FR2852480A1 - Source de positrons - Google Patents

Abstract

Cette source s'applique notamment à la physique de l'état solide et comprend une cible mince (8), recevant un faisceau continu ou quasi-continu (4) d'électrons d'environ 10 MeV sous une incidence rasante et engendrant les positrons par interaction avec ce faisceau.

Description

SOURCE DE POSITRONS

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne une source de positrons.

Elle a de très nombreuses applications, en particulier en physique de l'état solide, en science des matériaux et en physique des surfaces, o un haut 10 taux de comptage est important pour beaucoup d'applications telles que, par exemple, le microscope à balayage à positrons, les mesures du temps de vie en fonction de la profondeur d'implantation ou de l'élargissement Doppler, et la spectroscopie par 15 électrons Auger induite par l'annihilation de positrons (PAES).

D'autres applications de l'invention utilisent directement des " atomes " de positronium (le positronium étant l'état lié d'un électron et d'un 20 positron) . Or, la production de positronium nécessite, elle aussi, beaucoup de positrons.

L'invention s'applique aussi en chimie moléculaire et plus particulièrement à la détermination de processus intervenant dans les matériaux 25 supraconducteurs à haute température critique.

Elle s'applique également à la détermination de la capacité de vieillissement des peintures et des revêtements (" coatings ").

En outre, l'invention s'applique à la 30 détection des défauts d'un matériau. on sait en effet que l'annihilation des positrons est sensible à la B 14325.3 PV densité des électrons. De petites variations de cette densité sont détectées, par exemple, lorsque le matériau se dilate thermiquement. Des lacunes, c'est-àdire des atomes uniques manquant dans le réseau 5 (" lattice ") d'un matériau cristallin, sont alors détectées très facilement par leur faible densité électronique. Des concentrations de sites atomiques manquants, de l'ordre de 10-6, peuvent être observées.

Comme l'analyse d'un matériau par un 10 faisceau de positrons se fait sans contact, le matériau peut être chauffé à très haute température. Des sites vacants peuvent aussi être introduits à toute température par déformation mécanique, pulvérisation (" sputtering ") ou implantation d'ions.

L'énergie ajustable du faisceau de positrons permet d'obtenir une information en profondeur, avec une résolution de 10%, pour des structures en couches minces ou des échantillons comportant une distribution de défauts non uniforme.

En outre, dans les oxydes de dispositifs microélectroniques tels que les MOS, des champs électriques peuvent être utilisés pour faire dériver les positrons à l'interface d'étude.

Des groupements de sites vacants, formant 25 des cavités de l'ordre de 0, 5 nm, sont facilement observés par variation de l'élargissement Doppler et du temps de vie des positrons.

L'observation de la formation de positronium permet de mettre en évidence la présence de 30 cavités plus étendues et d'obtenir la taille de cellesci (jusqu'à 20 nm).

B 14325.3 PV Pour des cavités encore plus grandes, l'ortho-positronium (état du positron dans lequel les spins de l'électron et du positron sont antiparallèles) survit suffisamment longtemps pour que sa 5 désintégration en trois photons survienne. Dans ce cas, la corrélation angulaire des photons permet de gagner un facteur 5 sur l'élargissement Doppler.

Signalons encore d'autres applications de l'invention: - la PRS ou spectroscopie par émission de positrons, - la PAES ou spectroscopie par électrons Auger, induite par l'annihilation de positrons, - la REPELS ou spectroscopie de la perte 15 d'énergie des positrons réémis, - la LEPD ou diffraction de positrons de basse énergie, - la PIIDS ou spectroscopie d'ions désorbés par des positrons, - la PALS ou spectroscopie par mesure du temps de vie des positrons (cette technique ayant une grande importance en microélectronique), - la VEPLS ou spectroscopie par temps de vie de positrons d'énergie variable, et - la PAS ou spectroscopie par annihilation de positrons.

La présente invention concerne plus particulièrement la production d'un faisceau de positrons de basse énergie, inférieure à 10 MeV, ayant 30 une intensité instantanée supérieure à 1010 positrons B 14325.3 PV par seconde, de préférence supérieure à 1012 positrons par seconde, en vue d'obtenir, par exemple: - un faisceau de positrons de faible énergie, dont l'énergie est inférieure à 10 keV, par couplage avec un piège (" trap ") approprié, ou - des atomes de positronium, par interaction avec une cible appropriée.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE

La production à haut débit (supérieur à 1010 par seconde) de positrons de faible énergie et " d'atomes " de positronium est nécessaire pour les applications industrielles telles que les mesures de défauts dans les cristaux ou les matières organiques, 15 lorsque l'on utilise, par exemple, la PAS (spectroscopie par annihilation de positrons) ou d'autres méthodes mentionnées plus haut.

Ces applications utilisent principalement des sources de 22Na en tant que sources de faisceau de 20 positrons. De telles sources compactes se prêtent bien à la recherche en laboratoire. Mais leur activité maximale se situe autour de 4x109 Bq et leur vie moyenne est de seulement 2,6 ans.

Il existe, par ailleurs, quelques 25 accélérateurs dont une partie de l'activité, souvent mineure, se porte sur la production de faisceaux de positrons. Cependant, il s'agit d'installations " lourdes " puisque, bien souvent, l'énergie des électrons utilisés est de plusieurs dizaines de MeV, 30 typiquement 100 MeV. Les positrons émis peuvent atteindre plusieurs dizaines de MeV.

B 14325.3 PV De plus, les positrons utiles pour les applications industrielles ont une énergie cinétique inférieure à au moins mille fois l'énergie du seuil de production. Pour les ralentir, on utilise classiquement 5 des modérateurs métalliques de très faible efficacité (inférieure à 0,001).

D'autre part, on sait piéger un faisceau de positrons dans un dispositif appelé " piège de PenningMalmberg ". Un piège (" trap ") amélioré, appelé 10 " piège de Greaves-Surko ", permet d'augmenter énormément la brillance du faisceau en divisant par mille la dispersion en énergie de ce faisceau, avec une efficacité de l'ordre de 1.

Des pièges de Greaves-Surko sont commercialement disponibles auprès de la Société First Point Scientific. Ils comportent un modérateur en néon solide.

Depuis l'apparition de tel pièges, très avantageux pour les applications sus-mentionnées, leur 20 utilisation se généralise mais exige que les positrons aient une énergie inférieure à 1 MeV.

De plus, on connaît quatre techniques pour produire des positrons. Ces techniques utilisent des sources radioactives (de type 22Na) ou les flux de 25 neutrons de réacteurs nucléaires ou des accélérateurs en tandem (destinés à accélérer des ions) ou des accélérateurs d'électrons.

On examine ci-après les inconvénients de ces techniques.

Le courant de positrons fourni par une source radioactive est limité par l'épaisseur du B 14325.3 PV matériau qui enveloppe la source. De plus, l'intensité du faisceau de positrons émis par une telle source est de l'ordre de 108e+/s et donc de l'ordre de 106e+/s après modération.

L'utilisation des flux de neutrons sortant d'un réacteur nucléaire permet d'obtenir des sources radioactives à courte durée de vie, aptes à produire des positrons de faible énergie. Cependant, une telle technique n'est pas industrialisable car elle nécessite 10 un réacteur nucléaire.

Une variante de la technique précédente consiste à utiliser un accélérateur en tandem pour accélérer des ions qui sont envoyés sur une cible.

Cette cible devient radioactive et émet des positrons 15 de faible énergie. Bien qu'un accélérateur en tandem soit plus petit qu'un accélérateur de particules classique, il constitue une installation lourde qui nécessite une protection contre l'activation et une infrastructure de maintenance.

De grands accélérateurs linéaires, plus simplements appelés " linacs ", sont également utilisés pour produire des positrons, en accélérant des électrons et en envoyant ces derniers sur une cible de tungstène ou de tantale. Cependant, ces grands linacs 25 sont des installations trop " lourdes " et trop peu nombreuses pour être propices au développement des applications des positrons, du genre de celles qui ont été mentionnées plus haut.

Revenons sur les chambres d'interaction 30 connues, contenant une cible qui est apte à engendrer B 14325.3 PV des positrons par interaction avec un faisceau d'électrons.

Pour produire des positrons (notés e+) à partir d'un faisceau d'électrons (notés e-), on doit faire interagir ces électrons avec un matériau-cible.

Les électrons émettent alors des photons X et gamma, lesquels se désintègrent parfois en paire (e+ e_).

Comme le nombre de positrons produits dépend du nombre d'électrons ayant interagi avec le 10 matériau-cible, l'homme du métier est conduit à utiliser des faisceaux intenses comme ceux produits par des accélérateurs de type linac.

Comme le nombre de e+ produits par un faisceau d'électrons croît avec l'épaisseur de cible 15 traversée, l'homme du métier est conduit à augmenter cette épaisseur.

Mais alors deux problèmes se posent.

Premièrement, les rayons X déposent de l'énergie sous forme de chaleur dans la cible.

Deuxièmement, les e' créés peuvent être capturés dans la cible et s'annihiler avant de sortir de celle-ci. Cette annihilation peut avoir lieu suivant deux réactions, à savoir la collision directe avec un électron ou la formation d'un atome de positronium.

L'homme du métier associe naturellement l'usage d'une cible épaisse avec l'utilisation d'accélérateurs ayant une énergie élevée.

Les systèmes qui produisent des e+ de haute énergie (supérieure à 10 MeV) pour des expériences de 30 physique des particules sont moins sensibles au deuxième problème parce que les e+ de haute énergie ne B 14325.3 PV s'annihilent pas, et en particulier ne forment pas de positronium. Par contre, pour les applications industrielles, o les et doivent avoir une très faible énergie, la formation de positronium durant le trajet 5 qui sépare le lieu de création d'un e+ du point de sortie de la cible détruit une grande partie des e'.

En revanche, le premier problème devient très pénalisant aux hautes énergies. Pour une même intensité de faisceau, un générateur de faisceau 10 d'électrons de 100 MeV et un générateur de faisceau d'électrons de 10 MeV fourniront la même quantité de positrons " utiles ", d'énergie inférieure ou égale à 1 MeV.

En revanche, le générateur de 100 MeV 15 déposera sur la cible une énergie si considérable qu'il ne sera guère possible de la dissiper thermiquement.

Pour maîtriser les échauffements, il faudra donc réduire l'intensité de ce faisceau dans une proportion importante, difficile à préciser car elle dépend aussi 20 de plusieurs autres paramètres.

A titre d'exemple, en conservant les autres paramètres de fonctionnement d'un exemple de l'invention donné plus loin en faisant référence à la figure 3, et en ne faisant varier que l'énergie des 25 électrons, cette réduction était de l'ordre des 6/7èmes du faisceau initial. Cela signifie que la quantité de positrons " utiles " serait réduite d'environ les 6/7èmes en augmentant l'énergie des électrons du faisceau de 10 à 100 MeV.

Pour utiliser une plus grande proportion des positrons produits, les grandes installations utilisant B 14325.3 PV un linac de haute énergie comme le Lawrence Livermore National Laboratory, en Californie (USA), ainsi que l'ISA " Institut for Storage ring facilities, University of Aarhus " (Danemark), recourrent à des feuilles de 5 ralentissement en tungstène, placées après la cible, éventuellement combinées à un champ électrique approprié.

Mais un tel dispositif absorbe beaucoup de positrons, c'est à dire limite l'intensité du faisceau.

Par ailleurs, plus les positrons ont une 10 énergie élevée, plus ils requièrent un vide poussé, très coûteux à obtenir.

EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de 15 remédier aux inconvénients précédents.

Elle a pour objet une source de positrons, cette source comprenant des moyens de génération d'un faisceau d'électrons et une cible qui comporte une surface sensiblement plane, cette cible étant prévue 20 pour recevoir, sur cette surface sensiblement plane, le faisceau d'électrons sous un angle d'incidence prédéfini, compté par rapport à la surface sensiblement plane, et pour engendrer les positrons par interaction avec ce faisceau d'électrons, cette source étant 25 caractérisée en ce que le faisceau d'électrons généré est continu ou quasi-continu et les électrons ont une énergie de l'ordre de 10 MeV, et l'épaisseur de la cible est inférieure à 500 gm et l'angle d'incidence prédéfini est inférieur à 100.

B 14325.3 PV Selon un mode de réalisation préféré de la source de positrons objet de l'invention, l'épaisseur de la cible est comprise dans l'intervalle allant de 10 JIm à 100 Atm, préférentiellement autour de 50 pm, et 5 l'angle d'incidence prédéfini est compris dans l'intervalle allant de 2 à 50.

De préférence, les moyens de génération du faisceau d'électrons génèrent un faisceau continu et 10 comprennent un accélérateur d'électrons comportant une cavité coaxiale que les électrons traversent plusieurs fois dans un plan médian, perpendiculaire à l'axe de cette cavité.

Cet accélérateur d'électrons est connu sous 15 le nom de " Rhodotron " (marque déposée) et décrit dans le document suivant: FR 2616032 A correspondant à US 5107221 A. Selon un mode de réalisation préféré, la présente invention comporte en outre des moyens de 20 triage entre les positrons et les électrons n'ayant pas interagi avec la cible, qui comprennent: - des premiers moyens magnétiques de même axe que le faisceau, prévus pour engendrer un champ magnétique apte à faire diverger les positrons émis par 25 la cible, ces premiers moyens magnétiques étant disposés en amont de la cible à une distance appropriée, - un quadrupôle magnétique de focalisation du faisceau de positrons, de même axe que ce faisceau, 30 disposé en aval de la cible, et destiné à rendre circulaire la section du faisceau de positrons, qui est B 14325.3 PV très aplatie à la sortie de la zone d'interaction entre les électrons et la cible, - des premiers moyens d'arrêt, situés sur l'axe du faisceau, en aval du quadrupôle, à une 5 distance suffisante pour la focalisation des positrons en un faisceau de section circulaire, prévus pour arrêter des électrons du faisceau d'électrons qui n'ont pas interagi avec la cible - des deuxièmes moyens magnétiques, de même 10 axe que le faisceau, disposés en aval des premiers moyens d'arrêt, et à une distance appropriée des premiers moyens magnétiques pour engendrer un champ magnétique apte à faire converger les positrons, les premiers et deuxièmes moyens coopérant pour engendrer 15 un champ magnétique apte à éviter à ces positrons de rencontrer les premiers moyens d'arrêt.

La source de positrons objet de l'invention peut comprendre en outre des moyens de piégeage 20 (" trapping means "), prévus pour piéger les positrons engendrés par la cible.

Les moyens de piégeage comportent un modérateur prévu pour ralentir les positrons et des 25 moyens magnétiques de concentration de ces positrons.

Ces moyens de piégeage peuvent comprendre un piège (" trap ") de GreavesSurko au sujet duquel on consultera le document suivant: R. Greaves et C. M. Surko, Nucl. Inst. 30 Meth. B192 (2002) 90.

B 14325.3 PV De préférence la source de positrons objet de l'invention comprend en outre: - des deuxièmes moyens d'arrêt, comme par exemple un mur de plomb refroidi par circulation d'eau, 5 prévus pour arrêter des électrons du faisceau d'électrons, qui n'ont pas interagi avec la cible et ont atteint une zone comprise entre les deuxièmes moyens magnétiques et les moyens de piégeage, et pour empêcher ces électrons d'atteindre ces moyens de 10 piégeage, et - des moyens de guidage des positrons vers les moyens de piégeage à travers ces deuxièmes moyens d'arrêt.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et 20 nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés, sur lesquels: - les figures lA et 1B montrent schématiquement l'émission de rayons X lorsqu'un faisceau d'électrons interagit à 25 grand angle avec une cible épaisse (figure lA) et lorsque ce faisceau interagit en incidence rasante avec une cible mince (figure 1B), - les figures 2A et 2B montrent 30 schématiquement l'émission de positrons lorsqu'un faisceau d'électrons interagit à B 14325.3 PV grand angle avec une cible épaisse (figure 2A) et lorsque ce faisceau interagit en incidence rasante avec une cible mince (figure 2B), - la figure 3 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier de la source de positrons objet de l'invention, et - la figure 4 est une vue en coupe 10 schématique de la cible utilisée dans la source de positrons de la figure 3.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS L'invention repose essentiellement sur 15 l'interaction d'une cible mince, de préférence en tungstène, et d'un faisceau d'électrons que l'on envoie sous incidence rasante sur cette cible.

De préférence, l'épaisseur de la cible est comprise dans l'intervalle allant de lOUm à l00gm et 20 vaut par exemple 50,tm et l'angle du faisceau d'électrons avec la cible est compris dans l'intervalle allant de 20 à 50 et vaut par exemple 3 .

Cette invention permet de produire des positrons ayant une basse énergie (inférieure à 1 MeV) 25 à partir de faisceaux d'électrons de faible énergie (10 MeV), émis par une source d'électrons fonctionnant en mode continu. Grâce à cette caractéristique, la source d'électrons peut être un Rhodotron (marque déposée), qui est une machine industrielle, de faible 30 volume et de faible consommation (100kW au maximum).

B 14325.3 PV Les deux problèmes mentionnés plus haut limitent la capacité de production de positrons de basse énergie dans les systèmes connus. L'invention repousse ces limites en abaissant la chaleur déposée 5 dans la cible et en raccourcissant le chemin que doit parcourir un e+ pour sortir de la cible. Enfin, l'invention permet une collection plus efficace des e' produits.

Schématiquement, dans les systèmes connus, 10 les e- sont envoyés à 90 (ou à grand angle, par exemple 45 ) du plan de la cible. Dans l'invention, les e- sont envoyés avec une incidence rasante, typiquement 30, par rapport au plan de la cible. Cette configuration particulière présente plusieurs avantages 15 par rapport aux configurations des systèmes connus.

Considérons d'abord la chaleur déposée dans la cible en faisant référence à la figure lA (faisceau d'électrons à grand angle) et à la figure 1B (faisceau d'électrons en incidence rasante).

Les rayons X qui chauffent la cible sont ceux dont l'énergie vaut quelques keV (la longueur d'onde de tels photons permettant la création de vibrations du réseau (" lattice ") des atomes de la cible).

Or, ces rayons X (référence 2 sur les figures lA et lB) sont émis préférentiellement avec un grand angle par rapport à la ligne de vol (" line of flight ") 4 des électrons.

Donc, si cette ligne de vol n'est pas 30 rasante par rapport à la cible épaisse 6, ces rayons X doivent parcourir un grand chemin avant de sortir de la B 14325.3 PV cible et y déposent la plus grande partie de leur énergie, ce qui provoque l'échauffement de la cible.

Au contraire, dans l'invention (figure 1B), la ligne de vol 4 des électrons a une incidence rasante 5 par rapport au plan de la cible mince 8 et les rayons X de quelques keV (référence 2) ont un chemin sensiblement plus court pour sortir de la cible. En conséquence, ils déposent moins d'énergie dans la cible, ce qui limite l'échauffement de celle-ci.

Considérons ensuite la perte des e& de basse énergie dans la cible en faisant référence à la figures 2A (faisceau d'électrons à grand angle) et à la figure 2B (faisceau en incidence rasante).

Sur la figure 2A, les références 10, 12 et 15 14 représentent respectivement un positron de moins de lMeV, qui est émis à grand angle et détruit dans la cible épaisse 6, un positron de moins de IMeV, qui est émis à grand angle et sort de la cible, et un positron de moins de lMeV qui est émis à grand angle et sort de 20 la cible après diffusion (" scattering ").

Sur la figure 2B, les références 16 et 18 représentent respectivement un positron de moins de lMeV, qui est émis à grand angle et sort de la cible mince 8 sans diffusion, et un positron de moins de lMeV 25 qui est émis à grand angle et sort de la cible mince 8 sans diffusion.

Tout comme pour les photons X, les e' produits à basse énergie (moins de lMeV) sont émis préférentiellement à grand angle par rapport à la ligne 30 de vol 4 des électrons. Donc, pour les mêmes raisons, si cette ligne de vol des e n'est pas rasante (figure B 14325.3 PV 2A), les e+ doivent parcourir une grande distance pour sortir de la cible.

Au contraire, si la ligne de vol est rasante (figure 2B), ils doivent parcourir une petite 5 distance. En conséquence, les e' ont une plus grande probabilité de sortir de la cible si la ligne de vol des e est rasante.

Donc deux quantités sont à prendre en compte, à savoir l'épaisseur de cible traversée par les 10 e- et la distance entre le point de production des rayons X et des e+ de la sortie de la cible.

Définissons "l'épaisseur équivalente" Eq comme étant l'épaisseur de cible traversée par un électron e en ligne droite. Plus l'épaisseur 15 équivalente est grande, plus les e produisent des e+ et des rayons X de quelques keV qui chauffent la cible.

Considérons deux systèmes ayant une même épaisseur équivalente, l'un avec un faisceau d'électrons e orthogonal à la cible (90>) et l'autre 20 avec un faisceau d'électrons en incidence rasante (3 ).

Pour une incidence rasante à 30, la distance parcourue par les e4 et les rayons X pour sortir de la cible sera 20 fois plus petite que pour un faisceau orthogonal à la cible (incidence à 900). Cette 25 distance plus courte à 30 est la raison pour laquelle on peut envoyer un faisceau plus intense à 30 qu'à 90 avant de faire fondre la cible. Par ailleurs, les e produits ont une probabilité plus grande de ne pas être détruits dans la cible.

Les inventeurs ont observé que pour un même nombre d'électrons traversant la cible l'échauffement B 14325.3 PV est beaucoup plus petit à 30, qu'à épaisseur (distance) équivalente égale, on ne produit pas moins de e+ en étant à 30 et qu'à échauffement égal on produit beaucoup plus de e4 à 30.

Considérons ensuite l'efficacité de collection des e+ produits.

Une fois les e+ produits et extraits de la cible, il faut les séparer du faisceau d'électrons car celui-ci a une énergie très grande, incompatible avec 10 les appareillages qui collectent les e+.

Par ailleurs, pour utiliser les e+, il faut pouvoir les concentrer spatialement. Ces deux contraintes sur l'utilisation des e+ sont réalisées dans les systèmes connus au prix d'une très grande 15 perte de e+.

A nouveau, l'utilisation d'un faisceau en incidence rasante (par exemple 30) sur une cible mince, dont l'épaisseur vaut par exemple 50m ( épaisseur équivalente: 1 millimètre), permet d'obtenir une bonne 20 efficacité de collection des e+ tout en les séparant des e_.

En effet, en incidence rasante on peut étaler les e sur une grande surface de cible sans pour autant que les e+ produits soient collectés sur une 25 grande surface. Appelons "surface frontale" la surface d'o viennent les e+ vus depuis le système de collection.

Alors, à 30, la surface frontale d'interaction des e- sur la cible est de lx20 mm2 pour 30 une surface de cible de 20x20 mm2. A une incidence de 90 , cette surface frontale serait 20 fois plus grande B 14325.3 PV Donc le système de collection devrait couvrir une surface 20 fois plus grande.

D'autre part, comme on l'a vu plus haut, les e1 produits ont une distance beaucoup plus courte à 5 parcourir pour sortir de la cible en incidence rasante qu'à grand angle. Comme la diffusion des e+ par la cible est proportionnelle à cette distance, plus celleci est courte et moins les e+ sont diffusés (" scattered ").

En conséquence, en incidence rasante, la trajectoire des e+ pour sortir de la cible est peu modifiée. C'est pourquoi la corrélation statistique entre l'angle d'émission d'un positron et l'énergie de ce dernier est conservée.

En particulier, comme les e+ de basse énergie que l'on souhaite collecter sont émis à grand angle par rapport aux électrons, cette séparation angulaire peut être mise à contribution pour séparer les et des e- du faisceau qui traverse la cible.

Ces deux avantages vont maintenant être présentés à propos d'un exemple de la source de positrons, objet de l'invention.

Cet exemple est schématiquement représenté sur la figure 3 et contitue un système de production et 25 d'extraction de et de basse énergie (inférieure ou égale à 1 MeV).

Ce système comprend successivement, le long d'un axe x: - un Rhodotron (marque déposée) 20, qui 30 fournit un faisceau d'électrons 22 destiné à produire B 14325.3 PV les positrons, ce faisceau se propageant suivant l'axe x, - des moyens 24 de mise en forme et de guidage du faisceau 22, une première bobine magnétique 26, dont l'axe est l'axe x, -une plaque mince 28 en tungstène, dont une face reçoit le faisceau 22 sous une incidence rasante, cette plaque 28 constituant la cible pour les 10 électrons, - un aimant quadrupolaire 30 qui focalise sur l'axe x les positrons émis par la plaque 28, - un cylindre 32 en tungstène, destiné à arrêter des électrons ayant traversé la plaque 28, - une deuxième bobine magnétique 36, dont l'axe est l'axe x, - un mur en plomb 38, destiné à absorber les électrons résiduels et refroidi par une circulation d'eau 40, - un solénoïde 42 dont l'axe est l'axe x et qui traverse le mur 38, un perçage 44 étant prévu à cet effet dans le mur, ce solénoïde pouvant être remplacé par un ensemble de bobines magnétiques admettant l'axe x comme axe commun, - un piège de Greaves-Surko 46 précédé d'un modérateur 48.

Une enceinte à vide 29 est prévue pour la propagation sous vide des électrons, issus du Rhodotron, et des positrons.

B 14325.3 PV La figure 4 permet de préciser l'orientation de la plaquecible 28 dont l'épaisseur est notée e.

On définit deux autres axes y et z 5 perpendiculaires l'un à l'autre et à l'axe x, comme on le voit sur les figures 3 et 4.

La plaque 28 est parallèle à l'axe y et fait un angle a très faible, de l'ordre de 3 dans l'exemple, avec l'axe x.

On voit aussi des flèches 28a représentant les positrons émis par la cible et une flèche 28b représentant les électrons qui traversent cette cible, sans interagir avec celle-ci.

La bobine 26 est supraconductrice et a un 15 diamètre intérieur de 20 cm. Elle est parcourue par un courant de 600 kA. Cette bobine produit en son centre un champ magnétique de 3,8 T. la cible en tungstène a une épaisseur e de 50gm. Elle est placée quelques centimètres après le 20 centre de la bobine 26 et sa surface est de 3 cm x 3 cm, bien que seule une partie centrale de 2 cm x 2 cm de cette surface intercepte les électrons.

L'aimant quadrupolaire 30 comporte quatre bobines constituant les pôles de cet aimant et ayant 25 une surface d'entrée située à 10 cm de l'axe x. Cesbobines ont 100 boucles et chaque boucle est parcourue par un courant de 20 A. L'aimant 30 est placé à une distance de 10 cm du bord de la cible 28.

La bobine 36 a un de diamètre intérieur de 30 60 cm. Cette bobine a 1000 boucles et chaque boucle est parcourue par un courant de 20 A. Cette bobine est B 14325.3 PV placée à une distance de 60 cm du centre de la cible 28.

Le solénoïde 42 a un diamètre légèrement inférieur à 10 cm et une longueur de 100 cm et peut 5 être remplacé par des bobines de diamètre légèrement inférieur à 10 cm, espacées de 7 cm les unes des autres. Ces bobines ont chacune 100 boucles et sont chacune parcourues par un courant de 20 A. Que ce soit avec un solénoïde o avec des 10 bobines, il s'agit de réaliser un tube de champ magnétique assez uniforme et de faible intensité qu'on appelle "tube de sortie".

Ce tube de sortie traverse dans ses derniers 10 cm le mur de plomb 38 qui sert à absorber 15 les e- tandis que les e+ collectés traversent le mur à travers le tube de sortie.

Le faisceau d'électrons 22, de 10 MeV, fourni par le Rhodotron, est rectangulaire, avec une section de 1 mm x 20 mm, la plus grande dimension (20 mm) étant parallèle au plan de la cible. la trajectoire du faisceau fait un angle de 3 par rapport à ce plan.

La cible est placée après la bobine supraconductrice 26 pour que les e+ émis par la cible 25 soient dans un champ divergent. Cette configuration permet aux e+ de très basse énergie (quelques dizaines de keV) de se propager vers les x positifs ("vers l'avant").

Les e+ de moins de 1 MeV étant émis 30 préférentiellement à un angle supérieur a 450, ils sont capturés par les lignes de champ de la bobine 26 et B 14325.3 PV divergent par rapport à l'axe x. La bobine 36, dont le diamètre est 3 fois plus grand que celui de la bobine 26 et dont le courant est 30 fois plus faible que celui de cette bobine 26, produit un champ faiblement convergent.

Cette bobine 36 étant placée à 1 mètre de la bobine 26, elle ne devient prépondérante qu'à 80 cm de la cible de sorte que les e+ de basse énergie qui s'étaient éloignés de l'axe x en suivant les lignes de 10 champ de la bobine 26 sont maintenant captés par celles de la bobine 36 et convergent à nouveau vers l'axe x.

Ce trajet, qui s'éloigne puis se rapproche de l'axe x, permet aux e+ de basse énergie d'éviter le cylindre de tungstène 32, ce cylindre 32 ayant un 15 diamètre de 2 cm et une longueur de 5 cm et se trouvant sur l'axe x à 75 cm de la cible.

Les électrons qui n'ont pas produit de paire (e+e-) ont une énergie comprise entre 9 MeV et 10 MeV. ils ne sont donc pas piégés par les lignes de 20 champ des bobines 26 et 36. Ces électrons, dont la trajectoire avant la cible est à 3 de l'axe x, restent sensiblement dans un cône d'axe x et de demi-angle au sommet 3 .

Le seul effet de la bobine 26 est de faire 25 tourner le faisceau d'électrons de 450 environ autour de l'axe x tout en restant sensiblement dans ce cône.

En conséquence, ces électrons s'éloignent de 5 cm environ pour 1 mètre de propagation suivant l'axe x.

Du fait de la forme rectangulaire du 30 faisceau, 10 % de ces électrons se mélangeraient aux e+ à la sortie du système si l'on ne les arrêtait pas.

B 14325.3 PV Mais, comme la bobine 26 ne les éloigne pas de l'axe x, ces électrons sont arrêtés par le cylindre de tungstène.

Après la bobine 36, les e+ sont guidés vers 5 la sortie par le tube de champ magnétique (ce champ étant faible) . La distance qui sépare la bobine 36 du mur de sortie 38 est de 1 mètre.

Les électrons qui n'ont pas été arrêtés par le cylindre de tungstène 32 sont, au niveau du mur de 10 sortie 38, en dehors de ce cylindre 32 de sorte qu'ils sont arrêtés par ce mur qui est constitué d'un blindage en plomb refroidi par une circulation d'eau.

L'efficacité du système de la figure 3 est illustrée par les valeurs numériques suivantes.

un faisceau d'électrons ayant une énergie de 10 MeV et une intensité de 5 mA, a une puissance de kW. Sur ces 50 kW: * la cible produit environ 10 W sous forme de paires (e+e-), * 5 kW sont arrêtés par le cylindre en tungstène, * 125 W passent à travers le tube de sortie, à un rayon inférieur à 4cm, * 750 W passent à travers le tube de 25 sortie, à une distance comprise entre 4 cm et 5 cm de l'axe x, * le reste (environ 44 kW) est arrêté par le mur de plomb.

Par ailleurs, l'efficacité de collection, 30 mesurée comme étant le nombre de e+ à la sortie du tube de sortie, divisée par le nombre de e+ produit, est B 14325.3 PV respectivement de 54 % pour des e+ de moins de 1 MeV et de 77 % pour des e de moins de 600 keV.

Ce système illustre l'intérêt d'une cible mince (par exemple de 50m d'épaisseur), utilisée en incidence rasante, car cela permet de garder la corrélation entre l'angle d'émission des e+ et l'énergie. Sans cette corrélation, la séparation ne fonctionnerait pas.

Par ailleurs, cette configuration permet de 10 garder une petite section de faisceau (1 mm x 20 mm) sans laquelle les e' émis seraient trop dispersés pour pouvoir être collectés efficacement à la sortie.

L'ensemble du trajet des positrons se trouve dans une enceinte à vide dans laquelle la 15 pression résiduelle est faible, de préférence de l'ordre de 100 Pa. En effet, à la pression atmosphérique (de l'ordre de 105Pa), 65 % des e+ seraient perdus (ce calcul tenant compte de la diffusion (" scattering ")). Une pression de 102 Pa 20 réduit la perte à moins de un pour mille.

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Claims (7)

REVENDICATIONS

1. Source de positrons, cette source comprenant des moyens (20) de génération d'un faisceau d'électrons, et une cible (28) qui comporte une surface 5 sensiblement plane, cette cible étant prévue pour recevoir, sur cette surface sensiblement plane, un faisceau d'électrons sous un angle d'incidence prédéfini, compté par rapport à la surface sensiblement plane, et pour engendrer les positrons par interaction 10 avec ce faisceau d'électrons, cette source étant caractérisée en ce que le faisceau d'électrons généré est continu ou quasi-continu et les électrons ont une énergie de l'ordre de 10 MeV, et l'épaisseur de la cible est inférieure à 500 Atm et l'angle d'incidence 15 prédéfini est inférieur à 10 .

2. Source de positrons selon la revendication 1, dans laquelle l'épaisseur de la cible (28) est comprise dans l'intervalle allant de 10 gm à 20 100 j.m et l'angle d'incidence prédéfini est compris dans l'intervalle allant de 2 à 50.

3. Source de positrons selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans laquelle les 25 moyens de génération du faisceau d'électrons génèrent un faisceau continu, et comprennent un accélérateur d'électrons (20) comportant une cavité coaxiale que les électrons traversent plusieurs fois dans un plan médian, perpendiculaire à l'axe de cette cavité. 30 B 14325.3 PV

4. Source de positrons selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comportant en outre des moyens de triage entre les positrons et les électrons n'ayant pas interagi avec la cible, qui comprennent: - des premiers moyens magnétiques (26) de même axe que le faisceau, prévus pour engendrer un champ magnétique apte à faire diverger les positrons émis par la cible, ces premiers moyens magnétiques 10 étant disposés en amont de la cible à une distance appropriée, - un quadrupôle magnétique (30) de focalisation du faisceau de positrons, de même axe que ce faisceau, disposé en aval de la cible, et destiné à 15 rendre circulaire la section du faisceau de positrons, qui est très aplatie à la sortie de la zone d'interaction entre les électrons et la cible, - des premiers moyens d'arrêt (32), situés sur l'axe du faisceau, en aval du quadrupôle, à une 20 distance suffisante pour la focalisation des positrons en un faisceau de section circulaire, prévus pour arrêter des électrons du faisceau d'électrons qui n'ont pas interagi avec la cible, - des deuxièmes moyens magnétiques (36), de 25 même axe que le faisceau, disposés en aval des premiers moyens d'arrêt, et à une distance appropriée des premiers moyens magnétiques pour engendrer un champ magnétique apte à faire converger les positrons, les premiers et deuxièmes moyens coopérant pour engendrer 30 un champ magnétique apte à éviter à ces positrons de rencontrer les premiers moyens d'arrêt.

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5. Source de positrons selon l'une quelconque des revendication 1 à 4, comportant en outre - des moyens de piégeage (46), prévus pour piéger les positrons engendrés par la cible, et - des moyens de guidage (42), prévus pour guider ces positrons vers ces moyens de 10 piégeage.

6. Source de positrons selon la revendication 5, dans laquelle les moyens de piégeage (46) comprennent un piège de Greaves-Surko. 15

7. Source de positrons selon la revendication 4 et l'une quelconque des revendications et 6, comprenant en outre: - des deuxièmes moyens d'arrêt (38), prévus 20 pour arrêter des électrons du faisceau d'électrons, qui n'ont pas interagi avec la cible et ont atteint une zone comprise entre les deuxièmes moyens magnétiques et les moyens de piégeage, et pour empêcher ces électrons d'atteindre ces moyens de piégeage, et - des moyens de guidage (42) aptes à guider les positrons vers les moyens de piégeage, à travers ces deuxièmes moyens d'arrêt.

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