Brevet FR2108860A1 — publié le 19720526

La présente invention a pour objet un analyseur de faisceaux de particules, c'est-à-dire un dispositif permettant une exploration qualitative et quartitative de la densité de faisceaux de particules selon une section droite. L'invention a également pour objet un dispositif destiner à réaliser ltétalonnage de cet analyseur. On connaît des analyseurs dans lesquels un disque fixe percé de trous intercepte le faiscea;, taudis qu'un capteur, en forme de cage de Faraday, se déplace derrière le disque et mesure successivement les courants qui passent à travers chaque trou. On peut établir ainsi une carte du faisceau, -mais cette disposition ne permet pas une analyse continue.De plus, le disque, qui intercepte la presque totalité du faisceau, exige un système de refroidissement soient coûteux et encnmbrant. ?ar ailleurs, la cage de Faraday, nécessairement mobile, doit être commandée de façon précise sols vide en translation Horizontale et verticale afin d'intercepter la totalité des trous; cela nécessite la présence de ais=ositifs permettant la transmission sous vide d'un mouvement de transation. Enfin. entre les analyses, le faisceau ne doit plus être intercepté; ceci implique le basculement hors du trajet des particules du disque et d capteur. On connaît n autre type d'analyseurs dans- lequel une ou plusieurs lames vibrantes interceptent pnriodiquement le faisceau De tels analyseurs n'exigeant pas de refroidissement car les lames fines interceptent une faible fraction de ia puissance du faisceau. Par contre, ils n'assurent pas une exploration ponctuelle puisque, à un instant donné, les lames interceptent une bande et non pas un point de la surface en section droite du faisceau. Ce genre d'appareil est surtout utilisé pour effecteur le centrage du faisceau par rapport à la cible. On connaît enfin un analyseur de faisceau qui utilise un disque rotatif percé de trous disposés à des distances croissantes de son centre, tandis qu'une cible Dlacée en aval/disque mesure le courant passant par chacun de ces trous. dn tel apoareil présente le grave inconvénient de nécessiter un refroidissement énergétique du disque qui intercepte la totalité du faisceau, refroidissement d'autant plus délicat à réaliser que ce disque subit un mouvement de rotation. La présente invention propose un analyseur qui ne présente pas les inconvénients des appareils actuels et possède les principales particularités suivantes: - exploration ponctuelle continue de la totalité du faisceau, - arrêt automatique en position hors faisceau en fin d'analyse, - pas de fluide de refroidissement, - faible encombrement, - mise en oeuvre rapide ec économique. De façon plus précise, l'invention a pour objet un analy seoir de faisceaux de particules se propageant à l'intérieur d'un canal suivant une direction déterminée, principalement caractérisé en ce qu'il comporte: - un ensemble capteur constitué de plusieurs cibles métalliques disposées aux extrémités de tiges conductrices, de longueurs inégales, prolongeant les rayons d'un premier disque conducteur rotatif, d'axe sensiblement parallèle à l'axe dudit canal, les longueurs desdites tiges étant déterminées de manière à ce que. lors de la rotation du disque, elles fassent défiler sccessivement chacune desdites cibles à des niveaux différents du canai, celles-ci réalisant ainsi une exploration par bandes du faisceau traversant ledit canal, - un ensemble de protection de l'ensemble capteur, cdnsti- tué de plusieurs branches métalliques prolongeant les rayons un deuxième disque conducteur rotatif, de même axe que le premier et isolé électriquement par rapport à lui, lesdites branches étant disposées chacune en amont d'une tige conductrice pour la protéger des particules incidentes, de manière à ce que seules les cibles interceptent le faisceau, - une enceinte étanche communiquant avec ledit canal, à l'intérieur de laquelle sont disposés l'ensemble capteur et son ensemble de protection, - des moyens d'entraînement en rotation de l'axe commun des deux disques, - un système de collection du courant électrique recueilli par les cibles sous l'impact des particules incidentes, - et une chaîne de mesure de ce courant. L'invention propose également un dispositif d'étalonnage de cet analyseur, destiné à être placé sur le trajet du faisceau à explorer et caractérisé en ce qu'il comporte, disposés coaxialement dans le sens de la propagation dudit faisceau: - un premier tube cylindrique métallique comprenant deux parois diamétrales percées chacune d'un orifice axial pour constituer un diaphragme, - un deuxième tube cylindrique métallique, - un troisième tube cylindrique métallique maintenant à son entrée, perpendiculairement au faisceaux, un échantillon de même constitution que les cibles de 1' analyseur, - et un quatrième tube cylindrique métallique fermé à son extrémité, les premier, deuxième et quatrième tubes pouvant être portés à des potentiels permettant respectivement le piégeage des électrons secondaires émis par les parois du diaphragme, le piégeage des électrons secondaires émis par l'écFantillon et ia répulsion desdits électrons secondaires. Dtautres caractéristiques de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnés à titre explicatif mais nullement limitatif. Sur ces dessins: - la figure 1 représente, en coupe axiale, un analyseur conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe suivant A-A de l'analyseur représenté figure 1; - la figure 3 représente, e coupe axiale, un dispositif d'étalonnage conforme à l'invention; - enfin, la figure G représente ,r réseau de courbes d'étalonnage obtenu avec le dispositif représenté figure 3. L'analyseur conforme à la présente invention, tel que représenté sur les figures 1 et 2, s'insère de façon étanche sur le trajet du faisceau de particules lions Ou électrons à analyser qui se propage suivant la direction F dans un canal 5. I1 comprend, comme organes essentiels, disposés à l'intérieur d'une enceinte cylindrique 6 étanche au vide secondaire, d'axe parallèle à celui du canal 5 et traversée par celji-ci dans sa partie supérieure, an ensemble capteur 7 et un ensemble de protection E de l'ensemble capteur, arimés d'un même mouvement de rotation autour dtun axe commun 00' qui coïncide sensiblement avec celui de la chambre 6. L'ensemble capteur 7 est formé par plusieurs petites cibles métalliques 9 disposées aux extrémités de tiges conductrices 10 de longueurs différentes qui prolongent les rayons, régulière ment répartis, d'un disque métallique 11 d'axe 00'; ce disque est en fait constitué de deux couronnes 12 et 13, cette dernière étant complétée par une cuvette cylindrique 14, qui serrées l'une contre l'autre à l'aide de vis, telles que 15, empoisonnent dans des gorges prévues à cet effet les extrémités des tiges conductrices 10, ce qui en facilite l'intercHangeabilité. Les longueurs de chacune de ces tiges sont déterminées de façon à ce que, lors de la rotation du disque 11, elles fassent défiler successivement chacune des cibles 9 à des niveaux différents du canal 5.On réalise ainsi une exploralion du faisceau par bandes circulaires contigues centrées sur l'axe 00t et le courant absorbé par chaque cible est représentatif à chaque instant de la densité de la portion de faisceau interceptée. La nature, la forme et les dimensions des cibles 9 sont fixées en fonction des principaux critères suivants: - valeur de l'énergie et nature des particules incidentes formant le faisceau analysé; - courant dû aux particules rétrodiffusées le plus faible possible; - émissinn secondaire la plus faible possible; - finesse de l'exploration; - impératifs thermffi1u=s et technologiques. Par ailleurs, les angles entre les Hifferelltes tiges conductrices 10 ont déterminés de manière à laisse ;n inrerval- le de temps entre la fin de ltexploratisn d'une bande par une cible et le début de l'exploration de la bande voisine par la pastille suivante. Ceci permet surtout de disposer de positions d'arrêt hors faisceau. A titre d'exemple, on a réalisé un ensemble capteur comportant neuf cibles identiques en acier de forme parallélépipédique dont la face active, perpendiculaire à la direction F, est un carré de deux millimètres de côté. Le faisceau à analyser rouvrant, en section droite, une surface carrée de deux centimètres de côté, déterminée au moyen d'un diaphragme, non représenté, disposé en amont de l'analyseur, la finesse de itexploration est de 4 , soit de 0,01.L'épaisseur des cibles doit être suffi samment Taible devant leur côté afin de rendre négligeable le nombre de particules venant frapper les faces latérales dans le cas de faisceaux divergents mais suffisamment grande pour que le courant absorbé ne soit pas négligeable devant les courants dus à l'émission d'électrons secondaires arrachés par les particules incidentes et à la rétrodiffusion de certaines de ces particules, ce qui introduirait une grande imprécision. La valeur adoptée pour lèpaisseur des cibles en acier est de deux millimètres. On a, dans ce cas, une absorption complète des particules d'énergie inférieure ou égale à 2 MeV.-Naturellement, bien d'autres métaux ou alliages peuvent être choisis et notamment l'aluminium, le fer, le cuivre....Il est avantageux, pour diminuer l'émission secondaire des faces actives des cibles de les rendre rugueuses, par exemple par sablage. Naturellement, ltépaisseur des cibles peut être déterminée de façon à ce que le rapport du courant absorbé au courant transmis ait une valeur fixée d'avance de manière à limiter la puissance thermique absorbée. L'ensemble 8 a pour rôle essentiel de protéger du faisceau incident des tiges conductrices 10 qui portent les cibles 9, seules ces dernières devant intercepter le faisceau. Il est donc disposé en amont de l'ensemble capteur 7 et constitué d'un disque métallique 16, d'axe 00', qui comporte, dans le prolongement de ses rayons, autant de branches 17 que de tiges conductrices 10, chaque branche protégeant une tige. La nature et l'épaisseur du disque 16 et des branches protectrices 17 sont telles que - aucune particule du faisceau analysé n'arrive sur les tiges, - l'écoulement thermique soit le meilleur possible des branches vers le disque, - la tenue à haute température soit la meilleure. Les branches 17 interceptant une portion notahle de faisceau, elles subissent un échauffement important et nécessitent donc un refroidissement efficace. Pour éviter l'utilisation d'un fluide de refroidissement, solution très onéreuse et d'une technologie délicate, l'écoulement de la chaleur doit se faire uniquement par rayonnement. Aussi le disque 16 doit-il avoir le plus grand diamètre possible compatible avec des dimensions raisonnables de l'appareil. L'ensemble protecteur 8 rayonnant sur ses deux faces vers les joues de ltenceinte 6 6 parallèles à son plan, la différence entre la température de ladite enceinte tc'est-à-dire sensiblement la température ambiante) et celle dudit ensemble sera d'autant plus réduite que les coefficients d'émissivité des corps en regard seront plus élevés.Ceci a été obtenu, dans l'invention, par noircissage de l'ensemble protecteur et des parois internes de l'enceinte, réalisé par projection dioxyde de chrome au moyen d'un chalumeau à plasma. Le revêtement noir ainsi formé présente une excellente résistance au bombardement des particules. Naturellement, on a aussi intérêt à noircir le disque 11 de l'ensemble capteur Y, mais comme il ne voit pas le faisceau on peut se contenter alors d'un noircissage au nickel. Le matériau choisi pour constituer l'ensemble protecteur 8 est de l'acier inoxydable. Les branches 17 ont une forme trapézoi dale car elle permet un meilleur écoulement thermique et leur épais seur est telle qutelles absorbent totalement le courant incident. La cuvette cylindrique 14 appartenant au disque 11 de l'ensemble capteur 7 et le disque 16 de l'ensemble protecteur 8 sont calés par des vis 18 et 19 respectivement sur une douille isolante 20 en alumine d'axe 00' qui constitue l'arbre commun des deux ensembles. Cet arbre porte sur deux roulements 21 solidaires de l'enceinte 6 ; il a le double rôle de protéger ces derniers contre un échauffement excessif et de servir d'isolant électrique pour l'ensemble capteur 7. La douille isolante 20 est percée axialement d'un canal cylindrique à l'intérieur duquel prend place un axe métallique 22 dont la fixation est assurée par la vis 19, laquelle assure en même temps la liaison électrique avec l'ensemble protecteur 8. Un balai frotteur 23 établit le contact électrique entre cet axe et l'enceinte 6. L'entraînement en rotation de l'axe 22 pour permettre l'exploration d faisceau par les cibles 9 est réalisé de l'extérieur de l'enceinte par l'intermédiaire d'un accouplement étanche, de type magnétique, dont les deux parties, schématisées en 24 et 25, sont séparées par un entrefer 26 maintenant l'étanchéité. La partie interne 24 est fixée à l'extrémité de l'axe 22 et la partie externe 25 à l'extrémité d'un axe 27 portant sur deux roulements 28 solidaires d'une douille 29 qui s'adapte par vissage sur L'axe 27 est couplé à l'arbre d'un motoréducteur, non représenté, qyi l'entraîne en rotation à une vitesse de l'ordre d'un tour par minute. Naturellement, on peut aussi utiliser un accouplement mécanique avec soufflet d'étanchéité. Avantageusement, l'arbre de ce moto-réducteur est muni de deux cames qui servent l'une à commander l'arrêt automatique de la rotation des deux ensembles en position hors faisceau en fin du cycle d'analyse et l'autre à envoyer un top chaque fois qu'une cible pénètre dans la zone traversée par le faisceau. Le courant électrique recueilli par chaque cible 9 sous l'incidence des particules est transmis au disque 11 par les tiges conductrices 10 et capté par une pointe 30 venant porter sur le fond externe de la cuvette métallique 14. Cette pointe est maintenue dans une douille isolante 31 par exemple en , matériau commer cialement connu sous le nom d"'araioite", qui assure un excellent isolement électrique en même temps qu'une bonne étanchéité au vide secondaire. Le contact entre la pointe 30 et la cuvette 14 est réalisé par la pression dun ressort 32 emprisonné au fond de la douille 31. Celle-ci est maintenue par une bride 33 fixée sur l'enceinte 6. La sortie du signal électrique transmis par les cibles est réalisée sur une prise coaxiale classique schématisée en 34. Ce signal, représentatif à chaque instant de la densité de la portion de faisceau interceptée est introduit dans une chaîne de mesure qui comprend un amplificateur 35 et, branchés en parallèle à la sortie de ce dernier, un intégrateur de charges 36 et un enregistreur 37. Enfin, une source de tension 35 sert à porter l'enceinte, en même temps que l'ensemble protecteur relié électriquement à celle-ci par le balai 23, à un potentiel positif permettant un "piégeage" de l'émission secondaire. La valeur adoptée pour cette polarisation, valable pour des énergies inférieures ou égales à 2 MeV, est de + 70 volts. Il est indispensable, pour obtenir, à partir du courant I injecté dans la chaîne de mesure, la valeur du courant réel i transporté par la portion de faisceau interceptée par chaque cible, de procéder à un étalonnage de l'analyseur. Plus précisément, il faut remonter du courant mesuré I, égal à la différence i - i a s du courant absorbé et du courant d'émission secondaire, au courant réel i égal à la somme i + i du courant absorbé et du courant du a r à la rétro-diffusion. Cela revient, en fait, à déterminer l'importance devant ia de ir et de is, ceci en fonction des intensités de faisceau et des énergies pratiquées puis de faire la correction nécessaire.Cet étalonnage est réalisé à l'aide d'un dispositif spécial, représenté schématiquement sur la figure 3, qui constitue le deuxième objet de la présente invention. Ce dispositif, que lton dispose sur le trajet du faisceau dont l'analyseur devra réaliser l'exploration comporte les prin cipaux organes suivants, énumérés suivant la direction F de propagation du faisceau - un premier tube cylindrique métallique 39 comprenant deux parois diamétrales 40 et 41 percées chacune d'.n orifice axial d'environ 10 mm de diamètre ; ceci constitue un diaphragme pour la faisceau - un deuxième tube cylindrique métallique 42 9 de diamètre suffisamment important par rapport aux ouvertures axiaies du diaphragme pour que ses parois internes ne soient pas frappées par des particules du faisceau incident - un troisième tube cylindrique métallique 43 qui maintient à son entrée, perpendiculairement au faisceau, un échantillon 44 de même constitution et de même épaisseur que les cibles de l'analyseur - enfin, un quatrième tube cylindrique métallique 45 fermé à son extrémité. Ces quatre tubes sont reliés les uns aux autres par des joints isolants tels que 46, disposés de manière à ce qu'ils ne puissent pas être atteints par les particules ; sans cette précaution, en effet, il risque de se produire des claquages. Le tube 42 est porté, par une source de tension 47, à un potentiel de + 70 volts, valeur choisie dans l'analyseur pour réaliser les conditions de piégeage par l'enceinte. de la totalité de l'émission secondaire. Un galvanomètre 48, en série avec cette source de tension, mesure un courant I1 tel que I = i' + i' 1 - r s i' et i' étant les courants de rétrodiffusion et d'émission secon r s daire pour le montage considéré. Le cylindre 39 est porté, par une source de tension 48, à un potentiel positif tel que les électrons secondaires émis par les parois du diaphragme soient piégés immédiatement ; la valeur choisie pour cette tension est de + 140 volts. Un galvanomètre 50, connecté au tube 43, mesure un courant tel que I = i' - i' 2 a s i' étant le courant absorbé par l'échantillon dans le montage a considéré. Enfin, le cylindre 45 est porté, par une source de tension 51, à un potentiel négatif tel que l'émission secondaire due à l'échantillon 44 soit repoussée ; la valeur choisie pour cette tension est de - 140 volts. Un galvanomètre 52, en série avec cette source, sert à vérifier qu'aucun courant n'est transmis par l'échantillon 44. Ces conditions de polarisation étant réalisées, on trace, pour différentes valeurs de l'énergie des particules du faisceau, les courbes qui représentent les variations, en fonction du courant I2 affiché par le galvanomètre 50, du rapport. La figre 4 représente le réseau de courbes obtenu pour trois valeurs de l'énergie des particules inc-identes 2 MeV, 1,5 MeV et 1 MeV. Le courant I2 est exprimé en microampères et le rapport K en %0. On peut écrire que le courant réel i' = a + ir s'exprime par la relation: i' = 12 (1 + K). Cette relation étant indépendante de la surface de l'échan- tillon, elle se transpose au cas de l'analyseur et devient alors: i = I (1 + K). Ainsi, les courbes d'étalonnage permettent de déduire immédiatement de la valeur du courant I mesuré la valeur du courant réel i intercepté par les cibles. REVENDICATIONS 10) Analyseur de faisceaux de particules se propageant à l'intérieur dwun canal suivant une direction déterminée, caractérisé en ce qu'il comporte - un ensemble capteur constitué de plusieurs cibles métalliques disposées aux extrémités de tiges conductrices, de longueurs inégales, prolongeant les rayons d'un premier disque conducteur rotatif, dtaxe sensiblement parallèle à lsaxe dudit canal, les longueurs desdites tiges étant déterminées de manière à ce que, lors de la rotation du disque, elles fassent défiler successivement chacune desdites cibles à des niveaux différents du canal, celles-ci réalisant ainsi une exploration par bandes du faisceau traversant ledit canal, - un ensemble de protection de l'ensemble capteur, constitué de plusieurs branches métalliques prolongeant les rayons d'un deuxième disque conducteur rotatif, de même axe que le premier et isolé électriquement par rapport à lui, lesdites branches étant disposées chacune en amont d'une tige conductrice pour la protéger des particules incidentes, de manière à ce que seules les cibles interceptent le faisceau, - une enceinte étanche communiquant avec ledit canal, à l'intérieur de laquelle sont disposés ensemble capteur et son ensemble de protection, - des moyens d'entraînement en rotation de l'axe commun des deux disques, - un système de collection du courant électrique recueilli par les cibles sous l'impact des particules incidentes, - et une chaîne de mesure de ce courant. 20) Analyseur suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les cibles ont une forme parallélé pipèdique. 30) Analyseur suivant l'une des revendications piécédentes caractérisé en ce que les cibles sont en acier, en aluminium, en fer ou en cuivre. 40)Analyseur suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la face de chaque cible recevant le faisceau est rugueuse. 50 )Analyseur suivant l'une des reendications précédentes caractérisé en ce que le diso-r conducteur de l'ensemble capteur est en deux parties qui, serrées l'une contre l'autre, emprisonnent dans des gorges les extrémités des tiges conductrices portant les cibles, qui sont ainsi facilement interchangeables. 60)Analyseur suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les branches de l'ensemble protecteur ont une forme trapézoïdale. 70) Analyseur suivant ltune des reendications précédentes caractérisé en ce que les branches de l'ensemble protecteur sont en acier. 80) Analyseur suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les parois internes de l'enceinte ainsi que le disque et les branc es de l'ensemble de protection sont noircis par projection d'oxyde de chrome au moyen d'un chalumeau à plasma. 90) Analyseur suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le disque de l'ensemble capteur et le disque de l'ensemble de protection sont calés sur une douille isolante portant sur des roulements et solidare d'un axe métallique relié électriquement à l'enceinte et au disque de l'ensemble de protection,les moyens d'entraînement agissant sur ledit axe. 100) Analyseur suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens d'entraînement comprennent un moto-réducteur extérieur à l'enceinte, dont le mouvement de rotation est transmis à l'axe commun des deux disques par un accouplement étanche. 11 ) Analyseur suivant la revendication 10, caractérisé en ce que l'accouplement étanche est de type magnétique. 120) Analyseur suivant l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le système de collection du courant électrique recueilli par les cibles est constitué par une pointe conductrice portant sur le disque de l'ensemble capteur, le contact entre ladite pointe et le disque étant réalisé par la pression d'un ressort. 130) Analyseur suivant l'une des revendications précédentes caractérisé-en ce que la chaîne de mesure comprend un amplificateur à l'entrée duquel est introduit le courant électrique recueilli et un enregistreur relié à la sortie dudit amplificateur. 1 Analyseur suivant une des revendications précédentes caractérisé e ce que enceinte peut être polarisée à ur potentiel permettant lepiégeage des électrons secondaires émis par les cibles. 15C) Dispositif d'étalonnage de l'analyseur suivant i, une des revendications précédentes, destiné à être disposé sur le trajet du faisceau à explorer et caractérisé en ce qu'il comporte, disposés coaxialement dans le sens de la propagation dudit faisceau: - r premier tube cylindrique métallique compre-nant deux parois diamétrales percées chacune d'un orifice axial pour constituer un diaphragme, - un deuxième tube cylindrique métallique, - un troisième tube cylindrique métallique maintenant à son entrée, perpendiculairement au faisceau, un échantillon de même constitution que les cibles de l'analyseur, - et un quatrième tube cylindrique métallique fermé à son extrémité, les premier, deuxième et quatrième tubes pouvant être portés à des potentie-is, permettant respectivement le; piégeage des électrons secordaires émis par les parois;du diaphragmse,-le piégeage des électrons secondaires émis par l'échantillon et la répulsion desdits électron-ssecordaires.