Brevet FR2580427A1 — publié le 19861017

Source d'ions négatifs à résonance cyclotronique des électrons La présente invention a pour objet une sour- ce d'ions négatifs à résonance cyclotronique électroni- que. ELle s'applique avantageusement dans la production de faisceaux d'ions H de forte intensité (supérieure à 1 A) ou de ses isotopes D ou T, ces faisceaux étant principalement utilisés pour la production de faisceaux d'atomes neutres énergétiques (intensité de plusieurs dizaines d'ampères et énergie de 200 à 500 KeV) em- ployes notamment comme moyens efficaces de chauffage des plasmas thermonucléaires produits dans les disposi- tifs de fusion à confinement magnétique. Par ailleurs, les faisceaux d'ions H, D ou T de forte intensité peuvent aussi être utilisés en physique nucléaire et en particulier, dans des accélérateurs du type Van de Graaf-Tandem ou dans le domaine médical utilisant des accélérateurs du type cyclotron à énergie variable. L'une des techniques actuellement connue pour produire des faisceaux d'ions négatifs et en par- ticulier des ions H, D et T est l'ionisation en vo- lume. Cette technique est basée sur la formation, à partir d'un gaz ou d'une vapeur contenu dans une en- ceinte fermée, d'un plasma constitué principalement dans le cas de l'hydrogène -d'ions H-, H + et d'élec- trons. Cette technique consiste tout d'abord à créer des molécules d'hydrogène, de deutérium ou de tritium selon le gaz de départ utilisé, excitées vibra- tionnellement par des électrons chauds ou énergétiques, c'est-à-dire dont l'énergie cinétique est supérieure à 20 eV, selon le schéma réactionnel (1) suivant, dans le cas de l'hydrogène: e35 + H 2 '-e 2-e+ H2* (1) Ensuite, à partir de ces molécules excitées (H*) on forme des ions H, D ou T par La réaction d'attachement dissociatif (2) suivante, dans le cas de L'hydrogène: e + H2* H. H + H (2) Dans ce schéma réactionnel, le composé in- termédiaire est instable. Les sections efficaces d'at- tachement sont élevées pour des électrons, dits froids, présentant une énergie cinétique au plus égale à 1 eV. Ce phénomène d'attachement dissociatif a notamment été décrit dans un article de M. BACAL et al., Phys. Rev. Letters, 42, 1538 (1979). La difficulté dans une teLle technique de production d'ions négatifs est de créer dans l'enceinte fermée de la source d'ions une population d'électrons énergétiques ou chauds et une population d'électrons froids, séparées spatialement de façon que les élec- trons chauds ne détruisent pas les ions négatifs formés par une collision dans le cas de l'hydrogène, du type: H + e - H + 2e (3). Or, dans les sources d'ions négatifs con- nues, fonctionnant sur le principe ci-dessus, la des- truction des ions négatifs formés par réaction avec les électrons chauds du plasma est relativement importante, ce qui est néfaste à la production d'un faisceau d'ions négatifs intense. En général, le nombre d'ions négatifs constituant le plasma créé dans l'enceinte ne représen- te que 10% du nombre d'ions positifs. Par ailleurs, dans les sources d'ions néga- tifs, créés à partir d'un plasma, il existe une autre difficulté liée à la technique d'extraction des ions négatifs par effet électrostatique ou ambipolaire. En effet, l'extraction ou la décharge par effet électros- tatique de particules (ions positifs, électrons, etc...) dans une source de particules quelconque est toujours réalisée au moyen d'électrodes d'extraction portées à un potentiel positif par rapport aux parois de l'enceinte formée; ceci est dû à la grande mobilité des électrons du plasma. Or, si pour l'extraction d'ions positifs, ce potentiel positif aide à l'extrac- tion, dans le cas d'extraction d'ions négatifs, ce po- tentiel empêche les ions négatifs de sortie et les con- fine électrostatiquement dans l'enceinte. Ceci est en- core néfaste à la production d'un faisceau d'ions néga- tifs intense. La présente invention a justement pour objet une source d'ions négatifs permettant de remédier aux différents inconvénients ci-dessus. Elle permet notam- ment de produire un faisceau d'ions négatifs intense notamment d'ions H, D ou T, en utilisant comme phé- nomènes physiques la technique d'attachement dissocia- tif ainsi que la résonance cyclotronique électronique. Ce phénomène de résonance est généralement utilisé pour produire des ions positifs multicharges. La demande de brevet européenne n 0127523 déposée au nom du deman- deur décrit une source d'ions positifs fonctionnant sur le principe de la résonance cyclotronique électronique. De façon plus précise, l'invention a pour objet une source d'ions négatifs comportant une encein- te fermée contenant un gaz ou une vapeur d'un matériau destiné à former un plasma, se caractérisant en ce qu'elle comprend: - des moyens d'injection dans l'enceinte d'un champ électromagnétique de haute fréquence formant par io- nisation du gaz ou de la vapeur des électrons, - des moyens pour créer dans l'enceinte un champ magné- tique de symétrie axiale dont l'amplitude croit le long de l'axe de symétrie, cette amplitude, maximale à proximité et en amont de la zone d'extraction des ions négatifs, présentant dans la région centrale de l'enceinte une valeur pour laquelle la condition de résonance cyclotronique électronique est satisfai- te, et - des moyens d'extraction des ions négatifs formés, portés à un potentiel positif par rapport à l'encein- te. L'utilisation d'un champ électromagnétique de haute fréquence ou hyperfréquence permet d'ioniser Les molécules de gaz ou de la vapeur contenues dans L'enceinte par transfert d'énergie. Les électrons ainsi formés sont soumis à l'action du champ magnétique de symétrie axiaLe, qui grâce au mécanisme d'absorption cyclotronique, se trouvent fortement accélérés dans la région centrale de L'enceinte o le champ magnétique présente une amplitude B R définie par L'équation (4): BR=2T.fm/e, dans LaqueLLtte e représente La charge de l'électron, m sa masse et f La fréquence du champ éLec- tromagnétique. Cette condition de résonance cyclotronique électronique permet de créer des électrons énergétiques ou chauds, d'énergie cinétique supérieure à 20 eV, dans une direction perpendiculaire au champ magnétique. Ces électrons chauds, par collision sur les molécules du gaz ou de La vapeur contenues dans la source, engen- drent d'autres électrons qui seront aussi accélérés par résonance cyclotronique. Le plasma chaud d'électrons ainsi formé permet, selon le mécanisme réactionnel (1), d'exciter les molécules du gaz ou de la vapeur. En dehors de la zone de résonance, les élec- trons, formés par interaction de l'onde électromagnéti- que et des molécules de gaz ou de vapeur, présentent une énergie plus faible, par exemple au plus égale à 1 eV. Ces électrons froids interagissent avec les mole- cules neutres non excitées de gaz ou de vapeur créant ainsi des ions positifs et d'autres électrons froids formant ainsi un plasma froid d'électrons. Compte tenu du profil de l'amplitude du champ magnétique, ce plasma d'électrons froids est principalement localisé dans la zone d'extraction des ions négatifs. Ce plasma froid d'électrons formé permet, selon le mécanisme réaction- nel (2) la formation des ions négatifs. La source d'ions négatifs selon l'invention permet la formation d'un plasma d'électrons chaud et d'un plasma d'électrons froid bien séparés spatiale- ment, permettant ainsi de former des ions négatifs, et en particulier des ions H-, D ou T-, par attachement dissociatif et par résonance cyclotronique éLectroni- que, tout en évitant la destruction des ions négatifs formés par collisions avec les électrons énergétiques, selon le mécanisme réactionnel (3). Les ions négatifs ainsi formés et extraits du plasma pourront avantageusement être accélérés en utilisant des moyens appropriés situés en aval des moyens d'extraction. Cette accélération finale des ions peut par exemple être obtenue en utilisant une électro- de, percée d'une ou plusieurs ouvertures pour permettre le passage des ions, portée à un potentiel positif par rapport à celui des moyens d'extraction. Selon un mode préféré de réalisation de la source d'ions selon l'invention, des moyens pour dimi- nuer l'amplitude du champ magnétique au niveau des moyens d'extraction des ions peuvent être prévus. Cette annulation locale de l'amplitude du champ magnétique peut avantageusement être réalisée en utilisant comme moyens d'extraction des ions négatifs une électrode ou plaque réalisée en une substance ferromagnétique, per- cée de fentes ou de trous pour permettre le passage des ions négatifs formés. Cette annulation de l'amplitude du champ ma- gnétique au niveau de l'extraction des ions réalise un piégeage des électrons n'ayant pas réagi avec les molé- cules de gaz ou de vapeur, permettant ainsi d'éviter -5 leur accélération entre les moyens d'extraction et d'accélération, et donc leur sortie de la source. Selon un autre mode préféré de réalisation de La source d'ions de l'invention, les moyens d'injec- tion du champ- électromagnétique comportent un guide d'onde dont l'extrémité, montée sur l'enceinte, est équipée d'une fenêtre en un matériau diélectrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures annexées, dans lesquelles: - la figure I représente, schématiquement, en coupe longitudinale une source d'ions négatifs con- formément à L'invention, - La figure 2 représente une courbe donnant l'amplitude B du champ magnétique régnant dans la sour- ce de la figure 1 en fonction de la distance Z prise sur l'axe de révolution de la source, et - la figure 3 représente une courbe donnant les variations du potentiel électrique U à l'intérieur de la source de la figure 1 en fonction de La distan- ce Z. En se référant à la figure 1, La source d'ions négatifs selon l'invention comprend une enceinte à vide de confinement 2 constituant une cavité réson- nante pouvant être excitée par un champ électromagnéti- que hyperfréquence. Cette enceinte 2 présente un axe de symétrie Z. qui dans le cas d'une enceinte cylindrique représente l'axe de révolution. L'onde électromagnéti- que produite par une source 4 telle qu'un klystron est introduite dans la cavité résonnante 2 au moyen d'un guide d'onde 6, à section circulaire ou rectangulaire, comportant à son extrémité montée sur l'enceinte une fenêtre 8 réalisée en un matériau diélectrique tel A1203. Cette onde peut être continue ou pulsée et pré- senter une fréquence comprise entre 1 et 100 GHz. Une conduite 10 permet d'introduire un gaz ou une vapeur d'un matériau à l'intérieur de la cavité 2 destiné à former un plasma dans ladite cavité. Avan- tageusement, cette introduction de gaz est réalisée à proximité de l'introduction de l'onde éLectromagnéti- que. L'enceinte 2 peut par exemple être remplie d'hy- drogène, de deutérium ou de tritium à une pression de 1 à 10 mtorr (1,34 Pa). Des moyens non représentés, tel.s qu'une pom- pe à diffusion ou cryogénique, montés sur la cavité 2 permettent le maintien d'un vide poussé à l'intérieur de La cavité. La cavité 2 est portée à un potentiel éLec- trostatique -V par rapport à la masse. En outre, elle est entourée par deux bobines 12 et 14, la bobine 12 étant alimentée en contre-champ, permettant de créer un champ magnétique de symétrie axiale. En particulier, l'axe de symétrie de ce champ magnétique peut être con- fondu avec l'axe de symétrie Z de la cavité 2. Les flèches 16 représentent les lignes de champ du champ magnétique. Ce champ magnétique peut être soit continu, soit pulsé. La source d'ions négatifs selon l'invention comprend de plus des moyens permettant d'extraire les ions formés. Ces moyens sont constitués par exemple d'une plaque conductrice 18 portée à un potentiel posi- tif par rapport à l'enceinte 2, par exemple à un poten- tiel -V+AV. Ils sont montés sur l'une des extrémités de l'enceinte et isolés de celles-ci au moyen d'une bague isolante 19. Ces moyens 18 sont équipés d'au moins un trou ou d'une fente 20 permettant le passage des ions négatifs. Cet orifice d'extraction 20 est par exemple situé sur l'axe de symétrie Z de la cavité hyperfré- quence. Selon le gaz ou la vapeur utilisé, on choi- sira telle ou telle valeur de V et de AV. Par exemple pour de l'hydrogène ou ses isotopes V peut être compris entre -1500 V et -2000 V et AV compris entre 5 et volts. Selon l'invention, l'électrode d'extraction 18, des ions négatifs peut être suivie d'une autre électrode 22 portée à un potentiel positif par rapport à l'électrode d'extraction 18, et par exemple au poten- tiel de la masse, afin d'accélérer des ions négatifs formés à leur valeur finale. Cette électrode 22 est bien entendu équipée d'au moins une ouverture 24, si- tuée notamment sur l'axe de symétrie Z de La cavité, permettant La sortie des ions négatifs formés, hors de La source. Les positions des électrodes d'extraction 18 et d'accélération 20 sont avantageusement réglables le long de l'axe Z. Comme représenté sur la figure 1, le guide d'onde électromagnétique 6 et les électrodes d'extrac- tion 18 et d'accélération 22 de la source d'ions sont disposées aux deux extrémités opposées de la cavité ré- sonnante 2; l'axe de symétrie du guide d'onde 6 et ceux des ouvertures 20 et 24, pratiquées réciproquement dans les électrodes 18 et 22, sont confondus avec l'axe de symétrie Z de la cavité. Les bobines 12 et 14 entourant la cavité 2 permettent, comme représenté sur la figure 2, de créer un champ magnétique de symétrie axiale dans l'enceinte dont l'amplitude B croît de la fenêtre 8 de l'injecteur de l'onde électromagnétique à l'électrode d'extraction 18. Ce champ magnétique présente, en un point ZR pris sur l'axe de symétrie de la cavité 2, et approximative- ment au centre de ladite cavité, une amplitude BR sa- tisfaisant à la condition de résonance cyclotronique électronique (4), permettant ainsi la formation d'élec- trons énergétiques e servant à l'excitation vibration- nelle des molécules du gaz contenues dans l'enceinte 2. Par ailleurs, ce champ magnétique présente un maximum d'amplitude 8M juste en amont de l'électrode d'extrac- tion 18 dont la position est repérée par la cote Ze. Etant donné le fort couplage entre l'onde électromagnétique et les électrons créés par ionisation au point ZR, les électrons acquièrent une forte énergie cinétique, perpendiculaire au champ magnétique. Dans Le champ magnétique d'amplitude croissante vers L'élec- trode 18, ces électrons subissent un effet miroir et sont soumis à une force F=eE=p grad B, p étant Le mo- ment magnétique de l'électron. Ils sont donc accLéraés vers la fenêtre 8 de l'injecteur électromagnétique; le sens de déplacement de ces électrons est illustré par la fLèche F. Dans leur entraînement axial, les électrons énergétiques entraînent, par effet électrostatique ou ambipolaire, les ions positifs tels que H+, D+ ou T+ formés lors de l'ionisation du gaz hydrogène, deutérium ou tritium contenu dans l'enceinte 2. Il en résulte, comme représenté sur la figure 3, un -potentiel dit de plasma plus positif vers l'électrode d'extraction 18 (cote Ze) que dans le centre de la cavité (cote ZR). Ce potentiel plus positif est responsable de l'autoaccé- Lération des ions H, représentée par la flèche F1, ces ions étant créés dans la zone d'extraction des ions, c'est-à-dire à proximité et en amont de l'électrode 18. Les ions négatifs et par exemple les ions H, D ou T sont créés préférentiellement dans la ré- gion d'extraction des ions, du fait que Les moLécules de gaz excitées vibrationnellement, équation (1), sont insensibles au champ magnétique; elles peuvent donc diffuser de façon isotrope. Etant donné la polarité très Légèrement po- sitive +AV de l'électrode d'extraction 18 par rapport à la cavité hyperfréquence 2, l'extraction du plasma des ions négatifs formés, par exemple H pour l'hydrogène, sera facilitée. Comme représenté sur la figure 2, l'amplitu- de du champ magnétique peut avantageusement s'annuler au niveau de l'électrode d'extraction 18, c'est-à-dire à La cote Ze, afin de réaliser un piégeage des élec- trons du plasma permettant ainsi d'éviter leur accélé- ration entre l'électrode d'extraction 18 et L'électrode 22. Cette annulation du champ magnétique peut par exem- pLe être obtenue en utilisant une électrode d'extrac- tion 18 réalisée en une substance ferrômagnéti- que. La source d'ions négatifs selon l'invention a permis la production d'un faisceau d'ions H ayant une énergie de 2 KeV par nucléon et une intensité de mA en utilisant une puissance hyperfréquence moyenne de 1 kW, une fréquence cyclotronique électronique de 10 GHz et un champ magnétique dont l'amplitude croît de 0,2 à 0,45 T. La source d'ions présentait une cavité cylindrique de 10 cm de diamètre et de 15 cm de lon- gueur; elle était portée à un potentiel négatif de -2000 volts et l'éLectrode d'extraction 18 à un poten- tiel de 2 volts supérieur à celui de la cavité, soit -1998 V. La pression du gaz hydrogène contenu dans l'enceinte était de 0,2 Pa. La description donnée précédemment n'a bien entendu été donnée qu'à titre illustratif, toute modi- fication, sans pour autant sortir du cadre de l'inven- tion, pouvant être envisagée. En particulier, il est possible d'utiliser des moyens distincts pour extraire les ions négatifs et pour annuler l'amplitude du champ magnétique au niveau de ces moyens d'extraction, au lieu d'utiliser un seul moyen pour réaliser ces deux fonctions. Par exemple, on peut utiliser des ferrites pour diminuer l'amplitude du champ magnétique. Par ailleurs, le champ magnétique à symétrie axiale peut être produit par des ferrites à la place de l'utilisation de deux bobines alimentées en contre- champ et entourant la cavité hyperfréquence. De même, la cavité peut présenter une autre forme qu'une forme cylindrique, par exemple une forme parallélépipédique. Enfin, la description a été faite dans le cas d'une production d'ions H, D ou T, mais bien entendu, la source selon l'invention peut produire d'autres types d'ions négatifs et en particulier des ions d'oxygène, de sodium, de lithium et d'iode. 258042; REVENDICATIONS 1. Source d'ions négatifs comportant une en- ceinte fermée (2) contenant un gaz ou une vapeur d'un matériau destiné à former un plasma, caractérisée en ce qu'elle comprend: - des moyens d'injection (6, 8) dans l'enceinte (2) d'un champ électromagnétique de haute fréquence for- mant par ionisation du gaz ou de la vapeur des élec- trons, - des moyens (12, 14) pour créer dans l'enceinte (2) un champ magnétique de symétrie axiale dont l'amplitude (B) croit le long de l'axe de symétrie (Z), cette amplitude, maximale (BM) à proximité et en amont de la zone d'extraction des ions négatifs, présentant dans la région centrale (ZR) de l'enceinte (2) une valeur (BR) pour laquettlle la condition de résonance cyclotronique électronique est satisfaite, et - des moyens d'extraction (18) des ions négatifs for- més, portés à un potentiel positif (+AV) par rapport à l'enceinte (2). 2. Source d'ions négatifs selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce qu'elle comprend en aval des moyens d'extraction (18) des moyens d'accélération (22) des ions négatifs formés. 3. Source d'ions négatifs selon la revendi- cation 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'annulation (18) de l'amplitude du champ magné- tique au niveau des moyens d'extraction (18) des ions. 4. Source d'ions négatifs selon la revendi- cation 3, caractérisée en ce que les moyens d'annula- tion et les moyens d'extraction étant confondus, ces moyens (18) sont formés d'une plaque en matériau ferro- magnétique percée d'au moins une ouverture (20) pour permettre le passage des ions. 5. Source d'ions négatifs selon l'une quel- conque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que les moyens d'accélération (22) sont formes d'une élec- trode portée à un potentiel positif par rapport à celui des moyens d'extraction, munie d'au moins une ouverture (24) pour permettre te passage des ions. 6. Source d'ions négatifs selon l'une quel- conque des revendications I à 5, caractérisée en ce que les moyens d'injection (6, 8) du champ électromagnéti- que comportent un guide d'onde (6) dont l'extrémité montée sur l'enceinte (2) est équipée d'une fenêtre (8) en un matériau diélectrique. 7. Source d'ions négatifs selon l'une quel- conque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le gaz est l'hydrogène ou ses isotopes.