoires dans le monde ont imaginé et développé des diodes à ions. La conception de ces dispositifs est To generate the high intensity ion beams required for inertial fusion, many laboratories around the world have designed and developed ion diodes. The design of these devices is
toujours guidée par le problème fondamental de l'élimi- always guided by the fundamental problem of eliminating
nation du courant d'électrons, lequel est inévitable- nation of the electron current, which is inevitable-
ment présent avec une intensité toujours beaucoup plus grande (de 10 à 100 fois) que le courant d'ions. Ce problème est très important puisqu'il conditionne le present with an intensity still much greater (10 to 100 times) than the current of ions. This problem is very important since it conditions the
rendement énergétique du dispositif. energy efficiency of the device.
On connaît deux façons de supprimer le fais- There are two ways to remove the
ceau d'électrons dans une diode à ions: electron beam in an ion diode:
1 ) en appliquant dans la diode un champ ma- 1) by applying a magnetic field in the diode
gnétique perpendiculaire au champ électrique accéléra- perpendicular to the accelerating electric field.
teur, ce qui courbe les trajectoires électroniques au which curves the electronic trajectories to
point d'interdire aux électrons la traversée de l'in- prohibit the electrons from crossing the
tervalle accélérateur, 2 ) en réalisant une diode qui comporte une anode très mince avec un miroir électrique placé à accelerator, 2) by making a diode which has a very thin anode with an electric mirror placed at
l'arrière, ce qui crée une structure "reflex" dans la- the rear, which creates a "reflex" structure in the-
quelle les électrons oscillent un très grand nombre de fois de part et d'autre de l'anode avant d'être arrêtés which electrons oscillate a very large number of times on both sides of the anode before being stopped
dans celle-ci.in this one.
Ces deux solutions sont décrites dans un ar- These two solutions are described in an article
ticle de synthèse dû à S. HUMPHRIES intitulé "Intense Pulsed Ion Beams for Fusion Application" publié dans la synthesis paper by S. HUMPHRIES entitled "Intense Pulsed Ion Beams for Fusion Application" published in the
revue Nuclear Fusion, vol.20, n 12, (1980) pp 1549- Nuclear Fusion review, vol.20, n 12, (1980) pp 1549-
1572. De nombreuses diodes exploitent te premier principe. Mais La présente invention retient te second et utitise un dispositif "reflex". Une diode à ions seton ce principe connu est représentée sur La figure 1. ELLe comprend une anode 10 en forme de griLLe, une 1572. Many diodes exploit the first principle. But the present invention retains the second and utitise a device "reflex". An ion diode according to this known principle is shown in FIG. 1. It comprises an anode 10 in the form of a claw, a
première cathode 11 disposée devant L'anode et une se- first cathode 11 disposed in front of the anode and a second
conde cathode 12 disposée derrière L'anode. Son fonc- conde cathode 12 disposed behind the anode. Its function
tionnement est Le suivant. Les électrons e extraits de La cathode 11 sont accélérés par te champ électrique présent entre L'anode et La cathode et se dirigent vers L'anode 10 qu'its traversent. ILs sont ators décélérés par Le champ électrique qui règne derrière L'anode (et qui est symétrique du champ accélérateur). La seconde The following is the next. The electrons e extracted from the cathode 11 are accelerated by the electric field present between the anode and the cathode and are directed towards the anode 10 through which they pass. They are decelerated by the electric field behind the anode (which is symmetrical with the accelerator field). The second
cathode se comporte ainsi comme un "miroir" électrique. cathode thus behaves like an electric "mirror".
Les électrons rebroussent chemin et se dirigent à nou- The electrons turn back and head again
veau vers L'anode qu'its traversent en sens inverse. calf to the anode that crosses in the opposite direction.
ILs sont à nouveau décéLérés et Le processus se pour- They are again decelerated and the process is
suit jusqu'à absorption compLète par L'anode. IL se forme autour de ceLLeci un plasma 14 qui engendre des follows until complete absorption by the anode. It forms around this a plasma 14 that generates
ions 1, LesqueLs sont accélérés, franchissent La catho- ions 1, which are accelerated, cross the
de 11 et sont ensuite dirigés vers une cibte. of 11 and are then directed to a cibte.
Un tel dispositif présente de nombreux incon- Such a device has many disadvantages
vénients: - Le courant d'ions est émis en fait par Les deux faces de L'anode et comme it ne peut.être utilisé que d'un côté, Le rendement de La diode est divisé par 2, - La structure plane de La diode ne permet pas une focaLisation du faisceau d'ions, - le "miroir" électrique formé par La seconde cathode est sujet à des cLaquages qui, en pratique, The ion current is emitted in fact by the two faces of the anode and as it can only be used on one side. The efficiency of the diode is divided by 2. diode does not permit focussing of the ion beam, - the electric "mirror" formed by the second cathode is subject to cleavages which, in practice,
rendent le système difficitement utiLisabLe. make the system difficult to use.
Le dispositif suivant L'invention évite ces The device according to the invention avoids these
inconvénients grâce à L'utiLisation d'un "miroir" ma- disadvantages thanks to the use of a "mirror"
gnétique qui: - n'est pas sujet à des claquages, - permet de ne pas avoir de champ électrique derrière l'anode et donc de n'accélérer les ions que d'un seul côté, - autorise une configuration quasi-sphérique gnetic which: - is not subject to breakdowns, - makes it possible not to have an electric field behind the anode and thus to accelerate the ions only on one side, - allows a quasi-spherical configuration
qui permet de focaliser le faisceau d'ions. which makes it possible to focus the ion beam.
De façon plus précise, ce miroir magnétique est obtenu par un enroulement parcouru par un courant, More precisely, this magnetic mirror is obtained by a winding traversed by a current,
cet enroulement étant coaxial à l'anode et à la catho- this winding being coaxial with the anode and the cathode
de. Il est placé derrière l'anode, aux lieu et place de of. It is placed behind the anode, instead of
la seconde électrode négative des dispositifs anté- the second negative electrode of the prior devices
rieurs.laughing.
De toute façon, l'invention sera mieux com- In any case, the invention will be better
prise à la lecture de la description qui suit, d'un taken from the description which follows, of a
exemple de réalisation donné à titre explicatif et nul- example given for explanatory purposes and no
lement limitatif. Cette description se réfère à des limiting effect. This description refers to
dessins annexés sur lesquels: - la figure 1, déjà décrite, représente une diode selon l'art antérieur, - la figure 2 représente, en coupe, une diode attached drawings in which: - Figure 1, already described, shows a diode according to the prior art, - Figure 2 shows, in section, a diode
selon l'invention.according to the invention.
Le dispositif représenté sur la figure 2 com- The device represented in FIG.
prend une anode 20 portée à une haute tension positive +V délivrée par une source 21, une cathode 22 reliée à takes an anode 20 brought to a high positive voltage + V delivered by a source 21, a cathode 22 connected to
la masse, et, derrière l'anode, un enroulement 24 coa- the mass, and behind the anode, a coiled coil 24
xial à l'anode et à la cathode. Cet enroulement est alimenté en courant par un générateur 26. Les Lignes de xial at the anode and the cathode. This winding is supplied with current by a generator 26. The lines of
champ magnétique sont référencées 28. Elles sont forte- Magnetic field are referenced 28. They are strong-
ment divergentes en direction de l'anode (ou convergen- diverging towards the anode (or convergent
tes si L'on considère la direction opposée). En d'au- if you consider the opposite direction). In addition
tres termes le champ est fortement non homogène. very terms the field is strongly non-homogeneous.
On observera que l'anode et la cathode pré- It will be observed that the anode and the cathode pre-
sentent la forme de calottes sphériques dont la conca- feel like spherical caps whose concave
vité est dirigée vers une cible 30. De cette manière, is directed to a target 30. In this way,
le faisceau d'ions 32 présente une certaine focalisa- the ion beam 32 has a certain focus
tion. Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. La partie située entre l'anode et La cathode fonctionne comme dans l'art antérieur. Les électrons tion. The operation of this device is as follows. The portion between the anode and the cathode operates as in the prior art. Electrons
sont extraits de la cathode, sont accélérés dans l'es- are extracted from the cathode, are accelerated in the
pace interéLectrode, tombent sur l'anode et La traver- internode, fall on the anode and pass through
sent. Ces électrons sont ensuite soumis au champ magné- feels. These electrons are then subjected to the magnetic field
tique de l'enroulement 24. Leurs trajectoires s'enrou- of the coil 24. Their trajectories are
lent autour des lignes de champ et se couchent vers slow around the field lines and lie down towards
l'axe de la diode. Les électrons finissent par rebrous- the axis of the diode. The electrons end up rebrous-
ser chemin pour retomber sur l'anode et La retraverser. be sure to fall back on the anode and cross it again.
Le champ électrique interélectrode les décéLère d'abord, leur fait à nouveau rebrousser chemin puis les accéLère à nouveau vers l'anode qu'ils retraversent. Le champ magnétique incurve à nouveau leurs trajectoires pour finalement les diriger à nouveau vers l'anode, etc... Les électrons oscillent ainsi un grand nombre de fois autour de l'anode. A chaque passage, ils cèdent de l'énergie à l'anode, ce qui contribue à créer autour de celle-ci un plasma. Les ions sont extraits de ce The interelectrode electric field decelerates them first, makes them turn back again and then accelerates them again towards the anode that they cross again. The magnetic field bends their trajectories again to finally direct them back to the anode, etc. The electrons oscillate a large number of times around the anode. At each pass, they give energy to the anode, which helps to create a plasma around it. The ions are extracted from this
plasma et accélérés vers l'avant par le champ éLectri- plasma and accelerated forward by the electric field.
que interélectrode. Comme il n'y a pas de champ éLec- than interelectrode. Since there is no elec-
trique à l'arrière de l'anode, seul un faisceau d'ions at the rear of the anode, only an ion beam
32 est émis vers l'avant, en direction de la cible 30. 32 is emitted forward towards the target 30.
La présence des électrons au voisinage de l'anode crée, au voisinage de celle-ci, une charge The presence of electrons in the vicinity of the anode creates, in the vicinity of the anode, a charge
d'espace négative qui compense la charge d'espace posi- of negative space that compensates for the posi-
tive du faisceau d'ions, elle-même responsable de La of the ion beam, itself responsible for the
limitation du courant. Cet effet es-t donc bénéfique. current limitation. This effect is therefore beneficial.
Le champ électrique entre anode et cathode _ - -peutâtre de-t'ordre de 200 kV/cm à 2 MV/cm. IL est The electric field between the anode and the cathode is as large as 200 kV / cm at 2 MV / cm. He is
continu ou impuLsionnel.continuous or impulsive.
Dans une variante de réalisation, la cathode 22 est une grille et un filament chauffé 33 est utilisé en liaison avec une source de courant 34. Les électrons issus du filament 33 diffusent jusqu'à la grille 22, puis pénètrent dans l'espace interélectrode o ils sont accélérés. Le processus est ensuite le même que celui qui est décrit plus haut. Divers modes de réalisation sont possibles pour l'anode et la cathode. Elles peuvent être étanches aux gaz et délimiter ainsi des chambres étanches o In an alternative embodiment, the cathode 22 is a gate and a heated filament 33 is used in connection with a current source 34. The electrons from the filament 33 diffuse to the gate 22, then enter the interelectrode space o they are accelerated. The process is then the same as that described above. Various embodiments are possible for the anode and the cathode. They can be gastight and thus delimit watertight chambers.
règnent des pressions réduites de gaz (quelques torrs). there are reduced gas pressures (a few torr).
Mais elles peuvent être aussi réalisées sous forme de But they can also be realized in the form of
grilles métalliques.metal grilles.
Par ailleurs, l'anode peut comporter dans sa Moreover, the anode may include in its
masse ou sous forme de couche superficielle, les espè- mass or in the form of a superficial layer, the species
ces atomiques devant constituer le faisceau d'ions. these atoms must constitute the ion beam.
Claims (7)
Priority Applications (2)
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FR8512278A FR2586139B1 (en) | 1985-08-12 | 1985-08-12 | MAGNETIC MIRROR ION DIODE |
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Publications (2)
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FR2586139B1 FR2586139B1 (en) | 1987-10-30 |
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ID=9322165
Family Applications (1)
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FR8512278A Expired FR2586139B1 (en) | 1985-08-12 | 1985-08-12 | MAGNETIC MIRROR ION DIODE |
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- 1985-08-12 FR FR8512278A patent/FR2586139B1/en not_active Expired
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NUCLEAR FUSION, vol. 20, no. 12, 1980, pages 1549-1612, Vienne, AU; S.HUMPHIES, Jr.: "Intense pulsed ion beams for fusion applications" * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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