FR2933532A1 - Dispositif generateur d'ions a resonance cyclotronique electronique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un générateur (1) d'ions RCE comportant une chambre étanche (2) sous vide à symétrie axiale suivant un axe longitudinal (AA'), des moyens (3, 4, 5, 6) pour engendrer un champ magnétique possédant une symétrie de révolution par rapport à l'axe (AA') et des moyens de propagation d'une onde haute-fréquence. La chambre (2) comporte un premier étage d'ionisation (7) au niveau d'une extrémité de la chambre (2) comportant une zone d'ionisation (10) dans laquelle sont générés des ions, le champ magnétique étant sensiblement parallèle à l'axe (AA') dans la zone (10) et un deuxième étage de confinement magnétique (8) des ions générés utilisant une première onde haute-fréquence issue des moyens de propagation. Le champ magnétique est sensiblement parallèle à l'axe (AA') entre la zone (10) et le deuxième étage (8) de sorte que les ions générés dans la zone (10) migrent vers le deuxième étage (8) et que les premier et deuxième étage (7, 8) comportent un même plasma continu.

Description

La présente invention concerne un dispositif générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique. De façon connue, les sources à résonance cyclotronique électronique, dites sources ECR, sont utilisées communément pour produire des ions mono-chargés ou multichargés (c'est-à-dire des atomes auxquels on a arraché un ou plusieurs électrons). Le principe de ces sources ECR est de coupler, à l'intérieur d'une chambre sous vide alimentée en atomes (ces atomes peuvent provenir d'un gaz ou d'un métal), une onde haute-fréquence avec un champ magnétique B, de façon à obtenir les conditions dans lesquelles, une résonance cyclotronique est susceptible d'apparaître et d'ioniser les atomes présents, engendrant ainsi un plasma. La pression résiduelle régnant dans la chambre à vide est de l'ordre de 10-6 à 10-' Pa. Généralement, la chambre contenant le plasma présente une symé- trie de révolution par rapport à un axe longitudinal. Le champ magnétique est produit par des moyens externes à la chambre sous vide. Ces moyens peuvent être constitués d'un ensemble de bobines parcourues d'un courant électrique ou d'un ensemble d'aimants permanents. Les bobines utilisées, si elles sont constituées de matériaux supraconducteurs, doivent être refroi- dies jusqu'à une température déterminée, par un système cryogénique approprié. La résonance cyclotronique est obtenue grâce à l'action conjuguée de l'onde haute fréquence injectée dans l'enceinte, et d'un champ magnétique présentant une structure dite "à minimum B". Le champ magnétique pré- sente en particulier un module Br qui satisfait à la condition (1) de résonance cyclotronique électronique : Br=f.2rrm/e (1) dans laquelle e représente la charge de l'électron, m sa masse et f la fréquence de l'onde électromagnétique.

Un système d'extraction des ions, situé du côté de la chambre opposé à celui de l'injection de la haute fréquence, ou disposé latéralement par rapport à l'axe de la source en regard du plasma est également prévu. Dans ce type de source, la quantité d'ions pouvant être produite ré- suite de la compétition entre deux processus : d'une part la formation des ions par impact électronique sur des atomes neutres constituant le milieu gazeux à ioniser, et d'autre part, les pertes de ces mêmes ions par recombinaison avec les particules neutres ou chargées présentes dans le volume plasma ou bien par diffusion des atomes neutres jusqu'aux parois de l'en- ceinte. Il est prévu de confiner dans l'enceinte les ions formés ainsi que les électrons servant à leur ionisation. Ceci est réalisé en superposant au champ magnétique de symétrie axiale un champ magnétique de symétrie radiale. Ce champ magnétique radial est obtenu à l'aide d'une structure mul- tipolaire constituée généralement par des aimants permanents. Un gradient de champ positif est créé dans toutes les directions (sur l'axe et vers la paroi de la chambre) et est décélérateur. Les électrons du plasma sont piégés dans un puits de potentiel magnétique axialement et radialement. Cette configuration de miroir magnétique n'est évidemment pas parfaite (lignes de fuite) et ceci est mis à profit pour que l'on puisse en extraire les particules chargées qui formeront le faisceau à la sortie de l'électrode plasma. La superposition du champ magnétique radial et du champ magnétique axial conduit à la formation de surfaces d'équimodule de champ magné-tique, fermées n'ayant aucun contact avec les parois de l'enceinte. Le champ magnétique total est réglé de façon à ce qu'il existe au moins une surface magnétique complètement fermée sur laquelle la condition (1) de résonance cyclotronique électronique est satisfaite. Le brevet EP946961 déposée par la demanderesse décrit une source ECR utilisant un champ magnétique à symétrie de révolution. Cette source comporte des moyens magnétiques dont la somme vectorielle des champs créés par ces moyens magnétiques permet de définir au moins une ligne fermée de minima du module B de la somme vectorielle, à l'intérieur d'un ou plusieurs volume(s) intérieur(s) à la cavité et délimité(s) par des surfaces d'équimodule Bf du champ magnétique fermées dans l'espace. La surface fermée de module Bf englobe un volume intérieur où le champ magnétique peut, en particulier, présenter un minimum B très faible, au contraire de ce qui se produisait dans les sources ECR déjà connues.

La densité électronique des plasmas des sources RCE est comprise entre 109 et 1012 électrons par cm3. Les particules neutres sont injectées dans le volume de la chambre à vide contenant le plasma. Si elles ne sont pas ionisées au cours de leur premier trajet au sein du plasma, elles collent sur les parois de la chambre. Leur temps de collage dépend de l'espèce chimique à laquelle elles appartiennent. Ce temps peut être très important pour des particules dont les propriétés physico-chimiques autorisent une réaction avec les parois. Leur probabilité d'ionisation dépend donc directe-ment de la capacité d'ionisation du plasma. Des efficacités d'ionisation proches de 100% peuvent être observées pour les gaz non réactifs avec les parois. En effet, les rebonds successifs des particules sur les parois multiplient le nombre de trajets des particules dans le plasma et permettent leur ionisation s'ils ne sont pas ionisés au pas-sage des zones d'excitation électronique les plus fortes du plasma (autour des zones de résonance).

En revanche, il n'en est pas de même pour les éléments condensables (Pb, Ge par exemple) du tableau périodique de Mendeleïev. Ces derniers, s'ils ne sont pas ionisés au premier passage dans le plasma, sont col-lés aux parois dès qu'ils les atteignent et ne peuvent s'en décoller que si la température de la paroi est suffisante pour l'élément considéré. Dès lors, les sources d'ions ECR conventionnelles avec des parois froides conduisent à de faibles efficacités totales d'ionisation dans la mesure où les atomes qui ne sont pas ionisés à leur premier passage dans le plasma se condensent sur les parois de la chambre et sont perdus pour la production du faisceau. Ainsi, compte tenu des sections efficaces d'ionisation par impact électroni- que, les efficacités d'ionisation pour les éléments condensables sont de quelques pour mille, pour une onde de fréquence 2.45 GHz jusqu'à 20% pour une onde de fréquence 15 Ghz.

On notera qu'il en va de même pour la production d'ions radioactifs dont l'efficacité sera très dépendante de la durée de vie de ces éléments. Pour les gaz non réactifs avec la paroi, l'efficacité d'ionisation est évidemment plus élevée que pour les éléments condensables ; toutefois, parai- lèlement, le temps total de transformation des particules neutres augmente, ce temps étant lié à la fois aux différents rebonds et au temps de décollage des particules. Dans ce contexte, la présente invention a pour but de fournir un dis- positif générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique permettant 10 d'augmenter la capacité d'ionisation directe avant tout rebond sur les parois de la chambre à vide. A cette fin, l'invention propose un dispositif générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique comportant : - une chambre étanche sous vide destinée à contenir un plasma, ladite chambre étant à symétrie axiale suivant un axe longitudinal, - des moyens pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre, ledit champ magnétique possédant une symétrie de révolution par rapport au dit axe longitudinal, - des moyens de propagation d'une onde haute-fréquence à l'intérieur de ladite chambre, ledit dispositif étant caractérisé en ce que ladite chambre comporte : - un premier étage d'ionisation situé au niveau d'une extrémité de ladite chambre, ledit premier étage comportant une zone d'ionisation dans laquelle sont générés des ions, ledit champ magnétique étant sensiblement parallèle au dit axe longitudinal dans ladite zone d'ionisation, - un deuxième étage de confinement magnétique desdits ions générés dans ladite zone d'ionisation, ledit deuxième étage utilisant une première onde haute-fréquence se propageant dans ladite chambre issue desdits moyens de propagation d'une onde haute-fréquence, 15 20 25 30 ledit champ magnétique étant sensiblement parallèle au dit axe longitudinal entre ladite zone d'ionisation et ledit deuxième étage de confinement de sorte que les ions générés dans ladite zone d'ionisation migrent vers ledit deuxième étage de confinement et que lesdits premier et deuxième étages comportent un même plasma continu. On entend par champ magnétique possédant une symétrie de révolution par rapport à l'axe longitudinal, un champ magnétique dont les composantes radiale et axiale sont symétriques quels que soient les points situés sur un cercle autour dudit axe.

Grâce à l'invention, on réduit le temps de transformation des particules neutres en ions tout en assurant une grande efficacité d'ionisation. Le dispositif selon l'invention présente un champ magnétique à symétrie de révolution définissant le volume d'un plasma contenu dans une chambre comprenant deux zones ou étages distincts. Les ions sont essentiellement créés dans la première zone tandis que la deuxième zone assure le confinement des ions selon le principe de la source à résonance cyclotronique électronique. Entre les deux zones, les directions des vecteurs du champ magnétique sont parallèles à l'axe commun aux deux étages, à savoir l'axe longitudinal de la chambre : on a donc entre ces deux zones un champ magnétique purement axial (pas de composante radiale du champ magnétique). Les deux zones ne présentent aucune rupture sur le plan magnétique et définis-sent un volume contenant un seul et même plasma, c'est-à-dire un seul et même ensemble composé d'ions, d'électrons, d'atomes et de molécules, globalement électriquement neutre (i.e. avec autant de charges positives que de charges négatives). Le fait d'utiliser des vecteurs de champ magné-tique coaxiaux entre les deux étages entraîne implicitement que le champ magnétique est à symétrie de révolution et impose la migration des ions de la première zone vers la deuxième zone. Dans le premier étage, l'efficacité d'ionisation d'une particule dépend des moyens utilisés pour réaliser cette ionisation. Les particules ionisées migrent vers le deuxième étage RCE dans lequel elles sont confinées voir multichargées ; on notera à ce titre que le deuxième étage peut conserver ou augmenter l'état de charge des ions provenant du premier étage.

Les ions confinés par le deuxième étage peuvent alors être utilisés sous la forme d'un faisceau de particules mono ou multichargées. Le faisceau ainsi produit présentera les caractéristiques données par une source de type RCE à symétrie de révolution telle que décrite dans le brevet EP946961 de la demanderesse. Concernant l'ionisation de particules de faible durée de vie (atome radioactifs, molécules instables,...), le dispositif selon l'invention permet d'augmenter la probabilité de les ioniser avant qu'ils aient changé d'état en réduisant le temps nécessaire au processus de transformation.

Par ailleurs, le parallélisme entre ledit champ magnétique et l'axe longitudinal est déterminé par le rayon de Larmor de l'ion d'intérêt (rayon de giration de l'ion autour des lignes de champ). Ainsi, le rayon de giration augmente avec la masse des ions d'intérêt. Dans la mesure où, selon l'invention, les particules ionisées dans la zone d'ionisation doivent migrer vers la zone de confinement, l'exigence de parallélisme du champ magnétique avec l'axe dépendra du rayon de Larmor de cet ion. On conçoit aisé-ment que pour un ion d'intérêt de faible masse, on pourra tolérer un défaut de parallélisme plus important entre le champ magnétique et l'axe longitudinal que pour un ion d'intérêt de masse plus importante avec un rayon de Larmor élevé et qui pourrait, pour un champ magnétique présentant un angle trop important avec l'axe longitudinal, s'écarter de la direction prévue et ne pas migrer vers le deuxième étage. De façon générale, on peut dire que l'angle 0 maximum entre les vecteurs de champ magnétique situés dans la zone d'ionisation et entre cette zone d'ionisation et l'entrée de la zone de confinement, doit rester inférieur à 30°. On notera qu'il est possible de diminuer le rayon de Larmor de l'ion d'intérêt en ayant un module de champ magnétique élevé dans la zone d'ionisation. Le dispositif selon l'invention peut également présenter une ou plu-sieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou se- Ion toutes les combinaisons techniquement possibles : - Ledit premier étage d'ionisation est une source d'ions à résonance cyclotronique électronique ; - Le dispositif selon l'invention comporte un guide d'ondes pour l'injection d'une deuxième onde haute-fréquence dans ladite zone d'ionisation ; - Le dispositif selon l'invention comporte un système d'injection des éléments à ioniser agencé à proximité de la zone de résonance formant ladite zone d'ionisation de ladite source d'ions à résonance cyclotronique, ledit système restant hors de ladite zone de résonance ; - Ledit système d'injection est un four injectant de la vapeur d'éléments condensable à ioniser dans ladite zone de résonance ; - Ledit premier étage d'ionisation est choisi parmi les sources suivantes : o source à décharge, o source à ionisation de surface, o source à thermo-ionisation, o source à Laser, o source ionisation de champ, o source à échange de charge ; - Le dispositif selon l'invention comporte des moyens pour augmenter localement le module du champ magnétique dans ladite zone d'ionisation ; - lesdits moyens pour augmenter localement le module du champ magnétique sont formés par un anneau en fer doux ; - lesdits moyens pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre comportent des aimants permanents dont l'axe de révolution se confond sensiblement avec ledit axe longitudinal ; - lesdits moyens pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre comportent au moins une bobine, parcourue par un courant d'intensité déterminée, ladite bobine étant réalisée avec un matériau supraconducteur ou un matériau conventionnel ; - Le dispositif selon l'invention comporte une zone d'extraction desdits ions localisée à l'extrémité opposée à celle dans laquelle se situe ledit premier étage d'ionisation, ledit champ magnétique étant sensible-ment parallèle au dit axe longitudinal dans ladite zone d'extraction ; - lesdits moyens pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre permettent de définir dans ledit deuxième étage de confinement magnétique au moins une ligne fermée de minima dudit champ magnétique, à l'intérieur d'un ou plusieurs volume(s) inté- rieur(s) à ladite chambre et délimité(s) par des surfaces d'équimodule du champ magnétique fermées dans l'espace. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clai- rement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nul- lement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique simplifiée du dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention incluant une carte d'intensités du module, d'équimodules et de vecteurs du champ électromagnétique régnant dans le dispositif selon l'invention; - la figure 2 est une vue en trois dimensions de la configuration méca- nique du dispositif de la figure 1 ; - la figure 3 donne deux spectres d'ions multichargés respectivement avec et sans le fonctionnement du premier étage du dispositif de la figure 1 ; - la figure 4 donne trois spectres d'ions multichargés respectivement à trois puissances de chauffage différentes du micro-four utilisé pour l'injection des particules neutres dans le premier étage du dispositif de la figure 1 ; - la figure 5 est une représentation schématique simplifiée du dispositif selon un second mode de réalisation de l'invention incluant une carte d'intensités du module, d'équimodules et de vecteurs du champ électromagnétique régnant dans le dispositif selon l'invention ; - la figure 6 est une représentation schématique simplifiée du dispositif selon un troisième mode de réalisation de l'invention incluant un dis-positif générateur d'ions par thermo-ionisation, une carte d'intensités du module, d'équimodules et de vecteurs du champ électromagnétique régnant dans le dispositif selon l'invention ; - la figure 7 est une représentation schématique simplifiée du dispositif selon un quatrième mode de réalisation de l'invention incluant un gé- nérateur d'ions par excitation laser, une carte d'intensités du module, d'équimodules et de vecteurs du champ électromagnétique régnant dans le dispositif selon l'invention. Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence. La figure 1 est une représentation schématique simplifiée d'un dispositif 1 selon un premier mode de réalisation de l'invention. On notera que certains éléments mécaniques représentés sur la figure 2 ne sont pas représentés sur le schéma de principe de la figure 1 pour une meilleure compré- hension de cette figure. La figure 2 est une vue en trois dimensions de la configuration mécanique du dispositif de la figure 1 (pour une meilleure compréhension du dispositif 1, la figure 2 représente une coupe selon un plan vertical passant par l'axe longitudinal du dispositif 1). Le dispositif 1 comporte : - une chambre 2 étanche sous vide ayant un axe de symétrie longitu- dinale AA'; - trois aimants permanents 3, 4 et 5 sensiblement identiques ayant une forme d'anneau et disposés les uns à coté des autres de façon à ce que leur axe de révolution se confonde sensiblement avec l'axe longi- tudinal AA' de la chambre 2, l'aimant 3 se trouvant à une première extrémité du dispositif 1, l'aimant 5 à l'extrémité opposée et l'aimant 4 étant localisé entre l'aimant 3 et l'aimant 5 ; - un élément conique en fer doux 6 agencé de sorte que son extrémité de section rétrécie se trouve à l'intérieur de l'aimant 4 intermédiaire.

Les aimants permanents 3, 4 et 5 peuvent être des aimants mono-blocs ou des aimants composés de plusieurs secteurs montés avec une aimantation dans le même sens. La figure 1 inclut également une carte de l'intensité des modules, d'équimodules et de vecteurs du champ électromagnétique régnant dans le dispositif 1 selon l'invention.

Ainsi, l'intensité du module du champ magnétique est représentée par des pointillés : le module régnant dans la chambre 2 est d'autant plus intense que les pointillés sont denses. De même, plusieurs surfaces d'équimodules sont représentées sur la figure 1 par des lignes continues. Enfin, les vecteurs de champ magnétique sont représentés par des flèches. Le dispositif 1 comporte : - un premier étage d'ionisation 7 situé au niveau d'une extrémité de la chambre 2, le premier étage 7 comportant une zone d'ionisation 10 ; - un deuxième étage de confinement magnétique 8 des ions générés par le premier étage 7 ; - une zone de migration 12 des ions du premier étage 7 vers le deuxième étage 8 ; - une zone d'extraction 9 des ions, cette zone pouvant être latérale si-tuée dans la zone 8. La zone d'ionisation 10 est ici une zone RCE (on notera que les systèmes d'injection des ions et de l'onde haute fréquence ne sont pas représentés sur la figure 1). Cette zone RCE 10 est ici typiquement une zone haute densité avec une zone de résonance fonctionnant à 15 GHz (valeur donnée à titre purement indicatif pour un guide d'ondes permettant de véhiculer une onde de fréquence comprise entre 8 GHz et 18 GHz). On notera que cette zone assure uniquement l'ionisation des particules neutres injectées et non le confinement de ces mêmes particules ionisées. Cette fré- quence de résonance à 15 GHz implique la présence d'un champ magnétique de module environ égal à 5300 G pour assurer le phénomène de résonance qui va permettre l'ionisation efficace des particules neutres (obtention d'ions monochargés et multichargés). La configuration du champ magnétique du premier étage est assurée par les aimants 3 et 4 ainsi que par l'élément conique en fer doux 6. L'élément conique en fer doux permet d'augmenter localement la valeur du module de champ magnétique de façon à obtenir le champ magnétique de résonance au niveau de la zone d'ionisation 10. Comme représenté en figure 2, l'onde haute fréquence à 15 GHz est transmise via un guide d'ondes 13 de sorte que l'onde haute fréquence à 15 GHz soit injectée au niveau de la zone de résonance 10.

Le dispositif 1 comporte également un tube 14 dans lequel on insère un micro-four non représenté : ce micro-four permet par chauffage d'un composé à ioniser jusqu'à une pression de vapeur suffisante de produire des éléments condensables du tableau périodique de Mendeleïev (Pb par exemple). Le micro-four est également sensiblement placé selon l'axe longi- tudinal AA' et doit être très proche de la zone de résonance 10 sans toute-fois pénétrer dans cette zone. Typiquement, le micro-four peut être placé 2 mm en retrait (cf. localisation illustrée par la référence 15) du bout du guide d'onde 13: ce four est par exemple chargé de 208Pb. Rappelons que l'ionisation d'un élément condensable est un critère fondamental pour quali- fier le dispositif selon l'invention puisque les éléments condensables non ionisés au premier passage dans les dispositifs connus sont collés aux parois dès qu'ils les atteignent et ne peuvent s'en décoller que si la température de la paroi est suffisante pour l'élément considéré. Les ions produits par le premier étage 7 au niveau de la zone d'ionisation 10 sont pris en charge par le champ magnétique sensiblement parallèle à l'axe longitudinal AA' (i.e. composante radiale du champ magné-tique est sensiblement nulle) à la fois dans la zone d'ionisation 10 puis entre la zone d'ionisation 10 et l'entrée du deuxième étage de confinement de sorte que les ions générés dans ladite zone d'ionisation migrent spontané- ment en s'enroulant autour des lignes de champ vers ledit deuxième étage de confinement 8 (on notera que l'ensemble des ions, mono et multichargés, est pris en charge et migre vers le deuxième étage 8). On notera également que le fait d'imposer un champ magnétique sensiblement colinéaire à l'axe AA' implique de fait d'avoir un champ magnétique à symétrie de révolution.

Comme déjà mentionné plus haut, le parallélisme entre le champ magnétique et l'axe longitudinal AA' est déterminée par le rayon de Larmor de l'ion d'intérêt. Ainsi, le rayon de Larmor augmente avec la masse des ions d'intérêt (le rayon de giration de l'Ar est ainsi plus faible que le rayon de giration du Pb, plus lourd que l'Ar). Dans la mesure où, selon l'invention, les particules ionisées dans la zone d'ionisation 10 doivent migrer vers le deuxième étage de confinement 8, l'exigence de parallélisme du champ magnétique avec l'axe dépendra du rayon de Larmor de cet ion. On conçoit aisément que pour un ion d'intérêt de faible masse, on pourra tolérer un défaut de parallélisme plus important entre le champ magnétique et l'axe longitudinal que pour un ion d'intérêt de masse plus importante avec un rayon de Larmor élevé et qui pourrait, pour un champ magnétique présentant un angle trop important avec l'axe longitudinal AA', s'écarter de la direction prévue et ne pas migrer vers le deuxième étage 8. De façon générale, on peut dire que l'angle 0 maximum entre les vecteurs de champ magnétique situés dans la zone d'ionisation et entre cette zone d'ionisation et l'entrée de la zone de confinement, doit rester inférieur à 30°. On notera qu'il est possible de dimi- nuer le rayon de Larmor de l'ion d'intérêt en ayant un module de champ magnétique élevé dans la zone d'ionisation 10 : le cône de fer doux 6 permet de concentrer le champ magnétique dans cette zone. Les deux aimants permanents 4 et 5 servent à générer le champ magnétique à symétrie de révolution.

Le deuxième étage 8 forme donc une zone de confinement magnétique RCE : les aimants 4 et 5 sont choisis de manière que la somme vectorielle des champs magnétiques créés en chaque point du deuxième étage 8 conduise à obtenir un profil à lignes fermées de minima 1 B I . La référence 16 sur la figure 1 désigne une surface d'équimodule 1 Bd (module maximum du champ magnétique dans le deuxième étage 8) tandis que la référence 17 désigne des ellipsoïdes de révolution définies par des valeurs inférieures de champ magnétique. A l'intérieur de ces ellipsoïdes 17, sont définies des lignes fermées de minima. La fréquence de fonctionnement maximal du deuxième étage 8 est définie par la surface fermée 16 de module de champ maximum 1 Bd . Une telle configuration est décrite dans le brevet EP946961 déposée par la demanderesse. A titre illustratif, l'étage de confinement RCE fonctionne typiquement avec une onde de fréquence 2.45 GHz correspon- dant à la ligne fermée 11 représentée sur la figure 1 (correspondant à un module de champ magnétique environ égal à 870 G). L'onde haute fréquence à 2.45 GHz est injectée via un guide d'onde non représenté inséré dans la tubulure 18. Les ions provenant de la zone d'ionisation 10 apparte- nant au premier étage 7 restent confinés dans la zone de confinement 8 puis sont extraits dans la zone dite d'extraction 9. On notera que la zone de confinement RCE 8 permet non seulement d'assurer la fonction de confine-ment des ions chargés lors de leur passage dans la zone d'ionisation 10 mais également, selon les objectifs recherchés, de conserver ou d'augmenter l'état de charge des ions provenant du premier étage. Le deuxième étage peut également permettre la création d'ions monochargés (notamment dans le cas de la recombinaison de certains atomes au sein de la zone de confinement 8). La zone d'extraction 9 des ions est localisée à l'extrémité opposée à celle dans laquelle se situe le premier étage d'ionisation 7, le champ magnétique étant sensiblement parallèle à l'axe longitudinal AA' dans cette zone d'extraction 9 : dès qu'un électron quitte la zone de confinement 8 (il quitte préférentiellement cette zone dans la zone d'extraction 9 dans laquelle le champ magnétique est coaxial avec l'axe de symétrie longitudinal AA'), il y a un ion qui va suivre l'électron et quitter la zone de confinement de façon à respecter la neutralité du plasma. On notera que les premier et deuxième étages 7 et 8 comportent un seul et même plasma continu. On notera également qu'il est possible d'utiliser un seul guide d'ondes pour injecter les deux ondes haute fréquence (par exemple une première fréquence pour le premier étage 7 d'ionisation égale à 18 GHz et une deuxième fréquence pour le second étage de confinement égale à 8 GHz transmises par le même guide d'ondes). On peut également utiliser un gaz support (injecté via un capillaire non représenté dans la chambre 2) qui permet d'augmenter la population électronique. Ce gaz support est de préférence un gaz dont les atomes sont de masse plus faible que ceux permettant l'obtention des ions d'intérêt. Ain- si, dans le cas de l'ionisation du 208Pb, on peut utiliser un gaz support, par exemple l'He. Bien entendu, le système de guidage d'onde 13 et le système d'injection des éléments neutres 14 sont reliés de façon parfaitement étan- che à la chambre 2 au moyen de joints appropriés non représentés. Par ailleurs, l'injection des éléments neutres dans la zone d'ionisation a été plus particulièrement décrite dans le cas de l'utilisation d'un micro-four pour des éléments condensables; bien évidemment, l'invention est également applicable à d'autres sources connues de production d'éléments neutres (bouteille de gaz par exemple). Avec un dispositif tel que représenté aux figures 1 et 2, on a réalisé deux spectres de différents ions donnés sur la figure 3 selon que le premier étage d'ionisation ne fonctionne pas (courbe en trait plein gras) ou fonctionne (courbe en trait plein non gras). Ces spectres donnent l'intensité, ex- primée en microampères, du courant d'ions I sortant du dispositif en fonction du courant dans l'aimant d'analyse, exprimé en ampères ; ce courant d'analyse donne le rapport Q/A où Q est la charge de l'ion et A sa masse. Les spectres ont été obtenus dans le cas de l'ionisation du 208Pb avec une puissance de micro-four égale à 3.75W, une fréquence du premier étage égale à 9.347 GHz et une fréquence de deuxième étage égale à 2.45 GHz. La figure 3 fait clairement apparaître un gain dans l'efficacité d'ionisation selon que le premier étage est ou non en fonctionnement. Ainsi, on observe un gain (ratio des courants d'ions entre le spectre avec fonctionnement du premier étage et le spectre sans fonctionnement du premier étage) égal à 3.1 pour l'ion 208Pb3+ et à 2.7 pour l'ion 208Pb2+. On observe également un gain en efficacité pour les ions 208Pb4+ et 208Pb'+ La figure 4 montre l'évolution des intensités de 208Pb avec la variation de la puissance du micro-four. Plus la puissance du micro-four est élevée plus l'ionisation est importante. Globalement, on note un gain direct en in- tensité total du 208Pb (en particules) allant d'un gain de 1.4 (pour une puissance du micro-four de 3.36 W) à 2.2 (pour une puissance du micro-four de 5.37W).

On notera par ailleurs qu'un test (non représenté) de fonctionnement du premier étage seul (sans faire fonctionner l'étage de confinement RCE) montre une très faible production d'ions. Le champ magnétique dans l'exemple illustré aux figures 1 et 2 est créé par un système à aimants permanents. Cependant, pour obtenir des champs magnétiques correspondant à des fréquences de fonctionnement RCE plus élevées, l'utilisation de système à bobines est également possible. Ainsi, la figure 5 illustre une représentation schématique simplifiée d'un dis-positif 100 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention incluant une carte d'intensités du module, d'équimodules et de vecteurs du champ électromagnétique régnant dans le dispositif selon l'invention Le dispositif 100 comporte : - une chambre 102 étanche sous vide ayant un axe de symétrie longitudinale AA'; - deux aimants permanents 104 et 105 sensiblement identiques ayant une forme d'anneau et disposés les uns à coté des autres de façon à ce que leur axe de révolution se confonde sensiblement avec l'axe longitudinal AA' de la chambre 102 ; - une bobine 101 parcourue par un courant d'intensité déterminée et dont l'axe de révolution se confonde sensiblement avec l'axe longitudinal AA' de la chambre 102 - un élément conique en fer doux 106 agencé de sorte que son extrémité de section rétrécie se trouve à l'intérieur de la bobine 101. Comme pour la figure 1, la figure 5 inclut également une carte de l'intensité des modules, d'équimodules et de vecteurs du champ électroma- gnétique régnant dans le dispositif 100 selon l'invention. Ainsi, l'intensité du module du champ magnétique est représentée par des pointillés : le module régnant dans la chambre 102 est d'autant plus intense que les pointillés sont denses.

De même, plusieurs surfaces d'équimodules sont représentées sur la figure 5 par des lignes continues. Enfin, les vecteurs de champ magnétique sont représentés par des flèches.

Le dispositif 100 comporte : - un premier étage d'ionisation 107 située au niveau d'une extrémité de la chambre 102, le premier étage 7 comportant une zone d'ionisation 110 ; - un deuxième étage de confinement magnétique 108 des ions générés par le premier étage 7 ; - une zone de migration 112 des ions du premier étage 107 vers le deuxième étage 108 ; - une zone d'extraction 109 des ions. La zone d'ionisation 110 est ici une zone RCE à plus haute fréquence que la zone RCE de la figure 1 réalisée au moyen de la bobine 101. Cette zone RCE 110 est ici typiquement une zone haute densité avec une zone de résonance fonctionnant à 29 GHz. Comme pour la figure 1, cette zone as-sure uniquement l'ionisation des particules neutres injectées et non le confinement de ces mêmes particules ionisées. Cette fréquence de résonance à 29 GHz implique la présence d'un champ magnétique très élevé pour assurer le phénomène de résonance qui va permettre l'ionisation efficace des particules neutres (obtention d'ions monochargés et multichargés). L'élément conique en fer doux 106 permet d'augmenter localement la valeur du module de champ magnétique de façon à obtenir le champ magnétique de résonance au niveau de la zone d'ionisation 110. A la seule différence de la bobine 101 qui permet d'utiliser une zone RCE de plus haute fréquence pour l'étage d'ionisation, le dispositif 100 de la figure 5 est identique au dispositif 1 de la figure 1 et fonctionne de façon similaire.

Les différents modes de réalisation décrits jusqu'à présent (figures 1 et 2 et figure 5) comprenaient tous un premier étage RCE. Il est toutefois important de noter que le dispositif selon l'invention peut fonctionner avec d'autres types de sources d'ions, la seule condition étant que les ions soient produits dans une zone où le champ magnétique est coaxial à l'axe de symétrie longitudinal de la chambre de sorte que les ions créés migrent spontanément vers le deuxième étage de confinement. Ainsi, à la place d'un premier étage RCE, le premier étage d'ionisation peut également être choisi parmi les sources suivantes : - source à décharge, - source à ionisation de surface, - source à thermo-ionisation, - source à Laser, - source ionisation de champ, - source à échange de charge. A titre d'illustration, les figures 6 et 7 illustrent une représentation schématique simplifiée de dispositif 200 et 300 respectivement selon un troisième et un quatrième mode de réalisation de l'invention incluant une carte d'intensités du module, d'équimodules et de vecteurs du champ électroma- gnétique régnant dans le dispositif selon l'invention. Les dispositifs 200 et 300 sont identiques au dispositif 1 de la figure à la différence que le premier étage d'ionisation n'est pas un étage RCE. Nous avons conservé les mêmes références pour les éléments communs avec le dispositif 1 de la figure 1.

Le dispositif 200 de la figure 6 se différencie du dispositif 1 de la figure 1 uniquement en ce que la source d'ionisation 201 est une source à ionisation de surface, l'étage d'ionisation 207 du dispositif 200 n'étant donc pas un dispositif RCE. L'extrémité de la source 201 se trouve dans la zone 10 formant la zone d'ionisation du dispositif 200 dans laquelle le champ ma- gnétique est coaxial à l'axe longitudinal AA' de la chambre 2 du dispositif 200. On peut constater que l'on a conservé l'aimant permanent 3 et le cône de fer doux 6 de façon à obtenir une concentration du module de champ magnétique au niveau de la zone d'ionisation 10 : cette concentration de champ permet d'avoir des ions avec des rayons de Larmor plus faibles et est particulièrement utile pour des particules lourdes. Le dispositif 300 de la figure 7 se différencie du dispositif 1 de la fi- gure 1 uniquement en ce que la source d'ionisation 301 est une source d'excitation et ionisation à Laser (dont un des principes est celui d'un faisceau lumineux Laser focalisé qui chauffe ponctuellement une cible ; la dilatation thermique crée localement une onde de choc qui expulse une plume de plasma très chaud et dense ; un autre principe est une source à ionisation résonnante laser permettant d'enlever un électron périphérique), l'étage d'ionisation 307 du dispositif 300 n'étant donc pas un dispositif RCE. L'extrémité de la source 301 se trouve dans la zone 10 formant la zone d'ionisation du dispositif 300 dans laquelle le champ magnétique est coaxial à l'axe longitudinal AA' de la chambre 2 du dispositif 300. A nouveau, on peut constater que l'on a conservé l'aimant permanent 3 et le cône de fer doux 6 de façon à obtenir une concentration du module de champ magnétique au niveau de la zone d'ionisation 10. 25

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif (1, 100, 200, 300) générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique comportant : - une chambre étanche (2, 102) sous vide destinée à contenir un plasma, ladite chambre (2, 102) étant à symétrie axiale suivant un axe longitudinal (AA'), - des moyens (3, 4, 5, 6, 101, 104, 105, 106) pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre (2, 102), ledit champ magnétique possédant une symétrie de révolution par rapport au dit axe longitudinal (AA'), - des moyens de propagation d'une onde haute-fréquence à l'intérieur de ladite chambre (2, 102), ledit dispositif (1, 100, 200, 300) étant caractérisé en ce que ladite chambre (2, 102) comporte: - un premier étage d'ionisation (7, 107, 207, 307) situé au niveau d'une extrémité de ladite chambre (2, 102), ledit premier étage comportant une zone d'ionisation (10, 110) dans laquelle sont générés des ions, ledit champ magnétique étant sensiblement parai- lèle au dit axe longitudinal (AA') dans ladite zone d'ionisation (10, 110), - un deuxième étage de confinement magnétique (8, 108) desdits ions générés dans ladite zone d'ionisation (10, 110), ledit deuxième étage (8, 108) utilisant une première onde haute- fréquence se propageant dans ladite chambre (2, 102) issue des- dits moyens de propagation d'une onde haute-fréquence, ledit champ magnétique étant sensiblement parallèle au dit axe longitudinal (AA') entre ladite zone d'ionisation (10, 110) et ledit deuxième étage de confinement (8, 108) de sorte que les ions générés dans la- dite zone d'ionisation (10, 110) migrent vers ledit deuxième étage de confinement (8, 108) et que lesdits premier et deuxième étage (7, 107, 207, 307, 8, 108) comportent un même plasma continu.
2. 2. Dispositif (1, 100) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit premier étage d'ionisation (7, 107) est une source d'ions à résonance cyclotronique électronique.
3. 3. Dispositif (1) selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte un guide d'ondes (13) pour l'injection d'une deuxième onde haute-fréquence dans ladite zone d'ionisation (10).
4. 4. Dispositif (1) selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce qu'il comporte un système d'injection des éléments à ioniser agencé à proximité de la zone de résonance formant ladite zone d'ionisation (10) de ladite source d'ions à résonance cyclotronique, ledit système restant hors de ladite zone de résonance.
5. 5. Dispositif (1) selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit système d'injection est un four injectant de la vapeur d'éléments condensable à ioniser dans ladite zone de résonance.
6. 6. Dispositif (1) selon la revendication 5 caractérisé en ce que ledit four est agencé de sorte qu'il est sensiblement parallèle au dit axe longitudinal.
7. 7. Dispositif (200, 300) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit premier étage d'ionisation est choisi parmi les sources suivan- tes : - source à décharge, - source à ionisation de surface (207), - source à thermo-ionisation, - source à Laser (307), - source ionisation de champ, - source à échange de charge.
8. 8. Dispositif (1, 100, 200, 300) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (6, 106) pour augmenter localement le module du champ magnétique dans ladite zone d'ionisation.
9. 9. Dispositif (1, 100, 200, 300) selon la revendication précédente caractérisé en ce que lesdits moyens (6, 106) pour augmenter localement le module du champ magnétique sont formés par un anneau en fer doux. 10
10. 10. Dispositif (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre comportent des aimants permanents (3, 4, 5) dont l'axe de révolution se confond sensiblement avec ledit axe longi- 15 tudinal (AA').
11. 11. Dispositif (100) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que lesdits moyens pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre comportent au moins une bobine (101) parcou- 20 rue par un courant d'intensité déterminée.
12. 12. Dispositif (1, 100, 200, 300) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte une zone d'extraction (9, 109) desdits ions localisée à l'extrémité opposée à celle dans laquelle se 25 situe ledit premier étage d'ionisation, ledit champ magnétique étant sensiblement parallèle au dit axe longitudinal (AA') dans ladite zone d'extraction (9, 109).
13. 13. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en 30 ce que lesdits moyens pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre permettent de définir dans ledit deuxième étage de confinement magnétique au moins une ligne fermée de minima dudit champ magnétique, à l'intérieur d'un ou plusieurs volume(s) inté-5rieur(s) à ladite chambre et délimité(s) par des surfaces d'équimodule du champ magnétique fermées dans l'espace.