Brevet FR2263662A1 — publié le 19751003

L'invention a pour objet une source d'ions permettant I' ex- traction en quantité notable d'ions multichargés. En fait, l'obtention en quantité suffisante d'ions à niveau de charge élevé nécessite des décharges très riches en électrons, et ce résultat n'est obtenu qu'en réalisant de fortes décharges entre deux électrodes émettrices d'électrons, un plasma gazeux confiné au moyen d'un champ magnétique étant produit entre ces deux électrodes. Dans les sources d'ions habituellement utilisées, le plasma est confiné dans une enceinte tubulaire de faible diamètre munie en son milieu d'une fente fine destinée à laisser passer le faisceau d'ions multichargés. Mais les courants ioniques obtenus sont faibles, la puissance admise pour l'arc établi entre les deux électrodes étant limitée d'une part par l'échauffement de 11 enceinte tubulaire, et d'autre part par la mauvaise qualité de la décharge polluée par des ions métalliques et souvent mal confinée. La source d'ions objet de la présente invention ne présente pas ces inconvénients. Suivant l'invention, une source d'ions multichar-. gés comprenant une enceinte métallique tubulaire étanche comportant des moyens de refroidissement et dans laquelle peut être introduit un gaz à ioniser, ladite enceinte étant formée d'une partie centrale dite "corps de source", de faible section, ledit "corps de source" étant prolongé à ses deux extrémités par un renflement dit "bulbe" dans chacun desquels sont respectivement disposées une cathode et une anticathode métallique pouvant émettre des électrons et entre lesquelles peut etre établie une décharge permettant la formation d'un"plasma" confiné au moyen d'un champ magnétique, l'enceinte étant munie dans sa partie centrale d'une fente permettant l'extrac- tion des ions obtenus dans cette enceinte, est caractérisée en ce qu'au moins la paroi intérieure de ladite enceinte est en métal réfractaire de faible tension de vapeur. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des dessins qui l'accompagnent et sur lesquels - la figure 1 montre une source d'ions classique - les figures 2 et 3 représentent respectivement une coupe longitudinale et une coupe transversale d'une source d'ions suivant l'invention ; - les figures 4, 5, 6 et 7 montrent des détails de réalisation d'une source d'ions suivant l'invention. tes sources d'ions classiques, comme le montre la figure 1, comprennent une enceinte 1 étanche de forme allongée, comportant au centre un rétrécissement 2 dit "corps de source", celui-ci étant muni en son milieu d'une fente 3 pour le passage du faisceau d'ions. Une cathode K formée d'un filament et une anticathode massive Ak sont disposées à l'intérieur de l'enceinte 1, de part et d'autre du "corps de source", le gaz à ioniser est introduit dans l'enceinte étanche 1 par une tubulure 4 d'admission. Une électrode E polarisée négativement par rapport au corps de source" 2, est placée devant la fente 3, à l'extérieur de l'en- ceintei.Cette électrode E permet l'extraction des ions obtenus dans le "corps de source" 2. Un champ magnétique B créé suivant l'axe XX du "corps de source" 2 assure un confinement convenable du plasma obtenu dans enceinte 1. te "corps de source" 2 est généralement réalisé en cuivre, ce matériau ayant une bonne conductivité thermique. Mais les ions métalliques, provenant en partie du cuivre porté à haute température par la décharge, ont des potentiels d'ionisation faibles et appauvrissent cette décharge en électrons. De plus, le champ électrique extracteur présente dans la région de la fente 3 d'extraction une forme telle outil soumet à un bombardement ionique intense la paroi de l'enceinte, provoquant une pulvérisation superficiélle du cuivre de cette paroi. Il est à remarquer également qu'il y a formation d'ions métalliques lorsque les électrodes (cathode K et anticathode Ak) dépassent la température normale de fonctionnement, c'est-à-dire lorsqu'elles dépassent la température d'émission thermoionique pour laquelle la tension de vapeur est alors élevée. ta source d'ions suivant l'invention, telle que montrée en figure 2 évite ces inconvénients. l'enceinte 10 (qui peut être réalisée en cuivre, la paroi intérieure étant recouverte de tungstène par décomposition gazeuse par exemple), est, dans l'exemple repré senté,réalisée en un métal réfractaire ayant une faible tension de vapeur (du molybdène par exemple). tes électrodes (cathode K ayant la forme d'un filament et anticathode AK de forme massive) sont disposées de part et d'autre du "corps de source S, de faible section, dans les parties d'extrémité de l'enceinte formant des renflements ou bulbes 18 et 19. te "corps de source S peut être refroidi par un fluide 11 circulant dans l'épaisseur de la paroi de ce "corps de source S comme le montre la coupe longitudinale de la figure 2 et la coupe transversale, suivant ltaxe AA, de la figure 3. Un réflecteur d'ions 17 métallique, polarisé positivement par rapport à la cathode K entoure cette cathode K (fig. 2). Un gaz G à ioniser est introduit dans l'enceinte par la tubulure 12 d'injcction . le faisceau d'ions I obtenus par la décharge établie entre les électrodes K et Ak est extrait du "corps de source" S par la fente F au moyen de l'électrode E disposée extérieurement à l'enceinte 10, en vis-à-vis de la fente F, et polarisée négativement par rapport à cette enceinte 10. te débordement dans la fente F, du champ électrique extracteur, déforme le plasma vers la partie de la paroi du "corps de source" S se trouvant à l'opposé de la fente F, ce qui a pour effet l'érosion de cette partie de la paroi. Cet effet d'érosion et les inconvénients qui l'accompagnent seront notablement diminués si l'on augmente la section du corps de source" S dans la zone situé en arrière de la fente F en pratiquant un évidement 13 dans la partie de la paroi située en arrière de cette fente F, comme le montrent les figures 2 et 4. tes figures 4 et 5 montrent en détail un mode de réalisation de la fente F d'une source d'ions suivant l'invention. Cette fente F, qui est également soumise à une érosion intense, peut être réalisée dans une fenêtre 2C en matériau réfractaire (tanta-le pr exemple), cette fenêtre 20, de forme circulaire par exemple, munie d'une ouverture centrale ?, est fixée de façon amo- vible sur le "corps de source" S au moyen de vis 21. Cette fenêtre 20, suffisamment épisse à sa périphérie pour assurer convenablement sa fixation, a son épaisseur qui diminue vers le centre.Dans l'ex- emple montré en figure 4, la face de la fenêtre destinée à être appliquée sur le "corps de source" S, comporte un épaulement 22 périphérique, et son épaisseur est telle que cette fenêtre se trouve de niveau avec la paroi intérieure 23 du "corps de source" S tandis que l'autre face a la forme d'une cuvette. En figure 6, on montre un exemple de réalisation d'une anticathode Ak utilisée dans une source d'ions suivant l'invention. L'un des renflements ou "bulbes" 19 de l'enceinte 10 comporte un épaulement 30 destiné à recevoir une cale 31 en matériau électriquement isolant et bon conducteur de la chaleur (oxyde de beryllium par exemple) cette cale 31 étant munie en son centre d'un orifice 32 dans lequel pénètre l'anticathode Ak qui est ainsi centrée convenablement dans l'enceinte 10. S nticathode $ de forme circulaire est surmontée d'un large plateau 33 qui vient s'appuyer sur l'entretoise 31. l'anticathode Ak est maintenue par un capuchon 34 vissé ou brasé sur l'enceinte 10, une entretoise 35 en matériau électriquement isolent, mais de bonne conductivité thermique (oxyde de beryllium par exemple), étant placée entre le capuchon 34 et le plate. 37 de l'anti-cathode Ak. te capuchon 34 est muni d'une large ouverture 36 qui permet un rayonnement thermique s.tisfaisant de l'anticathode Ak. Face à l'anticathode Ak, le filament-ca.thode K est maintenu sur un socle 14 (fig. 2) au moyen des supports 15 et 16 correspondant aux passages d'entrée et de sortie de ce filament-cathode K, ces supports 15 et 16 assurant un bon isolement électrique entre les passages et un refroidissement convenable de ceux-ci, un fluide de refroidissement pouvant circuler dans ces supports 15 et 16. la longueur du fi lament-cathode K doit êtrc la plus courte possible et de section la plus importante possible afin de pouvoir contrôler aisément sa température.Dans une source d'ions suivant l'invention, il est encore possible d'améliorer son fonctionnement en utilisant un filamentcathode K, comme le montre la figure 7 et; un réflecteur 40 en matériau réfractaire, ce matériau pouvant être identique à celui du filament-cathode K. Ce réflecteur 40, qui peut être refroidi, forme une boîte entourant le filament-cathode K ; cette boîte est munie d'un orifice 41 permettant le passage des électrons émis par ce filament-cathode K, le réflecteur 40 était polarisé positivement par rapport au filament-cathode K qui est électriquement isolé de ce réflecteur 40 au moyen des passages isolants 42 e-t 43. ta présence du réflecteur 40 permet de réduire de façon notable la quantité d'ions métalliques injectés dans le "corps de so ce" S. Il est à remarquer, d'autre part, que pour obtenir un confinement satisfaisant de la décharge il faut que la cathode K et l'anticathode 8 disposées en vis-à-vis occupe une surface sensiblement égale à la section de la colonne de plasma que l'on désire obtenir2 c'est-à-dire à la section étroite du "corps de source' S. En fait, seule une faible fraction de la colonne de plasma intéresse l'émission ionique car le champ électrique d'extraction pé neutre d'autant moins dans le "corps de source" S que la fente F est plus petite. Or, il est nécessaire de limiter les dimensions de cette fente F afin de conserver une source d'ions de faible dimensions, de bonne qualités optiques et permettre aussi de maintenir une pres sion assez élevée pour obtenir la décharge souhaitée sans avoir à utiliser des débits de gaz prohibitifs. REVENDICA2I0tJS 1. Source d'ions multichargés comprenant une enceinte métal lique tubulaire étanche comportant des moyens de refroidissemellt et dans laquelle peut etre introduit un gaz à ioniser, ladite enceinte étant formée d'une partie centrale dite "corps de source" de faible section, et présentant à ses deux extrémités un renflement dit "bulbe", dans chacun desquels sont respectivement disposés une c- thode et une anticathode métalliques pouvant émettre des électrons, et entre lesquelles peut être établie une décharge permettant la formation d'un "pLasma" confiné au moyen d'un champ magnétique, ladite enceinte étant munie dans sa partie centrale d'une fente permettant l'extraction des ions obtenus dans ladite enceinte, ca ractérisée en ce qu'au moins la paroi intérieure de ladite enceinte est en un métal réfractaire de faible tension de vapeur. 2. Source d'ions suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite enceinte métallique est en cuivre, et en ce que la paroi intérieure de cette enceinte est recouverte de tungstène. 3. Source d'ions suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite enceinte métallique est en molybdène. 4. Source d'ions suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite enceinte métallique est en molybdène, et en ce que sa paroi intérieure est recouverte de tungstène. 5. Source d'ions suivant la revendication 1, caractérisée en ce que ladite cathode est un filament métallique maintenu par des supports munis de moyens de refroidissement, ce filament métallique étant cntouré d'un réflecteur métallique ayant la forme d'une boîte munie d'un orifice permettant le passage des électrons issus dudit filament, cet orifice étant disposé dans l'axe de la -partie centrale de l'enceinte tubulaire, ledit réflecteur étant polarisé positivement par rapport audit filament-cathode et des moyens permettant de refroidir ledit réflecteur métallique. 6. Source d'ions suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi intérieure de ladite oeieelnte comporte dans la partie centrale de cette enceinte, en arrière de ladite fente d'evtrqc- tion, un évidement. 7. Source d'ions suivant la révendication 1, caractérisée en ce que ladite fente est pratiquée dans une fenêtre amovible, en ms- tériau réfractaire, fixée sur la paroi extérieure de la partie centrale de ladite enceinte, la partie périphérique de ladite feutre étant plus épaisse que sa partie centrale. 8. Source d'ions suivant la revendication 7, caractérisée en ce que ledit matériau réfractaire de la fenêtre est du tungstène. 9. Source dtions suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'anticathode est munie dlun radiateur extérieur à ladite enceinte. 10. Source dtions suivant la revendication 9, caractérisée en ce que ladite anticathode est positionnée dans ladite enceinte et isolée électriquemént de celle-ci au moyen d'entretoises en oxyde de béryllium.