FR2627626A1 - Generateur de champ magnetique pour des faisceaux de particules chargees - Google Patents

Abstract

Il comprend : des moyens de génération pour produire un faisceau de particules chargées, ces moyens de génération ayant une fenêtre 42; deux dispositifs de déflexion électromagnétiques 50, 52 pour dévier les particules chargées dans le faisceau lorsqu'elles passent à travers la fenêtre, chaque dispositif de déflexion électromagnétique possédant un entrefer ayant une largeur supérieure à la largeur du faisceau, ces dispositifs de déflexion étant situés entre la fenêtre 42 et la cible 60 à égale distance de cette fenêtre, espacés l'un de l'autre et situés pratiquement adjacents aux bords de la cible, ces moyens de déflexion étant positionnés pour produire un flux magnétique perpendiculaire au faisceau de particules pour dévier les particules chargées diffusées dans la cible et rendre leurs trajectoires perpendiculaires à la cible.

Description

Générateur de champ magnétique pour -des faisceaux de

particules chargées.

La présente invention concerne le contrôle de l'irradiation des matériaux et la technologie des faisceaux de particules chargées; elle concerne plus particulièrement un électroaimant avec un entrefer disposé à proximité de l'espace entre une source de particules chargées et une cible pour rendre droit l'angle d'incidence du faisceau par rapport à la surface de la cible et pour dévier les particules diffusées sur cette surface, ainsi qu'un dispositif de commande pour compenser le flux créé par les particules chargées Dans la discipline de l'irradiation de matériaux en feuilles, notamment par un faisceau d'électrons, l'uniformité du faisceau et de la distribution de la dose sur toute la surface est critique pour obtenir des caractéristiques uniformes du produit, du fait de l'avènement des particules chargées et notamment du traitement de matériaux par des faisceaux d'électrons, on a proposé de nombreux dispositifs et de nombreuses améliorations à ces dispositifs pour mettre en oeuvre une commande de la distribution du faisceau pour obtenir l'uniformité de la dose d'irradiation, le premier vrai progrès impliquait un balayage oscillatoire commandé du faisceau, décrit dans le brevet US 2 602 751. Bien que l'utilisation de la technologie du balayage ait amené des améliorations considérables, il subsistait néanmoins des problèmes en ce qui concerne l'uniformité des produits. De façon générale, ces problèmes résultaient des géométries du balayage du faisceau. Afin d'obtenir une meilleure uniformité, on introduisit ensuite des dispositifs supplémentaires Ces dispositifs comportaient des techniques de faisceau réfléchis, comme il est indiqué dans le brevet US 3 942 017, des plaques de diffusion déviation (voir le brevet US cité en premier), ainsi que des dispositifs de manipulation du produit cible, qui déplacent et font tourner la cible par rapport au faisceau de balayage. En ce qui concerne particulièrement la manipulation du produit cible, l'équipement complexe impliqué est soumis à des pannes et à une usure mécanique. Il est ainsi soulevé de sérieux problèmes d'entretien, notamment lorsque la panne survient pendant un traitement. Non seulement la production doit etre interrompue, mais également une

quantité notable du produit cible peut être perdue.

En ce qui concerne les dispositifs de commande de la distribution du faisceau, bien qu'ils améliorent l'uniformité de la dose sur le produit cible, ils sont souvent incapables d'obtenir l'objectif, qui est une uniformité pratiquement parfaite. La distribution uniforme de la dose est fonction, à la fois de la tolérance de dose du matériau cible et des caractéristiques du faisceau du balayage. On sait dans la technique que l'uniformité de la dose de surface d'un faisceau d'électrons se dégrade lorsque les énergies diminuent. De ce fait, pour des énergies de faisceau inférieures à 1 MeV, et notamment de l'ordre de 300-400 KeV, on peut généralement observer une variation d'au moins 5% de l'uniformité de la dose cette perte d'uniformité entraine une perte d'intensité des électrons lorsqu'ils passent à travers la fenêtre de la source du faisceau d'électrons (généralement formé d'une feuille de titane ou l'analogue>, combinée par la diminution des impacts des électrons diffusés

au niveau des limites du balayage.

En considérant d'abord la perte d'intensité, l'épaisseur apparente de la fenêtre de la source du faisceau et l'espace d'air entre la fenêtre et la cible augmente progressivement vers les limites de l'angle de balayage. Bien que généralement réalisée pour posséder une épaisseur minimale, la diffusion d'électrons est créée à la fois par la fenêtre et par la profondeur de l'atmosphère entre la fenêtre et la' surface du produit cible -. En fait, plus l'épaisseur apparente est grande, plus le degré de diffusion des électrons est grand et plus la perte de l'intensité de la dose du faisceau est grande le long des limites du balayage. Cette perte est aisément exprimée par une simple proportionnalité arithmétique: intensité = 1/cos a o a est égal à l'angle de balayage à un point donné. De ce fait lorsque le faisceau se déplace en travers du produit tout entier, la diffusion des électrons augmente d' un minimum au niveau d'un angle d' incidence de 90 Jusqu' à un maximum au niveau des limites de l'angle de balayage. De façon conventionnelle, les bords du produit correspondent aux limites du balayage. De ce fait, l'accroissement de la diffusion entraine une perte de la dose efficace et une diminution correspondante de l'uniformité

d'irradiation du produit au niveau des bords de celui-

ci. La deuxième contribution principale à une exposition non uniforme de la cible provenant de l'augmentation de l'épaisseur apparente, notamment dans le cas de matériau plat ou analogue à une feuille, est la perte de l'intensité de la dose en

provenance des électrons diffusés. Comme indiqué ci-

dessus, lorsque le faisceau s'approche des bords du produit (limites de balayage), l'épaisseur apparente de la fenêtre et de l'espace d'air entre la fenêtre et le matériau augmente. La diffusion peut particulièrement être détectée dans le cas de faisceaux ayant des énergies inférieures à 1 MeV. Une portion mesurable des électrons diffusés par la fenêtre et par l'intervalle d'air pendant le balayage vient heurter le produit sur la périphérie.du faisceau primaire. Toutefois au niveau des bords de la cible, de tels électrons diffusés viennent heurter l'air ou une surface adjacente au produit. Ainsi, les bords de la cible ne reçoivent pas le renfort des électrons diffusés du faisceau lorsque celui-ci se déplace progressivement à travers la cible et ces électrons diffusés ne contribuent pas à la dose

réelle au niveau des bords de la cible.

Ce phénomène a été constaté dans la technique et a été corrigé par l'utilisation d'un équipement de correction additionnel, dont le plus courant est l'utilisation de plaques de diffusion.électrifiées et d'aimants cunéiformes. Dans le cas des plaques de diffusion électrifiées, le faisceau d'électrons primaires qui a heurté une plaque disposée en dessous d'une fenêtre de tête de balayage provoque la production d'électrons secondaires (voir figure 2). Une portion des électrons secondaires, qui sont libérés isotropiquement de la plaque de diffusion, vient heurter les bords du produit et provoque une augmentation correspondante dans l'irradiation des bords du produit, et de ce fait, améliore l'uniformité de la dose sur le produit. Bien que généralement acceptable, cette technique présente l'inconvénient de produire. des électrons secondaires qui diffusent dans toutes les directions depuis la plaque de diffusion. De façon plus importante, les électrons secondaires créés par le procédé de la plaque de diffusion ne possèdent pas la même énergie que les électrons primaires, d'o il résulte un moindre degré de pénétration de ces électrons au niveau des bords du produit. En conséquence, on ne peut pas atteindre une uniformité parfaite. L'utilisation d'aimants cunéiformes disposés périphériquement à l'intérieur de la tête de balayage et immédiatement au dessus de la fenêtre (voir figure 3), qui est la deuxième technique principalement de correction conventionnelle pour augmenter l'uniformité du faisceau, est clairement illustrée dans le brevet US 2 993 120. Les aimants créent un flux magnétique dans la base de la tête de balayage correspondant à -la hauteur de l'aimant. La technique des aimants cunéiformes vise à produire un champ magnétique transversal minimal au centre de la tête de balayage (hauteur minimale) correspondant à un faisceau d'électrons perpendiculaire et à une intensité progressivement augmentée vers la périphérie du balayage (hauteur maximale des aimants). Cette technique résoud le problème de la perte d'énergie associée au dispositif à plaques de diffusion, mais ne résoud pas le problème de la diffusion des électrons au

niveau des bords de la cible, comme indiqué ci-dessus.

De ce fait, les bords du produit cible sont encore privés d'une quantité équivalente d'irradiation, par

comparaison avec la portion centrale du produit cible.

Les techniques précédentes ont en commun le fait qu'elles ne peuvent obtenir une irradiation uniforme du produit, du fait de la distribution non uniforme du faisceau et de la diffusion, non uniforme des

particules sur toute la surface de balayage.

C'est un but de cette invention de résoudre les problèmes identifiés avec les dispositifs antérieurs

concernant les faisceaux d'irradiation.

C'est un autre but de cette invention d'améliorer l'uniformité des produits obtenus par un

faisceau de particules chargées de balayage.

C'est un autre but de cette invention de procurer un appareil simple et élégant avec un minimum

de composants.

Un autre but de cette invention est de procurer un appareil qui rende droit l'angle d'incidence d'un faisceau de particules chargées de balayage sur une cible et permet l'utilisation des particules chargées

diffusées au niveau des bords de la cible.

Un autre but de cette invention est de procurer un générateur de champ magnétique aisément adaptable à la technologie d'irradiation des produits par faisceau d'électrons. Un autre but de cette invention est de procurer un dispositif de commande pour. compenser le flux magnétique induit dans un générateur de champ magnétique par le balayage d'un faisceau de particules chargées. Ces buts ainsi que d'autres sont atteints grâce à un appareil de génération de particules chargées pour l'exposition aux particules chargées de cibles sélectionnées, comportant des moyens de génération d'un faisceau de particules chargées, une fenêtre pour faire osciller le balayage du faisceau & travers un plan et sur un angle choisi suffisant pour permettre l'exposition des bords de la cible, et un dispositif de réflexion électromagnétique pour dévier les particules chargées dans le faisceau et diffusées par la fenêtre, dans lequel le dispositif de déflexion électro- magnétique présente un entrefer ayant une largeur supérieure à la largeur du faisceau et est disposé pratiquement adjacent à la fenêtre et entre la fenêtre et la cible pour produire un flux magnétique perpendiculaire au plan de ce faisceau de particules afin de dévier et rendre droit l'angle d'incidence des particules dans le faisceau qui sont diffusées par la fenêtre. Ces buts sont en outre atteints grâce à un générateur de champ magnétique dans un appareil de balayage par particules chargées à haute énergie pour l'exposition aux particules chargées de cibles sélectionnées ayant des bords extérieurs, comportant des moyens pour rendre vertical un faisceau de particules chargées et des moyens pour faire osciller le balayage du faisceau à travers un plan et sur un angle sélectionné. L'appareil comporte principalement deux dispositifs de déflexion électromagnétique pour dévier les particules chargées dans le faisceau lorsqu'il balaie l'angle sélectionné, chaque dispositif de déflexion électromagnétique possédant dans un entrefer ayant une longueur supérieure à la largeur du faisceau, chaque dispositif de déflexion étant espacé et disposé à une distance égale des moyens de génération et pratiquement adjacent aux bords de la cible, dans lequel le dispositif de déflexion magnétique est disposé pour générer un flux magnétique perpendiculaire au faisceau de particules rendu vertical. La force du flux est inversement proportionnelle à la distance au dispositif de déflexion magnétique. De ce fait, le dispositif de déflexion magnétique rend droit l'angle d'incidence du faisceau des particules chargées sur tout l'angle de balayage et dévie les électrons diffusés au niveau des limites du balayage pour les renvoyer dans les bords de

la cible.

D'autres buts de cette invention sont atteints grâce à un générateur de champ magnétique pour commander un faisceau de particules chargées, comportant une source de faisceau de particules pour produire un faisceau de particules, qui a une fenêtre, une source de courant pour fournir un courant électrique à un enroulement, une caracasse magnétisée ayant deux bras d'une longueur déterminée séparés par un entrefer d'une largeur désirée et une base reliant les bras, et une bobine d'induction constituée par un nombre donné de spires, - cette bobine étant électriquement raccordée à la source de courant et cette bobine étant disposée autour de la base entre les bras. Le dispositif de commande comporte également un amplificateur de tension pour amplifier la tension induite dans la bobine par le faisceau, un amplificateur différentiel pour produire un signal de référence correspondant à la tension induite par le faisceau de particules dans cette bobine, et finalement des moyens pour utiliser ce signal pour effectuer des

réglages sur la base du signal de référence.

Le générateur de champ magnétique selon l'invention utilise plus complètement les particules chargées, et notamment les électrons, aux extrémités du balayage et améliore l'uniformité d'irradiation du produit au niveau des bords d'un produit correspondant aux extrémités du balayage. L'invention atteint essentiellement les buts qu'elle se propose en procurant deux électro-aimants ayant un entrefer d'une longueur suffisante pour créer un flux magnétique pour renfermer le faisceau d'électrons diffusés sortant

d'une fenêtre d'une tête de balayage conventionnelle.

Lorsque les électro-aimants sont correctement alignés, le flux magnétique diminue progressivement en direction de la ligne centrale du balayage, c'est-à-dire la

perpendiculaire au produit et à la source du faisceau.

La force magnétique créée par les générateurs de champ varie en fonction du carré de l'inverse de la distance aux faces polaires, réduisant ainsi l'effet le plus fort au niveau des faces polaires, tout en procurant une densité de flux diminuant exponentiellement correspondant & la distance aux faces polaires. Ainsi un alignement correct de la polarité magnétique dévie les électrons sortant de l'extrémité de la fenêtre de la tête de balayage dans les bords du produit et rend leur trajectoire perpendiculaire à la surface du produit. L'invention propose également un dispositif de commande pour compenser le flux induit par le faisceau de particules chargées oscillant sur le générateur de

champ magnétique.

L'invention sera mieux comprise, à la lecture de

la description détaillée suivante, donnée à titre

d'exemple seulement, d'une réalisation préférée de l'invention, en liaison avec le dessin joint sur lequel: La figure 1, est une représentation graphique d'une courbe d'uniformité de la dose; La figure 2, est une vue schématique en perspective d'un dispositif antérieur du type plaque de diffusion; La figure 3 est une vue frontale d'un dispositif antérieur du type à aimants cunéiformes; La figure 4 est un schéma géométrique d'un faisceau de particules et d'un aimant à entrefer selon l'invention; La figure 5 est une vue de face du dispositif de l'invention avec les modèles de flux donnés à titre d'illustration; La figure 6 est une vue de dessus du dispositif de l'invention avec les modèles de diffusion donnés à titre d'illustrations; La figure 7 est une représentation des champs de flux magnétiques établis par l'utilisation de l'invention; Les figures 8 et 9 sont des représentations graphiques du flux induit par un faisceau d'électrons de balayage sous forme d'une fonction de la distance et de la tension en fonction du temps; et La figure 10 est une représentation schématique d'un dispositif de commande de compensation du flux

induit selon l'invention.

La figure 1 est présentée pour permettre une compréhension graphique de l'invention. La ligne en tirets 10, qui est une ligne d'uniformité conventionnelle, est décalée à des fins d'illustration seulement. Autrement, son amplitude serait égale à celle de la ligne en trait plein 12, représentant l'uniformité idéale et la ligne 10 recouvrirait pratiquement la ligne 12. Les différences principales entre les lignes 10 et 12 se rencontrent dans les régions 14 et 16 respectivement. Les équipements conventionnels de balayage par faisceau d'électrons procurent une exposition de la cible pratiquement uniforme sur la longueur du balayage, sauf aux extrémités du balayage. Comme décrit ci-dessus, les bords de la cible en forme de feuille sont privés d'une dose équivalente du fait de la réduction de l'intensité apparente et du non contrôle de la diffusion. Même une tentative de correction par les technologies maintenant familières de plaques de diffusion ou d'aimants cunéiformes (voir figures 2 et 3) ne permettent pas de corriger une perte substantielle de dose, en excès d'une variation de 5%, au niveau de la périphérie du balayage, ce qui est représenté dans la région 14 de la ligne 10. Au contraire, la présente invention,

représentée par la ligne 12, élimine cette non-

uniformité et présente une transition brutale dans la région 16. De ce fait, la dose sur toute la longueur du balayage a une uniformité idéale, c'est-à-dire

inférieure à une variation de 5%.

Pour obtenir cette uniformité idéale (ligne 12), la présente invention combine deux principes de la technologie des faisceaux de particules chargées. En premier lieu, l'invention rend perpendiculaire l'angle d'incidence des électrons primaires du faisceau par rapport & la cible. Les lignes de flux magnétiques modifient les rayons de courbure des trajectoires des électrons primaires en fonction de l'emplacement de ces électrons par rapport au balayage et à la cible. Le deuxième principe implique le réalignement et l'utilisation effective des électrons diffusés par la fenêtre et par l'intervalle d'air aux extrémités du faisceau. Autrement, comme il a été indiqué ci-dessus, les électrons auraient une trajectoire à l'extérieur du

balayage du faisceau et au-delà des bords de la cible.

La technique antérieure des figures 2 et 3 présente respectivement un appareil de commande à plaques de diffusion et un appareil de commande à aimants cunéiformes. La tête de balayage 20 limite l'étendue du balayage oscillant du faisceau d'électrons 26 pour les électrons venant heurter le produit en forme de feuille 22. Lorsque les électrons primaires sortent d'une fenêtre (non représentée) à la base de la tête, les électrons se trouvant au niveau de la

périphérie du balayage viennent heurter les plaques 24.

Des électrons secondaires d'énergie plus faible 28 sont ensuite créés isotropiquement, et certains d'entre eux pénètrent dans les bords de la cible. Du fait que l'énergie des électrons secondaires ainsi émis est plus faible, leur degré de pénétration sera moindre que celui des électrons primaires du faisceau. Toutefois, il faut porter au crédit de la technique des plaques de diffusion qu'elles améliorent l'uniformité du produit en soumettant les bords de la cible a une plus grande exposition aux électrons du fait de ces électrons secondaires. Le dispositif antérieur à aimants cunéiformes représenté sur la figure 3 comporte une tête de balayage 30, des aimants cunéiformes 32 et une fenêtre 33. Les aimants cunéiformes 32 sont disposés le long de la base de la tête de balayage, au dessus.de'la fenêtre 33, et ils sont excités par des bobines d'induction 34, Le degé de déviation des électrons par les aimants 32 correspond à la hauteur des aimants. De ce fait, la déviation est la plus grande au niveau de la périphérie du balayage. Une fois les électrons primaires déviés pour présenter un angle d'incidence pratiquement perpendiculaire au plan de la fenêtre 33 et au produit cible 36, les électrons sortent de la

fenêtre 33 et pénètrent dans un intervalle d'ailr- 38.

Les électrons diffusent comme il est représenté par les flèches 39 avant de venir heurter la cible 36. Ainsi, une portion des électrons diffusés utiles au niveau de la périphérie du balayage manquent la cible 36 et on peut observer une dose plus faible au niveau des bords

de la cible.

En revenant maintenant à la présente invention, la figure 4 est un schéma géométrique illustrant l'augmentation de l'épaisseur apparente de la fenêtre et de l'intervalle d'air t avec le degré de la variation de l'angle 8 par rapport à la perpendiculaire. La relation de la variation angulaire à l'épaisseur apparente est mathématiquement exprimée par l'équation:

t/cos 8 = épaisseur apparente.

Après être sorti sous l'angle e de la fenêtre 42, le faisceau est soumis à un champ magnétique produit par une carcasse de fer 44 et une bobine d'induction 46. Il en résulte que les électrons primaires du faisceau sont déviés de façon à avoir une trajectoire perpendiculaire au produit et les électrons diffusés sont réorientés pour venir.heurter les bords

de la cible.

En considérant maintenant la structure de l'invention, la figure 5 montre la relation spatiale de la tête de balayage 40 et de l'électro-aimant 50, de la carcasse de fer 44 et de la bobine d'induction 46. La bobine d'induction 46 est reliée à une source de courant électrique appropriée (non représentée). La carcasse 44 présente un entrefer 48, dont la largeur doit excéder la largeur du faisceau sortant de la fenêtre de balayage. De façon générale, la largeur de l'entrefer 48 doit être approximativement le double de la largeur du faisceau pour enfermer les électrons primaires et diffusés sortant de la tête 40. La carcasse 44 et la carcasse analogue 54 ont une longueur suffisante et sont disposées pour être sous-jacentes au bord périphérique de la tête 40. Grâce à cette disposition, des lignes de flux 56 et 58 s'établissent entre les bras et les pôles des carcasses respectives 44 et 54 et la densité de flux la plus élevée est obtenue entre les pôles et les bras des carcasses, la force magnétique diminuant en fonction de la distance aux pôles. En outre, pour procurer un flux complémentaire et de décalage au centre de la tête de balayage, il est recommandé que les électroaimants 50 et 52 de formation du champ soient disposés pour produire des champs magnétiques de polarité opposée,

comme l'indiquent les flèches 56 et 58.

En considérant maintenant la figure 6, on voit la relation spatiale entre les électroaimants 50 et 52 d'une part, et la tête de balayage 40 et la cible 60, d'autre part. Il est évident que la configuration physique et la réalisation des bobines d'induction 46 et des carcasses d'aimants 44 et 54 sont en relation avec la structure de la tête de balayage et avec la largeur du faisceau d'électrons. La largeur du faisceau est gouvernée par l'énergie du faisceau, l'épaisseur de la fenêtre et la hauteur de l'espace d'air entre la fenêtre 42 et la cible 60. La largeur du. faisceau 62 augmente lorsque l'énergie diminue du fait de l'augmentation de la diffusion. Lorsque l'énergie du faisceau diminue, la largeur de l'électroaimant de formation du champ, au niveau de l'intervalle d'air 48, doit être accrue et la hauteur des carcasses 44 et 54 doit varier pour modifier la trajectoire des électrons et obtenir le degré désiré de déflexion des électrons 62. Du fait que l'intensité de la densité de fux 56, 58 diminue en fonction de la distance aux pôles de la carcasse 44, comme il a été indiqué ci-dessus le champ magnétique le plus fort subsiste entre les bras de la

carcasse (pôles) pour induire la déviation.maximale.

Comme représenté, les trajectoires des électrons 62 qui se trouvent les plus proches des carcasses 44 et 54 subissent le réalignement angulaire le plus grand pour devenir pratiquement perpendiculaires au plan de la cible 60. Par ailleurs, les électrons diffusés ayant les trajectoires qui manqueraient la cible 60, si on ne les empêchait pas, sont redirigés sur les bords de

cette cible 60.

Il existe une relation directe quantifiable entre le degré de déviation des électrons 62 sortant de la fenêtre 42 dans l'espace d'air t et la valeur de la densité de flux. On va maintenant présenter un traitement mathématique de la théorie de cette invention. La densité de flux magnétique (kilogauss par o Ocentimètre) varie en fonction de l'énergie du faisceau d'électrons, de l'épaisseur de la fenêtre et de l'angle de balayage. Elle est exprimée par l'équation: fp = [VCV+2V,)]Ji/kc kilogauss-cm (1) dans laquelle p = la densité de flux, en kilogauss, nécessaire pour courber les électrons sur un rayon p en centimètres V= énergie cinétique des électrons (10-107 électronsvolts) V,. = énergie résiduelle des électrons = 0,511 MeV c = vitesse de la lumière = 2,99 x 10cE m/sec k = constante de conversion = 10-9 (conversion

des TESLA-mètres en kilogauss-cm.

Etant donné l'énergie cinétique des électrons, on peut aisément déterminer la force du flux magnétique à partir de l'équation précédente. Le tableau I représente la force magnétique nécessaire pour dévier

des électrons possédant les énergies indiquées.

TABLEAU I

Mev ep kg-cm

0,4 2,52

1,0 4,74

2,0 8,20

3,0 11,59

4,0 14,95

,0 18,30

Connaissant la force nécessaire pour atteindre le but de cette invention, on peut déterminer mathématiquement les paramères structuraux pour les générateurs de champ 50 et 52. Ces paramètres sont le nombre de spires et les exigences de courant des bobines 46, la longueur de l'entrefer 48 et la hauteur

des caracasses 44 et 54.

L'inductance nécessaire peut s'exprimer par 1' équation: NI = LA /0,4 n (ampères par spire) (2) dans laquelle N = nombre de spires de la bobine 46 I = l'intensité LA= longueur de l'entrefer 48 des aimants, et = densité du flux dans l'entrefer, en gauss La relation entre l'angle de balayage, la courbure des électrons et l'angle de déviation est définie par l'équation: p= h (3) sin (8) dans laquelle h = hauteur des carcasses 44 et 54 p = rayon de courbure des électrons 6 = angle de la trajectoire des électrons par

rapport à la perpendiculaire.

En assignant des valeurs appropriées, comme par exemple une énergie des électrons de 0,4 MeV, un angle *de balayage 8 de 30', une hauteur de carcasses d'aimants de 7,5 cm et une longueur de l'entrefer de 5 cm, l'équation (2) pour NI peut se résoudre: fp = 2,52 kg/cm p = 7,5 cm = 15 cm sinc 30' = 2,.52 = 0,168 kilogauss = 168 gauss NI = 5.0 cm (168 G) = 668 ampères /spire 0,4 n On va décrire maintenant la détection de la position du faisceau d'électrons par rapport aux extrémités du balayage et la commande du faisceau pour maintenir la relation effet désiré/position sur une

plage variable d'énergies du faisceau d'électrons.

En se reportant à la figure 7 et à la

description présentée ci-dessus, un faisceau

d'électrons oscillant 62 produit son propre champ magnétique 63. Lorsque le champ magnétique 63 du faisceau d'électrons de balayage 62 s'approche du noyau de fer, soit 54, soit 44, une partie du flux magnétique 63 commence à circuler à travers les noyaux 44 ou 54 avec augmentation de la tension induite, le faisceau 62 le plus proche se déplaçant en direction des noyaux de fer 44 ou 54. Du fait que ce flux varie dans le temps, une tension est induite dans des enroulements de captage 64 et 65. La tension induite est également une fonction de la fréquence de balayage du faisceau, du nombre de spires sur les enroulements de captage 64 et

et de l'amplitude du flux magnétique-.63.

Mathématiquement,.le flux magnétique 63 suit la loi de Biot-Savart qui estreprésentée par: = 0,2 i I/r (4) = la densité de flux, en gauss = la perméabilité du milieu I = l'intensité en ampères et r.= la distance en centimètres du faisceau

d'électrons au point de mesure du flux.

La tension induite suit la loi de Lenz. C'est-à-

dire que, chaque fois qu'un flux change par rapport à un enroulement, une force électromotrice (emf) est 2O induite dans l'enroulement selon la formule: e = -n(dp/dt)10-- volts, (5) dans laquelle: n = le nombre de spires de l'enroulement 64,65 = flux magnétique dans le noyau t = temps en secondes L'équation (5), modifiée pour refléter le fait que le flux est non linéaire comme le montre l'équation (4), présente la relation entre le flux p dans le noyau de fer 44 ou 54 et la densité de flux f sous la forme: Ap = AF = 0,2A.I/r, (6) dans laquelle A= surface du noyau de fer 44 ou 54 en cm2, qui intercepte 5 On prend maintenant la dérivé de cp par rapport à r d cp/dr = 0,4AgI/rm (7) Cette équation permet d'exprimer r en fonction de la longeur de balayage, de la distance dont le faisceau se déplace depuis le centre du faisceau de balayage et de r,L, . Du fait que le faisceau n'est pas autorisé à-couper les faces polaires des noyaux de fer 44 ou 54, r aura une valeur minimale qui est exprimée sous la forme: r... = rayon depuis le centre du faisceau jusqu'au centre de la face polaire du

noyau de fer.

Cette relation est clairement illustrée lorsqu'on se reporte à la figure 7: x = 0,5s - r our = 0,5 s - x (8) dans laquelle s = longueur de balayage du faisceau d'électrons x = distance à tout moment du centre du faisceau d'élection du point médian de la longueur balayée par le faisceau r = rayon du potentiel de flux constant depuis le centre du faisceau Jusqu'aux faces

polaires des noyaux de fer 44 ou 54 (r,,,).

En prenant la dérivée de r par rapport à x dans l'équation (8) et en le substituant ainsi que la valeur

de r dans l'équation (7).

r = 0, 5s - x dr= -dx dp= 0, 4AI/ (0, 5s-x)2' dx (9) Après quoi, l'équation (9) est substituée dans

l'équation (5) et le résultat en est:.

e = -[0,4NA.I/ (0, 5s-x)-']. 10--' dx/dt (10) Pour ces raisons de simplicité, on suppose que la vitesse de la variation de x par rapport à t (dx/dt) est constante, même si la vitesse augmente réellement lorsque le faisceau s'écarte du centre de balayage (o il y a une vitesse angulaire constante du faisceau). Ce facteur complique inutilement l'analyse mathématique tout en n'amenant qu'une contribution minimale au

résultat, De ce fait, on le néglige pour cette analyse.

Etant donné la supposition suivante: dx/dt = 0,5s/0,25T = 2s/T = 2sf (11) dans laquelle: t = la période de temps T/4 nécessaire pour que le faisceau se déplace de la distance x =

0, 5s.

T= la période de la fréquence f du faisceau de balayage: T = 1/f En substituant l'équation (11) dans l'équation (10), e = -[0,8NAIsf/(0,5s-x) (].10-' 412) On peut maintenant calculer la tension indute e à partir de la vitesse de la variation du flux dans le temps, soit en augmentant soit en diminuant, ou à partir de la vitesse de variation du mouvement du faisceau d'électrons, soit en augmentant, soit en diminuant. Onr, notera par ailleurs que la tension induite dans les enroulements 64 et 65 sera toujours telle qu'elle s'opposera à une variation du flux. En conséquence, quand r diminue (x augmente), il en résulte une augmentation du flux et de la tension négative e. En conséquence,lorsque r croit Cx décroit) en fonction du temps, il en résulte une diminution du

flux et un accroissement de la tension positive e.

Etant donné les formules mathématiques précédentes, on va maintenant donner un exemple à titre d'illustration.En supposant que les valeurs suivantes sont assignées aux paramètres suivants: n = 100 spires A = 7,5 cm2, surface en coupe transversale de la face polaire de la carcasse de fer I = 0,1 ampère (faisceau d'électrons) s = 180 cm, longueur du faisceau de balayage f = 200 Hz, fréquence de balayage r = valeurs comprises entre 3 et 90 cm j = 1 (air) Les valeurs périodiques calculées de e en fonction de r sont représentées sur le tableau II

Tableau II

r (cm) diminuant x (cm) augmentant e (microvolts>

30 60 - 24

70 - 54

80 - 216

85 - 864

3 87 - 2400

r (cm) augmentant x(cm) diminuant

3 87 2400

85 864

10 80 216

70 54

60 24

Les figures 8 et 9 représentent graphiquement des valeurs de la distance x et de la tension e tracées en fonction du temps. Egalement représentées sous la forme d'une onde triangulaire, des facteurs contributifs mineurs, tels que la supposition d'une vitesse constante (envisagée ci-dessus), ainsi que l'inductance des enroulements et la résistance du circuit, tempèrent le paramère abrupt des changements

de direction.

On se reporte maintenant à la figure 10 qui représente schématiquement les équipements conçus pour commander la valeur du champ magnétique produit par le générateur de champ nécessaire pour influencer le faisceau d'électrons & faible énergie. En outre, les équipements minimisent l'effet de la tension induite par le faisceau sur les générateurs de champ (50, 52> au niveau d'une énergie plus élevée pour obtenir une uniformité de balayage acceptable. Pour atteindre l'effet désiré pour une situation particulière, il est nécessaire de procéder à une détermination expérimentale. A la lumière de ce qui vient d'être dit,

la description et les procédures suivantes peuvent se

révéler utiles.

Tout d'abord, comme indiqué ci-dessus, les générateurs de champ magnétique 50 et 52 sont physiquement mis en place à proximité des extrémités de la tête de balayage 40. Ensuite, l'accélérateur d'électrons est activé à une tension minimale et à une intensité de faisceau maximale. La sortie de l'amplificateur différentiel 92 est déconnectée du point de sommation 97 et le signal de référence 94 est augmenté pour obtenir l'intensité souhaitable pour le 2e27626 générateur de champ, dont le champ magnétique affectera le champ marginal du faisceau d'électrons. Lors de l'activation du faisceau oscillant, une tension d'un niveau déterminable selon ce qui précède est produite dans les enroulements 64 et.65. La tension est amplifiée par l'amplificateur de tension 91 et le pic de tension est détecté par le détecteur 93 et le signal correspondant est amené à l'amplificateur différentiel 92. Pendant ce temps, une tension de retour proportionnelle au courant du faisceau passe à travers une commande de réglage 95, par exemple, une résistance

variable, pour aller à l'amplificateur différentiel 92.

La sortie de l'amplificateur différentiel est amenée à zéro en réglant le retour du courant du faisceau pour éliminer toute influence des variations du courant du faisceau sur le champ magnétique 56, 58. La sortie est alors connectée à nouveau au point de sommation 97 et le même signal est transmis au dispositif de commande du microprocesseur 96 pour enregistrer une détection d'erreurs et le système s'arrête lorsque l'erreur

excède une valeur prédéterminée.

Comme exprimé ci-dessus et pour illustrer la fonction du dispositif de commande, une variation dans l'énergie du faisceau d'électrons, par exemple une augmentation, entraîne une diminution du champ marginal du faisceau d'électrons 63 et une diminution correspondante dans la tension des enroulements de captage 64, 65. Il en résulte une diminution de la tension détectée par le détecteur de pics 93. Ainsi, la somme de l'amplificateur différentiel 92 est plus faible de sorte que la sortie de l'amplificateur 92 réduit la sortie de l'amplificateur de sommation 97, amenant la sortie de courant continu de la source de courant à réduire le champ magnétique du générateur de

champ magnétique 50, 52.

Compte tenu de ce qui précède, on peut réaliser des générateurs de champ magnétique pour être utilisés dans un grand nombre de situations, une fois les calculs appropriés effectués pour établir les

spécifications de l'inductance de la densité de flux.

Bien que ce doivent être évident,. l'homme de l'art doit faire attention car les équations précédentes n'envisagent pas un certain nombre. de variables apportant des contributions mineures & la production de la densité de flux. Par exemple, le type du fer et la longueur du trajet du flux affecteront le calcul. A des fins de simplicité, ces variables ne sont pas traitées mathématiquement du fait de leur contribution minimale par rapport aux contributions considérablement plus

importantes envisagées ci-dessus.

Par ailleurs, les équations définies ci-dessus ne tiennent pas compte des électrons diffusés sortant de la fenêtre de la tête de balayage. Du fait qu'une détermination mathématique précise de leur contribution serait extraordinairement complexe, on suggère que la détermination empirique de la contribution de la diffusion dans des cas et des structures particuliers soit effectuée expérimentalement. Pour faciliter cette détermination, il est recommandé que le point de départ

soit basé sur.e, l'angle de balayage.

Ayant ainsi décrit 'en détail une invention de base, plusieurs améliorations structurales sont maintenant évidentes. Par exemple, les enroulements 64 et 65 peuvent être les mêmes que les bobines 46, du fait que les bobines 46 sont excitées par un courant continu et le captage est un courant alternatif. Les deux courants se distinguent aisément. En outre, les générateurs de champ électromagnétiques peuvent être montés sur des supports réglables pour un réglage de position en plusieurs dimensions, ainsi que pour être aisément enlevés et installés. On réaliserait aisément la substitution et la position précise d'électroaimants

sélectionnés correspondant aux besoins particuliers.

Par ailleurs, on peut également prévoir une série d'enroulements possédant un nombre différent de spires et interchangeables sur les carcasses de fer pour des réglages importants de la densité du flux. Des réglages de la force du flux magnétique plus fins peuvent, bien entendu, être réalisés en employant des sources de courant réglables. Une autre modification envisage de former les faces polaires des noyaux de fer pour obtenir un accord précis du degré de déviation du faisceau d'électrons au niveau des extrémités du balayage. La réalisation décrite ci-dessus décrit une source de faisceau d'électrons. L'homme de l'art reconnaîtra aisément que cette invention peut s'appliquer à d'autres sources de balayage de faisceau particules chargées, comme par exemple celle décrite -10 dans le brevet US 3 178 604 et également dans le cas de faisceaux d'électrons stationnaires, tels que le rideau d'électrons, dans lequel les électrons passent perpendiculairement à travers la fenêtre, mais

diffusent en sortant.

Ces variantes et modifications de l'invention

sont maintenant évidentes à l'homme de l'art.

Toutefois, de telles modifications et variantes tombent à l'intérieur du domaine et de la portée de l'invention.

Claims (14)

Revendications

1. Appareil à particules chargées à haute énergie pour l'exposition aux particules chargées de cibles sélectionnées ayant des bords extérieurs, caractérisé en ce qu'il comprend: - des moyens de génération pour produire un faisceau de particules chargées, ces moyens de génération ayant une fenêtre (42>; - deux dispositifs de déflexion électromagnétiques pour dévier les particules chargées dans le faisceau lorsqu'elles passent à travers la fenêtre, chaque dispositif de déflexion électromagnétique possédant un entrefer (48) ayant une largeur supérieure à la largeur du faisceau, ces dispositifs de déflexion étant situés entre la fenêtre (42) et la cible (60) à égale distance de cette fenêtre, espacés l'un de l'autre et situés pratiquement adjacents aux bords de la cible, ces moyens de déflexion étant positionnés pour produire un flux magnétique perpendiculaire au faisceau de particules pour dévier les particules chargées diffusées dans la cible et rendre leurs trajectoires perpendiculaires à

la cible.

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de déflexion mr4gnetique eut urne sArzrQAee de fer (44. 54) en foruie de C ayant deux pôles espacés formant entre eux cet

entrefer (48>, et une bobine d'induction (46).

3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les pôles magnétiques sont positionnés de manière à induire un flux magnétique maximal immédiatement à proximité des bords de la cible.

4. Appareil selon la revendication 3, dans lequel ces particules chargées sont des électrons, caractérisé en ce qu'il comporte: - des moyens pour. détecter et commander la contribution du flux magnétique induit par le faisceau d'électrons, - des moyens pour assurer le balayage du faisceau et de la tête de balayage avec une fenêtre perméable aux électrons, ces électrons effectuant alors un balayage oscillant sur un angle solide choisi, rendant ainsi droit l'angle d'incidence du faisceau

d'électrons au travers de cet angle solide.

5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour supporter la cible situés à une distance spécificée des O dispositifs de génération et ayant une largeur égale à

la largeur de l'angle de balayage.

6. Dispositif pour procurer une exposition uniforme d'une cible allongée ayant une largeur spécifiée à un faisceau d'électrons de balayage, caractérisé en ce qu'il comporte: - des moyens pour produire un faisceau d'électrons à grande énergie comportant une tête de balayage (40) et une fenêtre (42) perméable aux électrons: - des moyens pour assurer le balayage du faisceau d'électrons sur un angle spécifié défini par les extrémités de la tête de balayage; - -des moyens pour supporter la cible à une distance (t) spécifiée de la fenêtre, les bords de la cible étant espacés d'une distance approximativement égale à la largeur de la tête de balayage, correspondant ainsi aux limites de l'angle de balayage, et un générateur de champ magnétique pour produire un champ magnétique transversal à cet angle de balayage et parallèle à la fenêtre, le flux ayant une intensité maximale au niveau des bords de la cible et diminuant progressivement en direction de la ligne centrale de la cible, ce générateur de flux magnétique étant disposé pratiquement à' proximité des bords de la cible pour dévier.les électrons du faisceau et pour amener l'angle d'incidence des électrons venant heurter la cible à être pratiquement uniformes à travers la surface de la cible.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le générateur de champ magnétique est un aimant (44, 54) en forme de C ayant deux pôles' espacés formant entre eux un entrefer (48) et une

bobine d'induction (46).

8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de déflexion magnétique est un aimant en forme de C ayant deux pôles espacés formant entre eux.un entrefer, une bobine d'induction, les pôles de l'aimant étant disposés de manière à induire un flux magnétique maximal entre

cette fenêtre et les bords de la cible.

9. Appareil, caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison: - une cible (60) - une source de faisceau d'électrons comprenant une tête de balayage (40) ayant une forme triangulaire, 1.;. t =.r. = l42.3psrF4wlae Ru, fâl6t-T rzina gine.,Ai, spécifiée formant la base de la tête, des moyens de balayage pour former un plan de balayage en faisant osciller un faisceau d'électrons à travers toute la longueur de la fenêtre, et deux dispositifs de déflexion électromagnétiques (50, 52) en forme de C éloignés l'un de l'autre pour établir un champ de flux magnétique transversal au balayage du faisceau et parailèle à la fenêtre, ce dispositif de déflexion électromagnétique ayant des pôles et un entrefer (48), la valeur du flux étant la plus grande entre les pôles et diminuant exponentiellement en fonction de l'inverse du carré de la distance aux pôles, ce dispositif de déflexion électromagnétique étant séparé par une distance inférieure à la longueur de la fenêtre et étant disposé sur la périphérie de cette fenêtre, d'o il résulte que ces dispositifs de déflexion électromagnétique rendent perpendiculaire la trajectoire du faisceau d'électrons et des électrons

diffusés sortant de la fenêtre par rapport à la cible.

10.. Appareil selon la revendication 9,.

caractérisé en ce que les pôles magnétiques sont disposés de manière à ne cacher aucune portion de la cible et à induire un flux magnétique maximal

immédiatement au-dessus des bords de la cible.

11. Générateur de champ magnétique pour commander un faisceau de particules chargées, caractérisé en ce qu'il comporte une source de faisceau de particules (40) pour produire un faisceau de particules, une source de courant pour fournir un courant électrique, une carcasse magnétisée (44, 54) ayant deux bras de longueur désirée.séparés par un entrefer (48) d'une largeur désirée et une base reliant ces bras, une bobine d'induction (46) constituée par un nombre sélectionné de spires, cette bobine étant électriquement raccordée à la source de courant et étant positionnée autour de la base entre les bras, un amplificateur de tension (91) pour amplifier la tension induite dans la bobine par le faisceau, un amplificateur différentiel (92) pour produire un signal de référence correspondant à la tension induite par le faisceau de particules dans la bobine, et des moyens pour utiliser ce signal pour faire des réglages sur la

base du signal de référence.

12. Appareil à particules chargées pour l'exposition aux particules chargées de cibles sélectionnées, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens de génération (40) pour produire un faisceau de particules chargées, une fenêtre (42) pour laisser passer ce faisceau et exposer la cible toute entière, et des moyens de déflexion électromagnétique (50, 52) pour dévier les particules chargées dans le faisceau et diffusées par la fenêtre, ces moyens de déflexion électromagnétique possédant un entrefer (48) ayant une largeur supérieure à la largeur du faisceau, ces moyens de déflexion étant disposés pratiquement adjacents en aval de cette fenêtre et étant positionnés de façon à produire un flux magnétique perpendiculaire au plan du faisceau de particules pour dévier et rendent droit l'angle d'incidence des particules dans le faisceau,

lesquelles particules ont été diffusées par la fenêtre.

13. Appareil selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de déflexion magnétique sont constitués par une carcasse (44, 54) de fer en forme de C, ayant deux pôles espacés formant entre eux un entrefer (48) , et.une bobine d'induction (46).

14. Appareil selon la revendication 13, dans lequel ces particules chargées sont des électrons, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour détecter et commander la contribution du flux magnétique induit par le faisceau d'électrons, des moyens pour faire osciller le faisceau et la tête de balayage avec une fenêtre perméable aux électrons, moyennant quoi ces électrons effectuent un balayage oscillant sur un angle solide sélectionné, rendant ainsi droit l'angle d'incidence du faisceau d'électrons

à travers l'angle solide.