[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.
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.