[0001] La présente invention a pour objet un dispositif de régulation d'un courant d'ions,
notamment métalliques, fortement chargés. Ce courant d'ions fortement chargés est
notamment utilisé pour la mesure de constantes physiques et surtout destiné à équiper
les accélérateurs de particules, utilisés aussi bien dans le domaine scientifique
que médical.
[0002] L'un des procédés utilisé pour obtenir un courant d'ions fortement chargés, ou multichargés,
consiste à évaporer un matériau solide, par exemple un échantillon de métal placé
dans une cavité hyperfréquence, et à ioniser les vapeurs produites.
[0003] La vaporisation, puis l'ionisation du matériau sont obtenues par interaction d'un
plasma chaud d'électrons, confiné dans ladite enceinte, avec ledit matériau. Ce plasma
d'électrons est formé en ionisant un gaz, injecté dans la cavité, grâce à l'action
conjuguée d'un champ électromagnétique de haute fréquence, établi dans ladite cavité,
et d'un champ magnétique régnant à l'intérieur de cette même cavité. Le champ magnétique
présente une amplitude B satisfaisant à la condition de résonance cyclotronique électronique
: B = f.2rcé, où m est la masse de l'électron, e sa charge et f la fréquence du champ
électromagnétique. Cette résonance permet d'accélérer fortement les électrons créés,
tout d'abord à partir du gaz, puis à partir de la vaporisation du matériau.
[0004] Ce procédé de vaporisation a été décrit dans une demande de brevet n° 2 512 623 déposée
le 10 septembre 1981 par le demandeur et intitulée "Procédé de fusion et/ou d'évaporation
pulsée d'un matériau solide". Les ions métalliques créés peuvent ensuite être extraits
de la cavité pour former un faisceau d'ions.
[0005] Dans un tel procédé de production d'un courant d'ions multichargés, l'un des problèmes
importants réside dans la régulation du courant d'ions, c'est-à-dire dans l'obtention
d'un courant d'ions d'intensité constante. Ceci est très important notamment pour
l'utilisation de ces courants d'ions dans les accélérateurs de particules.
[0006] La présente invention a justement pour objet un dispositif de régulation d'un courant
d'ions permettant de résoudre ce problème.
[0007] De façon plus précise, l'invention a trait à un dispositif de régulation d'un courant
d'ions, notamment métalliques, fortement chargés, obtenu selon le procédé d'évaporation
décrit précédemment. Selon une des caractéristiques de l'invention, ce dispositif
comprend des moyens pour pulser le champ électromagnétique, injecté dans la cavité,
et pour contrôler la puissance moyenne de ce champ électromagnétique. Ces moyens sont
constitués de préférence par un générateur d'impulsions haute fréquence, dont on règle
le cycle utile, c'est-à-dire le rapport t/T, t étant la durée d'une impulsion et T
la période des impulsions.
[0008] Dans un mode préféré de réalisation du dispositif de l'invention, le générateur d'impulsions
est asservi de façon que l'intensité du courant d'ions reste constante. Ces moyens
d'asservissement comprennent de préférence des moyens de mesure de l'intensité du
courant d'ions, connectés à un microprocesseur.
[0009] Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de régulation comprend
une vanne servant à modifier le flux de gaz introduit dans la cavité et des moyens
permettant d'asservir ladite vanne de façon que la pression régnant dans la cavité
reste constante.
[0010] Dans un mode préféré de réalisation du dispositif de l'invention, les moyens pour
asservir la vanne sont constitués de moyens de mesure de la pression, connectés à
un microprocesseur.
[0011] Selon une autre caractéristique de l'invention, le dispositif de régulation comprend
des moyens permettant de déplacer lentement, dans la cavité, le matériau solide de
façon que celui-ci intercepte au mieux le plasma d'électrons.
[0012] Dans un mode préféré de réalisation du dispositif de l'invention, les moyens de déplacement
sont asservis pour que l'intensité du courant d'ions soit constante. Ces moyens d'asservissement
sont de préférence constitués de moyens de mesure de l'intensité du courant d'ions,
connectés à un microprocesseur.
[0013] De façon avantageuse, le gaz introduit dans la cavité est constitué par de l'argon,
de l'azote ou de l'oxygène. Ce type de gaz convient particulièrement bien à l'obtention
d'ions métalliques provenant de la vaporisation de métaux réfractaires tels que le
tungstène, le tantale, le molybdène, le zirconium, etc...
[0014] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description
qui va suivre, donnée à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux
figures annexées, dans lesquelles :
- la figure 1 représente, schématiquement, selon une première variante, un dispositif
de régulation manuelle de courant d'ions obtenu selon le procédé de vaporisation d'un
matériau, et
- la figure 2 représente, schématiquement, selon une deuxième variante, un dispositif
de régulation automatique d'un courant d'ions obtenu selon le procédé de vaporisation
d'un matériau.
[0015] En se référant aux figures 1 et 2, on va tout d'abord décrire l'appareil permettant
de produire le courant d'ions fortement chargés.
[0016] Cet appareil comprend une enceinte à vide de confinement 2 qui constitue une cavité
résonnante pouvant être excitée par un champ électromagnétique hyperfréquence, qui
est selon l'invention pulsé. Ce champ électromagnétique, produit par une source 3,
tel qu'un klystron, est introduit dans la cavité au moyen d'un guide d'ondes 4, à
section circulaire ou rectangulaire. Cette source 3 est alimentée en courant par une
source d'alimentation 6. Une conduite -8 permet d'introduire un gaz dans la cavité
hyperfréquence 2 tel que de l'argon, de l'azote ou de l'oxygène.
[0017] Des moyens, schématisés en traits mixtes et portant la référence 10, permettent de
créer un champ magnétique régnant à l'intérieur de la cavité 2. Ce champ magnétique
présente une amplitude qui satisfait à la condition de résonance cyclotronique électronique,
condition explicitée précédemment. Comme moyen permettant de produire un tel champ
magnétique, on peut se référer à la demande de brevet français n° 2 475 798 déposée
le 13 février 1980 par le demandeur et intitulée "Procédé et dispositif de production
d'ions lourds fortement chargés et une application mettant en oeuvre le procédé".
[0018] L'association du champ électromagnétique et du champ magnétique permet d'ioniser
fortement le gaz introduit dans la cavité 2. Les électrons produits sont alors fortement
accélérés par résonance cyclotronique électronique, ce qui conduit à la formation
d'un plasma chaud d'électrons, confiné dans la cavité. L'espace de confinement du
plasma d'électrons est représenté par une ellipse hachurée portant la référence 11.
[0019] Dans la cavité 2, est disposé un échantillon 12 à partir duquel sera formé le courant
d'ions. Cet échantillon, fixé sur un support 14, est notamment un échantillon de métal
comme par exemple de tungstène, de tantale, de molybdène, de zirconium, etc... Cet
échantillon est soumis à l'action du plasma chaud d'électrons 11, ce qui permet de
le vaporiser, puis d'ioniser les vapeurs produites. Les ions métalliques formés sont
ensuite extraits de la cavité 2 par exemple au moyen d'électrodes 16 entre lesquelles
est créée une différence de potentiel négative à l'aide d'une source d'alimentation
17. Les ions issus de la cavité (flèche F) peuvent ensuite être analysés, par exemple
sélectionnés suivant leur degré d'ionisation, à l'aide de tout moyen connu, schématisé
en 18, utilisant un champ électrique et/ou un champ magnétique.
[0020] On va maintenant décrire le dispositif selon l'invention, permettant de réguler le
courant d'ions produits, c'est-à-dire permettant d'obtenir un courant d'ions d'intensité
constante.
[0021] Ce dispositif comprend un moteur 20, relié par l'intermédiaire d'une tige 22, au
support 14 de l'échantillon 12 permettant de déplacer lentement ce dernier, de façon
qu'il intercepte au mieux le plasma d'électrons 11. Plus l'échantillon 12 pénètre
à l'intérieur de la cavité 2, plus sa température et donc son taux de vaporisation
sont élevés.
[0022] Par ailleurs, le taux de vaporisation et donc d'ionisation des vapeurs, notamment
métalliques, dépendent de la puissance moyenne du champ électromagnétique pulsé injecté
dans la cavité 2 et ce pour une profondeur donnée de pénétration de l'échantillon
dans le plasma d'électrons. Par exemple, pour obtenir des ions d'aluminium 10 fois
chargés (avec un échantillon en oxyde d'aluminium, le gaz support étant l'oxygène),
il est nécessaire d'utiliser un champ électromagnétique ayant une puissance au moins
égale à 300 watts.
[0023] Le contrôle de la puissance moyenne du champ électromagnétique est obtenu en pulsant
le champ électromagnétique. Ce champ pulsé peut être obtenu à l'aide d'un générateur
d'impulsions 24, dont on ajuste le cycle utile, c'est-à-dire le rapport t/T, t étant
la durée d'une impulsion et T la période des impulsions, ce générateur commandant
la source d'alimentation électrique 6 alimentant la source d'onde électromagnétique
3. En effet, les électrons du plasma acquièrent l'énergie nécessaire pour vaporiser
l'échantillon 12 puis ioniser les vapeurs produites dès l'application du champ électromagnétique
hyperfréquence et perdent cette énergie presque aussitôt après la disparition dudit
champ.
[0024] Comme on l'a dit précédemment, le plasma d'électrons chaud est obtenu tout d'abord
par une ionisation d'un gaz, notamment d'argon, d'azote ou d'oxygène, introduit dans
la cavité 2 par une conduite 8. Ce gaz permet la formation du plasma avant que la
pression partielle des vapeurs métalliques soit suffisante pour engendrer des ions
métalliques.
[0025] Pour réguler le courant d'ions sortant de la cavité (flèche F), la pression totale
régnant dans la cavité doit être maintenue constante. A cet effet, la conduite d'alimentation
en gaz 8 est équipée d'une vanne 26 servant à moduler le flux de gaz introduit dans
la cavité. Un dispositif 28 de mesure de la pression totale régnant dans la cavité
2, tel qu'un manomètre, permet, par l'intermédiaire d'un dispositif approprié, d'assurer
le fonctionnement de la vanne 26 pour que la pression totale régnant dans la cavité
reste constante.
[0026] Ce dispositif approprié peut être constitué, comme représenté sur la figure 1, par
un dispositif 30, connecté à une tension de référence R, permettant de comparer la
tension fournie par le dispositif de mesure 28 et la tension de référence R et de
fournir un signal de commande à la vanne 26, signal qui correspond à la aifférence
de tension entre la tension fournie par le dispositif de mesure 28 et la tension de
référence R.
[0027] Ce dispositif approprié peut aussi être constitué, comme représenté sur la fioure
2. par un microprocesseur 32 commandant l'ouverture ou la fermeture de la vanne 26
suivant la tension fournie par le disoosi- tif de mesure 28. Le microprocesseur est
par exemnle celui commercialisé sous la référence 6800 de MOTOROLA.
[0028] Par ailleurs, la mise en marche du moteur 20, servant à déplacer l'échantillon 12,
et celle du générateur d'impulsions 24, servant à engendrer le champ électromagnétique
pulsé peuvent être effectuées manuellement comme représenté sur la figure 1 ou bien
automatiquement comme représenté sur la figure 2. Dans le deuxième cas, un dispositif
34 de mesure de l'intensité du courant d'ions sortant de la cavité 2, telle qu'une
cage de Faraday, doit être prévu. Le signal fourni par le dispositif 34 est entré
dans le microprocesseur 32 commandant la mise en marche ou l'arrêt d'une part du moteur
20 et, d'autre part, du générateur d'impulsions 24.
[0029] Le moteur d'entraînement 20 et le générateur d'impulsions 24 asservis à l'intensité
du courant d'ions ainsi que la vanne 26 asservie pour que la pression totale régnant
dans l'enceinte soit constante, constituent, selon l'invention, le dispositif permettant
d'obtenir un courant d'ions, notamment métalliques, d'intensité constante.
1. Dispositif de régulation d'un courant d'ions fortement chargés, obtenu en vaporisant,
dans une cavité hyperfréquence (2) un matériau solide (12) puis en ionisant les vapeurs
produites grâce à l'action d'un plasma chaud d'électrons (11), confiné dans ladite
cavité, ce plasma (11) étant créé en ionisant un gaz, introduit dans la cavité (2),
grâce à l'action conjuguée d'un champ électromagnétique de haute fréquence, établi
dans la cavité, et d'un champ magnétique dont l'amplitude est telle que les électrons
sont accélérés par résonance cyclotronique électronique, caractérisé en ce que le
dispositif comprend des moyens (24) permettant de pulser le champ électromagnétique,
injecté dans la cavité, et de contrôler la puissance moyenne de ce champ.
2. Dispositif de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens
pour pulser et contrôler le champ électromagnétique comprennent un générateur d'impulsions
(24) dont on règle le cycle utile.
3. Dispositif de régulation selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend
des moyens (32, 34) pour asservir le générateur d'impulsions (24) de façon que l'intensité
du courant d'ions soit constante.
4. Dispositif de régulation selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens
pour asservir le générateur comprennent des moyens de mesure de l'intensité du courant
d'ions (34), connectés à un microprocesseur (32).
5. Dispositif de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend
une vanne (26) servant à modifier le flux de gaz introduit dans la cavité et des moyens
(28, 30, 32) pour asservir ladite vanne de façon que la pression régnant dans la cavité
reste constante.
6. Dispositif de régulation selon la rovendi- cation 5, caractérisé en ce que les
moyens pour asservir la vanne (26) comprennent des moyens de mesure de la pression
(28), connectés à un microprocesseur (32).
7. Dispositif de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend
des moyens (20) pour déplacer lentement, dans la cavité (2), le matériau solide (12)
de façon que celui-ci intercepte au mieux le plasma d'électrons (11).
8. Dispositif de régulation selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend
des moyens (32, 34) pour asservir les moyens de déplacement (20) de façon que l'intensité
du courant d'ions soit constante.
9. Dispositif de régulation selon la revendication 8, caractérisé en ce que les moyens
pour asservir les moyens de déplacement (20) comprennent des moyens de mesure de l'intensité
du courant d'ions (34), connectés à un microprocesseur (32).
10. Dispositif de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz
introduit dans la cavité est de l'argon, de l'azote ou de l'oxygène.