Source d'ions multicharges à résonance cyclotronique électronique de type guide d'ondes

Abstract

 Source d'ions multichargés à résonance cyclotronique électronique de type guide d'ondes.
Cette source comprenant une enceinte étanche (2) renfermant un milieu gazeux capable d'être ioniser pour former un plasma comportant des électrons accélérés par résonance cyclotronique électronique, cette enceinte comportant un axe longitudinal (4), une première (6) et une seconde (8) extrémités selon cet axe ; des moyens (12) d'injection d'un champ électromagnétique de fréquence supérieure ou égale à 6GHz dans l'enceinte, au niveau de sa première extrémité, pour ioniser le milieu gazeux ; des moyens (32, 34, 36, 38) pour créer, dans l'enceinte, un champ magnétique de symétrie axiale dont la valeur de l'induction B est minimum dans un plan médian de l'enceinte, perpendiculaire à l'axe ; des aimants permanents (40, 42, 44) pour créer un champ magnétique de symétrie radiale ; un système (28) d'extraction des ions, situé au niveau de la seconde extrémité, se caractérise en ce que l'enceinte est un guide d'ondes ayant une largeur (l) selon le plan médian (P) telle que 0,5≦l/λ≦1,5 où λ représente la longueur d'ondes du champ électromagnétique satisfaisant à la condition de résonance et en ce que les moyens pour créer le champ à symétrie axiale sont constitués d'aimants permanents.

Description

[0001] La présente invention a pour objet une source d'ions à résonance cyclotronique électronique (ECR) spécialement conçue pour la production d'ions positifs multichargés. Elle trouve de nombreuses applications, en fonction des différentes valeurs de l'énergie cinétique des ions extraits et de leurs charges, dans le domaine de l'implantation ionique, de la microgravure et plus particulièrement dans l'équipement des accélérateurs de particules, utilisés aussi bien dans le domaine scientifique que médical.

[0002] Dans le domaine des sources d'ions, on appelle source d'ions multichargés une source dont le courant produit par les ions une fois chargés est supérieur à celui produit par des ions au moins deux fois chargés.

[0003] Dans les sources à résonance cylclotronique électronique, les ions sont obtenus par ionisation d'un milieu gazeux constitué d'un ou plusieurs gaz ou de vapeurs métalliques, contenu dans une enceinte étanche à symétrie axiale, au moyen d'un plasma d'électrons fortement accélérés par résonance cyclotronique électronique. La pression résiduelle régnant dans l'enceinte est de l'ordre de 10⁻⁴ à 10⁻² Pa.

[0004] La résonance cyclotronique est obtenue grâce à l'action conjuguée d'un champ électromagnétique de haute fréquence (UHF), injecté dans l'enceinte, et d'un champ magnétique à symétrie axiale présentant une structure dite "à minimum |

|".

[0005] L'induction magnétique axiale présente une amplitude croissant du centre de l'enceinte à ses extrémités ; elle possède en particulier une amplitude Br qui satisfait à la condition (1) de résonance cyclotronique électronique Br=f.2πm/e dans laquelle e représente la charge de l'électron, m sa masse et f la fréquence du champ électromagnétique.

[0006] Un système d'extraction des ions, situé du côté de l'enceinte opposé à celui de l'injection de la haute fréquence, est prévu.

[0007] Le champ magnétique axial est créé soit par des bobines soit par des aimants permanents entourant l'enceinte étanche.

[0008] Dans ce type de source, la quantité d'ions pouvant être produite résulte de la compétition entre deux processus : d'une part la formation des ions par impact électronique sur des atomes neutres constituant le milieu gazeux à ioniser, et d'autre part, les pertes de ces mêmes ions par recombinaison due à une collision de ces ions avec un atome neutre du milieu gazeux non encore ionisé ou bien par diffusion jusqu'aux parois de l'enceinte.

[0009] Il est prévu de confiner dans l'enceinte les ions formés ainsi que les électrons servant à leur ionisation. Ceci est réalisé en superposant au champ magnétique de symétrie axiale un champ magnétique de symétrie radiale. Ce champ magnétique radial est obtenu à l'aide d'une structure multipolaire constituée généralement par des aimants permanents.

[0010] La superposition du champ magnétique radial et du champ magnétique axial conduit à la formation de surfaces d'équi-module de champ magnétique, fermées n'ayant aucun contact avec les parois de l'enceinte sur lesquelles la condition (1) de résonance cyclotronique électronique est satisfaite. Une telle source d'ions a notamment été décrite dans le document EP-A-0 238 397.

[0011] Les sources d'ions multichargés connues jusqu'à ce jour comportent une enceinte de confinement de dimension transversale (mesurée perpendiculairement à l'axe longitudinal de l'enceinte) nettement plus grande que celle du conduit par lequel est injectée la puissance électromagnétique (3 à 5 fois plus grande dans la source ECR du document EP-A-0 238 397). Dans ces conditions, l'enceinte se comporte comme une cavité résonnante multimode, favorisant le remplissage uniforme de la puissance électromagnétique dans le volume utile pour l'ionisation du milieu gazeux et permettant ainsi un chauffage efficace du plasma.

[0012] D'autre part, la fréquence f de l'onde électromagnétique destinée à la création du plasma doit être de l'ordre de grandeur de la fréquence de coupure associée à la densité électronique n_e du plasma ; cette fréquence de coupure est donnée par l'équation n_e.e²/m.ε_o, où m et e ont les significations précédentes et ε_o représente la permittivité diélectrique du vide.

[0013] Dans le cas d'un plasma destiné à créer des ions multichargés, la densité électronique n_edoit être aussi élevée que possible, d'où le choix de la fréquence électromagnétique f la plus élevée possible, compatible avec la technologie des hyperfréquences actuelles : généralement f est choisi de 10 à 14GHz ; la longueur d'onde dans le vide de ces ondes électromagnétiques est de l'ordre de 3 centimètres (guide rectangulaire de 10x22 mm pour 8 à 12 GHz et de 7x14 mm pour 12 à 18 GHz). Cette dimension définit le diamètre ou la section du conduit HF qui alimente la décharge.

[0014] Des mesures préliminaires ont permis de montrer que le plasma s'organise de manière totalement inhomogène dans la structure magnétique.

[0015] En effet, celui-ci prend la forme d'un "cordon de plasma", présentant une densité marquée au voisinage de l'axe avec une symétrie quasi cylindrique. La dimension caractéristique de ce plasma est aussi de l'ordre du centimètre.

[0016] L'utilisation d'enceintes de confinement surdimensionnées implique soit l'utilisation de bobines pour créer le champ magnétique de confinement (champ axial + champ radial) et donc l'utilisation d'une forte puissance électrique en tenant compte du système de refroidissement associé à ces bobines, soit l'utilisation de grandes quantités d'aimants permanents rendant la source coûteuse et lourde. En outre, l'encombrement total de la source varie comme le cube du diamètre de l'enceinte.

[0017] Il faut toutefois noter que l'emploi de telles structures magnétiques permet la production de champs magnétiques axial et radial élevés, ce qui est nécessaire à la production d'ions multichargés.

[0018] Tous ces aspects rendent difficile l'emploi des sources ECR d'ions multichargés, actuelles dans les systèmes électrostatiques où la puissance et l'encombrement alloués à la source d'ions sont extrêmement réduits (plateforme très haute tension THT, Van de Graff ou terminal de Tandem). De plus, si le milieu gazeux est fortement radioactif (émission de gammas et de neutrons) l'utilisation de bobines ne peut plus être envisagée du fait des risques de vieillissement prématurés des résines d'imprégnation utilisées dans ces bobines.

[0019] La publication de C.M. Lyneiss (Proceedings of the 1987 IEEE Particle Accelerator Conference : Accelerator Engineering and Technology, vol.1, mars 1987, pp. 254-258, "Status of ECR source technology) relative aux différents types de sources ECR disponibles dans le commerce enseigne l'emploi d'une enceinte à plasma de diamètre D>2λ, où λ représente la longueur d'onde du champ électromagnétique haute fréquence, pour obtenir des ions multichargés et que l'emploi d'une enceinte avec D<λ entraîne rapidement la décroissance en charge des ions.

[0020] En outre, ces sources utilisent des bobines pour créer le champ magnétique axial et présentent donc les inconvénients mentionnés ci-dessus.

[0021] Le document de K. Amemiya et al. (Nuclear Instruments et Methods in Phys. Res. B, vol. 37/38, n°2, février 1989, "New microwave ion source for high energy ion implanter) est relatif à une source fonctionnant à 2,45GHz produisant un faible courant d'ions multichargés. Cette source monomode, à l'inverse des sources ECR d'ions multichargés qui sont multimodes, présente l'inconvénient de comporter des bobines pour créer le champ magnétique axial. En outre, le courant d'ions multichargés produit est très faible.

[0022] Aussi, l'invention a pour objet une nouvelle source d'ions multichargés à résonance cyclotronique électronique à enceinte étanche de confinement de dimensions réduites, permettant de remédier aux différents inconvénients mentionnés ci-dessus.

[0023] L'invention a donc pour objet une source d'ions multichargés à résonance cyclotronique électronique comportant :

a) - une enceinte étanche renfermant un milieu gazeux capable d'être ionisé pour former un plasma comportant des électrons accélérés par résonance cyclotronique électronique, cette enceinte comportant un axe longitudinal, une première et une seconde extrémité orientées selon cet axe,

b) - des moyens d'injection d'un champ électromagnétique de fréquence supérieure ou égale à 6GHz dans l'enceinte, au niveau de sa première extrémité, pour ioniser le milieu gazeux,

c) - des moyens pour créer, dans l'enceinte, un champ magnétique de symétrie axiale dont la valeur de l'induction B est minimum dans un plan médian de l'enceinte, perpendiculaire à l'axe,

d) - des aimants permanents pour créer un champ magnétique de symétrie radiale,

e) - un système d'extraction des ions, situé au niveau de la seconde extrémité,

caractérisée en ce que l'enceinte étanche est un guide d'ondes ayant une largeur l selon le plan médian (P) telle que 0,5≦l/λ≦1,5 où λ représente la longueur d'onde du champ électromagnétique satisfaisant à la condition de résonance et en ce que les moyens pour créer le champ à symétrie axiale sont constitués d'aimants permanents.

[0024] L'emploi d'une fréquence électromagnétique ≧6GHz, et pouvant aller jusqu'à 30GHz, permet l'obtention d'un faisceau d'ions multichargés, ce qui n'est pas le cas avec des fréquences <6GHz.

[0025] Ainsi, il est possible de réaliser une enceinte étanche à décharge ne dépassant pas quelques centimètres de diamètre ou de côté, suivant que l'enceinte présente une section circulaire ou carrée, et permettant la production d'ions plusieurs fois chargés.

[0026] L'introduction du champ électromagnétique de haute fréquence peut être assurée, soit par une transition du type coaxial, soit par une injection directe, à partir d'un guide d'ondes rectangulaire ou circulaire en mode fondamental.

[0027] Selon l'invention, l'enceinte présente, selon son plan médian, une section sensiblement égale à celle du guide d'ondes assurant l'injection du champ électromagnétique dans l'enceinte.

[0028] Ainsi, la dimension de l'enceinte de confinement du plasma n'est limitée que par les plus petites dimensions du guide d'ondes, rectangulaire ou circulaire, associé à la fréquence électromagnétique de l'onde utilisée.

[0029] Du fait des dimensions extrêmement réduites de l'enceinte à décharge, il est possible de n'utiliser que des aimants permanents, de petites tailles, répartis autour de l'enceinte pour créer les champs magnétiques axial et radial, contrairement aux sources ECR de l'art antérieur. Le coût de la source de l'invention se trouve ainsi réduit par rapport à celui des sources classiques.

[0030] La production d'ions multichargés nécessite la création de champs magnétiques axial et radial élevés. Or, l'emploi de petits aimants va à l'encontre de la production de champs magnétiques élevés.

[0031] La configuration particulière des aimants utilisés dans l'invention permet avec de petits aimants la production de champs magnétiques élevés et donc la production d'ions multichargés. Ces aimants sont notamment fortement coercitifs.

[0032] Par ailleurs, et de façon avantageuse, les moyens pour créer le champ magnétique à symétrie axiale comportent des premiers aimants permanents à symétrie axiale, entourant l'enceinte, dont l'aimantation est substantiellement perpendiculaire à l'axe de l'enceinte, ces aimants étant situés au niveau des première et seconde extrémités.

[0033] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

• la figure 1 représente schématiquement, en coupe longitudinale, une source d'ions conforme à l'invention,
• la figure 2 représente schématiquement une variante de la source de l'invention,
• la figure 3 montre un système d'aimants permanents utilisable dans la source de l'invention,
• les figures 4 à 6 donnent trois spectres d'ions multichargés obtenus avec la source de l'invention à une fréquence HF de 10GHz ; les figures 4 et 5 sont relatives à l'argon et la figure 6 au tantale.

[0034] Sur la figure 1, on a représenté schématiquement, en coupe longitudinale, une source d'ions positifs multichargés à résonance cyclotronique électronique, selon l'invention. Cette source ECR comporte un guide d'ondes 2 non résonnant, constituant une enceinte à vide de confinement, équipée d'un axe de symétrie 4. Cette enceinte peut présenter une section circulaire ou une section carrée.

[0035] La référence P indique le plan médian de l'enceinte 2, perpendiculaire à l'axe 4 et C indique le milieu de l'enceinte (intersection du plan P et de l'axe 4). On note l la largeur ou le diamètre du guide 2 ; l est appelé, ci-après, la dimension caractéristique de l'enceinte.

[0036] Cette enceinte comporte en outre une extrémité d'entrée 6 et une extrémité de sortie 8, centrées selon l'axe 4.

[0037] Le guide d'ondes 2 est excité par un champ électromagnétique de haute fréquence (HF ou UHF) de fréquence ≧6GHz, injecté au niveau de son extrémité 6. Ce champ haute fréquence est produit par une source 10 telle qu'un klystron, couplée à l'enceinte de confinement 2, via une cavité de transition 12 comportant une ouverture 14, disposée dans le prolongement du guide 2 et coaxialement. Cette ouverture 14 présente une largeur (ou diamètre) sensiblement égale à celle du guide d'ondes 2.

[0038] La cavité de transition 12 comporte à son entrée latérale HF une fenêtre étanche 16 en matériau diélectrique.

[0039] Selon l'invention, la dimension caractéristique l de l'enceinte 2 est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde. Autrement dit, l/λ satisfait à l'équation 0,5≦l/λ≦1,5 où λ est la longueur d'onde du champ HF utilisée.

[0040] Sur la figure 1, l'injection de la haute fréquence dans l'enceinte 2 est réalisée coaxialement à l'introduction du gaz ou de la vapeur métallique dans l'enceinte 2, destiné à former le plasma. A cet effet, la cavité de transition 12 est traversée par une conduite 18 d'alimentation en gaz ou vapeur, centrée sur l'axe 4 de l'enceinte et débouchant en aval de l'extrémité 6 du guide d'ondes 2. Le guide 2 et la conduite 18 sont métalliques et définissent une ligne coaxiale.

[0041] Le plasma peut consister en de l'hydrogène, du néon, du xénon, de l'argon, de l'oxygène, du tungstène, du titane, etc.

[0042] Une pompe à vide non représentée permet de créer dans l'enceinte 2 un vide de 10⁻⁴ à 10² Pa. La pompe à vide est généralement placée en aval de l'extrémité de sortie 8 de la chambre à vide 2.

[0043] L'onde électromagnétique peut être continue ou pulsée et présenter une fréquence allant de 6 à 30GHz et typiquement valant 10GHz.

[0044] Conformément à l'invention, il est possible, comme schématisé sur la figure 2, d'injecter la haute fréquence dans l'enceinte de type guide d'ondes 2 directement dans celle-ci à l'aide d'un guide 20 de section rectangulaire débouchant directement dans l'enceinte 2 selon une direction radiale. La longueur l′ du guide d'entrée 20 est égale approximativement à la largeur l de l'enceinte 2. Un guide d'onde circulaire en mode fondamental est aussi possible. Un système de couplage par fentes entre un guide rectangulaire et l'enceinte est aussi possible et remplacerait la cavité de transition.

[0045] En revenant sur la figure 1, on voit que la chambre de confinement 2 est portée à un potentiel positif par rapport à la masse, grâce à une source d'alimentation électrique 18 et est entourée d'une structure magnétique 19, par exemple de symétrie de révolution lorsque l'enceinte 2 est cylindrique, destinée à créer le champ magnétique dans l'enceinte guide 2. Un système mécanique 20 permet le maintien de cette structure magnétique sur l'enceinte guide 2.

[0046] On trouve en outre à l'extrémité 8 de l'enceinte 2 une plaque 21 pourvue d'un orifice de sortie 22 des ions ; cet orifice 22 est centré sur l'axe 4.

[0047] En sortie de la chambre 2, on trouve aussi un blindage 24 de forme extérieure cylindrique et de forme interne tronconique, disposé coaxialement au guide d'ondes 2 et dans son prolongement ; le diamètre interne de ce blindage 24 va en s'élargissant de l'amont vers l'aval de la source. Ce blindage est réalisé en noyau de fer doux ou en aimant permanent. L'angle T que forme la paroi interne du blindage 24 avec une direction parallèle à l'axe 4 est de 20° environ. La forme du blindage 24 assure la distance d'isolement électrostatique de la chambre 2 avec l'électrode d'extraction 28 des ions.

[0048] En appui sur le système mécanique 20, on trouve une virole cylindrique 26 en matériau électriquement isolant, servant de support à une électrode d'extraction 28 des ions. Cette électrode 28 présente la forme d'un cylindre et est disposée coxialement au guide d'ondes 2. Elle est portée au potentiel de la masse afin d'accélérer les ions formés dans l'enceinte.

[0049] La structure magnétique 19 permet la création, dans l'enceinte 2, de lignes équimagnétiques 30 fermées. La valeur de l'induction B sur ces lignes satisfait l'équation de résonance (1). En outre, l'induction B diminue du centre C à la périphérie de l'enceinte 2.

[0050] Du fait de la miniaturisation de l'enceinte de confinement, la structure magnétique 19 peut consister uniquement en un système d'aimants permanents fortement coercitifs, juxtaposés entourant l'enceinte de confinement 2. Ces aimants sont réalisés en FeNdB ou SmCO₅ (matériaux magnétiques "durs").

[0051] Cette structure magnétique, comme représenté sur les figures 1 et 3, présente une symétrie axiale et constitue un circuit magnétique ouvert.

[0052] Selon l'invention, des aimants permanents 32 et 34 à aimantation radiale, disposés respectivement à l'entrée et à la sortie de la chambre 2, permettent de créer dans celle-ci le champ magnétique de symétrie axiale. Ces aimants 32 et 34 se présentent sous la forme d'un anneau cylindrique.

[0053] L'aimant d'entrée 32 a son vecteur aimantation orienté de sorte que son pôle sud soit dirigé substantiellement vers l'enceinte 2. A l'inverse, l'aimant de sortie 34 est tel que son pôle nord soit dirigé substantiellement vers l'enceinte 2.

[0054] Ces aimants 32 et 34 permettent la création d'un champ magnétique à symétrie axiale présentant dans le plan médian P de la chambre 2 une valeur minimum en passant par des valeurs maximums au niveau des aimants 32 et 34. Ces aimants 32 et 34 définissent donc deux miroirs magnétiques.

[0055] Des aimants permanents 36 et 38 entourant le guide d'ondes 2 sont disposés de sorte que leur vecteur aimantation soit orienté sensiblement de l'extrémité d'entrée 6 à l'extrémité de sortie 8 de l'enceinte. Ces aimants 36 et 38 ont la forme d'un anneau et contribuent avec les aimants 32 et 34 à la création du champ magnétique de symétrie axiale dans l'enceinte 2. Ces aimants servent à magnétiser l'ensemble de l'enceinte guide sur une distance D1.

[0056] L'ouverture annulaire 35 de longueur D2 séparant les aimants 36 et 38 de la structure magnétique permet de contrôler le champ magnétique de symétrie axiale, dans le plan médian P de l'enceinte 2.

[0057] Selon l'invention, les aimants à aimantation axiale 36 et 38 sont accolés respectivement aux aimants 32 et 34 et situés entre ces aimants 32 et 34.

[0058] En outre, les rayons internes R₁ et R₂ des aimants 36 et 38 sont supérieurs aux rayons internes R₃ et R₄ des aimants 32 et 34.

[0059] Des barreaux aimantés 40 et 42, de forme allongée, sont logés dans l'espace annulaire défini entre l'enceinte guide 2 et les aimants 32, 34, 36 et 38. Ces aimants ont une aimantation radiale et définissent une structure multipolaire par exemple quadrupolaire, hexapolaire, octopolaire ou dodécapolaire ; les polarités des aimants 40 et 42 sont alternées. En particulier, ces barreaux sont distants de R₁ de l'axe 4.

[0060] Ces barreaux aimantés définissent dans l'enceinte 2 le champ radial de confinement.

[0061] Dans l'espace 35, de longueur D2, il est possible, mais non obligatoire, comme représenté sur la figure 3, d'introduire des aimants 44, 45 à aimantation radiale et à structure multipolaire, pour renforcer localement le champ radial là où le champ axial est minimum, c'est-à-dire dans le plan médian.

[0062] Il est en outre possible, comme représenté sur la figure 1, d'introduire dans cet espace annulaire 35, au-dessus des aimants 44 un anneau aimanté 46 à aimantation axiale afin d'augmenter encore localement le champ axial.

[0063] Les longueurs maximales L₁ et L₂ des aimants 32 et 34, mesurées selon une direction parallèle à l'axe 4, peuvent être adaptées pour définir un éventuel déséquilibrage du module du champ magnétique résultant entre l'entrée et la sortie' de la source, déséquilibrage permettant d'optimiser le taux de fuite du plasma. Le module du champ à l'entrée doit donc être plus fort qu'à la sortie.

[0064] A cet effet, L₁ peut être choisi supérieur à L₂.

[0065] Un même effet peut aussi être réalisé par optimisation des rayons internes R₁ et R₂ des aimants annulaires 32 et 34, par optimisation des rayons externes R₃ et R₄ des aimants 32, 36 d'une part et 34, 38 d'autre part ainsi que par optimisation des angles a₁, b₁, a₂, b₂ que forme l'aimantation des aimants 32, 36, 34 et 38 avec l'axe 4.

[0066] En particulier, la distance R₁ séparant l'axe 4 de l'aimant 32 situé au niveau de l'extrémité d'entrée 6 est inférieure à la distance R₂ séparant l'axe de l'aimant 34 situé au niveau de l'extrémité 8 de sortie.

[0067] Par ailleurs, les angles C₁ et C₂ que font, par rapport à une direction parallèle à l'axe 4, les extrémités des aimants 32 et 36 en regard d'une part et les angles C₃ et C₄ que font, par rapport à une direction parallèle à l'axe 4, les extrémités des aimants 34 et 38 en regard d'autre part, peuvent être optimisés de manière à définir un circuit magnétique idéal (continuité du flux magnétique).

[0068] Notons que sur la figure 1, les angles a₁, b₁, a₂, b₂, C₁ et C₂ sont nuls par rapport à l'axe 4.

[0069] Les aimants 34 et 32 de l'invention permettent de diminuer la masse et la dimension des aimants 38 et 36 de façon importante.

[0070] Au lieu d'utiliser un blindage 24 en noyau de fer doux monté à l'intérieur de l'aimant annulaire 34, il est possible d'utiliser une partie aimantée faisant partie intégrante de l'aimant 34. Toutefois, du point de vue fabrication, il est plus facile de donner la forme recherchée à un noyau de fer doux qu'à un aimant.

[0071] Une source d'ions comportant une chambre 2 de diamètre interne l de 26mm et une longueur A de 160 mm environ a été réalisée. Elle a été excitée par un champ UHF de 10 GHz et un champ magnétique dont l'induction B variait progressivement de 0,3 T au centre C de l'enceinte à 0,8 T au niveau des parois latérales de l'enceinte 2.

[0072] Avec cette source, on a réalisé des spectres d'ions multiples donnés sur les figures 4 à 6. Ces spectres donnent l'intensité, exprimée en microampères, du courant d'ions I sortant de la source d'ions en fonction du courant dans l'aimant d'analyse, exprimé en ampères ; ce courant d'analyse donne le rapport Q/A où Q est la charge de l'ion et A sa masse. Les figures 4 et 5 sont relatives à l'argon et la figure 6 au tantale.

[0073] Ces spectres ne montrent qu'une faible diminution de la charge moyenne, comparée à une source de grand volume ; des ions chargés 6+ sont obtenus au lieu de 8+ pour l'argon et des ions chargés 16+ sont obtenus au lieu de 20+ pour le tantale.

[0074] Si l'on observe le courant d'ions I produit par l'ion le plus abondant de la distribution, on obtient un courant de 250 microampères pour des ions chargés huit fois dans une source classique et un courant de 25 microampères pour des ions chargés six fois dans une source type guide d'ondes, conforme à l'invention.

[0075] Ce courant est l'image du courant total d'ions multichargés contenus dans le spectre. On constate que celui-ci a évolué dans le rapport des sections droites des chambres à plasma, soit proportionnellement au volume de plasma qui y est contenu.

[0076] Cette variation qui ne dépend, a priori, que des paramètres géométriques peut laisser penser que la densité du flux de plasma utile à la formation du faisceau extrait dans la région d'extraction est restée constante dans les deux types de source.

[0077] Le diamètre d'une source de l'invention est, à même fréquence électromagnétique, environ un tiers inférieur à celui de l'art antérieur.

[0078] Notons que la source représentée sur la figure 1 est à l'échelle 1/1.

[0079] La source de l'invention permet en outre, à charge moyenne extraite équivalente, un gain énergétique de l'ordre de 40 KW à quelques centaines de Watts et par ailleurs un coût de mise en oeuvre de 10 à 20 fois inférieur à celui des sources de l'art antérieur.

Revendications

1. Source d'ions multichargés à résonance cyclotronique électronique comportant :

a) - une enceinte étanche (2) renfermant un milieu gazeux capable d'être ionisé pour former un plasma comportant des électrons accélérés par résonance cyclotronique électronique, cette enceinte comportant un axe longitudinal (4), une première (6) et une seconde (8) extrémités orientées selon cet axe,

b) - des moyens (12, 20) d'injection d'un champ électromagnétique de fréquence supérieure ou égale à 6GHz dans l'enceinte, au niveau de sa première extrémité, pour ioniser le milieu gazeux,

c) - des moyens (36, 38) pour créer, dans l'enceinte, un champ magnétique de symétrie axiale dont la valeur de l'induction B est minimum dans un plan médian de l'enceinte, perpendiculaire à l'axe,

d) - des aimants permanents (32, 34, 40) pour créer un champ magnétique de symétrie radiale,

e) - un système (28) d'extraction des ions, situé au niveau de la seconde extrémité,

caractérisée en ce que l'enceinte (2) étanche est un guide d'ondes ayant une largeur (l) selon le plan médian (P) telle que 0,5≦l/λ≦1,5, où λ représente la longueur d'onde du champ électromagnétique satisfaisant à la condition de résonance et en ce que les moyens pour créer le champ à symétrie axiale sont constitués d'aimants permanents.

2. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'injection comportent un guide d'ondes (20) agencé pour injecter le champ électromagnétique selon une direction perperpendiculaire à l'axe.

3. Source d'ions selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'enceinte (2) présente une largeur (l), mesurée selon le plan médian, sensiblement égale à la largeur (l′) du guide d'ondes des moyens d'injection.

4. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens d'injection comportent une cavité de transition (12), en communication directe avec l'enceinte, cette cavité étant traversée par une conduite d'amenée (18) du milieu gazeux débouchant dans l'enceinte en aval de la première extrémité et coaxialement à cette dernière.

5. Source d'ions selon la revendication 4, caractérisée en ce que la cavité de transition communique avec l'enceinte par une ouverture de largeur sensiblement égale à celle de l'enceinte, mesurée selon le plan médian.

6. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les moyens pour créer le champ magnétique à symétrie axiale comportent des premiers aimants permanents (32, 34) à symétrie axiale, entourant l'enceinte (2), dont l'aimantation est substantiellement perpendiculaire à l'axe de l'enceinte, ces aimants étant situés au niveau des première et seconde extrémités.

7. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les moyens pour créer le champ magnétique de symétrie radiale comportent des aimants permanents (40, 42) répartis autour de l'enceinte et agencés selon une structure multipolaire et dont l'aimantation est substantiellement perpendiculaire à l'axe de l'enceinte.

8. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les moyens pour créer le champ magnétique à symétrie axiale comportent des seconds aimants permanents (36, 38) à symétrie axiale, entourant l'enceinte (2) dont l'aimantation est substantiellement parallèle à l'axe de l'enceinte.

9. Source d'ions selon la revendication 6, caractérisée en ce que les premiers et seconds aimants sont accolés.

10. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend des aimants permanents (44, 45) à aimantation radiale, disposés au niveau du plan médian et agencés selon une structure multipolaire, créant un champ magnétique radial complémentaire dans ce plan.

11. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle comprend un aimant permanent (46) à symétrie axiale, disposé dans le plan médian créant un champ magnétique axial complémentaire dans ce plan.

12. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisée en ce que la distance (R₁) séparant l'axe (4) de l'aimant (32) situé au niveau de la première extrémité (6) est inférieure à celle (R₂) séparant l'axe de l'aimant (34) situé au niveau de la seconde extrémité (8).

13. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisée en ce que la longueur (L₁) des aimants (32) situés au niveau de la première extrémité est supérieure à la longueur (L₂) des aimants (34) situés au niveau de la seconde extrémité, ces longueurs étant mesurées selon une direction parallèle à l'axe.

14. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce qu'elle comprend un blindage en noyau de fer doux (24) en regard des moyens d'extraction dont la paroi interne forme un angle T>0 par rapport à l'axe de l'enceinte.

Dessins