Brevet FR2294539A1 — publié le 19760709

La présente invention concerne un dispositif ioniseur in cluant une galette de microcanaux à émission électronique secondaire en tant que moyen d'ionisation. Il est connu de la demande de brevet français 110 7336486 en date du 12 Octobre 1973 au nom de la demanderesse, de constituer une source d'électrons à partir d'une galette de microcanaux placée dans un gaz ionisable. Dans le dispositif selon ladite demande de brevet, la galette de microcanaux dont les faces sont alimentées en tension électrique de façon classique, est le siège d'une émission d'électrons autoentretenue due aux phénomènes suivants - des électrons donnant naissance au bruit de fond de la galette sont multipliés dans les canaux de ma galette, lesquels électrons ioni sent le gaz présent en sortie. certains ions produits empruntent les canaux en trajet inverse (de la sortie vers l'entrée de la galetté), sont accélérés et provoquent par choc sur les parois, des électrons secondaires qui sont à leur tour accélé- rés vers la sortie puis ionisent le gaz en sortie et ainsi de suite. On parvient ainsi à ltautoentretien de l'émission d'élec troncs en réinjectant à l'entrée de la galette de l'énergie prélevée dans le faisceau d'électrons, c'est-à-dire une partie de celle qui a servi à l'ionisation du gaz en sortie, les ions étant le véhicule de l'énergie de roinjection. Une propriété remarquable de ces sources est d'être impul- sionnelle, l'oscillation s'interrompant au moment où la charge positive restant sur la paroi des canaux empoche l'émission d'autres électrons et ne reprenant que lorsque ia galette a récupéré ses électrons par le courant de conduction, le temps de récupération était en moyenne compris entre 10 et 30-ms, donc étant en àit relativement long. La présente invention utilise une telle galette placée dans un gaz de'marnière à obtenir, grâce à cet autoentretien, une ionisation importante Par ailleurs, selon cette invention l'ionisation est ac crue du fait qu'il est adjoint à la galette des électrodes à proximité de ladite galette portées à des potentiels électriques tels, qu'en sortie de galette, les électrons se trouvent parcourir un trajet assez long au sein du gaz ionisable, de manière que la probabilité d'ionisation soit plus grande et que celle-ci in téresse un volume du gaz plus grand. L'invention s'étend également à l'application de ces ioni seurs pour le bombardement de cibles telles, par exemple, dans les sources à neutrons produits à la suite de chocs ioniques,des cibles du genre entre autres nickel molybdène recouvert de titane tritié ou d'un mélange deuterium tritium. Selon la présente invention il est ainsi mis au point un dispositif ioniseur comportant à l'intérieur d'une enceinte étanche au videremplie d'une atmosphère gazeuse une source d'électrons, des moyens pour accélérer lesdits électrons et pour ioniser le gaz et des moyens pour extraire les ions du plasma ainsi créé, caractérisé en ce que la source d'électrons est constituée d'une galette de microcanaux à émission secondaire. interne électronique aux fa ces de laquelle est appliquée une différence de potentiel impulsionnelle de l'ordre de 1000 V, éventuellement une source auxiliaire d'électrons étant dis posée devant la face au plus bas potentiel dite d'entrée de la galette en oppo sition avec l'autre face dite de sortie, et en ce que les moyens pour accélérer lesdits électrons, ioniser le gaz et extraire les ions du plasma comportent un système d'électrodes placées de part et d'autre du plasma ou dans ledit plasma, une différence de potentiel impulsionnelle étant appliquée entre ces différen tes électrodes d'une façon concomitante ou légèrement postérieure à celle appli quée aux faces de la galette, le potentiel des électrodes les plus éloignées l'une de l'autre différant de l'ordre d'au moins quelques kilovolts, le poten tiel de l'une de ces dernières électrodes étant voisin de celui de la face de sortie ou d'entrée de la galette. L'invention s'étend au titre de l'application de ce ioni seur à l'introduction de celui-ci dans les dispositifs fonctionnant à partir d'une source d'ions. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, ladite description étant accompagnée de dessins qui représentent: Fig. 1. Un premier mode de réalisation de l'invention. Fig. 2. Un second mode de réalisation de l'invention. Fig. 3. Un troisième mode de réalisation de l'invention. Fig. 4. Un quatrième mode de réalisation de l'invention. Sur la figure 1 on a représenté schématiquement en coupe un ioniseur relativement simple. Sous le numéro 11 est représentée la galette de microcanaux à émission électronique secondaire. Cette galette est déposée sur une électro de 12 jouant par la suite le rôle d'anode. Une électrode pour l'extraction des ions est représentée en 13. Dans ce mode de réalisation et dans ceux décrits par la suite, où le io niseur est décrit dans une de ces applications, cette électrode est une cible en nickel recouvert de titane tritié nour production de neutrons nar bomerde- ment ionioue. Il existe alors entre cette cible et les autres éléments du dis positif des tensions électriques très élevées, de l'ordre de quelques dizaines de kilovolts, compte tenu de la haute énergie à communiquer aux ions pour le production de neutrons. Il va de soi, qu'il ne s'agit que d'un exemple d'électrode et que d'autres électrodes peuvent convenir, les mêmes tensions électriques ne pouvant être alors que de quelques kilovolts en fonction des applications. Les éléments cités sont situés à l'intérieur d'une enceinte étanche non représentée et contenant une atmosphère de gaz. Dans le cas de l'application envisagée ce gaz sera du Deutérium à basse pression de l'ordre de 10-1 Torr. Les faces d'entrée et de sortie de la galette respectivement 14 et 15 sont métallisées. Sur cette figure comme sur les autres les flèches indiquent la connexion de certains éléments à des sources de potentiel électrique. 14 est portée au potentiel masse tandis que 15 est soumise à une impulsion de potentiel de valeur - Vg négatif dépendant de la structure de la galette utilisée, - 1000 V par exemple pour une galette de 2,5 mm d'épaisseur pendant une durée de l'ordre par exemple 20 jus. La cible de son côté est portée à un potentiel impulsionnel négatif de valeur élevée de l'ordre de - 100 kv la durée de l'impulsion étant de 20 /us environ. Le fonctionnement est le suivant Les particules : de désintégration du tritium en provenance de la cible ou, le cas échéant, provenant de l'anode préalablement imprégnée, ou encore, les électrons correspondant au bruit à l'entrée de la galette, ladite entrée étant du côté anode, sont détectés et multipliés par la galette de microcanaux lorsou'on lui applioue l'impulsion de tension - Vg un peu avant l'impulsion haute tension de 100 kv appliquée à la cible, l'écart de temps étant 0,5 /us par exemple. Les électrons en sortie de galette ionisent le gaz. Les ions produits sont en partie attirés par la cible tandis que les autres prennent le trajet des canaux en direction de l'entrée de la galette où par choc sur les parois des canaux, ils créent des électrons secondaires qui, à leur tour, après multiplication dans les canaux, ionisent le gaz en sortie de galette, et ainsi de suite permettant le développement de la décharge dans le gaz et son ionisation totale. La pression étant relativement élevée la vitesse de recombinaison des ions dans le gaz est plus grande que celle de récupération des charges par la galette. Il s'ensuit Pue les impulsions d'ions obtenues ont une période de récurrence égale à celle de récupération des charges par la galette, cteet-à-dire de l'ordre de 20 ms. Dans le mode de réalisation de la figure 2, on retrouve les mêmes éléments que ceux de la figure 1 avec, en plus, une grille 21 placée en série avec la face de sortie 22 de la galette 20, ladite grille étant reliée à la masse tandis que la face d'entrée 23 est cortée à une source de potentiel impulsionnel négatif de valeur - Vg,par exemple -1000 V pour le type de galette déjà indiqué. Le dispositif comporte une cible 24 au potentiel de la masse et une anode 25 pouvant recevoir des impulsions de potentiel positif de l'ordre de 100 kv. Dans cette géométrie, on a ménagé un espace équipotentiel entre la cible et la grille toutcs deux à la masse par le fait que la galette se trouve placée latéralement à ces deux éléments, eux-mêmes disposés parallèlement l'un à l'autre et que la face de 12 galette portée au potentiel masse ferme d'un côté l'espace entre cible et grille. Le processus d'ionisation est initié par une source radioactive 26 auxiliaire envoyant des électrons sur la face 23 ou à l'aide du bruit propre de la galette tandis que le potentiel - Vg est appliqué à la face d'entrée de la galette 0,2 /us environ avant l'application d'une tension de 100 kv à l'anode 25. Certains des électrons détectés et multipliés par la galette de microcanaux ionisent le gaz en sortie de galette tandis que d'autres sont absorbés par la grille ou encore sont attirés dans l'espace d'accélération (entre grille et anode) où ils ionisent le gaz au voisinage de l'anode, les ions produits étant ensuite attirés par la cible au cours de la décharge ou encore utilisés par la galette pour la régénération des électrons de ionisation Ce système présente sur le précédent certains avantages - tout d'abord la galette est située en dehors de la dé Onarge haute tension ce qui permet d'errer une durée de vie plus grande de ladite galette, - ensuite les électrons en provenance de la galette étant émis dans un espace équipotentiel, ils ont une probabilité d'ionisation maximum et sont utilisables tout au long de l'impulsion haute tension, ce qui régu larise celle-ci. - enfin le parcours des électrons après l'application de la haute tension est beaucoup plus longue que dans le cas précédent ce qui permet de fonctionner à des pressions plus basses, par exemple 10-2 Torr, donc un ren devent d'ionisation meilleur. Sur la figure 3 représentant un troisième mode de réalisetion, on a introduit par rapport au prel.ier mode de réalisation une grille 31 entre la cible 32 et l'anode 33 recouvèrte de la galette 34. La grille est à la masse tandis que par exemple la face 35 de la galette est à -200 V et qu'une impulsion de tension négative de l'ordre de -1200 V (-(Vg +200v)) est appliquée à l'anode 33 d'une façon concomitante ou un peu antérieurement à l'impulsion haute tension de -100kv appliquée à la ci ble. Les électrons sortant de la galette de microcanaux oscillent autour de la grille ionisant ainsi les molécules de gaz ambiant, les ions produits étant accélérés dans le champ haute tension jusqu'à la cible. Ce dispositif est l'analogue d'un tube à préionisation où la galette de microcanaux remplace avantageusement le filament chauffé avec une notable économie de la puissance d'alimentation. Dans le mode de réalisation de la figure 4, on a introduit entre la cible 41 et la galette de microcanaux 42 appliquée sur l'anode 43 une cathode creuse 44 et une anode creuse 45. La cible est portée à une haute ten sion impulsionnelle de - 100kv concomitante à l'impulsion de tension - Vg de l'ordre de-i0 v négative appliquée à l'anode. La cathode 44 est à la lause tan dis que l'anode 45 est per exemple à + 400 V la face de sortie 46 de la galette étant pour sa part à la masse: Les électrons initiateurs de I'ionisation proviennent d'une source auxiliaire qui peut dtre le bruit de la galette. Ils sont détectés et multipliés dans la galette lorsqu'on applique la tension- -Vg. Les électrons ainsi produits oscillent dans l'espace compris entre la cathode percée 44 au potentiel de la masse, l'anode 45 au po tentiel 400 V et la sortie de galette 46 également au potentiel de la masse. De ces oscillations résultent un allongement des trajectoires des électrons par rapport aux modes de réalisation précédents qui augmente la probabilité dtio- nisation du gaz. Les ions produits pendant ces oscillations passent par l'ou verturede la cathode Wui est l'anode de l'espace d'accélération et sont accé lérées jusqutà la cible. Avec une géométrie convenable et des tensions relati vement modérées on peut ainsi constituer une source d'ions pulsée relativement intense. Il est à noter que dans tous les nodes de réalisation ci tés, la puissance électrique nécessaire' pour faire fonctionner la galette pro prement dite est faible. En effet l'équivalent électrique d'une galette de mi crocanaux est un circuit comportant en série une résistance de valeur supérieu re à 30 MJtet une capacité de l'ordre d'une dizaine det F, ce qui, pour un temps de montée d'impulsion de 0,5 /us, correspond à une impédance de l'ordre de 10\kil. Lorsque la tension Vg est de l'ordre de 1000 V le courant dans la galette est de l'ordre de 0,1 A ce qui conduit à une énergie consommée de 10-4 joule par microseconde de durée d'impulsion. Ainsi apparait d'une façon éloquente l'intérêt d'une tel le galette en tant que source d'électrons au au lieu d'un filament chauffé. RERnCiDICATIONS : 1. Dispositif de ionisation comportant à l'intérieur d'une enceinte étanche au vide remplie d'une atmosphère gazeuse une source d'électrons, des moyens pour accélérer lesdits électrons et pour ioniser le gaz et des miens pour extraire les ions du plasma ainsi créé, caractérisé en ce que la source d'électrons est constituée d'une galette de microcanaux à émission secondaire interne électronique aux faces de laquelle est appliquée une différence de potentiel impulsionnelle de l'ordre de 1000 V, éventuellement une source auxiliaire d'électrons étant disposée devant la face au plus bas potentiel dite d'entrée de la galette en opposition avec l'autre face dite de sortie, et en ce que les moyens pour accélérer lesdits électrons, ioniser le gaz et extraire les ions du plasma comportent un système d'électrodes placées de part et d'autre du plasma ou dans ledit plasma, une différence de potentiel impulsionnelle étant appliquée entre ces différente électrodes d'une façon concomitante ou légèrement postérieure à celle appliquée aux faces de la galette, le potentiel des électrodes les plus éloignées l'une de l'autre différant de l'ordre d'au moins quelques kilovolts, le potentiel de l'une de ces dernières électrodes étant voisin de celui de la face de sortie ou d'entrée de la galette. 2. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système d'électrodes se réduit à deux électrodes à savoir une anode sur laquelle est déposée la face d'entrée de la galette et au même potentiel que ladite face, et une autre électrode du côté face de sortie de la galette portée à un potentiel négatif par rapport à la face de sortie de la galette. 3. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système d'électrodes comporte trois électrodes à savoir une anode sur laquelle est déposée la face d'entrée de la alette au même potentiel que ladite face et du côté face de sortie de ladite galette, dans l'ordre, une grille et une dernière e,lectr6e, la grille étant à un potentiel d'environ 200 V supérieur à celui de la face de sortie de la galette, le potentiel de ladite dernière électrode étant négatif par rapport à celui de laite face de sortie to- tes lesdites électrodes étant disposées naiallElcnent les unes aux autres. 4. Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système d'électrodes comprend trois électrodes à savoir dans l'ordre une première électrode, une Tille placée parallèlement à la première électrode et corm~ctée en série avec la face de sortie de la galette de sicrocanaux, laquelle galette est placée sensiblement perpendiculairement audits première électrode et grille, ladite premire électrode et la grille étant au même potentiel et une troisième électrode à un potentiel positif par rapport à celui de la grille. 50 Dispositif, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système d'électrodes comprend une première électrode sur laquelle est déposée la face d'entrée de la galette et au meme potentiel que ladite face, puis, dans l'ordre du coté face de sortie de la galette et à partir de ladite face une deuxième électrode en forme d'anneau à un potentiel de plusieurs centaines de volts supérieur à la face de sortie de la galette, une troisième électrode également en forme d'anneau à un potentiel égal à celui de la face de sortie de la galette et une quatrième électrode à un potentiel négatif par rapport à celui de la troisième électrode, toutes lesdites électrodes étant disposées parallèlement les unes aux autres. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que parmi les électrodes les plus éloignées l'une de l'autre celle située du coté de la face de sortie de la galette et servant à l'extraction des ions est à un potentiel de l'ordre de 100 kv inférieur au potentiel des autres électrodes et en ce que ladite électrode d'extraction des ions est recouverte de titane tritié pour production de neutrons. 7. Dispositif incluant une source d'ions selon ltune des revendications 1 à b.