WO1998022970A1

WO1998022970A1 - Source a resonance cyclotronique electronique pour la production d'ions multicharges en milieu hostile

Info

Publication number: WO1998022970A1
Application number: PCT/FR1997/002081
Authority: WO
Inventors: Gérard MELIN; Marc Delaunay; Paul Ludwig
Original assignee: Commissariat A L'energie Atomique
Priority date: 1996-11-20
Filing date: 1997-11-19
Publication date: 1998-05-28
Also published as: FR2756097B1; FR2756097A1; EP0939968A1; JP2001504266A

Abstract

L'invention concerne une source d'ions à résonance cyclotronique électronique dans laquelle la structure magnétique comporte au moins deux bobines électromagnétiques (8, 10) parcourues chacune par un courant électrique de sens opposé à celui parcourant l'autre bobine de façon à produire des surfaces équimagnétiques fermées (S) et au moins une paire d'électrodes de confinement (12) montées face à face, perpendiculairement à l'axe des bobines électromagnétiques et aptes à renforcer le confinement du champ magnétique produit par les bobines électromagnétiques.

Description

SOURCE A RESONANCE CYCLOTRONIQUE ELECTRONIQUE

POUR LA PRODUCTION D'IONS MULTICHARGES

EN MILIEU HOSTILE

DESCRIPTION

Domaine de l'invention

L'invention concerne une source d'ions à résonance cyclotronique électronique (RCE) pour la production d'ions multichargés, utilisable en milieu hostile où le rayonnement neutronique détériore certains éléments des sources d' ions RCE classiques (sources comportant des aimants permanents).

L' invention trouve de nombreuses applications en fonction des différentes valeurs de l'énergie cinétique des ions produits, dans le domaine de l'implantation ionique, de la microgravure, et plus particulièrement dans l'équipement des accélérateurs de particules utilisés aussi bien dans le domaine scientifique que médical. En particulier, la source d'ions de l'invention peut être utilisée en milieu hostile pour l'ionisation d'éléments instables pour la production d'un faisceau d'ions radioactifs multichargés, par exemple, en physique nucléaire.

Etat de la technique

Dans les sources d' ions à résonance cyclotronique électronique, les ions sont obtenus par ionisation, dans une enceinte fermée (telle qu'une cavité hyperfréquence) , d'un milieu gazeux constitué d'un ou plusieurs gaz ou de vapeurs métalliques, au moyen d' électrons fortement accélérés par résonance cyclotronique électronique. Cette résonance est obtenue grâce à l'action conjuguée d'un champ électromagnétique haute fréquence (HF) injecté dans l'enceinte, contenant le gaz à ioniser, et d'un champ magnétique, régnant dans cette même enceinte, dont l'amplitude B satisfait à la condition de résonance cyclotronique électronique suivante B = F.2 πm/e, dans laquelle e représente la charge de l'électron, m sa masse et F la fréquence du champ électromagnétique.

Dans ces sources d'ions, la quantité d'ions pouvant être produite résulte de la compétition entre deux processus : d'une part, la formation des ions par impact électronique sur des atomes neutres constituant le gaz à ioniser et, d'autre part, la destruction de ces mêmes ions par recombinaison, simple ou multiple, lors d'une collision de ces derniers avec un atome neutre ; cet atome neutre peut provenir du gaz non encore ionisé ou bien être produit sur les parois de l'enceinte, par impact d'un ion sur ces parois.

Cet inconvénient est évité en confinant, dans l'enceinte constituant la source, les ions formés, ainsi que les électrons servant à leur ionisation. Ceci est réalisé en créant à l'intérieur de l'enceinte des champs magnétiques radial et axial, définissant une surface dite « équimagnétique » qui n'a aucun contact avec les parois de l'enceinte et sur laquelle la condition de résonance cyclotronique électronique est satisfaite. Cette surface équimagnétique a sensiblement la forme d'un ballon de rugby. Cette surface équimagnétique permet aussi de confiner les ions et les électrons produits par ionisation du gaz. Grâce à ce confinement, les électrons créés ont le temps de bombarder plusieurs fois un même ion et de l'ioniser totalement.

Une telle source d' ions a été décrite dans le document déposé le 13 mars 1986, au nom du demandeur et publié sous le numéro FR-A-2 595 868.

Sur la figure 1, on a représenté schématiquement une source d'ions RCE classique. Cette source comprend une enceinte 1 constituant une cavité résonante pouvant être excitée par un champ électromagnétique haute fréquence (HF) . Ce champ électromagnétique est produit par un générateur 3 d'ondes électromagnétiques et introduit à l'intérieur de l'enceinte 1 par l'intermédiaire d'un guide d'ondes 5 et d'une cavité de transition 20.

Cette source d' ions comprend également une structure magnétique (7, 9, 11) blindée extérieurement, dont le blindage 11 permet de ne magnétiser que le volume utile à la résonance cyclotronique électronique dans l'enceinte 1.

Outre le blindage 11, cette structure magnétique comprend des aimants permanents 7 et des solénoides 9 (ou bobines électromagnétiques), disposés autour de l'enceinte 1 et créant respectivement un champ magnétique radial et un champ magnétique axial. Ces deux champs magnétiques se superposent et se répartissent dans toute l'enceinte ; ils forment ainsi un champ magnétique résultant qui définit la surface équimagnétique résonante S à l'intérieur de l'enceinte 1. Un axe magnétique 15, qui est également l'axe longitudinal de la source, traverse le blindage 11 par deux ouvertures 17 et 19, aménagées dans ledit blindage 11 pour permettre respectivement l'extraction des ions de l'enceinte 1, ainsi que l'introduction ^"d'ondes électromagnétiques et d'échantillons gazeux ou solides .

Une première et une seconde canalisations 21 et 23 relient l'ouverture 19 du blindage 11 à des ouvertures respectives 25 et 27 de la cavité de transition 20, ces ouvertures étant situées sur les faces latérales de la cavité 20.

Pour ioniser un gaz, on introduit ledit gaz dans l'enceinte 1 par l'intermédiaire d'une canalisation 30 de gaz reliée à l'ouverture 27 de la cavité de transition 20. Le gaz et les ondes électromagnétiques introduits dans la cavité 20 sont transmis à l'enceinte 1 par les première et seconde canalisations 21 et 23, dont le rôle est justement d'assurer la transmission des ondes vers l'enceinte et de les y injecter suivant l'axe longitudinal 15.

Il est possible, également, de créer des ions à partir d'un échantillon solide introduit sous forme d'une tige dans la canalisation 23. Cependant, dans toute la description qui va suivre, il sera pris, comme exemple, l'ionisation d'un gaz.

Dans l'enceinte 1, l'association du champ magnétique axial et du champ magnétique radial permet d'ioniser fortement le gaz introduit. Les électrons produits sont alors fortement accélérés par résonance cyclotronique électronique, ce qui conduit à la formation d'un plasma d'électrons chauds confinés dans le volume limité par la surface équimagnétique S.

Les ions alors formés dans l'enceinte 1 sont extraits de celle-ci par un champ électrique d'extraction généré par une différence de potentiel appliquée entre une électrode 31 et l'enceinte 1. L'électrode 31 et l'enceinte 1 sont toutes deux reliées à une source d'alimentation électrique 33.

Pour contrôler l'intensité du courant d'ions, il est possible de contrôler la puissance moyenne du champ électromagnétique en agissant sur un générateur d'impulsions 35, lui-même situé en amont d'une source d'alimentation 37 reliée au générateur d'ondes électromagnétiques. Ce générateur d'impulsions 35 commande ladite source d'alimentation 37 en ajustant le cycle utile, à savoir le rapport entre la durée d'une impulsion et la période des impulsions.

Un piston 45 d'adaptation, relié à une troisième ouverture latérale 29 de la cavité 20, permet de régler le volume interne de ladite cavité 20. Le réglage de ce piston 45 est utilisé pour accorder l'ensemble des volumes internes de la cavité 20 sur la fréquence des ondes électromagnétiques afin d'obtenir un minimum d'ondes réfléchies, c'est-à-dire d'ondes qui retournent au générateur d'ondes 3. Lorsque ces volumes internes générateur d'ondes 3. Lorsque ces volumes internes sont accordés sur la fréquence des ondes électromagnétiques, les ondes injectées dans la cavité 20 par le générateur 3 sont presque totalement transmises, par les canalisations 21 et 23, à l'enceinte 1 contenant le plasma, puis absorbées par la surface équimagnétique S. Dans la source d'ions de l'art antérieur représentée en figure 1, la seconde canalisation 23 est transparente aux ondes électromagnétiques à son extrémité 23a située en regard du blindage 11. Dans le volume intérieur de cette partie transparente 23a, règne un champ magnétique axial provenant des solenoïdes 9, un champ électromagnétique et une pression de gaz élevée. Le champ électromagnétique provient des ondes électromagnétiques transmises entre la première canalisation 21 et une partie non transparente 23b de la seconde canalisation 23, et qui traversent la partie transparente 23a de la seconde canalisation 23. De ce fait, une résonance cyclotronique électronique peut avoir lieu à l'intérieur de l'extrémité 23a de la seconde canalisation 23 dans un volume où règne une forte pression de gaz.

Cette extrémité transparente aux ondes électromagnétiques constitue donc un étage de pré-ionisation auto-régulé, où l'excédent de puissance incidente des ondes électromagnétiques est transmis sans réflexion jusqu'à la zone de résonance cyclotronique électronique constituée par la surface équimagnétique S. En effet, plus le plasma produit par résonance cyclotronique électronique (ou plasma pré-ionisé) est dense à l'intérieur de l'extrémité 23a de la canalisation, plus la transmission des ondes électromagnétiques est bonne, ce plasma pré-ionisé devenant lui-même conducteur. De façon plus précise, le plasma pré-ionisé se porte à un potentiel qui lui est imposé par la présence immédiate de la partie 23b conductrice de la canalisation 23, elle-même soumise, par l'intermédiaire de la canalisation 21 et de l'enceinte 1, à la tension de la source d'alimentation 33. Le plasma confiné dans la surface équimagnétiques se porte naturellement à un potentiel positif par rapport à l'enceinte 1. En effet, les électrons de ce plasma confiné sont chauffés par la résonance cyclotronique des électrons et certains de ces électrons, trop énergétiques, s'échappent du confinement. Ils vont alors frapper l'enceinte 1 qui, sous cet effet, se charge négativement. Le plasma confiné a donc une polarité plus positive que celle de l'enceinte 1. Aussi, la différence de potentiel créée entre l'enceinte 1 et le plasma confiné est à l'origine d'un champ électrique E. Ce champ électrique E permet, notamment, le transfert des ions confinés vers l'ouverture 17 de l'enceinte 1. Cependant, comme expliqué précédemment, la structure magnétique d'une telle source d'ions comporte des aimants permanents 7. Or, les propriétés magnétiques des aimants permanents se détériorent rapidement lorsque ceux-ci sont en présence de rayonnements neutroniques . Il est donc difficilement envisageable d'utiliser une telle source d'ions dans un environnement nucléaire.

En outre, les aimants permanents ne tolèrent pas les bombardements neutroniques, ni les échauffements ; par exemple, un aimant en Fe Nd B ne tolère pas une température supérieure à 80°C. Par ailleurs, il existe des structures magnétiques comportant uniquement des bobines électromagnétiques. Puisqu'elles ne comportent pas d'aimants permanents, ces structures peuvent supporter des rayonnements neutroniques. Un exemple de structure à bobines électromagnétiques est décrit par K. SUDLITZ dans l'article « The cusp ECR ion source », Journal de Physique, Colloque Cl, supplément au numéro 1, tome 50, Janvier 1989. Cependant, le rendement d'ions multichargés obtenu à partir d'une telle structure magnétique est relativement faible, puisqu'il correspond à un courant de l'ordre du nanoampère, avec des états de charge faibles . Par contre, les rendements que l'on peut obtenir à partir des sources d'ions à aimants permanents correspondent à un courant de l'ordre du microampère avec des états de charge élevés.

Exposé de l'invention

L'invention a justement pour but de proposer une source d' ions multichargés pouvant être utilisée en milieu hostile et ayant un rendement sensiblement équivalent aux rendements des sources d'ions à aimants permanents.

A cette fin, elle propose une structure magnétique à bobines (c'est-à-dire sans aimant permanent) permettant d'obtenir, des surfaces de module de champ magnétique constant à l'intérieur de la chambre pour obtenir un confinement magnétique du plasma . De façon plus précise, l'invention concerne une source d' ions à résonance cyclotronique électronique comprenant :

- une enceinte contenant un plasma d' ions et d' électrons formé par résonance cyclotronique électronique ; une structure magnétique entourant l'enceinte et créant, à l'intérieur de celle-ci, un confinement du plasma dans l'enceinte ; - un système d'extraction des ions de l'enceinte connecté à une source d'alimentation électrique ; une cavité de transition reliée à un générateur d' ondes électromagnétiques ; et - une double canalisation reliant l'enceinte et la cavité, caractérisée en ce que la structure magnétique comporte :

- au moins deux bobines électromagnétiques écartées l'une de l'autre, chaque bobine étant parcourue par un courant électrique de sens opposé à celui parcourant l'autre bobine de façon à produire des surfaces équimagnétiques fermées ; et au moins une paire d' électrodes de confinement montées face à face, perpendiculairement à l'axe des bobines électromagnétiques et aptes à renforcer le confinement du champ magnétique produit par les bobines électromagnétiques.

Avantageusement, la paire d'électrodes est polarisée négativement de façon à augmenter le confinement électrostatique. De façon avantageuse, la structure magnétique comporte aussi une électrode-cible polarisable négativement.

Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, la structure magnétique comporte plusieurs bobines électromagnétiques regroupées en deux ensembles, les deux bobines d'un même ensemble fonctionnant de manière identique, les deux ensembles fonctionnant en opposition l'un par rapport à l'autre. Les deux ensembles de bobines de

1 ' invention comportent des alimentations en courant identiques, ainsi qu'un nombre de bobines identiques, ces bobines étant de taille identique et constituées d'un même nombre de spires.

Brève description des figures

La figure 1, déjà décrite, représente schématiquement une source d' ions RCE classique ; - la figure 2 représente schématiquement la structure magnétique à bobines, conforme à 1' invention ; et

- la figure 3 représente les différentes lignes de champ et surfaces équimagnétiques obtenues dans la structure de l'invention.

Description détaillée de modes de réalisation de l'invention

L' invention concerne une source RCE d' ions multichargés, destinée à être utilisée dans des environnements nucléaires où le rayonnement neutronique détériore rapidement les propriétés magnétiques des aimants permanents utilisés dans les sources RCE classiques .

La source RCE de l'invention ne comporte donc pas d'aimants permanents ; elle comporte uniquement des bobines électromagnétiques qui assurent la création des champs magnétiques dans l'enceinte.

En effet, l'utilisation de solenoïdes permet de travailler à haute température (plusieurs centaines de degrés Celsius). En outre, l'utilisation de solenoïdes présente l'avantage suivant : lorsque l'alimentation électrique est coupée, le champ magnétique est nul. Par conséquent, le type de dispositif de l'invention peut être embarqué, par exemple, dans un avion.

Tout comme les sources RCE classiques, montrées sur la figure 1, la source d'ions de l'invention comporte une enceinte 1 dans laquelle se trouve un plasma d'ions et d'électrons formé par résonance cyclotronique électronique, une structure magnétique 6 qui entoure l'enceinte 1 et qui crée à l'intérieur de celle-ci deux champs magnétiques destinés à assurer le confinement dans l'enceinte, un système d'extraction des ions 31 hors de l'enceinte 1, une cavité de transition 20 reliée à un générateur d' ondes électromagnétiques et une double canalisation 21, 23 reliant l'enceinte et la cavité.

Tous les éléments de la source d' ions de l'invention qui sont identiques à ceux de la source d'ions classique montrée en figure 1 ne sont pas décrits à nouveau et la plupart d' entre eux ne sont pas représentés sur la figure 2, par mesure de simplification .

Cette figure 2 montre uniquement une partie de la source d'ions, et en particulier un mode de réalisation de la structure magnétique de l'invention, entourant l'enceinte contenant le plasma d'ions et d' électrons .

Cette structure magnétique comporte, selon le mode de réalisation représenté sur la figure 2, deux bobines ou deux ensembles de deux bobines chacun ; ces bobines, ou ensembles de bobines, fonctionnent en opposition l'une par rapport à l'autre. Dans la description qui va suivre, c'est-à-dire la description liée à la figure 2, on a décrit le mode de réalisation dans lequel on utilise deux ensembles de deux bobines ; un autre mode de réalisation (dans lequel on utilise uniquement deux bobines, fonctionnant en opposition l'une par rapport à l'autre) étant plus simple et donc facilement compris à partir de l'explication de la figure 2.

La structure magnétique de la source d' ions de l'invention comporte deux ensembles de bobines 8 et 10, chaque ensemble comprenant lui-même deux bobines 8a, 8b et 10a, 10b (pour le mode de réalisation décrit) ; les deux bobines d'un même ensemble fonctionnent de façon similaire ; par contre, les deux ensembles de bobines fonctionnent en opposition l'un par rapport à l'autre. Autrement dit, chaque ensemble de bobines est parcouru par un courant électrique de sens opposé au courant électrique parcourant l'autre ensemble de bobines. Cette structure magnétique à bobines est une structure de type « SPINDLE CUSP », dans laquelle les lignes de champs magnétiques viennent s'opposer, sans se toucher. Dans cette structure, l'écart entre les deux ensembles de bobines est choisi de façon optimale, afin que le module du champ magnétique soit maximum ; en effet, si ces ensembles de bobines sont trop écartés, le module du champ magnétique décroît.

Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 2, les ensembles de bobines de la structure magnétique sont identiques, c'est-à-dire qu'ils comportent une même alimentation en courant, ainsi qu'un même nombre de bobines toutes de même grosseur et d'un même nombre de spires. Le cusp obtenu avec une telle structure est alors un cusp symétrique.

Au contraire, les ensembles de bobines peuvent ne pas être identiques : ils peuvent comporter un nombre de bobines différent ou bien des bobines de tailles différentes ou constituées d'un nombre de spires différent ; ils peuvent aussi être alimentés avec des courants dont les valeurs absolues diffèrent. Dans ce cas, les cusps obtenus sont asymétriques.

Le champ magnétique produit par la structure de l'invention définit plusieurs surfaces équimagnétiques S, dont une surface équimagnétique externe Se, appelée aussi « dernière surface équimagnétique ». Cette surface équimagnétique externe Se est la plus grande surface équimagnétique ne touchant pas l'enceinte. On appelle " rapport miroir " le rapport entre le champ magnétique de la surface équimagnétique externe et le champ magnétique de résonance. Plus le rapport miroir est grand, plus le confinement est grand.

Selon l'invention, le confinement dans la structure magnétique qui vient d'être décrite est renforcé par des jeux d'électrodes. Ces jeux d'électrodes consistent en :

* Deux paires d' électrodes : ces électrodes sont appelées « électrodes de confinement », montées face à face, perpendiculairement à l'axe des bobines, à une distance radiale l'une de l'autre

(distance de l'ordre de centimètre) de façon à former un condensateur circulaire. Ces électrodes, référencées

12, permettent d'appliquer un champ électrique radial dans le plasma qui fuit le long des lignes de force L du champ magnétique, ce qui permet de renforcer le confinement ; ces électrodes de confinement sont réalisées, par exemple, dans un matériau pouvant être facilement vaporisable, tel que le molybdène, le tantale, les métaux réfractaires, etc. Ce jeu d'électrodes de confinement 12 permet donc d'améliorer le confinement du champ magnétique crée par les bobines ; le champ électrique nécessaire à cette amélioration du confinement peut s'évaluer à partir de l'expression de la pression ε E² électrique — qui compense la pression axiale du plasma perdu Ne.k.T_e avec Ne de l'ordre de 10¹⁰ cm^"3 et T_e de l'ordre de 1 KeV soit environ 6 kV pour une distance de 1 cm entre les électrodes . * Une électrode circulaire, appelée « électrode cible », polarisable négativement de façon à influencer les électrons secondaires émis sous l'impact des particules les plus rapides du plasma, non réfléchies par les électrodes de confinement. L'électrode cible, référencée 14, est réalisée en un matériau qui permet, lorsqu'un électron tape dedans, qu' il y ait une production de plusieurs électrons qui repartent vers le milieu. En particulier, cette électrode cible peut être réalisée en un métal à émission secondaire, tel qu'un métal oxydé, un aluminium oxydé, de l'inox recouvert de silice, etc. ;

A titre d'exemple, la structure magnétique de la source d'ions de l'invention peut être réalisée en choisissant : un diamètre intérieur des bobines de l'ordre de 100 mm ; avec 20 m de cuivre/bobine, cinq bobines par ensemble, + 1 000 Ampères sur un ensemble, - 1 000 ampères sur l'autre ; - un écartement optimal des ensembles de bobines, de façon à obtenir une surface équimagnétique externe Se de 0,36 Tesla ;

- une chambre à plasma d'un grand diamètre dans la zone centrale du cusp circulaire (système dans lequel les lignes de champ viennent s'opposer sans se toucher) , le volume de la chambre déterminant la quantité d'ions multichargés.

Pour réaliser cette structure magnétique, on fixe, tout d'abord, la fréquence du générateur haute fréquence de façon à ce que le module du champ magnétique de la surface équimagnétique externe (Bι_as ) divisé par le module du champ magnétique de la source (B_ECR) est, par exemple, égal à 2, soit :

B last m. x 2πf, ECR

> 2 avec B

|B|. ECR

I ECR

On en déduit généralement une fréquence de résonance f_Ec comprise entre environ 2,45 GHz, et

6, 4 GHz, pour les fréquences commercialement disponibles .

Sur la figure 3, on a représenté les lignes de force L du champ magnétique, ainsi que les différentes surfaces équimagnétiques S obtenues dans l'enceinte de la source d'ions de l'invention. En particulier, cette figure 3 montre la surface équimagnétique externe S_e, c'est-à-dire la dernière surface équimagnétique fermée située au bord des bobines, dont le module de champ magnétique I B | ι_ast vaut 0, 36 Tesla. Sur cette figure 3, on a représenté également les électrodes de confinement 12, ainsi que l'électrode cible 14 ; une zone Z en pointillés montre l'effet de confinement électrostatique sur les particules du plasma qui ont tendance à s'enfuir le long des lignes de champ de force du champ magnétique : les électrodes de confinement associées à l'électrode cible agissent sur ces particules en empêchant leur fuite .

Claims

REVENDICATIONS

1. Source d'ions à résonance cyclotronique électronique comprenant : - une enceinte (1) contenant un plasma d' ions et d' électrons formé par résonance cyclotronique électronique ;

- une structure magnétique (6) entourant l'enceinte et créant, à l'intérieur de celle-ci, un confinement du plasma dans l'enceinte ;

- un système d'extraction (31) des ions de l'enceinte connecté à une source d'alimentation électrique (33) ;

- une cavité de transition (20) reliée à un générateur d'ondes électromagnétiques ; et

- une double canalisation (21, 23) reliant l'enceinte et la cavité, caractérisée en ce que la structure magnétique comporte : - au moins deux bobines électromagnétiques

(8, 10) écartées l'une de l'autre, chaque bobine étant parcourue par un courant électrique de sens opposé à celui parcourant l'autre bobine de façon à produire des surfaces équimagnétiques fermées (S) ; et - au moins une paire d'électrodes de confinement (12) montées face à face, perpendiculairement à l'axe des bobines électromagnétiques et aptes à renforcer le confinement du champ magnétique produit par les bobines électromagnétiques.

2. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paire d'électrodes est polarisée négativement.

3. Source d'ions selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la structure magnétique comporte une électrode-cible (14) polarisable négativement .

4. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la structure magnétique comporte plusieurs bobines électromagnétiques (8a, 8b, 10a, 10b) regroupées en deux ensembles (8, 10), les bobines d'un même ensemble fonctionnant de manière identique, les deux ensembles fonctionnant en opposition l'un par rapport à l'autre.

5. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les deux ensembles de bobines comportent des alimentations en courant identiques, ainsi qu'un nombre de bobines identiques, ces bobines étant de taille identique et constituées d'un même nombre de spires.