FR2613533A1 - Canon a electrons a plasma ionique - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN CANON A ELECTRONS A PLASMA IONIQUE DESTINE A PRODUIRE DES FAISCEAUX D'ELECTRONS A FORTE SECTION, PRESENTANT UNE REPARTITION UNIFORME DES ELECTRONS. DES IONS POSITIFS SONT PRODUITS PAR UN FIL 4 DANS UNE CHAMBRE 12 ET SONT ACCELERES, A TRAVERS UNE GRILLE D'EXTRACTION 16, VERS L'INTERIEUR D'UNE SECONDE CHAMBRE 13 CONTENANT UNE CATHODE FROIDE 6 DONT ILS BOMBARDENT UNE SURFACE POUR QU'ELLE EMETTE DES ELECTRONS SECONDAIRES. LE FAISCEAU D'ELECTRONS AINSI FORME SORT DU CANON A TRAVERS UNE FENETRE A FEUILLE MINCE 2 SUPPORTEE PAR UNE SECONDE GRILLE 15. UNE CIBLE 50, RECEVANT UN FAISCEAU D'ELECTRONS SECONDAIRES ET UN CIRCUIT 40 DE COMPARAISON SONT CONNECTES A UNE ALIMENTATION 1 EN ENERGIE DE LA SOURCE D'IONS POSITIFS AFIN DE MAINTENIR SENSIBLEMENT CONSTANT LE DEBIT D'ELECTRONS SECONDAIRES. DOMAINE D'APPLICATION : CANONS A ELECTRONS A HAUTE ENERGIE, NOTAMMENT POUR LASERS A GAZ, ETC.
Description
Le canon à électrons à plasma ionique selon l'invention est du même type
général que celui décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N' 3 970 892 et dans la
demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N' 596 093.
Comme indiqué dans l'art antérieur, un progrès récent dans le domaine de la génération de faisceaux d'électrons à haute énergie à utiliser, par exemple, dans des lasers à gaz à excitation par faisceau d'électrons, porte sur le canon à électrons à cathode à plasma. Dans un tel canon à électrons, un plasma est produit dans une décharge de cathode creuse, entre la surface de la cathode creuse et une grille d'anode commandée à une tension relativement basse par rapport à la cathode. Des électrons sont extraits du plasma de décharge à travers la grille d'anode et une grille de commande, et ces électrons sont accélérés pour acquérir des énergies élevées dans une zone sans plasma, située entre les grilles, et une anode accélératrice qui, habituellement est une fenêtre à feuille mince maintenue à
une tension relativement élevée par rapport à la cathode.
Les avantages du canon à électrons à cathode à plasma sont, entre autres, sa simplicité structurelle et sa robustesse, sa haute aptitude à la commande et son efficacité, son faible coût et ses facultés d'adaptation à la production de faisceaux d'électrons de forte section. Un autre brevet, à savoir le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 025 818, décrit un canon à électrons à plasma ionique qui est essentiellement similaire au canon décrit ci-dessus mais qui comporte, en outre, une anode à fil pour la décharge de plasma et un certain nombre de chicanes qui permettent aux chambres de plasma d'être raccordées les unes à la suite des autres. Dans les générateurs antérieurs de faisceaux d'électrons, le courant du faisceau est en général
proportionnel au courant fourni à la cathode par l'alimen-
tation en énergie à haute tension. Par conséquent, la commande et le maintien d'un taux d'irradiation uniforme et constant dépendent simplement de la mesure et du réglage du
courant fourni à la cathode.
Cependant, dans le cas de dispositifs à plasma ionique à fil, le courant de l'alimentation en énergie à haute tension est égal à la somme des ions hélium inci- dents, générés dans la chambre à plasma, et des électrons émis par la surface de la cathode. Le rapport des électrons émis aux ions incidents, à savoir le coefficient d'émission secondaire, dépend des conditions de la surface de
l'émetteur. Ces conditions se sont avérées très changean-
tes, si bien que le simple contrôle du courant de l'alimen-
tation en énergie à haute tension est impropre à la commande et au maintien constant du taux d'irradiation ou de la production d'électrons secondaires du dispositif à
plasma ionique à fil.
Un objet de l'invention est donc de proposer un moyen pour commander avec précision et maintenir constant le taux d'irradiation ou la production du faisceau d'électrons secondaires d'un canon à électrons à plasma
ionique a fil.
L'invention concerne un canon à électrons à plasma ionique. Il comprend une enceinte vidée d'air, conductrice du courant électrique, formant des première et seconde chambres adjacentes l'une à l'autre et entre elles un ouverture. Un fil est placé dans la première chambre et est connecté électriquement avec une alimentation en énergie à courant régulé pour générer des ions positifs, tels que des ions hélium, dans cette première chambre. Une cathode placée dans la seconde chambre est espacée et isolée de l'enceinte. La cathode présente une surface
émettrice d'électrons secondaires.
Des moyens sont prévus pour appliquer une haute tension négative entre la cathode et l'enceinte afin d'amener la cathode à attirer des ions positifs de la première chambre vers la seconde chambre pour qu'ils entrent en collision avec la surface de la cathode et
amènent ainsi la surface à émettre des électrons secon-
daires. Une mince feuille, conductrice du courant électri-
que et transmettant les électrons, s'étend sur une ouverture de l'enceinte, à l'extrémité de la première chambre faisant face à la cathode. La mince feuille est connectée électriquement à l'enceinte afin de constituer une anode pour les électrons secondaires, les amenant à
traverser la feuille mince en formant un faisceau d'élec-
trons.
Une grille d'extraction, conductrice du courant électrique, est montée dans la seconde chambre à proximité immédiate de la surface émettrice d'électrons secondaires
de la cathode, et est connectée à l'enceinte afin d'en-
gendrer un champ électrostatique à la surface émettrice
d'électrons secondaires pour amener des électrons secon-
daires à passer dans les ouvertures de la grille et à pénétrer dans la première chambre. Une grille de support, conductrice du courant électrique, est montée dans la première chambre, à proximité immédiate de la feuille mince, et est connectée à cette dernière et à l'enceinte, laquelle grille de support est destinée à supporter la
feuille mince. La grille de support présente des ouver-
tures qui sont globalement alignées avec les ouvertures de la grille d'extraction afin de coopérer avec cette dernière pour accélérer les électrons secondaires vers la feuille mince. Le canon à électrons à plasma ionique selon l'invention comporte en outre une surface de cible qui est destinée à être frappée par les électrons secondaires lorsqu'ils partent de la fenêtre à feuille mince ou passent à travers la chambre à plasma. La cible est capable de développer une tension lorsqu'elle est frappée par les électrons secondaires. La cible est connectée à un circuit de comparaison qui est lui-même connecté à l'alimentation en énergie régulée en courant. L'ensemble formé par la cible, le circuit de comparaison et l'alimentation en énergie est capable de maintenir sensiblement constant le débit des électrons secondaires partant de la fenêtre à feuille mince. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexes à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective, avec coupe partielle, illustrant les éléments fondamentaux du canon à électrons à plasma ionique selon l'invention; et la figure 2 est un schéma d'un circuit de
comparaison utilisé dans la présente invention.
La figure 1 illustre les éléments fondamentaux d'un canon à électrons à plasma réalisé conformément à l'invention. Le canon comprend une enceinte conductrice du courant électrique, mise à la terre et composée d'une chambre 13 à haute tension, d'une chambre 12 de décharge de plasma ionique et d'une fenêtre 2 à feuille mince, transmettant les électrons. Un fil 4 s'étend à travers la chambre 12 de décharge de plasma. La fenêtre à feuille mince est connectée électriquement à l'enceinte qui est à la terre, et elle forme une anode qui provoque une
accélération des électrons vers elle et à travers elle.
L'enceinte est remplie d'hélium sous une pression de 0,133 à 1,33 Pa. Une cathode 6 est placée dans la chambre 13 à haute tension dont elle est isolée. Un élément rapporté 5
pour la cathode est monté sur sa surface inférieure.
L'élément rapporté 5 est habituellement en molybdène, mais
il peut être constitué de toute matière ayant un coeffi-
cient élevé d'émission d'électrons. La cathode à haute tension est espacée uniformément de l'enceinte afin
d'empêcher toute rupture de Paschen.
Une alimentation 10 en énergie à haute tension applique un potentiel négatif élevé, de 150 à 300 kV, à la cathode 6 par l'intermédiaire d'un câble 9 qui passe dans un isolateur 14 en résine époxy et mène à une résistance 8 interposée entre le câble 9 et la cathode 6. Cette dernière et l'élément rapporté 5 sont refroidis par un liquide approprié de refroidissement, tel que de l'huile, mis en
circulation par pompage dans un conduit 7.
La chambre 12 à plasma contient un certain
nombre de nervures métalliques qui sont reliées mécanique-
ment et électriquement entre elles. Les nervures 3 présentent des découpures, en leur centre, afin de
permettre au fil 4 de traverser la totalité de la struc-
ture. Les côtés des nervures 3 faisant face à la cathode 6 forment une grille d'extraction 16, tandis que les côtés opposés des nervures forment une grille 15 destinée à supporter la fenêtre 2 à feuille mince, transmettant les électrons. A la place des nervures, on peut utiliser des plaques d'anodes présentant un grand nombre de trous. Des
canaux 8 de refroidissement par liquide assurent l'évacua-
tion de la chaleur de la chambre à plasma.
La fenêtre 2, qui transmet les électrons, peut être formée d'une mince feuille de titane ou d'aluminium, d'une épaisseur comprise entre 0,006 et 0,025 mm, qui est supportée par la grille 15 de support et dont l'étanchéité avec l'enceinte est assurée par une bague torique. Un collecteur 10 de gaz est en général utilisé pour refroidir la fenêtre à feuille mince avec de l'azote sous pression,
et pour éliminer l'ozone de la zone du faisceau.
Une alimentation en énergie à courant régulé est connectée au fil 4. Lorsque l'alimentation en énergie 1
est activée, un plasma constitué d'ions hélium et d'élec-
trons est établi dans la chambre à plasma 12 par le champ électrique entourant le fil 4. Une fois que le plasma est établi, les ions hélium positifs présents dans le plasma
sont extraits de la chambre à plasma par le champ électri-
que à haute tension fuyant à travers l'électrode d'extrac-
tion 16. Les ions hélium positifs générés dans le plasma sont extraits vers la cathode 6 par le champ qui fuit à travers la grille d'extraction 16 vers l'intérieur de la chambre à plasma. La force de ce champ peut varier de quelques centaines de volts jusqu'à 10 000 volts. Les ions
suivent les lignes de champ à travers la grille d'extrac-
tion 16 jusque dans la chambre 13 à haute tension. Dans cette dernière, ils sont accélérés à travers le potentiel maximal et bombardent l'élément rapporté 5 de la cathode, en formant un faisceau colmaté. Les électrons secondaires émis par l'élément rapporté de la cathode présentent une légère dispersion spatiale due à la distribution en cosinus
de leur direction d'émission.
Comme indiqué précédemment, dans le cas d'un
canon à électrons à plasma ionique à fil, le taux d'ir-
radiation ou débit d'électrons secondaires du canon n'est pas nécessairement directement proportionnel au courant fourni par l'alimentation 10 à haute tension. Dans des
dispositifs de ce type, le courant provenant de l'alimenta-
tion en énergie à haute tension est égal à la sortie des ions hélium incidents et des électrons émis. Le rapport des électrons émis aux ions incidents, à savoir le coefficient d'émission secondaire, dépend des conditions de la surface de l'émetteur. Ces conditions sont souvent changeantes et, par conséquent, le simple contrôle de l'alimentation en énergie à haute tension ne convient pas pour maîtriser l'uniformité du taux d'irradiation ou du débit d'électrons
secondaires.
On a déterminé que le taux d'irradiation est, en grande partie, une fonction linéaire du courant du
plasma. Par conséquent, en contrôlant le faisceau d'élec-
trons secondaires et en réglant de façon proportionnelle le courant fourni au fil 4 d'anode par l'alimentation 1 en énergie & courant régulé de ce fil 4 d'anode, on peut
régler et maintenir un débit uniforme d'électrons secon-
daires. Les objets indiqués ci-dessus sont réalisés par l'utilisation d'un élément métallique 50 en tant que cible devant être frappée par les électrons secondaires produits par le canon. La cible peut être pratiquement de toute forme physique, telle qu'une plaque métallique plane, une palette ou un fil composé d'une matière telle que du cuivre, qui est capable de développer une tension et de conduire un courant lorsqu'elle est frappée par les
électrons secondaires.
Il est prévu que la cible 50 soit connectée électriquement à un circuit 40 de comparaison capable d'établir la différence entre la tension lue sur la cible et une tension préréglée, établie dans le circuit de comparaison. Ainsi, lorsque la tension provenant de la cible 50 diffère du point de réglage, un signal est appliqué à l'alimentation 1 en énergie à courant régulé pour régler le courant du plasma afin que la différence soit réduite. Par exemple, lorsque les conditions régnant dans le canon à électrons à plasma ionique à fil sont telles qu'elles provoquent une élévation excessive du taux d'irradiation ou du débit d'électrons de ce canon, la cible 50 développe une tension plus élevée, ce qui a pour résultat la lecture, dans le circuit de comparaison, d'une tension supérieure au point de réglage prescrit, et par conséquent, l'application d'un signal à l'alimentation 1 en énergie à courant régulé pour réduire la génération de
plasma.
La figure 2 montre un exemple d'un circuit de
comparaison pouvant être utilisé dans la présente inven-
tion. La tension provenant de la cible 50 est reçue par l'amplificateur d'entrée 60 o elle est amplifiée d'un gain pouvant être ajusté au moyen d'un potentiomètre 62. Le
potentiomètre 62 est monté dans une boucle de contre-
réaction entre la sortie et l'entrée à inversion de l'amplificateur d'entrée 60. Un amplificateur tampon 66 reçoit le signal de sortie de l'amplificateur 60 et applique le signal à une entrée du comparateur 68. Le comparateur 68 peut être un amplificateur différentiel ou un élément analogue. L'autre entrée du comparateur 68 est connectée à un générateur 70 de tension de point de réglage. Comme montré sur la figure 2, le générateur 70 de tension de point de réglage peut être un diviseur de
tension monté entre une tension d'alimentation et la masse.
Le diviseur de tension peut être constitué d'un poten-
tiomètre qui est réglé par l'utilisateur, par exemple.
Le signal de sortie du comparateur 68 est un signal proportionnel à la différence entre la tension du point de réglage et la tension provenant de la cible 50. Ce signal de différence est appliqué à l'alimentation en énergie 1 à courant régulé, qui peut être une alimentation du type BHK 1000-0,2M, fabriquée par la firme Kepco, Flushing, New York. L'alimentation en énergie 1 régulée en courant réagit en ajustant le courant appliqué au fil 4 et
provoque donc une variation de l'intensité du plasma.
Cette variation est détectée par la cible 50 et le signal de différence provenant du comparateur 68 change de façon à refléter la variation de l'intensité du plasma. De cette manière, le courant appliqué au fil 4 est modifié jusqu'à ce que l'intensité souhaitée du plasma soit détectée par la
cible 50.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au canon à électrons décrit et
représenté sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (1)
1. Canon à électrons à plasma ionique, comprenant une enceinte vidée d'air, conductrice du courant électrique et formant des première et seconde chambres (12, 13) adjacentes l'une à l'autre et entre lesquelles se trouve une ouverture, un fil (4) placé dans la première chambre, connecté électriquement à une alimentation (1) en énergie, régulée en courant, pour générer un plasma constitué d'électrons et d'ions chargés positivement dans ladite première chambre, une cathode (6) placée dans la seconde chambre, de façon à être espacée et isolée de
l'enceinte, la cathode présentant une surface (5) d'émis-
sion d'électrons secondaires, des moyens (10) destinés à appliquer une haute tension négative entre la cathode et l'enceinte afin d'amener la cathode à attirer les ions positifs de la première chambre vers la seconde chambre pour qu'ils entrent en collision avec ladite surface de la cathode et amènent cette surface à émettre des électrons secondaires, une mince feuille (2), conductrice du courant
électrique et transmettant les électrons, s'étendant au-
dessus d'une ouverture située dans l'enceinte, à l'ex-
trémité de la première chambre faisant face à la cathode, cette feuille mince étant connectée électriquement à l'enceinte afin de constituer une anode pour les électrons secondaires et de faire passer les électrons secondaires à
travers la feuille mince en formant un faisceau d'élec-
trons, une grille 16 d'extraction, conductrice du courant électrique, montée dans la seconde chambre à proximité immédiate de la surface émettrice d'électrons secondaires de la cathode, cette grille d'extraction étant connectée à l'enceinte afin d'engendrer un champ électrostatique à ladite surface pour amener les électrons secondaires qui en proviennent à passer dans les ouvertures de la grille et à pénétrer dans la première chambre, et une grille (15) de support, conductrice du courant électrique, montée dans la première chambre à proximité immédiate de la feuille mince et connectée & cette dernière et à l'enceinte, la grille de support étant destinée à supporter la feuille mince et présentant des ouvertures alignées avec les ouvertures de la grille d'extraction afin qu'elle coopère avec cette
grille d'extraction pour accélérer les électrons secon-
daires vers la feuille mince, le canon à électrons étant caractérisé en ce qu'il comporte une cible 50 qui est capable de développer une tension lorsqu'elle est frappée par les électrons secondaires, cible à laquelle sont connectés électriquement un circuit 40 de comparaison et ladite alimentation en énergie régulée en courant, l'ensemble étant capable de maintenir sensiblement constant le débit d'électrons secondaires partant de la fenêtre à
feuille mince.
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