WO2010001036A2 - Dispositif générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique - Google Patents

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WO2010001036A2
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ionization
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chamber
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PCT/FR2009/051104
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Jean-Yves Pacquet
Gabriel Gaubert
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Commissariat A L'energie Atomique
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/16—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation
    • H01J27/18—Ion sources; Ion guns using high-frequency excitation, e.g. microwave excitation with an applied axial magnetic field
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H3/00—Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/02—Molecular or atomic beam generation

Definitions

  • the present invention relates to an electron cyclotron resonance ion generating device.
  • ECR sources electron cyclotron resonance sources, referred to as ECR sources, are commonly used to produce single-charged or multicharged ions (that is to say atoms to which one or more electrons have been torn off).
  • the principle of these ECR sources is to couple, inside a vacuum chamber fed with atoms (these atoms can come from a gas or a metal), a high-frequency wave with a magnetic field B, in order to obtain the conditions under which a cyclotron resonance is likely to appear and to ionize the atoms present, thus generating a plasma.
  • the residual pressure in the vacuum chamber is of the order of 10- 6 to 10- 1 Pa.
  • the chamber containing the plasma has a symmetry of revolution with respect to a longitudinal axis.
  • the magnetic field is produced by means external to the vacuum chamber. These means may consist of a set of coils with an electric current or a set of permanent magnets. The coils used, if they consist of superconducting materials, must be cooled to a certain temperature by a suitable cryogenic system.
  • the cyclotron resonance is obtained thanks to the combined action of the high frequency wave injected into the enclosure, and a magnetic field having a so-called "minimum B" structure.
  • the magnetic field has in particular a Br module which satisfies the condition (1) of electronic cyclotron resonance:
  • Br f.2 ⁇ m / e (1)
  • e represents the charge of the electron, m its mass and f the frequency of the electromagnetic wave.
  • An ion extraction system located on the side of the chamber opposite to that of the injection of the high frequency, or disposed laterally with respect to the axis of the source facing the plasma is also provided.
  • the quantity of ions that can be produced is the result of the competition between two processes: on the one hand the formation of ions by electronic impact on neutral atoms constituting the gaseous medium to be ionized, and on the other hand on the other hand, the losses of these same ions by recombination with the neutral or charged particles present in the plasma volume or by diffusion of the neutral atoms to the walls of the enclosure.
  • the superposition of the radial magnetic field and the axial magnetic field leads to the formation of closed magnetic field equimodule surfaces having no contact with the walls of the enclosure.
  • the total magnetic field is adjusted so that there is at least one completely closed magnetic surface on which the electronic cyclotron resonance condition (1) is satisfied.
  • Patent EP946961 filed by the Applicant describes an ECR source using a magnetic field with symmetry of revolution.
  • This source comprises magnetic means whose vector sum of the fields created by these magnetic means makes it possible to define at least one closed line of minima of the module B of the vector sum, within one or more internal volume (s) ( s) to the cavity and delimited by surfaces of equimodule Bf of the magnetic field closed in space.
  • the closed module surface B f encompasses an interior volume where the magnetic field may, in particular, have a very low minimum B, unlike what occurred in previously known ECR sources.
  • the electron density of the ECR source plasmas is between 10 9 and 10 12 electrons per cm 3 .
  • the neutral particles are injected into the volume of the vacuum chamber containing the plasma.
  • the ionization efficiencies for the condensable elements are a few per thousand, for a 2.45 GHz frequency wave up to 20% for a 15 Ghz frequency wave. . Note that it is the same for the production of radioactive ions whose effectiveness will be very dependent on the life of these elements.
  • the ionization efficiency is obviously higher than for the condensable elements; however, in parallel, the total transformation time of the neutral particles increases, this time being related to both the different rebounds and the take-off time of the particles.
  • the object of the present invention is to provide an electronic cyclotron resonance ion generating device which makes it possible to increase the direct ionization capacity before any bounce on the walls of the vacuum chamber.
  • an electron cyclotron resonance ion generating device comprising:
  • a vacuum sealed chamber intended to contain a plasma, said chamber being axially symmetrical along a longitudinal axis,
  • said chamber comprises:
  • a first ionization stage situated at one end of said chamber, said first stage comprising an ionization zone in which ions are generated, said magnetic field being substantially parallel to said longitudinal axis in said ionization zone;
  • a second magnetic confinement stage of said ions generated in said ionization zone said second stage using a first high-frequency wave propagating in said chamber issuing from said means of propagation of a high-frequency wave, said magnetic field being substantially parallel to said longitudinal axis between said ionization zone and said second confinement stage so that the ions generated in said ionization zone migrate to said second confinement stage and said first and second stages comprise a same continuous plasma.
  • Magnetic field having a symmetry of revolution with respect to the longitudinal axis is understood to mean a magnetic field whose radial and axial components are symmetrical irrespective of the points situated on a circle about said axis. Thanks to the invention, the transformation time of the neutral particles into ions is reduced while ensuring a high efficiency of ionization.
  • the device according to the invention has a magnetic field with symmetry of revolution defining the volume of a plasma contained in a chamber comprising two distinct zones or stages. The ions are essentially created in the first zone while the second zone ensures the confinement of the ions according to the principle of the electron cyclotron resonance source.
  • the directions of the vectors of the magnetic field are parallel to the axis common to the two stages, namely the longitudinal axis of the chamber: there is thus between these two zones a purely axial magnetic field (no radial component magnetic field).
  • the two zones have no magnetic break and define a volume containing a single plasma, that is to say a single set composed of ions, electrons, atoms and molecules, globally electrically neutral (ie with as many positive charges as negative charges).
  • coaxial magnetic field vectors between the two stages implies implicitly that the magnetic field is symmetrical of revolution and requires the migration of ions from the first zone to the second zone.
  • the ionization efficiency of a particle depends on the means used to achieve this ionization.
  • the ionized particles migrate to the second ECR stage in which they are confined or even multicharged; it should be noted in this respect that the second stage can maintain or increase the state of charge of the ions coming from the first stage.
  • the ions confined by the second stage can then be used in the form of a single or multicharged particle beam.
  • the beam thus produced will have the characteristics given by a rotationally symmetrical RCE-type source as described in patent EP946961 of the applicant.
  • the device according to the invention makes it possible to increase the probability of ionizing them before they have changed state by reducing the time required for the transformation process.
  • the parallelism between said magnetic field and the longitudinal axis is determined by the Larmor radius of the ion of interest (radius of gyration of the ion around the field lines).
  • the radius of gyration increases with the mass of the ions of interest. Since, according to the invention, the ionized particles in the ionization zone must migrate towards the confinement zone, the requirement of parallelism of the magnetic field with the axis will depend on the Larmor radius of this ion.
  • the device according to the invention may also have one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination:
  • Said first ionization stage is an electron cyclotron resonance ion source;
  • the device according to the invention comprises a waveguide for injecting a second high-frequency wave into said ionization zone;
  • the device according to the invention comprises an injection system of the elements to be ionized arranged near the resonance zone forming said ionization zone of said cyclotronic resonance ion source, said system remaining outside said zone. resonance;
  • Said injection system is an oven injecting condensable element vapor to be ionized in said resonance zone;
  • Said first ionization stage is chosen from the following sources: o discharge source, o surface ionization source, o thermionic ionization source, o laser source, o ionisation field source, o source with charge exchange ;
  • the device according to the invention comprises means for locally increasing the modulus of the magnetic field in said ionization zone;
  • said means for locally increasing the modulus of the magnetic field are formed by a soft iron ring
  • said means for generating a magnetic field in said chamber comprise permanent magnets whose axis of revolution substantially merges with said longitudinal axis;
  • said means for generating a magnetic field in said chamber comprise at least one coil, traversed by a current of determined intensity, said coil being made with a superconductive material or a conventional material;
  • the device according to the invention comprises an extraction zone of said ions located at the end opposite to that in which said first ionization stage is located, said magnetic field being substantially parallel to said longitudinal axis in said extraction zone; ; said means for generating a magnetic field in said chamber makes it possible to define in said second magnetic confinement stage at least one closed minimum line of said magnetic field, inside one or more internal volume (s); ) to said chamber and bounded by equimodular surfaces of the magnetic field closed in space.
  • FIG. 1 is a simplified schematic representation of the device according to a first embodiment of the invention including an intensity map of the module, equimodules and vectors of the electromagnetic field prevailing in the device according to the invention;
  • FIG. 2 is a three-dimensional view of the mechanical configuration of the device of FIG. 1;
  • FIG. 3 gives two multi-charged ion spectra respectively with and without the operation of the first stage of the device of FIG. 1;
  • FIG. 4 gives three spectra of multicharged ions respectively at three different heating powers of the micro-furnace used for the injection of the neutral particles into the first stage of the device of FIG. 1;
  • FIG. 5 is a simplified schematic representation of the device according to a second embodiment of the invention including a module intensities map, equimodules and vectors of the electromagnetic field prevailing in the device according to the invention;
  • FIG. 6 is a simplified schematic representation of the device according to a third embodiment of the invention, including a device for ion generator by thermo-ionization, a module intensities map, equimodules and vectors of the electromagnetic field. prevailing in the device according to the invention;
  • FIG. 7 is a simplified schematic representation of the device according to a fourth embodiment of the invention including a laser excitation ion generator, a module intensity map, equimodules and vectors of the electromagnetic field prevailing in the device according to the invention.
  • Figure 1 is a simplified schematic representation of a device 1 according to a first embodiment of the invention. Note that some mechanical elements shown in Figure 2 are not shown in the block diagram of Figure 1 for a better understanding of this figure.
  • Figure 2 is a three-dimensional view of the mechanical configuration of the device of Figure 1 (for a better understanding of the device 1, Figure 2 shows a section along a vertical plane passing through the longitudinal axis of the device 1).
  • the device 1 comprises: a vacuum-tight chamber 2 having a longitudinal axis of symmetry AA ';
  • the permanent magnets 3, 4 and 5 may be monoblock magnets or magnets composed of several sectors mounted with a magnetization in the same direction.
  • FIG. 1 also includes a map of the intensity of the modules, equimodules and vectors of the electromagnetic field prevailing in the device 1 according to the invention.
  • the intensity of the modulus of the magnetic field is represented by dashed lines: the modulus prevailing in the chamber 2 is all the more intense as the dotted lines are dense.
  • the device 1 comprises:
  • first stage 7 situated at one end of the chamber 2, the first stage 7 comprising an ionization zone 10;
  • the ionization zone 10 is here an ECR zone (it will be noted that the injection systems of the ions and of the high frequency wave are not shown in FIG. 1).
  • This ECR zone 10 is here typically a high density zone with a resonance zone operating at 15 GHz (value given purely for guidance for a waveguide for conveying a frequency wave between 8 GHz and 18 GHz). It will be noted that this zone only ensures the ionization of the injected neutral particles and not the confinement of these same ionized particles.
  • This resonance frequency at 15 GHz implies the presence of a magnetic field with a modulus of about 5,300 G to ensure the resonance phenomenon which will allow the efficient ionization of the neutral particles (obtaining single-charged and multicharged ions).
  • the configuration of the magnetic field of the first stage is ensured by the magnets 3 and 4 as well as by the soft iron conical element 6.
  • the soft iron conical element makes it possible to locally increase the value of the magnetic field module so to obtain the resonance magnetic field at the ionization zone 10.
  • the high frequency wave at 15 GHz is transmitted via a waveguide 13 so that the high frequency wave at 15 GHz is injected at the level of the resonance zone 10.
  • the device 1 also comprises a tube 14 in which a micro-oven (not shown) is inserted: this micro-oven allows, by heating a compound to be ionized, up to a pressure of sufficient vapor to produce condensable elements of the periodic table of Mendeleyev (Pb for example).
  • the micro-furnace is also substantially placed along the longitudinal axis AA 'and must be very close to the resonance zone 10 without however entering this zone.
  • the micro-oven can be placed 2 mm recessed (see location illustrated by the reference 15) of the end of the waveguide 13: this oven is for example charged with 208 Pb.
  • the ionization of a The condensable element is a fundamental criterion for qualifying the device according to the invention since the non-ionized condensable elements at first pass through the known devices are glued to the walls as soon as they reach them and can not come off unless the temperature of the wall is sufficient for the element under consideration.
  • the ions produced by the first stage 7 at the level of the ionization zone 10 are taken up by the magnetic field substantially parallel to the longitudinal axis AA '(ie the radial component of the magnetic field is substantially zero) both in the ionization zone 10 and then between the ionization zone 10 and the inlet of the second confinement stage so that the ions generated in said ionization zone migrate spontaneously by winding around the field lines towards said second zone containment stage 8 (note that all ions, mono and multicharged, is supported and migrates to the second stage 8). It will also be noted that the fact of imposing a substantially collinear magnetic field on the axis AA 'implies in fact having a magnetic field with symmetry of revolution.
  • the parallelism between the magnetic field and the longitudinal axis AA ' is determined by the Larmor radius of the ion of interest.
  • the radius of Larmor increases with the mass of the ions of interest (the radius of gyration of I Ar is thus smaller than the radius of gyration of Pb, heavier than I 1 Ar). Since, according to the invention, the ionized particles in the ionization zone 10 must migrate towards the second confinement stage 8, the requirement of parallelism of the magnetic field with the axis will depend on the Larmor radius of this ion .
  • the two permanent magnets 4 and 5 serve to generate the magnetic field with symmetry of revolution.
  • the second stage 8 therefore forms a magnetic confinement zone RCE: the magnets 4 and 5 are chosen so that the vector sum of the magnetic fields created at each point of the second stage 8 leads to obtaining a closed line profile of minima
  • Reference 16 in FIG. 1 designates a surface of equimodule I Bf
  • the maximum operating frequency of the second stage 8 is defined by the closed area 16 of maximum field module
  • the RCE confinement stage typically operates with a corresponding 2.45 GHz frequency wave. to the closed line 1 1 shown in Figure 1 (corresponding to a magnetic field module approximately equal to 870 G).
  • the high frequency wave at 2.45 GHz is injected via a not shown waveguide inserted in the tubing 18.
  • the ions coming from the ionization zone 10 belonging to the first stage 7 remain confined in the confinement zone 8 and then are extracted in the so-called extraction zone 9.
  • the confinement zone RCE 8 not only makes it possible to ensure the confinement function of the charged ions during their passage in the ionization zone 10 but also, according to the objectives sought, to maintain or increase the state of charge of the ions from the first stage.
  • the second stage can also allow the creation of monocharged ions (in particular in the case of the recombination of certain atoms within the confinement zone 8).
  • the ion extraction zone 9 is located at the end opposite to that in which the first ionization stage 7 is located, the magnetic field being substantially parallel to the longitudinal axis AA 'in this extraction zone 9: as soon as an electron leaves the confinement zone 8 (it preferentially leaves this zone in the extraction zone 9 in which the magnetic field is coaxial with the longitudinal axis of symmetry AA '), there is an ion which will follow the electron and leave the containment zone so as to respect the neutrality of the plasma.
  • first and second stages 7 and 8 comprise one and the same continuous plasma.
  • a carrier gas (injected via a capillary not shown in chamber 2) which makes it possible to increase the electronic population.
  • This carrier gas is preferably a gas whose atoms are of lower mass than those for obtaining the ions of interest.
  • AIN- if, in the case of the ionization of 208 Pb, a carrier gas, for example He, can be used.
  • the waveguide system 13 and the injection system of the neutral elements 14 are connected in a perfectly sealed manner to the chamber 2 by means of appropriate joints not shown.
  • the injection of the neutral elements into the ionization zone has been more particularly described in the case of the use of a microfur for condensable elements; obviously, the invention is also applicable to other known sources of production of neutral elements (gas bottle for example).
  • Figure 4 shows the evolution of the intensities of 208 Pb with the variation of the power of the micro-furnace.
  • a test (not shown) of operation of the first stage alone (without operating the confinement stage RCE) shows a very low production of ions.
  • FIG. 5 illustrates a simplified schematic representation of a device 100 according to a second embodiment of the invention including a module intensities map, equimodules and vectors of the electromagnetic field prevailing in the device according to the invention.
  • the device 100 comprises:
  • a vacuum tight chamber 102 having a longitudinal axis of symmetry AA ';
  • Two permanent magnets 104 and 105 substantially identical having a ring shape and arranged next to each other so that their axis of revolution is substantially confused with the longitudinal axis AA 'of the chamber 102;
  • FIG. 5 also includes a map of the intensity of the modules, equimodules and vectors of the electromagnetic field prevailing in the device 100 according to the invention.
  • the intensity of the modulus of the magnetic field is represented by dotted lines: the modulus prevailing in the chamber 102 is all the more intense as the dotted lines are dense.
  • several surfaces of equimodules are represented in FIG. 5 by continuous lines.
  • the device 100 comprises:
  • a first ionization stage 107 situated at one end of the chamber 102, the first stage 7 comprising an ionization zone 1 10;
  • the ionization zone 110 is here a higher frequency RCE zone than the ECR zone of FIG. 1 made by means of the coil 101.
  • This RCE zone 1 10 here is typically a high density zone with a resonance zone operating at 29 GHz. As for FIG. 1, this zone only ensures the ionization of the injected neutral particles and not the confinement of these same ionized particles.
  • This resonant frequency at 29 GHz implies the presence of a very high magnetic field to ensure the resonance phenomenon that will allow effective ionization of neutral particles (obtaining single-charged and multicharged ions).
  • the soft iron cone element 106 makes it possible to locally increase the value of the magnetic field module so as to obtain the resonance magnetic field at the ionization zone 1 10.
  • the device 100 of FIG. 5 is identical to the device 1 of FIG. 1 and operates in a similar manner.
  • the various embodiments described so far (FIGS. 1 and 2 and FIG. 5) all included a first ECR stage. It is important to note, however, that the device according to the invention can operate with other types of ion sources, the only condition being that the ions are produced in an area where the magnetic field is coaxial with the axis of symmetry. of the chamber so that the ions created spontaneously migrate to the second confinement stage.
  • the first ionization stage can also be chosen from the following sources: gas discharge source,
  • FIGS. 6 and 7 illustrate a simplified schematic representation of device 200 and 300 respectively according to a third and a fourth embodiment of the invention including a module intensities, equimodules and vectors intensity map. the electromagetic field prevailing in the device according to the invention.
  • the devices 200 and 300 are identical to the device 1 of the figure with the difference that the first ionization stage is not an RCE stage. We have retained the same references for the elements common to the device 1 of FIG. 1.
  • the device 200 of FIG. 6 differs from the device 1 of FIG. 1 only in that the ionization source 201 is an ionization source. surface, the ionization stage 207 of the device 200 is not a device RCE.
  • the end of the source 201 is in the zone 10 forming the ionization zone of the device 200 in which the magnetic field is coaxial with the longitudinal axis AA 'of the chamber 2 of the device 200.
  • the device 300 of FIG. 7 differs from the device 1 of FIG. 1 only in that the ionization source 301 is a laser excitation and ionization source (one of the principles of which is that of a light beam Focused laser that heats a target punctually, thermal expansion locally creates a shock wave that expels a "quill" plasma very hot and dense, another principle is a resonant laser ionization source to remove a peripheral electron), l Ionization stage 307 of the device 300 is therefore not an ECR device.
  • the end of the source 301 is in the zone 10 forming the ionization zone of the device 300 in which the magnetic field is coaxial with the longitudinal axis AA 'of the chamber 2 of the device 300. Again, it can be seen that that the permanent magnet 3 and the soft iron cone 6 have been preserved so as to obtain a concentration of the magnetic field module at the level of the ionization zone 10.

Abstract

L'invention concerne un générateur (1 ) d'ions RCE comportant une chambre étan- che (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 révo¬ lution 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 la¬ quelle 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') en¬ tre 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

Dispositif générateur d'ions à résonance cvclotronique électronique
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 10-1 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.2πm/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 magnétique, 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 directement 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 passage 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 condensa- bles (Pb, Ge par exemple) du tableau périodique de Mendeleïev. Ces derniers, s'ils ne sont pas ionisés au premier passage dans le plasma, 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. 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, paral- 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 dispositif générateur d'ions à résonance cyclotronique électronique permettant 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 plas- ma, 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, 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 définissent 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 magnétique 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 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, s'écarter de la direction prévue et ne pas migrer vers le deuxième étage. De façon générale, on peut dire que l'angle θ 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 plusieurs 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 cy- clotronique, 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 sensiblement 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 clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement 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 dispositif 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 longitudinale 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 monoblocs 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 située 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 toutefois 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 magnétique 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 déterminé 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 I Ar est ainsi plus faible que le rayon de gira- tion du Pb, plus lourd que I1Ar). 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 θ 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 | B | . La référence 16 sur la figure 1 désigne une surface d'équimodule I Bf | (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 | Bf | . 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 1 1 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 confinement 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 microfour 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 208Pb1+.
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 dispositif 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 confond 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 électromagnétique 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 1 10 ;
- un deuxième étage de confinement magnétique 108 des ions générés par le premier étage 7 ;
- une zone de migration 1 12 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 1 10 est ici typiquement une zone haute densité avec une zone de résonance fonctionnant à 29 GHz. Comme pour la figure 1 , cette zone assure 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 1 10.
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.

Claims

REVENDICATIONS
Dispositif (1 , 100, 200, 300) générateur d'ions à résonance cyclotro- nique 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, 1 10) dans laquelle sont générés des ions, ledit champ magnétique étant sensiblement paral- lèle au dit axe longitudinal (AA') dans ladite zone d'ionisation (10,
1 10),
- un deuxième étage de confinement magnétique (8, 1 08) desdits ions générés dans ladite zone d'ionisation (10, 1 10), ledit deuxième étage (8, 108) utilisant une première onde haute- fréquence se propageant dans ladite chambre (2, 102) issue desdits 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, 1 10) et ledit deuxième étage de confinement (8, 108) de sorte que les ions générés dans Ia- dite zone d'ionisation (10, 1 10) 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. 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. 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. 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. Dispositif (1 ) selon la revendication 4 caractérisé en ce que ledit système d'injection est un four injectant de la vapeur d'éléments conden- sable à ioniser dans ladite zone de résonance.
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. 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. 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. 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. 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- tudinal (AA').
1 1 . 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- rue par un courant d'intensité déterminée.
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 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. Dispositif selon l'une des revendications précédentes caractérisé en 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- rieur(s) à ladite chambre et délimité(s) par des surfaces d'équimodule du champ magnétique fermées dans l'espace.
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