Brevet FR2498010A1 — publié le 19820716

La présente invention concerne les appareils à décharge dans le gaz et a notamment pour objet une source d'électrons et d'ions,pouvant être utilisée en particulier pour le soudage ou le traitement de pièces par faisceau électronique. On connait une source d'ions à décharge dans le gaz, se présentant sous la forme d'une cellule de Penning et comportant une anode annulaire, un moyen pour la création dans la zone de l'anode d'un champ magnétique uniforme dirigé le long de l'axe de symétrie de l'ouverture ds l'anode, et deux cathodes plates reliées électriquement entre ils et disposées de part et d'autre de l'anode, l'une de ces cathodes étant émettrice et dotée d'un canal d'émission. En regard de l'ouverture de sortie du canal d'émission se trouve un système accélérateur. L'ouverture de la première cathode, l'ouverture de l'anode, le canal d'émission et le système accélérateur sont disposés coaxialement. Dans cette source, la valeur du courant extrait par le système accélérateur est faible, car la décharge incandescente stable sans formation de taches cathodiques dans une cellule de Penning est caractérisée par une faible densité des particules chargées par unité de volume. On connait également une source d'électrons et d'ions, dans laquelle, à la différence de la cellule de Penning, la première cathode est réalisée sous la forme d'un cylindre creux dont l'axe de symétrie de la cavité coincide en direction avec l'axe de l'ouverture de l'anode, de l'axe du canal d'émission de la cathode émettrice et de l'axe du système accélérateur. Cette source, de même que la précédente, est une source à extraction longitudinale des particules de la décharge de cathode creuse réfléchie. Elle assure l'extraction des électrons avec une efficacité assez élevée grace à l'utilisation d'une cathode cylindrique dont la cavité favorise l'attraction de la décharge vers l'axe du canal d'émission. Cependant cette source est caractérisée par une modulation poussée du courant extrait (~ 80-100N). Dans la chambre de décharge de la construction décrite, formée par une anode annulaire et des cathodes, sont créées des conditions propices à l'apparition, dans la décharge, d'une hétérogénéité azimutale tournante, de sorte que, mtme en présence d'une tension d'accélération constante créée par le système accélérateur, le courant extrait s'avère modulé (c'est-à-dire impulsionnel) avec une fréquence de répétition de 100-200 kHz. Ce phénomène, dans une série de cas, rend difficile l'application pratique de cette source. L'invention vise donc une source d'électrons et dotions dont la chambre de décharge serait conçue de façon à exclure la modulation du faisceau extrait de particules chargées, tout en assurant une efficacité d'extraction assez élevée. Ce problème est résolu du fait que la source d > élec- trons et d'ions comportant une anode annulaire0 un moyen pour la création, dans la zone de l'anode, d'un champ magnétique uniforme dirigé le long de l'axe de symétrie de l'ouverture de l'anode, et, disposées de part et d'autre de l'anode et reliées électriquement entre elles, une cathode cylindrique creuse dont l'axe de la cavité est p.arallèleà la direction des lignes de force du champ magnétique et une cathode émettrice dont le canal d'émission est disposé coaxialement à la cavité de la cathode cylindrique, et un système accélérateur situé en regard de l'ouverture de sortie du canal d'émission, est caractérisée, selon l'invention, en ce que l'ouverture de l'anode est disposée de telle manière que son axe de symétrie soit décalé, par rapport à l'axe de la cavité de la cathode cylindrique, d'une distance ne dépassant pas la valeur totale des rayons de l'ouverture de l'anode et de la cavité de la cathode. Il est avantageux de choisir une valeur dudit décalage égale au rayon de la cavité de la cathode. La source d'électrons et d'ions réalisée selon la présente invention assure la suppression de la modulation du courant extrait et une efficacité élevée d'extraction dudit courant, sa construction est simple et fiable. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparattront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec référence au dessin unique non limitatif annexé dans lequel - la figure 1 est une vue schématique en coupe de la source d'électrons et d'ions conforme à l'invention ; et - la figure 2 est une vue en plan de l'anode annulaire. La source électronique ionique comporte une anode annulaire 1 (figures1, 2) et un aimant permanent 2 disposé coaxialement à celle-ci et servant à créer, dans la zone de l'anode 1, un champ magnétique uniforme B (représenté par des traits tiretés) dirigé le long de l'axe 3 de symétrie de l'ouverture de l'anode 1. De part et d'autre de l'anode 1 se trouvent, reliées électriquement entre elles, une cathode creuse cylindrique 4 et une cathode émettrice 5. La cavité 6 de la cathode 4 et le canal d'émission 7 de la cathode 5 sont disposés coaxialement et leur axe longitudinal est parallèle à la direction des lignes de force du champ magnétique B. En regard de l'ouverture de sortie du cani d'émission 7 se trouve, disposé coaxialement à ladite ouverture, un système accélérateur qui, dans le cas considéré, est une électrode accélératrice 8.L'ouverture de l'anode annulaire 1 est réalisée de telle façon que son axe de symétrie 3 soit décalé, par rapport à l'axe de symétrie de la cavité 6 de la cathode 4, d'une distance "a" ne dépassant pas la valeur totale des rayons de l'ouverture de l'anode 1 et de la cavité 6 de la cathode 4. La distance "a" est de préférence choisie égale à la valeur du rayon de la cavité 6. L'anode 1, l'aimant 2, les cathodes 4, 5 et 1' électrode d'accélération 8 sont renfermés dans un corps 9 en matériau isolant, fermé d'une minière étanche par des brides ou couvercles 10, Il en matériau conducteur. Dans l'espace délimité par les surfaces de travail de l'anode 1, de la cathode cylindrique creuse 4 et de la cathode émettrice 5 est formée une chambre de décharge 12.Pour appliquer la tension aux électrodes (l'anode 1 et la cathode 5) de la chambre de décharge 12, est prévue une source de courant 13 situé en dehors du corps 9. Une source d'alimentation 14, disposée elle aussi en dehors du corps 9, est prévue pour créer une tension accélératrice entre la cathode 5 et l'électrode accélératrice 8. Les bornes des sources 13, 14 sont raccordées aux électrodes correspondantes de la source d'électrons et d'ions en passant par des traversées étanches 15 réalisées dans la paroi du corps isolant 9. La polarité de raccordement de la source 14 représentée sur la figure 1 correspond à l'extraction d'électrons de la décharge. S'il faut extraire un faisceau ionique, on doit changer la polarité de raccordement de la source d'alimentation 14. La source d'électrons et d'ions fonctionne de la façon suivante. Le gaz de travail arrive dans la chambre de décharge 12 à travers la cavité cathodique 6 jusqu'à ce que la pression dans celle-ci atteigne 1,33.10-2 mbar). Lorsque la tension est appliquée aux cathodes 4, 5 d'une part, et à l'anode 1, d'autre part, et que ladite pression s'établit dans la chambre 12, une décharge de Penning a lieu dans celle-ci. Mesure que le courant de cette décharge augmente, lorsque l'étendue de la zone de chute de potentiel cathodique devient inférieure au rayon d'ouverture de la cavité 6 de la cathode 4, le plasma de la décharge de Penning pénètre dans la cavité 6 en créant un effet de cathode creuse, et la décharge de Penning se transforme en une décharge de cathode creuse réfléchie, caractérisée par une haute concentration du plasma dans l'axe de la cavité.Vu que l'axe de la cavité 6 de la cathode 4 est décalé par rapport à l'axe de l'anode 1, la zone de concentration maximale du plasma de la décharge, qui est toujours formée en regard de l'ouverture de la cavité, est elle aussi décalée par rapport à l'axe de l'anode 1, et dans ces conditions, l'apparition d'une hétérogénéité azimutale tournante est rendue difficile et entraine la suppression de la modulation du courant de sortie de la source. Cet avantage est dû à la non uniformité du champ électrique dans le volume de la chambre de décharge 12. Les conditions les plus propices sont créées lorsque le décalage des axes est choisi égal à la valeur du rayon de l'ouverture de la cavité 6, ce qui permet non seulement de supprimer la modulation du courant de sortie de la source, mais aussi de préserver la haute efficacité énergétique d'extraction des électrons. Ainsi, l'utilisationdans la source décrite, d'une anode 1 dont l'ouverture est décalée axialement, exclut la modulation du courant extrait, ce qui élargit considérablement son domaine d'application pratique. Bien entendu l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits eut représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple.En particulier elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si cellesci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre de la protection comme revendiquée. R E V E N D I C A T I O Di S 1. Source d'électrons et d'ions comportant une anode annulaire, un moyen pour créer dans la zone de l'anode un champ magnétique uniforme dirigé suivant l'axe de symétrie de l'ouverture de l'anode, ainsi que,disposés de part et d'autre de l'anode et reliés électriquement entre eux, une cathode cylindrique creuse dont l'axe de la cavité est parallèle à la direction des ligies de force du champ magnétique, et une cathode émettrice dont le canal d'émission est disposé coaxialement à la cavité de la cathode cylindrique, ainsi qu'un système accélérateur disposé enregard de l'ouverture de sortie dudit canal d'émission, caractérisée en ce que l'ouverture de l'anode (1) est disposée de telle manière que son axe de symétrie soit décalé, par rapport à l'axe de la cavité (6) de la cathode cylindrique (4), d'une distance ne dépassant pas la valeur totale des rayons de l'ouverture de l'anode (1) et de la cavité (6) de la cathode (4). 2. Source d'électrons et disions selon la revendication 1, caractérisée en ce que la valeur du décalage précité est choisie égale au rayon de la cavité de la cathode.