Tube neutronique à flux élevé

Abstract

 L'invention concerne un tube neutronique comportant une source d'ions présentant au moins une anode (6), au moins une cathode (7), présentant au moins un orifice d'extraction (12), et comportant également un dispositif d'accélération (2) disposé de manière à projeter au moins un faisceau ionique de la source d'ions sur une cible pour y produire une réaction entraînant une émission de neutrons. La source d'ions est disposée selon au moins une portion d'une première surface de révolution (8', 41, 51) et agencée pour produire une émission d'ions radiale et dirigée vers l'extérieur de ladite première surface (8', 41, 51), en ce que le dispositif d'accélération (2) est disposé selon au moins une portion d'une deuxième surface de résolution entourant ladite première surface (8', 41, 51), et en ce que la cible (4) est disposée selon au moins une portion d'une troisième surface de révolution entourant ladite deuxième surface.

Description

[0001] La présente invention a pour objet un tube neutronique comportant une source d'ions présentant au moins une anode et au moins une cathode présentant au moins un orifice d'extraction et comportant également un dispositif d'accélération disposé de manière à projeter au moins un faisceau ionique de la source d'ions sur une cible pour y produire une réaction entraînant une émission de neutrons.

[0002] Les tubes neutroniques se présentent le plus souvent sous la forme de tubes scellés contenant un mélange gazeux de deutérium et de tritium sous faible pression à partir duquel la source d'ions forme un gaz ionisé confiné. L'orifice d'émission (ou d'extraction) est pratiqué dans la cathode, l'électrode d'accélération (et d'extraction) permettant de projeter le faisceau d'ions axialement sur une électrode cible.

[0003] Un confinement du plasma peut être obtenu à l'aide de champs magnétiques et/ou électrique. Les tubes neutroniques sont utilisés dans les techniques d'examen de la matière par neutrons rapides, thermiques, épithermiques ou froids : neutrographie, analyse par activation, analyse par spectrométrie des diffusions inélastiques ou des captures radiatives, diffusion des neutrons etc...

[0004] Le type de source d'ions qui est le plus utilisé est la source 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. Ce type de source nécessite un champ magnétique de l'ordre du millier de gauss, parallèle à l'axe de la chambre d'ionisation, introduisant une inhomogénéité transverse importante de densité de courant des ions à l'intérieur de la décharge et au niveau de l'extraction qui s'effectue suivant l'axe commun du champ et de la source.

[0005] 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 que rarement 250 kV.

[0006] 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.

[0007] 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.

[0008] 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 rédhibitoire 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.

[0009] 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 la cible ce qui entraîne une émission neutronique constante, cette amélioration résulte d'une répartition aussi uniforme que possible de la densité de courant sur l'ensemble de la surface offerte par la cible au bombardement des ions.

[0010] Un inconvénient résulte du fait que les ions extraits et accélérés vers la cible réagissent avec les molécules du gaz contenues dans le tube à une pression, au premier ordre contrante, pour produire des effets d'ionisation, de dissociation et d'échange de charges entraînant d'une part une diminution de l'énergie moyenne sur la cible, c'est-à-dire une réduction de la production de neutrons et d'autre part la formation d'ions et d'électrons qui sont ensuite accélérés et bombardent la source d'ions ou les électrodes du tube.

[0011] Il en résulte des dépôts d'énergies qui accroissent la température des matériaux des électrodes tels que le molybdène ou l'acier inoxydable. L'échauffement de ces matériaux provoque la désorption d'impuretés telles que l'oxyde de carbone qu'ils renferment et perturbe ainsi la qualité de l'atmosphère du tube. Les ions d'impuretés formés dans le tube, CO` par exemple, bombardent la cible avec un coefficient de pulvérisation supérieur d'un facteur 10² à 10³ à celui des ions deutérium-tritium, d'où une accentuation importante de l'érosion. Ces effets croissent avec la pression de fonctionnement dans le tube neutronique.

[0012] Ces considérations à caractère général valables quelque soit la nature de la source d'ions montrent que l'obtention de flux neutronique élevé avec de longues durées d'utilisation (par exemple plusieurs milliers d'heures) nécessite d'utiliser :

- des cibles de grandes surfaces,

- des densités de bombardement ionique des cibles compatible avec un refroidissement efficace et une faible pulvérisation,

- des pressions de fonctionnement réduites nécessitant, par conséquent, des sources d'ions efficaces en production d'ions.

[0013] A titre d'illustration, une densité moyenne de bombardement de 0,5 mA, avec un maxima de l'ordre de 1 mA devrait permettre de dépasser le millier d'heures de fonctionnement : quant au niveau neutronique, pour une tension d'accélération de 250 kV, il serait d'environ 3.10¹⁰ n/cm.²s de neutrons de 14 MeV. L'obtention d'un niveau de 10¹³ n/s nécessiterait une surface de cible de 300 cm² et 3000 cm² pour 10¹⁴ n/s.

[0014] D'autres types connus de sources d'ions, à confinement électrostatique des ions, telle que celle décrite dans la demande de brevet français n° 88 13188 déposée par la Demanderesse le 7 Octobre 1988 et publiée sous le n° FR 26 37 727 présente des caractéristiques similaires en ce qui concerne l'usure de la cible.

[0015] Il a par ailleurs été proposé par la Demanderesse dans la demande de brevet français n 88 13187 déposé le 7 octobre 1988 et publiée sous le n°FR 26 37 726 une source d'ions de type multicellulaire présentant une cellule de Penning comportant une anode multitrous disposée à l'intérieur de la cavité cathodique afin d'accroître le courant d'ions. Il est ainsi possible d'obtenir une homogénéité de courant plus élevée sur une cible de plus grande dimension, mais des niveaux d'émission tels que mentionnés ci-dessus demanderaient cependant des dimensions prohibitives.

[0016] L'idée de base de l'invention consiste à réaliser une extraction d'ions non plus axiale, mais radiale d'une part, en partant de la reconnaissance du fait qu'elle permet une réduction des champs électriques produisant l'émission froide des électrodes, et du nombre de claquage en résultant, grâce à une dissymétrie dans la répartition du champ électrique et d'autre par du fait qu'elle permet de disposer la cible cylindriquement autour de la source d'ions, d'où un gain extrêmement important en ce qui concerne l'encombrement d'une source à flux neutronique élevé.

[0017] Un tube neutronique selon l'invention est ainsi caractérisé en ce que la source d'ions est disposée selon au moins une portion d'une première surface de révolution et agencée pour produire une émission d'ions radiale et dirigée vers l'extérieur de ladite première surface, en ce que le dispositif d'accélération est disposé selon au moins une portion d'une deuxième surface de révolution entourant ladite première surface, et en ce que la cible est disposée selon au moins une partie d'une troisième surface de révolution entourant ladite deuxième surface.

[0018] On notera en outre qu'en ce qui concerne la source d'ions, le mode d'extraction radiale vers l'extérieur supprime en partie l'effet de gaine dû au périmètre de l'électrode d'extraction et entraîne, toutes choses égales par ailleurs, un accroissement du rendement d'extraction de la source.

[0019] Le tube selon l'invention peut comporter un dispositif suppresseur d'électrons secondaires connu en soi et disposé selon au moins une portion d'une quatrième surface de révolution comprise entre la deuxième et la troisième surface.

[0020] Le dispositif d'accélération peut être avantageusement une électrode cylindrique.

[0021] Selon un premier mode de réalisation, à confinement magnétique, la source d'ions est constituée par au moins une source élémentaire à structure Penning, pouvant notamment comporter une pluralité de sources élémentaires disposées selon au moins des portions d'anneaux superposés. Selon un mode de réalisation avantageux, la première surface de révolution est un premier cylindre et il comporte un premier aimant cylindrique disposé sur le plus petit rayon du premier cylindre, et au moins un deuxième aimant cylindrique contenu dans ladite cathode selon le plus grand rayon du premier cylindre, de manière à produire un champ magnétique radial.

[0022] Une anode peut être cylindrique ou tronconique de révolution. Elle peut être de préférence constituée de deux disques parallèles ou à section tronconique, ce qui permet de réaliser une seule anode par anneau, d'où simplification de la réalisation. L'orifice d'extraction peut être une fente annulaire, ce qui est favorable au rendement d'extraction.

[0023] Selon un deuxième mode de réalisation, à confinement magnétique, la source d'ions est constituée par une structure de type magnétron inversé. Une telle structure est habituellement utilisée uniquement comme instrument de mesure (jauge à ionisation). Sur ce point on se reportera à l'ouvrage The Physical Basis of Ultrahigh Vacuum (Redhead et al National Research Council Ottawa, CDN édité par Chapman and Hall Ltd LONDON (GB), en ses pages 333 et 334. Un tel dispositif est utilisé ici comme source d'ions en ménageant au moins un orifice d'extraction dans la cathode. Au moins une anode peut être annulaire. Un troisième aimant annulaire peut être disposé de manière à produire un champ magnétique longitudinal. Le champ magnétique peut être obtenu grâce à un solénoïde entourant la troisième (ou en cas échéant la quatrième) surface cylindrique et agencé de manière à produire un champ magnétique longitudinal. Dans ce cas et selon une variante préférée de l'invention, une anode cylindrique peut être disposée selon le plus petit rayon du premier cylindre et s'étendre sensiblement sur la hauteur du premier cylindre. On peut ainsi obtenir avec une seule anode et une seule cathode une émission sur une surface de révolution, notamment cylindrique, allongée.

[0024] Selon un troisième mode de réalisation, à confinement électrostatique, la source d'ions est du type orbitron comportant une deuxième anode cylindrique disposée selon le plus petit rayon du premier cylindre et s'étendant sensiblement sur la hauteur dudit premier cylindre. La source d'ions peut également comporter une cathode chaude.

[0025] Selon un quatrième mode de réalisation, à confinement électrostatique, la source d'ions est du type Reflex électrostatique (SIRE) et présente au moins une anode annulaire, ou avantageusement un électrode multiannulaire.

[0026] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en liaison avec les dessins qui représentent :

- la figure 1, un tube neutronique à extraction axiale du type Penning, selon l'art antérieur (demande FR 2637725).

- les fig. 2a et 2b, dans une même structure cylindrique, deux variantes d'un tube à source d'ions de type Penning, à extraction radiale selon l'invention, les fig. 2c et 2d étant des détails des fig. 2a et 2b.

- les fig. 3a et 3b, dans une même structure cylindrique, deux variantes préférées d'un tube à source Penning, à extraction radiale selon l'invention, les fig. 3c et 3d étant des détails des fig 3a et 3b, et la fig. 3e une variante de la fig.3a correspondant à une émission tronconique.

- la fig. 4 une première variante d'un tube à source d'ions de type magnétron inversé, à extraction radiale selon l'invention, la fig. 4b représentant le cheminement des électrons ionisants dans une telle source d'ions.

- les fig. 5 et 6 deux variantes d'un tube à source magnétron inversé, à extraction radiale selon l'invention, avec aimant ou solénoïde.

- les fig. 7 et 8 deux variantes d'un tube à source d'ions du type orbitron, à extraction radiale selon l'invention.

- et les fig. 9 et 10 deux variantes d'un tube à source d'ions de type Reflex électrostatique, à extraction radiale selon l'invention.

[0027] Le dessin 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 la focalisation 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.

[0028] La source d'ions 1 solidaire d'un isolateur 5 pouvant permettre le passage du connecteur d'alimentation en THT par exemple 250 kV (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.

[0029] L'anode est portée à un potentiel supérieur de l'ordre de quelques (1 à 6 par exemple) kV à celui de la cathode, elle même portée à la très haute tension THT. L'électrode d'accélération 2 et la cible 4 sont en général au potentiel de masse.

[0030] Selon les figures 2a et 2c, un tube neutronique est, selon l'invention à émission et à extraction radiale. La source d'ions est constituée d'une pluralité de sources de type Penning, arrangées selon une symétrie cylindrique (comme représenté) ou bien conique. Pour ce faire elle compte une structure annulaire, ou bien une pluralité de structures annulaires superposées 20 (et de même section dans le cas d'une symétrie cylindrique). Chaque structure annulaire 20 fixée mécaniquement sur un axe central 18 porté à un potentiel élevé (200 à 250 kV) comporte un aimant cylindrique 8 sur le plus petit rayon de la structure annulaire 20, et un anneau plat 14, ainsi qu'une partie cylindrique 8' disposée sur le plus grand rayon de la structure annulaire 20. L'anneau plat 14 forme une partie de structure métallique maintenant solidaires l'aimant cylindrique 8 et la partie cylindrique 8', qui peut être elle-même constituée par un aimant cylindrique contenu dans la structure cathodique 7. La cathode 7 est alors constituée par les surfaces cylindriques internes correspondant d'une part au rayon intérieur de plus faible valeur et d'autre part par au rayon extérieur de plus forte valeur. L'aimant cylindrique 8 a une hauteur au moins égale à celle de la cathode 7. L'anneau plat, du fait qu'il sert de circuit magnétique est constitué lui-même de matériau magnétique (fer doux ou alliage magnétique par exemple).

[0031] Une pluralité d'anodes cylindriques 6 sont réparties radialement sur le pourtour de la structure annulaire 20, et ont sensiblement le même axe que les ouvertures d'extraction 12 ménagées dans la partie cylindrique 8' de la structure cathodique 7. Une électrode d'accélération 2 se présente sur la forme d'un cylindre (ou d'un cône) présentant des ouvertures d'accélération 21 situées en face des ouvertures 12. La cible comporte un support cylindrique (ou conique) 4 sur lequel l'électrode d'accélération 2 peut être raccordée mécaniquement et électriquement. Un isolateur haute tension tronconique 5 maintient mécaniquement l'ensemble. La source d'ions peut être agencée de manière telle que l'émission ait lieu sur tout le pourtour ou seulement sur une partie ou secteur de celui-ci. Pour ce faire l'anneau peut s'étendre sur 360 ou seulement sur un angle plus limité, et comporte des ouvertures 12 seulement aux endroits utiles. Les ouvertures 12 de deux anneaux superposés peuvent être décalés angulairement par exemple pour une meilleure homogénéité du faisceau sur la cible. Un réservoir de deutérium-tritium est figuré en 23 ainsi qu'une jauge de mesure de pression 22. Des électrodes 24 suppresseurs d'électrons secondaires sont disposées dans des plans intermédiaires entre les anneaux, en dehors des faisceaux ioniques 3. Des traversées isolantes 25 réparties sur le pourtour permettent leur fixation mécanique et/ou leur alimentation électrique. Les électrodes 24 sont portées à un potentiel négatif (-5 kV par exemple) par rapport à ceux de l'électrode d'accélération 2 et de la cible 4 mises à la masse, et est avantageusement réalisée en un matériau réfractaire. Pour plus de renseignements, on se reportera à la demande de brevet français n 88 13186 déposée le 7 Octobre 1988 par la Demanderesse et publiée sous le n° FR 2 637 725. Les électrodes 24 sont de préférence toriques à section en V pour épouser au mieux le profil des faisceaux ioniques 3.

[0032] Aux figures 2b et 2d, les anodes 6' sont coniques et non cylindriques. Ces deux variantes ont été représentées par convenance sur une même structure cylindrique. On trouvera plus d'indication sur cette forme d'anode dans la demande de brevet français n° 88 13185 déposée le 7 Octobre 1988 par la Demanderesse et publiée sous le n° FR 2 637 724.

[0033] Un deuxième modèle de structure de source d'ions, toujours de type Penning consiste à intégrer les n modules de source d'ions cylindriques (ou coniques) dans une structure annulaire présentant une cartographie électrique proche, la répartition du champ magnétique étant semblable à la précédente. Pour ce faire, l'anode de la structure est constituée de deux disques parallèles 16 ou inclinés 16' l'un par rapport à l'autre pour mieux épouser les lignes de force de champ magnétique. Ces structures sont représentées figures 3a à 3d. La cathode 7 de la structure est constituée par les surfaces cylindriques internes correspondant d'une part au rayon intérieur de plus faible valeur et d'autre part au rayon extérieur de plus forte valeur, cette dernière surface est percée sur toute sa longueur d'une fente d'extraction 32 de hauteur et de profondeur couplées de façon à éviter la pénétration trop importante du champ électrique appliqué par l'électrode d'accélération. Comme dans une structure Penning classique, le champ magnétique à l'intérieur de la structure doit être supérieur au champ de coupure (valeur liée d'une part à la structure géométrique : distance entre les deux anneaux anodiques et à degré moindre à la distance intercathodique et d'autre part à la tension appliquée entre anode et cathode) c'est-à-dire au champ magnétique empêchant les électrons d'atteindre l'anode à partir d'oscillations sans choc ionisant.

[0034] Les aimants utilisés pour produire ce champ magnétique sont constitués comme précédemment d'anneaux répartis en deux ensembles maintenus mécaniquement par des carcasses métalliques 14 servant de circuit magnétique (matériau magnétique). Le premier ensemble est constitué de deux anneaux 8' disposés de part et d'autre de la fente d'extraction. Le deuxième aimant est constitué d'un cylindre 8 dont l'épaisseur est fonction du champ magnétique nécessaire au bon fonctionnement de la source et de la nature du matériau utilisé. Sa hauteur est au moins égale à la hauteur de la cathode 7.

[0035] Selon la figure 3e, des structures annulaires correspondant à la fig.3a, mais de rayons différents, sont empilés pour former une structure tronconique. L'électrode d'accélération 2 et la cible 4 peuvent être également tronconiques.

[0036] Pour la figure 3a, on peut avoir les valeurs suivantes : ri = 4 cm, r₂ = 7 cm, r₃ = 10,5 cm, r₄ = 15 cm ; épaisseur de l'aimant 8 : 1 cm ; épaisseur de l'aimant 8' : 1,5 cm ; hauteur d'un anneau h = 6 cm.

[0037] Selon les figures 4a et 4b, la source d'ions est réalisée à partir d'une structure dite "magnétron inversé", connue pour réaliser une jauge à ionisation (livre de Redhead et al précité). Les dimensions sont pratiquement identiques à celles de la structure Penning ainsi que la pression et les tensions de fonctionnement.

[0038] Dans cette structure (figure 4a), l'anode est constituée par un anneau 40 (par exemple de hauteur 3 cm, sur un rayon de 5 cm) situé à l'intérieur de la cavité cathodique 42 dont l'élément principal est constitué par la paroi cathodique cylindrique 41 séparée en deux parties par la fente d'extraction 32. La hauteur d'une cellule élémentaire peut être par exemple de 6 à 8 cm. Le champ électrique est, dans cette zone, radial et le champ magnétique de confinement est globalement perpendiculaire et par conséquent parallèle à l'axe de symétrie de la structure. Les électrons accélérés vers l'anode sont déviés vers la cathode par le champ magnétique et décrivent des cycloOlaes (figure 4b) avec pour base la surface cylindrique (ou la surface équipotentielle) sur laquelle ils ont été créés.

[0039] Le champ magnétique de confinement peut être créé par des aimants 48 en forme de disques disposés symétriquement par rapport au plan de symétrie de la structure ; ces aimants 48 peuvent être maintenus mécaniquement sur un support métallique 43 faisant office de circuit magnétique et dont le diamètre est inférieur au diamètre anodique. Il peut être également créé par une bobine 50 disposée à l'extérieur de la structure tube (figures 5 et 6) et conduisant à l'obtention d'un champ magnétique supérieur au champ de coupure. La bobine 50 a une hauteur qui peut être avantageusement égale à 1,5 à 2 fois la hauteur totale des structures cathodiques. Cette configuration peut être intéressante dans certaines utilisations nécessitant un freinage des neutrons, utilisation d'un matériau de bobinage lourd, refroidi par circulation d'eau pouvant servir également au refroidissement de la cible. Dans cette configuration un avantage important est que les électrons secondaires de la cible sont piégés (renvoi sur la cible 4) par le champ magnétique et l'électrode supresseuse 24 n'est plus strictement nécessaire en fonctionnement à basse pression (quelques 10-⁴ à 10-² Torr). Dans le cas des figures 5 et 6, l'anode peut être constituée (fig.5) par un anneau 40 disposé dans chaque cavité cathodique 42 délimitée par des anneaux plats 52 en matériau conducteur, la cathode étant constituée par des anneaux conducteurs 51 (par exemple de hauteur 3 à 4 cm) solidaires des anneaux plats 52 (par exemple de hauteur 2 mm) entre lesquels sont disposées des fentes d'extraction 32. L'anode est de préférence constituée (fig.6) par un seul cylindre (ou tronc de cône) 55 fixé par des entretoises 56, les anneaux plats 52 étant supprimés.

[0040] Les structures présentées maintenant comportent une source d'ions, à extraction radiale selon l'invention, avec un champ électrique de confinement.

[0041] Les figures 7 et 8 présentent une structure orbitron présentant une anode 70 de faible dimension (de diamètre par exemple compris entre 0,05 et 0,1 cm), située sur l'axe de la cathode 51 (de diamètre par exemple compris entre 10 et 15 cm). Cette structure peut être à cathode froide (figure 7) et par conséquent nécessitant une tension anodique élevée et une pression de fonctionnement comprise au mieux dans la plage des 10-^4-10-³ torr ou présentant également une cathode chaude 71 (figure 8), entraînant alors une extension plus grande de la plage de fonctionnement vers les basses pressions. Le principe de fonctionnement est le suivant : les électrons émis par les filaments ou les cathodes sont attirés par l'anode ; suivant leur angle d'émission et leur énergie initiale, ils peuvent "manquer" l'anode et ainsi osciller longuement à l'intérieur de la structure, la probabilité d'ionisation est ainsi fortement augmentée et une décharge, avec formation d'un plasma est créée. Les ions sont attirés sur la cathode et leur extraction est faite à travers une où plusieurs fentes cylindriques 32. L'extraction et la position des fentes 32 peuvent être réalisées de manière similaire à la structure magnétron inversé avec solénoïde. La structure d'accélération 2 et de suppression 24 des électrons secondaires de la cible sont semblables à celles des systèmes de source d'ions à champ magnétique de confinement. La forme et la position de l'électrode suppresseuse 24 doivent tenir compte des pressions de fonctionnement plus élevées, conformément aux dispositions prises dans le brevet français n° 88 13186 précitée.

[0042] Les figures 9 et 10 présentent des structures Reflex électrostatiques (SIRE) à cathode froide. L'anode 90 est proche de la cathode cylindrique 51 (diamètre de la cathode par exemple compris entre 2 et 3 cm) et les électrons oscillent entre les deux sections planes de la cathode ; la densité de courant ionique est beaucoup plus importante sur les deux sections planes de la cathode, en particulier à basse pression (p Ê 10-³ torr). L'extraction radiale se fait par l'intermédiaire de fentes cylindriques 32 ménagées dans la paroi cylindrique de la cathode 51, dans des conditions similaires à celles de la structure magnétron inversé. Leur surface relative (par rapport à la surface totale de la partie cylindrique de la cathode) peut être importante car l'essentiel de la décharge est due aux sections planes. Le nombre de fentes est fonction de la hauteur de la structure de la source d'ions et de ses dimensions. Le nombre d'anodes annulaires (section circulaire ou cylindrique) refroidies ou non et disposées dans la partie médiane entre les surfaces d'extraction est fonction de la hauteur de la structure. La figure 9 représente une structure à quatre "anneaux" d'extraction, tandis que la figure 10 représente un tube neutronique beaucoup plus haut avec N structures d'extraction (N > 4). Dans ce cas, on met en oeuvre une anode présentant plusieurs anneaux 91. Les parties "accélaration" 2 et "suppression d'électrons secondaires" 24 sont semblables à celles des structures à champs magnétiques. Le diamètre de la structure SIRE peut être de l'ordre de 10 à 15 cm. Leurs pressions de fonctionnement sont en général comprises entre 10-³ torr et quelques 10-² torr, et leurs tensions entre quelques kV et 12 kV.

[0043] Un accroissement important de l'émission neutronique, avec un accroissement - en valeur relative - beaucoup plus réduit du volume peut être obtenu en disposant plusieurs structures semblables suivant le même axe, comme l'indiquent les figures 2a à 2d, 3a à 3d, 4a, 5, 9 et 10. En effet, les parties isolement électrique et éventuellement les supports magnétiques, restent les mêmes, seules les parties actives composées des électrodes et (éventuellement) des aimants sont démultipliées. L'empilement peut être réalisé de manière à former des cylindres ou des troncs de cône. On peut, à titre d'exemple, donner les solutions suivantes.

- structure de source d'ions de type Penning : les circuits magnétiques en forme d'anneaux sont communs à deux structures consécutives et chaque structure a ses aimants propres (figures 2a à 2d, 3a à 3d.

- structure de source d'ions de type magnétron inversé avec aimants : deux structures consécutives ont les mêmes aimants 48 et les circuits magnétiques 41 sont empilés les uns et les autres et par conséquent propres à chaque structure (figure 4a),

- structure de sources d'ions de type magnétron inversé avec bobine extérieure ; la bobine extérieure 50 est plus longue que les structures de source d'ions empilées les unes sur les autres. La densité d'enroulement par unité de longueur est approximativement constante (figure 5).

[0044] Quant aux structures électrostatiques, leur volume plus grand et leur configuration propre ne permet que de disposer d'un nombre réduit de cellules complémentaires, sachant que les dimensions du tube sont proches de celles des structures à champ magnétique et que les structures électrostatiques sont équipées de plusieurs fentes d'extraction. Il est aussi avantageux de modifier les structures elles-mêmes (position et nombre d'anodes dans la structure SIRE, hauteur des cathodes cylindriques dans les structures SIRE et orbitron).

[0045] L'ensemble des structures décrites et représentées ci-dessus présentent les avantages de l'extraction radiale. L'extraction se faisant suivant une surface cylindrique (ou troconique), les structures bénéficient, indépendamment de l'effet de divergence du faisceau d'ions, d'un accroissement de la surface bombardée (cible 4) correspondant au rapport des rayons de la cible 4 et de l'électrode d'extraction (8', 41). En ce qui concerne la source d'ions proprement dite, l'extraction radiale, en particulier par une fente cylindrique 32, supprime en partie l'effet de gaine dû au périmètre de l'électrode d'extraction (c'est-à-dire la partie de la cathode où s'effectue l'extraction) et entraîne une augmentation du rendement d'extraction de la source, toutes choses égales par ailleurs.

[0046] Un deuxième avantage des structures à extraction radiale est de conduire à une réduction des champs électriques produisant l'émission froide des électrodes et du nombre de claquages en résultant grâce à une dissymétrie dans la répartition du champ électrique : pour une distance d'entre deux électrodes, le champ électrique appliqué moyen varie en 1/r :



E_ex = champ d'extraction ; E_acc = champ d'accélération r_ex = rayon d'extraction, d = distance d'accélération, k et k' sont des constantes.

[0047] Ainsi pour des distances d'accélération d de l'ordre de 20 mm et des électrodes d'extraction de rayon r ex 150 mm, la variation du champ électrique global par rapport à une structure classique (électrodes planes et parallèles) serait de l'ordre de 5 à 10 %. Cet écart faible correspond à une diminution du courant d'émission froide de l'ordre de 5 à 10 par rapport à une émission axiale.

[0048] L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits et représentés. Elle s'applique également par exemple aux tubes neutroniques en atmosphère de Deutérium uniquement (production de neutrons de 2,6 MeV). En outre, un fonctionnement pulsé est possible après mise en place dans la source d'ions, de manière connue en soi pour les sources à émission axiale, d'une source d'électrons ou d'un émetteur a et/ou et/ou y produisant les premières particules électriques à l'origine de l'armorçage et de la décharge dans la source d'ions.

Revendications

1. Tube neutronique comportant une source d'ions présentant au moins une anode, au moins une cathode, présentant au moins un orifice d'extraction, et comportant également un dispositif d'accélération disposé de manière à projeter au moins un faisceau ionique de la source d'ions sur une cible pour y produire une réaction entraînant une émission de neutrons caractérisé en ce que la source d'ions est disposée selon au moins une portion d'une première surface de révolution (8', 41, 51) et agencée pour produire une émission d'ions radiale et dirigée vers l'extérieur de ladite première surface (8', 41, 51), en ce que le dispositif d'accélération (2) est disposé selon au moins une portion d'une deuxième surface de résolution entourant ladite première surface (8', 41, 51), et en ce que la cible (4) est disposée selon au moins une portion d'une troisième surface de révolution entourant ladite deuxième surface.

2. Tube neutronique selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif suppresseur d'électrons secondaires (24) disposé selon au moins une portion d'une quatrième surface de révolution comprise entre la deuxième et la troisième surface.

3. Tube neutronique selon une des revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins une dite surface de révolution est un cylindre.

4. Tube électronique selon la revendication 3 caractérisé en ce que le dispositif d'accélération est une électrode cylindrique.

5. Tube neutronique selon une des revendication 1 à 4 caractérisé en ce que la source d'ions est constituée par au moins une source élémentaire à structure Penning (6, 8, 8', 14).

6. Tube neutronique selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de sources élémentaires disposées selon au moins des portions d'anneaux (20) superposés.

7. Tube neutronique selon une des revendications 5 ou 6 caractérisé en ce qu'il comporte un premier aimant cylindrique (8) disposé selon le plus petit rayon de la première surface de révolution et au moins un deuxième aimant cylindrique (8') contenu dans ladite cathode selon le plus grand rayon de la première surface de révolution, de manière à produire un champ magnétique radial.

8. Tube neutronique selon une des revendication 5 à 7 caractérisé en ce qu'au moins une anode (6, 6') est cylindrique ou tronconique de révolution.

9. Tube neutronique selon une des revendications 5 à 7 caractérisé en ce qu'au moins une anode est constituée de deux disques parallèles (16).

10. Tube neutronique selon une des revendication 6 ou 7 caractérisé en ce qu'au moins une anode est constituée de deux disques à section tronconique (16').

11. Tube neutronique selon une des revendications 9 ou 10 caractérisé en ce qu'au moins un orifice d'extraction est une fente annulaire (32).

12. Tube neutronique selon une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la source d'ions est constituée au moins par une structure du type magnétron inversé (fig.4a, 5, 6).

13. Tube neutronique selon la revendication 12 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un troisième aimant annulaire (48) disposé de manière à produire un champ magnétique longitudinal.

14. Tube neutronique selon une des revendications 12 ou 13 caractérisé en ce qu'au moins une anode (40) est annulaire.

15. Tube neutronique selon la revendication 12 caractérisé en ce qu'il comporte un solénoïde (50) de diamètre supérieur à celui de la troisième surface de révolution et agencé de manière à produire un champ magnétique longitudinal.

16. Tube neutronique selon la revendication 15 caractérisé en ce qu'il comporte une première anode cylindrique (55) disposée selon le plus petit rayon de la première surface de révolution et s'étendant sensiblement sur la hauteur de celle-ci.

17. Tube neutronique selon une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la source d'ions est de type orbitron (fig. 7, 8), comportant une deuxième anode cylindrique (70) disposée selon le plus petit rayon de la première surface de révolution et s'étendant sensiblement sur la hauteur de celle-ci.

18. Tube neutronique selon la revendication 17 caractérisé en ce qu'il comporte également une cathode chaude (71).

19. Tube neutronique selon une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la source d'ions est du type Reflex électrostatique (SIRE) (Fif. 9 et 10) et présente au moins une anode annulaire (90), au moins un orifice d'extraction étant une fente (32).

20. Tube neutronique selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comporte une anode multiannulaire (91).

Dessins