FR2666477A1 - Tube neutronique a flux eleve. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un tube neutronique comportant une source d'ions présentant au moins une anode (6), au moins une cathode (7), présentant au moins un orifice d'extraction (12), et comportant également un dispositif d'accélération (2) disposé de manière à projeter au moins un faisceau ionique de la source d'ions sur une cible pour y produire une réaction entraînant une émission de neutrons. La source d'ions est disposée selon au moins une portion d'une première surface de révolution (8', 41, 51) et agencée pour produire une émission d'ions radiale et dirigée vers l'extérieur de ladite première surface (8', 41, 51), en ce que le dispositif d'accélération (2) est disposé selon au moins une portion d'une deuxième surface de résolution entourant ladite première surface (8', 41, 51), et en ce que la cible (4) est disposée selon au moins une portion d'une troisième surface de révolution entourant ladite deuxième surface.

Description

i

"TUBE NEUTRONIQUE A FLUX ELEVE"

Description:

La présente invention a pour objet un tube neutroni-

que comportant une source d'ions présentant au moins une anode

et au moins une cathode présentant au moins un orifice d'ex-

traction et comportant également un dispositif d'accélération disposé de manière à projeter au moins un faisceau ionique de la source d'ions sur une cible pour y produire une réaction

entraînant une émission de neutrons.

Les tubes neutroniques se présentent le plus souvent sous la forme de tubes scellés contenant un mélange gazeux de deutérium et de tritium sous faible pression à partir duquel la source d'ions forme un gaz ionisé confiné L'orifice d'émission (ou d'extraction) est pratiqué dans la cathode, l'électrode d'accélération (et d'extraction) permettant de

projeter le faisceau d'ions axialement sur une électrode ci-

ble.

Un confinement du plasma peut être obtenu à l'aide de champs magnétiques et/ou électrique Les tubes neutroniques sont utilisés dans les techniques d'examen de la matière par

neutrons rapides, thermiques, épithermiques ou froids: neu-

trographie, analyse par activation, analyse par spectrométrie

des diffusions inélastiques ou des captures radiatives, diffu-

sion des neutrons etc Le type de source d'ions qui est le plus utilisé est la source de type Penning qui a l'avantage d'être robuste, d'être à cathode froide (d'o une longue durée d'utilisation), de donner des courants de décharge importants pour de faibles pressions (de l'ordre de 10 A/torr), d'avoir un rendement

d'extraction élevé (de 20 à 40 %) et d'être de faibles dimen-

sions Ce type de source nécessite un champ magnétique de l'ordre du millier de gauss, parallèle à l'axe de la chambre

d'ionisation, introduisant une inhomogénéité transverse impor-

tante de densité de courant des ions à l'intérieur de la dé-

charge et au niveau de l'extraction qui s'effectue suivant

l'axe commun du champ et de la source.

La réaction de fusion d( 3 H), 4 He)n délivrant des neutrons de 14 Me V est habituellement la plus utilisée en raison de sa grande section efficace pour des énergies d'ions relativement faibles Toutefois, quelle que soit la réaction utilisée, le nombre de neutrons obtenu par unité de charge transitant dans le faisceau est toujours croissant au fur et à mesure que l'énergie des ions dirigés vers une cible épaisse

est elle-même croissante et ceci largement au delà des éner-

gies des ions obtenus dans les tubes scellés actuellement dis-

ponibles et alimentés par une THT n'excédant que rarement 250 k V.

Parmi les principaux facteurs limitatifs de la du-

rée de vie d'un tube neutronique, l'érosion de la cible par le

bombardement ionique est l'un des plus déterminants.

L'érosion est fonction de la nature chimique et de

la structure de la cible d'une part, de l'énergie des ions in-

cidents et de leur profil de répartition en densité sur la

surface d'impact d'autre part.

Dans la plupart des cas, la cible est constituée

par un matériau hydrurable (Titane, Scandium, Zirconium, Er-

bium etc) capable de fixer et de relâcher des quantités im-

portantes d'hydrogène sans perturbation rédhibitoire de sa tenue mécanique; la quantité totale fixée est fonction de la température de la cible et de la pression d'hydrogène dans le tube Les matériaux cibles utilisés sont déposés sous forme de couches minces dont l'épaisseur est limitée par des problèmes d'adhérence de la couche sur son support Un moyen de retarder l'érosion de la cible consiste par exemple à former la couche active absorbante d'un empilage de couches identiques isolées les unes des autres par une barrière de diffusion L'épaisseur de chacune des couches actives est de l'ordre de la profondeur

de pénétration des ions deutérium venant frapper la cible.

Une autre façon de protéger la cible et donc d'ac-

croître la durée de vie du tube consiste à agir sur le fais-

ceau d'ions de manière à améliorer son profil de répartition en densité sur la surface d'impact A courant d'ions total constant sur la cible ce qui entraîne une émission neutronique constante, cette amélioration résulte d'une répartition aussi uniforme que possible de la densité de courant sur l'ensemble

de la surface offerte par la cible au bombardement des ions.

Un inconvénient résulte du fait que les ions ex-

traits et accélérés vers la cible réagissent avec les molécu-

les du gaz contenues dans le tube à une pression, au premier ordre contrante, pour produire des effets d'ionisation, de dissociation et d'échange de charges entraînant d'une part une diminution de l'énergie moyenne sur la cible, c'est-à-dire une

réduction de la production de neutrons et d'autre part la for-

mation d'ions et d'électrons qui sont ensuite accélérés et

bombardent la source d'ions ou les électrodes du tube.

Il en résulte des dépôts d'énergies qui accroissent

la température des matériaux des électrodes tels que le molyb-

dène ou l'acier inoxydable L'échauffement de ces matériaux

provoque la désorption d'impuretés telles que l'oxyde de car-

bone qu'ils renferment et perturbe ainsi la qualité de l'at-

mosphère du tube Les ions d'impuretés formés dans le tube, C O + par exemple, bombardent la cible avec un coefficient de pulvérisation supérieur d'un facteur 102 à 103 à celui des ions deutérium-tritium, d'o une accentuation importante de

l'érosion Ces effets croissent avec la pression de fonction-

nement dans le tube neutronique.

Ces considérations à caractère général valables

quelque soit la nature de la source d'ions montrent que l'ob-

tention de flux neutronique élevé avec de longues durées d'u-

tilisation (par exemple plusieurs milliers d'heures) nécessite d'utiliser: des cibles de grandes surfaces, des densités de bombardement ionique des cibles compatible avec un refroidissement efficace et une faible pulvérisation, des pressions de fonctionnement réduites nécessitant, par

conséquent, des sources d'ions efficaces en production d'ions.

A titre d'illustration, une densité moyenne de bom-

bardement de 0,5 m A, avec un maxima de l'ordre de 1 m A devrait permettre de dépasser le millier d'heures de fonctionnement quant au niveau neutronique, pour une tension d'accélération de 250 k V, il serait d'environ 3 1010 n/cm 2 S de neutrons de 14 Me V L'obtention d'un niveau de 1013 n/s nécessiterait une

surface de cible de 300 cm 2 et 3000 cm 2 pour 1014 n/s.

D'autres types connus de sources d'ions, à confine-

ment électrostatique des ions, telle que celle décrite dans la

demande de brevet français N O 88 13188 déposée par la Demande-

resse le 7 Octobre 1988 et publiée sous le N O FR 26 37 727 présente des caractéristiques similaires en ce qui concerne

l'usure de la cible.

Il a par ailleurs été proposé par la Demanderesse

dans la demande de brevet français N 88 13187 déposé le 7 oc-

tobre 1988 et publiée sous le N O FR 26 37 726 une source d'ions

de type multicellulaire présentant une cellule de Penning com-

portant une anode multitrous disposée à l'intérieur de la ca-

vité cathodique afin d'accroître le courant d'ions Il est

ainsi possible d'obtenir une homogénéité de courant plus éle-

vée sur une cible de plus grande dimension, mais des niveaux

d'émission tels que mentionnés ci-dessus demanderaient cepen-

dant des dimensions prohibitives.

L'idée de base de l'invention consiste à réaliser une extraction d'ions non plus axiale, mais radiale d'une part, en partant de la reconnaissance du fait qu'elle permet une réduction des champs électriques produisant l'émission froide des électrodes, et du nombre de claquage en résultant,

grâce à une dissymétrie dans la répartition du champ électri-

que et d'autre par du fait qu'elle permet de disposer la cible

cylindriquement autour de la source d'ions, d'o un gain ex-

trêmement important en ce qui concerne l'encombrement d'une

source à flux neutronique élevé.

Un tube neutronique selon l'invention est ainsi ca-

ractérisé en ce que la source d'ions est disposée selon au moins une portion d'une première surface de révolution et agencée pour produire une émission d'ions radiale et dirigée

vers l'extérieur de ladite première surface, en ce que le dis-

positif d'accélération est disposé selon au moins une portion d'une deuxième surface de révolution entourant ladite première surface, et en ce que la cible est disposée selon au moins une partie d'une troisième surface de révolution entourant ladite

deuxième surface.

On notera en outre qu'en ce qui concerne la source d'ions, le mode d'extraction radiale vers l'extérieur supprime en partie l'effet de gaine dû au périmètre de l'électrode d'extraction et entraîne, toutes choses égales par ailleurs,

un accroissement du rendement d'extraction de la source.

Le tube selon l'invention peut comporter un dispo-

sitif suppresseur d'électrons secondaires connu en soi et dis-

posé selon au moins une portion d'une quatrième surface de ré-

volution comprise entre la deuxième et la troisième surface.

Le dispositif d'accélération peut être avantageuse-

ment une électrode cylindrique.

Selon un premier mode de réalisation, à confinement magnétique, la source d'ions est constituée par au moins une

source élémentaire à structure Penning, pouvant notamment com-

porter une pluralité de sources élémentaires disposées selon au moins des portions d'anneaux superposés Selon un mode de réalisation avantageux, la première surface de révolution est

un premier cylindre et il comporte un premier aimant cylindri-

que disposé sur le plus petit rayon du premier cylindre, et au

moins un deuxième aimant cylindrique contenu dans ladite ca-

thode selon le plus grand rayon du premier cylindre, de maniè-

re à produire un champ magnétique radial.

Une anode peut être cylindrique ou tronconique de révolution Elle peut être de préférence constituée de deux disques parallèles ou à section tronconique, ce qui permet de réaliser une seule anode par anneau, d'o simplification de la

réalisation L'orifice d'extraction peut être une fente annu-

laire, ce qui est favorable au rendement d'extraction.

Selon un deuxième mode de réalisation, à confine-

ment magnétique, la source d'ions est constituée par une structure de type magnétron inversé Une telle structure est habituellement utilisée uniquement comme instrument de mesure (jauge à-ionisation) Sur ce point on se reportera à l'ouvrage The Physical Basis of Ultrahigh Vacuum (Redhead et al National Research Council Ottawa, CDN édité par Chapman and Hall Ltd LONDON (GB), en ses pages 333 et 334 Un tel dispositif est

utilisé ici comme source d'ions en ménageant au moins un ori-

fice d'extraction dans la cathode Au moins une anode peut

être annulaire Un troisième aimant annulaire peut être dispo-

sé de manière à produire un champ magnétique longitudinal Le

champ magnétique peut être obtenu grâce à un solénoïde entou-

rant la troisième (ou en cas échéant la quatrième) surface cy-

lindrique et agencé de manière à produire un champ magnétique longitudinal Dans ce cas et selon une variante préférée de l'invention, une anode cylindrique peut être disposée selon le plus petit rayon du premier cylindre et s'étendre sensiblement sur la hauteur du premier cylindre On peut ainsi obtenir avec

une seule anode et une seule cathode une émission sur une sur-

face de révolution, notamment cylindrique, allongée.

Selon un troisième mode de réalisation, à confine-

ment électrostatique, la source d'ions est du type orbitron comportant une deuxième anode cylindrique disposée selon le

plus petit rayon du premier cylindre et s'étendant sensible-

ment sur la hauteur dudit premier cylindre La source d'ions

peut également comporter une cathode chaude.

Selon un quatrième mode de réalisation, à confine-

ment électrostatique, la source d'ions est du type Reflex

électrostatique (SIRE) et présente au moins une anode annulai-

re, ou avantageusement un électrode multiannulaire.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la

description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limi-

tatif, en liaison avec les dessins qui représentent: la figure 1, un tube neutronique à extraction axiale du type

Penning, selon l'art antérieur (demande FR 2637725).

les fig 2 a et 2 b, dans une même structure cylindrique, deux

variantes d'un tube à source d'ions de type Penning, à extrac-

tion radiale selon l'invention, les fig 2 c et 2 d étant des

détails des fig 2 a et 2 b.

les fig 3 a et 3 b, dans une même structure cylindrique, deux variantes préférées d'un tube à source Penning, à extraction radiale selon l'invention, les fig 3 c et 3 d étant des détails

des fig 3 a et 3 b, et la fig 3 e une variante de la fig 3 a cor-

respondant à une émission tronconique.

la fig 4 une première variante d'un tube à source d'ions de

type magnétron inversé, à extraction radiale selon l'inven-

tion, la fig 4 b représentant le cheminement des électrons io-

nisants dans une telle source d'ions.

les fig 5 et 6 deux variantes d'un tube à source magnétron inversé, à extraction radiale selon l'invention, avec aimant

ou solénôide.

les fig 7 et 8 deux variantes d'un tube à source d'ions du

type orbitron, à extraction radiale selon l'invention.

et les fig 9 et 10 deux variantes d'un tube à source d'ions de type Reflex électrostatique, à extraction radiale selon l'invention.

Le dessin de la figure 1 montre les principaux élé-

ments de base d'un tube neutronique scellé 11 renfermant un

mélange gazeux sous faible pression à ioniser tel que deuté-

rium-tritium et qui comporte une source d'ions 1 et une élec-

trode d'accélération 2 entre lesquelles existe une différence

de potentiel très élevée permettant l'extraction et la focali-

sation du faisceau d'ions 3 et sa projection sur la cible 4 o s'effectue la réaction de fusion entraînant une émission de

neutrons à 14 Me V par exemple.

La source d'ions 1 solidaire d'un isolateur 5 pou-

vant permettre le passage du connecteur d'alimentation en THT par exemple 250 k V (non représenté) est une source de type Penning par exemple, constituée d'une anode cylindrique 6,

d'une structure cathodique 7 à laquelle est incorporé un ai-

mant 8 à champ magnétique axial qui confine le gaz ionisé 9 aux alentours de l'axe du cylindre d'anode et dont les lignes

de force 10 accusent une certaine divergence Un canal d'émis-

sion des ions 12 est pratiqué dans ladite structure cathodique

en vis-à-vis de l'anode.

L'anode est portée à un potentiel supérieur de

l'ordre de quelques ( 1 à 6 par exemple) k V à celui de la ca-

thode, elle même portée à la très haute tension THT L'élec-

trode d'accélération 2 et la cible 4 sont en général au poten-

tiel de masse.

Selon les figures 2 a et 2 c, un tube neutronique est, selon l'invention à émission et à extraction radiale La

source d'ions est constituée d'une pluralité de sources de ty-

pe Penning, arrangées selon une symétrie cylindrique (comme représenté) ou bien conique Pour ce faire elle compte une

structure annulaire, ou bien une pluralité de structures annu-

laires superposées 20 (et de même section dans le cas d'une

symétrie cylindrique) Chaque structure annulaire 20 fixée mé-

caniquement sur un axe central 18 porté à un potentiel élevé ( 200 à 250 k V) comporte un aimant cylindrique 8 sur le plus petit rayon de la structure annulaire 20, et un anneau plat 14, ainsi qu'une partie cylindrique 8 ' disposée sur le plus grand rayon de la structure annulaire 20 L'anneau plat 14 forme une partie de structure métallique maintenant solidaires l'aimant cylindrique 8 et la partie cylindrique 8 ', qui peut être elle-même constituée par un aimant cylindrique contenu

dans la structure cathodique 7 La cathode 7 est alors consti-

tuée par les surfaces cylindriques internes correspondant d'une part au rayon intérieur de plus faible valeur et d'autre

part par au rayon extérieur de plus forte valeur L'aimant cy-

lindrique 8 a une hauteur au moins égale à celle de la cathode 7 L'anneau plat, du fait qu'il sert de circuit magnétique est constitué lui-même de matériau magnétique (fer doux ou alliage

magnétique par exemple).

Une pluralité d'anodes cylindriques 6 sont répar-

ties radialement sur le pourtour de la structure annulaire 20,

et ont sensiblement le même axe que les ouvertures d'extrac-

tion 12 ménagées dans la partie cylindrique 8 ' de la structure cathodique 7 Une électrode d'accélération 2 se présente sur

la forme d'un cylindre (ou d'un cane) présentant des ouvertu-

res d'accélération 21 situées en face des ouvertures 12 La

cible comporte un support cylindrique (ou conique) 4 sur le-

quel l'électrode d'accélération 2 peut être raccordée mécani-

quement et électriquement Un isolateur haute tension tronco-

nique 5 maintient mécaniquement l'ensemble La source d'ions peut être agencée de manière telle que l'émission ait lieu sur

tout le pourtour ou seulement sur une partie ou secteur de ce-

lui-ci Pour ce faire l'anneau peut s'étendre sur 3600 ou seu-

lement sur un angle plus limité, et comporte des ouvertures 12

seulement aux endroits utiles Les ouvertures 12 de deux an-

neaux superposés peuvent être décalés angulairement par exem-

ple pour une meilleure homogénéité du faisceau sur la cible.

Un réservoir de deutérium-tritium est figuré en 23 ainsi

qu'une jauge de mesure de pression 22 Des électrodes 24 sup-

presseurs d'électrons secondaires sont disposées dans des

plans intermédiaires entre les anneaux, en dehors des fais-

ceaux ioniques 3 Des traversées isolantes 25 réparties sur le

pourtour permettent leur fixation mécanique et/ou leur alimen-

tation électrique Les électrodes 24 sont portées à un poten-

tiel négatif (-5 k V par exemple) par rapport à ceux de l'élec-

trode d'accélération 2 et de la cible 4 mises à la masse, et est avantageusement réalisée en un matériau réfractaire Pour plus de renseignements, on se reportera à la demande de brevet

français no 88 13186 déposée le 7 Octobre 1988 par la Demande-

resse et publiée sous le N O FR 2 637 725 Les électrodes 24 sont de préférence toriques à section en V pour épouser au

mieux le profil des faisceaux ioniques 3.

Aux figures 2 b et 2 d, les anodes 6 ' sont coniques et non cylindriques Ces deux variantes ont été représentées par convenance sur une même structure cylindrique On trouvera plus d'indication sur cette forme d'anode dans la demande de brevet français n' 88 13185 déposée le 7 Octobre 1988 par la

Demanderesse et publiée sous le N O FR 2 637 724.

Un deuxième modèle de structure de source d'ions, toujours de type Penning consiste à intégrer les N modules de source d'ions cylindriques (ou coniques) dans une structure annulaire présentant une cartographie électrique proche, la

répartition du champ magnétique étant semblable à la précéden-

te Pour ce faire, l'anode de la structure est constituée de deux disques parallèles 16 ou inclinés 16 ' l'un par rapport à

l'autre pour mieux épouser les lignes de force de champ magné-

tique Ces structures sont représentées figures 3 a à 3 d La

cathode 7 de la structure est constituée par les surfaces cy-

lindriques internes correspondant d'une part au rayon inté-

rieur de plus faible valeur et d'autre part au rayon extérieur de plus forte valeur, cette dernière surface est percée sur toute sa longueur d'une fente d'extraction 32 de hauteur et de

profondeur couplées de façon à éviter la pénétration trop im-

portante du champ électrique appliqué par l'électrode d'accé-

lération Comme dans une structure Penning classique, le champ magnétique à l'intérieur de la structure doit être supérieur au champ de coupure (valeur liée d'une part à la structure géométrique: distance entre les deux anneaux anodiques et à degré moindre à la distance intercathodique et d'autre part à la tension appliquée entre anode et cathode) c'est-à-dire au champ magnétique empêchant les électrons d'atteindre l'anode à

partir d'oscillations sans choc ionisant.

Les aimants utilisés pour produire ce champ magné-

tique sont constitués comme précédemment d'anneaux répartis en

deux ensembles maintenus mécaniquement par des carcasses mé-

talliques 14 servant de circuit magnétique (matériau magnéti-

que) Le premier ensemble est constitué de deux anneaux 8 '

disposés de part et d'autre de la fente d'extraction Le deu-

xième aimant est constitué d'un cylindre 8 dont l'épaisseur il

est fonction du champ magnétique nécessaire au bon fonctionne-

ment de la source et de la nature du matériau utilisé Sa hau-

teur est au moins égale à la hauteur de la cathode 7.

Selon la figure 3 e, des structures annulaires cor-

respondant à la fig 3 a, mais de rayons différents, sont empi-

lés pour former une structure tronconique L'électrode d'accé-

lération 2 et la cible 4 peuvent être également tronconiques.

Pour la figure 3 a, on peut avoir les valeurs sui-

vantes: r 1 = 4 cm, r 2 = 7 cm, r 3 = 10,5 cm, r 4 = 15 cm; épaisseur de l'aimant 8 1 cm; épaisseur de l'aimant 8 '

1,5 cm; hauteur d'un anneau h = 6 cm.

Selon les figures 4 a et 4 b, la source d'ions est réalisée à partir d'une structure dite "magnétron inversé"', connue pour réaliser une jauge à ionisation (livre de Redhead et al précité) Les dimensions sont pratiquement identiques à celles de la structure Penning ainsi que la pression et les

tensions de fonctionnement.

Dans cette structure (figure 4 a), l'anode est cons-

tituée par un anneau 40 (par exemple de hauteur 3 cm, sur un rayon de 5 cm) situé à l'intérieur de la cavité cathodique 42 dont l'élément principal est constitué par la paroi cathodique

cylindrique 41 séparée en deux parties par la fente d'extrac-

tion 32 La hauteur d'une cellule élémentaire peut être par exemple de 6 à 8 cm Le champ électrique est, dans cette zone, radial et le champ magnétique de confinement est globalement

* perpendiculaire et par conséquent parallèle à l'axe de symé-

trie de la structure Les électrons accélérés vers l'anode

sont déviés vers la cathode par le champ magnétique et décri-

vent des cycloïdes (figure 4 b) avec pour base la surface cy-

lindrique (ou la surface équipotentielle) sur laquelle ils ont

été créés.

Le champ magnétique de confinement peut être créé par des aimants 48 en forme de disques disposés symétriquement par rapport au plan de symétrie de la structure; ces aimants

48 peuvent être maintenus mécaniquement sur un support métal-

lique 43 faisant office de circuit magnétique et dont le

diamètre est inférieur au diamètre anodique Il peut être éga-

lement créé par une bobine 50 disposée à l'extérieur de la structure tube (figures 5 et 6) et conduisant à l'obtention d'un champ magnétique supérieur au champ de coupure La bobine 50 a une hauteur qui peut être avantageusement égale à 1,5 à 2

fois la hauteur totale des structures cathodiques Cette con-

figuration peut être intéressante dans certaines utilisations

nécessitant un freinage des neutrons, utilisation d'un maté-

riau de bobinage lourd, refroidi par circulation d'eau pouvant servir également au refroidissement de la cible Dans cette

configuration un avantage important est que les électrons se-

condaires de la cible sont piégés (renvoi sur la cible 4) par le champ magnétique et l'électrode supresseuse 24 n'est plus strictement nécessaire en fonctionnement à basse pression (quelques 10-4 à 10-2 Torr) Dans le cas des figures 5 et 6, l'anode peut être constituée (fig 5) par un anneau 40 dispdsé dans chaque cavité cathodique 42 délimitée par des anneaux plats 52 en matériau conducteur, la cathode étant constituée par des anneaux conducteurs 51 (par exemple de hauteur 3 à 4 cm) solidaires des anneaux plats 52 (par exemple de hauteur 2 mm) entre lesquels sont disposées des fentes d'extraction 32 L'anode est de préférence constituée (fig 6) par un seul cylindre (ou tronc de cône) 55 fixé par des entretoises 56,

les anneaux plats 52 étant supprimés.

Les structures présentées maintenant comportent une source d'ions, à extraction radiale selon l'invention, avec un

champ électrique de confinement.

Les figures 7 et 8 présentent une structure orbi-

tron présentant une anode 70 de faible dimension (de diamètre par exemple compris entre 0,05 et 0,1 cm), située sur l'axe de la cathode 51 (de diamètre par exemple compris entre 10 et cm) Cette structure peut être à cathode froide (figure 7) et par conséquent nécessitant une tension anodique élevée et une pression de fonctionnement comprise au mieux dans la plage des 10-4-10-3 torr ou présentant également une cathode chaude 71 (figure 8), entraînant alors une extension plus grande de

la plage de fonctionnement vers les basses pressions Le prin-

cipe de fonctionnement est le suivant: les électrons émis par

les filaments ou les cathodes sont attirés par l'anode; sui-

vant leur angle d'émission et leur énergie initiale, ils peu-

vent "manquer" l'anode et ainsi osciller longuement à l'inté-

rieur de la structure 1 la probabilité d'ionisation est ainsi

fortement augmentée et une décharge, avec formation d'un plas-

ma est créée Les ions sont attirés sur la cathode et leur ex-

traction est faite à travers une o plusieurs fentes cylindri-

ques 32 L'extraction et la position des fentes 32 peuvent être réalisées de manière similaire à la structure magnétron inversé avec solénoïde La structure d'accélération 2 et de

suppression 24 des électrons secondaires de la cible sont sem-

blables à celles des systèmes de source d'ions à champ magné-

tique de confinement La forme et la position de l'électrode

suppresseuse 24 doivent tenir compte des pressions de fonc-

tionnement plus élevées, conformément aux dispositions prises

dans le brevet français N O 88 13186 précitée.

Les figures 9 et 10 présentent des structures Re-

flex électrostatiques (SIRE) à cathode froide L'anode 90 est proche de la cathode cylindrique 51 (diamètre de la cathode

par exemple compris entre 2 et 3 cm) et les électrons oscil-

lent entre les deux sections planes de la cathode; la densité de courant ionique est beaucoup plus importante sur les deux sections planes de la cathode, en particulier à basse pression

(p t 10-3 torr) L'extraction radiale se fait par l'intermé- diaire de fentes cylindriques 32 ménagées dans la paroi cylin-

drique de la cathode 51, dans des conditions similaires à cel-

les de la structure magnétron inversé Leur surface relative (par rapport à la surface totale de la partie cylindrique de

la cathode) peut être importante car l'essentiel de la déchar-

ge est due aux sections planes Le nombre de fentes est fonc-

tion de la hauteur de la structure de la source d'ions et de

ses dimensions Le nombre d'anodes annulaires (section circu-

laire ou cylindrique) refroidies ou non et disposées dans la partie médiane entre les surfaces d'extraction est fonction de

la hauteur de la structure La figure 9 représente une struc-

ture à quatre "anneaux" d'extraction, tandis que la figure 10 représente un tube neutronique beaucoup plus haut avec N structures d'extraction (N > 4) Dans ce cas, on met en oeuvre

une anode présentant plusieurs anneaux 91 Les parties 'accé-

laration" 2 et "suppression d'électrons secondaires" 24 sont semblables à celles des structures à champs magnétiques Le diamètre de la structure SIRE peut être de l'ordre de 10 à

15 cm Leurs pressions de fonctionnement sont en général com-

prises entre 10-3 torr et quelques 10-2 torr, et leurs ten-

sions entre quelques k V et 12 k V.

Un accroissement important de l'émission neutroni-

que, avec un accroissement en valeur relative beaucoup plus réduit du volume peut être obtenu en disposant plusieurs structures semblables suivant le même axe, comme l'indiquent les figures 2 a à 2 d, 3 a à 3 d, 4 a, 5, 9 et 10 En effet, les parties isolement électrique et éventuellement les supports magnétiques, restent les mêmes, seules les parties actives composées des électrodes et (éventuellement) des aimants sont démultipliées L'empilement peut être réalisé de manière à former des cylindres ou des troncs de cône On peut, à titre

d'exemple, donner les solutions suivantes.

structure de source d'ions de type Penning: les circuits magnétiques en forme d'anneaux sont communs à deux structures

consécutives et chaque structure a ses aimants propres (figu-

res 2 a à 2 d, 3 a à 3 d.

structure de source d'ions de type magnétron inversé avec aimants: deux structures consécutives ont les mêmes aimants 48 et les circuits magnétiques 41 sont empilés les uns et les autres et par conséquent propres à chaque structure (figure 4 a), structure de sources d'ions de type magnétron inversé avec bobine extérieure; la bobine extérieure 50 est plus longue que les structures de source d'ions empilées les unes sur les

autres La densité d'enroulement par unité de longueur est ap-

proximativement constante (figure 5).

Quant aux structures électrostatiques, leur volume

plus grand et leur configuration propre ne permet que de dis-

poser d'un nombre réduit de cellules complémentaires, sachant

que les dimensions du tube sont proches de celles des structu-

res à champ magnétique et que les structures électrostatiques sont équipées de plusieurs fentes d'extraction Il est aussi avantageux de modifier les structures elles-mêmes (position et nombre d'anodes dans la structure SIRE, hauteur des cathodes

cylindriques dans les structures SIRE et orbitron).

L'ensemble des structures décrites et représentées

ci-dessus présentent les avantages de l'extraction radiale.

L'extraction se faisant suivant une surface cylindrique (ou troconique), les structures bénéficient, indépendamment de l'effet de divergence du faisceau d'ions, d'un accroissement de la surface bombardée (cible 4) correspondant au rapport des

rayons de la cible 4 et de l'électrode d'extraction ( 8 ', 41).

En ce qui concerne la source d'ions proprement dite, l'extrac-

tion radiale, en particulier par une fente cylindrique 32,

supprime en partie l'effet de gaine dû au périmètre de l'élec-

trode d'extraction (c'est-à-dire la partie de la cathode o

s'effectue l'extraction) et entraîne une augmentation du ren-

dement d'extraction de la source, toutes choses égales par

ailleurs.

Un deuxième avantage des structures à extraction radiale est de conduire à une réduction des champs électriques produisant l'émission froide des électrodes et du nombre de

claquages en résultant grâce à une dissymétrie dans la répar-

tition du champ électrique: pour une distance d'entre deux électrodes, le champ électrique appliqué moyen varie en 1/r électrode intérieure V (électrode d'extraction 8 ', 41) E = k ex électrode extérieure V

(électrode d'accélération 2) E = k' -

acc rex+d Eex = champ d'extraction; Eacc = champ d'accélération rex = rayon d'extraction, d = distance d'accélération,

k et k' sont des constantes.

Ainsi pour des distances d'accélération d de l'or-

dre de 20 mm et des électrodes d'extraction de rayon rex 150 mm, la variation du champ électrique global par rapport à

une structure classique (électrodes planes et parallèles) se-

rait de l'ordre de 5 à 10 % Cet écart faible correspond à une diminution du courant d'émission froide de l'ordre de 5 à 10

par rapport à une émission axiale.

L'invention ne se limite pas aux modes de réalisa-

tion décrits et représentés Elle s'applique également par

exemple aux tubes neutroniques en atmosphère de Deutérium uni-

quement (production de neutrons de 2,6 Me V) En outre, un fonctionnement pulsé est possible après mise en place dans la source d'ions, de manière connue en soi pour les sources à émission axiale, d'une source d'électrons ou d'un émetteur a

et/ou P et/ou Y produisant les premières particules électri-

ques à l'origine de l'armorçage et de la décharge dans la

source d'ions.

Claims (18)

REVENDICATIONS

1 Tube neutronique comportant une source d'ions pré-

sentant au moins une anode, au moins une cathode, présentant au moins un orifice d'extraction, et comportant également un dispositif d'accélération disposé de manière à projeter au moins un faisceau ionique de la source d'ions sur une cible

pour y produire une réaction entraînant une émission de neu-

trons caractérisé en ce que la source d'ions est disposée se-

lon au moins une portion d'une première surface de révolution

( 8 ', 41, 51) et agencée pour produire une émission d'ions ra-

diale et dirigée vers l'extérieur de ladite première surface ( 8 ', 41, 51), en ce que le dispositif d'accélération ( 2) est disposé selon au moins une portion d'une deuxième surface de résolution entourant ladite première surface ( 8 ', 41, 51), et en ce que la cible ( 4) est disposée selon au moins une portion

d'une troisième surface de révolution entourant ladite deuxiè-

me surface.

2 Tube neutronique selon la revendication 1 caracté-

risé en ce qu'il comporte un dispositif suppresseur d'élec-

trons secondaires ( 24) disposé selon au moins une portion

d'une quatrième surface de révolution comprise entre la deu-

xième et la troisième surface.

3 Tube neutronique selon une des revendication 1 ou

2, caractérisé en ce qu'au moins une dite surface de révolu-

tion est un cylindre.

4 Tube électronique selon la revendication 3 caracté-

risé en ce que le dispositif d'accélération est une électrode cylindrique. Tube neutronique selon une des revendication 1 à 4 caractérisé en ce que la source d'ions est constituée par au moins une source élémentaire à structure Penning ( 6, 8, 8 ', 14).

6 Tube neutronique selon la revendication 5 caracté-

risé en ce qu'il comporte une pluralité de sources élémentai-

res disposées selon au moins des portions d'anneaux ( 20) su-

perposés.

7 Tube neutronique selon une des revendications 5 ou

6 caractérisé en ce qu'il comporte un premier aimant cylindri-

que ( 8) disposé selon le plus petit rayon de la première sur-

face de révolution et au moins un deuxième aimant cylindrique ( 8 ') contenu dans ladite cathode selon le plus grand rayon de la première surface de révolution, de manière à produire un

champ magnétique radial.

8 Tube neutronique selon une des revendication 5 à 7

caractérisé en ce qu'au moins une anode ( 6, 6 ') est cylindri-

que ou tronconique de révolution.

9 Tube neutronique selon une des revendications 5 à 7

caractérisé en ce qu'au moins une anode est constituée de deux

disques parallèles ( 16).

Tube neutronique selon une des revendication 6 ou 7 caractérisé en ce qu'au moins une anode est constituée de deux

disques à section tronconique ( 16 ').

11 Tube neutronique selon une des revendications 9 ou

caractérisé en ce qu'au moins un orifice d'extraction est

une fente annulaire ( 32).

12 Tube neutronique selon une des revendications 1 à 4

caractérisé en ce que la source d'ions est constituée au moins

par une structure du type magnétron inversé (fig 4 a, 5, 6).

13 Tube neutronique selon la revendication 12 caracté-

risé en ce qu'il comporte au moins un troisième aimant annu-

laire ( 48) disposé de manière à produire un champ magnétique longitudinal.

14 Tube neutronique selon une des revendications 12 ou

13 caractérisé en ce qu'au moins une anode ( 40) est annulaire.

Tube neutronique selon la revendication 12 caracté-

risé en ce qu'il comporte un solénoïde ( 50) de diamètre supé-

rieur à celui de la troisième surface de révolution et agencé

de manière à produire un champ magnétique longitudinal.

16 Tube neutronique selon la revendication 15 caracté-

risé en ce qu'il comporte une première anode cylindrique ( 55) disposée selon le plus petit rayon de la première surface de

révolution et s'étendant sensiblement sur la hauteur de cel-

le-ci.

17 Tube neutronique selon une des revendications 1 à 4

caractérisé en ce que la source d'ions est de type orbitron (fig 7, 8), comportant une deuxième anode cylindrique ( 70) disposée selon le plus petit rayon de la première surface de

révolution et s'étendant sensiblement sur la hauteur de cel-

le-ci.

18 Tube neutronique selon la revendication 17 caracté-

risé en ce qu'il comporte également une cathode chaude ( 71).

19 Tube neutronique selon une des revendications 1 à 4

caractérisé en ce que la source d'ions est du type Reflex électrostatique (SIRE) (Fif 9 et 10) et présente au moins une anode annulaire ( 90), au moins un orifice d'extraction étant

une fente ( 32).

Tube neutronique selon la revendication 19, carac-

térisé en ce qu'il comporte une anode multiannulaire ( 91).