Brevet FR2132589A1 — publié le 19721124

La présente invention a pour objet un procédé de production d'un faisceau de particules neutres consistant à neutraliser les ions d'un faisceau de particules chargées incident par échange de charges électriques entre ces ions et les atomes d'une matière traversée par le faisceau; l'invention a également pour objet un dispositif permettant de mettre en oeuvre ledit procédé. Lorsqu'un faisceau d'ions I+ traverse une cible de matière présentant une densité NQ et une épaisseur 1^ les collisions d'échange de charge entre les ions I+ et les atomes A de la matière neutralisent les ions et donnent naissance à des particules neutres suivant la réaction: -H- + I + A -»■ I + A (1) Le rendement d'échange, et donc la teneur du faisceau de sortie en particules neutres, est maximum si la densité Nq et l'épaisseur _l satisfont à la condition: "o I - l/°+0 (2) Dans la formule (2), a+Q désigne la section efficace d'échange de charge de capture électronique: La condition ci-dessus revient à dire que le libre parcours moyen d'échange de charge équivaut à l'épaisseur de la cible. Diverses solutions ont été envisagées dans le passé pour remplir la condition (2), au moins de façon approchée. Une première solution consiste à utiliser une membrane très mince interposée sur le trajet du faisceau d'ions à neutraliser. Mais un calcul simple montre que la membrane remplissant la condition (2) est tellement mince qu'elle est extrêmement difficile à réaliser et fragile à un point tel qu'elle crève instantanément si elle est soumise à un faisceau intense de particules. A titre d'exemple, si l'on veut transformer des -15 2 protons de 5 keV (pour lesquels a+Q =10 cm ) en neutres H° ayant pratiquement la même énergie, il faut une cible constituée par une feuille pour laquelle N . JL est de l'ordre 15 de 10 . Si la membrane est constituée en carbone 12, l'épaisseur idéale pour la membrane est de l'ordre de l'Angstrom, 2 avec une masse par unité de surface de 0,02 yg/cm environ. 71 12817 2 2132589 Or, on ne sait guère réaliser des membranes de moins de 0 100 A. o ^7 Une membrane de 100 A (correspondant à NQ1 =10 ) serait encore acceptable du point de vue neutralisation, mais 5 un faisceau intense de particules traversant une telle membrane y abandonne une fraction de son énergie suffisante pour la détruire quasi-instantanément: Il ne reste plus que la solution d'adopter des membranes encore plus épaisses, qui . ont l'inconvénient d'atténuer très fortement le faisceau 10 et de le diffuser. Une autre solution, appartenant également à l'art antérieur, consiste à utiliser, au lieu d'une membrane solide, un rideau de gaz condensable circulant transversalement au faisceau à vitesse supersonique. Le rideau de gaz sort à 15 vitesse supersonique d'un ëjecteur qui doit être tel que le rideau conserve une localisation précise dans l'espace (pour permettre un réglage de l'épaisseur JL et de la densité NQ) et se condense sur une paroi froide. Une description de cette solution est donnée dans la communication de R.Geller 20 et F. Prevot (C.R. Acad. Se. Paris 38, page 1578, 1954) à laquelle on pourra se reporter. Ce procédé représente un progrès important par rapport au précédent. On utilise notamment pour constituer le rideau de gaz condensable le gaz carbonique, les vapeurs d'eau et de magnésium. Mais cette solution 25 se heurte à des difficultés graves d'ordre technologique lorsque le débit de particules augmente: il faut en effet accroître le débit du gaz constituant le rideau au fur et à mesure de l'augmentation du débit d'ions du faisceau incident car le débit de gaz à vitesse supersonique doit représenter un débit de 30 particules du même ordre que celui du faisceau pour que chaque ion incident trouve au moins un atome neutre avec lequel il puisse procéder à un échange de charge. Pour arriver à neutraliser un faisceau représentant plusieurs dizaines 20 d'Ampères de charge, c'est-à-dire un flux de l'ordre de 10 35 particules par seconde, et si l'on veut ramener la pression _7 de part et d'autre du rideau de 1 torr à 10 torr sur une longueur inférieure à 1 m, la paroi froide de condensation doit être capable d'assurer un débit de pompage de l'ordre du 71 12817 3 2132589 -7 milliard de litres par seconde à 10 torr, c'est-à-dire représenterait une véritable usine dans un volume disponible très faible. Des complications similaires seraient rencontrées, si 5 au lieu de neutraliser un faisceau d'ions, on voulait transformer par échange de charges un faisceau d'ions lourds faiblement chargés en ions lourds fortement chargés. Rappelons pour mémoire que l'échange de charge s'applique aussi bien à la capture d'un électron (neutralisation; qu'à la perte d'un ou de plusieurs 10 électrons lorsque l'ion traverse un rideau de matière. Les probabilités de captures ou de pertes électroniques étant essentiellement fonction de l'énergie de l'ion incident, afin d'éplucher les électrons d'un ion lourd faiblement chargé, il suffit d'accélérer ce dernier à une vitesse supérieure à celle de ses 15 électrons planétaires puis de lui faire traverser le rideau de matière. A titre d'exemple, on a obtenu des faisceaux d'ions d'azote de faible intensité mais fortement chargés en faisant traverser une membrane mince par des ions d'azote de 15 MeV 20 d'énergie et une fois chargés, La composition du faisceau émergeant était : 0,4 % 6 % &t. , soit une charge ' moyenne de^5,5 40 % 7,5 % ions trois fois chargés " quatre " " " cinq " " 25 " six " " " sept " " La présente invention vise à fournir un procédé et un dispositif de production par échange de charges d'un faisceau de particules neutres, ou d'ions lourds multiplement 30 chargés susceptible de recevoir des faisceaux intenses de particules tout en restant dans un domaine technologiquement possible. Dans ce but, l'invention propose un procédé caractérisé notamment en ce que 1'on fait circuler transversalement au faisceau de particules chargées incidentes un courant sensiblement 35 homogène de poudre constituée de grains de dimension de l'ordre e de 100 A, formant un rideau. L'invention propose également un dispositif de production d'un faisceau de particules neutres par neutralisation des.ions d'un faisceau incident, permettant de mettre 40 en oeuvre le procédé ci-dessus défini, caractérisé en ce qu'il 71 12817 2132589 comprend des moyens pour faire circuler transversalement au faisceau un débit sensiblement homogène de poudre constituée C de grains de dimension de l'ordre de 100 A et formant un rideau, le débit de poudre étant tel qu'à chaque particule électrisée 5 corresponde sinon un grain tout au moins plusieurs atomes de grains. Suivant un mode particulier de mise en oeuvre de l'invention, lesdits moyens comprennent un conduit débouchant dans un tube parcouru par le faisceau, une alimentation 10 qui libère un débit ajustable de poudre à l'extrémité supérieure du conduit et des moyens pour faire le vide dans le tube et le conduit. Suivant un autre mode de mise en oeuvre, lesdits moyens pour constituer le rideau comprennent une installation 15 fournissant une charge électrique aux grains de poudre et des moyens pour créer dans une zone distincte de celle parcourue par le faisceau un champ électrique d'accélération des grains vers le faisceau. Dans les définitions qui précèdent, le terme de 20 "particules chargées" doit être interprété comme couvrant essentiellement, des ions. moléculaires ou atomiques pouvant être accompagnés par des électrons- La dimension maximum de 100 A, qui correspond sensiblement à l'épaisseur minimum qu'il est possible de 25 donner à une membrane solide, est celle que l'on trouve dans divers états divisés, dont certains n'existent d'ailleurs pas à l'état sec et doivent être écartés. De façon plus précise, on trouve notamment, dans le domaine de dimensions c , o allant de 20 A à 200 A, des micelles métalliques, divers 30 aérosols, poussières ou fumées constitués d'une dispersion à l'état colloïdal dans un gaz, ainsi que les granions. Les granions, agglomérats de molécules neutres qui se forment autour d'ions produits par des agents ionisants, présentent par rapport aux autres substances envisagées ci-dessus la 35 caractéristique d'être électrisés: Cette caractéristique offre des possibilités supplémentaires en matière d'accélération et de collection, mais en contrepartie implique la mise en oeuvre d'une technologie coûteuse et complexe. La poudre utilisée doit encore remplir un certain 40 nombre de conditions: le matériau qui la constitue ne doit 71 12817 5 2132589 pas dégazer ou se dissocier en fournissant des gaz sous l'action du faisceau de particules incidentes. Les grains ne doivent pas donner naissance à des particules de plus grande dimension par floculation ou coalescence au bout d'une 5 durée de vie très courte. Parmi les particules dont on peut envisager l'emploi pour transformer un faisceau d'ions incidents (noyaux de deutérium ou de trltium par exemple) en faisceau de particules neutres, on peut notamment citer l'oxyde de chrome sousoforme de poudre présentant une granulométrie de 10 l'ordre de 40 A et l'oxyde de titane légèrement sous- stoëchiométrique présentant une granulométrie de l'ordre de Q 80 A. Une fois la poudre choisie, on dispose de trois paramètres pour modifier l'action du rideau de poudre sur 15 le faisceau de particules. Il s'agit de la vitesse de passage des grains, de l'épaisseur _1 du rideau et de sa densité NQ. Le choix consistera en un cçmpromis entre des exigences qui sont dans une certaine mesure contradictoires: d'une part il est évidemment nécessaire que le débit de grains 20 soit tel qu'à chaque particule chargée incidente corresponde au moins un grain. Dans la pratique on sera d'ailleurs amené à avoir un rapport beaucoup plus élevé pour se rapprocher de 1'optimum en ce qui concerne les autres conditions. Le rapport Nq.1_ doit être choisi pour répondre sensiblement 25 à la condition (2) ci-dessus. Enfin le rideau doit être tel qu'il ne diffuse pas de façon excessive ie faisceau incident. L'épaisseur et la densité du rideau ainsi que les dimensions des grains élémentaires devront pour cela être choisis en tenant compte de 1'énergie des particules incidentes. 30 A .titre d'exemple, si l'on suppose que les grains O ont un diamètre de l'ordre de 80 A et sont constitués d'un matériau ayant une masse moléculaire de 50, on peut donner aux 3 grains une vitesse de 1,4.10 cm/sec en les laissant tomber dans le vide d'une hauteur de 10 m. En admettant 100 atomes pour 35 chaque particule chargée incidente, on arrive à NI = S.IO1^, c'est-à-dire à une valeur qui est à peine supérieure à celle fournie par une membrane solide de durée éphémère. Il est difficilement possible, pour des raisons matérielles, d'augmenter la hauteur de chute, mais-si l'on utilise des grains électrisés, 71 12817 6 2132589 il suffit d'une différence de potentiel de 10 kV pour leur 5 donner une vitesse de l'ordre de 10 cm/ sec. Une étude théorique qu'il n'est pas nécessaire de donner ici permet de déterminer quelle est la diffusion angulaire des particules incidentes: On constate que, avec O des ions de plus de 1 KeV et des grains de 100 A d'épaisseur au maximum, la diffusion angulaire se limite à quelques degrés. Par contre, des électrons sont bien davantage déviés mais ce résultat représente un avantage plutôt qu'un inconvénient dans la plupart des cas, en particulier celui des faisceaux de particules utilisés en physique thermonucléaire où l'on souhaite obtenir des particules neutres non accompagnées des électrons que fournissent, en même temps que les ions, de nombreuses structures accélératrices. On voit que l'invention fournit un procédé et un dispositif qui substitue à une membrane statique d'épaisseur jL, incapable de résister à un faisceau d'ions intense, un rideau constitué par de la poudre en écoulement, dont les grains se renouvellent sans cesse. A condition de choisir une poudre qui ne subit pas un dégazage intense sous l'action du faisceau d'ions incident, il n'existe pas de sujétion similaire à celle liée à l'emploi d'un rideau de gaz condensable. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un dispositif particulier de mise en oeuvre de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels : - la figure 1 est un schéma du dispositif, représenté en coupe; - la figure 2 montre le dispositif de la figure 1 en élévation. Le dispositif représenté schématiquement en figure 1 et de l'extérieur en figure 2 comporte, un réservoir 10 de réception de la poudre. Un orifice de remplissage 12 muni d'une vanne étanche 14 permet d'y introduire la poudre. Le réservoir 10 est relié par un robinet à fuite réglable 16 à une installation de pompage permettant d'y faire le vide. Le robinet de fuite 16 permet une mise sous vide progressive du système, compatible avec la capacité de l'installation de pompage. Cette installation peut comporter uniquement 71 12817 7 2132589 une pompe primaire 18 (Fig. 2) . Sur le schéma de la figure 1 est également représentée une conduite 20 permettant d'introduire dans le réservoir un gaz inerte de rinçage. Le réservoir 10 est de dimensions telles qu'il 5 assure une certaine autonomie de fonctionnement et évite une ouverture trop fréquente du système, ouverture qui "casse" le vide. Ce réservoir sera en général équipé d'absorbant d'humidité, de résistances de chauffage des parois et de tamis calibrés permettant de filtrer la poudre qui s'en 10 échappe. La poudre 22 qui repose sur le fond du réservoir 10 s'écoule vers une cuve d'alimentation 24, placée à un niveau inférieur et munie d'un dispositif d'agitation douce permettant de maintenir la poudre sous forme de suspension 15 homogène, par un conduit 25 muni d'une vanne 27 de réglage du débit. La cuve 24 illustrée, de forme cylindrique, est munie d'un agitateur rotatif 26 qui assure un brassage ménagé. Au lieu d'un agitateur rotatif, on peut utiliser d'autres types connus, tels que ceux fonctionnant par translation; 20 la transmission peut être réalisée sans traverser la paroi, par exemple par voie électromagnétique. On peut également remplacer l'agitateur par un générateur sonore: ia condition majeure à réaliser consiste à empêcher tout dépôt ou sédimentation de la poudre et à maintenir une concentration sensiblement 25 homogène dans l'ensemble de la cuve 24. La cuve 24 communique avec une installation de vide qui peut être la même que celle du réservoir 10 par une conduite 28. Des chicanes 30 ifig.i) doivent en général être prévues dans la cuve pour éviter l'entraînement vers l'instal-30 lation de pompage des grains de poudre maintenus en suspension par l'agitateur. La cuve 24 alimente par l'intermédiaire d'une vanne d'écoulement réglable 32 une conduite verticale 34 d'accélération des grains de poudre. La longueur de cette 35 conduite est déterminée en fonction de la vitesse à donner aux grains dans la partie de leur trajectoire oû ils constituent le rideau. La conduite 34 débouche dans une cellule 35 d'échange de charges, traversée par le tube parcouru par le faisceau 36 d'ions incident. Sur la conduite 34 est 40 ménagé un piquage 38 relié à une installation de pompage per- 71 12817 8 2132589 mettant d'y faire le vide. Quant à la cellule d'échange parcourue par le faisceau d'ions, elle est reliée en 40 à une installation de pompage qui peut être commune avec celle 5 de la chambre 42 de récupération de poudre. La chambre 42, dans laquelle la poudre se rassemble par gravité, est reliée par la conduite 44 à une installation de vide qui comporte non seulement une pompe primaire (non représentée), mais aussi une pompe à vide secondaire 46 10 (pompe ionique par exemple). La poudre qui se rassemble au fond de la chambre peut être soutirée par une conduite 48 et, suivant le cas, régénérée pour réutilisation ou définitivement écartée. La cellule 35 d'échange de charge illustrée 15 schématiquement en figures 1 et 2 correspond au cas d'un faisceau incident 36 constitué d'ions et d'électrons, tels que les faisceaux fournis par un accélérateur du type "Pleïade" dont on pourra trouver une description dans l'article de T. Consoli intitulé "Les champs H F et les 20 accélérateurs à plasma" (B.I.S.T, nc 102, mars 1966, pages 35 à 4 8) auquel on pourra se reporter. Ce type de faisceau implique que la cellule- d'échange 35 où les ions incidents (noyaux d'hydrogène ou de deutérium) cèdent leur charge à la poudre soit placée dans un champ magnétique intense, 25 fourni par des bobines 49. Dans ce cas, le faisceau 50 qui sort de la cellule se compose essentiellement de particules neutres provenant des ions incidents, les électrons ayant été dans une forte proportion diffusés par la poudre et retenus par le collimateur 52. 30 La poudre est mise en vitesse uniquement par gravité, dans la conduite verticale 34 représentée en figures 1 et 2. On peut, notamment lorsqu'on cherche à atteindre une vitesse élevée, utiliser d'autres solutions. Pour un fonctionnement discontinu, on peut ajouter à l'action de la pesanteur, 35 celle de jets périodiques de fluide ou d'impulsions fournies par un piston. Une autre solution consiste à électriser les grain de poudre, (par exemple en leur faisant traverser un nuage d'électrons de faible énergie qui leur cède des charges négatives, ou en les soumettant à un bombardement 40 électronique qui fait apparaître des charges positives). On 71 12817 9 2132589 peut également utiliser des granions. Dans ce cas les grains peuvent être accélérés à la sortie de la cuve 24 par un champ électrique. La collection de la poudre peut être également obtenue à l'aide d'un champ électrique, localisé à la chambre 42 Il va sans dire que l'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit et représenté à titre d'exemple et qu'elle s'étend aux variantes de tout ou partie des dispositions décrites restant dans le cadre des équivalences 71 12817 10 2132589 REVENDICATIONS 1°) Procédé de production d'un faisceau de particules neutres ou d'ions lourds multichargés suivant lequel on neutra-* lise ou échange des charges électriques entre les particules 5 chargées d'un faisceau incident et une matière traversée par le faisceau, caractérisé en ce que l'on fait traverser au faisceau incident de particules chargées un courant sensiblement homogène de poudre de ladite matière, constituée de grains de dimension O de l'ordre de 100 A, pour former un rideau traversé par le 10 faisceau, le débit en circulation étant tel qu'à chaque particule électrisée corresponde sinon un grain tout au moins plusieurs atomes de grains. 2°) Dispositif de production d'un faisceau de particules neutres ou d'ions lourds multichargés par neutralisation 15 de particules chargées d'un faisceau incident ou apport de charges à ces particules, caractérisé en~"Ce qu'il comprend des moyens pour faire circuler transversalement au faisceau un débit sensiblement homogène de poudre constituée de grains de O dimension de l'ordre de 100 A et formant un rideau, le débit de 20 poudre étant tel qu'à chaque particule électrisée corresponde plusieurs atomes d'un grain. 3°) Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent un conduit débouchant dans un tube parcouru par le faisceau, une 25 alimentation qui libère un débit ajustable de poudre à l'extrémité supérieure du conduit et des moyens pour faire le vide dans le tube et le conduit. 4°) Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens pour constituer le 30 rideau comprennent une installation fournissant une charge électrique aux grains de poudre et des moyens pour créer dans une zone distincte de celle parcourue par le faisceau un champ électrique d'accélération des grains vers le faisceau. 5e) Dispositif suivant la revendication 4, 35 caractérisé par des moyens de création d'un champ électrique dans une zone localisée placée hors du faisceau et atteinte par les grains ayant traversé le faisceau, champ collectant lesdits grains. OOP^ 71 12817 11 2132589 6°) Dispositif suivant la revendication 4 ou 5, caractérisé par des moyens d'irradiation fournissant des granions qui constituent ladite poudre, 7°) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la poudre est constituée de grains d'oxyde de chrome présentant une C dimension de l'ordre de 4 0 A ou des grains d'oxyde de titane légèrement sous-stoëchiomëtrique présentant une O dimension de l'ordre de 80 A. 8°) Application du dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 7 à la production d'un faisceau intense de particules neutres à partir d'un faisceau composite constitué d'ions à grande vitesse axiale et d'électrons dont les charges équilibrent celles des ions. 9°) Application du dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 1, à la production d'ions multichargés à partir d'un faisceau d'ions de nombre atomique moyen ou élevé. COPY