Brevet FR2531570A1 — publié le 19840210

La présente invention concerne une source d'ions négatifs. Une application importante dues sources d'ions est constituée par les dispositifs à injection de faisceaux de particules neutres utilisés dans les expériences et les réacteurs pour la production dlénergie par fusion, Les ions provenant de ces sources sont accélérés électrostati- quement jusqu'à des valeurs doénergie élevées et sont en- suite neutralisés pour obtenir un faisceau d 9 atomes neutres de haute énergie Les dispositifs à injection de particu- les neutres fournissent des mégawatts d'énergie pour chauf- fer des plasmas dans des dispositifs pour la production d'énergie par fusion à confinement magnétique tels que des dispositifs dits 'tokamaks" et des dispositifs à fusion par miroirs o Les ions de plasma initialement froids ou de basse énergie contenus dans ces dispositifs de production d'énergie par fusion sont chauffés jusqu'à des valeurs d'énergie élevées en les bombardant avec des p Earticules de haute énergie provenant des sources de faisceaux de par- ticules neutres Les champs magnétiques extrêmement élevés des types à confinement magnétique de dispositifs de pro- duction d'énergie par fusièn non seulement confinent effec- tivement le plasma mais empêchent également que des parti- cules chargées pénètrent dans le plasma Comme les particu- les neutres ne sont pas affectées par des champs magnéti- ques forts, les particules neutres de haute énergie cons- tituent un bon choix pour chauffer ces plasmas de fusion. Quand des particules neutres ou des atomes énergétiques pénètrent dans le plasma de fusion, ils sont ré-ionisés par les électrons de plasma Ces ions énergétiques ou chauds sont ensuite contenus par les champs magnétiques de réacteur. Des ions positifs sont utilisés largement dans les dispositifs à faisceaux de particules neutres actuels car les ions positifs sont relativement faciles à engendrer en utilisant une décharge électronique d'électrons de 80 e V, par exemple J Une source typique pour produire des ions d'hydrogène chargés positivement est décrite dans le bre- vet des E U A n 4 140 943 accordé le 20 février 1979 à Kenneth W Ehlers De l'hydrogène est injecté dans un ré- cipient générateur de plasma o il est ionisé par une dé- charge electronique de couranat élevé fournie par un ensem- ble de filaments de tungstène Les grilles d'extracteur pour ces sources d'ions positifs sont à une tension négati- ve par rapport au plasma ionisé Les électrons sont empe- chés d'apparaître dans le flux de sortie car les électrons chargés négativement sont repoussés par la tension négative sur les grilles d'extracteur Pour les convertir en parti- cules neutres de haute énergie, les ions positifs provenant de la source d'ions sont accélérés électrostatiquement jus- qu'à des valeurs d'énergie élevées et sont ensuite neutra- lisés en leur faisant traverser une cellule à gaz à basse pression dans laquelle se produit une neutralisation par échange de charges. L'utilisation d'ions positifs dans des dispositifs à faisceaux de particules neutres pose un problème car, lorsque la tension d'accélération pour les ions positifs est augmentée, il devient de plus en plus difficile de neutra- liser les ions positifs, Quand on augmente les tensions d'accélération des ions, des pourcentages de plus en plus grands de particules ionisées ne peuvent pas être conver- ties en particules neutres Les particules chargées positi- vement non neutralisées sont repoussées ou deviées de sorte qu'elles ne pénètrent pas dans le plasma et, en consequence, ne contribuent pas à l'augmentation de l'énergie de plasma. Quand les valeurs d'énergie des ions augmentent, les sour- ces d'ions positifs ont donc des rendements de plus en plus bas en termes de chauffage du plasma Une exigence typique pour la puissance des faisceaux de particules neutres néces- saire pour chauffer un plasma dans un dispositif de fusion à confinement magnétique est qu'elle soit de l'ordre des mé- gawatts; et on remarquera qu'une diminution de rendement est un inconvénient important quand les sources de faisceaux de particules neutres à partir deions positifs sont considérées pour des sources de faisceaux de particules neutres d'énergie supérieure. On prévoit que les dispositifs de production d'é- nergie par fusion futurs nécessiteront encore plus d'éner- gie d'entrée pour maintenir un fonctionnement soutenu Dans cette perspective, on prend en considération les faisceaux de particules neutres, Comme uh besoin de dispositifs de production de faisceaux de particules neutres d'énergie de plus en plus grande continue à se développerp 1 eutili- sation d'ions négatifsau lieu d'ions positifs;, devient une alternative séduisante dans les dispositifs de produc- tion de faisceaux de particules neutres car la neutralisa- tion d'ions négatifs est beaucoup plus efficace pour des ions négatifs de haute énergie que pour des ions positifs O Dans le cas d'ions d'hydrogène ou de deutérium négatifs, un électron est lié à l'atome neutre par une liaison fai- ble de 0,7 e V de sorte qu'une neutralisationpar exemple par des faisceaux laser, est relativement facile à réali- ser Des rendements de neutralisation supérieurs à soixante pour-cent sont possibles pour des ions négatifs d'hydrogène et de deutérium ayant des valeurs d'énergie supérieures à e V. Cependant, malgré Ilattrait de l'utilisation d'ions négatifs, les sources actuelles à courant élevé d'ions né- gatifs posent le problème que les ions négatifs extraits de ces sources sont accompagnés d' un nombre considérable d'électrons non voulus de sorte qu'une quantité considéra- ble de puissance est perdue par 1 iaccélération de ce grand nombre d'électrons O Ces électrons de haute énergie peuvent aussi produire des quantités considérables de rayons X non voulus Ces grands nombres d'électrons sont normalement sé- parés d 9 un faisceau d'ions négatifs dhydrogène en utili- sant un extracteur ou capteur d Oélectrons Ex B qui les dé- vie vers des électrodes collectriceso La création et leine terception de grands nombres d'électrons à la sortie d'une source d'ions négatifs nécessite une quantité considérable de puissance et représente une perte d'énergie importante dans un dispositif Par conséquent, il est souhaitable de supprimer autant d'électrons que possible du flux de sor- tie d'une source d'ions négatifs à courant élevé. Une approche pour la production d'ions négatifs d'hydrogène est décrite dans un article intitulé "A Self- extraction Negative Ion Source" publié dans la revue Re- view of Scientific Instrumentation, 53, Juin 1982, page 30, de Leung et Ehlers L'approche décrite dans cet article consiste à accélérer des particules d'hydrogène et de cé- sium ionisées positivement par une tension positive d'en- viron deux cents volts pour frapper une surface de conver- sion en cuivre Des ions négaifs sont formés à la surface de conversion et ils sont accélérés loin de celle-ci par la même tension positive Le césium est une matière très active qui présente un risque et qui est difficile à mani- puler La pulvérisation à partir de la surface de conver- sion est un autre problème dans cette technique. Un objet de linvetion est une source abondante d'ions négatifs à la sortie de laquelle les électrons sont supprimés. Un autre objet de l'invention est une source d'ions négatifs qui fournit efficacement un grand flux de particu- les ionisées négativement. Selon la présente izventionq un procédé et un ap- pareil permettent d'obtenir une source d'ions négatifs con- forme aux objets ci-dessus et à d'autres objets de leinven- tion telle que largement décrite dans la suite L'inven- tion est particulièrement utile pour engendrer de grands volumes d'ions négatifs qui sont accélérés électrostatique- mernt jusqu'à des valeurs d'energie élevées et qui sont e Gn- suite neutralisés pour former un faisceau de particules neutres de haute énergie utilisé ensuite pour chauffer un plasma confiné magnétiquement. L'appareil selon linvention est une source d'ions négatifs engendrés à partir de molécules et d'atomes neu- tres La source comprend un récipient comportant une cham- bre formée à l'intérieur de celui-ci pour contenir des particules ionrsées par des électrons ionisantsde haute énergie Le récipient comporte une partie d'anode pour constituer un moyen de décharge qui ionise les molécules et les atomes neutres Dans un exemple de réalisation de linventionp les parois du récipient forment l 9 anode de décharge Un filtre magnétique pour réfléchir des électrons de haute énergie seétend en travers de la chambre et la di- vise en deux zones dont 10 une d'elles est une zone ionisan- te et 3-autre est une zone d'extraction Dans un exemple de réalisation, le filtre est obtenu par un champ magnéti- quejfourni par des aimants permanents dans un exemple de réalisation plus spécifique de 11 in Yentiono Un ensemble extracteur polarisé positivement fournit un moyenp c'est= à=dire un champ électrique, pour extraire un flux duions négatifs de la zone d'extractiono Une grille de plasma est placée au voisinage de La zone deextraction du récipient dvionisatlion polarisé et elle est légèrement positive par rapport à lancode pour augmenter la tension de plasma dans la zone d extraction afin de supprimer les électrons du flux de sortie deions négatifs Cela est contraire à ce qu Qon pourrait attendre D maispen fait, en polarisant posi- tivement la grille de plasmaq on réduit le nombre d'élec- tr.ons de faible énergie dans le flux de sortie dgions néga- tifs meme si D normalement D on pourrait s$at'endre à ce qug- une polarisation positive sur la grille de plasma attire jusqu 'à la sorcie Se la source dlgions l Cs électrons extraits par la tension positive du flux extracteuro Les électrons de faible énergie pénètrent dans la zone d'extraction en étant entraenés avec les ions positifs qui sont engendrés dans la zone ionisante et traversent le filtre magnétique s étendant en travers de la chambre Cependant, dans ce cas, c 9 està=dire avec une polarisation légèrement positive sur la grille de plasma, des ions positifs sont repoussés et ne pénètrent pas dans la zone-d extraction car la ten- sion de plasma de la zone d O extraction est rendue plus po- sitive par la polarilsation positive sur la grille de plasma. Puisqu Oil n'y a pas d 9 électr 6 ns de faible énergie dans la zone d'extraction, il s'ensuit qu'ils ne peuvent pas être extraits de celle-ci par le champ électrique d'extracteur. D'autres aspects de l'invention comprennent des moyens sup- plémentaires pour supprimer les dèlectrens de la sortie, ces moyens comprenant par exzemple un moyen pour obtenir ini champ magnétique aligne pa Zr:appzor t au champ électrique de l'extracteur afin die fournir une dérive de Ex B aux élec- D'aurescarcté tiueset av Fantages de la Pré= sente inec seroint mis en dec dans la description Suivante, d- onnée à Vr -penon limitatif, enre- rconce aux dessins anexs ans lesquels: Figu-re J est une vue z tdnl partiellement ern coupe d'unewe source doizns nocrtl'1 Jnin 'igur-e 2 itule vue san coue-'u cipient d'lio= ni Eation prise le log 'ure ligore de coupe 2-2 de la Fi- mure 1 F Vigura 3 es une ue N c-iuae transversale prise le 10 fg d'1 unce ligne de coupe _ 3 = 3 e I lia Figura 2 znrt uned partie_ 'Iun aimantpziaon t d'un tube pour posi= tinner Gt refroidir 1 ' aimantk; Figure 4 est unea courbe de variation de l 'intensi= t(é de chaimp magnétique en dztone la distaxnce du colaini magétiue e fltrge ourunexemzple de réalisation de L'invention; Figure 5 est une vue an coupe transversale prise le long dlune aigne de coupe 5 = 5 de la Figure I et repré= sentant eles détails des grilles de plasma et d'extracteur-; Figure 6 est une vue Gr, coupe prise le lon' Clou-ne 210 g ne de icoupe 6 = 6, dre la Figure 1 rersnatune placque de masquage et la grie e lama ú i 9 I=re 7 (a) est une vue erà coupe d'un 4 e gr,ille de plasma prise le long d'une ligne de coupe 7 (a)-7 (a) de la Figure 6 représentant un élde grille d'extracte Sur et un élément de grille de plasma dlans lequel est placé un ai- miant permanent; Figure 7 (b) est une vue représentant comme dans la Figure 7 (a) un autre élément de grille de plasma formé dans un matériau conducteur d'aimant permanent; Figures 8 (a) et 8 (b)sont des diagrammnes de caracté- ristiques de sonde de Langmuir obtenus respectivement dans les zones ionisante et d'extraction pour un filtre à fort aimant en samarium et cobalt; Figures 9 (a), 9 (b) et 9 (c) sont des diagrammes res- pectivement d'un courant d'ions négatifs dhydrogène ex- traits, d'un courant d'électrons extraits, et d Oun courant d'ions positifs pour un filtre à fort aimant en fonction de la tension de grille de plasma; et Figure 10 est un diagrmanme du courant d ions néga- tifs extraits et d'lectrons extraits en fonction de la tension de grille de plasma pour un filtre à fort aimant et un élément suppresseur d'électrons On va se référer maintenant en détail à 1 'exemple de réalisation préféré de l'invention qui illustre le meil- leur mode considéré actuellement par Ia Demanderesse pour mettre en oeuvre le procédé et l'appareil de loinvention dont des exemples de réalisation préférés sont illustrés dans les dessins annexéso La source dgions pour l'obtention d'ions négatifs décrite plus loin est construite d'une manière tout à fait comparable à la source doions positifs décrite dans la demande de brevet des Eo Uo Ao N O de dépÈt 374 847 déposée le 4 Mai 1982 par la Demanderesseo On va se référer maintenant aux dessins dans les- quels la Figure 1 représente un exemple de réalisation d'une source d'ions négatifs 10 o L'intérieur creux d un ré- cipient cylindrique 12 en acier inoxydablep ayant un diamè- tre de 20 cm et une longueur de 24 cm le long d'un axe 13, comporte une chambre 14 formée à l'intérieur de celui-ci pour contenir de l'hydrogène ioniséo Une extrémité du réci- pient 12 est ferméepar un élément à rebord d extrémité 15 comportant une plaque d'extrémité 16 en cuivre fixée à ce- lui-ci Des molécules d'hydrogène gazeux sont injectées dans la chambre 14 par un passage 18 formé dans la plaque d'extrémité Une soupape de gaz pulsé 20 est actionnée pour libérer l'hydrogène gazeux d'une source, non repré- sentée, jusqu'à la chambre juste avant l'ionisation du gaz. Dans cet exemple de réalisation, les molécules et les ato- mes d'hydrogène sont ionisés par une décharge d'électrons de haute énergie, c'est-à-dire par des électrons ayant des énergies d'environ 80 e V Un ensemble de groupements de filaments de tungstène 30 refroidis à l'eau servent de moyen pour décharger, ou émettre, ces électrons de haute énergie de 80 e V pour ioniser les molécules et les atomes d'hydrogène Des circuits de chauffage 32 des filaments de tungstène sont alimentés par une source de circuit de chauf- fage de filament de 8 volts et 1000 ampères,34 Une source d'alimentation 36 pour la décharge d'électrons de 80 volts et 700 ampères a sa borne négative connectée à chacun des groupements de filaments 30 et sa borne positive connectée au récipient en cuivre conducteur 12 Les filaments 32 sont les cathodes et le récipient 12 est une anode pour la dé- charge d'électrons. Un ensemble d'aimants permanents 40 en samarium et cobalt espacés les uns des antres et ayant une intensité de champ de 3,6 k Gauss sont fixés dans des rainures sur le côté extérieur du récipient en acier inoxydable 12 et de la plaque d'extrémité en cuivre 16 Les aimants sont dispo- sés en groupements dans O lesquels les pôles sont alternés et fournissent un champ magnétique à plusieurs sommets à 1 'intérieur de la chambre d'ionisation 14. Les Figures 2 et 3 représentent les détails d'un ensemble de groupements de filtre magnétique 50 qui cons- tituent un exemple de réalisation préféré d'un filtre magne- tique s'étendant en travers de la chambre 14 pour réfléchir les électrons de haute énergie Un ensemble de tubes en cuivre creux 52 de 6 mm de diamètre, espacés les uns des au- tres de 4 cm, s'étendent en travers de l'intérieur du réci- pient 12 Comme le montre la Figure 2, les tubes 52 s'éten- dent dans des ouvertures formées dans la paroi du récipient 12 et sont brasés à celle-ci pour avoir un joint étanche. Comme le montre la Figure 3, les parois intérieures des tubes creux en cuivre 52 sont alésées pour for-mer une sé- rie de rainures d'enregistrement 54 s'étendant longitudi- nalement et espacées également pour recevoir et fixer en place un certain nombre d'aimants permanents 56 en sama- rium et cobalt Les aimants permanents 56 ont chacun plu- sieurs centimètres de long et une section transversale carrée de c Gtés ayant une longueur de 3,5 mm Les coins de chaque aimant permament S engagent dans les rainures d'enregistrement 54, en laissant des voies de refroidisse- ment 58 s'étendant longitudinalement au voisinage de cha- que coté d'un aimant permanent 56 Un liquide de refroidis- sement, tel que de 1 'eau, est pompé par les voies 58 pour refroidir les aimants qui sont chauffés quand des particu- les de plasma à l'intérieur du récipient 12 entrent en colli-= sion avec les tubes en cuivre 52 maintenant les aimants permanents 56 en position à l'intérieur de la chambre d 9 io- nisation 14. Les aimants permanents 56 situés dans chacun des groupements 50 fournissent un champ magnétique de 75 Gauss et sont orxientés à 1 intérieur des tubes -creux en cuivre 52 de telle sorte q'ue les groupements voisins ont des pôles magnétiquesopposés situés en face les uns des autres comme l'indique la Figure 1 La Figure 4 représente une courbe de variation du champ magnétique B en fonction de la dis- tance du plan dans lequel les groupements de filtre ma- gnétique se trouvent. Le champ magnétique fourni par les groupements de filtre magnétique 50 a été choisi pour produire un' champ magnétique fort, plus fort que celui nécessaire pour une source d'ions positifs, car les électrons dans une source d'ions positifs sont naturellement repoussés par la tension négative d'extracteur Le champ magnétique divise la cham- bre 14 à l'intérieur du récipient d'ionisation 12 en deux zones La première zone est une zone ionisante 60 formée entre la plaque d'extrémité 16 et les groupements de fil- tre magnétique 50 La seconde zone est une zone d'extrac- tion 70 formée à l'intérieur du récipient 12 de l'autre côté des groupements de filtre magnétique et contenant des ions et des électrons de haute énergie relativement peu nombreux. Les électrons de haute énergie de 80 e V et de vi- tesses relativement élevées sont confinés à leintérieur de la zone ionisante car ils sont déviés par le champ magné- tique relativement fort fourni par les groupements de fil- tre magnétique 50-Cependant, des particules plus lentes telles que des ions et des électrons de faible énergie peu- vent traverser le filtre magnétique On ne peut complète- ment comprendre pourquoi des Électrons de faible énergie traversent le filtre magnétique, mais on pense que les ions positifs les entraînent à travers celui-ci quand ces ions positifs dérivent à travers le champ magnétique Ainsi, il semblerait qu'en empêchant les ions positifs de traverser le champ magnétique on empêcherait également les électrons de faible énergie de traverser ce champ. Comme le montre la Figure 1, la zone d'extraction s'étend entre le champ magnétique fourni par les groupements de filtre magnétique 50 et un dispositif d'extraction dâions 72 Un ensemble de grille de plasma 74 est fixé à l'extré- mité du récipient 12 en étant électriquement isolé de celui- ci par un isolant 75 L'ensemble de grille de plasma com- prend un ensemble d'éléments de grille conducteurs 76 espa- cés les uns des autres placés au voisinage de la zone d'ex- traction d'ions 70 Un ensemble de grille d'extracteur 80 du dispositif d'extraction d'ions 72 comprend un ensemble d'éléments de grille d'extracteur conducteurs 82 espacés les uns des autres placés à l'opposé de la zone d'extrac- tion d'ions du récipient 12 comme le montre la Figure 1. Comme le montre la Figure 5, une plaque de masqua- ge de trou 90 est placée à l'extrémité du récipient 12 au voisinage de la zone d'extraction 70 La plaque de masquage 90 comporte une ouverture 92 formée à travers celle-ci qui contrôle la surface de section transversale de la sortie du faisceau d'ions provenant de la source d'ions 10. La Figure 6 représente la plaque de masquage de trou 90 et les éléments de grille de plasma 76 électrique- ment reliés entre eux Les éléments de grille de plasma 76 sont refroidis à l'eau par l'intermédiaire de tubulures 77 raccordées à un tuyau d'admission 78, comme on l O a repré- senté Pareillementv les éléments de grille d'extracteur 82 sont refroidis à l'eau en utilisant des tubulures 83 raccor- dées à un tuyau d'admission 84 L'ensemble de grille de plasma 74 et l'ensemble de grille d extracteur 80 sont élec- triquement isolés l'un de l'autre par un isolant 96 o L'ensemble de grille de plasma 74 est polarisé lé- gèrement plus positivement que le récipient 12 c'est-à- dire, d'environ 4 volts, par une source de tension de pola- risation de grille de plasma 102 représentée sur la Figure lo Cette légère tension positive sur la grille de plasma pola- rise le plasma dans la zone d'extraction 70 plus positive- ment de telle sorte que les tensions de plasma entre la zo- ne ionisante 60 et la zone d'extraction 70 diminuento I 1 résulte de cette diminution de la tension de plasma diffé- rentielle qu'elle empeche les ions positifs de quitter la zone ionisante 60 et de traverser le champ magnétique fourni par les Groupements de filtre magnétique 50 jusque dans la zone d extraction 70 o Le filtre magnétique empeche le passage d'électrons de haute énergie de la zone ionisan- te jusqu'à la zone d'extractiono Cependant D le filtre magné- tique n'empêche pas les électrons de faible énergie de pas- ser de la 'zone ionisante 60 jusqu'à la zone d 'extraction 70 o Puisque les électrons ont une charge négative et que la ten- sion d'extraction fournie par l ensemble de grille d'extrac- teur 80 est de l'ordre de plusieurs milliers de evos en pd- sit Ief par rapport à la zone d extraction 709 les électrons se trouvant dans la zone d'extraction 70 sont attirés dans le flux de sortiepoe qui cée comme on l'a mentionné précé- demment une consommation en puissance importante et engen- dre de grahdes quantités de rayons X pour de grands nombres d'électrons attirés dans le dispositif d'accélération d'ions. Bien que le processus exact suivant lequel les électrons de faible énergie pénètrent dans le filtre magnétique ne soit pas encore complètement compris, on s'est rendu comp- te que la densité d'électrons dans la zone d'extraction 70, et par conséquent le nombre d'électrons extraits, est étroi- tement liée au nombre d'ions positifs qui traversent le filtre magnétique. La Figure 8 (a) représente un diagramme des mesu- res par sonde de Langmuir pour l'hydrogène, pour une dé- charge de 80 volts, 1 ampère à une pression effective de 1,5 x 10-3 Torr, les mesures ayant été faites avec une son- * de de Langmuir placée au centre de la zone ionisante 60 Le diagramme montre comment varient le courant et les tensions de sonde pour des tensions de polarisation fixes Vb entre la grille de plasma 74 et le récipient 12 Le point limite supérieur de chaque courbe indique la tension de plasma, qui est comprise entre environ quatre et cinq voltscomme on peut le voir, pour une tension Vb comprise entre zéro et dix volts La Figure 8 (b) représente un diagramme des mesures par sonde de Langmuir pour la même disposition que celle relative à la Figure 8 (a), les mesures ayant été fai- tes en face de la grille de plasma 74 à l'intérieur de la zone d'extraction 80 pour le même intervalle de valeurs de tension Vb Sans polarisation sur la grille de plasma, c'est-à-dire quand Vb est nulle, la tension de la zone ionisante 60 est d'environ 1,5 volts plus positive que la tension de la zone d'extraction 70 Ce gradient de poten- tiel tend à conduire les ions positifs de la zone ionisan- te 60 jusqu'à la zone d'extraction 70, en entraînant les électrons avec eux Le gradient de potentiel empêche aussi les ions négatifs de passer dans la zone d'extraction 70 et accélère même les ions négatifs,qui sont produits dans la zone d'extraction par des processus tels qu'une liaison dissociative de molécules d'hydrogène excitées d'une maniè- re vibratoire, en arrière jusque dans la zone ionisante 60. On voit, d'après les Figures 8 (a) et 8 (b), que, lorsque la tension Vb augmente, la tension de plasma diffé- rentielle entre les zones ionisante et d'extraction diminue. Il en résulte qu'il devient plus difficile pour les ions positifs, et par conséquent pour les électrons de faible énergie, de pénétrer dans la zone d'extraction 700 En con- séquence, le courant d'ions positifs extraits I et le courant d'électrons extraits I sont réduits. Les résultats expérimentaux sont représentés sur la Figure 9 (a), (b) et (c) Dans ce cas, l'ouverture 92 dans la plaque de masquage 90 a été masquée pour être ré- duite à une petite fente d'extraction rectangulaire de 0,15 cm x 193 cm pour des mesures précises La Figure 9 (a) représente une courbe de variation du courant d'ions néga- tifs d'hhydrogène extraits I en fonction de la tension Vb de polarisation sur la grille de plasma 74 La Figure 9 (b) représente une courbe de variation du courant d'électrons extraits 'e La Figure 9 (c) représente une courbe de va- riation du courant d'ions positifs extraits I quand la polarité de la source d'alimentation d'extracteur 102 est inversée. Une tension négative de 1000 volts a été appliquée au récipient 12 'par rapport à la masse Le faisceau ainsi extrait a été ensuite analysé par deux techniques de diag- nostic La première technique de diagnostic utilisait un spectromètre de masse à déviation magnétique compact qui était placé juste à l'extérieur de lextracteur Ce diag- nostic a été utilisé pour faire une mesure relative des ions H extraits ainsi que pour analyser la nature des ions extraits Cependant, cediagnostic a donné des mesures re-u latives et n'a pu donner les valeurs exactes de courant de H ou d'électrons dans le faisceau extrait La seconde tech- nique de diagnostic utilisait un séparateur de masse à ai- mant permanent qui était placé juste derrière l'ensemble de grille d'extracteur 80 Cette technique utilisait une cage de Faraday pour mesurer le courant d'ions négatifs extraits 1 et le courant d'électrons I e Les électrons. étaient déviés jusque sur un collecteur en graphite par un faible champ magnétique produit par deux aimants minces en céramique Les ions négatifs qui n'étaient que légèrement affectés par le champ magnétique faible sont passés dans la cage de Faraday On a utilisé une faible tension de po- larisation positive sur la cage pour supprimer les élec- trons secondaires Avec cette disposition, il a été possi- ble de mesurer le rapport du courant d'ions H extraits sur le courant d'électrons ainsi que la densité de courant d'ions H extraits dans différentes conditions de fonction- nement Pour un courant de décharge d'électrons ionisants d'un ampère, la densité de courant d'ions négatifs extraits pour la source d'ions négatifs 10 est estimée égale à 0,12 m A/cm 2 une augmentation de valeurs étant obtenue en optimisant la géométrie du filtre magnétique et le niveau de tension d'extraction. En utilisant le filtre magnétique 50 avec des ai- mants en samarium et cobalt 56, la Figure 9 (a) montre que, pour une tension Vb = O un courent d'ions négatifs extraits de 12 microampères a été obtenu La Figure 9 (a) montre que lorsqu'on augmente la tension Vb, on peut extraire plus d'ions négatifs I car les ions négatifs formés dans la zo- ne ionisante 60 peuvent traverser le filtre magnétique et ces ions négatifs produits dans la zone d'extraction 70 ne sont pas accélérés en arrière jusque dans la zone ioni- sante 60 Des augmentations de tension Vb au-delà d'envi- ron quatre volts produisent une diminution du courant d'ions négatifs. Les Figures 9 (b) et 9 (c)mcntrent quelorsque la ten- sion Vb est augmentée au-delà de quatre volts, on n'observe pas d'autres réductions des courants d'électrons ou d'ions positifs Pour une tension Vb O, le courant d'électrons extraits I est d'environ 11,5 milliampères et, en augmen- e tant la tension Vb, le courant Ie décroit jusqu'à environ 2,8 milliampères pour une tension Vb= 2,5 volts Ainsi, en utilisant des aimants en samarium et cobalt 52 relative- ment forts et en réglant la tension Vb à O volts, le rap- port I / I est amélioré jusqu'à 1/120. Les Figures 9 (a) et 9 (b) montrent que,sans filtre magnétique 50 et quand la tension Vb= O, un courant d'ions négatifs d'environ 2 microampères tel que représenté sur la Figure 9 (a) a été extrait de la source avec un courant de décharge de 1 ampère Cependant, cette extraction d'ions négatifs était accompagnée d'un courant d'électrons d'en- viron 17 milliampères tel que représenté sur la Figure 9 (b). Ainsi, le rapport du courant d'ions négatifs extraits sur le courant d'électrons est égal à 1/9000- Quand la polari- té de la source d'alimentation d'extraction était inversée, on a mesuré un courant d'ions d'hydrogène positifs de 245 microampères pour le meme courant de décharge et la mê- me tension d'extraction sans le filtre magnétique 509 com- me le montre la Figure 9 (c) Par conséquents-le rapport de I/I+ est environ égal à 1/120. De manière à extraire les ions négatifs de la source 10, la grille d'extracteur 80 est polarisée positi- vement par rapport au récipient 12 Dans l'exemple de réa- lisation de l'invention représenté sur la Figure l cette polarisation positive est obtenue en mettant à la masse la grille d'extracteur 80 et en appliquant une tension d'ex- tracteur négative importante entre le récipient 12 et la masse en utilisant la source de tension de polarisation d'extracteur 106 telle que représentée sur la Figure 1 o Pour faire les mesures ci-dessus, on avait une tension d'ex- tracteur d'environ 1000 volts mais la tension d Oextracteur -25 peut être comprise entre mille et dix mille volts Des éta- ges d'accélérateur supplémentaires (non représentés) accé- lèrent ensuite les ions négatifs extraits de la source d'ions jusqu'à des tensions d'un mégavolt Si des faisceaux laser sont utilisés pour neutraliser les ions d'hydrogène négatifs, la grille d'extracteur 80 peut etre connectée à une borne de tension positive élevée et le récipient 12 peut être mis à la masse. La Figure 7 (a) représente une vue en coupe trans- versale à travers un élément de grille de plasma 76 qui est un tube creux triangulaire dans lequel est placé un aimant permanent ll O L'aimant permanent fait partie d'un moyen supplémentaire pour supprimer les électrons du flux d'ions négatifs produit par l'extracteur Les aimants permanents sont en céramique et ont des dimensions latérales de 0,2 et 0, 25 cm et des longueurs de 3,0 cm Unesérie d'aimants permanents 110 sont placés à l'intérieur des éléments de grille de plasma tubulaires 76 conducteurs, les espaces entre les faces des aimants et les surfaces intérieures des éléments de grille triangulaires 76 formant des passa- ges 112 pour un refroidissement à l'eau La Figure 7 (b) re- présente une autre configuration pour l'élément de grille 76 Un élément de grille de plasma 116 ést formé dans un matériau conducteur de type Alnico 5 et il est aimanté de façon permanente -es éléments de grille de plasma 76 et les éléments de grille d'extracteur 82 sont creux pour cons- tituer des passages pour l'eau afin de refroidir ces élé- ments quand ils sont bombardés par des particules chargées extraites de la source. Le.champ maximal B fourni par les aimants en céra- mique 110 est d'environ 350 Gauss diminuant rapidement dans un intervalle de 0,5 cm Pour une tension d'extraction de 1000 volts, un électron qui atteint la grille de plasma ac- quiert une énergie de 500 e V Le champ électrique de l'ex- tracteur et le champ B des aimants en céramique 110 provo- quent une dérive de E x B de ces électrons de 500 e V loin de l'extracteur dans un mouvement cycloidal Les ions d'hydrogène négatifs beaucoup plus lourds passent à travers avec un faible effet. La Figure 10 représente des courants d'ions néga- tifs et d'électrons extraits en fonction de la tension Vb en utilisant un moyen suppresseur d'électrons de E x B La Figure 10 montre qu'il n'y a pas de changement important dans le courant d'ions négatifs quand la grille de plasma 74 est polarisée à 2,5 volts Cependant, en utilisant le suppresseur de E x B, le courant d'électrons baisse d'un facteur de presque 50 Une suppression d'électrons supplé- mentaire est obtenue en plaçant un petit fil par rapport à la grille de plasma, à une extrémité de l'ouverture d'ex- traction pour recueillir les électrons dérivant On obtient ainsi un taux d'ions négatifs par rapport aux électrons presque égal à l'unité. La description d'exemples de réalisation préférés de l'invention précédente n'a été faite qu'à titre d'illus- tration et ces exemples de réalisation né doivent pas être considérés comme exhaustifs et limitant l'invention à la forme précise décrite Il est évident que beaucoup de mo- difications et de variantes sont possibles à la lumière de ce qui a été expliqué Les exemples de réalisation ont été choisis et décrits afin de mieux expliquer les princi- pes de l'invention et son application pratique pour permet- tre à l'homme de l'art de mieux utiliser l'invention dans différentes réalisations et différentes modifications com- me elles conviennent à l Outilisation particulière envisa- gée, sans sortir du cadre de linvention. BR 8003 US/JR 2 531570 REVENDICATIONS 1 Source d'ions négatifs pour ioniser des molé- cules et des atomes neutres, caractérisée en ce qu'elle comprend: un récipient ( 12) comportant une chambre ( 14) for- mée à l'intérieur de celui-ci, récipient comportant une partie formant une anode pour une décharge électronique; un moyen de décharge ( 30) pour émettre des élec- trions ionisants de haute énergie destinés a ioniser les- dits atomes et molécules neutres; un filtre magnétique ( 50) s'étendant en travers de ladite chambre pour dévier les électrons de haute éner- gie tout en permettant aux ions de le traverser, le filtre magnétique divisant la chambre en une zone ionisante ( 60) contenant des particules ionisées formées par le moyen io- nisant et les électrons et en une zone d'extraction ( 70) contenant des ions et des électrons de haute énergie rela- tivement en petit nombre; un moyen extracteur ( 72,80) couplé à la zone d'ex- traction et polarisé positivement pour fournir un champ électrique destiné à extraire des ions négatifs de la cham- bre; et une grille de plasma ( 74) placée au voisinage de la zone d'extraction et polarisée légèrement positivement par rapport à l'anode pour augmenter la tension de plasma dans la zone d'extraction et repousser les ions positifs de la zone d'extraction de manière à réduire ainsi le nom- bre d'électrons de faible énergie présents dans la zone d'extraction pour que les électrons soient supprimés du flux de sortie d'ions négatifs en provenance de la source d'ions. 2 Source d'ions selon la revendication 1, carac- térisée en ce qu'elle comprend un moyen placé au voi- sinage de la zone d'extraction pour dévier les électrons du flux d'ions négatifs produits par le moyen extracteur. 3 Source d'ions selon la revendication 2, carac- térisée en ce que ledit moyen pour dévier les électrons comprend un moyen pour produire un champ magnétique ali- gné par rapport au champ électrique fourni par le moyen extracteur et destiné à faire dériver de E x B les élec- trons. 4 Source d'ions selon la revendication 3, carac- térisée en ce que le moyen pour produire un champ magnéti- que comprend des aimants permanents ( 110) placés au voisi- nage du moyen extracteur. Source d'ions selon la revendication 1, carac- térisée en ce que ledit filtre magnétique comprend un moyen pour produire un champ magnétique transversal par rapport à la direction des ions passant de la zone ionisante à la zone d'extraction. 6 Source d'ions selon la revendication 5, carac- térisée en ce que le moyen pour produire un champ magnéti- que transversal comprend des aimants permanents ( 56) places à l'intérieur de la chambre. 7 ? Source d'ions selon la revendication 1, carac- térisée en ce qu'elle comprend un ensemble d'aimants perma- nents ( 40) places autour de l'extérieur du récipient conte- nant la chambre pour former des champs magnétiques à plu- sieurs sommets à l'intérieur de la chambre destinés à re= pousser les ions des parois du récipient. 8 Source d'ions selon la revendication 1, carac- térisée en ce que les molécules et les atomes sont de l'hy- drogène. 9 Source d'ions selon la revendication 1, carac- térisée en ce que les parois du récipient forment l'anode pour la décharge d'électronso, o 10 Procédé pour réduire des électrons non voulus d'un flux de sortie de source d'ions négatifs, caractérisé en ce qu'il consiste aà: -ioniser des particules neutres en déchargeant des électrons de haute énergie dans une zone ionisante d'une chambre ionisante formée dans un récipient; -dévier les électrons de haute énergie avec un fil- tre magnétique pour empecher ces électrons de pénétrer dans BR 8003 US/JR une zone d'extraction de la chambre; extraire des ions négatifs de la zone d'extrac- tion avec une tension d'extracteur pour produire un flux de sortie d'ions négatifs; et produire une polarisation légèrement positive à une électrode de plasma placée près de la zone d'extraction de manière à ce que la zone d'extraction ait une tension de plasma augmentée pour empêcher les ions positifs et les électrons de faible énergie d'être présents dans la zone d'extraction et pour empêcher ainsi ces électrons de faible énergie d'être présents dans le flux de sortie de source d'ions.