Brevet FR2204882A1 — publié le 19740524

L'invention est relative aux sources d'éleotrons et aux dispositifs mettant en oeuvre de telles sources, tels que les lasers à gaz à excitation électronique. Les sources d'électrons de l'invention, qui permettent d'obtenir des faisceaux électroniques d'intensité élevée et de large section, conviennent particulièrement bien pour l'excitation des lasers à gaz de puissance, mais peuvent aussi être avantageusement utilisées dans d'autres dispositifs mettant en oeuvre des flux électroniques, tels que les générateurs magnéto-hydrodynami- ques. On a déjà pensé à exciter des lasers à gaz par des faisceaux d'électrons. Dans les brevets français publiés sous les numéros 2 044 683 et 2 077 502, par exemple, les électrons sont crées dans la veine même du laser par des décharges électriques. tuant au brevet français publié sous le numéro 2 106 572, il décrit un laser à gaz dans lequel le faisceau d'électrons, engendré par des filaments chauffés dans une chambre étanche dont la fenêtre de sortie est une paroi de la cavité laser , est accéléré par une différence de potentiel créée entre ladite paroi et la paroi opposée de la cavité laser. Enfin l'article de R.K Garnsworthy et aL paru dans " Applied Physics Letters " (Volume 19, nO 12, du 16 décembre i971) décrit un laser à gaz excité par des électrons créés dans une chambre annulaire à double paroi disposée autour du laser et contenant un gaz à faible pression. Le flux d'électrons est excité par une décharge électri-que établie entre les parois de la chambre. Rai-s de telles réalisations ne peuvent donner complète satisfaction. Dans celles où les électrons sont créés dans la cavité laser, on est obligé de faire fonctionner le laser à des tensions supérieures aux tensions de claquage, d'où un fonctionnement instable, et de limiter la pression de gaz dans la cavité et par conséquent la puissance émise. Quant aux sources dites " indépendantes " dans lesquelles le faisceau électronique est créé dans une cavité séparée, o u t r e que leurs dimensions sont souvent prohibitives, ou bien leur dondaine de fonctionnement est limité, ou-bien elles mettent en oeuvre des cathodes chaudes exigeant l'emploi de transformateurs d'isolement à très haute tension. L'invention a pour objet une nouvelle source " indépendante " exempte de ces inconvénients et présentant en outre les avantages suivants - elle permet d'obtenir à volonté des faisceaux d'électrons continus ou pulsa toires, ayant dans les deux cas une section importante et une intensité élevée, elle - consomme peu d'énergie et sous une faible tension, - sa construction est simple et peu onéreuse, - elle peut entre échangée facilement, - - elle peut se monter sur tous les types de laser à gaz connus Quant aux lasers à gaz équipés d'une source selon l'invention, ils peuvent fournir une puissance rayonnante importante, en régime continu ou pulsé, etpermettent un changement aisé de la source pour maintenance ou encore montage d'une source différente. La source d'électrons de l'invention comporte, dans une enceinte emplie d'un gaz tel que l'argon, l'hélium, l'hydrogène etc... sous une pression compri se par exemple entre 10 et 10 2 torrs, ladite enceinte étant munie d'une fenêtre de sortie des électrons étanche au gaz, une cathode froide, maintenue à une haute tension négative par rapport à la fenêtre, un écran ou grille disposé entre la cathode et le dispositif d'ionisation et perméable aux électrons émis par la cathode, ladite grille étant portée à un potentiel voisin de celui de la fenêtre pour créer entre la grille et la fenêtre un espace sensiblement équi potentiel et entre la grille et la cathode un espace à gradient de potentiel élevé. L'invention met donc en oeuvre un procédé qui consiste à ioniser le gaz dans un espace pratiquement équipotentiel, en obtenant ainsi un rendement d'io nisation élevé, et à accélérer les ions dans un espace à gradient de potentiel pratiquement déterminé par les seules valeurs de haute tension de la cathode et de distance entre la cathode et la limite des deux espaces. Dans ces conditions, la cathode froide, tout en ne consommant pas d'énergie engendre un flux d'électronsintense. On est en outre maitre du régi me de fonctionnement car, par des variations limitées du courant d'anode, on peut obtenir des variations importantes de l'intensité du faisceau d'électrons et même, à volonté, un régime continu ou un régime pulsé. Dans ce dernier cas, le temps de montée minimal des impulsions est évidemment fonction de la masse des ions gazeux. Mais avec un gaz léger tel que l'hélium ou I'hydrogène, on peut abaisser le temps de montée jusqu'à la microseconde tout en obtenant des impulsions de puissance très élevée. En outre, la pression de gaz dans l'enceinte peut varier dans de larges limites tout en étant de toute façon beaucoup -plus élevée que dans les sources à cathode chaude, où elle ne doit pas dépasser 10 torrs sous peine d'endom mager la cathode. Les problèmes d'étanchéité et de vide sont donc très simpli fiés et l'invention permet la réalisation de sources d'électrons pour les quelles il n'est pas nécessaire de mettre en oeuvre des dispositifs de pompage permanents. On se réfère maintenant, pour mieux faire comprendre l'invention - à la figure 1, qui est un schéma succinct d'une source d'électrons selon l'invention, - à la figure 2, qui est une section d'une forme de réalisation mettant en oeuvre une chambre d'ionisation à filament thermoémissif. Pour faciliter l'examen des figures, on y a omis certains éléments, tels que joints d'étanchéité, vis de fixation, connexions électriques etc... dont la représentation n'apparait pas nécessaire pour la compréhension du fonc tionnement, La source d'électrons de la figure 1 comporte, dans une enceinte étanche constituée par un boîtier métallique 1 pourvu d'une fenêtre 3 de sortie des électrons et par un bottier isolant 2, ladite enceinte contenant un gaz ionisable à une pression comprise entre 10 et 10 2 torrs, une cathode 4 reliée à un conducteur 5 traversant le bottier 2 et une chambre d'ionisation 6. Cette chambre d'ionisation peut mettre en oeuvre, soit un plasma injecté de l'extérieur par des moyens non représentés, soit un plasma créé " in situ" par des moyens -tels qu'un dispositif de décharge, ou un dispositif à filament thermoémissif comme celui qui sera représenté dans la figure 2. La cathode 4 est portée, par rapport à la fenêtre 3 prise comme référence, et qui sera en général mise à la masse du laser, à une haute tension négative de valeur élevée, par exemple comprise entre - 100 et - 150 kV. Entre la chambre 6 et la cathode 4, on a disposé un écran perméable ou grille 7 porté à un potentiel voisin de celui de la fenêtre. Les ions produits par l'action de la chambre 6 traversent l'écran 7 et vont bombarder la cathode 4 qui émet un flux d'électrons secondaires qui traversent quant à eux l'écran 7, la chambre 6 et la fenêtre 3. Le rêle de l'écran 7 est essentiel. Tout en donnant passage aux ions nés dans la chambre 6 et aux électrons secondaires émis par la cathode 4, il divise l'enceinte en deux espaces A et B. L'espace A est pratiquement équipo potentiel et le rendement d'ionisation est élevé. L'espace B est à gradient de potentiel élevé, dont la valeur ne dépend pratiquement que de la tension de la cathode 4 et de la distance entre la cathode et l'écran 7, ce qui permet l'émission d'un flux intense d'électrons énergiques. En outre, l'écran 7 homogénéise le flux d'ions parvenant à la cathode.Selon les conditions de pression, une proportion plus ou moins élevée des ions provenant de la chambre 6 peut provoquer dans l'espace B une ionisation secondaire mais ce phénomène est plut8t bénéfique en lui-même si la pression ne dépasse pas une valeur de 11 ordre de 10 2 torrs. Dans la figure 2, la paroi il du bottier 1 en acier inoxydable est en fait une partie de paroi d'une cavité de laser à gaz non représentée. La fenêtre de sortie 3, d'un diamètre de 60 mm, constituée par une feuille mince 32 perméable aux électrons, par exemple en aluminium de 20 microns ou mieux encore en poly-imide de 10 microns métallise sur ses deux faces, est appuyée contre une grille 31 en cuivre de 2 mm d'épaisseur et dont les barreaux sont suffisamment fins pour que la transparence soit de l'ordre de 80 X. La feuille et la grille sont maintenues par une bride 33. La grille 31 permet à la feuille 32 de résister à la différence de pression entre la veine du laser à gaz et l'en- ceinte de la source. En outre, elle facilite l'évacuation de la chaleur. Le boîtier 2 est en céramique. La cathode 4 est en acier inoxydable et a un diamètre de 80 mm. L'enceinte est emplie d'argon à la pression absolue de 510 torrs. La chambre d'ionisation 6 du type " reflex " comporte - une enceinte tubulaire 61 en acier inoxydable, - dans le tube 61, un filament quasi-circulaire 63 en tantale très proche de la paroi du tube, porté par des supports isolants 62 solidaires du tube, et alimenté en basse tension pour être chauffé à une température de 1 8000 C. L'une des extrêmités du filament est à la masse du boîtier 1. Le tube 61, dont on verra qu'il joue le rôle d'anode, est entouré d'une bobine magnétique 8 donnant à l'intérieur du tube 61 un champ de 20 gauss. Le tube ou anode 61 est isolé du boîtier 1 et de l'écran 7, qui lui est solidaire, par des joints isolants 64. L'écran 7 est constitué par une couronne 71 en acier inoxydable coaxiale à l'anode 6 et dont l'orifice central, d'un diamètre égal à celui de la fenêtre 3, porte une grille 72 en nickel électroformé ou en tungstène tissé et dont la transparence est de 90 %. Des rebords 12 et 74 appartenant respectivement au boîtier 1 et à la couronne 71 protègent les joints 64 contre les dépôts métalliques. La couronne 71 déborde l'anode 61 par un rebord circulaire incurvé 73 dont l'effet est indiqué plus loin. Les différentes tensions auxquelles sont portées les éléments de la source sont les suivantes, la masse constituée par le boîtier 1 et la fenêtre 3 étant prise comme référence; - cathode 4 : - 100 à - 150 kV, - écran 7 : - 20 V - anode 61 : + 60 V quant au filament 63 il a, comme on l'a dit, l'une de ses extrêmités à la masse. Dans ces conditions, l'écran 7 sépare électriquement deux espaces. L'espace B présente un gradient de potentiel élevé qui ne dépend que de la valeur de la haute tension de cathode (par exemple - 120 kV) et de la distance entre cathode et écran (par exemple 5 cm). Les surfaces équipotentielles, du fait de la présence du rebord 73, sont pratiquement planes. Le gradient est donc, dans l'espace B, constant et, pour les valeurs précitées, de 24 kV/cm. Quant à l'espace A, comme on l'a déjà dît, il est pratiquement équipotentiel. Les électrons dits " primaires " émis par le filament 63 ne sont donc pas soumis au champ développé par la cathode 4 Ils sont attirés par l'anode 61 mais sont freinés par le champ de la bobine 8 et réfléchis par la fenêtre 3 et l'écran 7 de telle sorte qu'ils acquièrent des trajectoires épicyclotdales qui favorisent les rencontres avec les molécules d'argon et permettent d'obtenir un rendement ionique élevé. Les ions formés sont repoussés par l'anode. Une partie traverse la grille 72 et pénètre dans l'espace B pour heurter la cathode 4 à vitesse élevée en provoquant l'émission d'un flux intense d'électrons secondaires. Ceux-ci acquièrent une énergie de 120 keV dans l'espace B et ne sont ni affectés par le champ régnant dans la chambre d'ionisation, ni gênés par le filament. On remarquera d'ailleurs que les divers éléments sont disposés et conformés de façon à donner libre passage aux ions passant de l'espace A vers l'espace B et aux électrons secondaires allant de l'espace B vers l'espace A pour finalement traverser la fenêtre 3. Un prototype de source réalisé conformément à la figure 2, rempli d'ar -4 gon sous une pression de 5. 10 torrs, donne un flux électronique continu dont la densité de courant est de 10 A/cm2. Mais on peut aussi produire à l'aide de la même source des impulsions de quelques microsecondes d'une densité de courant de 1 A/cm2 en agissant sur le seul courant d'anode. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour l'émission, dans une enceinte contenant un gaz, d'un faisceau d'électron par bombardement ionique d'une cathode froide pour provoquer l'émission d'électrons secondaires vers une fenêtre de sortie portée à un potentiel élevé par rapport à la cathode, caractérisé en ce que l'on ionise le gaz dans un espace proche de la fenêtre et en ce que l'on sépare ledit espace de l'espace environnant la cathode par une grille portée approximativement au potentiel de la fenêtre en créant ainsi dans l'espace d'ionisation un champ à gradient de potentiel pratiquement nul et dans l'espace de la cathode un champ à gradient de potentiel élevé. 2 - Source d'électrons comportant, dans une enceinte emplie d'un gaz sous faible pression, et munie d'une fenêtre de sortie des électrons, une cathode froide à haute tension négative par rapport à la fenêtre pour l'émission d'électrons secondaires, caractérisée en ce qu'elle comporte, entre la cathode et la fenêtre, une chambre d'ionisation du gaz ménageant un passage pour la circulation des ions vers la cathode et la circulation des électrons secondaires vers la fenêtre et, disposé entre la cathode et la chambre d'ionisation, un écran ou grille porté à un potentiel proche de celui de la fenêtre pour créer entre la grille et la fenêtre et dans la chambre d'ionisation un espace sensiblement équipotentiel et entre la grille et la cathode un espace à gradient de potentiel élevé. 3 - Source d'ions de type " reflex ", caractérisée en ce qu'elle comporte une anode de forme tubulaire, un filament thermoémissif de forme quasi-circulaire disposé à faible distance de l'anode et porté à un potentiel négatif par rapport à l'anode, ét une bobine d'induction entourant la chambre pour freiner les électrons émis par le filament et attirés par la paroi de la chambre. 4 - Source d'électrons selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comporte comme chambre d'ionisation, une source d'ions du type reflex ". 5 - Source d'électrons selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'elle comporte comme chambre d'ionisation une source d'ions du type " reflex " selon la revendication 3. 6 - Laser à gaz à excitation électronique, caractérisé en ce qu'il comporte une source d'électrons selon l'une quelconque des revendications 2, 4 et 5.