Dispositif de perfectionnement de la source d'ions de type Penning dans un tube neutronique

Abstract

 Dans un tube neutronique scellé à haut flux muni d'une source d'ions (1) de type Penning, le champ magnétique de confinement du gaz ionisé (9) est rendu plus divergent en direction de la zone d'émission des ions par action sur le système d'aimants (8) de la source d'ions. Le faisceau ionique issu du plasma est accéléré (2) et projeté sur une cible (4). La géométrie et la position de l'anode (13) à l'intérieur de la source d'ions s'adaptent à la topographie des lignes de force, pour une interception minimale des trajectoires des électrons ionisants oscillant dans la structure, adaptation obtenue en particulier par l'utilisation d'une anode tronconi­que dont les génératrices épousent les lignes de force.

Description

[0001] L'invention concerne un dispositif de source d'ions de type Penning d'un tube neutronique scellé à haut flux dans lequel ladite source d'ions à deux électrodes (anode et catho­de) forme un gaz ionisé canalisé par un champ magnétique de confinement créé par des aimants ou par tout autre moyen de création dudit champ et à partir duquel un faisceau ionique de grande énergie est projeté sur une électrode cible au moyen d'un dispositif d'extraction et d'accélération pour y produire une réaction de fusion entraînant une émission de neutrons.

[0002] Les tubes neutroniques du même genre sont utilisés dans les techniques d'examen de la matière par neutrons rapi­des, thermiques, épithermiques ou froids : neutronographie, analyse par activation, analyse par spectrométrie des diffu­sions inélastiques ou des captures radiatives, diffusion des neutrons etc...

[0003] L'obtention de la pleine efficacité de ces techni­ques nucléaires nécessite d'avoir, pour les niveaux d'émission correspondants, des durées de vie de tubes plus longues.

[0004] La réaction de fusion d(3_H, 4_He)n délivrant des neutrons de 14 MeV est habituellement la plus utilisée en rai­son de sa grande section efficace pour des énergies d'ions re­lativement faibles. Toutefois, quelle que soit la réaction utilisée, le nombre de neutrons obtenu par unité de charge transitant dans le faisceau est toujours croissant au fur et à mesure que l'énergie des ions dirigés vers une cible épaisse est elle-même croissante et ceci largement au delà des éner­gies des ions obtenus dans les tubes scellés actuellement dis­ponibles et alimentés par une THT n'excédant pas 250 kV.

[0005] Parmi les principaux facteurs limitatifs de la du­rée de vie d'un tube neutronique, l'érosion de la cible par le bombardement ionique est l'un des plus déterminants.

[0006] L'érosion est fonction de la nature chimique et de la structure de la cible d'une part, de l'énergie des ions in­cidents et de leur profil de répartition en densité sur la surface d'impact d'autre part.

[0007] Dans la plupart des cas, la cible est constituée par un matériau hydrurable (Titane, Scandium, Zirconium, Er­bium etc...) capable de fixer et de relâcher des quantités im­portantes d'hydrogène sans perturbation notable de sa tenue mécanique ; la quantité totale fixée est fonction de la tempé­rature de la cible et de la pression d'hydrogène dans le tube. Les matériaux cibles utilisés sont déposés sous forme de cou­ches minces dont l'épaisseur est limitée par des problèmes d'adhérence de la couche sur son support. Un moyen de retarder l'érosion de la cible consiste par exemple à former la couche active absorbante d'un empilage de couches identiques isolées les unes des autres par une barrière de diffusion. L'épaisseur de chacune des couches actives est de l'ordre de la profondeur de pénétration des ions deutérium venant frapper la cible.

[0008] Une autre façon de protéger la cible et donc d'ac­croître la durée de vie du tube consiste à agir sur le fais­ceau d'ions de manière à améliorer son profil de répartition en densité sur la surface d'impact. A courant d'ions total constant sur l'électrode cible, ce qui entraîne une émission neutronique constante, cette amélioration résultera d'une ré­partition aussi uniforme que possible de la densité de courant sur l'ensemble de la surface offerte par la cible au bombarde­ment d'ions.

[0009] Dans un tube neutronique scellé, les ions sont en général fournis par une source d'ions de type Penning qui a l'avantage d'être robuste, d'être à cathode froide (d'où une longue durée d'utilisation), de donner des courants de déchar­ge importants pour de faibles pressions (de l'ordre de 10 A/torr), d'avoir un rendement d'extraction élevé (de 20 à 40 %) et d'être de faibles dimensions.

[0010] Ce type de source présente par contre l'inconvé­nient de nécessiter un champ magnétique de l'ordre du millier de gauss qui introduit une inhomogénéité importante de densité du courant des ions à l'intérieur de la décharge et au niveau de la zone d'émission des ions.

[0011] Le but de l'invention est de rendre la densité d'ions plus homogène au niveau de l'émission par la modifica­tion de la structure Penning selon l'art antérieur.

[0012] A cet effet et conformément à l'invention, ledit champ magnétique est rendu plus divergent en direction de la zone d'émission des ions, par action sur lesdits aimants ou sur tout autre moyen de création dudit champ, la modification du confinement des électrons ionisants de la décharge et par con­séquent de l'ionisation qui en résulte, étant compensée par l'adaptation de la forme et/ou des dimensions et/ou du posi­tionnement de l'anode dans ladite source d'ions.

[0013] Cette adaptation peut être mise en oeuvre au moyen des artifices suivants :
- l'anode est de forme tronconique avec le plus grand diamètre du côté des valeurs faibles du champ magnétique pour tenir compte de la divergence des lignes de force en direction de la zone d'émission des ions.
- l'anode de forme circulaire est réduite en hauteur et rap­prochée de la cathode dans la zone de fort gradient du champ magnétique.

[0014] La description suivante en regard des dessins anne­xés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée.

La figure 1 représente le schéma de principe d'un tube neutronique scellé selon l'état de l'art antérieur.

La figure 2 montre les effets de l'érosion en pro­fondeur de la cible et le profil radial de densité de bombar­dement d'ions.

Les figures 3 et 4 représentent respectivement les schémas d'une première variante et d'une seconde variante de dispositifs d'extraction des ions selon l'invention.

[0015] Sur ces figures, les éléments identiques seront in­diqués par les mêmes signes de référence.

[0016] Le schéma de la figure 1 montre les principaux élé­ments de base d'un tube neutronique scellé 11 renfermant un mélange gazeux sous faible pression à ioniser tel que deuté­rium-tritium et qui comporte une source d'ions 1 et une élec­trode d'accélération 2 entre lesquelles existe une différence de potentiel très élevée permettant l'extraction et l'accélé­ration du faisceau d'ions 3 et sa projection sur la cible 4 où s'effectue la réaction de fusion entraînant une émission de neutrons à 14 MeV par exemple.

[0017] La source d'ions 1 solidaire d'un isolateur 5 pour le passage du connecteur d'alimentation en THT (non représen­té) est une source de type Penning par exemple, constituée d'une anode cylindrique 6, d'une structure cathodique 7 à la­quelle est incorporé un aimant 8 à champ magnétique axial qui confine le gaz ionisé 9 aux alentours de l'axe du cylindre d'anode et dont les lignes de force 10 accusent une certaine divergence. Un canal d'émission des ions 12 est pratiqué dans ladite structure cathodique en vis-à-vis de l'anode.

[0018] Les schémas de la fiqure 2 représentent les effets de l'érosion sur la cible au fur et à mesure que s'accentue le phénomène.

La figure 2a montre le profil de la densité J de bombardement des ions suivant une direction radiale quelconque 0r, à partir du point d'impact 0 de l'axe central du faisceau sur la surface de la cible. La forme de ce profil met en va­leur le caractère inhomogène de ce faisceau dont la densité très élevée dans la partie centrale décroît rapidement lors­qu'on s'en éloigne.

Sur la figure 2b l'érosion s'effectue en fonction de la densité de bombardement et toute la couche de matériau hydrurable d'épaisseur e déposée sur un substrat S est saturée en mélange deutérium-tritium. La profondeur de pénétration des ions énergétiques deutérium-tritium représentée en traits pointillés s'effectue sur une profondeur l₁ fonction de cette énergie.

Sur la figure 2c, l'érosion de la couche est telle que la profondeur de pénétration l₂ est supérieure à l'épais­seur e dans la partie la plus bombardée ; une partie des ions incidents s'implante dans le substrat et très rapidement les atomes de deutérium et de tritium sont en sursaturation.

Sur la figure 2d, les atomes de deutérium et de tritium se sont rassemblés pour donner des bulles qui, en éclatant ont formé des cratères et accru très rapidement l'érosion de la cible sur la profondeur l₃.

[0019] Ce dernier processus précède de peu la fin de vie du tube en entraînant soit un accroissement drastique des cla­quages (présence de microparticules résultant des éclatements de bulles), soit une pollution de la surface de la cible par les atomes pulvérisés absorbant l'énergie des ions incidents.

[0020] Dans la source d'ions 1 de type Penning représentée sur la figure 1, l'anode cylindrique 6 est portée à un poten­tiel supérieur de l'ordre de 4 kV à celui de la cathode 7 por­tée elle-même à une très haute tension de 250 kV par exemple.

[0021] L'ensemble d'aimants 8 fournit un champ magnétique important de l'ordre du millier de gauss.

[0022] Le rôle de ce champ magnétique est de limiter le mouvement transverse des charges formées à l'intérieur de l'anode par ionisation d'un mélange gazeux deutérium-tritium. Ce gaz ionisé est ainsi confiné aux alentours de l'axe de l'anode et en densité beaucoup plus élevée suivant cet axe. Il en résulte une inhomogénéité importante à l'intérieur de la décharge.

[0023] Les ions sont extraits à partir du canal d'émission 12 pratiqué dans la cathode jouant ainsi le rôle d'électrode d'émission, au moyen de l'électrode d'accélération 2 portée ainsi que l'électrode cible 4 au potentiel 0 de la masse.

[0024] L'inhomogénéité du gaz ionisé va se répercuter au niveau de l'extraction des ions plus importante sur l'axe que sur la périphérie du faisceau. Ainsi ce type d'inhomogénéité contribue pour une large part à l'érosion de la cible et par suite à la limitation de la durée de vie du tube.

[0025] Afin de rendre la densité d'ions plus homogène au niveau de l'extraction, l'idée de l'invention consiste à modi­fier le confinement du gaz ionisé en agissant sur la disposi­tion des aimants de l'ensemble 8 de façon que le champ magné­tique soit plus divergent. La réduction du courant de décharge qui en résulte peut être avantageusement compensée au moyen des solutions sur les figures 3 et 4.

[0026] Sur la figure 3, on a remplacé l'anode circulaire par une anode tronconique 13 dont les génératrices ont tendan­ce à épouser les lignes de force du champ magnétique 10. Le gaz ionisé 9 est plus étalé du fait de ladite modification du confinement. Les diamètres de l'anode tronconique devront être accrus afin d'éviter l'interception des électrons.

[0027] Sur la figure 4, l'anode circulaire 14 est réduite en hauteur et décalée vers la zone de fort champ à proximité de la partie supérieure de la cathode de façon à éviter tou­jours l'interception des électrons.

[0028] Ces modifications assurent une compensation sensi­ble du courant de décharge en même temps qu'une meilleure ho­mogénéité du faisceau.

Revendications

1. Dispositif de source d'ions de type Penning d'un tube neutronique scellé à haut flux dans lequel une source d'ions à deux électrodes (anode et cathode) forme un gaz ioni­sé canalisé par un champ magnétique de confinement créé par des aimants ou par tout autre moyen de création dudit champ et à partir duquel un faisceau ionique de grande énergie est pro­jeté sur une électrode cible au moyen d'un dispositif d'ex­traction et d'accélération pour y produire une réaction de fu­sion entraînant une émission de neutrons, caractérisé en ce que ledit champ magnétique est rendu plus divergent en direc­tion de la zone d'émission des ions par action sur lesdits ai­mants ou sur tout autre moyen de création dudit champ, la mo­dification du confinement des électrons ionisants de la dé­charge et par conséquent de l'ionisation qui en résulte, étant compensée par l'adaptation de la forme et/ou des dimensions et/ou du positionnement de l'anode dans ladite source d'ions.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme de ladite anode est tronconique avec le plus grand diamètre du côté du champ magnétique faible pour tenir compte de la configuration des lignes de force dudit champ.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite anode de forme circulaire est réduite en hauteur et rapprochée de la cathode dans la zone de fort champ magné­tique.

Dessins