Source d'ions, notamment métalliques fortement chargés dont le courant d'ions est régulé

Description

[0001] La présente invention a pour objet une source d'ions, notamment métalliques, fortement chargés dont le courant d'ions est régulé. Ce courant d'ions fortement chargés est notamment utilisé pour la mesure de constantes physiques et surtout destiné à équiper les accélérateurs de particules, utilisés aussi bien dans le domaine scientifique que médical.

[0002] L'un des procédés utilisé pour obtenir un courant d'ions fortement chargés, ou multichargés, consiste à évaporer un matériau solide, par exemple un échantillon de métal placé dans une cavité hyperfréquence, et à ionisier les vapeurs produites.

[0003] La vaporisation, puis l'ionisation du matériau sont obtenues par interaction d'un plasma chaud d'électrons, confiné dans ladite enceinte, avec ledit matériau. Ce plasma d'électrons est formé en ionisant un gaz, injecté dans la cavité, grâce à l'action conjuguée d'un champ électromagnétique de haute fréquence, établi dans ladite cavité, et d'un champ magnétique régnant à l'intérieur de cette même cavité. Le champ magnétique présente une amplitude B satisfaisant à la condition de résonance cyclotronique électronique: B = f · 2nm, où m est la masse de l'électron, e sa e charge et f la fréquence du champ électromagnétique. Cette résonance permet d'accélérer fortement les électrons créés, tout d'abord à partir du gaz, puis à partir de la vaporisation du matériau.

[0004] Ce procédé de vaporisation a été décrit dans une demande de brevet n° 2 512 623 déposée le 10 septembre 1981 par le demandeur et intitulée «Procédé de fusion et/ou d'évaporation pulsée d'un matériau solide». Les ions métalliques créés peuvent ensuite être extraits de la cavité pour former un faisceau d'ions.

[0005] Dans un tel procédé de production d'un courant d'ions multichargés, l'un des problèmes importants réside dans la régulation du courant d'ions, c'est-à-dire dans l'obtention d'un courant d'ions d'intensité constante. Ceci est très important notamment pour l'utilisation de ces courants d'ions dans les accélérateurs de particules.

[0006] La présente invention a justement pour objet une source d'ions produisant un courant d'ions régulé permettant de résoudre ce problème.

[0007] De façon plus précise, l'invention a trait à une source d'ions, notamment métalliques, fortement chargés, obtenu selon le procédé d'évaporation décrit précédemment. Selon une des caractéristiques de l'invention, cette source comprend des moyens pour pulser - le champ électromagnétique, injecté dan la cavité, et pour contrôler la puissance moyenne de ce champ électromagnétique, ces moyens étant constitués par un générateur d'impulsions haute fréquence, dont on règle le cycle utile, c'est-à-dire le rapport t/T, t étant la durée d'une impulsion et T la période des impulsions, une vanne servant à modifier le flux de gaz introduit dans la cavité, des moyens permettant d'asservir ladite vanne de façon que la pression régnant dans la cavité reste constante, et des moyens permettant de déplacer lentement, dans la cavité, le matériau solide de façon que celui-ci intercepte au mieux le plasma d'électrons.

[0008] Dans un mode préféré de réalisation de la source d'ions de l'invention, le générateur d'impulsions est asservi de façon que l'intensité du courant d'ions reste constante. Ces moyens d'asservissement comprennent de préférence des moyens de mesure de l'intensité du courant d'ions, connectés à un microprocesseur.

[0009] Dans un mode préféré de réalisation de la source de l'invention, les moyens pour asservir la vanne sont constitués de moyens de mesure de la pression, connectés à un microprocesseur.

[0010] Dans un mode préféré de réalisation de la source de l'invention, les moyens de déplacement sont asservis pour que l'intensité du courant d'ions soit constante. Ces moyens d'asservissement sont de préférence constitués de moyens de mesure de l'intensité du courant d'ions, connectés à un microprocesseur.

[0011] De façon avantageuse, le gaz introduit dans la cavité est constitué par de l'argon, de l'azote ou de l'oxygène. Ce type de gaz convient particulièrement bien à l'obtention d'ions métalliques provenant de la vaporisation de métaux réfractaires tels que le tungstène, le tantale, le molybdène, le zirconium, etc...

[0012] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles:

- la figure 1 représente, schématiquement, selon une première variante, une source d'ions comportant un dispositif de régulation manuelle du courant d'ions obtenus selon le procédé de vaporisation d'un matériau, et

- la figure 2 représente, schématiquement, selon une deuxième variante, une source d'ions comportant un dispositif de régulation automatique d'un courant d'ions obtenus selon le procédé de vaporisation d'un matériau.

[0013] En se référant aux figures 1 et 2, on va tout d'abord décrire la source d'ions, c'est-à-dire l'appareil permettant de produire le courant d'ions fortement chargés.

[0014] Cet appareil comprend une enceinte à vide de confinement 2 qui constitue une cavité résonante pouvant être excitée par un champ électromagnétique hyperfréquence, qui est selon l'invention pulsé. Ce champ électromagnétique, produit par une source 3, tel qu'un klystron, est introduit dans la cavité au moyen d'un guide d'ondes 4, à section circulaire ou rectangulaire. Cette source 3 est alimentée en courant par une source d'alimentation 6. Une conduite 8 permet d'introduire un gaz dans la cavité hyperfréquence 2 tel que de l'argon, de l'azote ou de l'oxygène.

[0015] Des moyens, schématisés en traits mixtes et portant la référence 10, permettent de créer un champ magnétique régnant à l'intérieur de la cavité 2. Ce champ magnétique présente une amplitude qui satisfait à la condition de résonance cyclotronique électronique, condition explicitée précédemment. Comme moyen permettant de produire un tel champ magnétique, on peut se référer à la demande de brevet français n° 2 475 798 déposée le 13 février 1980 par le demandeur et intitulée «Procédé et dispositif de production d'ions lourds fortement chargés et une application mettant en oeuvre le procédé».

[0016] L'association du champ électromagnétique et du champ magnétique permet d'ioniser fortement le gaz introduit dans le cavité 2. Les électrons produits sont alors fortement accélérés par résonance cyclotronique électronique, ce qui conduit à la formation d'un plasma chaud d'électrons, confiné dans la cavité. L'espace de confinement du plasma d'électrons est représenté par une ellipse hachurée portant la référence 11.

[0017] Dans la cavité 2, est disposé un échantillon 12 à partir duquel sera formé le courant d'ions. Cet échantillon, fixé sur un support 14, est notamment un échantillon de métal comme par exemple de tungstène, de tantale, de molybdène, de zirconium, etc... Cet échantillon est soumis à l'action du plasma chaud d'électrons 11, ce qui permet de la vaporiser, puis d'ioniser les vapeurs produites. Les ions métalliques formés sont ensuite extraits de la cavité 2 par exemple au moyen d'électrodes 16 entre lesquelles est créée une différence de potentiel négative à l'aide d'une source d'alimentation 17. Les ions issus de la cavité (flèche F) peuvent ensuite être analysés, par exemple sélectionnés suivant leur degré d'ionisation, à l'aide de tout moyen connu, schématisé en 18, utilisant un champ électrique et/ou un champ magnétique.

[0018] On va maintenant décrire le dispositif selon l'invention, permettant de réguler le courant d'ions produits, c'est-à-dire permettant d'obtenir un courant d'ions d'intensité constante.

[0019] Ce dispositif comprend un moteur 20, relié par l'intermédiaire d'une tige 22, au support 14 de l'échantillon 12 permettant de déplacer lentement ce dernier, de façon qu'il intercepte au mieux le plasma d'électrons 11. Plus l'échantillon 12 pénètre à l'intérieur de la cavité 2, plus sa température et donc son taux de vaporisation sont élevés.

[0020] Par ailleurs, le taux de vaporisation et donc d'ionisation des vapeurs, notamment métalliques, dépendent de la puissance moyenne du champ électromagnétique pulsé injecté dans la cavité 2 et ce pour une profondeur donnée de pénétration de l'échantillon dans le plasma d'électrons. Par exemple, pour obtenir des ions d'aluminium 10 fois chargés (avec un échantillon en oxyde d'aluminium, le gaz support étant l'oxygène), il est nécessaire d'utiliser un champ électromagnétique ayant une puissance au moins égale à 300 watts.

[0021] Le contrôle de la puissance moyenne du champ électromagnétique est obtenu en pulsant le champ électromagnétique. Ce champ pulsé peut être obtenu à l'aide d'un générateur d'impulsions 24, dont on ajuste le cycle utile, c'est-à-dire le rapport t/T, t étant la durée d'une impulsion et T la période des impulsions, ce générateur commandant la source d'alimentation électrique 6 alimentant la source d'onde électromagnétique 3. En effet, les électrons du plasma acquièrent l'énergie nécessaire pour vaporiser l'échantillon 12 puis ioniser les vapeurs produites dès l'application du champ électromagnétique hyperfréquence et perdent cette énergie presque aussitôt après la disparition dudit champ.

[0022] Comme on l'a dit précédemment, le plasma d'électrons chaud est obtenu tout d'abord par une ionisation d'un gaz, notamment d'argon, d'azote ou d'oxygène, introduit dans la cavité 2 par une conduite 8. Ce gaz permet la formation du plasma avant que la pression partielle des vapeurs métalliques soit suffisante pour engendrer des ions métalliques.

[0023] Pour réguler le courant d'ions sortant de la cavité (flèche F), la pression totale régnant dans la cavité doit être maintenue constante. A cet effet, la conduite d'alimentation en gaz 8 est équipée d'une vanne 26 servant à moduler le flux de gaz introduit dans la cavité. Un dispositif 28 de mesure de la pression totale régnant dans la cavité 2, tel qu'un manomètre, permet, par l'intermédiaire d'un dispositif approprié, d'assurer le fonctionnement de la vanne 26 pour que la pression totale régnant dans la cavité reste constante.

[0024] Ce dispositif approprié peut être constitué, comme représenté sur la figure 1, par un dispositif 30, connecté à une tension de référence R, permettant de comparer la tension fournie par le dispositif de mesure 28 et la tension de référence R et de fournir un signal de commande à la vanne 26, signal qui correspond à la différence de tension entre la tension fournie par le dispositif de mesure 28 et la tension de référence R.

[0025] Ce dispositif approprié peut aussi être constitué, comme représenté sur la figure 2, par un microprocesseur 32 commandant l'ouverture ou la fermeture de la vanne 26 suivant la tension fournie par le dispositif de mesure 28. Le microprocesseur est par exemple celui commercialisé sous la référence 6800 de MOTOROLA.

[0026] Par ailleurs, la mise en marche du moteur 20, servant à déplacer l'échantillon 12, et celle du générateur d'impulsions 24, servant à engendrer le champ électromagnétique pulsé peuvent être effectuées manuellement comme représenté sur la figure 1 ou bien automatiquement comme représenté sur la figure 2. Dans le deuxième cas, un dispositif 34 de mesure de l'intensité du courant d'ions sortant de la cavité 2, telle qu'une cage de Faraday, doit être prévu. Le signal fourni par le dispositif 34 est entré dans le microprocesseur 32 commandant la mise en marche ou l'arrêt d'une part du moteur 20 et, d'autre part, du générateur d'impulsions 24.

[0027] Le moteur d'entraînement 20 et le générateur d'impulsions 24 asservis à l'intensité du courant d'ions ainsi que la vanne 26 asservie pour que la pression totale régnant dans l'enceinte soit constante, constituent, selon l'invention, le dispositif permettant d'obtenir un courant d'ions, notamment métalliques, d'intensité constante.

Revendications

1. Source d'ions fortement chargés, obtenus en vaporisant, dans une cavité hyperfréquence (2), un matériau solide (12) puis en ionisant les vapeurs produites grâce à l'action d'un plasma chaud d'électrons (11), confiné dans ladite cavité, ce plasma (11) étant créé en ionisant un gaz, introduit dans la cavité (2), grâce à l'action conju- gée d'un champ électromagnétique de haute fréquence, établi dans la cavité, et d'un champ magnétique dont l'amplitude est telle que les électrons sont accélérés par résonance cyclotronique électronique, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (24) permettant de pulser le champ électromagnétique, injecté dans la cavité, et de contrôler la puissance moyenne de ce champ, comportant un générateur d'impulsions (24) dont on règle le cycle utile, une vanne (26) servant à modifier le flux de gaz introduit dans la cavité, des moyens (28, 30, 32) pour asservir ladite vanne de façon que la pression régnant dans la cavité reste constante, et des moyens (20) pour déplacer lentement, dans la cavité (2), le matériau solide (12) de façon que celui-ci intercepte au mieux le plasma d'électrons (11).

2. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (32, 34) pour asservir le générateur d'impulsions (24) de façon que l'intensité du courant d'ions soit constante.

3. Source d'ions selon la revendication 2, caractérisée en ce que les moyens pour asservir le générateur comprennent des moyens de mesure de l'intensité du courant d'ions (34), connectés à un microprocesseur (32).,

4. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour asservir la vanne (26) comprennent des moyens de mesure de la pression (28), connectés à un microprocesseur (32).

5. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (32, 34) pour asservir les moyens de déplacement (20) de façon que l'intensité du courant d'ions soit constante.

6. Source d'ions selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens pour asservir les moyens de déplacement (20) comprennent des moyens de mesure de l'intensité du courant d'ions (34), connectés à un microprocesseur (32). 7. Source d'ions selon le revendication 1, caractérisée en ce que le gaz introduit dans la cavité est de l'argon, de l'azote ou de l'oxygène.

Claims

1. Source of highly charged ions obtained by vaporizing a solid material (12) in an ultra-high frequency cavity (2) and then ionizing the vapours produced as a result of the action of a hot electron plasma (11) confined in said cavity, said plasma being produced by ionizing a gas introduced into the cavity (2) as a result of the combined action of a high frequency electromagnetic field, established in the cavity, and a magnetic field, whose amplitude is such that the electrons are accelerated by electron cyclotron resonance, characterized in that it comprises means (24) making it possible to pulse the electromagnetic field injected into the cavity and control the mean power of this field having a pulse generator (24), whose useful cycle is regulated, a valve (26) serving to modify the gas flux introduced into the cavity, means (28, 30, 32) for controlling said valve in such a way that the pressure in the cavity remains constant and means (20) for the slow displacement in cavity (2) of the solid material (12) so that the latter intercepts the electron plasma (11) in the optimum manner.

2. Ion source according to claim 1, characterized in that it comprises means (32, 34) for controlling the pulse generator (24), in such a way that the ionic current intensity is constant.

3. Ion source according to claim 2, characterized in that the means for controlling the generator comprise means for measuring the intensity of the ionic current (34) connected to a microprocessor (32).

4. Ion source according to claim 1, characterized in that the means for controlling the valve (26) comprise pressure measuring means (28) connected to a microprocessor (32).

5. Ion source according to claim 1, characterized in that it comprises means (32, 34) for controlling the displacement means (20), in such a way that the ionic current intensity is constant.

6. Ion source according to claim 5, characterized in that the means for controlling the displacement means (20) comprise means for measuring the intensity of the ionic current (34) connected to a microprocessor (32).

7. Ion source according to claim 1, characterized in that the gas introduced into the cavity is argon, nitrogen or oxygen.

Ansprüche

1. Quelle für stark geladene lonen, die dadurch erhalten werden, daß in einer Höchstfrequenzkammer (2) ein Feststoff (12) verdampft und anschließend die erzeugten Dämpfe aufgrund der Wirkung eines heißen Elektronenplasmas (11) ionisiert werden, das in der genannten Kammer eingeschlossen ist, wobei dieses Plasma (11) durch Ionisation eines Gases erzeugt wird, das in die Kammer (2) eingeführt wird, aufgrund der gekoppelten Wirkung eines elektromagnetischen Hochfrequenzfeldes, das in der Kammer eingerichtet ist, und eines Magnetfeldes, dessen Amplitude derart ist, daß die Elektronen durch Elektroncyclotronresonanz beschleunigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (24) enthält, die es erlauben, das in die Kammer injizierte elektromagnetische Feld zu pulsieren und die mittlere Leistung des Feldes zu steuern, enthaltend einen Impulsgenerator (24), von dem man das Tastverhältnis regelt, ein Ventil (26), das der Modifizierung des in die Kammer eingeführten Gasflusses dient, Einrichtungen (28, 30, 32) zum Betätigen des Ventils derart, daß der in der Kammer herrschende Druck konstant bleibt, und Einrichtungen (20) zum langsamen Verschieben des Feststoffes (12) in der Kammer (2) derart, daß dieser das Elektronenplasma (11) bestmöglich auffängt.

2. lonenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (32, 34) zum Betätigen des Impulsgenerators (24) derart aufweist, daß die Intensität des lonenstroms konstant ist.

3. lonenquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Betätigen des Generators Meßeinrichtungen für die Intensität des lonenstroms (34) aufweisen, die mit einem Mikroprozessor (32) verbunden sind.

4. lonenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Betätigen des Ventils (26) Meßeinrichtungen für den Druck (28) aufweisen, die mit einem Mikroprozessor (32) verbunden sind.

5. lonenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (32, 34) zum Betätigen der Verschiebeeinrichtungen (20) derart aufweist, daß die Intensität des lonenstroms konstant ist.

6. Ionenquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Betätigen der Verschiebeeinrichtungen (20) Einrichtungen zum Messen der Intensität des lonenstroms (34) aufweisen, die mit einem Mikroprozessor (32) verbunden sind.

7. lonenquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Kammer eingeführte Gas Argon, Stickstoff oder Sauerstoff ist.

Dessins