Dispositif et notamment duoplasmatron utilisable pour ioniser un gaz et procédé d'utilisation de ce dispositif

Abstract

 L'invention a pour objet un dispositif utilisable pour ioniser un gaz comprenant une cathode servant de cathode chaude ou froide et un procédé d'utilisation de ce dispositif.
Ce dispositif comprend une cathode (30) et une anode en regard, le gaz à ioniser traversant successivement la cathode et l'anode ; ce dispositif est caractérisé en ce que la cathode (30) est formée d'une première et d'une deuxième électrodes (31, 33) en regard, le gaz à ioniser passant entre lesdites électrodes et d'un filament conducteur (35) relié par une première extrémité (32) à la première électrode (31) et par une deuxième extrémité (34) à la deuxième électrode (33) et situé entre lesdites électrodes.
L'invention s'applique à tous les dispositifs utilisés pour ioniser un gaz tels que les arcs électriques, les unoplasmatrons et les duoplasmatrons.

Description

[0001] La présente invention concerne un dispositif utilisable pour ioniser un gaz et comprenant une cathode servant de cathode chaude ou froide ainsi qu'un procédé d'utilisation de ce dispositif. L'invention s'applique à tous les dispositifs utilisés en particulier pour ioniser un gaz tel que les arcs électriques, les unoplasmatrons et les duoplasmatrons. Pour plus de clarté dans la description, on décrira l'invention à partir d'un duoplasmatron utilisé par exemple dans des appareils d'analyse de surface comme source d'ions pour abraser des échantillons.

[0002] De façon connue, un duoplasmatron comprend soit une cathode froide, soit une cathode chaude.

[0003] La figure 1 représente schématiquement en coupe longitudinale un duoplasmatron à cathode froide de type connu.

[0004] Ce duoplasmatron comprend une cathode creuse 1 de forme cylindrique dont la partie supérieure est montée sur un support 2 généralement conducteur, une électrode intermédiaire 3 entourant la cathode 1 et comportant dans sa partie inférieure une ouverture 4 et une anode 5 entourant l'électrode intermédiaire 3, munie en regard de l'ouverture 4 de cette électrode, d'une ouverture 6 de forme divergente vers l'extérieur.

[0005] Généralement, la cathode 1 est en nickel et l'électrode intermédiaire 3 et l'anode 5 sont en fer doux.

[0006] Les termes de "partie supérieure" et "par tie inférieure" de chaque élément sont définies dans ce texte par rapport au sens de déplacement du gaz à ioniser à travers le duoplasmatron.

[0007] La cathode 1 montée sur le support 2, l'électrode intermédiaire 3 et l'anode 5 sont isolées électriquement. Ces trois éléments sont agencés les uns dans les autres de façon à définir trois chambres 11, 13, 15 communiquant entre elles, des joints 8, 9 assurant l'étanchéité de ces chambres avec l'extérieur. La chambre 11 est définie par les parois cylindriques internes de la cathode, la chambre 13 par l'espace ménagé entre la cathode 1 et l'électrode intermédiaire 3 et la chambre 15 par l'espace défini entre l'électrode intermédiaire 3 et l'anode 5. D'autre part, une bobine magnétique 21 entoure les chambres 11, 13, 15 ; cette bobine est située autour de la partie supérieure de l'anode 5 et repose à la fois sur la partie inférieure de l'anode 5 et la partie supérieure de l'électrode intermédiaire 3. Par ailleurs, un générateur de tension 23 relié par exemple à la partie inférieure de l'anode 5 et au support conducteur 2 de la cathode 1 permet d'appliquer une différence de potentiel Va-Vc de l'ordre de 300 à 500 volts entre l'anode et la cathode, Va représente la tension appliquée à l'anode et Vc la tension appliquée à la cathode. De plus, un générateur de tension 25 est relié à l'électrode intermédiaire, par exemple à la partie supérieure de cette électrode et à une masse. Ce générateur de tension 25 permet d'appliquer une tension Vi à l'électrode intermédiaire, cette tension Vi est généralement telle que Vi=(Va-Vc)/2. Cette tension Vi peut être obtenue également à partir du générateur de tension 23 par l'intermédiaire d'un pont diviseur relié à l'électrode intermédiaire et au générateur de tension 23. Dans ce cas, le générateur 25 est supprimé.

[0008] Des moyens pour faire le vide non représentés tels qu'une pompe à vide, assurent l'évacuation par exemple par l'ouverture 6 de tout gaz présent dans les chambres 11, 13 et 15 avant l'introduction du gaz à ioniser dans le duoplasmatron.

[0009] Le gaz à ioniser est stocké par exemple dans une bouteille 16 reliée par une canalisation 17 au support 2 de la cathode 1, ledit support comportant un passage 10 relié à la chambre 11. Des moyens d'ouverture et de fermeture tels qu'une vanne 17' disposée par exemple sur la canalisation 17, permet d'introduire un débit régulé de gaz dans le duoplasmatron, à partir de la bouteille 16.

[0010] Le reste de la description permet de comprendre le fonctionnement du duoplasmatron à cathode froide.

[0011] Après réalisation du vide dans les chambres 11, 13 et 15, on introduit du gaz dans le duoplasmatron en ouvrant la vanne 17'. Le gaz va circuler dans la chambre 11 où il va être ionisé par les électrons émis par la cathode 1 sur laquelle le potentiel Vc est appliqué. Il se forme alors un plasma d'ions et d'électrons qui va être entraîné vers l'électrode intermédiaire 3, par le champ électrique E1 induit par la différence de potentiel Vi-Vc entre la cathode 1 et l'électrode 3. Ce plasma va traverser l'ouverture 4 entraîné par un champ électrique E 2 induit par la différence de potentiel Va-Vi entre l'électrode 3 et l'anode 5 ainsi que par un champ magnétique H entre l'électrode 3 et l'anode 5.

[0012] Ce champ H circule en boucle fermée entre la bobine magnétique 21, l'électrode intermédiaire 3 sur laquelle repose la bobine, la partie de la chambre 15 définie entre la partie inférieure de l'électrode intermédiaire 3 et la partie supérieure de l'anode 5 et enfin l'anode 5 sur laquelle repose également la bobine magnétique.

[0013] Le plasma est donc confiné par le champ électrique E ₂ et le champ magnétique H entre l'électrode intermédiaire 3 et l'anode 5. Ce plasma passe ensuite par l'ouverture 6 ménagée dans l'anode 5, entraîné par un champ électrique E₃ induit par la différence de potentiel entre l'anode et la surface 20 à abraser généralement à la masse.

[0014] Ces champs électriques et magnétique E_1, E₂, E.₃ et H ont la même direction et le même sens que le flux gazeux.

[0015] Pour fonctionner en cathode chaude, ce duoplasmatron doit être démonté pour remplacer la cathode cylindrique 1 par un filament enroulé en hélice suivant un cylindre dont l'axe est perpendiculaire à la direction du flux gazeux. Ce filament est relié par chacune de ses extrémités à une patte conductrice distincte montée sur le support 2, le gaz à ioniser passant entre ces pattes et à travers le filament.

[0016] Comme précédemment, des tensions Vc, Va et Vi sont appliquées respectivement au support 2, à l'anode 5 et à l'électrode intermédiaire 3. Par ailleurs, une tension Vs est appliquée entre les deux extrémités du filament par un générateur de tension ; cette tension Vs permet la circulation d'un courant I dans le filament et par conséquent l'échauffement du filament par effet Joule.

[0017] Pour une cathode froide, l'émission électronique est produite notamment par le bombardement de celle-ci par les ions et électrons du plasma ; cette émission dépend donc des conditions qui règnent dans le duoplasmatron telles que la pression, les champs électriques et la nature du gaz. L'émission électronique d'une cathode chaude, due à l'échauffe ment du filament, est déterminée en particulier par sa température et donc par l'intensité du courant I qu'il est facile de réguler. La cathode chaude permet donc une émission électronique plus stable dont on peut régler l'intensité généralement plus importante que celle fournie par une cathode froide. De ce fait, en fonctionnement en cathode chaude, une différence de potentiel Va-Vc de l'ordre de quelques dizaines de volts est suffisante.

[0018] Suivant le type de gaz à ioniser, il est plus intéressant d'utiliser une cathode froide ou une cathode chaude. La cathode froide est employée avec des gaz réactifs tels que l'oxygène qui attaquerait un filament (cathode chaude), en revanche, pour des gaz inertes tels que l'argon, le xénon, etc., il est plus intéressant d'utiliser une cathode chaude. En effet, la cathode chaude permet un fonctionnement du duoplasmatron avec une pression moindre de l'ordre de 10-⁴ Pa et donne, du fait que l'émission électronique servant à ioniser le gaz est plus stable, une meilleure stabilité du courant d'ions extrait.

[0019] Avec un duoplasmatron de type connu, pour passer d'un fonctionnement en cathode chaude à un fonctionnement en cathode froide, il faut démonter le duoplasmatron, ce qui signifie en particulier l'arrêt de l'utilisation du duoplasmatron et la rupture du vide.

[0020] La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients en réalisant un dispositif utilisable pour ioniser un gaz fonctionnant en cathode froide ou en cathode chaude sans démontage du dispositif.

[0021] De façon plus précise, l'invention a pour objet un dispositif utilisable pour ioniser un gaz comprenant une cathode et une anode en regard, le gaz à ioniser traversant successivement la cathode et l'anode, caractérisé en ce que la cathode est formée d'une première et d'une deuxième électrodes en regard, le gaz à ioniser passant entre lesdites électrodes et d'un filament conducteur relié par une première extrémité à la première électrode et par une deuxième extrémité à la deuxième électrode et situé entre lesdites électrodes.

[0022] De façon avantageuse, les première et deuxième électrodes sont des demi-cylindres disposés en regard de façon à former un cylindre fendu selon deux génératrices opposées et le filament est relié aux extrémités de sortie du gaz à ioniser des première et deuxième électrodes.

[0023] De préférence, le filament est enroulé en hélice suivant un cône dont l'axe est confondu avec l'axe longitudinal du cylindre créé par les première et deuxième électrodes, le gaz à ioniser parcourant ce cône à partir de son sommet. Ce cône a un angle au sommet allant par exemple de 7° à 15°.

[0024] Selon un mode préféré de réalisation de l'invention, les première et deuxième électrodes sont en titane et le filament est en tantale.

[0025] L'invention a aussi pour objet un duoplasmatron comportant un dispositif tel que décrit précédemment.

[0026] L'invention a également pour objet un procédé d'utilisation du dispositif utilisable pour ioniser un gaz, ce procédé est caractérisé en ce que ce dispositif fonctionnant en cathode froide, une différence de potentiel est appliquée entre l'anode et les première et deuxième électrodes.

[0027] Selon une variante du procédé d'utilisation du dispositif utilisable pour ioniser un gaz, celui-ci fonctionnant en cathode chaude, une première différence de potentiel est appliquée entre l'anode et les première et deuxième électrodes, et une deuxième différence de potentiel est appliquée entre les première et deuxième extrémités du filament.

[0028] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre purement illustratif et non limitatif en référence aux figures annexées dans lesquelles :

- la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement en coupe longitudinale un duoplasmatron à cathode froide de type connu,

- la figure 2 représente schématiquement une cathode conforme à l'invention utilisable en cathode chaude ou en cathode froide, et

- la figure 3 représente le filament de la cathode conforme à l'invention enroulée en hélice suivant un cône.

[0029] La cathode 30 représentée figure 2 est constituée de deux électrodes 31, 33 en regard et d'un filament conducteur 35 relié par une de ses extrémités 32 à l'électrode 31 et par son autre extrémité 34 à l'électrode 33.

[0030] Les deux électrodes 31 et 33 sont constituées respectivement par un demi-cylindre en regard l'un de l'autre de façon à former un cylindre fendu selon deux génératrices opposées, le gaz à ioniser traversant ce cylindre. Ce cylindre a par exemple un diamètre de 40 mm et une longueur de 70 mm.

[0031] Le filament 35 est enroulé en hélice (voir figure 3) suivant un cône d'angle au sommet compris entre des valeurs de l'ordre de 7 à 15° et une longueur par exemple de 15 mm. Ce filament est situé aux extrémités de sortie du gaz des première et deuxième électrodes et il est parcouru par le gaz à partir du sommet du cône qu'il forme.

[0032] Les deux électrodes sont de préférence en titane. En effet, le titane permet d'obtenir un faisceau d'ions plus pur que le nickel employé dans l'art antérieur.

[0033] D'autre part, le filament est de façon avantageuse en tantale, celui-ci ayant une durée de vie de 5 à 10 fois supérieure à celle d'un filament en tungstène employé dans les mêmes conditions. En effet, l'usure du filament est essentiellement due à la pulvérisation cathodique, or la pulvérisation cathodique du tungstène est supérieure à celle du tantale. Par ailleurs, la résistivité du tantale étant supérieure à celle du tungstène, on utilise un filament de diamètre environ 0,7 mm au lieu de 0,5 mm pour un filament en tungstène de l'art antérieur.

[0034] L'axe du cône constitué par le filament est confondu avec l'axe longitudinal du cylindre créé par les deux électrodes 31, 33 ; cette disposition particulière permet d'augmenter également la durée de vie du filament d'un facteur de l'ordre de 4 à 5. Ainsi, par exemple, pour un filament en tantale parcouru par du xénon qui est un gaz ayant un fort taux de pulvérisation la durée de vie du filament dépasse un mois.

[0035] D'autre part, un générateur de tension 37 et un interrupteur 39 en série sont connectés entre les deux extrémités du filament.

[0036] Dans le cas de l'utilisation de cette cathode 30 dans un duoplasmatron, elle est montée sur le support 2 de la figure 1 à la place de la cathode 1. La partie inférieure des électrodes 31 et 33 étant reliée au filament 35.

[0037] Les première et deuxième électrodes et le support sont réalisés de préférence en une pièce unique mais bien entendu les première et deuxième électrodes peuvent être également rapportées sur le support. Ce support est de façon avantageuse également en titane.

[0038] Une différence de potentiel Va-Vc est appliquée entre les électrodes 31 et 33 et l'anode 5 par le générateur de tension 23 et une tension Vi est appliquée comme précédemment à l'électrode intermédiaire 3.

[0039] Lorsque l'interrupteur 39 est fermé, une tension Vs est appliquée aux extrémités du filament par le générateur 37. Dans ce cas, le duoplasmatron fonctionne en cathode chaude. En effet, le filament parcouru par un courant dégage de la chaleur par effet Joule. Ce filament émet alors des électrons qui vont ioniser des atomes de gaz. Les ions formés vont être confinés comme décrit précédemment dans des champs électriques et magnétique avant d'être extraits du duoplasmatron.

[0040] La différence de potentiel Va-Vc appliquée entre les première et deuxième électrodes et l'anode est de l'ordre de quelques dizaines de volts, la tension Vs appliquée entre les deux extrémités du filament est de l'ordre de quelque 0,1 volt et le courant circulant dans le filament est de l'ordre de quelques Ampères.

[0041] En fonctionnement en cathode chaude, les électrons sont émis essentiellement par le filament. La quantité d'électrons émis par la première et la deuxième électrodes est très faible du fait de la différence de potentiel Va-Vc faible.

[0042] Lorsque l'interrupteur 39 est ouvert, la tension appliquée au filament 35 est nulle, aucun courant ne circule dans le filament : le duoplasmatron fonctionne en cathode froide. Dans ce cas, pour que les première et deuxième électrodes émettent suffisamment d'électrons pour ioniser le gaz, une différence de potentiel Va-Vc de l'ordre de 300 à 500 volts est appliquée entre l'anode et la première et la deuxième électrodes.

[0043] On a décrit l'utilisation d'une cathode conforme à l'invention servant de cathode froide ou de cathode chaude dans un duoplasmatron, mais bien entendu, l'invention s'applique à toutes les sources d'ions utilisant une cathode froide ou chaude.

[0044] Par ailleurs, les dispositifs électriques associés au duoplasmatron et en particulier à la cathode conforme à l'invention décrits précédemment sont très simplifiés, d'autres dispositifs plus complexes peuvent être utilisés sans sortir du cadre de l'invention.

Revendications

1. Dispositif utilisable pour ioniser un gaz comprenant une cathode (30) et une anode (5) en regard, le gaz à ioniser traversant successivement la cathode et l'anode, caractérisé en ce que la cathode (30) est formée d'une première et d'une deuxième électrodes (31, 33) en regard, le gaz à ioniser passant entre lesdites électrodes et d'un filament conducteur (35) relié par une première extrémité (32) à la première électrode (31) et par une deuxième extrémité (34) à la deuxième électrode (33) et situé entre lesdites électrodes.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première et deuxième électrodes (31, 33) sont des demi-cylindres disposés en regard de façon à former un cylindre fendu selon deux génératrices opposées.

3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le filament (35) est relié aux extrémités de sortie du gaz à ioniser des première et deuxième électrodes (31,33).

4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le filament (35) est enroulé en hélice suivant un cône dont l'axe est confondu avec l'axe longitudinal des première et deuxième électrodes, le gaz à ioniser parcourant ce cône à partir de son sommet.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le cône a un angle au sommet allant de 7° à 15°.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les première et deuxième électrodes (31, 33) sont en titane.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le filament (35) est en tantale.

8. Duopfasmatron caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.

9. Procédé d'utilisation du dispositif utilisable pour ioniser un gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que celui-ci fonctionnant en cathode froide, une différence de potentiel est appliquée entre l'anode (5) et les première et deuxième électrodes (31,33).

10. Procédé d'utilisation du dispositif utilisable pour ioniser un gaz selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que celui-ci fonctionnant en cathode chaude, une première différence de potentiel est appliquée entre l'anode et les première et deuxième électrodes (31, 33), et une deuxième différence de potentiel est appliquée entre la première et la deuxième extrémités du filament (32,34).

Dessins