Brevet FR2001235A1 — publié le 19690926

La présente invention se rapporte à des circuits d'alimentation pour des accélérateurs d'ions, en particulier pour des générateurs de neutrons dans lesquels des ions deutérium et/ou tri- « tium sont extraits d'un plasma et sont accélérés pour les projeter 5 sur une cible contenant du deutérium et/ou du tritium. Un tube générateur de neutrons de ce type est décrit dans le brevet britannique n° 1 088 088. En bref, dans ce dernier générateur, un plasma est produit dans la partie source d'ions du tube à l'aide d'une bobine l'entourant 10 qui est alimentée par un oscillateur à haute fréquence. Cette partie du tube est limitée par une électrode d'extrémité munie d'une ouverture, et le plasma est intensifié dans la région de cette ouverture par un champ magnétique axial fourni par un solénoïde coaxial. 15 Des ions positifs sont extraits du plasma par un potentiel négatif appliqué à une électrode d'extraction. Il est formé une limite du plasma dont le périmètre est bloqué sur le bord de l'électrode d'extrémité. Les ions sont extraits sous la forme d'un faisceau dont le profil dépend de la configuration du champ élec-20 trique produit entre cette limite du plasma et le potentiel ap-* pliqué à l'extracteur. La forme de la limite et son effet sur le profil du faisceau dépendent de la densité en ions du plasma et de la valeur du potentiel appliqué. Le fonctionnement optimal nécessite que le faisceau ionique traverse l'ouverture de l'extrac-25 teur avec un minimum d'interception pour éviter tout chauffage exagéré ou tout bombardement de l'électrode d'extraction. Le faisceau ionique, une fois qu'il se trouve dans l'ouverture de l'extracteur est accéléré à travers l'ouverture d'un écran-cible par un potentiel négatif important qui lui est appliqué, et fina-30 lement il traverse la région exempte de champ à l'intérieur d'une électrode de suppression pour venir frapper la cible. Dans de tels tubes, il se produit une faible interception du faisceau par l'électrode d'extraction dans des conditions de marche normales, ce qui donne naissance à un courant de l'extrac-35 teur. Si l'interception est trop importante, la température de l'extracteur s'élève et du gaz adsorbé est dégagé dans le tube. Ceci produit un état instable, comme décrit plus en détail ci-après" et qui peut se traduire par la destruction du tube. Cet état est particulièrement susceptible de se produire dans des condi- 69 02180 2 2001235 tions de mise en route, lorsque le potentiel de l'extracteur et la puissance à haute fréquence fournie au plasma augmentent progressivement. La présente invention a pour but de fournir une forme de 5 circuit d'alimentation qui permet de résoudre ce problème. Suivant la présente invention, dans le circuit d'alimentation d'un accélérateur de particules comportant une source d'ions et une électrode d'extraction des ions, le circuit comprenant une source d'alimentation de la source d'ions et une source de 10 puissance pour l'électrode d'extraction, il est prévu un circuit de réaction négative monté de manière à faire commander par le courant de l'électrode d'extraction la sortie de la source d'alimentation dans un sens maintenant constant le courant de l'extracteur. La source d'alimentation peut être une source à haute fré-15 quence destinée à alimenter une source d'ions du plasma. La présente invention fournit également en combinaison un accélérateur d'ions comportant une source d'ions et une électrode d'extraction des ions, et un circuit d'alimentation pour cet accélérateur d'ions, ce circuit comprenant une source d'énergie 20 pour la source d'ions et une source de puissance pour l'électrode d'extraction, ce circuit comprenant un circuit de réaction négative monté de manière à faire régler par le courant de l'électrode d'extraction la sortie de la source d'alimentation dans un sens maintenant constant le courant de l'extracteur, La source 25 d'ions peut être'une source d'ions d'un plasma et la source d'alimentation une source à haute fréquence. L'accélérateur d'ions peut être un tube scellé générateur de neutrons, la source d'ions étant destinée à produire des ions d'un isotope de l'hydrogène. 30 D'autres avantages et caractéristiques de la présente inven tion ressortiront au cours de la description détaillée qui va suivre, faite en regard des dessins annexés qui donnent à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention. 35 Sur ces dessins, la figure 1 est le schéma d'un tube générateur.de neutrons monté dans un circuit d'alimentation, suivant la présente invention; La figure 2 est un graphique représentant la variation du COPY I •i 3 0 0017 3 5 69 u2130 "U1"J courant ce l'extracteur et du courant total du tube en fonction de la tension de l'extracteur pour une puissance de radio-fréquence constante. La figure 3 est une courbe représentant la variation du 5 courant total du tube en fonction de la tension de l'extracteur lorsque la puissance de radio-fréquence est commandée suivant la présente invention. La figure 1 représente un tube générateur de neutrons du type décrit en détail dans le brevet britannique n° 1 088 088 10 précité. Il comprend une partie 1 formant source d'ions qui est entourée par une bobine à haute fréquence 2 servant à exciter un plasma se trouvant à l'intérieur .du tube et un solénoïde magnétique 3« A une première, extrémité se trouve un arrêt arrière 4 et à l'autre extrémité une électrode d'extrémité 5 munie d'une ou-15 verture au delà de laquelle se trouvent successivement une électrode d'extraction 6, une électrode écran 7S une électrode de suppression 8 et une cible 9» La section droite du faisceau ionique dans des conditions de travail normales est indiquée approximativement en 10. La pression du gaz est maintenue constante par un dispositif de recharge commandé par une jauge de Pirani, qui . tous les deux sont supprimés sur la figure 1 pour la rendre plus claire, comme l'est une partie de l'enveloppe du tube. La figure 1 représente également les connexions partant du circuit d'alimentation associé. 25 Les conditions de fonctionnement type préférées pour le tube sont les suivantes : Pression du gaz (mélange 50/50 de D/T) (P)' 1,2 X 10 2 Torr Puissance d'excitation à haute fréquence (W) 200 watts Haute fréquence • 14 MHz 30 Champ magnétique (H) 90 gauss Potentiel d'extraction Courant d'interception d'extraction 0,1 ^ Fotentiel d'accélération (^m) 120 ItV : .vur-ant total du tu"::e (r, ) 12 :*>.A 5J * '• à: la cibl-î (Ilj?) 6 :..A J-.qic:: d;- supr-ro 3"(vq) 440 V Courant le supyrsscicn (I0) 6 œA O Diamètre, du faisceau ionique à la cible 2,8 cm 11 Production de neutrons- ■10 neutrons7 - seconde. iPOPV 69 02180 4 2001235 La figure 2 représente une caractéristique de réglage type de l'extracteur pour une puissance d'excitation W constante. Lorsque le potentiel d'extraction croît, le courant d'interception IE commence par s'élever jusqu'à un maximum qui corres-5 pond à l'accroissement d'extraction des ions accompagné par le recueil du faisceau par l'extracteur. Ensuite, l'extraction des ions se poursuit en augmentant mais elle est associée avec un recul de la limite du plasma dans la partie source d'ions du tube ce qui a pour effet de concentrer plus étroitement le faisceau 10 de telle sorte qu'il traverse l'ouverture de l'extracteur et que le courant d'interception diminue. Le profil du faisceau est bien défini avec une faible interception sur l'extracteur, et ceci à son tour définit le diamètre du faisceau ionique à l'endroit de la cible. 15 L'effet de l'accroissement de la puissance haute fréquence W est de déplacer l'ensemble de la caractéristique vers la droite, comme on le voit. Cet effet est dû à l'accroissement de densité du plasma servant de source d'ions, qui tend à amener la limite du plasma vers l'avant dans la région d'extraction et qui néces- • 20 site un potentiel d'extraction accru pour rétablir les conditions de focalisation initiales et de ce fait réduire le courant d'interception. Il existe toute une série de ces caractéristiques qui correspondent aux gammes de courant haute fréquence possibles mais 25 aux niveaux supérieurs elles sont impossibles à déterminer du fait des instabilités produites par les valeurs élevées de Ig. La valeur maximale pouvant être acceptée d'une maniéré continue pour I est d'environ 0,15 mA. Xli Un accroissement au-delà de cette valeur produit d'abord une 30 élévation de température de l'électrode d'extraction, et à long terme, des projections. La matière projetée est indésirable du fait qu'elle peut former finalement des dépôts conducteurs sur les parois isolantes du tube avec des conséquences nuisibles pour l'isolement a haute tension, et ce qui est moins sérieux, à une gêne 35 pour le fonctionnement de la source d'ions. Plus sérieuse et même catastrophique peut être la chaîne d'événements de réactions positives produite par l'élévation de température et qui sont les suivantes : 69 02180 5 2001235 (I) Le gaz adsorbé est dégagé de l'extracteur. (II) Du fait de la durée de réponse finie du système de réglage de pression, la pression du gaz s'élève. (III) Lorsque la pression augmente, la puissance haute fré-5 quence est couplée plus facilement à la source d'ions et la densité d'ions du plasma augmente. (IV) Suivant la caractéristique de la figure 3, l'interception augmente, ce qui est suivi par une autre élévation de température de l'électrode d'extraction. 10 (V) En même temps, le courant ionique de la cible augmente et si on le laisse s'élever au delà de la capacité du sytème de réfrigération il produit un dégazage rapide de la cible et d'autres élévations de pression. (VI) Le coucant électronique de l'arrêt arrière augmente 15 également avec la pression et il peut s'ensuivre un autre dégazage de cette électrode. Si on n'agit pas sur cette séquence d'événements, la dissipation d'énergie à l'électrode d'extraction peut s'élever jusqu'à un point tel que le joint verre-métal est détruit. La protec-20 tion pourrait être réalisée par des déclenchements de sur-intensité dans les divers circuits, mais ceci peut se traduire par un nombre indésirable et inacceptable d'"arrêts". Toute variation des conditions d'alimentation du tube peut amorcer cette chaîne d'événements, et il est important d'agir d'une manière continue 25 pour obtenir des conditions de stabilité à long terme. Dans la présente invention, tout accroissement du courant d'interception est contraint de réduire l'énergie à haute fréquence de façon à réduire l'importance de l'interception et bloquer la chaîne d'événements déçrite plus haut. En se reportant à nou-30 veau à la figure 1, on fait passer le courant d'interception IE à travers une résistance Rg de façon à produire un potentiel à ses bornes. Ce potentiel est comparé avec un potentiel de référence provenant d'une source 11 à l'aide d'un amplificateur différentiel à transistor 12 de construction classique. La sortie de l'amplifi-35 cateur 12 commande l'angle d'amorçage d'un circuit de commande à thyr-istor 13 monté dans l'alimentation à 50 c/s de l'oscillateur à haute fréquence 14, et par suite elle commande et règle finalement l'énergie à haute fréquence fournie à la source d'ions. Ceci assure la stabilité du circuit de réaction négative ainsi formé, 69 02180 6 2001235 la sensibilité et les constantes de temps étant réglées d'une manière familière aux spécialistes de la technique de réglage des réactions négatives. La valeur voulue du courant d'interception IE est réglée en réglant la valeur de Rg. 5 Le circuit d'alimentation décrit plus haut a permis d'obtenir un fonctionnement stable à long terme du tube, par exemple un fonctionnement sans surveillance pendant douze heures. En l'absence du circuit de réaction négative, il fallait un opérateur pour exercer une surveillance constante. 10 Un autre avantage de l'invention est le fait que l'électrode d'extraction peut être utilisée comme grille de commande véritable comme représenté sur la figure 3. Le potentiel de l'extracteur peut être augmenté ou diminué à volonté pour déterminer le courant ionique et la sortie de neutrons qui en résulte. Les variations né-15 cessaires de l'alimentation en puissance haute fréquence de la source d'ions sont.introduites automatiquement par le circuit de réaction et la limite de plasma est maintenue sur une gamme étendue de positions correctes pour la formation stable d'un faisceau ionique du profil voulu et de ce fait pour une position stable sur 20 la cible. Bien que la présente invention ait été décrite et en se reportant à un tube générateur de neutrons utilisant une source d'iènsi formée par un plasma à haute fréquence, on se rend compte qu'elle peut être appliquée à des générateurs de neutrons ou à d'autres 25 accélérateurs de particules utilisant une électrode d'extraction, quel que soit le processus à l'aide duquel la source d'excitation fait produire des ions dans la source. Par exemple, dans un générateur de neutrons utilisant une source d'ions du type PIG, on peut faire en sorte que le courant de l'extracteur règle la ten-30 sion anodique et de ce fait le courant de décharge dans la source. Des générateurs de neutrons utilisant de telles sources d'ions,qui sont également connues comme sources de Penning, sont décrits par exemple dans les brevets britanniques n° 976 664, et n° 980 947 et dans Nucleonics, Décembre i960, pages 69-74. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif,mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre Légende de dessins Figures. Repères —* 1 A Source de V5 B Source de Vç 0 Source de Vg 69 02180 7 2001235 REVENDICATIONS 1 - Circuit d'alimentation électrique pour un accélérateur d'ions comportant une source d'ions et une électrode d'extraction des ions, caractérisé en ce qu'il comprend une source d'é-5 nergie pour la source d'ions et une source de puissance pour l'électrode d'extraction, ainsi qu'une boucle de réaction négative montée de manière à faire commander par le courant de l'électrode d'extraction la sortie de la source d'excitation de façon E maintenir constant le courant de l'extracteur. 10 2 - Circuit suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'énergie est une source à haute fréquence destinée à exciter une source d'ions de plasma. 3 - Ensemble comprenant en combinaison un accélérateur d'ions comportant une source d'ions et une électrode d'extraction d'ions 15 et un circuit d'alimentation pour l'accélérateur d'ions, caractérisé en ce que le circuit d'alimentation comprend une source d'excitation pour la source d'ions et une source de puisssance pour l'électrode d'extraction, ainsi qu'une boucle de réaction négative montée de façon à faire commander par le courant de l'élec-20 troué d'extraction la sortie de la source d'excitation de façon . à maintenir constant le courant de l'extracteur. k - Ensemble suivant la revendication 3 caractérisé en ce que la source d'ions est une source d'ions de plasma et la source d'excitation est unê leurce à haute fréquence. 25 5 ~ Ensemble suivant la revendication 3 ou la revendication 4, caractérisé en ce que ï*accélérateur d'ions est un tube scellé générateur de neutrons et la source d'ions est destinée à produire des ions d'un isotope de l'hydrogène. 1