Brevet FR2548830A1 — publié le 19850111

La présente invention a pour objet une source d'ions négatifs Elle se'applique avantageusement dans la production des faisceaux d'atomes neutres énergétiques qui sont utilisés par exemple conmule un moyen efficace de cheauf-age à des températures thermoc nucléaires des plasmas produits dans les dispositii:s de fusion à confinement magnétique. Les faisceaux d'atomes utilisés jusqu'à présent ont une énergie inférieure à 80 ke V/nucléon 10 et sont produits en accélérant jusqu'à cette énergie des ions positifs, qui sont ensuite neutralisés par collision avec les molécules d'un gaz Pourtant" le rendement de la neutralisation des ions positifs chute lorsque l'on augmente l'énergie des ions. Le chauffage des plasmas dans les futurs réacteurs à fusion exige des faisceaux d'atomes ayant des énergies supérieures à 80 ke V/nucléon Le bon rendement de neutralisation (> 60 %) des ions H et D à ces hautes énergies les rend plus intéressants 20 que les ions positifs pour la production de faisceaux d'atomes ayant une énergie supérieure à 80 ke V/nucléon. Jusqu'à présent, les sources d'ions négatifs de deutérium et d'hydrogène ont été utilisées dans différents accélérateurs de particules, et tout par25 ticulièrement dans l'accélérateur van de Graaf-Tandem. Les intensités de courant mises en oeuvre étaient limitées à quelques dizaines de microampéres Les méthodes de production des ions négatifs d'hydrogène ou de deutérium utilisées jusqu'à présent dans les 30 accélérateurs sont les suivantes: 1 La double capture électronique: un faisceau d'ions positifs de quelques ke V est partiellement converti en ions négatifs lorsqu'il traverse une cible gazeuse ou en vapeur de métaux alcalins (E.B Hooper, P Poulsen et P A Pincosy, J Appl. Phys, 52, 7027 ( 1981). 2 Sources en surface: les ions positifs de deutérium d'un plasma sont accélérés vers une surface césiée, sur laquelle ils sont convertis en ions négatifs (K Prelec, dans Proc of the Second Int Symp on the Production and Neutralization of Negative Hydrogen Ions and Beams, Oct 6- 10, 1980, BNL Report 51304, 19 d 1, p 145). 3 Sources en volume: des ions négatifs sont extraits des décharges réflex (sources PIG) et des zones périphériques des duoplasmatrons (K Prelec et Th Sluyters, Rev Sci Instrum, 44, 1451 ( 1973). De nombreux travaux ont été dédiés à 1 'éla15 boration de sources intenses basées sur les deux premières méthodes Pourtant, la production de la cible en vapeur de césium ou de sodium, ou celle de la surface césiée représentent des problèmes d'une grande complexité en soi De plus, il en résulte une 20 certaine pollution des dispositifs de fusion par les métaux alcalins. La découverte récente d'une forte production d'ions négatifs H ou D par attachement dissociatif à des molécules H 2 ou D 2 ayant une forte excitation 25 vibrationnelle et l'observation de fortes densités d'ions négatifs dans des plasmas d'hydrogène et de deutérium (M Bacal, G W Hamilton, Phys Rev Letters, 42, 1538 ( 1979)) ont suggéré d'extraire des ions négatifs H ou D des générateurs de plasma de type "multipôle magnétique" (que l'on désigne comme "multicusp" dans la terminologie anglo-saxonne) développés en vue de la production des faisceaux d'ions positifs. Le multipole magnétique classique, utilisé comme source d'ions positifs est caractérisé par la présence sur toute la surface du plasma, à l'exception de la surface d'extraction, d'un champ magnétique multipolaire produit par des aimants permanents, qui confine à ntérieur du plasma les électrons primaires ënergtiques, émis par des filaments chauds en métaux réfractaires (par exem-}c tungstene Le multipole manet ique classique S es ga en caractrisé par la position des filaments qu doivent se trouver à i l'térierur du lsmat 'aors du chaip -imagnétique multi polaire L'ensembie de ces uatiularités est caractérisé quantitativement par 1 tamps de confinement des électrons primaires, que l'on tend I réaliser, dans les sources d'ioas positifs, aussi laong que possible. Le courant d'ions négatifs extrait d'un multiîie magn-ticue classique est faible par rapport au courant dions positifs ( 08 %o K.N Leung, K W Ehlers et M Eacal ont proposé (voir Rev Sci Instrium, 54, 56 ( 1983)) d Jintrodlire a l'intérieur du multip le magntique un "filtre magné= 20 ttique" pour augmenter le conrant di 3 ions négatifs extraits Le "fi Ltre magnique consiste en un systèîme de barres d'aimants permanents, inseres chacun dans un tube en cuivre, par lequel on fait circuler de l'eau Dpour éviter le chauffage des aimants, conduisant à leur 25 desaimantation. La densité maximale de courant des ions négatifs extraits de ce générateur de plasma était limie é I des densités de l'ordre de O 1 im A par cm 2 et par amtpère de courant de décharge. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en presentant une source d'ions négatifs qui permet de produire un faisceau intense d'ions négatifs notrinrent d'hydrog 3 ne et de deutérium, ainsi que des ions négatifs d'autres espèces. L'invention a pour objet une source d'ions négatifs, constituée par un générateur de plasma d'un gaz ou d'une vapeur comportant: une configuration de confinement magnétique multip Olaire, réalisé par des aimants permanents, entourant le plasma, des émetteurs thiermo-ioniques d'électrons produisant les électrons primaires qui sont rendus énergétiques par une différence de potentiel, appliquée 10 entre les émetteurs thermo-ioniques et l'anode du générateur, suffisante pour remplir deux fonctions: d'ioniser le gaz ou la vapeur destiné à former le plasma, et d'exciter les molécules du gaz à des niveaux vibrationnels élevés, et de favoriser ainsi la création des 15 ions négatifs par l'attachement dissociatif des électrons lents du plasma aux molécules excitées et constitué par un système d'extraction des ions négatifs, caractérisé en ce que: le nombre et la distribution des aimants permanents formant le confinement magnétique multipolaire est choisi de telle manière que le temps de confinement des électrons primaires soit entre 10-7 et i 5 5 seconde, et en ce que des émetteurs thermo-ioniques d'électrons sont situés dans le champ magnétique multip Olaire entre le col du champ magnétique, formé par deux aimants permanents voisins et le centre du plasma, au voisinage desdits cols. Selon une autre caractéristique de la source d'ions selon l'invention, toute surface exposée au plasma du générateur, exceptée celle des émetteurs thermo-ioniques d'électrons,est fabriquee en matériau ayant la propriété de réduire la désexcitation des mo35 lécules vibrationnellement excitées. 254883 O Selon un mode préféré de réalisation d'une source d'ions selon l'invention, le générateur de plasma comprend une enceinte cylindrique et, sur la surface extérieure cylindrique de celle-ci uniquement, 5 est réparti un nombre pair d'aimants permanents équidistants, et orientetë alternatiement avec les pôles nord et sud vers le plasma. Selon un autre mode préféré de réalisation d'une souice d*'ons selon leinvention, un système de 10 plusieurs sources d'ions est place dans une enceinte unique. Selon encore un autre mode préféré de réalisation d'une source d'ions selon l'invention, les aimants permanents sont disposes sur les génératrices 15 de la surface cylindrique entourant le plasma. Selon encore un autre mode préféré de réalisation d'une source d'ions selon l'invention, les aimants permanents sont disposés sur les circonférences de la surface cylindrique entourant le plasma. Selon une autre caractéristique de la source d'ions selon l'invention, l'induction magnétique engendrée par une partie du groupe d'aimants permanents est supérieure à l'induction magnétique engendrée par le restant des aimants permanents. Selon encore une autre caractéristique de la source d'ions selon l'invention, la composante radiale de l'induction magnétique décroît d'une valeur comprise entre 500 et 1500 Gauss à la surface du plasma au voisinage des aimants, a une valeur de l'ordre de 5 Gauss 30 à 5 cm de celle-ci, dans la direction du centre du plasma. Selon encore une autre caractéristique de la source d'ions selon l'invention, chaque colonne d'aimants permanents est associée avec un certain nombre d'émetteurs thermoioniques d'électrons disposés au voisinage de la périphérie du plasma. Selon encore une autre caractéristique de la source d'ions selon l'invention, les émetteurs thermoioniques d'électrons sont situés à l'intérieur d'une surface cylindrique qui passe par tous les cols du champ magnétique fourni par la configuration des aimants permanents dans un plan situé entre deux aimants voisins 10 et à égale distance de chacun d'eux dans un champ magnétique azimutal de l'ordre de quelques dizaines de Gauss. Selon encore une autre caractéristique de la source d'ions selon l'invention, le matériau destiné 15 à former le plasma est choisi dans le groupe comprenant l'hydrogène, le deutérium, le tritium, l'oxygène, le sodium, le lithium, le silane et l'iode. On peut dire que la source d'ions selon l'invention peut être utilisée avec n'importe quel gaz 20 ou vapeur qui peut produire des ions négatifs par attachement dissociatif, mais elle est particulièrement utile pour les gaz dont la productin d'ions négatifs augmente lorsque les molécules sont excitées vibrationnellement, tels que les gaz cités cidessus. Selon une autre caractéristique de la source d'ions selon l'invention, un filtre magnétique constitué par des barres d'aimants permanents est installé à l'intérieur du plasma, ledit filtre magnétique est installé en amont du système d'extraction afin de 30 confiner les électrons primaires dans la partie du générateur qui contient les émetteurs thermo-ioniques d'électrons. Selon une autre caractéristique de la source d'ions selon l'invention, un filtre magnétique, produit par l'inversion de l'orientation de l'une des barres d'aimants qui produisent le confinement magnétique mult-ipolaire, ledit filtre magnstique est installé en amont du système d'extraction afin de confiner les électrons primaires dans la partie du générateur qui clnt-en l es émetteurs ther o-ioniques d lectrons. Selon une autre caractéristique de la source 10 d'ions selon l 'invention 8 lorsque le gaz destiné à former le plasma est l'hydrogàne, la prcssion dans la source d'ions est choisie entre 0,5 et 5 millitorr pour optimer le courant d'ions négatifs extrait. Les caractëristi Ques de l'inxvention ressor15 tiront mieux de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'une source d Jions négatifs, donnée à titre purem ent illustratif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels la figure l représente schématiquement 20 un mode de réalisation préférê d'une source d'ions nécgatifs selon l'invention, en coupe selon l'axe central. la figure 2 représente schématiquement en coupe la disposistion des colonnes d 9 aimants permanents, les figures 3 a et 3 b reprm-sentent sch Sma 2 r tiqueenit difeférentes positions possibles des émetteurs themo-ioniques d'éléctrons. Sur ia figure 1, on a représenté un mode de réalisation préfér d'une source di ons négatifs selon l'invention Le générateur de plasma comporte une 7; enceinte cylindrique i réalisée dans un matériau ayant la propriété de réduire la désexcitation des molécules vibrationnellement excitées L'acier inoxydable est particulièrement adapté, mais d'autres alliages, ayant les mêmes propriétés de surface en ce qui concerne 5 la désexcitation des molécules vibrationnellement excitées peuvent également être utilisés On signale que le cuivre est particulière-nent mauvais. Cette enceinte cylindrique est fermée à une extrémité par une bride 2, comportant plusieurs passages isolés 3 pour les filaments 4 qui représentent les émetteurs thermo-ioniques dlectrons et à la deuxième extrémité par une plaque isolée 5 à travers les ouvertures de laquelle s'effectue l'extraction des ions. L'ensemble de l'enceinte cylindrique 1, de la bride 2 et de la plaque 5 forme l'anode du générateur du plasma et définit la chambre 6 dans laquelle est produit le plasma Une ouverture 7 au centre de la bride 2 est reliée à une vanne (non représentée sur la figure 1) par laquelle des gaz tels que l'hydrogène 20 et ses isotopes, l'oxygène ou autres gaz et vapeurs peuvent être admis en continu dans la chambre 6. Le champ magnétique multip Olaire est produit par un nombre pair de colonnes d'aimants permanents 8, qui sont appliqués sur la surface extérieure de l'en25 ceinte cylindrique 1 comme le montre la figure 2 Les aimants permanents ont une section rectangulaire ( 2 cm x 1 cm) et une longueur égale à la longueur de l'enceinte 1. Ils sont aimantés dans la direction perpendiculaire à la face ayant la largeur 2 cm Le champ magnétique à la surface des aimants est de 1 500 Gauss Le champ magnétique multipôlaire est réalisé en orientant les colonnes d'aimants permanents 8 alternativement avec les pôles nord et sud vers le plasma, avec la face large de 2 cm appliquée le long de la génératrice de l'enceinte 35 cylindrique 8 Le nombre de paires d'aimants et la distance entre deux aimants voiîins sont choisis de telle façon que la composante radiale maximum du champ magnétique, près de la surface int 6 rieure de l'enceinte 1, à l'endroit d'un "cusp", soit trois & quatre fois plus 5 grande que la composante az Lmutale du champ magnétique au col 13 (i e la valeur maximu de la composante azimutale entre deux 'cusps:') Pour une enceinte cylindrique ayant 26 cm de diamêtre, on a utilisé 10 colonnes d'aimants permanents ayant une largeur de 2 cm et 10 un champ en surface de 1 500 Gauss La composante radiale maximum du champ magnétique à l'intérieur de l'enceinte est de 500 Gauss; l'épaisseur de la paroi de l'enceinte est de 3 mm. Un certain nombre de tubes de refroidissement 9 15 égal au nombre de colonnes d'aimants ( 10 dans ce mode de réalisation) sont soudés le long des génératrices de l'enceinte cylindrique à égale distance entre deux aimants La bride 2, les passages de courant 3 et la plaque 5 sont également refroidis par la circulation 20 d'un fluide par les tubes de refroidissement 10, 11 l et 12 respectivement. Des émetteurs thermo-ioniques d'électrons en nombre égal au nombre de colonnes d'aimants permanents sont disposes à la périphérie de la chambre 6. Les émetteurs thermo-ioniques sont des filaments en "U" en fil de tungstène ou de tungstène thorié Le centre de chaque filament se trouve dans le plan radial qui passe par le "col" 13 du charp magnétique (c'està-dire le plan situé à égale distance entre deux aimants 30 voisins) Il est important que chaque filament se trouve à l'intérieur du cylindre qui passe par tous les "cols" 13 et égal Enent, qu'il se trouve dans un champ magnétique de quelques dizaines de Gauss Dans le dispositif décrit cidessus, le col du champ ma35 gnétique se trouve à 2 cm de la paroi de l'enceinte 1 et le centre du filament se trouve à 3,5 cm de cette paroi L'orientation des filaments le long du rayon, indiquée sur les figures 1 et 2 n'est pas essentielle. Les figures 3 a et 3 b montrent schématiquement deux positions possibles des émetteurs thermo-ioniques d'électrons. Les filaments 4 sont montés sur des passages de courant isolés 3 Toutes les parties métalliques des passages de courant 3 sont recouvertes d'un tube 10 en céramique La longueur des filaments et leur distance de la bride 2 sont choisies de telle façon que la pointe des filaments en "U" se trouve à mi-distance entre la bride 2 et la plaque 5, cette distance étant de 25 cm. La plaque 5 est isolée de l'enceinte 1 par un 15 isolant (non représenté sur la figure 1) et doit être polarisée positivement de O à 5 volts par rapport à l'enceinte 1 et la bride 2 qui sont réunies électriquement Les filaments sont polarisés en continu négativement de quelques dizaines de volts par rapport 20 à l'enceinte 1 grâce à l'alimentation Vd Les filaments sont chauffés en continu à l'aide d'une autre alimentation Vf. 5488 O PV EN Dls i 2 CA-TIO:d S 1 3 Sourcei d'ions négatifsg constituée par um générateur d, plasma dçun gaz ou d'une vapeur comportant u e sua:ifon J de co D-finement magnétique ru lt-aiore r Falie part des e ai manen-ts ( t entourant le plasmac, -des C n' eurs 4 ermoioniques d électrons (-'), produiznt les èlectron$:ri m es qjui sont rendus énergétiques par udee def Te:c poet:l appliquée entre les émetteurs t 4 e:o-oniques 4), et l'anode du génërateur ( 2) su Zfisente pourr deux fonctiors d'ioniser le gaz ou la vapeur destinées à f r le plasma, et d'exciter les molcules du gaz à des niveaux vibrationnels élevés; et de favoriser ainsi la creation des ions négatifs par l attachement dissociatif des électrons lents du plasma aux molécules excitées, et constitué par un système d'extraction des ions négatifse caractérisé en ce que: le nombre et la distribution des aimants uermanents { 8) forrant le confinement magnétique multipolaire est chci i de telle manière que le temps de confinement des lectros primair-es soit entre 10 et 10 -6 seconde, et en ce que des émetteurs the rmo-ioniques délectrons sont situés dans le champ magnétique multipolaire entre le col 13 du champ magnétique, formé par deux aimants permanents voisins et le centre du plasma, au voisinage desdits cols. 2 Source d'ions négatifs selon la revendicati on 1, caractérisée en ce que toute surface exposée au plasma du générateur ( 1, 2, 5) exceptée celle des émetteurs thermo-ioniques ( 4) délectrons est fabriquée en matériau ayant la propriété de réduire la désexcitation des molécules vibrationnellement excitées. 3 Source d'ions négatifs selon la revendication 1, caractérisée en ce que le générateur de plasma comprend une enceinte cylindrique ( 1) et en ce que, sur la surface extérieure cylindrique de celle-ci uniquement, est réparti un nombre pair d'aimants permanents ( 8 équidistants, et orientés alternativement avec les p 5 les nord et sud vers le plasma. 4 Source d'ions négatifs selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'un système de plusieurs sources d'ions est placé dans une enceinte unique. Source d'ions négatifs selon l'une quel15 conque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les aimants permanents ( 8) sont disposés sur les génératrices de la surface cylindrique entourant le plasma. 6 Source d'ions négatifs selon l'une quel20 conque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les aimants permanents ( 8) sont disposés sur les circonférences de la surface cylindrique entourant le plasma. 7 Source d'ions négatifs selon l'une quel25 conque des revendicatins 1 à 6, caractérisée en ce que l'induction magnétique engendrée par une partie du groupe d'aimants permanents est supérieure à l'induction magnétique engendrée par le restant des aimants permanents. 8 Source d'ions négatifs selon l'une quel30 conque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la composante radiale de l'induction magnétique décroît d'une valeur comprise entre 500 et 1500 Gauss à la surface du plasma au voisinage des aimants, à une valeur de l'ordre de 5 Gauss à 5 cm de celle-ci, dans 35 la direction du centre du plasma. 9 Source d'ions négatifs selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque colonne d'aimants permanents ( 8) est associée avec un certain nombre d'émetteurs thermo-ioniques ( 4) d'électrons disposés au voisinage de la périphérie du plasma. Source d'ions négatifs selon la revendication 9, caractérisée en ce que les émetteurs thermoioniques d'électrons ( 4) sont situés à l'intérieur d'une surface cylindrique qui passe par tous les cols 13 du cha M Pmagnétique fourni par la configuration des aimants permanents ( 8) dans un plan situé entre deux aimants voisins et à égale distance de chacun d'eux dans un champ magnétique azimutal de l'ordre de quelques dizaines de Gauss. 11 Source d'ions négatifs selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que le matériau destiné à former le plasma est choisi dans le groupe comprenant l'hydrogène, le deutérium, le tritium, l'oxygène, le sodium, le lithium, 20 le silane et l'iode. 12 Source d'ions négatifs selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'un filtre magnétique constitué par des barres d'aimants permanents est installé à l'intérieur du plasma, ledit filtre magnétiqueest installé en amont du système d'extraction, afin de confiner les électrons primaires dans la partie du générateur qui contient les émetteurs thermo-ioniques ( 4) d'électrons. 13 Source d'ions négatifs selon la reven30 dication 6, caractérisée en ce qu'un filtre magnétique produit par l'inversion de l'orientation de l'une des barres d'aimants qui produisent le confinement magnétique multipolaire, ledit filtre magnétique est installé en amont du système d'extraction afin de confiner les électrons primaires dans la partie du générateur qui contient les émetteurs thermo-ioniques ( 4) d'électrons. 14 Source d'ions négatifs selon l'une quel5 conque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que, lorsque le gaz destiné à former le plasma est l'hydrogène, la pression dans la source d'ions est choisie entre 0,5 et 5 millitorr pour optimer le courant d'ions négatifs extrait.