Diode à ions à miroir magnétique

Abstract

 Diode à ions à miroir magnétique.
La diode comprend une anode (20), une cathode (22) et un enroulement (24) créant, derrière l'anode, un champ magnétique divergent. Les électrons qui fran­chissent l'anode sont repoussés vers celle-ci.
Application comme source d'ions.

Description

[0001] La présente invention a pour objet une diode à ions à miroir magnétique. Elle trouve de nombreuses applications notamment comme source d'ions et comme moyen de déposer de l'énergie de grande densité sur un substrat pour créer des plasmas denses et chauds comme on en recherche en physique et en particulier dans les études sur la fusion thermonucléaire.

[0002] Pour engendrer les faisceaux d'ions de grande intensité requis pour la fusion inertielle, de nombreux laboratoires dans le monde ont imaginé et développé des diodes à ions. La conception de ces dispositifs est toujours guidée par le probléme fondamental de l'élimi­nation du courant d'électrons, lequel est inévitable­ment présent avec une intensité toujours beaucoup plus grande (de 10 à 100 fois) que le courant d'ions. Ce probléme est très important puisqu'il conditionne le rendement énergétique du dispositif.

[0003] On connaît deux façons de supprimer le fais­ceau d'électrons dans une diode à ions :
1°) en appliquant dans la diode un champ ma­gnétique perpendiculaire au champ électrique accéléra­teur, ce qui courbe les trajectoires électroniques au point d'interdire aux électrons la traversée de l'in­tervalle accélérateur,
2°) en réalisant une diode qui comporte une anode très mince avec un miroir électrique placé à l'arrière, ce qui crée une structure "reflex" dans la­quelle les électrons oscillent un très grand nombre de fois de part et d'autre de l'anode avant d'être arrêtés dans celle-ci.

[0004] Ces deux solutions sont décrites dans un ar­ticle de synthèse dû à S. HUMPHRIES intitulé "Intense Pulsed Ion Beams for Fusion Application" publié dans la revue Nuclear Fusion, vol.20, n°12, (1980) pp 1549-­1572.

[0005] De nombreuses diodes exploitent le premier principe. Mais la présente invention retient le second et utilise un dispositif "reflex". Une diode à ions selon ce principe connu est représentée sur la figure 1. Elle comprend une anode 10 en forme de grille, une première cathode 11 disposée devant l'anode et une se­conde cathode 12 disposée derrière l'anode. Son fonc­tionnement est le suivant. Les électrons e extraits de la cathode 11 sont accélérés par le champ électrique présent entre l'anode et la cathode et se dirigent vers l'anode 10 qu'ils traversent. Ils sont alors décélérés par le champ électrique qui régne derrière l'anode (et qui est symétrique du champ accélérateur). La seconde cathode se comporte ainsi comme un "miroir" électrique. Les électrons rebroussent chemin et se dirigent à nou­veau vers l'anode qu'ils traversent en sens inverse. Ils sont à nouveau décélérés et le processus se pour­suit jusqu'à absorption complète par l'anode. Il se forme autour de celle-ci un plasma 14 qui engendre des ions I, lesquels sont accélérés, franchissent la catho­de 11 et sont ensuite dirigés vers une cible.

[0006] Un tel dispositif présente de nombreux incon­vénients :
- le courant d'ions est émis en fait par les deux faces de l'anode et comme il ne peut être utilisé que d'un côté, le rendement de la diode est divisé par 2,
- la structure plane de la diode ne permet pas une focalisation du faisceau d'ions,
- le "miroir" électrique formé par la seconde cathode est sujet à des claquages qui, en pratique, rendent le système difficilement utilisable.

[0007] Le dispositif suivant l'invention évite ces inconvénients grâce à l'utilisation d'un "miroir" ma­gnétique qui :
- n'est pas sujet à des claquages,
- permet de ne pas avoir de champ électrique derrière l'anode et donc de n'accélérer les ions que d'un seul côté,
- autorise une configuration quasi-sphérique qui permet de focaliser le faisceau d'ions.

[0008] De façon plus précise, ce miroir magnétique est obtenu par un enroulement parcouru par un courant, cet enroulement étant coaxial à l'anode et à la catho­de. Il est placé derrière l'anode, aux lieu et place de la seconde électrode négative des dispositifs anté­rieurs.

[0009] De toute façon, l'invention sera mieux com­prise à la lecture de la description qui suit, d'un exemple de réalisation donné à titre explicatif et nul­lement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1, déjà décrite, représente une diode selon l'art antérieur,
- la figure 2 représente, en coupe, une diode selon l'invention.

[0010] Le dispositif représenté sur la figure 2 com­prend une anode 20 portée à une haute tension positive +V délivrée par une source 21, une cathode 22 reliée à la masse, et, derrière l'anode, un enroulement 24 coa­xial à l'anode et à la cathode. Cet enroulement est alimenté en courant par un générateur 26. Les lignes de champ magnétique sont référencées 28. Elles sont forte­ment divergentes en direction de l'anode (ou convergen­tes si l'on considère la direction opposée). En d'au­tres termes le champ est fortement non homogène.

[0011] On observera que l'anode et la cathode pré­sentent la forme de calottes sphériques dont la conca­vité est dirigée vers une cible 30. De cette manière, le faisceau d'ions 32 présente une certaine focalisa­tion.

[0012] Le fonctionnement de ce dispositif est le suivant. La partie située entre l'anode et la cathode fonctionne comme dans l'art antérieur. Les électrons sont extraits de la cathode, sont accélérés dans l'es­pace interélectrode, tombent sur l'anode et la traver­sent. Ces électrons sont ensuite soumis au champ magné­tique de l'enroulement 24. Leurs trajectoires s'enrou­lent autour des lignes de champ et se couchent vers l'axe de la diode. Les électrons finissent par rebrous­ser chemin pour retomber sur l'anode et la retraverser. Le champ électrique interélectrode les décélère d'abord, leur fait à nouveau rebrousser chemin puis les accélère à nouveau vers l'anode qu'ils retraversent. Le champ magnétique incurve à nouveau leurs trajectoires pour finalement les diriger à nouveau vers l'anode, etc...

[0013] Les électrons oscillent ainsi un grand nombre de fois autour de l'anode. A chaque passage, ils cèdent de l'énergie à l'anode, ce qui contribue à créer autour de celle-ci un plasma. Les ions sont extraits de ce plasma et accélérés vers l'avant par le champ électri­que interélectrode. Comme il n'y a pas de champ élec­trique à l'arrière de l'anode, seul un faisceau d'ions 32 est émis vers l'avant, en direction de la cible 30.

[0014] La présence des électrons au voisinage de l'anode crée, au voisinage de celle-ci, une charge d'espace négative qui compense la charge d'espace posi­tive du faisceau d'ions, elle-même responsable de la limitation du courant. Cet effet est donc bénéfique.

[0015] Le champ électrique entre anode et cathode peut être de l'ordre de 200 kV/cm à 2 MV/cm. Il est continu ou impulsionnel.

[0016] Dans une variante de réalisation, la cathode 22 est une grille et un filament chauffé 33 est utilisé en liaison avec une source de courant 34. Les électrons issus du filament 33 diffusent jusqu'à la grille 22, puis pénétrent dans l'espace interélectrode où ils sont accélérés. Le processus est ensuite le même que celui qui est décrit plus haut.

[0017] Divers modes de réalisation sont possibles pour l'anode et la cathode. Elles peuvent être étanches aux gaz et délimiter ainsi des chambres étanches où règnent des pressions réduites de gaz (quelques torrs). Mais elles peuvent être aussi réalisées sous forme de grilles métalliques.

[0018] Par ailleurs, l'anode peut comporter dans sa masse ou sous forme de couche superficielle, les espè­ces atomiques devant constituer le faisceau d'ions.

Revendications

1. Diode à ions comprenant une anode (20) et une cathode (22) et des moyens (21) pour créer entre elles un champ électrique, la cathode (22) étant suffi­samment mince pour être traversée par les ions qui ont été accélérés par ce champ, cette diode comprenant en outre un moyen situé derrière l'anode pour repousser les électrons qui, venant de la cathode ont traversé l'anode, caractérisée par le fait que ce moyen est constitué par un enroulement (24) parcouru par un cou­rant et créant un champ magnétique (28) fortement di­vergent en direction de l'anode (22), cet enroulement (24), l'anode (20) et la cathode (22) possédant un même axe de symétrie.

2. Diode à ions selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'anode (20) et la cathode (22) sont des calottes sphériques ayant une concavité tournée à l'opposé de l'enroulement (24) vers une cible (30) où sont dirigés les ions sous forme de faisceau focalisé.

3. Diode à ions selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre un filament électro-émissif chauffé (33) disposé à proxi­mité de la cathode (22).

4. Diode à ions selon la revendication 1, ca­ractérisée par le fait que l'anode (20) et la cathode (22) sont étanches au gaz et délimitent des chambres étanches où régnent des pressions réduites de gaz.

5. Diode à ions selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'anode (20) et la cathode (22) sont des grilles métalliques.

6. Diode à ions selon la revendication 1, ca­ractérisée par le fait que l'anode (20) comporte dans sa masse ou sous forme de couche superficielle, les espèces atomiques devant constituer le faisceau d'ions.

7. Diode à ions selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'est maintenue, dans l'espace situé entre l'anode et l'enroulement, une pression con­venable d'un gaz comprenant l'espèce atomique devant constituer le faisceau d'ions.

Dessins