FR2757310A1 - Systeme magnetique, en particulier pour les sources ecr, permettant la creation de surfaces fermees d'equimodule b de forme et de dimensions quelconques - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un dispositif pour engendrer un champ magnétique B| <--, comportant une structure multipolaire (M1 , M2 , M3 ) dont les éléments présentent des polarités telles que la somme vectorielle des champs créés en chaque point par chacun de ces éléments permette de définir au moins une ligne fermée de minima B à l'intérieur d'une surface (70) d'équimodule fermée dans l'espace. Application à une source ECR.
Description
SYSTEME MAGNETIQUE, EN PARTICULIER POUR LES SOURCES
ECR, PERMETTANT LA CREATION DE SURFACES FERMEES
D'EQUIMODULE B DE FORME ET DE DIMENSIONS QUELCONQUES
DESCRIPTION
Domaine technique
L'invention concerne le domaine des dispositifs magnétiques, pour créer un champ magnétique, en particulier en vue d'une application à une source ECR
(source à résonance cyclotronique électronique). De telles sources sont utilisées pour produire des ions.
ECR, PERMETTANT LA CREATION DE SURFACES FERMEES
D'EQUIMODULE B DE FORME ET DE DIMENSIONS QUELCONQUES
DESCRIPTION
Domaine technique
L'invention concerne le domaine des dispositifs magnétiques, pour créer un champ magnétique, en particulier en vue d'une application à une source ECR
(source à résonance cyclotronique électronique). De telles sources sont utilisées pour produire des ions.
Le document FR-2 475 798 décrit un procédé et un dispositif pour la production d'ions fortement chargés. Le dispositif comporte une cavité hyperfréquence excitée par au moins un champ électromagnétique de haute fréquence. Ce champ est associé à un champ magnétique dont l'amplitude est choisie de façon à ce que la fréquence cyclotronique électronique, associée audit champ magnétique, soit égale à la fréquence du champ électromagnétique établi dans la cavité. I1 s'agit de la condition
B=f.2zm/e (1) où m représente la masse de l'électron, e la charge de l'électron et f la fréquence du champ électromagnétique.
B=f.2zm/e (1) où m représente la masse de l'électron, e la charge de l'électron et f la fréquence du champ électromagnétique.
Dans ce dispositif, le champ magnétique est constitué par la superposition - d'un champ magnétique radial multipolaire, présentant
une amplitude minimum dans la partie centrale de la
cavité, - et d'un champ magnétique axial à symétrie de
révolution, présentant un gradient suivant ledit axe, le champ magnétique total résultant étant réglé de façon à ce qu'il existe dans la cavité au moins une nappe magnétique complètement fermée, et n'ayant aucun contact avec les parois de la cavité. Sur cette nappe, la condition de résonance cyclotronique électronique est satisfaite de manière à obtenir une ionisation du gaz la traversant.
une amplitude minimum dans la partie centrale de la
cavité, - et d'un champ magnétique axial à symétrie de
révolution, présentant un gradient suivant ledit axe, le champ magnétique total résultant étant réglé de façon à ce qu'il existe dans la cavité au moins une nappe magnétique complètement fermée, et n'ayant aucun contact avec les parois de la cavité. Sur cette nappe, la condition de résonance cyclotronique électronique est satisfaite de manière à obtenir une ionisation du gaz la traversant.
Le dispositif décrit dans ce document va être brièvement rappelé, en liaison avec la figure 1. Deux sources, non représentées, permettent d'envoyer du gaz ionisable par des conduits 2, 4 qui aboutissent à une enceinte de confinement 6, dans laquelle une pompe à vide permet de réaliser un vide poussé. Un champ électromagnétique est introduit par des guides d'onde 8, 10.
Des paires de bobines axiales 14, 16 permettent de produire le champ magnétique axial. Le champ magnétique radial multipolaire, présentant une amplitude nulle au centre de la cavité, est créé à l'aide de barres 18 disposées parallèlement les unes aux autres. Le champ magnétique résultant se superposant au champ électromagnétique HF permet la résonance cyclotronique électronique.
Le document EP-138 642 décrit également une structure magnétique de confinement (figure 2), dans laquelle des solénoïdes 20 fournissent un champ axial
Ba qui se superpose à un champ radial Er engendré par des aimants permanents 22 montés sur la paroi intérieure d'une carcasse cylindrique 24. L'ensemble des deux solénoïdes est blindé par une carcasse ferromagnétique 26. Ce type de dispositif permet de magnétiser un volume utile 28.
Ba qui se superpose à un champ radial Er engendré par des aimants permanents 22 montés sur la paroi intérieure d'une carcasse cylindrique 24. L'ensemble des deux solénoïdes est blindé par une carcasse ferromagnétique 26. Ce type de dispositif permet de magnétiser un volume utile 28.
Le dispositif illustré sur la figure 3 représente schématiquement un ensemble cible-source, dénommé "Nanomafira". Cet ensemble est décrit dans la
Communication de P. Sortais et al. "Developments of compact permanent magnets ECRIS", 12th International
Workshop on ECR Ion Sources, April 25-27, 1995, Riken,
Japon. Un ensemble d'aimants 32, 34, 36 est disposé autour d'une zone 38 de confinement du plasma et permet de définir un champ axial. Une structure multipolaire 37 permet de définir un champ radial qui se superpose au champ axial.
Communication de P. Sortais et al. "Developments of compact permanent magnets ECRIS", 12th International
Workshop on ECR Ion Sources, April 25-27, 1995, Riken,
Japon. Un ensemble d'aimants 32, 34, 36 est disposé autour d'une zone 38 de confinement du plasma et permet de définir un champ axial. Une structure multipolaire 37 permet de définir un champ radial qui se superpose au champ axial.
Tous ces dispositifs ont en commun le fait de réaliser une magnétisation d'un certain volume, dit volume de confinement. Par expérience on sait que l'utilisation de chambres à plasma de grand volume permet l'accroissement des performances. Or, réaliser une chambre à plasma de grand volume nécessite de magnétiser un grand volume, et implique donc la mise en oeuvre de moyens magnétiques conséquents, ce qui implique l'utilisation d'une importante puissance électrique, ou l'utilisation d'une grande quantité d'aimants.
Par ailleurs, pour produire des ions monochargés, ou présentant de faibles états de charge, la fréquence UHF à mettre en oeuvre est faible. Par conséquent, le champ magnétique à mettre en oeuvre est, lui-aussi faible (relation (1)). Par contre, pour produire des ions multichargés, la fréquence UHF doit être élevée. Ceci implique la mise en oeuvre, dans le volume de confinement, d'un champ magnétique de module élevé.
A titre d'exemple, avec une source Nanomafira
(décrite ci-dessus) présentant un volume confiné de diamètre 26 mm et de longueur 90 mm, on arrive à produire seulement 55 pA d'ions Ar8 et 3 pA d'ions Aryle
Un autre inconvénient des sources ECR classiques est qu'elles ont une structure magnétique bien définie, et, par conséquent, une plage d'utilisation, en fréquence, assez étroite autour d'une valeur centrale donnée. Ainsi, ces sources peuvent fonctionner autour de 2,5 GHz, ou 6,5 0Hz ou 10 GHz, ou 14 GHz, ou 18 GHz. Mais elles ne sont pas compatibles avec une utilisation en bande large.
(décrite ci-dessus) présentant un volume confiné de diamètre 26 mm et de longueur 90 mm, on arrive à produire seulement 55 pA d'ions Ar8 et 3 pA d'ions Aryle
Un autre inconvénient des sources ECR classiques est qu'elles ont une structure magnétique bien définie, et, par conséquent, une plage d'utilisation, en fréquence, assez étroite autour d'une valeur centrale donnée. Ainsi, ces sources peuvent fonctionner autour de 2,5 GHz, ou 6,5 0Hz ou 10 GHz, ou 14 GHz, ou 18 GHz. Mais elles ne sont pas compatibles avec une utilisation en bande large.
Un autre inconvénient des sources ECR connues est qu'elles ne peuvent pas être installées au centre d'un cyclotron. La figure 4 représente schématiquement une vue en coupe de deux plaques 48, 50 d'un cyclotron entre lesquelles est établi un champ magnétique B. La référence 52 désigne une source d'ions ECR et la référence 56 désigne, schématiquement, une ligne d'injection des ions produits par la source 52, ainsi que des moyens d'adaptation du faisceau en vue de son injection à l'entrée du cyclotron. A l'intérieur de celui-ci, le faisceau de particule 58 est défléchi à l'aide de moyens 54 électrostatiques. Le faisceau peut ensuite être accéléré dans des cavités hyperfréquences.
Du fait de son environnement et de ses composantes magnétiques radiales multipolaires, une source ECR classique 52 ne peut être incorporée à l'intérieur du cyclotron.
Un autre inconvénient des sources ECR classiques est la nécessité de réaliser une extraction du faisceau d'ions suivant l'axe de symétrie de la source, et uniquement suivant cet axe.
Or, si l'on souhaite coupler une source ECR dans un cyclotron, il est nécessaire de réaliser un dispositif à extraction latérale.
Par ailleurs, une source à extraction latérale peut présenter un intérêt pour diverses applications, et pas seulement pour les applications à un cyclotron.
En particulier, une source d'ions à extraction latérale, partielle ou même sur 360 , serait très intéressante pour la technique d'implantation d'ions.
Actuellement, les sources utilisées pour cette technique ont un trou d'extraction dont le diamètre est d'environ 10 mm, ce qui ne permet de disposer que d'un seul faisceau. Par ailleurs, le principe de l'extraction par un trou sur l'axe ainsi que les composantes radiales du champ, créés par le système multipolaire, entraînent des inhomogénéités du faisceau extrait de la source.
Exposé de l'invention
L'invention a pour objet un dispositif pour engendrer un champ magnétique B, comportant une structure multipolaire dont les éléments présentent des polarités telles que la somme vectorielle des champs créés par chacun de ces éléments en chaque point d'un espace délimité par lesdits éléments permette de définir au moins une ligne continue et fermée de minima à l'intérieur d'une surface d'équimodule, fermée dans ledit espace.
L'invention a pour objet un dispositif pour engendrer un champ magnétique B, comportant une structure multipolaire dont les éléments présentent des polarités telles que la somme vectorielle des champs créés par chacun de ces éléments en chaque point d'un espace délimité par lesdits éléments permette de définir au moins une ligne continue et fermée de minima à l'intérieur d'une surface d'équimodule, fermée dans ledit espace.
Dans l'invention, la surface fermée de module
B englobe un volume intérieur où le champ magnétique peut, en particulier, présenter un minimum B très faible, au contraire de ce qui se produit dans les sources ECR connues.
B englobe un volume intérieur où le champ magnétique peut, en particulier, présenter un minimum B très faible, au contraire de ce qui se produit dans les sources ECR connues.
Pour ce type de source, la fréquence de fonctionnement maximale est définie par la surface d'équimodule fermé, pour laquelle le champ est maximum et égal à I BI, obtenu à l'intérieur de la structure multipolaire. La même source peut donc fonctionner sans modification à basse fréquence f0, si une ligne fermée de minima IBol est compatible avec cette fréquence, c'est-à-dire satisfait à la relation Bo=fo2irm/e. Le dispositif selon l'invention est donc compatible avec un fonctionnement en bande large.
De plus, ce type de dispositif est aisément modulable et son volume peut être ajusté l'accroissement du volume n'entraîne pas la mise en oeuvre de moyens magnétiques beaucoup plus conséquents.
En effet, dans le dispositif selon l'invention, il n'est pas nécessaire de créer un champ magnétique important loin des éléments de la structure multipolaire : le champ magnétique peut décroître rapidement lorsque l'on s'écarte de ces éléments.
Le dispositif selon l'invention peut être réalisé soit avec des aimants permanents, soit avec des bobines, ou encore avec une association des deux. Dans le cas où l'environnement du dispositif ne permet pas l'utilisation d'aimants permanents (du fait de l'existence de flux important de neutrons, ou de particules chargées, ou de l'utilisation dans un milieu de températures excessives, etc.), l'utilisation de bobines permet une réalisation aisée de l'invention.
Selon un mode particulier de réalisation, le dispositif selon l'invention comporte un ensemble multipolaire, décomposé en trois sous-ensembles et formé de N > 3 moyens magnétiques - un ensemble de N1 moyens magnétiques, pour former une
structure magnétique axiale, - deux ensembles de N2 moyens magnétiques, pour former
les structures magnétiques radiales.
structure magnétique axiale, - deux ensembles de N2 moyens magnétiques, pour former
les structures magnétiques radiales.
Les moyens magnétiques, à polarité alternée, permettant de former un champ magnétique axial, peuvent être en forme d'anneaux juxtaposés les uns à côté des autres.
Les moyens magnétiques, à polarité alternée, permettant de former les structures magnétiques radiales, peuvent être en forme d'anneaux emboîtés les uns dans les autres.
L'une, ou les deux, structure(s) radiale(s) peu(ven)t présenter une ouverture centrale, permettant, en particulier, l'extraction des ions dans un champ magnétique ne présentant pas de composante radiale multipolaire.
On peut également prévoir au moins une ouverture latérale sur la périphérie du dispositif une telle mesure était difficile à réaliser dans les dispositifs de l'art antérieur, parce que la suppression d'une partie de la structure multipolaire radiale est très dommageable pour le confinement magnétique.
Selon une autre disposition, chaque ensemble de
N2 moyens magnétiques, pour former la structure radiale, comporte N2 moyens magnétiques disposés coaxialement les uns autour des autres suivant leur diamètre, soit dans un même plan, soit légèrement décalés.
N2 moyens magnétiques, pour former la structure radiale, comporte N2 moyens magnétiques disposés coaxialement les uns autour des autres suivant leur diamètre, soit dans un même plan, soit légèrement décalés.
L'invention a également pour objet une source
ECR comportant un dispositif pour engendrer un champ magnétique, tel que décrit ci-dessus, le volume intérieur à la structure multipolaire définissant une enceinte de confinement pour plasma, et des moyens pour disposer une cible.
ECR comportant un dispositif pour engendrer un champ magnétique, tel que décrit ci-dessus, le volume intérieur à la structure multipolaire définissant une enceinte de confinement pour plasma, et des moyens pour disposer une cible.
L'invention a également pour objet un procédé de production d'ions mettant en oeuvre une telle source
ECR.
ECR.
L'invention a également pour objet un procédé de fonctionnement d'un cyclotron, des ions étant injectés dans le cyclotron à l'aide d'une source ECR telle que décrite ci-dessus.
De manière avantageuse, la source ECR est disposée à l'intérieur du cyclotron.
L'invention a également pour objet un procédé de transport de particules chargées, mettant en oeuvre un dispositif selon l'invention, comportant N1 moyens magnétiques à polarité alternée pour former la structure magnétique axiale, en forme d'anneaux, juxtaposés les uns à côté des autres, deux ensembles de
N2 moyens magnétiques à polarité alternée, pour former les structures magnétiques radiales, les particules étant transportées d'une extrémité à l'autre de l'ensemble des anneaux juxtaposés.
N2 moyens magnétiques à polarité alternée, pour former les structures magnétiques radiales, les particules étant transportées d'une extrémité à l'autre de l'ensemble des anneaux juxtaposés.
L'invention a également pour objet une pompe à plasma confiné comportant un dispositif pour engendrer un champ magnétique, selon l'invention, des moyens latéraux pour injecter un rayonnement HF, des moyens latéraux de connexion à un volume à pomper, et des moyens d'extraction et neutralisation des particules pompées.
Brève description des figures
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels
- les figures 1 à 3 représentent schématiquement des sources ECR de l'art antérieur,
- la figure 4 représente schématiquement une source ECR couplée à un cyclotron,
- la figure 5 représente un exemple de réalisation de l'invention,
- la figure 6 est un cas particulier illustrant une application de l'invention,
- la figure 7 représente l'évolution spatiale de champs magnétiques pour le dispositif de la figure 6,
- la figure 8 représente la répartition des lignes d'équimodules magnétiques pour le dispositif de la figure 6,
- la figure 9 représente une ligne de transport de particules à plasma confiné,
- les figures 10 à 12 sont diverses représentations d'une pompe à plasma confiné selon l'invention.
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels
- les figures 1 à 3 représentent schématiquement des sources ECR de l'art antérieur,
- la figure 4 représente schématiquement une source ECR couplée à un cyclotron,
- la figure 5 représente un exemple de réalisation de l'invention,
- la figure 6 est un cas particulier illustrant une application de l'invention,
- la figure 7 représente l'évolution spatiale de champs magnétiques pour le dispositif de la figure 6,
- la figure 8 représente la répartition des lignes d'équimodules magnétiques pour le dispositif de la figure 6,
- la figure 9 représente une ligne de transport de particules à plasma confiné,
- les figures 10 à 12 sont diverses représentations d'une pompe à plasma confiné selon l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation de l'invention
Un premier exemple de réalisation de l'invention va être décrit en liaison avec la figure 5.
Un premier exemple de réalisation de l'invention va être décrit en liaison avec la figure 5.
Sur cette figure, des références 62-1, ....
62-4 désignent 4 anneaux magnétiques, à polarité alternée, permettant de former la structure axiale. Les références 64-1, . . ., 64-5 et 66-1, . . . , 66-4, désignent des anneaux magnétiques de deux ensembles latéraux, à polarité alternée, permettant de former les structures magnétiques radiales.
La référence 68 désigne une ouverture pratiquée dans une des parois latérales.
Ce dispositif comporte donc deux ensembles M1 (64-1, ..., 64-5) et M2 (66-1, ..., 66-4) constituant ses extrémités, et un ensemble M3 (62-1, . . . , 62-4) latéral. Ce système M3 peut être composé par une structure multipolaire définie par des secteurs (et pas uniquement par des anneaux) présentant une symétrie par rapport à l'axe de symétrie A du dispositif. Dans le cas où, comme représenté sur la figure 5, l'un ou l'autre des systèmes M1, M2, ou les deux, sont constitués de plusieurs pôles, l'ensemble magnétique constitué par M1, M2 et M3 se présente comme une superposition d'un champ magnétique multipolaire radial avec un champ multipolaire axial.
Le système M3 peut être composé de N > 0 anneaux positionnés, ou juxtaposés, les uns à côtés des autres, longitudinalement, et présentant une aimantation radiale, ou axiale, avec une polarité définie par leur position dans le système. Ces éléments peuvent avoir des sections différentes, et, donc, la dimension ou le diamètre de cet ensemble suivant l'axe A peut être variable. L'ensemble obtenu avec M1, M2 et M3 constitue alors un seul multipôle.
Le volume obtenu, confiné par une enveloppe d'équimodules IBfl constitué par l'ensemble magnétique des systèmes M1, M2 et M3 se présente alors comme une boîte magnétique "à ligne fermée de minima IBI".
La figure 6 représente, en coupe, un dispositif magnétique selon l'invention, dans le cas particulier où le système M3 est constitué d'un seul anneau. Les flèches représentent les orientations des polarités des différents éléments magnétiques. Sur cette figure, la référence 70 désigne la surface d'équimodules IBfl à l'intérieur de laquelle on peut identifier une surface fermée d'équimodule Dr 72. Sur cette figure, chacun des éléments latéraux M1 et M2 présente une ouverture centrale S1, S2. Dans le cadre de l'application à une source ECR, ces ouvertures peuvent permettre d'approcher un système porteur d'une cible, et de disposer des moyens d'extraction des ions produits.
D'une manière générale, les deux surfaces S1 et S2 sont disponibles pour les divers systèmes permettant d'assurer le contrôle et l'utilisation d'un plasma injection HF, injection de gaz, four, moyens de diagnostic, injection de particules, dispositif de refroidissement et de pompage, ...
En particulier, si la source ECR ainsi réalisée doit ioniser des éléments condensables (notamment, des métaux), une source d'évaporation peut être très proche du plasma, et placée à divers endroits, sur l'axe A, au niveau d'une des ouvertures S1 ou S2 ou sur sa périphérie. Dans ce cas, la source d'évaporation peut avoir une grande surface d'évaporation en regard du plasma, et présente un grand angle solide avec la zone confinée, ce qui permet d'obtenir une bonne efficacité d'ionisation.
Pour ce qui est de l'extraction, plusieurs solutions sont envisageables.
Si l'extraction est effectuée sur l'axe A (cas de la figure 6), et dans le cas où le confinement magnétique ne présente pas de composantes polaires radiales (les structures multipolaires radiales M3 ne sont plus nécessaires au confinement : cas du seul multipôle), l'émitance du faisceau extrait présente alors une symétrie de révolution, facilitant ainsi son transport.
Dans le cas d'une superposition d'un multipôle axial avec un multipôle radial, et si la dimension D
(voir figure 6) est suffisamment importante, ce qui est particulièrement possible avec une source selon l'invention, les composantes magnétiques radiales auront une influence négligeable sur le faisceau extrait axialement.
(voir figure 6) est suffisamment importante, ce qui est particulièrement possible avec une source selon l'invention, les composantes magnétiques radiales auront une influence négligeable sur le faisceau extrait axialement.
L'extraction peut aussi être effectuée sur la périphérie ("diamètre" extérieur) soit partiellement en un endroit (mono-extraction) ou en plusieurs endroits
(multi-extractions) , soit sur la totalité de la périphérie. En effet, une ouverture pratiquée dans le système M3, latéralement, ne perturbe pas le confinement dans cette zone si on remédie à la baisse locale du champ avec les systèmes environnants. Un exemple d'extraction latérale en plus d'une extraction axiale est aussi décrit plus loin, en liaison avec les figures 10 à 12, dans le cadre d'une autre application.
(multi-extractions) , soit sur la totalité de la périphérie. En effet, une ouverture pratiquée dans le système M3, latéralement, ne perturbe pas le confinement dans cette zone si on remédie à la baisse locale du champ avec les systèmes environnants. Un exemple d'extraction latérale en plus d'une extraction axiale est aussi décrit plus loin, en liaison avec les figures 10 à 12, dans le cadre d'une autre application.
Une bobine créant ou modulant le champ à l'extraction offre la possibilité supplémentaire d'être pulsée entre deux valeurs, ajustant ainsi le temps de confinement d'un paquet d'ions avant son extraction.
En ce qui concerne le dispositif des figures 5 et 6, on peut faire les remarques suivantes - la dimension D de la source suivant un plan
perpendiculaire à l'axe A ne dépend que de la surface
et de la forme de chacun des deux ensembles M1 et M2
constituant les extrémités de la source, - la dimension L suivant l'axe A dépend de la longueur
et de la géométrie du système M3, - les deux ensembles M1 et M2 peuvent être composés
d'un ou de plusieurs éléments disposés coaxialement,
les uns autour des autres suivant leur diamètre, soit
dans un même plan, soit légèrement décalés.
perpendiculaire à l'axe A ne dépend que de la surface
et de la forme de chacun des deux ensembles M1 et M2
constituant les extrémités de la source, - la dimension L suivant l'axe A dépend de la longueur
et de la géométrie du système M3, - les deux ensembles M1 et M2 peuvent être composés
d'un ou de plusieurs éléments disposés coaxialement,
les uns autour des autres suivant leur diamètre, soit
dans un même plan, soit légèrement décalés.
Pour des longueurs L suffisamment courtes, le système M3 peut être constitué par un ensemble magnétique dont les éléments sont extérieurs à la dimension L, les éléments extrêmes M1 et M2 pouvant définir, ou bien participer à la définition, de ce système. sur la figure 10, le champ devant être créé par le système M3 est défini par les systèmes M1 et M2, dégageant ainsi toute la périphérie sur la longueur
E(=L). Dans ce cas, l'environnement selon la longueur L est totalement dégagé, facilitant ainsi l'accès à la zone confinée (injection UHF, arrivée de gaz, four, moyens de diagnostic, cible, injection de particules chargées, extraction d'ions, ...etc.).
E(=L). Dans ce cas, l'environnement selon la longueur L est totalement dégagé, facilitant ainsi l'accès à la zone confinée (injection UHF, arrivée de gaz, four, moyens de diagnostic, cible, injection de particules chargées, extraction d'ions, ...etc.).
La figure 7 représente le champ magnétique obtenu à l'aide d'un dispositif selon la figure 6. La courbe en trait plein représente l'évolution, de part et d'autre de l'axe A, du module IBI à proximité de la surface intérieure 76 de l'ensemble M (voir figure 6).
La courbe en trait interrompu représente l'évolution, de part et d'autre de l'axe A, du module IBI à midistance entre la surface 76 et la surface 74 (surface intérieure de l'ensemble M1 : voir figure 6j. On voit, d'après cette figure 7, qu'un champ magnétique intense est obtenu au voisinage des surfaces des éléments M1 et
M2, et qu'une configuration à deux lignes de minima est obtenue au centre. Dans les dispositifs classiques, un champ plus important est entretenu à l'intérieur de la surface 70.
M2, et qu'une configuration à deux lignes de minima est obtenue au centre. Dans les dispositifs classiques, un champ plus important est entretenu à l'intérieur de la surface 70.
La figure 8 représente, pour la même structure magnétique que celle de la figure 6, ainsi que les lignes d'équimodules magnétiques. Conformément à l'invention, les polarités magnétiques du multipôle sont choisies et orientées de manière à ce que la somme vectorielle des champs créés en chaque point, par chacun de ces éléments, conduise à obtenir le profil à ligne fermée de minima IBI. Sur la figure 8, la référence 82 désigne une surface d'équimodule I bu JBI
(module maximum du champ magnétique) , tandis que les références 78 et 80 désignent des sections de tores définies par des valeurs inférieures de champ magnétiques. A l'intérieur de ces tores (78 et 80), sont définies des lignes fermées de minima. Dans l'exemple décrit sur la figure 8, le champ au centre du repère 80 est 20 fois inférieur au champ de la ligne 82. En fait, la fréquence de fonctionnement maximal pour ce type de source est définie par la surface fermée de module de champ maximum Bf obtenu à l'intérieur du dispositif (surface de référence 82 sur la figure 8). Le champ magnétique est maintenu à cette valeur maximale sur cette surface, et non pas en volume. A l'intérieur de cette surface, le champ magnétique peut décroître rapidement au fur et à mesure qu'on s'écarte des parois 74, 76 et qu'on pénètre à l'intérieur de la zone de confinement. Ceci signifie que la même source peut fonctionner, sans modification, à la fréquence correspondant à Bf et à basse fréquence, si une ligne fermée de minima IBI est compatible avec cette fréquence.
(module maximum du champ magnétique) , tandis que les références 78 et 80 désignent des sections de tores définies par des valeurs inférieures de champ magnétiques. A l'intérieur de ces tores (78 et 80), sont définies des lignes fermées de minima. Dans l'exemple décrit sur la figure 8, le champ au centre du repère 80 est 20 fois inférieur au champ de la ligne 82. En fait, la fréquence de fonctionnement maximal pour ce type de source est définie par la surface fermée de module de champ maximum Bf obtenu à l'intérieur du dispositif (surface de référence 82 sur la figure 8). Le champ magnétique est maintenu à cette valeur maximale sur cette surface, et non pas en volume. A l'intérieur de cette surface, le champ magnétique peut décroître rapidement au fur et à mesure qu'on s'écarte des parois 74, 76 et qu'on pénètre à l'intérieur de la zone de confinement. Ceci signifie que la même source peut fonctionner, sans modification, à la fréquence correspondant à Bf et à basse fréquence, si une ligne fermée de minima IBI est compatible avec cette fréquence.
Pour obtenir une ligne fermée de minima B faible, on peut utiliser, d'une manière générale, des aimants d'épaisseur plus faible que ceux utilisés dans les dispositifs classiques. De plus, dans le cas des figures 6 et 8, des distances entre les deux ensembles magnétiques M1 et M2 peuvent être plus grandes ; on peut encore choisir les polarités des éléments constitutifs de M1 et M2 de façon à obtenir entre M1 et M2 une ligne fermée de minima B constituée de points où le module de champ est faible, voire nul.
Les modules de champ magnétique, ainsi que le volume confiné d'une telle source ou d'un tel dispositif, peuvent être très variables. Pour modifier le volume, il suffit de modifier le nombre d'éléments, par exemple, dans le cas des figures 6 et 8, suivant l'une ou l'autre des dimensions longitudinales ou radiales, ou bien encore suivant les deux directions.
Ainsi, dans l'exemple des figures 6 et 8, il suffit de doubler la dimension longitudinale du système M3, par exemple, pour doubler le volume confiné de la source.
L'augmentation en poids d'aimants n'est alors que de l'ordre de 15 à 20%. Cet accroissement du volume ne nécessite pas un accroissement important des moyens magnétiques, puisque le champ n'est maintenu à sa valeur maximale qu'au voisinage des parois intérieures du dispositif, et non pas à l'intérieur de tout un volume. Ainsi, dans le cas d'utilisation d'aimants permanents d'épaisseur faible, on crée une surface fermée d'équimodules magnétiques Bf près de la paroi, compatible avec la fréquence HF choisie, ce champ magnétique décroissant rapidement, en s'éloignant de la paroi, vers la ou les surfaces fermées d'équimodules Dr, et ensuite vers la ou les lignes fermées de minima
B.
B.
Par conséquent, l'invention permet d'obtenir un important volume confiné, inconcevable avec les dispositifs de l'art antérieur, sans pour autant nécessiter d'importants moyens pour l'obtenir.
La source représentée sur la figure 6 peut fonctionner sans les moyens magnétiques M3. Dans ce cas, la source ne présentant pas de composantes de champ radial multipolaire, elle peut être installée au centre d'un cyclotron, en modulant le champ de celui-ci avec les systèmes M1 et M2 de façon à obtenir la condition dite de ligne fermée de minima B.
L'extraction peut ensuite être assurée par l'extrémité d'une cavité HF. Ainsi, on peut construire sur ce principe un ensemble compact "cyclo-source". Le fait de supprimer les composantes de champ radiales multipolaires, dans un dispositif selon l'invention, a aussi une influence sur la qualité du faisceau extrait sur l'axe.
Suivant le même principe, et si l'extraction est radiale (sur la périphérie) , ce type de source, présentant un champ magnétique dipolaire dans la zone d'extraction, permet une analyse des ions en Q/M intégrée, ceci permet donc de sélectionner la masse et la charge de l'ion en faisant varier, par exemple, la tension d'extraction pour une disposition physique de l'extraction donnée.
Une autre application d'un dispositif selon l'invention va être décrite en liaison avec la figure 9. Sur cette figure, la référence 84 désigne un dispositif pour engendrer un champ magnétique, selon l'invention : ce dispositif comporte une structure multipolaire (par exemple des anneaux juxtaposés) permettant de définir une surface fermée d'équimodules
Bf, et au moins une ligne fermée de minima B à l'intérieur de cette surface. La structure multipolaire considérée est ici linéaire et créée par le système M3.
Bf, et au moins une ligne fermée de minima B à l'intérieur de cette surface. La structure multipolaire considérée est ici linéaire et créée par le système M3.
L'absence des systèmes M1 et M2 est compensée par les extrémités de M3. Ceci permet, grâce au plasma confiné, de transférer des matières condensables, sous forme de particules chargées, d'un endroit Ao vers un endroit A1.
En Ao se situent par exemple une injection .'-F et la, ou les, source(s) de production de particules, condensables ou non. Le confinement magnétique répondant aux critères de fonctionnement d'une source
ECR, les particules sont ionisées, et peuvent donc être extraites au point A1 pour une utilisation quelconque.
ECR, les particules sont ionisées, et peuvent donc être extraites au point A1 pour une utilisation quelconque.
Une autre application de l'invention va être décrite : il s'agit de la réalisation d'une pompe à plasma confiné.
Un plasma créé par une source ECR est utilisé, afin d'ioniser les particules provenant d'une enceinte dans laquelle on veut obtenir une basse pression. Les particules sont extraites de cette source pour les amener vers une autre enceinte, dite de neutralisation, dans laquelle la pression est plus élevée.
Cette pompe est constituée, comme illustré sur la figure 10, d'une source ECR selon l'invention. Une telle source permet, on l'a dit, de confiner les ions à l'intérieur d'un volume délimité par une surface d'équimodule Bf. Ainsi, la source représentée en figure 10 porte deux ensembles M1 et M2 définissant une structure multipolaire. M3 est reconstitué par M1 et M2
(en particulier, par les anneaux extrêmes). Le volume confiné est délimité par une surface fermée 86. La référence 88 désigne une fermée d'équimodule Dr. La partie périphérique de cette source peut être utilisée pour l'injection d'une onde HF (flèche 90) et pour le pompage (flèche 92) à partir d'une enceinte à laquelle la source est raccordée. La référence 94 désigne une grille, qui entoure la zone de confinement, et qui empêche l'onde hyperfréquence de se propager vers les moyens d'aspiration.
(en particulier, par les anneaux extrêmes). Le volume confiné est délimité par une surface fermée 86. La référence 88 désigne une fermée d'équimodule Dr. La partie périphérique de cette source peut être utilisée pour l'injection d'une onde HF (flèche 90) et pour le pompage (flèche 92) à partir d'une enceinte à laquelle la source est raccordée. La référence 94 désigne une grille, qui entoure la zone de confinement, et qui empêche l'onde hyperfréquence de se propager vers les moyens d'aspiration.
La chambre, représentée également en figure 12, est raccordée par une bride 106 à des moyens d'injection de l'onde HF (qui peut être une onde basse fréquence, par exemple à 2,45GHz), et par une bride 108 à l'enceinte dans laquelle le pompage doit être assuré.
Par une ouverture 96 (figure 11), les ions sont extraits de la chambre. Le système d'extraction comporte des électrodes 98 auxquelles on applique une tension d'extraction, une bague isolante 100, un bloc de neutralisation 102. Celui-ci est, éventuellement, refroidi, si l'énergie des ions à neutraliser est importante. Ce système d'extraction aboutit à une bride destinée au refoulement de la pompe : le refoulement est représenté par une flèche 104 (figure 10).
A titre d'exemple, une pompe à plasma confiné est équipée d'une bride d'aspiration, pour le pompage, d'une surface de 90cm2, ce qui correspond à une surface légèrement supérieure à celle d'une bride normalisée DN 100.
La valeur maximum de courant électrique extrait de la source est un des paramètres de la pompe permettant de caractériser ses capacités d'aspiration.
Un débit de pompage à assurer de 100 litres/secondes à 10-5 mbar (1 litre/seconde ou 3, 6 m3/heure à 10 3 mbar ou encore 3, 6 litres/heure à 1 mbar), correspond à un courant extrait d'environ 4 mA
(dans le cas d'ions monochargés, He par exemple).
(dans le cas d'ions monochargés, He par exemple).
Le courant devant être extrait correspond aux prévisions attendues, avec un diamètre de trou d'extraction, par la source ECR, d'environ 2 mm, et une pression d'environ 10-3 mbar. Si cette pression est plus élevée, le débit électrique de la source, et don - durée de vie illimitée, - entretien pratiquement nul, - absence d'agents lubrifiants, - analyse possible des différents éléments pompés, - pas d'électronique indispensable sur la pompe elle
même, - générateur HF pouvant être d'un prix modeste, par
exemple si sa fréquence est de 2,45GHz, - coût de la pompe relativement faible, - absence de risques de détérioration, quelles que
soient les manipulations, aérations, etc.,
De plus, la pompe ne craint pas les vibrations ni les chocs, peut fonctionner dans toutes les positions, et peut être montée et fonctionner sur un ensemble mobile, même si cet ensemble est soumis à des mouvements violents ainsi qu'à des accélérations.
même, - générateur HF pouvant être d'un prix modeste, par
exemple si sa fréquence est de 2,45GHz, - coût de la pompe relativement faible, - absence de risques de détérioration, quelles que
soient les manipulations, aérations, etc.,
De plus, la pompe ne craint pas les vibrations ni les chocs, peut fonctionner dans toutes les positions, et peut être montée et fonctionner sur un ensemble mobile, même si cet ensemble est soumis à des mouvements violents ainsi qu'à des accélérations.
Claims (16)
1. Dispositif pour engendrer un champ magnétique B, comportant une structure multipolaire
(M1, M2, M3) dont les éléments (62-1, ..., 62-4 ; 64-1, ..., 64-5 ; 66-1, . . ., 66-4) présentent des polarités telles que la somme vectorielle des champs, créés par chacun de ces éléments en chaque point d'un espace délimité par lesdits éléments, permette de définir au moins une ligne fermée de minima B à l'intérieur d'une surface d'équimodule Bf (70) fermée dans l'espace.
2. Dispositif selon la revendication 1, les éléments de la structure multipolaire étant des aimants permanents.
3. Dispositif selon la revendication 1, les éléments de la structure multipolaire étant des bobines.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, comportant un ensemble multipolaire formé de N > 3 moyens magnétique décomposé en 3 sous-ensembles M1, M2 et M3 - un ensemble (M3) de N1 moyens magnétiques pour former
une structure magnétique axiale, - deux ensembles (M1, M2) de N moyens magnétiques, pour
former des structures magnétiques radiales.
5. Dispositif selon la revendication 4, les moyens magnétiques (M3) à polarité alternée, pour former le structure magnétique axiale, étant en forme d'anneaux (62-1, ..., . . , 62-4) juxtaposés les uns à côté des autres.
6. Dispositif selon l'une des revendications 4 ou 5, les moyens magnétiques à polarité alternée, pour
former les structures magnétiques radiales étant en forme d'anneaux (64-1, , 64-5 ; 66-1, 66-4) emboîtés les uns dans les autres.
7. Dispositif selon la revendication 4, les moyens magnétiques présentant une ou plusieurs ouvertures centrales (68).
8. Dispositif selon la revendication 4, une ouverture latérale étant prévue à la périphérie du dispositif.
9. Dispositif selon la revendication 4, chaque ensemble de N2 moyens magnétique, permettant de former une structure magnétique axiale, comportant N2 moyens magnétiques disposés coaxialement les uns autour des autres suivant leur diamètres, soit dans un même plan, soit légèrement décalés les uns par rapport aux autres.
10. Source ECR, comportant - un dispositif selon l'une des revendications 1 à 9,
le volume intérieur à la structure multipolaire
définissant une enceinte de confinement pour plasma, - des moyens pour disposer une cible.
11. Source ECR, comportant - un dispositif selon l'une des revendications 4 à 9,
le volume intérieur à l'ensemble des moyens
magnétiques définissant une enceinte de confinement
pour plasma, - l'un ou les deux ensembles de N moyens magnétiques,
permettant de définir une structure magnétique
radiale présentant une ouverture centrale, - des moyens pour disposer une cible, qui permettent de
positionner celle-ci à proximité desdites ouvertures
centrales et radiales.
12. Procédé de production d'ions mettant en oeuvre une source ECR selon l'une des revendications 10 ou 11.
13. Procédé de fonctionnement d'un cyclotron, des ions étant injectés dans le cyclotron à l'aide d'une source ECR selon l'une des revendications 10 ou 11.
14. Procédé selon la revendication 14, la source ECR étant disposée à l'intérieur du cyclotron.
15. Procédé de transport de particules chargées, mettant en oeuvre un dispositif selon la revendication 5, les particules étant transportées d'une extrémité à l'autre de l'ensemble des anneaux juxtaposés.
16. Pompe à plasma confiné comportant un dispositif selon la revendication 4, des moyens latéraux (10E) pour injecter un rayonnement HF, des moyens latéraux (108) de connexion à un volume à pomper et des moyens (96, 100, 102) d'extraction.
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9615572A FR2757310B1 (fr) | 1996-12-18 | 1996-12-18 | Systeme magnetique, en particulier pour les sources ecr, permettant la creation de surfaces fermees d'equimodule b de forme et de dimensions quelconques |
| PCT/FR1997/002328 WO1998027572A1 (fr) | 1996-12-18 | 1997-12-17 | Systeme magnetique, en particulier pour les sources ecr, permettant la creation de surfaces fermees d'equimodule b de forme et de dimensions quelconques |
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| DK97952086T DK0946961T3 (da) | 1996-12-18 | 1997-12-17 | Magnetisk system, især til ECR-kilder, til tilvejebringelse af lukkede overflader med samme modulus B og med enhver form og dimensioner |
| DE69737461T DE69737461T2 (de) | 1996-12-18 | 1997-12-17 | Magnetische vorrichtung, insbesondere fuer elektronzyklotronresonanzionenquellen, die die erzeugung geschlossener oberflaechen mit konstanter magnetfeldstaerke b und beliebiger groesse ermoeglichen |
| EP97952086A EP0946961B1 (fr) | 1996-12-18 | 1997-12-17 | Systeme magnetique, en particulier pour les sources ecr, permettant la creation de surfaces fermees d'equimodule b de forme et de dimensions quelconques |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| EP (1) | EP0946961B1 (fr) |
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| DK (1) | DK0946961T3 (fr) |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| FR2947378A1 (fr) * | 2009-06-29 | 2010-12-31 | Quertech Ingenierie | Systeme magnetique formant des surfaces iso modules fermees a partir de structures magnetiques de type "cusp" et sources d'ions de type rce mettant en oeuvre un tel systeme |
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1997
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- 1997-12-17 WO PCT/FR1997/002328 patent/WO1998027572A1/fr active IP Right Grant
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| WO1998027572A1 (fr) | 1998-06-25 |
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