Brevet FR2482768A1 — publié le 19811120

L'invention concerne un séparateur de masses ExB destiné à séparer et focaliser des faisceaux d'ions. Le séparateur de masses utilise un aimant permanent et des plaques segmentées produisant un champ électrique. Des éléments de focalisation permettent une collimation des espèces ioniques souhaitées après que la séparation a eu lieu. Le séparateur est utile pour focaliser et séparer des faisceaux ioniques dominés par des charges d'espace. Un appareil à faisceaux ioniques de l'art antérieur, produisant des faisceaux ioniques séparés, comprend des éléments fonctionnels distincts qui sont reliés entre eux pour former l'axe du faisceau ionique. On utilise une source d'ions possédant sa propre structure magnétique si cela est nécessaire pour la production du faisceau ionique. La séparation des ions en aval de la source exige des éléments supplémentaires de séparation. Par suite de la présence d'éléments distincts, une telle structure est inutilement longue et complexe. Dans le cas de faisceaux à courant élevé et faible énergie, ces inconvénients sont particulièrement gênants, car une expansion importante de la charge d'espace se produit dans la zone comprise entre la source d'ions et le séparateur d'ions. Le faisceau ionique produit par une source d'ions n'est pas pur. En plus des espèces ioniques souhaitées, d'autres ions sont présents par suite de la contamination du combustible, et de la présence de matières provenant d'autres parties de la source et des éléments combustibles. Etant donné que les ions forment un flux ou qourant, ils sont soumis à une déviation par un champ magnétique ou un champ électrique. Pour tout champ magnétique ou électrique particulier, des espèces ioniques différentes sont dirigées suivant des trajets connus, mais différents. De plus, lorsque les deux champs électrique et magnétique ont une orientation et une force convenables, les espèces ioniques choisies peuvent être dirigées suivant un trajet prédéterminé, même une ligne droite. Dans un tel analyseur d'ions, les champs électrique et magnétique forment un certain angle entre eux et sont généralement perpendiculaires à la trajectoire ionique. En raison de cette orientation, ils sont communément appelés filtres E par B que l'on peut écrire 'ExB". Les essais de montage du séparateur immédiate- ment en aval de la source ionique n'ont pas donné satisfaction en raison de l'interférence des champs magnétiques. Le champ magnétique axial présent dans la source d'ions est perturbé par le champ magnétique transversal présent dans le séparateur E par B. Ces problèmes sont résolus au moyen de la structure décrite dans le brevet des Etats-Unis. d'Amérique NO 4 163 151 qui comprend une source ionique avec laquelle les éléments de séparation sont en coordination directe. Des faisceaux ioniques, à courant élevé accroissent la vitesse d'implantation lorsque la structure est utilisée comme source d'implantation et, par conséquent, des courants plus élevés sont souhaitables. Cependant, l'accroissement du courant augmente les effets de la charge d'espace dans le faisceau, ce qui provoque une séparation de ce dernier à sa sortie de la source. La plupart des analyseurs de faisceau ionique ExB de l'art antérieur sont utilisés dans des applications à haute tension et faible courant o les effets des charges d'espace sont négligeables et, par conséquent, de nouveaux problèmes se posent lorsqu'on tente d'effectuer des opérations de séparation et de commande. d'un faisceau fonctionnant sous un courant élevé et une faible tension. Pour faciliter sa compréhension, on peut indiquer que l'invention concerne essentiellement un séparateur ExB à focalisation destiné à l'analyse de faisceaux ioniques dominés par des charges d'espace. A cet effet, des plaques de champ électrique sont placées dans la section de séparation E par B de manière à produire une focalisation des espèces ioniques souhaitées au cours de la séparation. L'invention a donc pour objet un séparateur de masses qui comporte une section de focalisation incorporée de manière que les espèces ioniques souhaitées, présentes dans le faisceau entrant dans le séparateur, puissent être focalisées pendant le passage de ce faisceau à travers le séparateur afin de minimiser les effets de charges d'espace sur des faisceaux ioniques à courant élevé et basse tension. L'invention a également pour objet un séparateur de masses ExB à focalisation qui convient particulièrement à des systèmes de production intégrés à faisceau ionique devant fonctionner sous un courant élevé et une basse tension et qui sont compacts et d'une structure commode. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: la figure 1 est une vue de dessus d'une première forme de réalisation d'un systèmed'implantation ionique comprenant le séparateur de masses E par B à focalisation destiné à des faisceaux ioniques dominés par des charges d'espace; la figure 2 est un schéma montrant l'alimentation en énergie et les potentiels appliqués dans un premier exemple de fonctionnement; la figure 3 est une vue-partielle en plan de la section de séparation ExB du système, certaines parties étant représentées en coupe; la figure 4 est une vue en plan, avec coupe partielle, d'une deuxième forme préférée de réalisation de la section de séparation E par B du système; et la figure 5 est une vue en plan, avec coupe partielle, d'une troisième forme préférée de réalisation de la section de séparation E par B du système selon l'invention. Les figures 1, 2 et 5 représentent un appareil 10 d'implantation ionique. Il comprend un corps 12 qui contient un sousensemble 14 de formation et d'analyse d'un faisceau, situé à l'extrémité de gauche du corps, et une chambre 16 à cible située à l'autre extrémité du corps, cette chambre renfermant le dispositif de manipulation de la cible pour former un sous-ensemble à cible. Les deux sous-ensembles peuvent être séparés par une valve qui peut être fermée afin que le vide établi dans ces sous-ensembles puisse être réglé 24827 8 séparément. Un dispositif convenable d'application de vide est utilisé pour satisfaire les exigences en vide. Une source 18 d'ions, comportant une électrode 19 d'extraction, produit le faisceau ionique à basse tension et courant total élevé. La source de faisceaux en ruban décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NI 4 163 151 est préférable, car pour extraire un courant de faisceau total important avec une densité de courant assez basse pour permettre un transport efficace, il est souhaitable de donner au faisceau une surface aussi grande que possible. Cependant, un faisceau à grande surface entraîne un débit de gaz élevé, de sorte que les ouvertures d'extraction du faisceau provenant de la source doivent être inférieures à environ 1 cm2 afin d'éviter d'avoir à mettre en oeuvre des pompes à vide trop grandes. Un faisceau en ruban est également souhaitable, car un faisceau à surface relativement-grande peut ainsi être produit sans que le centre du faisceau soit trop éloigné des plaques à champ électrique provoquant la séparation des diverses espèces ioniques. L'allongement de la fente d'extraction et de l'optique doit être au moins égal à 50 pour minimiser la perte de courant due à des ions mal focalisés aux extrémités du faisceau. Une géométrie de Pierce pour le foyer et les électrodes d'extraction permet de produire, à partir de la source 18, un faisceau ionique à courant élevé et basse tension. A titre d'exemple, lorsque la fente de la source 18 a pour dimensions 1 par 50 mm, que le gaz de la source est du BF3 et qu'une tension de -29,8 kV est appliquée pour l'extraction, la densité de courant est de 32 mA/cm2 pour tproduire 1 mA uniquement de bore ionisé dans le faisceau. Une tension d'extraction de -29,8 kV est appliquée entre la cathode de la source 18 et l'optique d'extraction représentée par l'électrode d'extraction 19 et cette tension permet d'obtenir un faisceau à courant élevé. Une zone de champ magnétique uniforme est produite pour la source ionique 18 et le séparateur ExB 20. Elle est obtenue au moyen d'une structure à aimants permanents, la pièce polaire éloignée étant représentée en 22. Une pièce polaire rapprochée, placée dans une position correspondante, n'est pas montrée sur la figure 1, cette pièce étant située sur le côté rapproché de l'observateur, mais ladite pièce polaire rapprochée constitue également un élément de production d'un champ magnétique. Un aimant permanent est préféré. Un champ magnétique ayant une force inférieure à environ 0,1 Wb/m2 ne convient pas à la résolution demandée des espèces de masses, par exemple pour séparer B+ de F+ ou As+ de As2. L'aimant comportant la pièce polaire 22 produit donc un champ d'une force minimale de 0,1 Wb/m. Le même champ magnétique est appliqué à la fois à la source ionique 18 et au séparateur ExB 20. Le séparateur ExB 20 est un analyseur de masses ou filtre de vitesses qui utilise un champ électrique normal à la fois au champ magnétique et à la trajectoire ionique afin de contrebalancer la force de Lorentz appliquée à une particule de vitesse donnée. Comme montré sur les figures 1, 2 et 3, le faisceau ionique passe sensiblement par le centre du séparateur ExB 20 en se déplaçant de la gauche vers la droite; le champ magnétique est perpendiculaire au plan du dessin et le champ électrique est appliqué par des plaques 24, 26, 28 et 30 de potentiel. Pour être facilement identifiable, le faisceau ionique est indiqué globalement en 32 sur les figures 2 et 3. Dans une condition d'équilibre, une classe choisie d'ions du faisceau 32 traverse en ligne droite le séparateur 20 et des particules de masse ou de vitesse différente sont déviées. La caractéristique de traversée en ligne droite du filtre ExB est avantageuse pour un appareil d'implantation ionique, car elle permet une conception simple et compacte et une sélection commode des espèces massiques souhaitées. L'utilisation d'aimants permanents réduit le coût et la complexité de l'appareil, et la sélection des espèces massiques souhaitées peut être effectuée aisément par réglage du potentiel appliqué aux plaques de potentiel. Comme montré sur les figures 1, 2 et 3, le faisceau en ruban est positionné de manière que l'observa- teur en voit le bord. De plus, les plaques de potentiel fonctionnent par paires, les plaques 24 et 26 formant une paire et les plaques 28 et 30 formant une autre paire. Le potentiel de la masse flottante 33, qui est, dans l'exemple décrit, de moins 30 kV, est le potentiel de base appliqué à la totalité du séparateur ExB 20. Les potentiels des plaques de potentiel sont en référence à ce potentiel. Dans la forme de réalisation décrite précédemment, une seule paire de longues plaques est utilisée. Dans la forme de réalisation décrite et dans l'exemple particulier du bore, les plaques 24 et 28 sont polarisées à un potentiel de +900 V et les plaques 26 et 30 sont polarisées à un potentiel de -900 V par rapport au potentiel de référence de la masse flottante 33. Etant donné que les effets des charges d'espace dans le faisceau sont sensibles dans le faisceau 32 à basse tension et courant élevé ainsi produit, un étalement excessif du faisceau se produirait si des plaques de potentiel classiques étaient utilisées. Dans le séparateur ExB 20 décrit, des plaques 34 et 36 de focalisation sont placées à proximité du milieu de la longueur des plaques de potentiel. Les plaques 34 et 36 de focalisation sont polarisées de manière à focaliser le faisceau afin de maintenir comprimé le faisceau d'espèce choisie lorsqu'il traverse la section de séparation. Dans l'exemple représenté, une tension de +11 000 V par rapport au potentiel de référence de la masse flottante 33 est appliquée aux deux plaques de focalisation afin de produire cette action de focalisation. L'action exercée sur le faisceau est analogue à celle d'une lentille unipotentielle avec une région de décélération-accélération. Ainsi, les énergies initiale et finale du faisceau, avant et après les plaques de focalisation, sont égales. La focalisation est réalisée sur une longueur relativement faible et elle n'affecte pas le fonctionnement global du séparateur ExB. Les trajectoires ioniques indiquées sur la figure 3 représentent les trajectoires générales des diverses espèces ioniques lorsqu'elles entrent dans le séparateur 20 et frappent contre les parois ou sortent par une fente 38 ménagée dans une plaque 40 du séparateur. La plaque 40 est au potentiel de référence de la masse flottante 33. - Comme montré sur la figure 1, un décélérateur 42 comporte une électrode suppresseuse 44 et une électrode 24-827 58 décélératrice 46, ces électrodes présentant des ouvertures alignées pour le guidage des espèces choisies. Lorsque le gaz d'alimentation est du BF3, les espèces plus lourdes indésirables BF +i BF+ et F+ frappent contre la surface 2' intérieure de la plaque 24 de potentiel, à peu près dans une zone 48. Les espèces indésirables F+ frappent -contre la plaque 28, à peu près dans une zone 50, ou bien elles peuvent atteindre la plaque 40 de séparation, à une certaine distance de l'ouverture 38. Les espèces souhaitées B+ passent dans l'ouverture 38 de la plaque 40 pour pénétrer dans le décélérateur 42. Si le faisceau contient une espèce ionique plus légère que B+, cette espèce frappe contre l'autre côté du séparateur. La source et le séparateur sont conçus pour une extraction sous tension constante, ce qui est très souhaitable pour le fonctionnement de la source et pour la séparation. Pour que l'énergie d'implantation soit variable, on utilise le décélérateur 42. Etant donné que le courant du faisceau est réduit en raison de l'élimination précédente des espèces indésirables, les effets des charges d'espace sont beaucoup moins importants au niveau du décélérateur 42, de sorte qu'une décélération est commode dans cette zone. Les électrodes du décélérateur servent également de lentilles et, dans la forme de réalisation représentée, l'électrode suppresseuse 44 est polarisée à -1 kV et l'électrode décélératrice 46 est au potentiel zéro, en référence à la masse réelle, ainsi que la cible. Par conséquent, la zone de décélération s'étend entre les électrodes 44 et 46. Le dispositif placé dans la chambre 16 de la cible et son sous-ensemble permettent l'utilisation, pour une implantation ionique, d'espèces choisies et provenant du faisceau ionique. Une roue 52 à galettes est mise en rotation par un moteur 54. Une cage 56 de Faraday et un spectromètre 58 à haute résolution sont placés sur la trajectoire du faisceau en arrière de la roue à galettes. L'application du faisceau sur la cible peut s'effectuer à travers une fenêtre ménagée dans la roue 52 à galettes, lorsque cette dernière tourne, ou bien également par une translation de la roue à 24827 58 galettes, comme décrit dans la demande de brevet des Etats- Unis d'Amérique NO 61 578, déposée le 30 Juillet 1979. Cette dernière structure est préférée, car la forme du faisceau en ruban assure une répartition plus uniforme des ions lorsque les cibles sont translatées aussi bien que lorsqu'elles tournent, mais ceci dépend de la dimension des galettes par rapport au faisceau ionique et à son orientation. La figure 4 montre un séparateur ExB 60 en face de sa pièce polaire magnétique 62. La section 60 de séparation ExB peut être substituée à la section 20 de séparation ExB. Cette section 60 de séparation comporte des paires de plaques 64, 66, 68 et 70 de potentiel, analogues aux plaques 2430. La section de séparation comporte également deux plaques 72 et 74 de focalisation qui sont disposées entre les paires de plaques-de potentiel. Toutes ces plaques sont connectées de la même manière que les plaques montrées sur les figures 2 et 3. La différence réside dans la structure angulaire des plaques de potentiel. Ces dernières sont polarisées afin d'établir une trajectoire décalée pour le faisceau- ionique 76. Le groupe de plaques comprend une section d'entrée 78 qui est -placée sur la trajectoire du faisceau arrivant de la source. Le séparateur comporte un tronçon médian 80 qui a une orientation angulaire. Ce tronçon- est constitué de la seconde partie des plaques 64 et 66, ainsi que des plaques 72 et 74 de focalisation et de la première partie des plaques 68 et 70 de potentiel. Le tronçon médian 80 s'écarte sous un angle d'environ 100 de la trajectoire d'entrée du faisceau 76 et les plaques sont décalées dans la direction de l'épaisseur du faisceau 76. La figure 4 montre le faisceau ionique en forme de ruban par son bord, de sorte que la déviation du tronçon médian 80 est orientée transversalement aux surfaces principales du faisceau.- Le tronçon 82 de sortie est parallèle au tronçon 78 d'entrée, mais il est décalé de ce dernier sensiblement de la distance comprise entre les plaques, de manière qu'aucune trajectoire en ligne droite ne traverse le séparateur. Le faisceau ionique 76 contient des particules neutres qui sont générées par échange de charge le long des premiers centimètres de la trajectoire du faisceau à sa sortie de la source ionique. Dans l'exemple du bore, le faisceau neutre est constitué principalement de molécules de BP2. Etant donné que les particules neutres ne sont pas affectées par les champs électriques ou magnétiques, elles traversent en ligne droite le séparateur montré sur les figures 2 et 3. Cependant, le séparateur décalé ou coudé 60 montré sur la figure 4 collecte les particules neutres sur les plaques situées du côté supérieur. La séparation des particules chargées s'effectue comme décrit en regard des figures 2 et 3 et des ions choisis sortent en passant par une fente 71 de séparation ménagée dans le premier élément des électrodes de décélération. Dans la structure de la figure 4, les plaques 64 et 66 sont, respectivement, aux potentiels de - 800 V et +800 V, tandis que les plaques 68 et 70 sonte respectivement, aux potentiels de -1400 V et +1400 V par rapport à la masse flottante 33. Le réglage de ces potentiels permet au faisceau de suivre la trajectoire décalée passant entre les plaques. Le séparateur ExB 90 montré sur la figure 5 est également analogue au séparateur 20 des figures 2 et 3. Il comprend une structure destinée à séparer un faisceau ionique 92 et il produit un champ magnétique perpendiculaire au plan du dessin de la figure 5. Le champ magnétique est produit par un aimant comportant deux pièces polaires magnétiques dont l'une, à savoir la pièce polaire 93, est située sur le côté éloigné des plaques. Des plaques 94 et 96 de potentiel constituent une première paire et sont placées de part et d'autre de la trajectoire du faisceau. Des plaques 98 et 100 de potentiel sont également utilisées, de même que des plaques 102 et 104 de focalisation. Ces éléments fonctionnent de la même manière et sous les mêmes potentiels que les éléments correspondants des figures 2 et 3, mais les plaques 98 et 100 de potentiel sont plus courtes dans la direction longitudinale de la trajectoire du faisceau. Ces plaques plus courtes ont pour effet que, lorsque les particules restantes 24827 58 du faisceau ionique sortent de la zone d'influence des plaques 98 et 100 de potentiel, elles sont encore sous l'influence du champ magnétique de manière que la trajectoire des espèces ioniques restantes s'incurve vers le bas, comme indiqué sur la figure 5. Les espèces ioniques choisies sortent en passant dans une ouverture 106 de la plaque 108 du séparateur. Cette ouverture 106 n'est pas alignée avec le passage formé entre les plaques de potentiel et les plaques de focalisation, de sorte que les particules neutres ne peuvent s'échapper par l'ouverture 106, mais qu'elles frappent contre une face de la plaque 108 de séparation. A titre d'exemple particulier et de même que dans la forme de réalisation montrée sur les figures 1, 2 et 3, le potentiel des plaques 94 et 98 est de plus + 900 V, tandis que le potentiel des plaques 96 et 100 est de -900 V et que le potentiel des plaques 102 et 104 de focalisation est de 11 000 V par rapport à la masse flottante. La plaque 108 de séparation est au potentiel de la masse flottante 33. De même que sur les figures 3 et 4, les électrodes de focalisation de la figure 5 réalisent une focalisation du tronçon du faisceau ionique constitué des espèces choisies et, par conséquent, évitent l'élargissement provoqué par les effets des charges d'espace dans des faisceaux ioniques à courant élevé et basse tension. Sur la figure 2, on indique en AFC l'alimentation du filament de la cathode, en AD l'alimentation de décharge, en AF l'alimentation du faisceau, en AE l'alimentation de l'extracteur, en AES l'alimentation électrostatique, en AFO l'alimentation de focalisation, en SUP l'alimentation de l'élément suppresseur et en ADE l'alimentation du décéléra- teur. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au séparateur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Séparateur de masses ExB, caractérisé en ce qu'il comporte un élément (18) destiné à produire un faisceau (32) de particules chargées afin que des espèces choisies du faisceau suivent une trajectoire traversant le séparateur (20) de masses ExB, un élément (22) destiné à appliquer un champ magnétique le long de la trajectoire du faisceau à l'intérieur du séparateur, dans une direction à peu près normale à la trajectoire des particules du faisceau, des première et seconde plaques (24, 26) de potentiel placées dans le champ magnétique et positionnées sur des côtés opposés de la trajectoire, un élément destinésà appliquer un potentiel à ces plaques afin que des particules des espèces choisies et présentes dans le faisceau se déplacent sensiblement en ligne droite entre les première et seconde plaques de potentiel, des première et seconde plaques (34, 36) de focalisation placées, respectivement, sur des côtés opposés de la trajectoire du faisceau et positionnées dans le champ magnétique produit par l'élément (22), ces plaques étant placées en aval des plaques de potentiel, le long de la trajectoire du faisceau, et un élément destiné à appliquer un potentiel de focalisation aux deux plaques de focalisation afin qu'une force de focalisation soit appliquée à des particules chargées correspondant aux espèces choisies pour que le faisceau constitué de ces espèces soit focalisé. 2. Séparateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des troisième et quatrième plaques (28, 30) de potentiel.placées de-part et d'autre de la trajectoire du faisceau et en aval des plaques de focalisation, le long de cette trajectoire, les troisième et quatrième plaques de potentiel étant placées dans le champ magnétique produit par ledit élément (22) et étant positionnées de manière à appliquer un potentiel dans la direction normale au champ magnétique et à la trajectoire du faisceau afin que les troisième et quatrième plaques de potentiel appliquent un champ électrique aux espèces choisies, faisant partie du faisceau, pour que ce dernier traverse suivant une ligne plus droite'le champ magnétique. 24827a8 3. Séparateur selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une ouverture (38) de séparation est placée en aval desdites plaques et est positionnée de manière que les espèces choisies du faisceau passent sensiblement dans cette ouverture. 4. Séparateur selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que les plaques de potentiel agissent sur les espèces choisies du faisceau pour leur faire traverser le champ magnétique sensiblement en ligne droite. 5. Séparateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les troisième et quatrième plaques de potentiel sont dimensionnées, positionnées et polarisées afin que les espèces choisies suivent une trajectoire courbe en aval des plaques de focalisation, l'ouverture étant éloignée de l'axe central de la trajectoire du faisceau passant entre les première et seconde plaques de*potentiel. 6. Séparateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément destiné à produire un faisceau est une source (18) d'ions. 7. Séparateur de masses ExB, caractérisé en ce qu'il comporte un élément (18) destiné à produire un faisceau (32) d'ions suivant une trajectoire ionique, un élément magnétique (22) destiné à produire un champ magnétique sensiblement perpendiculaire à la trajectoire du faisceau ionique, une plaque (40) de séparation qui présente une ouverture (38) de séparation positionnée latéralement par rapport à l'axe central d'entrée du faisceau, des première et deuxième plaques (24, 26) de potentiel positionnées latéralement à la trajectoire du faisceau, sur des côtés opposés de ce dernier, un élément destiné à appliquer un potentiel à ces première et deuxième plaques afin de commander la trajectoire d'espèces choisies dans le faisceau ionique entre ces plaques, les première et deuxième plaques de potentiel étant configurées et polarisées de manière que le faisceau d'espèces choisies s'incurve latéralement, des première et seconde plaques (34, 36) de focalisation étant placées dans le champ magnétique produit par ledit élément (22) en aval des première et deuxième plaques et de part et d'autre du faisceau formé par les espèces choisies, un élément appliquant un potentiel à ces première et seconde plaques de focalisation afin de focaliser la partie du faisceau constitué des espèces choisies, des troisième et quatrième plaques (28, 30) de potentiel étant placées dans le champ magnétique produit'par ledit élément (22) et étant positionnées sur des côtés opposés de la partie du faisceau portant les espèces choisies, et un élément appliquant un potentiel à ces-troisième et quatrième plaques de potentiel afin que la partie du faisceau constituée des espèces choisies soit dirigée vers ladite ouverture de la plaque de séparation pour que le faisceau constitué des espèces ioniques choisies passe dans cette ouverture. 8. Séparateur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les troisième et quatrième plaques de potentiel sont polarisées et configurées de manière à dévier latéralement la partie du faisceau constituée des espèces choisies afin que la trajectoire du faisceau passant dans l'ouverture soit sensiblement parallèle à l'axe central d'entrée du faisceau. 9. Séparateur selon l'une des revendications 5 et 8, caractérisé en ce qu'il comporte une source (18) d'ions produisant le faisceau ionique qui est sensiblement plus grand dans la direction du champ magnétique que dans la direction du champ'électrique.